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문제 정의
- 그러나 이러한 시스템은 고가로서 일반적으로 사용하기는 어려우며 응용에서 불편함이 있다. 본 논문에서는 불안정한 역진자 시스템을 안정적으로 제어하기위하여 자이로센서와 가속도센서를 간단히 혼합할 수 있는 방법과 로봇자체가 진자 역할을 수행할 수 있는 시스템을 설계하고 제작하였다. 설계된 시스템은 2개의 바퀴로 수직 자세를 강제적으로 유지하게 만들므로 비선형성의 불안정한 특성을 가진다.
- 또한 불안정한 역진자 시스템을 안정적으로 제어하기 위하여 모터 구동은 PID 알고리즘을 이용하였다. 본 연구에서는 2바퀴 로봇이 수직 자세를 지속적으로 유지하기 위하여 발생하는 외란에 대한 보상방법과 이에 대처할 수 있는 시스템을 설계하고 실험을 통하여 그 효율성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 자이로와 가속도센서를 혼합한 각도 정보를 이용하여 모바일 역진자 로봇을 수평으로 유지할 수 있는 방법을 연구하였다. 이는 역진자 역할을 수행하는 로봇이 앞, 또는 뒤로 기울어졌을 때 수평자세를 취하기 위하여 하부 이동로봇을 기울어진 방향으로 적합한 속도와 위치제어를 수행하는 것이다.
제안 방법
- 구동부는 각각의 독립된 12V-7530[rpm]을 가지는 DC 모터로 기어비는 100:1로 구성하였다. 각각의 모터에는 1회 전당 256펄스를 발생하는 광학식 엔코더를 이용하여 로봇의 속도와 위치계산에 사용 되도록 구성하였다. 또한 바퀴의 반지름은 45mm로 설계하여 모터샤프트 1회전당 283mm를 이동할 수 있도록 설계하였다.
- 이는 고정식 잉여로봇과는 다르므로 주어진 작업환경에 따라 특이자세 회피, 충돌 회피, 기계적 부위의 효율적인 활용 과 장애물을 극복할 수 있는 이점을 가진다. 기울어지는 각도를 측정하기위한 센서로서는 자이로센서와 가속도센서를 이용하여 기울기를 측정하였다. 이와 같은 형태의 로봇은 현재 많은 연구와 결과물이 나오고 있다[3-6].
- 기존의 다수 개의 센서들을 사용하는 경우 기준이 되는 자이로센서를 측정하고 다른 센서들의 결과의 합을 다시 보상하는 방법을 사용한다. 그러므로 긴 시간동안에도 비교적 안정적 결과를 얻을 수 있다.
- 각각의 모터에는 1회 전당 256펄스를 발생하는 광학식 엔코더를 이용하여 로봇의 속도와 위치계산에 사용 되도록 구성하였다. 또한 바퀴의 반지름은 45mm로 설계하여 모터샤프트 1회전당 283mm를 이동할 수 있도록 설계하였다.
- 본 논문에서 제안한 자이로, 가속도센서 혼합을 이용한 모바일 역진자 로봇의 제어성능을 검증하기위하여 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 또한 시간에 따라 누적오차가 점진적으로 증가하는 자이로센서의 각도 값을 가속도센서로 보정하는 과정을 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다. 그림 5는 가속도센서가 정지하고 있을 때 의 출력을 시뮬레이션 한 결과이다.
- 기존의 연구 방법에서는 자이로센서와 가속도센서를 퓨전하기위하여 고성능의 DSP 프로세서를 이용하고 있으나 본 연구에서는 모션컨트롤러를 이용하므로 제어기의 부하를 크게 줄일 수 있었다. 모바일 역진자 로봇이 자율적으로 이동하며 로봇의 위치 및 속도 등의 데이터를 전송하기위하여 RS-232를 RF통신으로 전송하도록 구성하였다.
- 본 논문에서 제안한 자이로, 가속도센서 혼합을 이용한 모바일 역진자 로봇의 제어성능을 검증하기위하여 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 또한 시간에 따라 누적오차가 점진적으로 증가하는 자이로센서의 각도 값을 가속도센서로 보정하는 과정을 시뮬레이션과 실험을 통하여 확인하였다.
