본 논문에서는 실내용 미끄럼 조향이동로봇의 측방향 강인제어기 설계와 실제 제어에 있어 로봇의 위치인식 시스템이 되는 독립형 초음파 위치인식시스템을 설계 적용하였다. 초음파를 이용한 위치인식시스템의 구현에 있어 본 논문은 송신기와 수신기가 분리된 형태의 직접파를 사용하여 거리를 측정하는 초음파 센서를 기본으로 하였으며 같은 공간상에 다수의 이동물체의 위치인식을 위하여 고정된 지점에 송신기가 설치되고 이동하는 물체에 수신기가 장착되는 상황에 대하여 접근하였다. 다수의 송신기들을 통하여 수신기의 위치를 측정하는 방식은 기하학적 해법을 이용하여 접근 가능하지만 ...
본 논문에서는 실내용 미끄럼 조향이동로봇의 측방향 강인제어기 설계와 실제 제어에 있어 로봇의 위치인식 시스템이 되는 독립형 초음파 위치인식시스템을 설계 적용하였다. 초음파를 이용한 위치인식시스템의 구현에 있어 본 논문은 송신기와 수신기가 분리된 형태의 직접파를 사용하여 거리를 측정하는 초음파 센서를 기본으로 하였으며 같은 공간상에 다수의 이동물체의 위치인식을 위하여 고정된 지점에 송신기가 설치되고 이동하는 물체에 수신기가 장착되는 상황에 대하여 접근하였다. 다수의 송신기들을 통하여 수신기의 위치를 측정하는 방식은 기하학적 해법을 이용하여 접근 가능하지만 역행렬을 이용한 풀이방법은 송신기의 기하학적 배치에 제약을 두게 되어 이의 대안으로 송신기의 배치에 영향을 받지 않는 위치계산법을 제안하였다. 그러나 근본적으로 다수의 송신기는 같은 공간상에서 동시에 초음파 신호를 발생시킬 수 없기 때문에 이동하는 물체에 대한 기하학적 위치계산은 이동오차를 발생시킨다. 그럼에도 불구하고 정지상태의 우수한 위치정밀도를 가지고 있으며 다수의 수신기를 이용하여 수신기위치기반의 각도측정에 있어 수신기 이동시에도 각 수신기들이 비슷한 양의 위치오차를 가지게 되어 각도 정밀도는 이동에 큰 영향을 받지 않음을 파악하였다. 본 논문은 기존의 확장칼만필터를 이용한 초음파 위치 인식 시스템의 문제점인 초기조건문제와 초음파센서 이외의 부가적인 센서들이 필요한 문제점들의 개선 사항으로, 기하학적 해법의 장점을 살려 가상의 센서를 설정하고 이 가상의 센서의 출력과 초음파 관측방정식을 통하여 확장칼만필터를 설계하였다. 시뮬레이션과 실제 실험을 통하여 설계된 센서는 이동 중에도 양호한 위치 및 각도 정밀도를 가지고 있음을 입증하였다. 정지 상태에 대하여 표준편차 0.0028m의 위치정밀도와 표준편차 0.0077rad의 각도정밀도를 보였으며, 0.6m/s의 직선 이동에 대하여 표준편차 0.01m의 위치정밀도와 표준편차 0.0077rad의 각도 정밀도를 보였다. 조향장치가 없이 양쪽 바퀴의 속도 차이만으로 구동되는 로봇은 측방향으로 이동하기 위해서는 항상 지면과 바퀴 사이에 미끄럼이 발생한다. 이런 SSMR의 제어에 있어 일반적으로 로봇의 모델을 모터의 토크를 기반으로 하고 로봇의 저항력을 일반적인 마찰력으로 구성한 것과 달리 본 논문에서는 바퀴와 지면사이의 상대속도를 기반으로 하는 미끄럼율을 통한 동역학식을 제시하였다. 실제 많은 이동로봇의 경우 바퀴에 대한 피드백 정보는 엔코더를 이용하고 있기 때문에 미끄럼율을 바탕으로 하는 동역학식은 실제 적용에 있어 좀더 합리적으로 작용한다. 또한, SSMR의 일관성 있는 제어를 위해 기구학적 구속조건을 첨가하였으며 제어기의 설계를 목적으로 비선형 피드백을 통하여 선형화 하였다. 경로정보를 포함하는 선형화된 SSMR은 다양한 외란들이 존재하기 때문에 이의 측방향 제어성능을 높이기 위하여 LMI기반의 H_(∞) 제어기를 설계하였다. 관심있는 제어량의 성능향상을 위하여 가중함수가 선정되었으며 시뮬레이션을 통하여 다양한 외란이 존재하는 경우에서의 성능을 평가하였다. 마지막으로 실제의 주행실험을 통하여 다양한 외란이 존재하는 환경에서 제안된 제어기는 0.1m의 측방향 최대오차를 가지는 양호한 제어 성능을 가짐을 확인하였다.
