<국문초록> 본 논문에서는 자계표식기반안내시스템을 제안하고, 자계를 해석하기 위한 자계분석시스템, 자석의 위치를 예측하기 위한 자계표식위치인식센서, 스텝모터를 이용한 차량용 조향시스템, 조향제어를 위한 스텝모터의 속도추종 주파수제어방법과 위의 시스템을 장착하기 위한 로봇형 차량을 설계하고 개발하였다. 그리고 자율주행실험을 위하여 자계도로를 설치하고, 로봇형차량을 자계표식기반안내시스템의 자율주행에 응용한다. 차량의 증가로 발생하는 사고를 줄이기 위한 미래지향적인방법은 차량의 첨단화 및 지능화다. 이는 운전자의 안전성과 편의성을 증가시켜 운전 중 발생하는 사고를 사전에 예방하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 기술 중 가장 큰 관심을 받고 있는 것은 차량의 자율주행이다. 차량의 자율주행시스템이란 차량스스로 도로와 주변의 상황을 인식하고 주행하는 방법으로 카메라를 이용한 시각센서기반(...
<국문초록> 본 논문에서는 자계표식기반안내시스템을 제안하고, 자계를 해석하기 위한 자계분석시스템, 자석의 위치를 예측하기 위한 자계표식위치인식센서, 스텝모터를 이용한 차량용 조향시스템, 조향제어를 위한 스텝모터의 속도추종 주파수제어방법과 위의 시스템을 장착하기 위한 로봇형 차량을 설계하고 개발하였다. 그리고 자율주행실험을 위하여 자계도로를 설치하고, 로봇형차량을 자계표식기반안내시스템의 자율주행에 응용한다. 차량의 증가로 발생하는 사고를 줄이기 위한 미래지향적인방법은 차량의 첨단화 및 지능화다. 이는 운전자의 안전성과 편의성을 증가시켜 운전 중 발생하는 사고를 사전에 예방하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 기술 중 가장 큰 관심을 받고 있는 것은 차량의 자율주행이다. 차량의 자율주행시스템이란 차량스스로 도로와 주변의 상황을 인식하고 주행하는 방법으로 카메라를 이용한 시각센서기반(Vision Based)의 자율주행시스템과 위성항법을 이용한 GPS(Global Positioning System)기반의 자율주행시스템이 대부분 이였다. 그러나 이러한 방법들은 각각의 단점을 가지고 있는데 시각센서기반의 경우 빛이나 눈, 비, 안개 등에 의해 도로의 차선이 가려질 경우 주행을 할 수 없고, 영상을 처리하는 장비가 고가이다. GPS는 터널이나 빌딩이 많은 도심에서 전파를 수신하지 못하거나 위치오차가 더욱 커지는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하고 빛이나 날씨에 의한 영향을 받지 않고, 터널이나 도심에서도 정확한 정보를 가지고 자율주행이 가능한 방법으로 자계표식기반안내시스템이 제안되었다. 자계표식기반안내시스템은 도로의 중앙에 일정한 간격으로 자계표식(자석)을 매설하고, 자계표식에서 발생하는 자계가 가상의 안내선을 구성한다. 그리고 차량에는 자계표식위치인식센서를 장착하여 자계표식에서 발생하는 자계를 검출하고 차량이 자계도로에서 벗어난 위치오차를 인식하여 주행하는 방법이다. 자계표식기반안내시스템에서 가장 중요한 것은 자계표식의 위치를 예측하고 조향각을 제어하는 것이다. 이러한 방법을 시현하기 위해서는 먼저 자계에 대한 분석이 선행되어야 한다. 따라서 자석을 자기쌍극자로 가정하고 3차원 공간에서 3축()방향에 대한 자계를 분석하고 모델식을 정립하였다. 기존의 자계표식위치인식방법은 사전에 실험을 통해 좌우방향에 대한 자계성분()과 높이방향에 대한 자계성분()을 추출하여 시스템의 메모리에 저장한 후 실제 주행에서 입력되는 자계데이터와 비교 후 동일한 경우 자석의 위치를 예측하고 출력하는 Peak-Mapping법을 이용 하였다. 이는 , 대한 방대한 양의 자계데이터를 저장해야하기 때문에 메모리 소모가 많고, 상수로 작용하는 지자계를 제거해야하며, 데이터가 존재하지 않는 구간에서는 위치를 예측하지 못하는 치명적인 단점을 가지고 있다. 또한 지자계제거와 데이터가 없는 구간에서 위치를 예측하기 위해 보간법을 이용하지만 이러한 과정은 복잡한 계산식이 요구되고 이를 처리하는데 방대한 계산시간이 필요하기 때문에 차량의 주행에 필요한 실시간 제어에 큰 장애 요소가 된다. 