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이륜 도립진자 로봇의 모델 기반 제어 시스템 설계
Model Based Control System Design of Two Wheeled Inverted Pendulum Robot 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.2, 2011년, pp.162 - 172  

구대관 (순천향대 전기통신시스템공학과) ,  지준근 (순천향대 전기통신공학과) ,  차귀수 (순천향대 전기통신공학과)

초록
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본 논문에서는 LEGO NXT 마인드스톰을 사용하여 이륜 도립진자 로봇을 제작하고 MATLAB/SIMULINK를 이용한 모델 기반 설계 방법으로 제어기를 구현한 임베디드 시스템을 제안하였다. 먼저 이륜 도립진자 로봇의 모델링과 시뮬레이션을 통해 제어기의 성능과 안정성을 확인한 다음 시뮬레이션 프로그램을 직접 코드 변환하여 실험으로 설계된 제어기의 유효성을 확인하였다. 이륜 도립진자 로봇은 도립진자 원리를 이용한 자율 자세 제어를 기본 기능으로 하고 목적지까지 주행이 가능한 로봇이다. 제어기는 2차의 최적제어 방법으로 설계된 상태궤환 제어기를 이용하였다. 2차의 최적제어는 성능 지수 함수 �じ� 최소로 하는 이득행렬 �ジ� 구해 상태궤환 제어기의 이득으로 쓰는 방법으로 이득 설정 방법이 용이하여 이륜 도립진자 로봇의 제어기로 사용할 수 있다. 이륜도립진자 로봇의 제어기를 설계한 후 실험으로 자세 제어 성능과 외란 응답성, 무선 조종 주행 성능, 라인 주행 및 장애물 회피 성능을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper proposes embedded System of two wheeled inverted pendulum robot designed by model based design method, using MATLAB/SIMULINK and LEGO NXT Mindstorms. At first, stability and performance of controller is verified through modeling and simulation. After that direct conversion from simulation...

주제어

#Two wheeled inverted pendulum   #Model based control system design   #MATLAB/SIMULINK   #Quadratic optimal control  

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

문제 정의

  • 본 논문에서는 LEGO NXT 마인드스톰을 사용하여 이륜 도립진자 로봇 하드웨어를 제작하고, MATLAB/SIMULINK를 이용한 모델 기반 설계 방법으로 제어기를 설계하여 실제로 구현한 임베디드 시스템을 제안하였다. 먼저는 모델링을 통한 시뮬레이션을 수행함으로써 이륜 도립진자 로봇 제어기의 안정성과 성능을 확인한 후, NXT 마이크로프로세서로 프로그램을 다운로드하고 실험을 수행하여 유도한 운동방정식을 토대로 한 상태변수 방정식의 유효성 및 제어기의 안정성과 성능을 확인하였다.
  • 본 논문은 LEGO Mindstorms NXT와 MATLAB/SIMULINK 프로그램 개발환경에서 모델기반 설계(Model Based Design) 기법을 이용한 2차 최적 제어 방법으로 자세 제어기를 설계하여 시뮬레이션 및 실험으로 자세 제어 성능을 확인하였다.

가설 설정

  • 본 논문에서는 그림 3의 자유 물체도 좌표계에 따라 라그랑지안 방법을 이용하여 로봇의 운동 방정식을 유도할 것이다. 라그랑지안 방법은 운동 방정식을 세울 대상 시스템에 대해 일반화된 좌표계를 정의하고 대상의 운동 에너지, 위치 에너지등의 에너지 관계식으로 부터 운동 방정식을 유도하기 때문에 작용하는 힘을 일일이 계산해야 하는 뉴턴 방법과 달리 계산적인 측면에서 간단하다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
도립진자란? 도립진자는 중력에 의해 항상 떨어지는 진자를 수직으로 세워 지면에 대한 수직 면과 진자가 이루는 경사각 (Pitch)을 중력과 외란에 대해 항상 0도로 제어하는 시스템으로 불안정한 시스템이고 제어기의 성능을 평가하기 위한 대상으로 많이 다루어졌으며, 2족 보행 로봇이나 미사일의 제어 문제에 많이 응용되었다. 도립진자 시스템은 크게 수레(Cart)형, 원운동(Rotary)형으로 나눌 수 있으며 수레형은 직선 운동으로, 원운동 형은 원운동으로 진자를 제어 한다.
로봇의 각 부분을 기능으로 나누면 제어부, 센서부, 구동부로 나눌 수 있는데, 제어부의 역할은 무엇인가? 로봇의 각 부분을 기능으로 나누면 크게 제어부, 센서부, 구동부로 나눌 수 있다. 제어부는 NXT 마인드스톰의 ARM7 & AVR 프로세서를 장착한 임베디드 시스템으로 다운로드한 제어 프로그램을 실행하는 역할을 수행한다. 센서부는 제어기가 제어를 하기 위해 필요한 물리량들을 측정하며, 전동기의 엔코더, 몸체의 경사각을 측정용 자이로스코프, 전방 장애물을 탐지하기 위한 초음파 센서, 라인 주행을 위한 광센서를 사용한다.
이륜 도립진자 로봇이란 무엇인가? 먼저 이륜 도립진자 로봇의 모델링과 시뮬레이션을 통해 제어기의 성능과 안정성을 확인한 다음 시뮬레이션 프로그램을 직접 코드 변환하여 실험으로 설계된 제어기의 유효성을 확인하였다. 이륜 도립진자 로봇은 도립진자 원리를 이용한 자율 자세 제어를 기본 기능으로 하고 목적지까지 주행이 가능한 로봇이다. 제어기는 2차의 최적제어 방법으로 설계된 상태궤환 제어기를 이용하였다.
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참고문헌 (16)

  1. 최동일, "2륜자기균형이동차의 개발 및 외란 측정기를 이용한 강인제어", 한국과학기술원 기계공학전공 석사학위논문, 2007. 

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  3. T. D. Gillespie, "Fundamentals of Vehicle Dynamics", SAE International, 1992. 

  4. 하현욱, 이장명, "단일 가속도 센서에 의한 모바일 역진자 제어", 제어 로봇 시스템 학회 논문지, 제16권 제5호, pp. 440-445, 2010. 

    원문보기 상세보기

  5. 김수환, 장순호, "LEGO MINDSTORM을 이용한 로봇구현", 순천향대학교 정보기술공학부 학사학위논문, 2008. 

  6. 홍선학, 송선미, "C언어로 즐기는 LEGO MINDSTORMS NXT", 이지테크, 2007. 

  7. Yorihisa Yamamoto, "NXTway-GS Model-Based Design", 2009. 

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    상세보기 crossref

  11. N. Shiroma, O. Matsumoto, S. Kajita, K. Tani, "Cooperative behavior of a wheeled inverted pendulum for object transportation", Intelligent Robots and Systems '96, Vol. 2, pp. 396-401, 1996. 

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    원문보기 상세보기

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  14. 이세한, 박종근, "차륜형 역진자 자세 제어기 구현을 위한 시뮬레이션", 대한기계학회 춘추학술대회, pp. 191-196, 2006. 

  15. 엄기환, 이규윤, 이현관, 김주웅, "PD+I 제어 방식을 적용한 Two-wheel Balancing Mobile Robot", 전자공학회 논문지, 제45권 SC편, 제1호, pp. 1-8, 2008. 

  16. Seong Hee Jeong, T. Takahashi, "Wheeled inverted pendulum type assistant robot: inverted mobile, standing, and sitting motions", Intelligent Robots and Systems, pp. 1932-1937, 2007. 

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