[논문]이동물체 추적을 위한 이동로봇의 대형제어

오영석; 이충호; 박종훈; 김진환; 허욱열

doi:10.5370/kiee.2011.60.4.856

이동물체 추적을 위한 이동로봇의 대형제어
Formation Control of Mobile Robot for Moving Object Tracking 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.4, 2011년, pp.856 - 861

오영석 (인하대학교 로봇공학) , 이충호 (현대로템(주)) , 박종훈 (인하대학교 로봇공학) , 김진환 (인하공업전문대학 전기정보과) , 허욱열 (인하대학교 IT공대 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The mobile robot controller is designed to track the target and to maintain the formation at the same time. Formation control is included in mobile robot controller by extending the trajectory tracking algorithm. The dynamic model of mobile robot is used with kinematic model considering the practical physical parameters of mobile robot. The dynamic model of mobile robot transforms velocity control input of kinematic model into torque control input which is the practical control input of mobile robot. Formation controller of mobile robot is designed to satisfy Lyapunov stability by backstepping method. The designed formation controller is applied to the mobile robot for various target movements and simulated to confirm the Lyapunov stability.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 물체 추적과 동시에 대형을 유지하기 위해 물체 추적 알고리즘에서 대형 유지에 필요한 항을 추가하여 이동로봇의 대형 제어 알고리즘으로 확장하였다. 더 나아가 실제 로봇의 물리적인 부분을 고려한 동역학적 모델을 사용하여 백스테핑 방법으로 리아프노프 안정성을 만족하는 제어기를 설계하고 시뮬레이션을 통해 제어 가능성을 확인하였다.

가설 설정

시뮬레이션에서 사용하는 이동로봇의 물리적 요소 값은 Pioneer3-DX 매뉴얼 스펙 값을 적용하였다. 이때 로봇의 길이(Length)의 중심을 무게중심이라고 가정해서 d의 거리 값을 계산하였고, 관성 모멘트 I는 로봇이 원통이라고 가정하에 계산하였다. 이동로봇의 물리적 요소 값은 다음 표 1과 같다.

제안 방법

본 논문에서는 물체 추적과 동시에 대형을 유지하기 위해 물체 추적 알고리즘에서 대형 유지에 필요한 항을 추가하여 이동로봇의 대형 제어 알고리즘으로 확장하였다. 더 나아가 실제 로봇의 물리적인 부분을 고려한 동역학적 모델을 사용하여 백스테핑 방법으로 리아프노프 안정성을 만족하는 제어기를 설계하고 시뮬레이션을 통해 제어 가능성을 확인하였다. 시뮬레이션에서는 설계한 제어기를 가지고 목표물에서 서로 다른 위치에 있는 두개의 이동로봇에 대하여 성능 결과를 나타내었다.
하지만 행위기반 접근방법의 경우에는 이동로봇들의 다이내믹스(Dynamics)로 표현하기 어렵고 해석적으로 안정성을 보장하기 힘들며, 가상구조 접근방법의 경우에는 안정적인 대형유지가 용이한 반면 대형에 존재하는 각 로봇의 특성에 맞는 분산제어가 어려운 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 리더-추종자 접근방법을 이용하여 리더를 목표물인 이동물체로, 추종자를 이동로봇으로 두어 물체추적을 수행하며 대형을 유지할 수 있도록 한다. 이를 위한 로봇의 제어기는 시스템의 안정성을 확보하는 리아프노프(Lyapunov stability) 관점에서 백스테핑 방법(Backstepping Method)을 가지고 설계한다.
이를 위한 로봇의 제어기는 시스템의 안정성을 확보하는 리아프노프(Lyapunov stability) 관점에서 백스테핑 방법(Backstepping Method)을 가지고 설계한다. 백스테핑 방법을 이용하여 이동로봇을 모델링하고 이동로봇의 기구학적 모델과 동역학적 모델을 모두 포함하는 모델을 사용하여 로봇의 물리적인 요소들이 포함될 수 있도록 하고 이동로봇의 제어입력을 속도가 아닌 실제 물리적인 제어입력으로 사용한다.
더 나아가 실제 로봇의 물리적인 부분을 고려한 동역학적 모델을 사용하여 백스테핑 방법으로 리아프노프 안정성을 만족하는 제어기를 설계하고 시뮬레이션을 통해 제어 가능성을 확인하였다. 시뮬레이션에서는 설계한 제어기를 가지고 목표물에서 서로 다른 위치에 있는 두개의 이동로봇에 대하여 성능 결과를 나타내었다. 이동로봇의 물리적인 변수인 로봇의 질량, 폭, 바퀴의 반지름 등을 Pioneer3-DX 모델에 맞춰서 고려하였다.
시뮬레이션을 통해 목표물과 이동로봇의 대형제어 성능을 살펴본다. 시뮬레이션에서 사용하는 이동로봇의 물리적 요소 값은 Pioneer3-DX 매뉴얼 스펙 값을 적용하였다.
기구학적 모델은 이동로봇의 기구적 특성에 대하여 속도에 관하여 나타낸 것이고 동역학적 모델은 이동로봇의 물리적 특성인 질량과 관성, 토크 등을 포함하는 것이다. 이 두 모델을 이용하여 이동로봇의 양 바퀴에 적용되는 토크를 구하고 물체의 움직임에 따라 로봇의 움직임을 제어하는 실제적인 제어입력으로 사용한다.
시뮬레이션에서는 설계한 제어기를 가지고 목표물에서 서로 다른 위치에 있는 두개의 이동로봇에 대하여 성능 결과를 나타내었다. 이동로봇의 물리적인 변수인 로봇의 질량, 폭, 바퀴의 반지름 등을 Pioneer3-DX 모델에 맞춰서 고려하였다. 동적요소를 갖춘 이동로봇의 주행은 급격한 방향 전환에 따른 직선운동 오차의 증가와 회전운동 오차의 증가를 확인할 수 있었으며 그에 따른 오차 이득 값을 고려하여 목표물과 대형을 유지하는 것을 확인하였다.
절대좌표에서 어느 한 지점에 대해 일정한 거리와 각도를 유지할 수 있도록 이동로봇을 제어한다. 이러한 일정 거리와 각도를 대형(Formation)이라 한다.