따라서 계측된 자계가 곧바로 자석의 위치를 예측하는데 사용하는 방법이 요구되었고, 이를 위해 배열형 자계표식위치인식센서를 설계하고 개발하였다. 이 방법은 8개의 자계센서를 배열로 나열하고 전체센서의 자계표식의 자계를 계측하여 이중에서 가장 낮은 자계 값(Valley)을 추출하여 현재자계표식의 위치로 출력하기 때문에 방대한양의 데이터가 요구되지 않아 메모리가 필요 없고, 복잡한 계산식이 필요하지 않아 차량의 주행에 필요한 실시간 제어가 가능한 장점을 가지고 있다. 자율주행을 위한 차량의 조향제어장치는 대부분이 DC모터와 기어헤드를 이용하여 개발하여왔다. 그러나 본 로봇형 차량은 수동모드와 자동모드로 주행이 가능해야한다. DC모터 기어헤드는 모터가 회전하지 않으면 기어헤드의 기어비에 의해 정지력을 유지하기 때문에 수동모드에서 사람이 운전하기 힘든 단점을 가지고 있다. 따라서 조향장치는 스텝모터를 이용하여 설계하고 개발하였다. 스텝모터는 모터여자 Off신호가 있어 모터의 정지력을 쉬운 방법으로 제거할 수 있고, 정지력이 해제되면 사람의 힘으로 쉽게 회전할 수 있는 특징을 가지고 있다. 스텝모터의 기존주파수제어방법은 차량과 자계도로의 위치오차에 따라 주파수를 출력하는 뱅뱅 컨트롤이나 스텝제어방법을 이용하였다. 이는 차량의 바퀴에 부하가 커지면 노면과 타이어 사이에 마찰력이 커지기 때문에 스텝모터의 특징인 탈조가 발생하여 부드러운 조향제어가 어렵고 목적치에 도달하면 목적치를 넘어가 차량이 흔들리고 자계도로에서 탈선하는 문제점을 가지고 있다. 따라서 스텝모터는 모터의 속도나 회전력이 가변적이어야 한다. 따라서 새로운 속도추종주파수제어방법을 제안한다. 제안하는 주파수제어방법은 차량의 상태에 따라 주파수가 가변되도록 하였다. 일정한 Dead Zone구간을 설정하고 위치오차가 Dead Zone내에 존재하면 센서와 자계도로가 동일한 위치에 있다고 가정하고 조향각을 제어하지 않는다. 그리고 오차는 최소오차와 최대오차( ～)로 설정하고, 현재오차 는 최소오차와 최대오차 사이에서 움직이며 최대오차()을 넘어가면 최대한 빨리 원래의 위치로 복귀하도록 하였으며 주파수는 ～까지 설정하여 에 따라 가변되도록 하였다. 그리고 차량이 정지하거나 느린 속도로 주행할 경우 기본 설정 주파수로 동작 하도록 하였다. 개발된 장치를 차량에 장착하고 자율주행 실험을 위해 교내에 1[m]간격으로 자석을 심고 총 500[m]의 편도 1차선의 자계도로를 구성하였다. 제안하는 방법을 실제적용하기 위하여 자율주행 로봇형 차량을 설계하고 개발하였다. 개발된 차량은 "MOROCLE-Ⅰ(Mokpo National University Robotic Vehicle-Ⅰ)"이라고 명명하였다. 차량의 크기는 소형승용차의 1/2 크기이며, 기계적인 구조는 실제차량과 유사하다. 조향장치는 스텝모터에 의해 회전하고, 차량의 구동은 후륜 DC모터에 의해 구동된다. 한편 충격흡수와 접지성 향상을 위한 현가장치와 자동과 수동으로 동작하는 제동장치가 장착되어있으며, 전방에 장애물이나 사람을 검출하기위한 초음파센서가 장착되어 있다. 전기장치는 6[V]의 납축전지 6개를 직렬로 연결하여 36[V]를 사용한다. 또한 전원 그라운드와 신호선 그라운드를 함께 사용할 경우 노이즈 문제 등이 발생한다. 이를 해결하기 위하여 DC-DC컨버터를 이용하여 접지를 분리하고 12[V]와 5[V]로 나누어 각 시스템에 공급한다. 차량의 구동 모터, 조향제어용 스텝모터는 36[V]를 사용하고, 컴퓨터, 초음파센서, 컨트롤 판넬, 속도측정 센서 등은 12[V]를 사용한다. 주 제어기와 차량의 조향각 계측을 위한 위치센서는 5[V]전원을 사용한다. 제작한 로봇형 차량은 S자형 도로와 U자형 도로에서 자율주행이 가능하였으며, 직선도로에서는 초기의 차량위치에 외란을 주입하여 얼마나 빨리 도로의 중앙으로 복귀하는가를 측정하다. 또한 제안하는 방법들을 이용하여 자율주행이 가능함을 검증하였다. 자계표식기반안내시스템의 로봇형 차량은 산업용 AGV, 자동골프카트, 대규모놀이시설 및 공원의 관광용 무인차량으로 적용이 가능하다.
