[논문]임펄스 측정잡음에 강인한 저가형 볼앤빔 시스템의 접촉식 볼 추적센서 개발

장주영; 이자승; 윤한솔; 나원상

doi:10.5302/j.icros.2014.14.8020

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a new contact type ball tracking sensor to improve the control performance of a low cost ball-and-beam system. It is well-known that the impulsive measurement noise contained in ball position measurement is one of the factors which severely degrades the ball-and-beam control perf...

This paper proposes a new contact type ball tracking sensor to improve the control performance of a low cost ball-and-beam system. It is well-known that the impulsive measurement noise contained in ball position measurement is one of the factors which severely degrades the ball-and-beam control performance. The impulsive ball position measurement noises often appear under the sporadical ball floating on the beam. This fact motivates us to devise a simple analog preprocessing circuit to determine whether the ball loses the contact or not. Once the abnormal ball position measurement is detected, the design problem of the ball tracking sensor can be cast into the typical state estimation problem with missing data. In order to tackle the real-time implementation issue, a steady-state Kalman filter is applied to the problem. Through the experimental results, the usefulness of the proposed scheme is demonstrated.

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문제 정의

본 논문에서는 전술한 문제를 해결하기 위해, 저가형 볼 앤빔 시스템 구축을 위한 새로운 형태의 접촉식 볼 추적 센서를 제안한다. 볼 추적센서를 구성하고 있는 권선형 니크롬선, 접지선, 그리고 기존 시스템에서는 고려되지 않았던 임펄스 잡음 판별회로가 PCB 일체형으로 제작된다.
볼 추적센서 및 제어루프 설계에 앞서 제작된 저가형 볼 앤빔 시스템의 동역학 방정식을 모델링 해보자. 그림 3의 볼앤빔 시스템 모델로부터 다음 관계식이 만족됨을 알 수 있다.
제안한 볼 추적센서의 유용성을 확인하기 위해 실험을 수행하였다. 볼앤빔 시스템의 제어를 위해 고전제어 기법이 적용되었으며, 제어루프 구조는 그림 6과 같다.
본 논문에서는 저가형 볼앤빔 시스템 제어성능 개선을 위해 임펄스 잡음에 강인한 접촉식 볼 추적센서의 설계 방법을 제안하였다. 임펄스 형태의 볼 위치 측정잡음이 주로 볼과 전도판 혹은 저항선 간의 불완전 접촉에 의해 발생한다는 사실에 착안하여, 이를 사전에 검출할 수 있는 전처리 회로를 고안함으로써 볼 추적문제를 누락 측정치를 고려한 상태추정 문제로 재정의 하였다.

