본 논문에서는 모델기반 설계를 이용한 이륜 도립진자 로봇의 설계방법에 대해 제시한다. 임베디드 시스템의 제어 프로그램 설계는 MATLAB/SIMULINK를 사용한 모델기반 설계에 의해 간편하고 손쉽게 구현되었으며, 로봇은 NXT 마인드스톰, 서보직류전동기, 초음파센서, 자이로센서, 광센서로 구성되었다. 이 로봇은 불안정한 비선형시스템이며 몸체 경사각 제어문제를 가지고 있는데, 제어기 설계는 상태궤환 LQR 제어를 이용하였다. 타겟이 되는 프로세서에 종속적이지 않은 모델기반 설계는 문서기반 설계보다 프로그램 개발, 오류 발견 및 수정, 소프트웨어 구조 파악의 측면에서 장점을 가지고 있음을 제어기 설계와 실험을 통해서 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 모델기반 설계를 이용한 이륜 도립진자 로봇의 설계방법에 대해 제시한다. 임베디드 시스템의 제어 프로그램 설계는 MATLAB/SIMULINK를 사용한 모델기반 설계에 의해 간편하고 손쉽게 구현되었으며, 로봇은 NXT 마인드스톰, 서보 직류전동기, 초음파센서, 자이로센서, 광센서로 구성되었다. 이 로봇은 불안정한 비선형시스템이며 몸체 경사각 제어문제를 가지고 있는데, 제어기 설계는 상태궤환 LQR 제어를 이용하였다. 타겟이 되는 프로세서에 종속적이지 않은 모델기반 설계는 문서기반 설계보다 프로그램 개발, 오류 발견 및 수정, 소프트웨어 구조 파악의 측면에서 장점을 가지고 있음을 제어기 설계와 실험을 통해서 확인할 수 있었다.
In this paper, embedded control system of segway robot using model based design is presented. Design of control program in embedded system can be implemented simply and easily by model based design method using MATLAB/SIMULINK. Segway robot is consisted of a NXT Mindstorms controller, two DC servo m...
In this paper, embedded control system of segway robot using model based design is presented. Design of control program in embedded system can be implemented simply and easily by model based design method using MATLAB/SIMULINK. Segway robot is consisted of a NXT Mindstorms controller, two DC servo motors, a ultrasonic sensor, a gyro sensor, and a light sensor. It is a unstable nonlinear system and has a control problem of body pitch angle. So controller of segway robot is designed using state feedback LQR control. It is confirmed through design and experiment of controller that the model based design method, that is not depend on target processor, has merits compared with the text based design in aspects such as a program development, an error detection/modify, and an insight of software structure.
In this paper, embedded control system of segway robot using model based design is presented. Design of control program in embedded system can be implemented simply and easily by model based design method using MATLAB/SIMULINK. Segway robot is consisted of a NXT Mindstorms controller, two DC servo motors, a ultrasonic sensor, a gyro sensor, and a light sensor. It is a unstable nonlinear system and has a control problem of body pitch angle. So controller of segway robot is designed using state feedback LQR control. It is confirmed through design and experiment of controller that the model based design method, that is not depend on target processor, has merits compared with the text based design in aspects such as a program development, an error detection/modify, and an insight of software structure.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 NXT 마인드스톰을 이용하여 세그웨이형 이륜 도립진자 로봇을 제작하고 모델기반 제어기 설계 및 구현을 통해서 성능을 실험해 보았다.
제안 방법
NXT 마인드스톰을 이용한 기존의 이륜 도립진자 로봇 연구는 LQR 제어기를 사용하고 있으며, 본 논문에서는 세그웨이 로봇의 LQR 제어기를 다시 설계 및 구현하고 라인주행 기능 및 장애물 회피 기능을 추가하여 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 텍스트 기반 프로그래밍의 단점들을 갖지 않고 개발-유지-관리 측면에서 많은 장점을 갖는 모델 기반 설계에 기초한 자동 C 코드생성을 통해 세그웨이형 이륜 도립진자 로봇(2-wheeled inverted pendulum robots)의 임베디드 제어시스템을 설계 및 구현하였다.
실제 실험 전 Embedded Coder Robot NXT에서 제공 하는 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행 하였다. 그림 14는 시간에 대한 로봇 몸체 경사각의 시뮬레이션 결과를 보여준다.
이륜 도립진자 로봇을 제어하기 위해 제어프로그램 설계가 필요하다. 전통적인 임베디드 시스템 제어 프로그램은 C언어를 이용한 문서기반설계기법을 통해 개발되었지만 본 논문에서는 MATLAB/SIMULINK를 이용한 모델기반설계기법으로 제어프로그램을 개발한다.