<국문초록> 본 논문에서는 자계표식기반안내시스템을 제안하고, 자계를 해석하기 위한 자계분석시스템, 자석의 위치를 예측하기 위한 자계표식위치인식센서, 스텝모터를 이용한 차량용 조향시스템, 조향제어를 위한 스텝모터의 속도추종 주파수제어방법과 위의 시스템을 장착하기 위한 로봇형 차량을 설계하고 개발하였다. 그리고 자율주행실험을 위하여 자계도로를 설치하고, 로봇형차량을 자계표식기반안내시스템의 자율주행에 응용한다. 차량의 증가로 발생하는 사고를 줄이기 위한 미래지향적인방법은 차량의 첨단화 및 지능화다. 이는 운전자의 안전성과 편의성을 증가시켜 운전 중 발생하는 사고를 사전에 예방하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 기술 중 가장 큰 관심을 받고 있는 것은 차량의 자율주행이다. 차량의 자율주행시스템이란 차량스스로 도로와 주변의 상황을 인식하고 주행하는 방법으로 카메라를 이용한 시각센서기반(Vision Based)의 자율주행시스템과 위성항법을 이용한 GPS(Global Positioning System)기반의 자율주행시스템이 대부분 이였다. 그러나 이러한 방법들은 각각의 단점을 가지고 있는데 시각센서기반의 경우 빛이나 눈, 비, 안개 등에 의해 도로의 차선이 가려질 경우 주행을 할 수 없고, 영상을 처리하는 장비가 고가이다. GPS는 터널이나 빌딩이 많은 도심에서 전파를 수신하지 못하거나 위치오차가 더욱 커지는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하고 빛이나 날씨에 의한 영향을 받지 않고, 터널이나 도심에서도 정확한 정보를 가지고 자율주행이 가능한 방법으로 자계표식기반안내시스템이 제안되었다. 자계표식기반안내시스템은 도로의 중앙에 일정한 간격으로 자계표식(자석)을 매설하고, 자계표식에서 발생하는 자계가 가상의 안내선을 구성한다. 그리고 차량에는 자계표식위치인식센서를 장착하여 자계표식에서 발생하는 자계를 검출하고 차량이 자계도로에서 벗어난 위치오차를 인식하여 주행하는 방법이다. 자계표식기반안내시스템에서 가장 중요한 것은 자계표식의 위치를 예측하고 조향각을 제어하는 것이다. 이러한 방법을 시현하기 위해서는 먼저 자계에 대한 분석이 선행되어야 한다. 따라서 자석을 자기쌍극자로 가정하고 3차원 공간에서 3축()방향에 대한 자계를 분석하고 모델식을 정립하였다. 기존의 자계표식위치인식방법은 사전에 실험을 통해 좌우방향에 대한 자계성분()과 높이방향에 대한 자계성분()을 추출하여 시스템의 메모리에 저장한 후 실제 주행에서 입력되는 자계데이터와 비교 후 동일한 경우 자석의 위치를 예측하고 출력하는 Peak-Mapping법을 이용 하였다. 이는 , 대한 방대한 양의 자계데이터를 저장해야하기 때문에 메모리 소모가 많고, 상수로 작용하는 지자계를 제거해야하며, 데이터가 존재하지 않는 구간에서는 위치를 예측하지 못하는 치명적인 단점을 가지고 있다. 또한 지자계제거와 데이터가 없는 구간에서 위치를 예측하기 위해 보간법을 이용하지만 이러한 과정은 복잡한 계산식이 요구되고 이를 처리하는데 방대한 계산시간이 필요하기 때문에 차량의 주행에 필요한 실시간 제어에 큰 장애 요소가 된다. 따라서 계측된 자계가 곧바로 자석의 위치를 예측하는데 사용하는 방법이 요구되었고, 이를 위해 배열형 자계표식위치인식센서를 설계하고 개발하였다. 이 방법은 8개의 자계센서를 배열로 나열하고 전체센서의 자계표식의 자계를 계측하여 이중에서 가장 낮은 자계 값(Valley)을 추출하여 현재자계표식의 위치로 출력하기 때문에 방대한양의 데이터가 요구되지 않아 메모리가 필요 없고, 복잡한 계산식이 필요하지 않아 차량의 주행에 필요한 실시간 제어가 가능한 장점을 가지고 있다. 