제안 방법

임펄스 형태의 볼 위치 측정잡음이 볼과 니크롬권선 사이의 물리적 접촉이 완벽히 유지되지 않을 때 발생된다는 사실에 착안하여, 비 정상적인 계측치를 판별하기 위한 아날로그 전처리 회로가 설계된다. 설계된 회로는 불완전 접촉 상황에서 사전에 정해진 출력을 제공함으로써 비 정상적인 계측치를 센서 출력 누락으로 인식할 수 있게 한다[9]. 즉, 설계된 전처리 회로를 이용하는 경우 볼 추적 알고리듬 설계 문제는 간헐적인 측정치 누락(data missing) 상황에서 볼의 위치와 속도를 추정하기 위한 상태추정기를 설계하는 문제로 재해석 될 수 있다.
볼 추적 알고리듬의 실시간 구현문제를 고려하기 위해 정상상태 칼만필터(혹은 α -β필터)를 설계함으로써, 임펄스성 잡음에 견실한 특성을 갖는 볼 추적 센서를 제작한다.
자체 제작한 저가형 볼앤빔 시스템의 구조는 그림 1과 같다. 볼앤빔 제어를 위한 구동기로 DC 모터를 장착하고, 모터에 가해지는 부하를 최소화하기 위해 가벼우면서도 강성이 뛰어난 PCB를 이용하여 빔 외형을 제작하였다. 이때, 볼앤빔 제어가 용이하도록 가급적 DC 모터의 회전축과 빔의 중심부, 그리고 볼의 무게중심이 일치하도록 하드웨어를 설계하였다.
볼앤빔 제어를 위한 구동기로 DC 모터를 장착하고, 모터에 가해지는 부하를 최소화하기 위해 가벼우면서도 강성이 뛰어난 PCB를 이용하여 빔 외형을 제작하였다. 이때, 볼앤빔 제어가 용이하도록 가급적 DC 모터의 회전축과 빔의 중심부, 그리고 볼의 무게중심이 일치하도록 하드웨어를 설계하였다. 빔의 회전각도는 기어를 통해 모터와 연결되어 있는 포텐쇼미터 출력으로부터 획득된다.
제안된 접촉식 볼 위치 센서는 그 구조가 매우 단순하고 저가로 구현 가능하다는 장점이 있지만, 정상적인 측정치 획득을 위해 볼과 전도판 혹은 니크롬권선 사이의 접촉이 완벽히 유지되어야 한다는 전제조건을 필요로 한다. 불행하게도, 볼이 빔 위에서 운동하는 실제 상황에서는 이러한 전제조건이 충족되지 않는 경우가 흔히 발생하게 된다.
전처리 회로에 의한 임펄스 잡음 검출 성능을 확인하기 위해, 볼이 임의로 이동하는 상황에서 전처리 회로 유무에 따른 접촉식 센서의 출력을 획득하였다. 그림 7에서 확인할 수 있듯이, 볼의 운동에 의해 불완전 접촉상황이 빈번히 방생함에 따라 접촉식 센서 출력에 불규칙한 임펄스 형태의 잡음이 빈번하게 관찰된다.
이와 달리, 그림 9는 임펄스성 잡음 판별회로가 없는 상태에서 기존 연구들에서 사용된 칼만필터만을 적용하여 획득된 결과를 나타낸다. 제안된 볼 추적 알고리듬은 임펄스 잡음에 의한 영향을 효과적으로 제거함으로써 만족할 만한 볼 추적성능을 제공한다. 실험결과 본 논문에서 제안하는 방법을 사용하는 경우에는 임펄스 잡음이 반영되지 않은 모의실험 상황과거의 유사한 수준의 볼 위치제어 성능을 획득할 수 있는 반면, 임펄스 잡음 처리 없이 추정필터를 그대로 사용하는 경우에는 볼앤빔 제어가 거의 불가능함을 알 수 있다.

데이터처리

볼 추적 알고리듬의 실시간 구현문제를 고려하기 위해 정상상태 칼만필터(혹은 α -β필터)를 설계함으로써, 임펄스성 잡음에 견실한 특성을 갖는 볼 추적 센서를 제작한다. 제안한 접촉식 볼 추적센서의 유용성을 검증하기 위해, 직접 제작한 저가형 볼앤빔 시스템을 이용하여 실험을 수행하고 그 결과를 분석한다.

이론/모형

제안한 볼 추적센서의 유용성을 확인하기 위해 실험을 수행하였다. 볼앤빔 시스템의 제어를 위해 고전제어 기법이 적용되었으며, 제어루프 구조는 그림 6과 같다. 관련된 파라미터는 표 1에 제시되었다.

