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문제 정의
- 본 논문에서는 회전관성 추정을 이용한 슬라이딩모드 제어 기반 굴삭기의 적응형 안전제어 알고리즘 개발에 관한 것이다. 굴삭기의 회전관성을 순환최소 자승 기법을 이용하여 추정하였고, 추정된 회전관성은 적응형 슬라이딩 모드 제어 입력 결정하기 위해 사용되었다.
- 본 연구에서는 굴삭기와 작업자를 포함하는 주변의 위험 물체와의 충돌에 의한 치명적 사고를 예방할 수 있는 적응형 안전제어 알고리즘을 제안한다. 또한, K.
제안 방법
- 2) 그리고 Y. Cho는 모델기반 automatic dynamic object recognition 방법을 제안하였고, 3차원 공간에서 작업자가 신속히 동적물체를 인지할 수 있도록 projection – recognition – projection(PRP) 기법을 제안하였다.
- 5.5톤 급 굴삭기의 제원을 사용하였으며 작업 상황에서 해석적으로 도출된 회전관성의 값을 이용하여 추정된 회전관성과 비교하였다. 굴삭기가 회전하는 동안 재료를 내려놓기 위해 작업장치의 자세를 변화시키며 본 과정에서 회전관성의 값은 크게 변한다.
- 7) 추정성능 확보를 위해 공칭 댐핑과 해석적으로 도출된 굴삭기 작업자세에 따른 회전관성 기반 추정 초기값이 적용되었다. 참고문헌 7) 에서는 모델 기반 선형예측을 통해 제어입력 시점을 결정하였지만 본 연구에서는 비선형 제어 알고리즘인 슬라이딩 모드 제어 기법을 이용하여 보다 합리적인 제어시점 결정 및 고도화된 안전제어 알고리즘을 제안한다.
- 개발된 적응형 제어 알고리즘은 실제 작업조건 하에서 물체와의 충돌회피 시나리오 기반 성능이 평가되었다. 개발된 적응형 안전제어 알고리즘은 MATLAB / Simulink 환경에서 구성되었다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
- 하지만 포인트 3은 안정적으로 x1과 x2를 0으로 수렴시킬 수 있었다. 그러므로 본 연구에서는 포인트 3과 같은 조건으로 x1과 x2를 0으로 수렴시킬 수 있는 Emergency braking line을 이론적으로 도출하여 긴급정지가 필요한 조건으로 정의하였다. Emergency braking line을 도출하기 위한 조건은 아래 수식과 같다.
- 본 연구에서는 굴삭기와 작업자를 포함하는 주변의 위험 물체와의 충돌에 의한 치명적 사고를 예방할 수 있는 적응형 안전제어 알고리즘을 제안한다. 또한, K. Oh는 굴삭기의 작업 위험도를 합리적으로 평가하기 위해 레이저 스캐너 기반 확률 및 예견 안전도 평가 알고리즘을 제안하였다.5) 회전관성 추정을 기반으로 적응형 제어전략을 수립하였으며 슬라이딩모드 제어 알고리즘을 사용하였다.
- 굴삭기와 물체의 충돌방지 작업을 위해 회전하는 동안의 안전도 평가에 따른 제어전략이 필요하다. 본연구에서는 슬라이딩 모드 제어를 위해 정의된 상태변수를 이용하여 안전영역과 긴급정지가 필요한 영역을 구분하고, 긴급정지 영역에서는 수식. (19)에서정의된 제어입력을 이용하여 충돌을 회피하는 제어전략을 적용하였다.
- 슬라이딩 모드 제어 기법을 적용하기 위해 변수(σ)를 이용하여 슬라이딩 표면을 정의하였다.
- 회전관성 추정은 다중 망각인자 기반 순환최소자승 기법을 적용하였다. 슬라이딩 모드 제어 알고리즘을 기반으로 위상궤적 해석을 수행하였고, 위상 궤적을 이용하여 작업안전도를 안전, 경고 그리고 긴급제동 총 3가지로 구분하였다. 개발된 적응형 제어 알고리즘은 실제 작업조건 하에서 물체와의 충돌회피 시나리오 기반 성능이 평가되었다.
- 그리고 설계된 적응규칙의 적용을 통해 회전관성 추정에 따른 L 값의 최대값을 실시간으로 적응시킴으로써 제어입력의 크기가 합리적으로 결정되었음을 확인할 수 있었다. 안전제어 알고리즘은 긴급정지 시 모든 작업장치가 정지되고 마지막 추정된 회전관성 값을 이용하여 슬라이딩 모드제어 입력 결정하였다.