- 그러나 실험에서 길지 않은 시간 동안은 안정된 결과를 보였지만 많은 시간이 지남에 따라-약 30분 이상- 미세하지만 약간씩 오차가 증가함을 보였다. 본 연구에서는 미세한 오차누적 과정을 일정시간이 지나면 시스템의 버퍼를 초기화 하는 과정을 반복하여 자세를 교정하였다. 기존의 상용화되어있는 제품의 대부분은 고가인 다수개의 자이로센서와 가속도센서를 사용하고 있으며 여러 센서 값 중 가장 신뢰성이 높은 센서정보를 채택 하고 나머지는 보상용으로 사용하고 있다.
- 그러므로 긴 시간동안에도 비교적 안정적 결과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 자이로센서와 가속도센서를 각각 하나만을 이용하여 센서들의 단점을 보상하였다. 앞서 언급하였듯이 길지 않은 시간이라면 그림 8에서와 같이 비교적 안정적인 데이터 값을 얻을 수 있었다.
- 따라서 항상 앞 또는 뒤로 기울어지는 성질을 가지므로 지속적 제어가 필요하다. 이에 정확한 기울어진 각도를 계산하기 위하여 자이로센서와 가속도센서를 혼합하는 방법을 이용하였다. 또한 불안정한 역진자 시스템을 안정적으로 제어하기 위하여 모터 구동은 PID 알고리즘을 이용하였다.
- 87Hz이다. 자이로센서의 출력은 움직임이나 변화가 있을 때 각속도를 출력하므로 시간에 따른 적분으로 각도를 검출한다. 각도를 검출하기위하여 Scale factors와 각속도, 그리고 각도는 식 9 ∼ 식 11과 같이 나타난다.
- 자세제어를 위한 모터 제어는 일반적으로 많이 사용되는 PID 알고리즘을 이용하여 제어하였다. 하부구조인 구동축의 제어기에서의 속도는 1 msec 마다 각각의 모터에 장착된 엔코터 값을 읽어서 계산을 수행하였으며 0.3msec의 시간이 걸리는 PID제어를 수행하여 PWM 제어입력을 생성하여 H-Bridge 모터드라이브에 인가하여 양방향 제어를 수행하였다. 표 1은 기존의 연구방법과 제안된 연구방법의 비교를 나타내었으며 비용은 100을 기준으로 하였을 경우이다.
대상 데이터
- 제어부에서는 일반적으로 널리 사용되는 PIC18F4620을 이용하여 구성하였다. 또한 모터구동을 위하여 모션컨트롤러(Motion controller)인 LM629를 사용 하였다. 기존의 연구 방법에서는 자이로센서와 가속도센서를 퓨전하기위하여 고성능의 DSP 프로세서를 이용하고 있으나 본 연구에서는 모션컨트롤러를 이용하므로 제어기의 부하를 크게 줄일 수 있었다.
- 본 논문에서 사용된 모바일 역진자 로봇은 2개의 구동축을 가지며 DC모터로 구동된다. 각각의 모터에는 256 Pulse Encoder가 부착되어 실시간으로 이동거리를 측정할 수 있다.
- 그림 2에서와 같이 제어부와 센서부, 그리고 모터구동부로 나누어 진다. 본 논문에서 제안하는 자이로센서와 가속도센서의 혼합 알고리즘의 효율성을 검증하기위하여 센서부에서는 자이로센서(ADIS16100)와 저가형인 가속도센서 (AM-3AXIS)로 구성하였으며 중력가속도는 1.5g를 사용하였다. 제어부에서는 일반적으로 널리 사용되는 PIC18F4620을 이용하여 구성하였다.
- 본 연구에 사용된 모바일 역진자 로봇은 크게 모터구동부인 이동로봇과 제어기 자체가 역진자 역할을 수행하는 제어부로 나누어진다. 설계된 모바일 역진자 로봇의 기구적 구성도는 그림 2와 같다.
- 회전하는 물체나 기울기를 측정하는 대표적인 센서로는 자이로센서를 언급할 수 있다. 본 연구에서 자이로센서는 ADIS16100를 이용하였다. 각속도 검출은 yaw각도만 가능하며 최대검출 각도는 ±300°/s 이며 필터대역은 0.
- 그러나 이러한 시스템도 고 정밀도를 가지는 다수개의 자이로센서와 가속도센서, 그리고 고성능의 마이크로프로세서를 사용하므로 고가라는 단점 때문에 아직은 대중화를 이루고 있지 못하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 자이로와 가속도센서를 이용하여 환경의 변화에 능동적으로 대처할 수 있는 2바퀴로 구성된 모바일 역 진자 로봇을 제작하였다. 기존의 자이로센서만을 사용할 경우 각속도를 시간에 따른 적분을 수행하여 각도를 구하는데 드리프트현상에 의한 누적오차가 발생한다.
