[논문]두 개의 거리 센서를 이용한 차륜형 로봇의 이동물체 추종제어

서동진; 노성우; 고낙용

doi:10.13067/jkiecs.2011.6.5.765

두 개의 거리 센서를 이용한 차륜형 로봇의 이동물체 추종제어
Moving Object Following Control for Differential Drive Robot Based on Two Distance Sensors 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.6 no.5, 2011년, pp.765 - 773

서동진 (전자부품연구원 지능로보틱스 연구센터) , 노성우 (조선대학교 제어계측로봇공학과) , 고낙용 (조선대학교 제어계측로봇공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 거리센서기반의 차륜형 로봇의 물체추적과 추종에 대한 로봇의 구동제어방법을 제안한다. 물체 추종을 위해 1개의 초음파 송신부와 2개의 초음파 수신부를 사용하여 추종하고자 하는 물체로부터 2개의 거리데이터를 생성한다. 생성된 거리데이터를 기반으로 로봇의 물체까지의 직진오차와, 회전오차를 산출한 뒤, 물체 추종을 위해 PID제어기 기반의 조작량을 계산하여 로봇의 동작제어에 사용한다. 제안된 방법의 특징을 확인하기 위해 3가지 경우에서 실험을 수행하였으며 PID게인이 로봇의 움직임에 미치는 영향과 직진오차게인과 회전오차게인이 로봇의 움직임에 미치는 영향을 각각 확인해 보았다. 제안된 방법은 항상 추종물체를 로봇에 대하여 일정위치에 존재하도록 하는 기법으로 물체추종 어플리케이션 이외에도, 여러 대의 로봇이 특정한 대형을 이루어 움직이게 하는 군집형 제어 문제에 적용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a control method for a differential robot to track and follow a moving object based on ultrasonic sensor. To track a target object, the method uses a transmitter and two receivers to get distances from the object. The method derives translational and rotational error by the distances and then it uses the errors to calculate control values based on PID control method. The control values are used to control the robot to follow moving object. The authors do some experimentations to analyze some characteristics such as influence of PID gain, influence of translational and rotational gain. This method not only can be applied for following moving object problem but also can be done group unit control problems.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

이에 비해서 대향형 초음파 거리센서를 사용하는 경우, 송신부와 수신부의 동기화 문제만 해결된다면 실내, 실외 모든 상황에서 사용하는 것이 가능하다. 본 논문에서는 위와 같은 장점을 가진 초음파 송신부 1개와 수신부 2개를 이용하여 물체를 추종하는 문제를 해결하고자 하였다.
본 논문에서는 이동하는 물체를 초음파 센서를 사용하여 물체에 대하여 일정한 거리와 방향에 로봇을 위치시킬수 있도록 제어하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법의 특징은 다음과 같다.
본 논문에서는 입력요소로 초음파 거리측정 센서와 출력요소로 차륜형 바퀴구동을 위한 2개의 모터를 제어하여 목표 물체를 추종하는 내용을 다룬다.