자율주행을 위한 차량의 조향제어장치는 대부분이 DC모터와 기어헤드를 이용하여 개발하여왔다. 그러나 본 로봇형 차량은 수동모드와 자동모드로 주행이 가능해야한다. DC모터 기어헤드는 모터가 회전하지 않으면 기어헤드의 기어비에 의해 정지력을 유지하기 때문에 수동모드에서 사람이 운전하기 힘든 단점을 가지고 있다. 따라서 조향장치는 스텝모터를 이용하여 설계하고 개발하였다. 스텝모터는 모터여자 Off신호가 있어 모터의 정지력을 쉬운 방법으로 제거할 수 있고, 정지력이 해제되면 사람의 힘으로 쉽게 회전할 수 있는 특징을 가지고 있다. 스텝모터의 기존주파수제어방법은 차량과 자계도로의 위치오차에 따라 주파수를 출력하는 뱅뱅 컨트롤이나 스텝제어방법을 이용하였다. 이는 차량의 바퀴에 부하가 커지면 노면과 타이어 사이에 마찰력이 커지기 때문에 스텝모터의 특징인 탈조가 발생하여 부드러운 조향제어가 어렵고 목적치에 도달하면 목적치를 넘어가 차량이 흔들리고 자계도로에서 탈선하는 문제점을 가지고 있다. 따라서 스텝모터는 모터의 속도나 회전력이 가변적이어야 한다. 따라서 새로운 속도추종주파수제어방법을 제안한다. 제안하는 주파수제어방법은 차량의 상태에 따라 주파수가 가변되도록 하였다. 일정한 Dead Zone구간을 설정하고 위치오차가 Dead Zone내에 존재하면 센서와 자계도로가 동일한 위치에 있다고 가정하고 조향각을 제어하지 않는다. 그리고 오차는 최소오차와 최대오차( ～)로 설정하고, 현재오차 는 최소오차와 최대오차 사이에서 움직이며 최대오차()을 넘어가면 최대한 빨리 원래의 위치로 복귀하도록 하였으며 주파수는 ～까지 설정하여 에 따라 가변되도록 하였다. 그리고 차량이 정지하거나 느린 속도로 주행할 경우 기본 설정 주파수로 동작 하도록 하였다. 개발된 장치를 차량에 장착하고 자율주행 실험을 위해 교내에 1[m]간격으로 자석을 심고 총 500[m]의 편도 1차선의 자계도로를 구성하였다. 제안하는 방법을 실제적용하기 위하여 자율주행 로봇형 차량을 설계하고 개발하였다. 개발된 차량은 "MOROCLE-Ⅰ(Mokpo National University Robotic Vehicle-Ⅰ)"이라고 명명하였다. 차량의 크기는 소형승용차의 1/2 크기이며, 기계적인 구조는 실제차량과 유사하다. 조향장치는 스텝모터에 의해 회전하고, 차량의 구동은 후륜 DC모터에 의해 구동된다. 한편 충격흡수와 접지성 향상을 위한 현가장치와 자동과 수동으로 동작하는 제동장치가 장착되어있으며, 전방에 장애물이나 사람을 검출하기위한 초음파센서가 장착되어 있다. 전기장치는 6[V]의 납축전지 6개를 직렬로 연결하여 36[V]를 사용한다. 또한 전원 그라운드와 신호선 그라운드를 함께 사용할 경우 노이즈 문제 등이 발생한다. 이를 해결하기 위하여 DC-DC컨버터를 이용하여 접지를 분리하고 12[V]와 5[V]로 나누어 각 시스템에 공급한다. 차량의 구동 모터, 조향제어용 스텝모터는 36[V]를 사용하고, 컴퓨터, 초음파센서, 컨트롤 판넬, 속도측정 센서 등은 12[V]를 사용한다. 주 제어기와 차량의 조향각 계측을 위한 위치센서는 5[V]전원을 사용한다. 제작한 로봇형 차량은 S자형 도로와 U자형 도로에서 자율주행이 가능하였으며, 직선도로에서는 초기의 차량위치에 외란을 주입하여 얼마나 빨리 도로의 중앙으로 복귀하는가를 측정하다. 또한 제안하는 방법들을 이용하여 자율주행이 가능함을 검증하였다. 자계표식기반안내시스템의 로봇형 차량은 산업용 AGV, 자동골프카트, 대규모놀이시설 및 공원의 관광용 무인차량으로 적용이 가능하다.
