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이륜 도립진자 이동로봇을 위한 강인제어기 설계
Robust Control Design for a Two-Wheeled Inverted Pendulum Mobile Robot 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.26 no.1, 2016년, pp.16 - 22  

유동상 (한경대학교 전기전자제어공학과)

초록
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세계적으로 수많은 로봇연구실에서 이륜 도립진자 이동로봇에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 이런 이륜 도립진자 이동로봇이 평탄한 경사면에서 안정적으로 주행할 수 있도록 하는 강인 제어기를 개발하는 것으로 고려한다. 경사면에서 이륜 도립진자 이동로봇의 균형을 위해 3 자유도의 운동방정식에서 선회운동을 제한한 2 자유도 동력학식을 사용하며, 가변구조시스템 이론을 근간으로 하는 슬라이딩 모드 제어기를 제안하고 LQR 이론을 이용하여 슬라이딩 운동이 일어나는 슬라이딩 평면을 설계한다. 시뮬레이션을 위해 Mathworks사의 Simulink를 활용하여 이륜 도립진자 이동로봇의 2 자유도 모델을 실현하고, 슬라이딩 모드 제어기 또한 Simulink를 이용하여 구현한다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안된 제어기가 경사면을 주행하는 이륜 도립진자 이동로봇을 효과적인 제어한다는 것을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The research on two-wheeled inverted pendulum (TWIP) mobile robots has been ongoing in a number of robotic laboratories around the world. In this paper, we consider a robust controller design for the TWIP mobile robot driving on uniform slopes. We use a 2 degree-of-freedom (DOF) model which is obtai...

주제어

#도립진자   #이륜 이동로봇   #슬라이딩 모드 제어   #LQR 이론   #Simulink 모델  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 이륜 도립진자 이동로봇의 동력학을 기술하고 Simulink를 이용하여 모델을 구현하였다. 또한 LQR 기법을 이용하여 슬라이딩 평면을 설계하는 과정을 기술하고 슬라이딩 평면을 이용하여 이륜 로봇이 경사면 주행이 가능하도록 하는 슬라이딩 모드 제어기를 제안하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이륜 도립진자 이동로봇에 관한 연구 과제는? 이륜 도립진자 이동로봇은 주행뿐만 아니라 자세까지 제어해야 하는 매력적인 연구테마로 세계적으로 수많은 로봇연구실에서 이륜 도립진자 이동로봇에 대한 연구가 진행되고 있다. 특히 2001년 미국의 발명가 Dean Kamen이 자전거를 대신할 차세대 운송 수단으로 세그웨이(Segway)를 상용화함으로써 이륜 도립진자 이동로봇에 대한 연구가 가속화되었다.
슬라이딩 모드 제어기 설계의 두 단계는? 일반적으로 슬라이딩 모드 제어기 설계는 두 단계로 나눌 수 있다. 첫 번째 단계는 슬라이딩 모드가 일어나는 슬라이딩 평면을 설계하는 것이며, 이 슬라이딩 평면이 선택된 후에는 시스템의 궤적을 슬라이딩 평면으로 이끌고 슬라이딩 평면과 접촉한 후에는 계속에서 이 평면에 머물도록 하는 강인제어기를 설계하는 것이다[9]-[12].
세그웨이는 무엇인가? 특히 2001년 미국의 발명가 Dean Kamen이 자전거를 대신할 차세대 운송 수단으로 세그웨이(Segway)를 상용화함으로써 이륜 도립진자 이동로봇에 대한 연구가 가속화되었다. 세그웨이는 지금까지의 모바일 이동수단의 상식을 벗어난 차세대 이동수단으로써 두 개의 바퀴만으로도 스스로 균형을 잡으면서 넘어지지 않고 안정적인 주행이 가능하였다[1]. 이후 Grasser 등은 JOE라 불리는 이륜 이동로봇을 개발하고 두 개의 분리된 상태제어기를 제안하여 안정적인 주행에 성공하였다[2].
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참고문헌 (12)

  1. H.G. Nguyen, J. Morrell, K.D. Mullens, et al. "Segway robotic mobility platform", Proc. SPIE 5609, Mobile Robots XVII, 207, December 29, 2004. 

  2. F. Grasser, A. D'Arrigo, S. Colombi, and A.C. Rufer, "JOE: A mobile, inverted pendulum," IEEE Transactions on Industrial Electrnoics, vol. 49, no. 1, pp. 107-114, 2002. 

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  3. K. Pathak, J. Franch, and S.K. Agrawal, "Velocity and position control of a wheeled inverted pendulum by partial feedback linearization," IEEE Transactions on Robotics, vol. 21, no. 3, pp. 505-513, 2005 

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  4. Y. H. Kim, S. H. Kim, and Y. K. Kwak, "Dynamic analysis of a nonholonomic two-wheeled inverted pendulum robot," Journal of Intelligent and Robotic Systems, vol. 44, no. 1, pp. 25-46, 2005. 

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  5. S. Jeong and T. Takahasi, "Wheeled inverted pendulum type assistant robot: design concept and mobile control," Intelligent Service Robotics, vol 1, no. 4, pp. 313-320, 2008 

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  6. J. Huang, Z.-H. Guan, T. Matsuno, T. Fukuda, and K. Sekiyama, "Sliding-mode velocity control of mobile-wheeled inverted-pendulum systems," IEEE Transactions on Robotics, vol. 26, no. 4, pp. 750-758, 2010 

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  7. S.-H. Lee and S.-Y. Rhee, "Development of a moving platform for a upright running mobile robot based on an inverted pendulum mechanism," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, vol. 22, no. 5, pp. 570-576, 2012 

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  8. H.-H. Min, D.S. Yoo, and Y.-T. Kim, "Fuzzy tracking control based on stereo images for tracking of moving robot," Journal of the Korean Institute of Intelligent Systems, vol. 22, no.2, pp. 198-204, 2012 

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  9. C. Edwards and S. K. Spurgeon, Sliding mode control Theory and Applications, Taylor & Francis, 1998. 

  10. V.I. Utkin and K.-K.D. Young, "Methods for contructing discontinuity planes in multidimensional variable structure systems," Automation and Remote Control, vol. 39, pp.1466-1470, 1978 

  11. D.S. Yoo, "Design of integral sliding mode control for underactuated mechanical systems," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, vol. 23, no.3, pp. 208-213, 2013 

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  12. J.-H. Choi, J.-S. Kim, S. Kim, D.S. Yoo, and K.-H. Kim, "High gain observer-based robust tracking control of LIM for high performance automatic picking system," Journal of the Korean Institute of Intelligent Systems, vol. 25, no.1, pp. 7-14, 2015 

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