[논문]덕티드 팬을 이용한 외바퀴 자전거로봇의 균형 제어

이종현; 신혜정; 정슬

doi:10.5302/j.icros.2014.14.0055

덕티드 팬을 이용한 외바퀴 자전거로봇의 균형 제어
Balancing Control of a Unicycle Robot using Ducted Fans 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.9, 2014년, pp.895 - 899

이종현 , 신혜정 (한국타이어) , 정슬 (충남대학교 메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the balancing control of a unicycle robot using air power. Since the robot has one wheel to move forward and backward, the balancing control is quite challenging. To control the balancing angle, the accurate angle estimation by a tilt and a gyro sensor is required a priori. A complementary filter is implemented to eliminate the defects of two sensors and to fuse together to estimate an accurate balancing angle. The optimal design of air ducts is found empirically. Experimental studies of the balancing control of a unicycle robot confirm that the robot is well regulated without falling down.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 바람을 이용하여 균형을 유지하는 새로운 개념의 외바퀴 자전거 로봇을 소개 하고자한다[18]. 그림 2에 보여진 것처럼 로봇의 측면 양쪽에 덕티드 팬(ducted fan)이 달려 있어 바람을 만들어 내고 그 바람의 힘을 통해 롤방향의 균형을 제어하게 된다.
본 논문에서는 외바퀴 자전거로봇의 균형제어에 대해 실험적으로 검증하였다. 먼저 센서 융합을 통해 균형 각도를 정확하게 추출할 수 있도록 하였으며, 바람의 힘으로 충분한 추력을 만들어 낼 수 있는가를 실험적으로 구하였고 최적의 바람통을 설계하였다.

제안 방법

센서 신호는 디지털로 변환하여 AVR에서 제어알고리즘을 통해 각 모터를 제어하게 된다. 균형각도를 정확하게 검출하기 위해서 융합알고리즘으로 complementary 필터를 사용하여 각 센서의 단점을 보완하였다[4].
먼저 센서 융합을 통해 균형 각도를 정확하게 추출할 수 있도록 하였으며, 바람의 힘으로 충분한 추력을 만들어 낼 수 있는가를 실험적으로 구하였고 최적의 바람통을 설계하였다. 균형제어를 위해서는 Pitch 방향과 Roll 방향의 자세제어를 실험을 통해 확인하였다. Pitch 방향은 바퀴의 구동에 의한 제어로 Roll 방향에 비해 제어가 수월하였다.
낮은 주파수에서는 틸트센서 정보를 사용하고 높은 주파수에서는 자이로 센서의 정보를 사용한다. 낮은 주파수에서 자이로센서의 드리프트를 제거하고, 상대적으로 높은 주파수에서의 틸트센서의 잡음 문제를 해결할 수 있는 Complementary 필터를 적용하여 각도를 측정하였다[5].
다음 실험은 바람통을 외바퀴 자전거에 얹어 전체 시스템의 균형을 유지하는 실험, 즉 롤방향과 피치방향의 각을 제어하는 실험을 수행하였다. 그림 10은 15초간 균형을 유지하고 있는 동영상의 일부분을 3초 간격으로 나타낸 것이다.
먼저 바람을 이용하여 롤방향의 균형을 유지할 만한 힘이 충분히 발생하는지에 대한 실험을 수행하였다. 바람의 힘은 매우 비선형으로 그 크기를 일정하게 하기위한 바람통을 설계하는 것이 중요하다.
본 논문에서는 외바퀴 자전거로봇의 균형제어에 대해 실험적으로 검증하였다. 먼저 센서 융합을 통해 균형 각도를 정확하게 추출할 수 있도록 하였으며, 바람의 힘으로 충분한 추력을 만들어 낼 수 있는가를 실험적으로 구하였고 최적의 바람통을 설계하였다. 균형제어를 위해서는 Pitch 방향과 Roll 방향의 자세제어를 실험을 통해 확인하였다.
센서의 피치방향의 제어는 두 바퀴 구동 로봇과 마찬가지로 바퀴의 움직임을 통해 제어한다. 바람을 통해 로봇이 균형을 유지하는 것을 검증하기 위해 외바퀴자전거를 제작하고 제어하여, 실험적으로 증명하였다.
외바퀴자전거로봇의 Roll 방향 자세 제어를 위해 회전자 구동기의 반작용력에 의한 간접제어, Gyroscopic effect를 이용한 자세유지 등과 같은 연구가 진행되어 왔다. 본 논문에서는 덕티드팬을 장착하여 덕티드팬의 추력에 의한 자세제어를 한다. 따라서 바람을 일으키는 덕티드팬의 회전을 조절하므로 롤방향을 제어하게 된다.
그림 2에 보여진 것처럼 로봇의 측면 양쪽에 덕티드 팬(ducted fan)이 달려 있어 바람을 만들어 내고 그 바람의 힘을 통해 롤방향의 균형을 제어하게 된다. 최적의 바람힘을 만들어 내기 위해 다양한 바람통을 실험적으로 구별하였으며, 균형 각도를 정확하게 검출하기 위해 보상필터를 사용하였다. 센서의 피치방향의 제어는 두 바퀴 구동 로봇과 마찬가지로 바퀴의 움직임을 통해 제어한다.
피치 각을 제어하는 제어기로는 간단한 PD 제어기를 사용하고 위치제어는 PID 제어기를 사용하였다. 밸런싱 각에 PD 제어기를 사용한 이유는 PID 제어기의 경우 누적 오차가 발생하여 밸런싱 오차가 더욱 커지게 되고 이는 위치제어에 영향을 주어 전체적으로 불안정해지는 현상을 야기시키는 것을 방지하기 위함이다.

