3.5 판단 및 경로 계획(Planning) 하위 시스템

1. 개요

판단 및 경로 계획(Planning) 하위 시스템은 인지 및 위치 추정의 결과를 기반으로 차량의 주행 전략과 궤적을 결정하는 기능 모듈이다. 판단 모듈은 일반적으로 계층적 구조를 가지며, 전역 경로 계획(Route Planning), 행동 계획(Behavioral Planning), 운동 계획(Motion Planning)의 세 수준으로 구분된다(Paden et al., 2016).

2. 전역 경로 계획 (Route Planning)

전역 경로 계획은 출발지에서 목적지까지의 최적 경로를 도로 네트워크 그래프에서 탐색하는 상위 수준의 계획이다. 도로 네트워크를 그래프로 모델링하고, Dijkstra 알고리즘, A* 알고리즘 등의 그래프 탐색 알고리즘을 이용하여 최소 비용 경로를 산출한다. 비용 함수는 거리, 예상 소요 시간, 도로 유형, 교통 상황 등을 반영한다.

3. 행동 계획 (Behavioral Planning)

행동 계획은 현재 교통 상황에서 차량이 취해야 할 전술적 행동을 결정하는 중간 수준의 계획이다. 주요 의사결정 항목은 다음을 포함한다.

• 직진, 좌회전, 우회전, 유턴의 선택
• 차선 변경, 차선 유지의 결정
• 양보, 추월, 합류의 판단
• 교차로 통과 순서의 결정
• 정지선, 횡단보도에서의 정차 여부 결정

행동 계획의 구현 방법론으로는 유한 상태 기계(Finite State Machine, FSM), 의사결정 트리(Decision Tree), 부분 관측 가능 마르코프 결정 과정(Partially Observable Markov Decision Process, POMDP), 강화 학습(Reinforcement Learning) 기반 정책 등이 사용된다.

4. 운동 계획 (Motion Planning)

운동 계획은 행동 계획의 결과를 구체적인 시공간 궤적(Spatiotemporal Trajectory)으로 변환하는 하위 수준의 계획이다. 생성된 궤적은 다음의 제약 조건을 만족하여야 한다.

• 안전성: 정적 및 동적 장애물과의 충돌이 없어야 한다.
• 차량 동역학 적합성: 차량의 조향 한계, 최대 가감속, 최소 회전 반경 등 물리적 제약을 만족하여야 한다.
• 쾌적성: 급격한 가감속, 급조향 등 탑승자의 불쾌감을 유발하는 운동을 최소화하여야 한다.
• 교통 법규 준수: 속도 제한, 차선 규정, 교통 신호 등을 준수하여야 한다.

주요 운동 계획 알고리즘은 다음과 같다.

• 래티스 계획(Lattice Planning): 미리 정의된 기본 궤적(Primitive)의 격자에서 최적 궤적을 탐색한다.
• 샘플링 기반 계획: RRT(Rapidly-exploring Random Tree), RRT* 등 구성 공간(Configuration Space)에서 무작위 샘플링을 통해 경로를 탐색한다(LaValle, 1998).
• 최적화 기반 계획: 궤적을 매개변수화하고 비용 함수를 최소화하는 최적화 문제로 정식화한다. 비선형 최적화, 이차 계획법(Quadratic Programming) 등이 활용된다.

5. 참고 문헌

• LaValle, S. M. (1998). Rapidly-exploring random trees: A new tool for path planning. Technical Report 98-11, Computer Science Department, Iowa State University.
• Paden, B., Čáp, M., Yong, S. Z., Yershov, D., & Frazzoli, E. (2016). A survey of motion planning and control techniques adopted in self-driving vehicles. IEEE Transactions on Intelligent Vehicles, 1(1), 33–55.

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