성능/효과

그림 7에서 확인할 수 있듯이, 볼의 운동에 의해 불완전 접촉상황이 빈번히 방생함에 따라 접촉식 센서 출력에 불규칙한 임펄스 형태의 잡음이 빈번하게 관찰된다. 하지만, 제안한 전처리 회로를 사용하는 경우 임펄스 형태의 잡음이 존재하는 시점에서 항상 사전에 정해진 값(V_out = 0[V])이 출력됨을 확인할 수 있다.
실험결과 본 논문에서 제안하는 방법을 사용하는 경우에는 임펄스 잡음이 반영되지 않은 모의실험 상황과거의 유사한 수준의 볼 위치제어 성능을 획득할 수 있는 반면, 임펄스 잡음 처리 없이 추정필터를 그대로 사용하는 경우에는 볼앤빔 제어가 거의 불가능함을 알 수 있다. 이는 제안된 볼 추적 기법이 저가형 볼앤빔 시스템의 제어성능을 향상시킬 수 있는 해법임을 뒷받침하는 결과이다.
임펄스 형태의 볼 위치 측정잡음이 주로 볼과 전도판 혹은 저항선 간의 불완전 접촉에 의해 발생한다는 사실에 착안하여, 이를 사전에 검출할 수 있는 전처리 회로를 고안함으로써 볼 추적문제를 누락 측정치를 고려한 상태추정 문제로 재정의 하였다. 누락 측정치 검출회로와 정상상태 칼만필터를 이용하여 볼 추적센서를 설계함으로써, 접촉식 볼 위치 측정센서에 임펄스 잡음이 존재하는 상황에서도 성공적으로 볼의 위치와 속도를 추정할 수 있음을 보였다. 실험을 통해, 제안된 방법이 저가형 볼앤빔 시스템개발을 위한 유용한 해법이 될 수 있음을 확인하였다.
누락 측정치 검출회로와 정상상태 칼만필터를 이용하여 볼 추적센서를 설계함으로써, 접촉식 볼 위치 측정센서에 임펄스 잡음이 존재하는 상황에서도 성공적으로 볼의 위치와 속도를 추정할 수 있음을 보였다. 실험을 통해, 제안된 방법이 저가형 볼앤빔 시스템개발을 위한 유용한 해법이 될 수 있음을 확인하였다.
실험결과 본 논문에서 제안하는 방법을 사용하는 경우에는 임펄스 잡음이 반영되지 않은 모의실험 상황과거의 유사한 수준의 볼 위치제어 성능을 획득할 수 있는 반면, 임펄스 잡음 처리 없이 추정필터를 그대로 사용하는 경우에는 볼앤빔 제어가 거의 불가능함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	볼앤빔 시스템은 무엇인가?	볼앤빔 시스템은 다양한 선형 및 비선형 제어기법의 교육 및 학습에 두루 사용될 수 있는 대표적인 불안정 시스템 중 하나이다. 이러한 이유로 지금까지 국내외에서 새로운 형태의 볼앤빔 제어시스템을 제작하고, 이를 효과적으로 제어하기 위한 연구들이 활발히 진행되어 왔다[1-4].
	볼앤빔 시스템의 볼의 위치를 측정하는 센서는 어떻게 구분되는가?	볼의 위치를 측정하는 센서는 크게 접촉식과 비접촉식으로 구분된다. 접촉식 센서는 전도 특성을 갖는 금속 볼의 위치에 따라 저항 값이 달라지는 가변 저항을 이용하여 구현된다.
	볼앤빔 시스템에 적용되는 접촉식 센서의 단점은 무엇인가?	접촉식 센서는 전도 특성을 갖는 금속 볼의 위치에 따라 저항 값이 달라지는 가변 저항을 이용하여 구현된다. 이 방식은 상대적으로 간단한 구조를 가지고 있으나 볼 위치 측정 정확도를 높이기 위해서는 저항이 큰 소재를 이용하여 센서를 제작해야 한다는 부담이 있다[5,6].. 더욱이, 볼의 운동에 따라 저항선과 볼의 접촉이 유지되지 않는 경우, 볼 위치 측정치에 임펄스성 측정잡음이 나타나게 되며, 이는 볼앤빔 제어성능을 급격히 저하시키는 요인들 중 하나로 알려져 있다[8].

참고문헌 (10)

J. Hauser, S. Sastry, and P. Kokotovic, "Nonlinear control via approximate input-output linearization : the ball and beam example," IEEE Trans. Automatic Control, pp. 392-398, 1992.
N. B. Almutaiti and M. Zribi, "On the sliding mode control of a Ball on a Beam system," Springer, 2009.
S. Sathiyavathi and K. Krishnamurthy, "PID control of ball and beam system-A real time experimentation," Journal of Scientific & Ind. Research, pp. 481-484, 2013.
Z. H. Pang, G. Zheng, and C. X. Luo, "Augmented state estimation and LQR control for a ball and beam system," IEEE Conference on Industrial Electronics and Application, pp. 1328-1332, 2011.
W. Wang, "Control of a ball and beam system," Master Thesis, Univ. of Adelaide, Australia, 2007.
J. Sheng, J. Renner, and W. S. Levine, "A ball and curved offset beam experiment," American Control Conference, pp. 402-408, 2010.
I. Hasanzade, S. M. Anvar, and N. T. Motlagh, "Design and implementation of visual servoing control for ball and beam system," IEEE International Symposium on Mechatronics and its Applications, pp. 1-5, 2008.
H. K. Khalil, Nonlinear Systems, 3rd Ed, Prentice Hall Inc, 2002.
J. Y. Jang, J. S. Lee, H. S. Yoon, and W. S. Ra, "Development of a contact-type ball tracking sensor for improving control performance of a low-cost ball-and-beam system," Proc. of 2014 29th ICROS Annual Conference (ICROS 2014) (in Korean), pp. 555-556, 2014.
Y. Bar-Shalom and T. E. Fortmann, "Tracking and data association," Academic Press, pp. 97-100, 1988.

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