제안 방법

표 1에서와 같이 경우 1의 실험에서는 회전오차에 대한 파라메터가 모두 0이므로 회전동작이 수행되지 않고 항상 양쪽바퀴에 같은 명령어가 입력되기 때문에 결과를 확인하기 위한 데이터로 L₁, L₂의 패턴이 유사하게 나타난다. 그러므로 L₁만을 그래프에 출력하여 동작특성을 파악하였다.
로봇의 직진제어에 PID게인이 미치는 영향을 파악하기 위해 표1과 같이 파라메터와 목표값을 설정한 후, 목표물을 약 3m전방으로 이동시킨 다음 로봇을 동작시킨다. 표 1에서와 같이 경우 1의 실험에서는 회전오차에 대한 파라메터가 모두 0이므로 회전동작이 수행되지 않고 항상 양쪽바퀴에 같은 명령어가 입력되기 때문에 결과를 확인하기 위한 데이터로 L₁, L₂의 패턴이 유사하게 나타난다.
로봇의 회전제어에 PID게인이 미치는 영향을 파악하기 위해 표2과 같이 파라메터와 목표값을 설정하였다. 경우 2의 실험에서는 식4, 8, 9와 관련하여 로봇이 회전오차 보정을 위해 바퀴2개가 서로 반대로 이동하는 형태의 동작이 생성된다.
물체를 추종하는 기술은 인간과 로봇의 상호작용을 위해서 반드시 필요한 분야이며, 로봇의 실생활 적용을 위해 그 중요성이 커지고 있다. 물체 추종 문제를 구현하기 위해서 1개의 초음파 송신부와 2개의 초음파 수신부를 사용하여, 추종하고자 하는 물체로부터 생성되는 2개의 거리데이터를 이용하여 로봇의 물체에 대한 회전오차와 직진오차를 산출한다. 이렇게 계산된 오차를 바탕으로 로봇의 좌우 바퀴를 제어하여 목표에 대하여 일정 지점에 위치하도록 동작제어를 수행하여 물체를 추종한다.
이런 이유로 본 논문에서는 초음파센서를 이용하여 획득된 로봇부터 물체까지의 2개의 거리를 생성하였으며 이를 목표 거리와의 차이를 이용하여 회전오차와 직진오차를 생성하였다. 생성된 오차정보를 바탕으로 직진오차에 대한 로봇의 속도 제어량과, 회전오차에 대한 로봇의 속도 제어량을 각각 PID제어기에 적용하여 로봇의 추종제어를 실현하였다.
경우 2의 실험에서는 식4, 8, 9와 관련하여 로봇이 회전오차 보정을 위해 바퀴2개가 서로 반대로 이동하는 형태의 동작이 생성된다. 실험을 위해 그림 5와 같이 로봇의 전방 1m지점에서 센서의 레퍼런스를 설정하고 로봇으로부터 (1m, 1m) 지점에 목표물을 설치하고 그 동작을 실험해 보았다. 로봇의 명령은 항상 회전하는 방향으로만 나타나므로 그림 5의 (b)와 같이 제어동작 후 센서 값이 기준 값인 1.
이 로봇의 동작에 미치는 영향을 고찰한다. 실험을 위해 그림 6과 같이 로봇의 전방 1m지점에서 센서의 레퍼런스를 설정하고 로봇으로부터 (2m, 3m) 지점에 목표물을 설치하고 그 동작을 실험해 보았다. 로봇에 사용된 파라메터 값 및 목표 값은 표 3과 같다.
제안된 제어방법의 성능실험을 위해 다음과 같은 3가지 경우에서 실험되었다. 실험의 평가를 위해 시간의 변화에 따른 센서의 정보와 바퀴의 속도명령을 획득하여 그 내용을 고찰 하였다.
비슷한 방법으로 불확실성을 제거하기 위하여 확률기반의 접근을 포함하여 문제의 해결을 모색했지만 근본적인 해결책으로 보기에는 무리가 있으며, 계산량의 증가로 인한 샘플링 주기의 길어짐으로 인해 추종 성능에 좋지 않은 영향을 미쳤다. 이런 이유로 본 논문에서는 초음파센서를 이용하여 획득된 로봇부터 물체까지의 2개의 거리를 생성하였으며 이를 목표 거리와의 차이를 이용하여 회전오차와 직진오차를 생성하였다. 생성된 오차정보를 바탕으로 직진오차에 대한 로봇의 속도 제어량과, 회전오차에 대한 로봇의 속도 제어량을 각각 PID제어기에 적용하여 로봇의 추종제어를 실현하였다.
물체 추종 문제를 구현하기 위해서 1개의 초음파 송신부와 2개의 초음파 수신부를 사용하여, 추종하고자 하는 물체로부터 생성되는 2개의 거리데이터를 이용하여 로봇의 물체에 대한 회전오차와 직진오차를 산출한다. 이렇게 계산된 오차를 바탕으로 로봇의 좌우 바퀴를 제어하여 목표에 대하여 일정 지점에 위치하도록 동작제어를 수행하여 물체를 추종한다.

