[논문]외바퀴 로봇의 역자이로 효과에 의한 바디 모션과 김벌 모션의 실험을 통한 관계 분석

이상덕; 정슬

doi:10.5302/j.icros.2015.15.0102

[국내논문] 외바퀴 로봇의 역자이로 효과에 의한 바디 모션과 김벌 모션의 실험을 통한 관계 분석
Analysis of Relationship between Body and Gimbal Motion Through Experiment of a Single-wheel Robot Based on an Inverse Gyroscopic Effect 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.21 no.11, 2015년, pp.1064 - 1069

이상덕 (충남대학교 메카트로닉스공학과) , 정슬 (충남대학교 메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Control Moment Gyro (CMG) has been used as an indirect actuator of a single-wheel robot system GYROBO, developed at Chungnam National University. The flip motion of the gimbal system produces the gyroscopic motion onto the body system while the body motion also produces the gyroscopic motion onto the gimbal system inversely. In this paper, the intuitive equation of the inverse gyroscopic effect is derived as the direct relation between the rate of the body system and the rate of the gimbal system. Experiments on the inverse gyroscopic effect under the chaotically generated disturbance are conducted. Experimental data are approximated by a linear equation using the least square method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 역 자이로효과에 의한 김벌시스템과 바디시스템의 물리적인 관계를 검증하고자 한다.
본 논문에서는 역 자이로효과에 의해 발생하는 바디 모션과 김벌 모션의 물리적인 관계를 유도하고 실험을 통해 이를 검증흐卜고자 한다. 실험과정은 다음과 같다.
이러한 시스템 구조에서, 본 논문에서는 외란으로 추정할 수 있는 바디 모션에 의해 역으로 발생할 수 있는 김벌모션에 대한 관계를 제안하고자 하고 그 관계가 (2)와 같음을 실험을 통해 검증하고자 한다.

가설 설정

(b) 이때 로봇 내부에 있는 플라이휠의 틸트 모션이 유도된다.

제안 방법

다음으로, 바디 시스템에 수동으로 외란을 발생시키고 AHRS (Attitude and Heading Reference System) 센서를 사용하여 취득한 바디 모션과 김벌 모션의 데이터들을 최소자승법을 이용해서 선형화한다. 끝으로, 수식에 의해 유도된두 시스템의 비례상수와 실험치를 비교한다.
먼저 로봇과지면의 마찰 영향을 제거하고 속도제어기를 사용해서 플라이휠을 실제 제어에 사용하는 속도 대역으로 고정시킨다. 다음으로, 바디 시스템에 수동으로 외란을 발생시키고 AHRS (Attitude and Heading Reference System) 센서를 사용하여 취득한 바디 모션과 김벌 모션의 데이터들을 최소자승법을 이용해서 선형화한다. 끝으로, 수식에 의해 유도된두 시스템의 비례상수와 실험치를 비교한다.
실험과정은 다음과 같다. 먼저 로봇과지면의 마찰 영향을 제거하고 속도제어기를 사용해서 플라이휠을 실제 제어에 사용하는 속도 대역으로 고정시킨다. 다음으로, 바디 시스템에 수동으로 외란을 발생시키고 AHRS (Attitude and Heading Reference System) 센서를 사용하여 취득한 바디 모션과 김벌 모션의 데이터들을 최소자승법을 이용해서 선형화한다.
케이블을 사용하여 로봇을 지면으로부터 분리 시킨 다음 플라이휠의 정속성을 위해서 로봇에 탑재된 배터리 대신 전원공급장치를 활용하였다. 센싱된 데이터는 데이터 로거에 의해수집되었다.
플라이 휘의 속도를 달리하며 실험을 하였다. 데이터 취득을 위해서 Microin就nite사의 AHRS센서 사용하였다.

대상 데이터

플라이 휘의 속도를 달리하며 실험을 하였다. 데이터 취득을 위해서 Microin就nite사의 AHRS센서 사용하였다. 취득한 데이터는 표 1에 정리하였다.
실험 4에서는 총 3683개의 데이터를 취득했고 평균은 0.0061(rad/s)이고 분산은 0.2505(rad/s)였다. 실험 5에서는 총 4018개의 데이터를 수집했고 평균은 0.
2505(rad/s)였다. 실험 5에서는 총 4018개의 데이터를 수집했고 평균은 0.0093(rad/s)이고 분산은 0.2083(rad/s)였다.

이론/모형

취득된 데이터의 분석을 위해 Least Square 방법을 사용한다. 이 방법은, 데이터를 직선에 정렬하는데 있어서 가장적합한 라인을 결정하는 알고리즘이다.

성능/효과

본 논문은 역자이로효과에 대한 직관적인 분석 결과를 제안하였고실험을 통해 분석적으로 유도된 결과와 실험결과의 오차가매우 적음을 확인하였다. 또한 역자이로효과는 바디시스템과 김벌시스템 간에 플라이휠의 각운동량을 공유할 경우에발생할 수 있는 플라이휠의 각운동량 변환 작용이라는 점을 확인할 수 있었다. 이는 외란에 민감한 자이로보의 제어성능을 위해서 활용되어질 수 있고 유사한 문제에 대해서보다 쉽고 빠르게 접근하는데 그 활용성이 높다.
요 모션은 지면과 수평적으로 발생하는 회전 운동이라고 볼 수 있다. 무작위로 가해지는 요 모션에 대해 김 벌에 있는 플라이휠에 틸트 모션이발생함을 확인할 수가 있었다. 이렇게 유도된 틸트 모션을 AHRS 센서를 활용하여 수집하게 된다.
제어 성능에 매우 큰 영향을 주는 시스템이다. 본 논문은 역자이로효과에 대한 직관적인 분석 결과를 제안하였고실험을 통해 분석적으로 유도된 결과와 실험결과의 오차가매우 적음을 확인하였다. 또한 역자이로효과는 바디시스템과 김벌시스템 간에 플라이휠의 각운동량을 공유할 경우에발생할 수 있는 플라이휠의 각운동량 변환 작용이라는 점을 확인할 수 있었다.
비교 결과, 역 자이로효과에 의해서 김 벌에 유도되는 모션은 바디의 모션에 대해 각운동량에 비례하는 물리적 관계가 있음을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (15)

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J. H. Park and S. Jung, "Development and control of a single-wheel robot: Practical mechatronics approach," Mechatronics, vol. 23, no. 6 pp. 594-606, 2013.
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상세보기
J. Fang and Y. Ren, "High-precision control for a single-gimbal magnetically suspended control moment gyro based on inverse system method," IEEE Trans. Ind. Electron, vol. 58, no. 9, pp. 4331-4342, 2011.

상세보기
Z. S. Wang, "Application of adaptive interference suppressor to gimbal of MSCMG," 2013 Fourth International Conference on Digital Manufacturing and Automation (ICDMA), pp. 267-269, 2013.
S. R. Vadali, H. Oh, and S. Walker, "Preferred gimbal angles for single-gimbal conrol moment gyroscopes," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 13, no. 6, pp. 1090-1095, 1990.

상세보기
S. D. Lee and S. Jung, "An experimental approach to inverse gyroscopic effect: GYROBO," Proc. of 2015 30th ICROS Annual Conference (in Korean), Daejeon Korea, May 2015.
S. D. Lee and S. Jung, "Vibration control of a single-wheel robot using filter design," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 21, no. 9, pp. 863-868, 2015.

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