이 논문에서는 생물학적 원리에서 영감을 얻은 SLAM 시스템인 NeoSLAM의 새로운 구현을 소개하고 RatSLAM과 비교 평가한다. 새 NeoSLAM 구현은 Visual Feature Extractor, Binary Projector, Neocortex, Spatial-View Cells, Pose Cells, Experience Map, Visual Odometry의 7개 주요 모듈로 구성되며, 모든 모듈은 ROS 2 노드로 구현되었다. 실험 평가는 Robotarium 데이터셋(13 FPS로 촬영된 5453개 프레임), iRat Australia 데이터셋(10 FPS로 촬영된 16657개 프레임), 그리고 Florida International University에서 USV를 이용해 수집한 FIU MMC Lake 데이터셋을 대상으로 수행되었다.
시스템 개요
새로운 NeoSLAM 구현은 Visual Feature Extractor, Binary Projector, Neocortex, Spatial-View Cells, Pose Cells, Experience Map, Visual Odometry의 7개 주요 모듈로 이루어진다. 각 모듈은 ROS 2 노드로 정의되며, 모듈 간 데이터 흐름을 나타내는 ROS 토픽도 함께 제시한다.
Neocortex 노드
Neocortex 노드는 축약된 이진 시각 정보를 계층적 시간 기억(Hierarchical Temporal Memory, HTM)의 원리에 기반해 공간적·시간적 특징을 포착하는 형식으로 변환한다. 이 모듈을 이해하기 쉽도록 HTM 네트워크를 구동하는 데 필요한 핵심 구조인 희소 분산 표현(Sparse Distributed Representation, SDR), 공간 풀러(Spatial Pooler, SP), 시간 기억(Temporal Memory, TM)을 설명한다.
두 SDR의 중첩도는 두 표현에 공통으로 포함된 활성 비트의 수를 세어 유사도를 측정한다.
중첩도는 두 SDR에서 공통으로 활성화된 비트의 개수로 계산된다.
중첩도가 미리 정한 임계값을 넘으면 일치로 판단한다.
중첩도 값이 임계값 이상이면 일치로 판정한다.
Robotarium 데이터셋
실험 조건: 입력 속도 = 13 FPS, 전체 입력 프레임 수 = 5453, 반복 횟수 = 3, 실험 시간 = 424.8초.
iRat Australia 데이터셋
iRat Australia 데이터셋은 차동 구동 방식의 바퀴, 전방 카메라, 주행 거리 정보를 제공하는 휠 인코더를 갖춘 iRat 로봇으로 구성된다. 천장에 설치한 카메라로 영상을 촬영했으며, 이를 통해 정답 정보를 추출할 수 있었다.
실험 조건: 입력 속도 = 10 FPS, 전체 입력 프레임 수 = 16657, 반복 횟수 = 3, 실험 시간 = 15.9분.
FIU MMC Lake 데이터셋
데이터는 Florida International University(FIU)의 Modesto Maidique Campus(MMC)에 위치한 Green Library Lake에서 SeaRobotics Surveyor USV를 이용해 수집했다. USV가 이동한 궤적은 약 16분 동안 약 900m에 이른다. 추측 항법 데이터도 함께 기록하고 분석했다.
자주 묻는 질문
새로운 NeoSLAM 구현은 기존 구현과 어떻게 다른가? 새로운 구현은 시스템을 7개의 ROS 2 노드로 재구성하고 데이터 흐름을 위한 토픽을 명확히 정의했다. 이를 통해 모듈 단위로 작동할 수 있으며 최신 로보틱스 프레임워크와도 쉽게 통합할 수 있다.
NeoSLAM에서 Neocortex 모듈은 어떤 역할을 하는가? Neocortex 노드는 계층적 시간 기억 원리를 활용해 이진 시각 정보를 변환한다. 또한 희소 분산 표현, 공간 풀러, 시간 기억을 적용하여 공간적·시간적 특징을 포착한다.
새로운 NeoSLAM을 평가하는 데 어떤 데이터셋을 사용했는가? Robotarium 데이터셋(13 FPS, 5453개 프레임), iRat Australia 데이터셋(10 FPS, 16657개 프레임), 그리고 900m를 16분 동안 이동한 USV로 수집한 FIU MMC Lake 데이터셋 등 3개 데이터셋을 사용했다.
평가 데이터셋에는 어떤 하드웨어 플랫폼이 포함되어 있는가? 데이터셋에는 차동 구동 방식의 지상 로봇(iRat), 천장 카메라로 추적한 로봇(Robotarium), 자율 수상정(SeaRobotics Surveyor USV)이 포함되어 지상 및 해양 로봇 플랫폼을 모두 다룬다.
감사의 글
본 연구는 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil(CAPES) - Finance Code 001, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico(CNPq), E-26/204.669/2024 과제로 지원한 Fundação Carlos Chagas Filho(FAPERJ), NSF 연구비 IIS-2024733 및 IIS-2331908, 해군연구청(Office of Naval Research) 연구비 N00014-23-1-2789, 미국 국방부 연구비 78170-RT-REP, 플로리다 환경보호부 연구비 INV31의 지원을 일부 받아 수행되었다.