대상 데이터
널리 알려져 있는 모델기반설계를 구현 할 수 있는 소프트웨어는 MATLAB/SIMULINK, SCADE, LABVIEW, DSPACE 등이 있다. 본 논문에서는 이 중에서 Mathworks 사의 제품인 MATLAB/SIMULINK를 사용한다. MATLAB/SIMULINK를 이용한 MBD기법으로 NXT 마인드스톰 제어 프로그램을 설계하기 위해서는 nxtOSEK와 Embedded Coder Robot NXT 소프트웨어가 필요하다.
좌측 블록들은 Device Input들로서 주로 데이터를 얻어서 프로세서로 보내야 하는 계측장치들이다. 우측 블록들은 Device output들로서 전동기, 블루투스, 스피커 같은 출력장치들이다. 이 로봇은 PC에 연결한 조이 스틱을 이용해 무선으로 주행 제어를 할 수 있으며 라인 주행 운전을 할 수 있다.
이론/모형
그림 2를 참조해 운동방정식을 세울 수 있는데, 본 논문에서는 라그랑지안 방법(Lagrangian Method)를 이용해 운동방정식을 유도할 것이다. 라그랑지안 역학 (Lagrangian mechanics)에서 라그랑지안(Lagrangian)은 운동에너지와 위치에너지의 차로 정의하는데, 자유체도를 분석해 운동에너지와 위치에너지를 구할 수 있다[1,2,5].
성능/효과
본 논문을 통해서 NXT 마인드스톰과 모델기반설계 기법을 통해 로봇을 개발할 경우 실제 로봇 제작의 전 단계로서 제어기와 센서 시험이 가능한 테스트 베드로서 유용해 로봇 상업화에 도움이 될 수 있었음을 확인했다.
제어 프로그램을 설계하고 실제실험을 하기 전 모델기반설계의 강점인 시뮬레이션을 통해 시행착오를 줄일 수있었으며, 제어프로그램을 설계한 후 MATLAB/ SIMULINK로 설계된 이륜 도립진자 로봇 시뮬레이션 모델에 통합하면 곧바로 시뮬레이션이 가능하고 결과를 확인할 수 있었다. 충분한 시뮬레이션을 통해 제어 프로그램을 검증하고 실제 NXT에 다운로드 할 때 C 언어로 다시 작성할 필요가 없이 MATLAB/SIMULINK의 자동 코드 생성 기능을 이용하여 다운로드 할 수 있었다.
제어 프로그램을 설계하고 실제실험을 하기 전 모델기반설계의 강점인 시뮬레이션을 통해 시행착오를 줄일 수있었으며, 제어프로그램을 설계한 후 MATLAB/ SIMULINK로 설계된 이륜 도립진자 로봇 시뮬레이션 모델에 통합하면 곧바로 시뮬레이션이 가능하고 결과를 확인할 수 있었다. 충분한 시뮬레이션을 통해 제어 프로그램을 검증하고 실제 NXT에 다운로드 할 때 C 언어로 다시 작성할 필요가 없이 MATLAB/SIMULINK의 자동 코드 생성 기능을 이용하여 다운로드 할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
NXT란?
NXT는 32비트 ARM7 마이크로프로세서(256 Kbytes FLASH, 64 Kbytes RAM)를 장착한 소형 컨트롤러이다. 32비트 CPU는 기본 디지털 입출력, 인터럽트, 디스플레이, USB 2.
도립진자시스템 어디에 사용되어 왔는가?
도립진자시스템은 가장 일반적인 진자시스템이다. 이 시스템은 기본적으로 불안정한 비선형 제어 시스템이고 제어 시스템의 성능을 평가하기 위한 제어 대상으로 많이 다루어져왔으며, 2족 보행 로봇이나 미사일의 비행 자세를 제어하는 문제에 많이 응용되어 왔다[1,2].
마인드스톰의 서보전동기의 장점은?
마인드스톰의 서보전동기는 전력효율이 매우 좋으며, 크기가 작은 부하에 대해서는 전동기 자체의 플라이휠 효과가 전동기 전력효율을 좋게 한다.[3,4].
참고문헌 (6)
최동일, "2륜자기균형이동차의 개발 및 외란 측정기를 이용한 강인제어", 한국과학기술원 기계공학전공석사학위논문, 2007.
신영훈, "관성 센서를 이용한 두 바퀴 도립 진자 제어에 관한 연구", 울산대학교 대학원 전기전자정보시스템공학과 석사학위논문, 2004.
김수환, 장순호, "LEGO MINDSTORM을 이용한 로봇 구현", 순천향대학교 정보기술공학부 학사학위논문, 2008.
홍선학, 송선미, "C언어로 즐기는 LEGO MINDSTORMS NXT", 이지테크, 2007.
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