[논문]한 바퀴 밸런싱 로봇의 조향 안정화를 위한 외란관측기 설계 및 실험 연구

이상덕; 정슬

doi:10.5302/j.icros.2016.16.0008

한 바퀴 밸런싱 로봇의 조향 안정화를 위한 외란관측기 설계 및 실험 연구
Experimental Study and Design of a Disturbance Observer for Steering Stabilization of a One-wheeled Balancing Robot 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.22 no.5, 2016년, pp.353 - 360

이상덕 (충남대학교 메카트로닉스공학과) , 정슬 (충남대학교 메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a DOB (disturbance observer) is designed for the steering stabilization of one-wheeled balancing robot. Based on the simple stick model of the single-wheeled robot, DOBs and the corresponding Q filters are designed. Although the proposed models are simple, DOBs are desired to deal with model uncertainties for the enhanced balancing performance. Experimental studies of two different cases of Q filter design are conducted to evaluate the performances of DOBs. Their performances are compared through balancing control experiments.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 DOB 기반의 PD 제어 방법을 제안한다. 제안하는 제어기의 구조는 그림 13과 같다.
본 논문에서는 한 바퀴 로봇의 균형제어를 하기 위한 조향의 안정성을 향상시키기 위해 외란관측기 기반의 제어방법을 제안하였다. 논문에서 제시한 로봇은 조향에 대한 직접적인 구동기가 없는 상태이기 때문에 조향의 모션을 안정화시킬 수 있는 방법으로 외란관측기를 이용한 모델의 불확정성 보상 방법을 제안하였다.

제안 방법

검증의 방법으로 외란관측기 장착 유무에 따른 조향의 변화를 비교한다.
제안하는 제어기의 구조는 그림 13과 같다. 그 성능을 검증하는 방법으로 먼저 DOB가 없는 PD 제어의 성능을 비교한 다음 1차 공칭 모델과 2차 공칭 모델에 따른 DOB 기반의 제어 성능을 비교 검증한다.
제안하였다. 논문에서 제시한 로봇은 조향에 대한 직접적인 구동기가 없는 상태이기 때문에 조향의 모션을 안정화시킬 수 있는 방법으로 외란관측기를 이용한 모델의 불확정성 보상 방법을 제안하였다. 먼저 상대차수가 1차인 모델에서 Q 필터를 설계하고 필터의 특성과 필터에 의한 공칭 모델의 특성을 확인하였다.
먼저 상대차수가 1차인 모델에서 Q 필터를 설계하고 필터의 특성과 필터에 의한 공칭 모델의 특성을 확인하였다. 다음으로 상대차수가 2차인 모델을 사용했을 때의 Q 필터와 공칭 모델의 특성을 확인하였다. 설계된 외란관측기는 DSP에 탑재되었고 실험을 통해서 성능을 검증하였다.
다음으로 첫 번째 동적 모델로부터 DOB를 설계하고 두 번째 동적 모델로부터 또 하나의 DOB를 설계한다. 다음으로 설계된 DOB들을 실제 시스템에 탑재한 다음 균형제어 성능을 실험을 통해 검증한다.
먼저 시스템의 특징을 소개하고 시스템의 균형제어를 표현하는 2개의 동적 모델을 제안한다. 다음으로 첫 번째 동적 모델로부터 DOB를 설계하고 두 번째 동적 모델로부터 또 하나의 DOB를 설계한다. 다음으로 설계된 DOB들을 실제 시스템에 탑재한 다음 균형제어 성능을 실험을 통해 검증한다.
다음으로 첫 번째 제시했던 상대차수가 1인 플랜트 모델이 적용되었을 때의 실험 결과를 바탕으로 제시한 외란관측기의 효과를 검증한다. 제안하는 제어기가 탑재된 실험결과는 그림 15과 같다.
위와 같은 현상이 발생하는 원인은 모델의 불확실성으로 인한 것이다. 따라서 이 문제를 해결하기 위해 외란관측기를 사용한다. 외란관측기는 앞서 언급했던 것처럼 외부로부터 유입되는 외란이나 내부 모델의 불일치로 인한 문제점이나 모두 외란으로 취급하는 특징을 갖고 있고 Q필터의 특징에 따라 플랜트의 모델을 추종하는 성격을 갖고 있다.
논문에서 제시한 로봇은 조향에 대한 직접적인 구동기가 없는 상태이기 때문에 조향의 모션을 안정화시킬 수 있는 방법으로 외란관측기를 이용한 모델의 불확정성 보상 방법을 제안하였다. 먼저 상대차수가 1차인 모델에서 Q 필터를 설계하고 필터의 특성과 필터에 의한 공칭 모델의 특성을 확인하였다. 다음으로 상대차수가 2차인 모델을 사용했을 때의 Q 필터와 공칭 모델의 특성을 확인하였다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 먼저 시스템의 특징을 소개하고 시스템의 균형제어를 표현하는 2개의 동적 모델을 제안한다. 다음으로 첫 번째 동적 모델로부터 DOB를 설계하고 두 번째 동적 모델로부터 또 하나의 DOB를 설계한다.
다음으로 상대차수가 2차인 모델을 사용했을 때의 Q 필터와 공칭 모델의 특성을 확인하였다. 설계된 외란관측기는 DSP에 탑재되었고 실험을 통해서 성능을 검증하였다. 외란관측기를 사용하지 않았을 때와 설계된 두 개의 관측기가 각각 탑재되었을 때 시스템의 성능을 각 각 로봇의 균형제어 성능과 요잉 제어 성능을 비교하여 제시하였다.
설계된 외란관측기는 DSP에 탑재되었고 실험을 통해서 성능을 검증하였다. 외란관측기를 사용하지 않았을 때와 설계된 두 개의 관측기가 각각 탑재되었을 때 시스템의 성능을 각 각 로봇의 균형제어 성능과 요잉 제어 성능을 비교하여 제시하였다. 실험 결과 외란관측기를 탑재함으로 인해 요잉 모션이 한쪽 방향으로 회전하는 문제점이 개선될 수 있음을 확인할 수 있었고 공칭 모델과 Q 필터가 보다 상세하게 설계될수록 그 성능이 향상될 수 있음을 확인할 수 있었다.
제안된 첫 번째 모델은 로봇의 균형제어에 해당하는 롤링 모션만이 고려된 형태이고 두 번째 모델은 롤링 모션과 함께 생성되어지는 피칭 모션이 고려된 형태이다. 하지만, 두 모델에서 요잉 모션에 대해서는 고려가 되어 있지 못한 문제가 발생하게 된다.