대상 데이터

균형각도를 검출하기위한 센서로는 틸트센서(SA1)와 자이로 센서(ENV05G)를 사용하였다. Gyro센서는 고주파 응답 특성이 좋으나 적분을 통해 각도값을 얻기 때문에 적분오차가 발생하게 된다.
본 연구의 핵심은 롤방향의 제어이다. 외바퀴자전거로봇의 Roll 방향 자세 제어를 위해 회전자 구동기의 반작용력에 의한 간접제어, Gyroscopic effect를 이용한 자세유지 등과 같은 연구가 진행되어 왔다.
그림 4는 전체 하드웨어의 구성이 나타나 있다. 주제어기로는 8 비트 프로세서 AVR (Atmega128)를 사용하였고 균형을 유지하기 위한 각도 검출 센서로는 자이로와 틸트 센서를 사용하였다.

성능/효과

Pitch 방향은 바퀴의 구동에 의한 제어로 Roll 방향에 비해 제어가 수월하였다. Roll 방향은 덕티드팬의 추력에 의한 제어로 자세 유지가 가능하였지만, 이동로봇의 하중이 무거울 경우 제어 가능한 값의 범위가 작아짐을 확인하였다. 하지만 요방향 제어에 대한 실험은 수행하지 않았다.
실험을 통해 바람의 힘을 이용하여 롤방향의 제어가 가능함을 확인하였다. 바람통은 실험을 통해 원통형으로 길게 만드는 것이 제어하기에 수월하고 제어할 수 있는 각도가 가장 크게 나타났다.
실험을 통해 바람의 힘을 이용하여 롤방향의 제어가 가능함을 확인하였다. 바람통은 실험을 통해 원통형으로 길게 만드는 것이 제어하기에 수월하고 제어할 수 있는 각도가 가장 크게 나타났다.
따라서 바람을 한 방향으로 모으고 크게 낼 수 있도록 바람통을 원통형으로 설계하는 것이 중요하다. 원뿔과 같은 모양을 포함하여 다양한 모양의 바람통을 설계하여 실험하였지만 그림 9의 모양과 같이 일자형이 가장 성능이 좋게 나타났다. 따라서 그림 10에 나타난 것처럼 일자의 원통형으로 바람통을 만들어 실험하였다.