이론/모형

따라서 본 논문에서는 리더-추종자 접근방법을 이용하여 리더를 목표물인 이동물체로, 추종자를 이동로봇으로 두어 물체추적을 수행하며 대형을 유지할 수 있도록 한다. 이를 위한 로봇의 제어기는 시스템의 안정성을 확보하는 리아프노프(Lyapunov stability) 관점에서 백스테핑 방법(Backstepping Method)을 가지고 설계한다. 백스테핑 방법을 이용하여 이동로봇을 모델링하고 이동로봇의 기구학적 모델과 동역학적 모델을 모두 포함하는 모델을 사용하여 로봇의 물리적인 요소들이 포함될 수 있도록 하고 이동로봇의 제어입력을 속도가 아닌 실제 물리적인 제어입력으로 사용한다.

성능/효과

이동로봇의 물리적인 변수인 로봇의 질량, 폭, 바퀴의 반지름 등을 Pioneer3-DX 모델에 맞춰서 고려하였다. 동적요소를 갖춘 이동로봇의 주행은 급격한 방향 전환에 따른 직선운동 오차의 증가와 회전운동 오차의 증가를 확인할 수 있었으며 그에 따른 오차 이득 값을 고려하여 목표물과 대형을 유지하는 것을 확인하였다.
여기서 초기위치에 대한 차이가 존재하기 때문에 큰 오차가 발생하지만 시간이 지남에 따라 오차가 0에 수렴한다. 이후 50초에서도 목표물의 급격한 90˚방향전환으로 인해 오차가 발생하지만 이 또한 시간이 지남에 따라 오차가 0에 수렴함을 보여준다. 그러나 70∼120초에서처럼 회전운동이 계속 유지될 시에는 관성 모멘트의 물리적인 요소로 인해 발생한 오차인 0.