대상 데이터

외란관측기의 장착 여부에 따른 조향의 변화를 관측하기 위해서 추가적인 센서를 장착하였고 로봇 내부 상태는 DSP에서 RS232C 통신을 통해 PC에서 수집한다. 검증의 방법으로 외란관측기 장착 유무에 따른 조향의 변화를 비교한다.
실험을 위한 환경은 그림 12와 같다. 한 바퀴 로봇은 TMS320F28335 DSP를 제어 프로그램용 소자로 사용하고 있고 플라이휠의 회전 모터와 김벌 모터는 시리얼 통신 기반의 2축 드라이버를 통해서 제어가 된다. 또한 로봇의 자세는 AHRS 센서를 통해서 DSP에 피드백 된다.

성능/효과

(b)의 조향에 해당하는 요잉 방향의 모션에서는 약 100도 정도의 변화가 발생함을 보여준다.
실험 결과 외란관측기를 탑재함으로 인해 요잉 모션이 한쪽 방향으로 회전하는 문제점이 개선될 수 있음을 확인할 수 있었고 공칭 모델과 Q 필터가 보다 상세하게 설계될수록 그 성능이 향상될 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 실험에서 선정한 시정수 값에서 볼 때 2차 시스템 모델 기반 Q필터는 고주파 잡음에 상대적으로 탁월하게 강한 면을 보였음을 알 수가 있고 1차 시스템모델 기반 Q필터의 경우 저주파 외란 억제 능력이 다소 우수하다고 정리할 수가 있다.
외란관측기를 사용하지 않았을 때와 설계된 두 개의 관측기가 각각 탑재되었을 때 시스템의 성능을 각 각 로봇의 균형제어 성능과 요잉 제어 성능을 비교하여 제시하였다. 실험 결과 외란관측기를 탑재함으로 인해 요잉 모션이 한쪽 방향으로 회전하는 문제점이 개선될 수 있음을 확인할 수 있었고 공칭 모델과 Q 필터가 보다 상세하게 설계될수록 그 성능이 향상될 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 실험에서 선정한 시정수 값에서 볼 때 2차 시스템 모델 기반 Q필터는 고주파 잡음에 상대적으로 탁월하게 강한 면을 보였음을 알 수가 있고 1차 시스템모델 기반 Q필터의 경우 저주파 외란 억제 능력이 다소 우수하다고 정리할 수가 있다.

참고문헌 (29)

F. A. Frederick, "Scaled control moment gyroscope dynamics effects on performance," Acta Astronautica, vol. 110, pp. 77-88, 2015.

상세보기
B. Han, S. Zheng, and Z. Wang, "Design, modeling, fabrication, and test of a large-scale single-gimbal magnetically suspended control moment gyro," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 12, pp. 7424-7435, 2015.

상세보기
V. J. Lappas, W. H. Steyn, and C. I. Underwood, "Attitude control for small satellites using control moment gyros," Acta Astronautica, vol. 51, no. 1, pp. 101-111, 2002.

상세보기
Z. Ismail and R. Varatharajoo, "A study of reaction wheel configurations for a 3-axis satellite attitude control," Advances in Space Research, vol. 45, no. 6, pp. 750-759, 2010.