본 논문에서는 실내용 미끄럼 조향이동로봇의 측방향 강인제어기 설계와 실제 제어에 있어 로봇의 위치인식 시스템이 되는 독립형 초음파 위치인식시스템을 설계 적용하였다. 초음파를 이용한 위치인식시스템의 구현에 있어 본 논문은 송신기와 수신기가 분리된 형태의 직접파를 사용하여 거리를 측정하는 초음파 센서를 기본으로 하였으며 같은 공간상에 다수의 이동물체의 위치인식을 위하여 고정된 지점에 송신기가 설치되고 이동하는 물체에 수신기가 장착되는 상황에 대하여 접근하였다. 다수의 송신기들을 통하여 수신기의 위치를 측정하는 방식은 기하학적 해법을 이용하여 접근 가능하지만 역행렬을 이용한 풀이방법은 송신기의 기하학적 배치에 제약을 두게 되어 이의 대안으로 송신기의 배치에 영향을 받지 않는 위치계산법을 제안하였다. 그러나 근본적으로 다수의 송신기는 같은 공간상에서 동시에 초음파 신호를 발생시킬 수 없기 때문에 이동하는 물체에 대한 기하학적 위치계산은 이동오차를 발생시킨다. 그럼에도 불구하고 정지상태의 우수한 위치정밀도를 가지고 있으며 다수의 수신기를 이용하여 수신기위치기반의 각도측정에 있어 수신기 이동시에도 각 수신기들이 비슷한 양의 위치오차를 가지게 되어 각도 정밀도는 이동에 큰 영향을 받지 않음을 파악하였다. 본 논문은 기존의 확장칼만필터를 이용한 초음파 위치 인식 시스템의 문제점인 초기조건문제와 초음파센서 이외의 부가적인 센서들이 필요한 문제점들의 개선 사항으로, 기하학적 해법의 장점을 살려 가상의 센서를 설정하고 이 가상의 센서의 출력과 초음파 관측방정식을 통하여 확장칼만필터를 설계하였다. 시뮬레이션과 실제 실험을 통하여 설계된 센서는 이동 중에도 양호한 위치 및 각도 정밀도를 가지고 있음을 입증하였다. 정지 상태에 대하여 표준편차 0.0028m의 위치정밀도와 표준편차 0.0077rad의 각도정밀도를 보였으며, 0.6m/s의 직선 이동에 대하여 표준편차 0.01m의 위치정밀도와 표준편차 0.0077rad의 각도 정밀도를 보였다. 조향장치가 없이 양쪽 바퀴의 속도 차이만으로 구동되는 로봇은 측방향으로 이동하기 위해서는 항상 지면과 바퀴 사이에 미끄럼이 발생한다. 이런 SSMR의 제어에 있어 일반적으로 로봇의 모델을 모터의 토크를 기반으로 하고 로봇의 저항력을 일반적인 마찰력으로 구성한 것과 달리 본 논문에서는 바퀴와 지면사이의 상대속도를 기반으로 하는 미끄럼율을 통한 동역학식을 제시하였다. 실제 많은 이동로봇의 경우 바퀴에 대한 피드백 정보는 엔코더를 이용하고 있기 때문에 미끄럼율을 바탕으로 하는 동역학식은 실제 적용에 있어 좀더 합리적으로 작용한다. 또한, SSMR의 일관성 있는 제어를 위해 기구학적 구속조건을 첨가하였으며 제어기의 설계를 목적으로 비선형 피드백을 통하여 선형화 하였다. 경로정보를 포함하는 선형화된 SSMR은 다양한 외란들이 존재하기 때문에 이의 측방향 제어성능을 높이기 위하여 LMI기반의 H_(∞) 제어기를 설계하였다. 관심있는 제어량의 성능향상을 위하여 가중함수가 선정되었으며 시뮬레이션을 통하여 다양한 외란이 존재하는 경우에서의 성능을 평가하였다. 마지막으로 실제의 주행실험을 통하여 다양한 외란이 존재하는 환경에서 제안된 제어기는 0.1m의 측방향 최대오차를 가지는 양호한 제어 성능을 가짐을 확인하였다.