- 임의의 시간 t 에 대해 위 두 수식을 만족하는 x1과 x2를 도출하면 0 으로 수렴시킬 수 있는 Emergency braking line을 이론적으로 도출하였으며 도출된 line을 물체와의 충돌회피 기준으로 정의하였다. 그리고 현실적인 적용을 위해 안전시스템에 존재할 수 있는 불확실성(센서의 잡음 및 시스템의 불확실성)을 고려하여 Safety margin(C margin)을 적용할 수 있도록 도출된 line의 x1을 아래와 같이 정의하였다.
- 굴삭기의 회전관성을 순환최소 자승 기법을 이용하여 추정하였고, 추정된 회전관성은 적응형 슬라이딩 모드 제어 입력 결정하기 위해 사용되었다. 정의된 적응형 슬라이딩 모드 제어의 위상 궤적 해석을 기반으로 굴삭기의 작업안전도를 긴급정지 상태와 안전상태로 구분하였다. 위상 평면에서 이론적으로 도출된 긴급정지를 위한 경계선은 실안전제어 알고리즘 적용을 위해 시스템의 불확실성을 고려하는 Safety margin이 반영되어 도출되었다.
- 7) 추정성능 확보를 위해 공칭 댐핑과 해석적으로 도출된 굴삭기 작업자세에 따른 회전관성 기반 추정 초기값이 적용되었다. 참고문헌 7) 에서는 모델 기반 선형예측을 통해 제어입력 시점을 결정하였지만 본 연구에서는 비선형 제어 알고리즘인 슬라이딩 모드 제어 기법을 이용하여 보다 합리적인 제어시점 결정 및 고도화된 안전제어 알고리즘을 제안한다. 회전관성을 이용하여 추정된 굴삭기의 회전관성(θ1)은 오차에 의한 제어 성능저하를 최소화하기 위해 재귀평균기법을 이용하여 평균값을 도출하였고, 안전제어 알고리즘에 사용되었다.
- 추정된 회전관성과 추정오차 그리고 굴삭기 최대회전 속도값을 이용하여 수식. (16)의 최대 경계값 L 기반 시변하는 적응 규칙을 정의하였다.
- 표준편차와 재귀 평균값은 수식 (20) 적응규칙에 적용되었다. 충돌회피를 위한 안전제어 알고리즘의 성능평가를 위해 굴삭기 주변 가상의 물체를 정의하고 실 작업조건 하에서 충돌회피 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
이론/모형
- Oh는 굴삭기의 작업 위험도를 합리적으로 평가하기 위해 레이저 스캐너 기반 확률 및 예견 안전도 평가 알고리즘을 제안하였다.5) 회전관성 추정을 기반으로 적응형 제어전략을 수립하였으며 슬라이딩모드 제어 알고리즘을 사용하였다. 회전관성 추정은 다중 망각인자 기반 순환최소자승 기법을 적용하였다.
- 본 연구에서는 굴삭기의 안전제어 알고리즘 개발을 위해 회전관성 추정을 통한 적응형 슬라이딩 모드 제어 기법을 적용하였다. 굴삭기의 회전관성 추정을 위해 망각인자 기반 순환최소자승 알고리즘을 이용하였다.
- 굴삭기의 회전관성 추정을 위해 적용된 다중 망각인자 기반 순환최소자승 알고리즘은 굴삭기의 회전속도 정보를 이용하며 굴삭기의 회전 동역학 모델을 이용한다.
- 본 논문에서는 회전관성 추정을 이용한 슬라이딩모드 제어 기반 굴삭기의 적응형 안전제어 알고리즘 개발에 관한 것이다. 굴삭기의 회전관성을 순환최소 자승 기법을 이용하여 추정하였고, 추정된 회전관성은 적응형 슬라이딩 모드 제어 입력 결정하기 위해 사용되었다. 정의된 적응형 슬라이딩 모드 제어의 위상 궤적 해석을 기반으로 굴삭기의 작업안전도를 긴급정지 상태와 안전상태로 구분하였다.
- 본 연구에서는 굴삭기의 안전제어 알고리즘 개발을 위해 회전관성 추정을 통한 적응형 슬라이딩 모드 제어 기법을 적용하였다. 굴삭기의 회전관성 추정을 위해 망각인자 기반 순환최소자승 알고리즘을 이용하였다.
