[논문]자계기반 무인차량을 위한 조향장치의 개발

임대영; 유영재

doi:10.5391/jkiis.2009.19.3.375

[국내논문] 자계기반 무인차량을 위한 조향장치의 개발
Development of Steering Actuator for Unmanned Vehicle Based on Magnetic Marker 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.19 no.3, 2009년, pp.375 - 380

임대영 (목포대학교 제어시스템공학과) , 유영재 (목포대학교 제어시스템공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 자계기반 무인주행 차량을 위한 조향장치를 설계하고 개발하였다. 자계기반 무인주행 시스템에서 가장 중요한 것은 자계도로를 따라 주행할 때 차량의 방향을 제어하는 조향장치이다. 본 논문에서는 조향각 제어를 위해 조향제어장치의 메커니즘을 설계하고 스텝모터의 속도 제어를 위해 새로운 속도 추종 주파수 제어 방법을 적용하였다. 개발된 조향장치의 실용성을 입증하기 위하여 개발된 시스템을 자계기반 무인주행 차량에 적용하고 주행실험을 수행하고 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a steering actuator is designed and developed for an unmanned vehicle based on magnetic marker. One of the most important component of an unmanned vehicle is a steering actuator to follow magnetic road. Thus, we develop a steering actuator using a stepping motor and adopt to a new frequency control method depended on speed of the vehicle. In order to verify the usability of the developed system, the setup of unmanned vehicle installed the designed steering actuator is tested on magnetic road.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 자계기반 무인주행 차량을 위한 조향장치를 설계하고 개발하였다. 스텝모터의 속도 및 토크의 특성을 고려하여 새로운 속도추종 주파수제어 방법을 적용하였다.
따라서 본 논문에서는 스텝모터를 이용한 조향제어 메커니즘을 설계하고 개발한다. 스텝모터를 이용한 조향각 제어 메카니즘은 전압의 on/off 신호로 스텝모터의 여자를 제어함으로써 조향장치에 유지되는 토크를 자유롭게 제어할 수 있는 장점을 가지고 있다.
따라서 본 장에서는 스텝모터의 주파수 제어를 위한 주파수 가변제어방법을 제안한다. 주파수 가변제어 방법은 그림 5에서 보는 바와 같이 현재오차(e_c)가 Dead Zone내에 있는 경우 자계차선과 일치하기 때문에 조향제어가 발생하지 않고 e_min^～ e_max사이에서는 주파수가 F_l^～F_h 결과로 가변적으로 변해야 하며 e_max이상이면 최대한 빠른 속도로 안정된 구간으로 진입하도록 주파수를 제어한다.
본 절에서는 개발된 조향장치의 실용성을 입증하기 위하여 스텝제어 방법과 개발된 주파수 제어방법을 비교한다. 실험환경은 다음과 같다.