This dissertation presents the lateral control of a skid-steered mobile robot (SSMR) operated in the indoor environment with ultrasonic positioning system. First, in order to provide the controller with lateral information of a mobile robot, a positioning system is proposed. This positioning system ...
This dissertation presents the lateral control of a skid-steered mobile robot (SSMR) operated in the indoor environment with ultrasonic positioning system. First, in order to provide the controller with lateral information of a mobile robot, a positioning system is proposed. This positioning system is composed with multiple ultrasonic transmitters and receivers. A basic concept for obtaining 3-dimensional position information from ultrasonic sensor system is introduced and investigated. This concept is based on inverse matrix method and is not acceptable for singular matrix. Therefore, a new geometric method for positioning is proposed. To verify performance of proposed method, computer simulations are accomplished. Also, angle finding algorithm is introduced for robot heading. These positioning and angle finding algorithms are good for stationary objects, but there are increasing errors about velocity for moving objects. So, Extended Kalman Filter (EKF) based sensor fusion is proposed to accurate positioning for moving objects. Proposed EKF uses distance information between transmitter and receiver, virtual sensors that is composed with geometric solution of ultrasonic sensor system and uses no external sensors. This EKF provides good position estimates for moving or stationary objects because of good performance of geometric solution for stationary objects and precision measurements of distance information for moving objects. Second, robust controller for lateral control of SSMR is proposed. For a robot control, a dynamic 3 DOF model for SSMR is derived. The dynamic model is based on slip ratio between robot wheels and ground. An operative nonholonomic constraint is added to dynamic model for proper moving of SSMR and obtaining a predictable behavior of instantaneous center of rotation. For control design, nonlinear static state feedback law is adopted. By this feedback law, dynamic system becomes a second order kinematic model. Linearized lateral model of SSMR including reference information is introduced for path following. The reference path is constructed by strait or circular lanes, and reference information algorithm for lateral control of SSMR is proposed. To reduce model uncertainty, sensor noise and tracking error, a robust LMI-based H_(∞) lateral controller is designed. Computer simulations and experimentations are accomplished to verify the performance of the designed lateral controller.
This dissertation presents the lateral control of a skid-steered mobile robot (SSMR) operated in the indoor environment with ultrasonic positioning system. First, in order to provide the controller with lateral information of a mobile robot, a positioning system is proposed. This positioning system is composed with multiple ultrasonic transmitters and receivers. A basic concept for obtaining 3-dimensional position information from ultrasonic sensor system is introduced and investigated. This concept is based on inverse matrix method and is not acceptable for singular matrix. Therefore, a new geometric method for positioning is proposed. To verify performance of proposed method, computer simulations are accomplished. Also, angle finding algorithm is introduced for robot heading. These positioning and angle finding algorithms are good for stationary objects, but there are increasing errors about velocity for moving objects. So, Extended Kalman Filter (EKF) based sensor fusion is proposed to accurate positioning for moving objects. Proposed EKF uses distance information between transmitter and receiver, virtual sensors that is composed with geometric solution of ultrasonic sensor system and uses no external sensors. This EKF provides good position estimates for moving or stationary objects because of good performance of geometric solution for stationary objects and precision measurements of distance information for moving objects. Second, robust controller for lateral control of SSMR is proposed. For a robot control, a dynamic 3 DOF model for SSMR is derived. The dynamic model is based on slip ratio between robot wheels and ground. An operative nonholonomic constraint is added to dynamic model for proper moving of SSMR and obtaining a predictable behavior of instantaneous center of rotation. For control design, nonlinear static state feedback law is adopted. By this feedback law, dynamic system becomes a second order kinematic model. Linearized lateral model of SSMR including reference information is introduced for path following. The reference path is constructed by strait or circular lanes, and reference information algorithm for lateral control of SSMR is proposed. To reduce model uncertainty, sensor noise and tracking error, a robust LMI-based H_(∞) lateral controller is designed. Computer simulations and experimentations are accomplished to verify the performance of the designed lateral controller.
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