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문제 정의
- 본 논문에서는 자이로스코프 효과를 이용하여 휠의 균형제어가 가능한 것을 확인하였다. 기존의 시스템을 다시 설계하여 균형을 맞추고 짐벌의 진동을 줄이기 위한 설계를 추가하였다.
- 본 논문에서는 플라이휠의 진동을 줄이기 위해 그림 1과 같이 짐벌을 설계하였다. 하드웨어를 개선하고 센서를 바꾸었으며 제어 알고리즘을 수정하여 오랜 시간 균형을 유지하도록 하였다.
제안 방법
- 2) 모터 드라이버 : 전류 허용량이 부족하여 과열이 되던 기존 드라이버(20A)를 고용량 드라이버(50A)로 교체하였다.
- 본 논문에서는 자이로스코프 효과를 이용하여 휠의 균형제어가 가능한 것을 확인하였다. 기존의 시스템을 다시 설계하여 균형을 맞추고 짐벌의 진동을 줄이기 위한 설계를 추가하였다. 특별히 요축 속도 변화 값을 이용하여 자이로보의 균형을 더 안정되게 할 수 있었고, 좌우의 무게 균형을 맞춰주고 센서의 오프셋 값을 통해서 제자리에서 한 쪽으로 회전하는 현상을 제거할 수 있었다.
- 자이로보 아래쪽에 위치한 주행부분을 통해 자이로보의 주행을 실험하였다. 드라이브 모터에 연결된 고무 바퀴를 통해 내부 프레임이 외부 휠을 따라 회전하게 되고, 이 회전을 통해 무게 중심점이 외부 휠의 앞쪽으로 이동하게 되면서 외부 휠의 앞쪽이 눌리고 외부 휠이 앞쪽으로 굴러가게 되도록 설계 하였다. 베터리와 드라이브 모터를 아래쪽에 설치함으로써 무게중심이 자이로보의 아래쪽에 위치하도록 하였다.
- 자이로보는 바퀴가 좌우(roll)로 넘어질 때 자이로스코프 이펙트에 의해서 지면의 좌우방향(yaw)으로 바퀴를 틀어주어 균형을 잡게 된다. 따라서 균형제어를 할 때 요방향으로의 움직임이 발생하게 되고, 3축 자이로 센서를 사용함으로써 제어에 요방향 각속도 값을 추가하였다. 센서 자체에 필터처리가 되어있어서 센서 신호에 대한 다른 처리는 하지 않았지만 중간 중간 발생할 수 있는 잡음을 걸러내기 위해 100deg/sec 이상의 변화 값이 들어오면 이전 기울기 값을 사용하도록 설정하였다.
- 기존 플라스틱 짐벌은 오래 사용함에 따라 이격이 생겨, 발생하는 진동이 센서에 영향을 미치게 되었다. 따라서 알루미늄의 짐벌을 새로 제작하고 본체로의 연결부를 새로 설계하여 진동을 줄일 수 있도록 하였다.
- 시스템 전체 제어를 위해서 DSP2812를 사용하였고 제어 주기는 10ms로 설정하였다. 먼저 센서는 3축의 각도, 각속도, 각가속도 값을 제공하는 자이로 센서를 사용하였고, 데이터 중 롤의 각도와 각속도, 요의 각속도 값을 제어에 사용하였다.
- 먼저 실내주행을 실험하였다. 그림 13은 실내에서의 주행 모습이다.
- 이전 실험모델과의 차이점은 밸런싱을 할 때 짐벌이 한쪽으로 계속 회전하는 현상을 막기 위해서 게인 스케줄링을 통해 틸트 모터의 속도를 상황에 맞게 변화시켜 주었다. 본 실험에서는 플라이 휠 디스크의 속도를 고정으로 하여 실험하였고 그 속도는 5,700rpm이다. 그림 6은 전체 시스템의 블록 다이아그램을 보여준다.
- 따라서 균형제어를 할 때 요방향으로의 움직임이 발생하게 되고, 3축 자이로 센서를 사용함으로써 제어에 요방향 각속도 값을 추가하였다. 센서 자체에 필터처리가 되어있어서 센서 신호에 대한 다른 처리는 하지 않았지만 중간 중간 발생할 수 있는 잡음을 걸러내기 위해 100deg/sec 이상의 변화 값이 들어오면 이전 기울기 값을 사용하도록 설정하였다.
- 자이로보가 ±0.5도 범위 안에 있고, 자이로스코프의 틸팅 각도가 일정 범위를 벗어나면 틸트모터 제어 입력값을 증가시켜줘서 자이로보를 현재 기울어지던 반대방향으로 넘어가도록 하였다.
