[논문]이륜 밸런싱 로봇에 대한 비선형 모델 기반 외란보상 기법

유재림; 김용국; 권상주

doi:10.5302/j.icros.2016.16.0123

이륜 밸런싱 로봇에 대한 비선형 모델 기반 외란보상 기법
Nonlinear Model-Based Disturbance Compensation for a Two-Wheeled Balancing Mobile Robot 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.22 no.10, 2016년, pp.826 - 832

유재림 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) , 김용국 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) , 권상주 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A two-wheeled balancing mobile robot (TWBMR) has the characteristics of both nonlinear and underactuated system. In this paper, the disturbances acting on a TWBMR are classified into body disturbance and wheel disturbance. Additionally, we describe a nonlinear disturbance observer, which is suitable as a single input multi-output (SIMO) system for the longitudinal motion of TWBMR. Finally, we propose a reasonable disturbance compensation technique that combines the indirect reference input of equilibrium point and the direct torque compensation input. Simulations and experimental results show that the proposed disturbance compensation method is an effective way to achieve robust postural stability, specifically on inclined terrains.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이륜 밸런싱 로봇은 강한 비선형성을 갖는 SIMO 시스템 으로써 SISO 시스템에 대한 일반적인 외란 관측기 개념을 적용하는 것은 적절하지 않다. 본 논문에서는 부족구동 시스템 특성을 갖는 밸런싱 로봇에 대하여 주행 중에 작용하는 외란을 차체외란과 바퀴외란으로 구분하고 비선형 동적 모델에 기반한 외란보상 기법을 제안하였다. 또한 밸런싱 로봇은 Acrobot의 입력 커플링 특성을 가지므로 직접적인 외란 보상 입력만을 적용하면 오히려 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
그러나 기존의 외란 관측기들은 이러한 시스템 특성을 고려하지 않았으며 선형 모델에 기반하여 제어기를 설계하였기 때문에 로봇의 기동성이 증가할수록 외란 보상 효과는 크게 감소하게 된다. 본 논문에서는 입력 커플링 효과가 고려된 비선형 모델을 이용한 외란 관측기 설계 기법을 개발함으로써 기존 방법들의 단점을 극복한다.
그러나 임의의 외란이 작용하는 경우에 외란의 크기에 따라 변화하는 피치각 평형점을 이용함으로써 보다 안정적인 자세제어가 가능하다. 본 절에서는 외란 관측기에서 산출되는 외란 추정치를 이용하여 실시간으로 피치각 평형점을 계산하고 제어 루프의 기준입력으로 인가함으로써 로봇에 가해지는 외란을 효과적으로 제거할 수 있는 피치 평형점 보상기법을 제안한다.
본 절에서는 차체 외란에 의한 피치 외란각 변화 및 바퀴 외란에 의한 경사각 효과를 고려하여 밸런싱 모바일 로봇의 종방향 운동방정식을 기술한다. 먼저 종방향 운동 평면에서 바퀴(X_W, Y_W) 와 차체(X_B, Y_B)의 무게중심을 정의하면,

제안 방법

따라서 본 논문에서는 이륜 밸런싱 로봇에 대한 비선형 운동방정식을 이용하여 차체 외란과 바퀴 외란을 추정한다. 식 (5)~(6)에서 외란이 작용하지 않을 때, 즉 피치 외란각과 경사 각이 영일 때의 공칭 모델은 다음과 같다.
본 절에서는 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안된 비선형 외란 보상기법의 효과를 검증한다. 외란 관측기는 자체적으로 적분제어의 성질을 갖기 때문에[13,14] 외란 관측기를 적용할 경우, 속도 및 피치제어 루프에는 PD 제어기를 적용하는 것만으로 충분하다.
외란 관측기는 자체적으로 적분제어의 성질을 갖기 때문에[13,14] 외란 관측기를 적용할 경우, 속도 및 피치제어 루프에는 PD 제어기를 적용하는 것만으로 충분하다. 성능 평가를 위하여 PID 제어기, 토크 보상 비선형 외란 관측기(그림 4), 피치 평형점 보상과 토크 보상을 조합한 비선형 외란 관측기(그림 6)의 성능을 상호 비교한다.
그림 11은 로봇이 경사각 10 deg의 경사로를 1 m/sec의 속도로 등판하여 말단부 목표점에서 멈추는 실험 결과이다. 속도/자세 제어 루프에 PID 제어기만을 적용한 경우와 PD 제어 루프에 비선형 외란보상 기법을 함께 적용한 경우를 비교한다. 먼저 PID 제어기를 적용한 경우에는 로봇이 목표 속도를 일정하게 추종하지 못하고 중간에서 멈추었다가 적분 게인 효과에 의해 다시 등판을 계속하는 현상을 나타낸다.
앞 절에서 언급한 바와 같이 외란보상 입력이 커플링 현상에 의해 바퀴와 차체 상호간에 추가적인 외란으로 작용하여 외란보상 성능이 저하되는 것을 최소화시키는 방법으로써 그림 6과 같이 비선형 외란 관측기와 외란의 크기에 대응하는 피치 레퍼런스를 조합한 피치 평형점 보상기법을 제안한다. 이 때 휠 구동기에 대한 직접적인 외란보상 입력은 바퀴 외란 추정치(Δτ_Wheel) 만을 적용한다.