제안 방법

스텝모터는 입력되는 주파수에 따라 속도 및 토크특성이 변화 한다. 조향각을 제어하기 위해 가장 적절한 속도와 토크를 제공하기 위해 스텝모터의 속도추종 주파수제어 방법을 제안한다. 개발된 조향장치와 속도추종 주파수 제어 방법을 무인주행 차량에 적용하고 실용성을 입증한다.
3장에서는 개발된 시스템을 기반으로 조향장치를 실험 하고 계측된 데이터를 분석한다. 4장에서 개발된 조향장치를 무인주행 차량에 장착하고 실험 후 획득한 데이터를 분석한다. 5장은 결론을 통해 개발된 시스템의 장단점을 파악한다.
본 장에서는 스텝모터를 이용한 조향 제어장치를 설계한다. 스텝모터의 장점으로는 주파수에 따라 정밀한 각도제어가 가능하고, 회전각 오차가 누적되지 않으며, 정지토크가 크다.
6[mm]이다. 파이프관 표면에 모터를 장착하기 위해 모터 지지대를 추가하였다. 그리고 조향모터는 차량의 핸들 축에 장착한다.
모터의 축과 차량의 핸들축에는 2:1의 타이밍 풀리를 장착하였다. 핸들축의 풀리와 모터축의 풀리는 온도의 변화나 외부환경에 강인한 고장력 타이밍 벨트를 이용하여 연결하였다. 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 핸들축은 고정된 상태에서 모터는 수평으로 이동이 가능하도록 하였다.
모터의 후면 중심축에는 Copal 전자의 M-1305 고정밀 각도검출센서를 장착하여 현재 차량의 조향각을 계측할 수 있도록 하였다. 각도검출센서의 최대 회전수는 5[Turn]이며, 공급전원은 5[V]이다.
각도센서를 보호하기 위하여 모터 중심축과 포지션센서의 중심축 사이에는 커플러를 부착하여 각도검출센서를 보호하였다. 또한 차량의 핸들은 자동모드와 수동모드로 동작이 가능하도록 개발하였다.
그림 9는 제안하는 속도추종 주파수제어방법의 결과이다. 먼저 주파수는 차량의 속도를 측정할 수 있는 엔코더 펄스(Encoder Pulse)의 측정 결과에 따라 제어되도록 하였다. 즉, 엔코더 펄스가 2이하의 경우 주파수는 500[Hz]로 동작하도록 하였고, 2이상인 경우 최대 2000[Hz]에서 최소 500[Hz]사이에서 조향각 오차 10～256에 따라 주파수가 선형적으로 가변되도록 하였다.
차량의 제어시스템을 모니터링 하도록 모니터링 컴퓨터가 시스템을 감시하고 계측된 데이터를 저장한다. 장애물 감지 및 비상 시 자동으로 차량을 정지하기 위한 자동 브레이크를 개발하여 장착하였다. 또한 비상 시 차량을 정지할 수 있도록 비상스위치가 장착되어 있다.
본 논문에서는 자계기반 무인주행 차량을 위한 조향장치를 설계하고 개발하였다. 스텝모터의 속도 및 토크의 특성을 고려하여 새로운 속도추종 주파수제어 방법을 적용하였다. 속도추종 주파수 제어방법을 우수함을 입증하기 위하여 스텝제어 방법과 비교함으로써 우수성을 입증하였다.
스텝모터의 속도 및 토크의 특성을 고려하여 새로운 속도추종 주파수제어 방법을 적용하였다. 속도추종 주파수 제어방법을 우수함을 입증하기 위하여 스텝제어 방법과 비교함으로써 우수성을 입증하였다. 개발된 조향장치와 속도추종 주파수 제어방법을 자계기반 무인주행 차량에 적용 하고 길이 50[m]의 S자형 곡선 자계도로에 적용하여 주행실험을 행하였다.
속도추종 주파수 제어방법을 우수함을 입증하기 위하여 스텝제어 방법과 비교함으로써 우수성을 입증하였다. 개발된 조향장치와 속도추종 주파수 제어방법을 자계기반 무인주행 차량에 적용 하고 길이 50[m]의 S자형 곡선 자계도로에 적용하여 주행실험을 행하였다. 주행실험결과 최대 오차가 10[cm]이내임을 확인하였다.

대상 데이터

5[cm], 높이 2[cm]의 네오디늄 자석이다. 자석을 센서의 좌측 끝에서 우측 끝으로 이동하며 조향장치의 회전에 따른 Steering command, Steering angle, Steer error, Frequency 총 4가지 데이터를 계측한다. 계측에 사용된 모니터링 시스템은 LabView를 이용하여 개발하였다.
실험을 위해 그림 11과 같은 S자형 자계도로를 설계하고 구성하였다. 도로의 전체 길이는 50[m]이며, 자석의 간격은 50[cm], 회전반경은 7[m]이다. 센서는 자석의 표면으로부터 15[cm]위에 설치되어 있다.

이론/모형

자석을 센서의 좌측 끝에서 우측 끝으로 이동하며 조향장치의 회전에 따른 Steering command, Steering angle, Steer error, Frequency 총 4가지 데이터를 계측한다. 계측에 사용된 모니터링 시스템은 LabView를 이용하여 개발하였다.

성능/효과

또한 자계차선이 센서의 양쪽 끝부분에 위치할 경우 부하가 크기 때문에 회전력을 높여야 한다. 기존의 방법에서는 이 경우 탈조가 발생하였으나 제안하는 방법의 경우 탈조가 발생하지 않고 제어가 가능함을 보여주고 있다. 따라서 속도추종 주파수 제어 방법이 기존 방법보다 우수함을 입증하였다.
기존의 방법에서는 이 경우 탈조가 발생하였으나 제안하는 방법의 경우 탈조가 발생하지 않고 제어가 가능함을 보여주고 있다. 따라서 속도추종 주파수 제어 방법이 기존 방법보다 우수함을 입증하였다.
무인주행차량의 실험을 통해 제안하는 조향장치와 속도추종 주파수 제어방법을 사용할 수 있음을 입증하였다.

후속연구

조향각을 제어하기 위해 가장 적절한 속도와 토크를 제공하기 위해 스텝모터의 속도추종 주파수제어 방법을 제안한다. 개발된 조향장치와 속도추종 주파수 제어 방법을 무인주행 차량에 적용하고 실용성을 입증한다.
주행실험결과 최대 오차가 10[cm]이내임을 확인하였다. 향후 최대 오차를 5[cm] 이내로 줄이기 위해서는 차량제어 분야에 및 차량 동역학 분야에 신경회로망 또는 퍼지 제어 등 지능형제어기법을 적용할 예정이다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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상세보기
http://www.path.berkeley.edu
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http://www.frog.nl
http://www.apts-phileas.com

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