성능/효과

(1) 초음파센서기반의 물체추종시스템 및 구동제어를 구현하여 로봇이 특정 목표를 추종하면서 이동하는 것이 가능하다.
(2) 레이저 레인지 파인터를 이용하여 추종하는 방식의 경우와 비교하여 물체인식에 대한 불확실성이 개선되었다.
(3) 직진오차와 회전오차에 대한 PID게인값의 적절한 설정을 통해 로봇의 움직임을 효과적으로 제어가능하다.
(4) 로봇의 동작조정을 위한 직진오차게인과 회전 오차게인을 조정하여 물체추종의 특성을 조정 할 수 있으며 직진오차게인이 큰 경우 더 빠른 물체추종성능을, 회전오차게인이 큰 경우 더 안정된 물체추종성능을 갖게 된다.
그림 4의 출력 그래프에서 ①과 ②는 K_p값이 다르고 다른 값들은 모두 0인 실험이다. 두 개의 실험에서 봤을 때 ①의 경우 더 큰 비례게인 K_p의 값에 의해 ②에서 보다 정상상태에 도달 시간이 짧지만 너무 큰 게인 값으로 인해 약간의 진동이 발생하는 것을 확인 할 수 있다. ③과 ④의 경우에서는 적분게인 K_i와 미분게인 K_d가 더 크거나 더 작은 경우이며 ④의 경우 더 큰 적분게인으로 인하여 오버슈트가 더 크게 발생한 후 빠르게 정상상태로 제어 되며,③의 경우에는 ④의 경우보다 더 작게 오버슈트가 발생하고 더 큰 미분게인에 의하여 정상상태로의 도달이 더 느림을 확인 할 수 있다.

후속연구

제안된 방법은 항상 추종물체를 일정위치에 존재하게 만들 수 있으므로 자동 골프카트[2]와 같은 사람을 따라다니게 하는 어플리케이션 이외에도 로봇들끼리 대형을 만들어 움직이게 하는 다중로봇의 동작조정문제[2-6]에도 적용될 수 있다.
제안된 방식은 일반적으로 사용되는 저가의 초음파 센서와 RF모듈을 이용하여 구현이 가능하므로 가격적인 면에서 장점을 가지며, 항상 추종물체를 일정위치에 있도록 제어할 수 있으므로 사람을 따라다니는 가이드 로봇, 무인골프케디 등의 어플리케이션에 효과적으로 적용될 수 있다. 본 논문에 사용된 초음파센서 모듈이 적용가능한 다른 분야로, 사람의 얼굴에 초음파 송신기를 부착하고 모니터의 좌우 양쪽에 수신기를 장착하여 사용자의 얼굴이동 패턴을 감지하는 휴먼로봇인터렉션[7-8] 어플리케이션이나 로봇끼리 대형을 만들어 이동하는 군사 응용로봇기술[9-11] 등에 사용이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로봇의 동작을 위한 출력 요소에는 어떠한 것들이 있는가?	로봇이 환경을 인지하기 위한 입력요소로 인간의 오감을 전기신호로 바꾸어주는 센서들이 있을 수 있으며 그 예로 거리측정센서, 위치인식센서, 비전, 가스 센서, 압력센서, 마이크(청각센서) 등으로 크게 나눠볼 수 있다. 로봇의 동작을 위한 출력요소로는 모터나 유압장치와 같은 구동기, 모니터, 스피커 등으로 나뉜다. 출력 요소인 모터를 이용하여 제작된 이동로봇은 다양한 형태가 존재하지만, 로봇의 형태 중에 가장 보편적이고 오래된 형태의 로봇은 차륜형 구조를 가지는 로봇으로 볼 수 있으며, 그 구조가 단순하여 제어가 용이하다는 장점이 있다.
	초음파 센서의 측정원리는 무엇인가?	초음파 센서는 송신부와 수신부가 같은 위치에 존재하는 반사형과, 송신부와 수신부가 서로 마주보는 형태의 대향형이 있다. 센서의 측정원리는 그림 1과같이 송신부에서 발사된 초음파가 수신기에 도달할 때 까지의 시간을 측정하여 거리를 측정 할 수 있다.
	인간의 오감을 전기신호로 바꾸어주는 센서들은 어떠한 것들로 나눠볼 수 있는가?	로봇이 환경을 인지하기 위한 입력요소로 인간의 오감을 전기신호로 바꾸어주는 센서들이 있을 수 있으며 그 예로 거리측정센서, 위치인식센서, 비전, 가스 센서, 압력센서, 마이크(청각센서) 등으로 크게 나눠볼 수 있다. 로봇의 동작을 위한 출력요소로는 모터나 유압장치와 같은 구동기, 모니터, 스피커 등으로 나뉜다.

참고문헌 (11)

고낙용, 서동진, 문용선, "방향각 및 거리 정보에 의한 이동 로봇의 실시간 목표물 추종 방법", 한국지능시스템학회 논문지, 18권, 5호, pp.632-637, 2008.

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http://www.golfingtrolley.com/
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배영철, 박종규, "카오스 이론에 기반한 포메이 션 제어를 위한 다중 카오스 로봇의 장해물 회 피 및 동기화에 관한 연구", 한국전자통신학회 논문지, 5권, 5호, pp. 534-540, 2010.

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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].

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