- 5g를 사용하였다. 제어부에서는 일반적으로 널리 사용되는 PIC18F4620을 이용하여 구성하였다. 또한 모터구동을 위하여 모션컨트롤러(Motion controller)인 LM629를 사용 하였다.
이론/모형
- 이에 정확한 기울어진 각도를 계산하기 위하여 자이로센서와 가속도센서를 혼합하는 방법을 이용하였다. 또한 불안정한 역진자 시스템을 안정적으로 제어하기 위하여 모터 구동은 PID 알고리즘을 이용하였다. 본 연구에서는 2바퀴 로봇이 수직 자세를 지속적으로 유지하기 위하여 발생하는 외란에 대한 보상방법과 이에 대처할 수 있는 시스템을 설계하고 실험을 통하여 그 효율성을 검증하였다.
- 역진자 로봇은 앞 또는 뒤로 넘어지려는 성질을 이용하여 넘어지려는 방향으로 구동축에 속도와 위치정보를 보내므로 균형을 유지할 수 있다. 본 시스템에서는 이러한 속도와 위치정보를 모션제어기를 이용한 PID 알고리즘을 적용하여 모터를 구동하였다. 제안된 모바일 역진자 시스템은 그림 1과 같다.
- 앞서 언급하였듯이 길지 않은 시간이라면 그림 8에서와 같이 비교적 안정적인 데이터 값을 얻을 수 있었다. 자세제어를 위한 모터 제어는 일반적으로 많이 사용되는 PID 알고리즘을 이용하여 제어하였다. 하부구조인 구동축의 제어기에서의 속도는 1 msec 마다 각각의 모터에 장착된 엔코터 값을 읽어서 계산을 수행하였으며 0.
성능/효과
- 따라서 자이로센서의 누적오차를 가속도센서로서 보상하는 과정에서 비교적 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있었다. 그러나 실험에서 길지 않은 시간 동안은 안정된 결과를 보였지만 많은 시간이 지남에 따라-약 30분 이상- 미세하지만 약간씩 오차가 증가함을 보였다. 본 연구에서는 미세한 오차누적 과정을 일정시간이 지나면 시스템의 버퍼를 초기화 하는 과정을 반복하여 자세를 교정하였다.
- 본 연구에서는 하나의 자이로와 가속도센서를 사용하였다. 기존의 고가의 센서를 다수 개를 사용하는 방안보다 약 50% ~ 60%정도의 비용절감 효과를 가질 수 있다. 따라서 길지 않은 시간이라면 고가이면서 정밀한 수준의 센서와 고성능의 시스템을 사용하지 않아도 요구하는 각도를 크게 벗어나지 않음을 실험을 통하여 검증하였다.
- 또한 모터구동을 위하여 모션컨트롤러(Motion controller)인 LM629를 사용 하였다. 기존의 연구 방법에서는 자이로센서와 가속도센서를 퓨전하기위하여 고성능의 DSP 프로세서를 이용하고 있으나 본 연구에서는 모션컨트롤러를 이용하므로 제어기의 부하를 크게 줄일 수 있었다. 모바일 역진자 로봇이 자율적으로 이동하며 로봇의 위치 및 속도 등의 데이터를 전송하기위하여 RS-232를 RF통신으로 전송하도록 구성하였다.
- 기존의 고가의 센서를 다수 개를 사용하는 방안보다 약 50% ~ 60%정도의 비용절감 효과를 가질 수 있다. 따라서 길지 않은 시간이라면 고가이면서 정밀한 수준의 센서와 고성능의 시스템을 사용하지 않아도 요구하는 각도를 크게 벗어나지 않음을 실험을 통하여 검증하였다.
- 자이로센서나 가속도센서를 단독으로 사용한 경우는 처음에는 쉽게 균형을 유지하지만 점차 오차가 누적되어 시스템이 불안정해진다. 따라서 자이로센서의 누적오차를 가속도센서로서 보상하는 과정에서 비교적 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있었다. 그러나 실험에서 길지 않은 시간 동안은 안정된 결과를 보였지만 많은 시간이 지남에 따라-약 30분 이상- 미세하지만 약간씩 오차가 증가함을 보였다.
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