[논문]자율주행 밭농업로봇의 로터리 경작을 고려한 모델 기반 제어 연구

송하준; 양견모; 오장석; 송수환; 한종부; 서갑호

doi:10.7746/jkros.2020.15.3.233

자율주행 밭농업로봇의 로터리 경작을 고려한 모델 기반 제어 연구
Study on the Model based Control considering Rotary Tillage of Autonomous Driving Agricultural Robot 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.15 no.3, 2020년, pp.233 - 239

송하준 (KETI) , 양견모 (KIRO) , 오장석 (KIRO) , 송수환 (KIRO) , 한종부 (KRISO) , 서갑호 (KIRO)

Abstract ▼ AI-Helper

The aims of this paper is to develop a modular agricultural robot and its autonomous driving algorithm that can be used in field farming. Actually, it is difficult to develop a controller for autonomous agricultural robot that transforming their dynamic characteristics by installation of machine modules. So we develop for the model based control algorithm of rotary machine connected to agricultural robot. Autonomous control algorithm of agricultural robot consists of the path control, velocity control, orientation control. To verify the developed algorithm, we used to analytical techniques that have the advantage of reducing development time and risks. The model is formulated based on the multibody dynamics methods for high accuracy. Their model parameters get from the design parameter and real constructed data. Then we developed the co-simulation that is combined between the multibody dynamics model and control model using the ADAMS and Matlab simulink programs. Using the developed model, we carried out various dynamics simulation in the several rotation speed of blades.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 로터리 작업기의 동적 특성을 고려한 모델 기반 제어기 개발을 위하여 이동형 플랫폼의 3차원 다물체 동역학 기법을 이용하여 개발되었고, 로터리작업기와 노면의 접촉에 의한 동적 특성 모델을 개발하여 이동형 로봇의 동역학 모델에 포함시켰다. 모델에 기반한 자율주행 제어기는 연성해석(Co-simulation) 기법을 통하여 검증되었다.
논 농사에 활용되는 자율주행 트랙터^[5,6]와 밭농업에 활용되는 지능형 농업 로봇^[7,8]이 대표적인 예이다. 본 논문에서는 이 중에서도 밭농업의 다양한 작업을 할 수 있는 모듈형 밭농업 로봇의 자율 주행에 관련한 내용을 다루고자 한다.
본 연구를 통해서 로터리작업기가 부착된 밭농업로봇 자율주행제어 알고리즘의 모델 기반 제어기를 개발하고, 이를 검증할 수 있는 연성해석모델을 개발하였다. 또한 로터리 작업기의 속도를 변화시켜 가면서 밭농업 로봇의 동적 특성을 분석하고, 제어에 의한 제어 가능성을 확인하였다.

가설 설정

는 로터리작업기에 의해서 발생되는 외란을 의미한다. 로터리 작업기는 독립적으로 구동되며, 블레이드의 회전속도는 제어 범주가 아니다. 여기서는 블레이드의 회전속도에 따른 종방향 반력을 추정하였다.

제안 방법

본 연구를 통해서 로터리작업기가 부착된 밭농업로봇 자율주행제어 알고리즘의 모델 기반 제어기를 개발하고, 이를 검증할 수 있는 연성해석모델을 개발하였다. 또한 로터리 작업기의 속도를 변화시켜 가면서 밭농업 로봇의 동적 특성을 분석하고, 제어에 의한 제어 가능성을 확인하였다. 해석결과 로터리의 회전속도와는 제어 영향이 없음을 확인하였다.
본 논문에서는 차체의 회전 방향(yaw)에 대한 오차 보정을 위하여 제어 모멘트를 추정하고 그 값을 제어하기 위한 종방향 및 횡방향 타이어력을 계산하는 방식을 채택하였다^[13,14]. [Fig.
앞서 개발된 속도제어/자세제어/모멘트제어를 포함하는 자율주행제어 알고리즘을 다양한 해석 기반의 검증을 수행하였다. 이를 위하여 앞서 설명된 로터리 작업기가 연결된 밭농업 로봇의 3차원 다물체 동역학 모델과 자율주행제어 알고리즘을 연성하는 [Fig.
이 해석에서는 다물체 동역학 모델은 ADAMS 내에 포함된 HHT (Hilber-Hughes-Taylor)^[15] 적분기를 선정하여 수치적으로 안정된 해를 도출시키도록 하였고, Matlab 환경에서는 로터리의 회전속도에 대한 제어기 성능평가를 위한 인터페이스 부분을 개발하였다. 여기서, ADAMS의 입력으로 구동모터, 자세제어모터, 조향 모터 및 로터리 회전 속도가 입력되고, ADAMS의 출력으로는 차체의 병진 방향 위치, 속도, 회전 방향의 롤 각, 피치 각, 요 각, 롤 각속도, 피치 각속도, 요 각속도을 출력한다.
이번 절에서는 일반 평지노면에서의 직진주행해석을통하여 로터리 작업기의 회전 속도에 대한 직진 및 속도 추종성에 대해서 검토 하였다. 해석조건에는 블레이드의 회전속도를 50 rad/s와 100 rad/s 로 구동시키며, 주행해석을 수행하였다.
이번 절에서는 정현파 함수로 생성된 굴곡노면에 대한 직진주행해석을 통하여 로터리 작업기의 회전 속도에 대한 직진및 속도 추종성에 대해서 검토 하였다. 이대 사용된 범프는 0.