- 하드웨어를 개선하고 센서를 바꾸었으며 제어 알고리즘을 수정하여 오랜 시간 균형을 유지하도록 하였다. 자이로보의 균형 유지 제어뿐만 아니라 주행제어를 잘 할 수 있도록 구현하였다. 제자리 균형제어뿐만 아니라 실내 및 실외에서의 직진 주행 실험을 하였다.
- 자이로보의 균형 유지 제어뿐만 아니라 주행제어를 잘 할 수 있도록 구현하였다. 제자리 균형제어뿐만 아니라 실내 및 실외에서의 직진 주행 실험을 하였다.
- 본 논문에서는 플라이휠의 진동을 줄이기 위해 그림 1과 같이 짐벌을 설계하였다. 하드웨어를 개선하고 센서를 바꾸었으며 제어 알고리즘을 수정하여 오랜 시간 균형을 유지하도록 하였다. 자이로보의 균형 유지 제어뿐만 아니라 주행제어를 잘 할 수 있도록 구현하였다.
대상 데이터
- 시스템 전체 제어를 위해서 DSP2812를 사용하였고 제어 주기는 10ms로 설정하였다. 먼저 센서는 3축의 각도, 각속도, 각가속도 값을 제공하는 자이로 센서를 사용하였고, 데이터 중 롤의 각도와 각속도, 요의 각속도 값을 제어에 사용하였다.
성능/효과
- 3) 틸트 모터 : Flywheel의 틸팅 제어를 위해 사용하던 기존의 서보모터는 feedback이 없고 반응속도가 느려서 엔코더가 장착된 DC모터로 변경하였다.
- 특별히 요축 속도 변화 값을 이용하여 자이로보의 균형을 더 안정되게 할 수 있었고, 좌우의 무게 균형을 맞춰주고 센서의 오프셋 값을 통해서 제자리에서 한 쪽으로 회전하는 현상을 제거할 수 있었다. 또한 게인 스케줄링 방법을 통해 안정적으로 균형을 유지할 수 있었다. 주행테스트를 통해 바닥이 다른 실외에서의 주행이 가능한 것을 확인하였다.
- 자이보로의 이런 원리에 의해 요축의 변화하는 각속도 값을 제어기에 포함시켜 밸런싱을 더 안정화 할 수 있었다. 롤각을 PD 제어기만을 사용했을 때 보다 더 안정적이고 장시간 균형을 유지하는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 실험에서는 기준 각도값을 0.1도로 해주었을 때 한 방향으로의 흐름현상이 없어지는 것을 확인하였다. 그림 11은 각도에 오프셋 값을 주었을 경우에 실험한 것이다.
- 실험을 진행하면서 내부 자이로스코프가 일정 속도로 회전을 하면 자이로보가 일정 기울기에서 안정하게 서있는 것을 볼 수 있었다. 하지만 현재 시스템은 Flywheel 스핀모터가 본체의 모터 드라이버와 선으로 연결되어 있어서 한 방향으로 계속 회전을 할 수 없는 상태이다.
- 위의 두 실험을 통하여 롤의 PD제어기만 사용할 때 보다 요각의 제어기를 추가하였을 때 제어가 더 잘 되는 것을 볼 수 있었다. 하지만 두 경우 모두다 틸트 모터가 한 방향으로 계속 흘러가는 경향을 볼 수 있다.
- 또한 게인 스케줄링 방법을 통해 안정적으로 균형을 유지할 수 있었다. 주행테스트를 통해 바닥이 다른 실외에서의 주행이 가능한 것을 확인하였다. 추후 조향이 가능하도록 실험하여 원 경로 추종을 실험할 계획이다.
- 기존의 시스템을 다시 설계하여 균형을 맞추고 짐벌의 진동을 줄이기 위한 설계를 추가하였다. 특별히 요축 속도 변화 값을 이용하여 자이로보의 균형을 더 안정되게 할 수 있었고, 좌우의 무게 균형을 맞춰주고 센서의 오프셋 값을 통해서 제자리에서 한 쪽으로 회전하는 현상을 제거할 수 있었다. 또한 게인 스케줄링 방법을 통해 안정적으로 균형을 유지할 수 있었다.
후속연구
- 주행테스트를 통해 바닥이 다른 실외에서의 주행이 가능한 것을 확인하였다. 추후 조향이 가능하도록 실험하여 원 경로 추종을 실험할 계획이다.
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