- 수식 (2)에서 사용된 굴삭기의 회전 각속도 및 각가속도는 선형 칼만 필터를 이용하여 추정하였으며, 순환최소자승 알고리즘의 추정성능을 향상시키기 위해 갱신규칙을 적용하였다.7) 추정성능 확보를 위해 공칭 댐핑과 해석적으로 도출된 굴삭기 작업자세에 따른 회전관성 기반 추정 초기값이 적용되었다.
- 의 근사적 수렴은 σ값이 0 으로 수렴되면서 가능해진다. 유한시간 내 수렴을 위해 Lyapunov candidate 조건이 적용되었다.
- 적응형 안전제어 알고리즘을 구성하기 위해 굴삭기의 회전 동역학 모델을 이용하여 슬라이딩 모드제어 기법을 적용하였다. 제어 알고리즘의 설계를 위해 정의된 상태변수는 Fig.
- 99 %의 값을 갖는다. 표준편차와 재귀 평균값은 수식 (20) 적응규칙에 적용되었다. 충돌회피를 위한 안전제어 알고리즘의 성능평가를 위해 굴삭기 주변 가상의 물체를 정의하고 실 작업조건 하에서 충돌회피 시뮬레이션을 수행하였다.
- 5) 회전관성 추정을 기반으로 적응형 제어전략을 수립하였으며 슬라이딩모드 제어 알고리즘을 사용하였다. 회전관성 추정은 다중 망각인자 기반 순환최소자승 기법을 적용하였다. 슬라이딩 모드 제어 알고리즘을 기반으로 위상궤적 해석을 수행하였고, 위상 궤적을 이용하여 작업안전도를 안전, 경고 그리고 긴급제동 총 3가지로 구분하였다.
- 회전관성을 이용하여 추정된 굴삭기의 회전관성(θ1)은 오차에 의한 제어 성능저하를 최소화하기 위해 재귀평균기법을 이용하여 평균값을 도출하였고, 안전제어 알고리즘에 사용되었다.
성능/효과
- 슬라이딩 모드 제어 알고리즘을 기반으로 위상궤적 해석을 수행하였고, 위상 궤적을 이용하여 작업안전도를 안전, 경고 그리고 긴급제동 총 3가지로 구분하였다. 개발된 적응형 제어 알고리즘은 실제 작업조건 하에서 물체와의 충돌회피 시나리오 기반 성능이 평가되었다. 개발된 적응형 안전제어 알고리즘은 MATLAB / Simulink 환경에서 구성되었다.
- 6와 7의 결과는 제안된 안전제어 알고리즘이 슬라이딩 모드 제어를 기반으로 작업안전도를 합리적으로 평가하고 충돌회피를 위한 제어입력을 인가할 수 있음을 보여준다. 그리고 설계된 적응규칙의 적용을 통해 회전관성 추정에 따른 L 값의 최대값을 실시간으로 적응시킴으로써 제어입력의 크기가 합리적으로 결정되었음을 확인할 수 있었다. 안전제어 알고리즘은 긴급정지 시 모든 작업장치가 정지되고 마지막 추정된 회전관성 값을 이용하여 슬라이딩 모드제어 입력 결정하였다.
- 위상 평면에서 이론적으로 도출된 긴급정지를 위한 경계선은 실안전제어 알고리즘 적용을 위해 시스템의 불확실성을 고려하는 Safety margin이 반영되어 도출되었다. 실 작업 시나리오를 이용하여 알고리즘의 성능이 평가되었으며, 평가결과 물체와의 충돌을 합리적으로 예방하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 실제 적용을 위해 제어입력의 물리적 한계를 고려하고, 진동을 최소화할 수 있는 알고리즘의 고도화가 필요할 것이다.
후속연구
- 하지만 실제 적용을 위해 제어입력의 물리적 한계를 고려하고, 진동을 최소화할 수 있는 알고리즘의 고도화가 필요할 것이다. 제안된 안전제어 알고리즘은 향후 주변물체의 인지를 위한 적절한 탐지용 센서와 함께 실제 굴삭기에 적용되어 충돌에 의한 치명적 사고를 효율적으로 줄일 수 있을 것이라 기대한다.
- 실 작업 시나리오를 이용하여 알고리즘의 성능이 평가되었으며, 평가결과 물체와의 충돌을 합리적으로 예방하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 실제 적용을 위해 제어입력의 물리적 한계를 고려하고, 진동을 최소화할 수 있는 알고리즘의 고도화가 필요할 것이다. 제안된 안전제어 알고리즘은 향후 주변물체의 인지를 위한 적절한 탐지용 센서와 함께 실제 굴삭기에 적용되어 충돌에 의한 치명적 사고를 효율적으로 줄일 수 있을 것이라 기대한다.
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