This dissertation describes a robotic vehicle using a guidance system based on magnetic markers. In order to develop the guidance system, a magnetic field analyzing system, an array typed magnetic position sensor, magnetic markers paved in the road, a steering system, a speed following frequency co...
This dissertation describes a robotic vehicle using a guidance system based on magnetic markers. In order to develop the guidance system, a magnetic field analyzing system, an array typed magnetic position sensor, magnetic markers paved in the road, a steering system, a speed following frequency control system for steering step motor and a robotic vehicle for autonomous driving is realized. The proposed guidance system is focused on magnetic sensing system. In the guidance system, magnetic markers are embedded just under the surface of road by regular interval. The magnetic position sensor is mounted under the bumper of the vehicle. The steer handle of the vehicle in controlled to follow the magnetic markers. To verify that a magnetic dipole model can be applied to a magnetic marker the analysis of the model is compared with the data of 3-axis magnetic field measured experimentally. The sensor location could be estimated by the analysis of the model based on experimental data. For the magnetic lane model merged magnetic marker, the relation of sensors location and magnetic field is acquired experimentally. In a guidance system based on magnetic marker, to estimate the vehicle position, the sensor measures the magnetic field on the road. The relation of the fields and the sensor position is highly complex. So, it is difficult that the relation is stored in memory. Thus, the array typed magnetic position sensor is proposed. Eight sensors are installed in a printed circuit board. And sensors can measure magnetic fields and compare the magnetic field of each sensors. A steering system using a step motor is developed. Step motor can remove holding torque easily. For control of step motor, a speed following frequency controller is designed. Magnets were installed under the road by spacing of 100[cm] The total number of installed magnets is 500, and the total length of magnetic road is 500[m]. The designed vehicle is called as "MOROCLE-Ⅰ" (Mokpo National University Robotic Vehicle). A DC motor generates driving power. The rotation of a stepping motor is converted to the steering angle between right 20° to the left 20°. Also, developed robotic vehicle confirmed the excellent performance of the system from a strait and curved roads experiments. In this system can be applied to industrial AGV, automatic golf cart, shuttle bus in the play park or travel.
This dissertation describes a robotic vehicle using a guidance system based on magnetic markers. In order to develop the guidance system, a magnetic field analyzing system, an array typed magnetic position sensor, magnetic markers paved in the road, a steering system, a speed following frequency control system for steering step motor and a robotic vehicle for autonomous driving is realized. The proposed guidance system is focused on magnetic sensing system. In the guidance system, magnetic markers are embedded just under the surface of road by regular interval. The magnetic position sensor is mounted under the bumper of the vehicle. The steer handle of the vehicle in controlled to follow the magnetic markers. To verify that a magnetic dipole model can be applied to a magnetic marker the analysis of the model is compared with the data of 3-axis magnetic field measured experimentally. The sensor location could be estimated by the analysis of the model based on experimental data. For the magnetic lane model merged magnetic marker, the relation of sensors location and magnetic field is acquired experimentally. In a guidance system based on magnetic marker, to estimate the vehicle position, the sensor measures the magnetic field on the road. The relation of the fields and the sensor position is highly complex. So, it is difficult that the relation is stored in memory. Thus, the array typed magnetic position sensor is proposed. Eight sensors are installed in a printed circuit board. And sensors can measure magnetic fields and compare the magnetic field of each sensors. A steering system using a step motor is developed. Step motor can remove holding torque easily. For control of step motor, a speed following frequency controller is designed. Magnets were installed under the road by spacing of 100[cm] The total number of installed magnets is 500, and the total length of magnetic road is 500[m]. The designed vehicle is called as "MOROCLE-Ⅰ" (Mokpo National University Robotic Vehicle). A DC motor generates driving power. The rotation of a stepping motor is converted to the steering angle between right 20° to the left 20°. Also, developed robotic vehicle confirmed the excellent performance of the system from a strait and curved roads experiments. In this system can be applied to industrial AGV, automatic golf cart, shuttle bus in the play park or travel.
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