이론/모형

본 논문에서는 로터리 작업기의 동적 특성을 고려한 모델 기반 제어기 개발을 위하여 이동형 플랫폼의 3차원 다물체 동역학 기법을 이용하여 개발되었고, 로터리작업기와 노면의 접촉에 의한 동적 특성 모델을 개발하여 이동형 로봇의 동역학 모델에 포함시켰다. 모델에 기반한 자율주행 제어기는 연성해석(Co-simulation) 기법을 통하여 검증되었다.

성능/효과

또한 로터리 작업기의 속도를 변화시켜 가면서 밭농업 로봇의 동적 특성을 분석하고, 제어에 의한 제어 가능성을 확인하였다. 해석결과 로터리의 회전속도와는 제어 영향이 없음을 확인하였다. 이는 회전날의 좌우 균형과 시스템의 무게중심위치와 거의 유사하도록 설계되어 로봇의 외란 모멘트를 크게 증가시키지 않았음을 알 수 있었다.

후속연구

본 논문의 결과를 통해서 사전에 개발된 로봇의 동적 특성을 이해하고, 제어기 검증을 수행함으로써 개발 시간을 단축을 기대하고 있다. 또한 본 논문에서 제안된 해석 기법을 이용하여 이후 토양의 영향에 따른 제어기 평가 및 제어기 향상 연구에 활용이 가능하다.
추후, 개발된 제어기를 탑재한 실제 환경에서의 실험을 수행하고 비교할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	한국에서 농촌 인력의 고령화 및 여성화로 인해 어떤 로봇에 관심이 높아지고 있는가?	최근에 농업의 자동화 및 무인화에 대한 연구가 활발하게 수행되고 있으며[1-4], 특히 한국에서는 농촌 인력의 고령화 및 여성화로 인한 지능형 농업 로봇에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다. 논 농사에 활용되는 자율주행 트랙터[5,6]와 밭농업에 활용되는 지능형 농업 로봇[7,8]이 대표적인 예이다.
	밭농업 로봇의 하면에 위치한 로터리작업기 성능을 확보하기 위해 어떤 것이 필요한가?	밭농업 로봇의 하면에 위치한 로터리작업기 성능을 확보하기위하여 일정한 속도로 이동해야하는 것뿐만 아니라 차체의 일정한 자세 유지가 필요하다. 이를 위하여 차체 모서리에 수직으로 이동하는 상승판이 위치하고 있고, 모터 제어를 통하여 차체와 서스펜션암 사이의 로컬 위치 값을 조절해준다.
	모듈형 자율주행 밭농업로봇의 특징은 무엇인가?	전체 구성은 차체와 상승판, 조향암, 서스펜션암, 구동휠로 구성되어 있고, 추가로 로터리작업기가 연결되어 있다. 이 로봇의 특징은 4개의 독립구동형 주행 휠과 조향 휠이 각각 차체와 서스펜션암에 연결되어 있다. 또한 차체의 자세를 일정하게 유지시키기 위하여 각 모서리 수직방향 위치한 상승판을 제어하는 자세제어모터가 연결되어 총 12개의 구동기가 연결되어 있다. 이때, 이동형 플렛폼의 총 크기는 전장 1850 mm, 전폭 1725 mm, 전고 1100 mm이고, 일반 동작 속도 1 m/s 로 제작되었다.

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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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