후속연구

추후에는 본 논문에서 제안한 제어기에서 목표물과 대형을 유지하다가 장애물이 감지되면 장애물을 회피할 수 있는 제어기로 변형하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리더-추종자 접근방법이란?	행위기반 접근방법은 대형제어를 하는데 있어서 주어진 상황에 맞게 대형 유지, 장애물 회피, 대형 내에서 로봇 간의 충돌회피 등의 각 로봇 행동에 대한 가중치를 두어 이동 로봇의 속도 및 회전 방향에 대한 제어를 수행한다[1]. 리더-추종자 접근방법은 리더에 대한 대형유지를 주목적으로 하며 리더의 진행방향과 추종자와 리더의 이격거리를 이용하여 리더를 추종하는 로봇에 대한 제어를 수행한다[2]. 가상 구조 접근방법은 일정한 대형을 미리 정해두고 이 대형을 하나의 구조를 갖는 강체(Rigid Body)로 하여 이것의 물체 추적 또는 경로추적, 장애물회피 등의 제어를 수행하고 이에 따라 가상구조의 요소인 이동로봇에 대한 제어를 수행한다[3].
	이동로봇의 모델은 각각 무엇을 포함하는가?	이동로봇의 모델은 기구학적 모델과 동역학적 모델로 나눌 수 있다. 기구학적 모델은 이동로봇의 기구적 특성에 대하여 속도에 관하여 나타낸 것이고 동역학적 모델은 이동로봇의 물리적 특성인 질량과 관성, 토크 등을 포함하는 것이다. 이 두 모델을 이용하여 이동로봇의 양 바퀴에 적용되는 토크를 구하고 물체의 움직임에 따라 로봇의 움직임을 제어 하는 실제적인 제어입력으로 사용한다.
	행위기반 접근방법의 단점은?	가상 구조 접근방법은 일정한 대형을 미리 정해두고 이 대형을 하나의 구조를 갖는 강체(Rigid Body)로 하여 이것의 물체 추적 또는 경로추적, 장애물회피 등의 제어를 수행하고 이에 따라 가상구조의 요소인 이동로봇에 대한 제어를 수행한다[3]. 하지만 행위기반 접근방법의 경우에는 이동로봇들의 다이내믹스(Dynamics)로 표현하기 어렵고 해석적으로 안정성을 보장하기 힘들며, 가상구조 접근방법의 경우에는 안정적인 대형유지가 용이한 반면 대형에 존재하는 각 로봇의 특성에 맞는 분산제어가 어려운 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 리더-추종자 접근방법을 이용하여 리더를 목표물인 이동물체로, 추종자를 이동로봇으로 두어 물체추적을 수행하며 대형을 유지할 수 있도록 한다.

참고문헌 (9)

Z. Wan, E. Nakano and T. Takahashi, "Solving Function Distribution and Behavior Design Problem for Cooperative Object Handling by Multiple Mobile Robots," IEEE Trans. on System, Man and Cybernetics, vol. 33, No. 5, pp. 537-549. Sep. 2003.

상세보기
H. Takahashi, H. Nishi and K. Ohnishi, "Autonomous Decentralized Control for Formation of Multiple Mobile Robots Considering Ability of Robot," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 51, No. 6, pp. 1272-1279, Dec. 2004.

상세보기
M. Anthony Lewis and Kar-Han Tan, "High Precision Formation Control of Mobile Robots Using Virtual Structure," Autonomous Robots, Vol. 4, No. 4, pp. 387-403, Oct. 1997.

상세보기
R. Fierro and F. L. Lewis, "Control of A Nonholonomic Mobile Robots: Backstepping Kinematics into Dynamics," Decision and Control IEEE Conf., pp. 3805-3810, Dec. 1995.
R. Fierro and F. L. Lewis, "Control of a Nonholonomic Mobile Robot Using Neural Networks," IEEE Trans. on Neural Networks, Vol. 9, No. 4, pp. 589-600, July, 1998

상세보기
J.-J. E. Slotine and W. Li, "Applied Nonlinear Control," Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1991
X.H. Li, J.Z. Xiao. "Robot Formation Control in Leader-Follower Motion Using Direct Lyapunov Method,"International Journal of Intelligent Control and Systems, Vol.10, No. 3, pp. 244-250, September 2005
김종수, 문종우, "2자유도 차동 구륜이동로보트의 기구학 모델링과 Backstepping 기법을 이용한 궤적추적," 한국정보기술학회논문지, 제5권, 제2호, pp. 202-208, 2007. 1.

상세보기
I. Fantoni and R. Loazno, Nonlinear Control for Underactuated Mechanical Systems, Springer, 2002.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증