후속연구

향후 연구로는 시스템 설계시 불필요한 하중을 감소함으로써 제어 성능을 높이고 안정적인 좌우 자세제어를 하며, 주행, 방향 전환 및 여러 환경에서의 제어가 가능하도록 하는 연구가 수행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	외바퀴 자전거 로봇은 어떻게 구성되는가?	외바퀴 자전거로봇의 전체구조는 그림 2와 같다. 외바퀴 자전거 로봇은 바퀴와 덕티드팬 그리고 로봇 팔이 달린 몸체로 구성되어 있다. 바퀴의 전후 구동은 DC모터를 사용하고 롤방향의 균형은 2개의 덕티드팬을 사용한다.
	Segway의 안정적인 균형 유지가 핵심기술인 이유는 무엇인가?	이에 반해 Segway는 대표적인 민간용 수송체 시스템이다. Segway의 경우는 좁은 공간에서의 편리한 조작과 조향을 위해 두 바퀴로 설계되어 구동하므로 안정적인 균형 유지가 핵심기술이다. 운전자가 안정한 상태에서 목적지까지 움직일 수 있어야 하므로 균형을 유지하는 로봇의 메커니즘과 제어가 중요하게 대두된다[2].
	GYROBO가 자이로 효과를 이용함에 따라 어떤 단점을 가지는가?	하지만 자이로 효과를 이용하려면 고속의 플라이휠이 필요하게 되고 리액션 휠을 이용하려면 상대적으로 큰 휠이 필요하게 되어 시스템이 무거워지고 에너지 효율이 떨어지는 점이 단점이 있다.

참고문헌 (18)

"Mars pathfinder," http://http://mars.jpl.nasa.gov
"Segway," http://www.segway.com
F. Grasser, A. Darrigo, S. Colombi, and A. Rufer, "JOE: A mobile, inverted pendulum," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 49, no. 1, pp. 107-114, 2002.

상세보기
H. J. Lee and S. Jung, "Balancing and navigation control of a mobile inverted pendulum robot using sensor fusion of low cost sensors," Mechatronics, vol. 22, no. 1, pp. 95-105, 2012.

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S. H. Jeong and T. Takayuki "Wheeled inverted pendulum type assistant robot: design concept and mobile control," IEEE IROS, pp. 1932-1937, 2007.
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상세보기
C. C. Tsai, H. C. Huang, and S. C. Lin, "Adaptive neural network control of self-balancing two-wheeled scooter," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 57, no. 4, pp. 1420-1428, 2010.

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C. H. Huang, W. J. Wang, and C. H. Chiu, "Design and implementation of fuzzy control on a two-wheel inverted pendulum," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 58, no. 7, pp. 2988-3001, 2011.

상세보기
H. W. Kim and S. Jung, "Fuzzy logic application to a two-wheel mobile robot for balancing control performance," International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems, vol. 12, no. 2, pp. 154-161, 2012.

원문보기 상세보기
H. W. Kim and S. Jung, "Experimental studies of controller design for a car-like balancing robot with a variable mass," Journal of Korea Institute of Intelligent Systems, vol. 20, no. 4, pp. 469-475, 2010.

원문보기 상세보기
"Murata Girl," http://www.murataboy.com/
R. Nakajima, T. Tsubouchi, S. Yuta, and E. Koyanagi, "A development of a new mechanism of an autonomous unicycle," Proc. of the IROS, pp. 906-912, 1997.
J. W. Ahan, M. G. Kim, and J. M. Lee, "Control of a unicycle robot using a non-model based controller," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 20, no. 5, pp. 537-542, 2014.

원문보기 상세보기
Y. S. Xu, K. W. Au, G. C. Nandy, and H. B. Brown "Analysis of actuation and dynamic balancing for a single wheel robot," Proc. IEEE Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 1789-1794, 1998.
P. K. Kim, J. H. Park, M. S. Ha, and S. Jung, "Implementation and Balancing Control of One Wheel Robot, GYROBO," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 19, no. 6, pp. 501-507, 2013.

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ISEE, "http://isee.cnu.ac.kr"

저자의 다른 논문 :

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].

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