상세보기
B. Xiao, M. Huo, X. Yang, and Y. Zhang, "Fault-tolerant attitude stabilization for satellites without rate sensor," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 11, pp. 7191-7202, 2015.

상세보기
E. Mumm, K. Davis, M. Mahin, and D. Neal, "Miniature control moment gyroscope development," IEEE Aerospace Conference, pp. 1-9, 2014.
S. D. Lee and S. Jung, "Analysis of relationship between body and gimbal motion through experiment of a single-wheel robot based on an inverse gyroscopic effect," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 21, no. 11, pp. 1064-1069, 2015.

원문보기 상세보기
S. D. Lee and S. Jung, "Experimental verification of stability region of balancing a single-wheel robot: an inverted stick model approach," Proc. of IECON 2015 41th Annual Conference of the IEEE, Yokohama, Japan, pp. 4556-4561, 2015.
H. Jin, J. Hwang, and J. Lee, "A balancing control strategy for a one wheel pendulum robot based on dynamic model decomposition: Simulations and experiments," IEEE/ASME Trans. on Mechatronics, vol. 16, no. 4, pp. 763-768, 2011.

상세보기
J. Lee, S. Han, and J. Lee, "Decoupled dynamic control for pitch and roll axes of the unicycle robot," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 60, no. 9, pp. 3814-3822, 2013.
J. H. Lee and H. J. Shin, and S. Jung, "Balancing control of a unicycle robot using ducted fans," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 20, no. 9, pp. 895-899, 2014.

원문보기 상세보기
K. J. Astrom and B. Wittenmark, Adaptive Control, Courier Corporation, 2013.
A. E. Bryson, Applied Optimal Control: Optimization, Estimation and Control, CRC Press., 1975.
G. Hostetter and J. Meditch, "On the generalization of observers to systems with unmeasurable, unknown inputs," Automatica, vol. 9, no. 6, pp. 721-724, 1973.

상세보기
E. Schrijver and J. V. Dijk, "Disturbance observers for rigid mechanical systems: equivalence, stability, and design," Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 124, no. 4, pp. 539-548, 2002.

상세보기
D. Xing, J. Su, Y. Liu, and J. Zhong, "Robust approach for humanoid joint control based on a disturbance observer," IET Control Theory Application, vol. 5, no. 14, pp. 1630-1636, 2011.

상세보기
X. Chen, S. Komada, and T. Fukuda, "Design of a nonlinear disturbance observer," IEEE Trans. Industrial Electronics, vol. 47, no. 2, pp. 429-437, 2000.

상세보기
M. Ruderman, "Tracking control of motor drives using feedforward friction observer," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 61, no. 7, pp. 3727-3735, 2014.

상세보기
M. Ruderman and M. Iwasaki, "Observer of nonlinear friction dynamics for motion control," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 9, pp. 5941-5949, 2015.

상세보기
S. Jung, "An impedance force control approach to a quad-rotor system based on an acceleration-based disturbance observer," Journal of Intelligent Robot System, vol. 73, no. 1, pp. 175-185, 2014.

상세보기
T. Murakami, F. Yu, and K. Ohnishi, "Torque sensorless control in multidegree-of-freedom manipulator," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 40, no. 2, pp. 259-265, 1993.

상세보기
E. Sariyildiz and K. Ohnishi, "On the explicit robust force control via disturbance observer," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 62, no. 3, pp. 1581-1589, 2015.

상세보기
S. Katsura, Y. Matsumoto, and K. Ohnishi, "Modeling of force sensing and validation of disturbance observer for force control," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 54, no. 1, pp. 530-538, 2007.

상세보기
Y. Ohba K. Ohishi, S. Katsura, Y. Yoshizawa, and K. Majima, "Sensorless force control for injection molding machine using reaction torque observer considering torsion phenomenon," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 56, no. 8, pp. 2955-2960, 2009.

상세보기
S. B. Cardini, "A history of the monocycle-stability and control from inside the wheel," IEEE Control Systems Magazine, vol. 26, no. 5, pp. 22-26, 2006.

상세보기
L. Morine, T. O'Connor, J. Carnazza, H. Varner, and D. Pool, "Control moment gyroscope gimbal actuator study," The Bendix Corporation EclUpse-Pioneer Divisirn Teterboro, New Jersej, 1966.
E. Mumm, K. Davis, M. Mahin, and D. Neal, "Miniature control moment gyroscope development," IEEE Aerospace Conference, pp. 1-9, 2014.
S. P. Bhat and P. K. Tiwari, "Controllability of spacecraft attitude using control moment gyroscopes," IEEE Trans. on Automatic Control, vol. 54, no. 3, pp. 585-590, 2009.

상세보기
C. J. Kempf and S. Kobayashi, "Disturbance observer and feedforward design for a high-speed direct-drive positioning table," IEEE Trans. on Control System Technology, vol. 7, no. 5, pp. 513-526, 1999.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증