대상 데이터

비선형 외란보상 기법의 성능을 검증하기 위하여 이륜 밸런싱 로봇에 대한 실험을 수행하였다. 그림 10은 밸런싱 로봇에 인위적으로 질량을 추가하여 전체 무게중심이 이동하는 차체 외란을 발생시켰을 때 로봇이 제자리에서 밸런싱 자세를 유지하는 실험 결과이다.

성능/효과

또한 밸런싱 로봇은 Acrobot의 입력 커플링 특성을 가지므로 직접적인 외란 보상 입력만을 적용하면 오히려 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 외란 추정치를 이용하여 실시간으로 피치 평형점을 결정하고 자세제어 루프의 기준 명령으로 적용함으로써 외란보상 입력에 의한 커플링 문제를 극복할 수 있음을 보였다. 본 논문에서 제안된 비선형 외란보상 기법을 이륜 밸런싱 타입의 주행기기에 적용하면 주행 성능 및 안정성 개선에 큰 효과가 있을 것으로 기대된다.

후속연구

본 논문에서는 외란 추정치를 이용하여 실시간으로 피치 평형점을 결정하고 자세제어 루프의 기준 명령으로 적용함으로써 외란보상 입력에 의한 커플링 문제를 극복할 수 있음을 보였다. 본 논문에서 제안된 비선형 외란보상 기법을 이륜 밸런싱 타입의 주행기기에 적용하면 주행 성능 및 안정성 개선에 큰 효과가 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이륜 밸런싱 타입의 개인용 주행기기 중 입식과 좌식에는 대표적이로 어떤 것들이 있는가?	이륜 밸런싱 타입의 개인용 주행기기는 크게 입식과 좌식으로 구분할 수 있다. 대표적인 입식 타입의 밸런싱 로봇으로는 Segway [2], BB-Rider [3], PMP [4] 등이 있으며 실내외에 걸친 자유로운 주행성으로 출퇴근용이나 레저용으로 사용되고 있다. Genny [5], Balbot [6], EN-V [7] 등 좌식 타입은 몸이 불편한 장애인들의 이동 수단 또는 도심지 교통 수단으로 활용이 가능하다.
	이륜 밸런싱 모바일 로봇은 무엇인가?	이륜 밸런싱 모바일 로봇은 차체에 평행하게 장착된 두 바퀴의 움직임으로 피치, 요, 전진 방향에 대한 3 자유도 운동을 구현하는 대표적인 부족구동 시스템(underactuated system) 이다[1]. 이륜 밸런싱 로봇은 작은 차체, 두 바퀴 동작을 이용한 선회 기동성 등의 장점을 갖기 때문에 차세대 개인용 주행기기의 플랫폼으로 각광받고 있으며, Segway가 개발된 이후 지금까지 많은 연구와 제품 개발이 이루어지고 있다.
	밸런싱 로봇에 작용하는 외란을 보상하기 위한 방법은 어떻게 분류할 수 있는가?	밸런싱 로봇에 작용하는 외란을 보상하기 위한 방법으로는 구조적 기법, 강인제어 기법, 외란관측 기법으로 분류할 수 있다. 첫째, 구조적 기법은 양 바퀴 외에 추가적인 구동기를 이용하여 외란의 작용 방향에 따라 로봇의 전체 무게중심을 능동적으로 이동시킴으로써 출발 또는 정지 시에 자세제어 안정성을 확보할 수 있다[7,9,10].

참고문헌 (20)

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상세보기
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원문보기 상세보기
H. Jian, G. Zhi-Hong, M. Takayuki, F. Toshio, and S. Kosuke, "Sliding-mode velocity control of mobile-wheeled inverted-pendulum systems," IEEE Transactions on Robotics, vol. 26, no. 4, pp. 750-758, Aug. 2010.

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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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