KR100791081B1 - 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템 - Google Patents

자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템 Download PDF

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KR100791081B1
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윤재무
이장명
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 운반 수단 제어 시스템에서 자이로 센서와 기울기 센서를 이용하여 컨테이너와 같은 이송 물체에 결합되는 운반 수단의 자세를 제어하는 것에 의해 실시간 수평 유지가 가능하도록한 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템에 관한 것으로, 운반 수단에 구성되는 자이로 센서와 기울기 센서의 출력값을 이용하여 물체를 운반시키는 운반수단의 기울임 여부를 감지하여 목표값(KREF)과 실제 기울기의 차이에 의한 오차를 생성하는 기울기 오차 생성부;상기 기울기 오차 생성부로부터 입력받은 정보를 이용하여 오차를 제어하고 균형 출력을 형성하는 제어부;상기 운반 수단의 수평을 유지하기 위하여 상하 작동기의 비율을 조절하는 레버 조절부;상기 레버 조절부와 제어부의 출력에 의해, 운반 수단의 상승과 하강을 위한 모터 제어를 위한 신호를 출력하는 출력 조절부를 포함한다.
트롤리, 스프레더, 자이로 센서, 기울기 센서, 각속도, 누적 오차 보상

Description

자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템{System for controlling of conveyance using gyro and tilt sensors}
도 1은 컨테이너 이송 시스템의 개략적인 구성도
도 2a와 도 2b는 컨테이너 이송 시스템에 사용되는 기울기 센서의 구성도
도 3은 컨테이너 이송 시스템에서 강한 바람에 의한 컨테이너의 흔들림을 나타낸 구성도
도 4는 스프레더의 경사 특성 및 자이로 센서와 기울기 센서를 포함하는 센서부의 위치를 나타낸 구성도
도 5는 자이로 센서의 누적오차와 기울기 센서의 특성을 나타낸 구성도
도 6은 자이로 센서의 각속도 정보를 적분하여 각도 정보로 바꾸는 알고리듬을 나타낸 그래프
도 7은 스프레더 위에 자이로 센서와 기울기 센서를 위치시키고 좌우로 기울기를 주었을 때의 센서 출력 특성을 나타낸 그래프
도 8은 시간이 경과함에 따라 변화되는 자이로 센서의 누적오차와 기울기 센서의 특성을 나타낸 그래프
도 9는 보정된 자이로 센서의 출력 특성을 나타낸 그래프
도 10은 스프레더에 외란을 가했을 때의 자이로 센서와 기울기 센서의 출력 특성을 나타낸 그래프
도 11은 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템의 구성 블록도
도 12는 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템의 상세 구성도
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101...트롤리 102...전기모터
103...와이어로프 104...스프레더
105...이동 차량 106...컨테이너
107...스윙각 108...센서부
109...기울임 각 900...기울기 오차 생성부
920...제어부 930...레버 조절부
940...출력 조절부 1001...모터제어기
본 발명은 운반 수단 제어 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 자이로 센서와 기울기 센서를 이용하여 컨테이너와 같은 이송 물체에 결합되는 운반 수단의 자세를 제어하는 것에 의해 실시간 수평 유지가 가능하도록한 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 화물을 능률적이고 경제적으로 실어 나르기 위하여 일정한 규격으로 만든 상자 모양의 큰 용기로서 주로 항만 등에서 선박으로 선적하는데 주로 이용되고 있는 컨테이너는 통상적으로 트롤리(Trolly)와 스프레더(Spreader)가 구비된 크레인을 통하여 선적되고 있다.
여기서, 스프레더는 컨테이너 항만 시설에 사용되는 컨테이너 크레인, 트랜스퍼 크레인 및 리치 스태커 등 거의 모든 종류의 하역장비에 장착되어, 컨테이너를 원하는 장소로 이동시키기 위해 컨테이너에 체결되는 기구이다.
또한, 트롤리는 상기 스프레더를 이송시키는 수단으로서 체인의 3차원의 배치를 통하여 물품의 이동 주체가 된다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래 기술의 트롤리와 스프레더 등을 이용한 컨테이너를 선적하는 과정을 설명한다.
도 1은 컨테이너 이송 시스템의 개략적인 구성도이다.
먼저, 트롤리(101)에 부착된 와이어로프(103)는 스프레더(104)와 결합되어 있다. 스프레더(104)는 이동차량(105)에 적재된 컨테이너(106)를 집어서 야적장에 적재하였다가 다른 이동차량(105)으로 보내는 역할을 한다. 스프레드(104)를 내리고 올리기 위하여 스프레드(104)에 결속된 와이어로프(103-1)(103-2)를 전기모터(102-1)(102-2)를 통해 작동하게 된다.
이와 같은 컨테이너 이송 시스템에서 트롤리와 스프레더 등을 이용한 컨테이너를 선적하는 과정은 다음과 같다.
먼저, 트롤리(101)는 말단에 스프레더(104)가 연결되어 있는 와이어로 프(103-1)(103-2)를 컨테이너(106)가 있는 소정의 선적위치로 이동시킨 후 와이어로프(103-1)(103-2)를 하강시킨다.
그 후, 하강된 와이어로프(103-1)(103-2)의 말단에 연결되어 있는 스프레더(104)는 이동시킬 소정의 컨테이너(106)와 결착되게 된다.
컨테이너(106)와 결착된 스프레더(104)는 일정높이로 상승된 후, 트롤리(101)가 수평으로 이동시켜 선박, 화물차 등과 같은 이동차량이나 적재장소에 상기 컨테이너(106)와 결착된 스프레더(104)를 하강시켜 적재하고, 적재된 후, 스프레더(104)와 상기 컨테이너(106)의 연결을 해제한다.
그 후, 다시 컨테이너(106)와 분리된 스프레더(104)를 상승시켜 다음 화물의 위치로 이동하게 된다. 이와 같은 과정을 반복적으로 수행하여 화물 또는 컨테이너를 하역, 선적하게 된다.
그러나 이와 같은 운반 시스템 및 제어에 있어서는 다음과 같은 문제가 있다.
트롤리와 스프레더를 구비한 크레인은 컨테이너를 원하는 장소로 선적 및 하역하기 위해서 스프레더를 컨테이너박스의 상단에 결합 고정시킨 후 트롤리를 이동시켜 상기 스프레더에 결합 고정된 컨테이너를 사용자가 원하는 장소로 이동시키게 된다.
그러나 이와 같이 스프레더를 이용한 컨테이너를 선적하는 경우, 상기 스프레더는 다양한 원인에 의하여 흔들림 또는 자세의 불균형 현상이 발생하게 된다.
일례를 들어, 트롤리가 이동과 정지운동을 하는 경우, 상기 스프레더는 트롤 리와 스프레더 사이에 개재된 와이어로프에 의하여 그 위치가 지지되고 고정되어 있으므로 트롤리의 움직임에 따라 시간적인 이격차를 두고 이동과 정지운동을 수행하게 되어 스프레더는 와이어로프에 의한 장력과 관성력에 의하여 흔들림이 발생한다.
또한, 해양에서 불어오는 강한 바람 등의 외란에 의해서도 스프레더에 흔들림이 생겨, 컨테이너박스를 원하는 장소에 선적 및 하역하는데 문제가 발생하는 것이다.
게다가, 트롤리에 와이어로프를 움직이는 전기모터가 복수 개 설치되어 있어 전기모터 상호간 토크 불균형에 의해서 스프레더가 경사각을 일으킬 수 있다.
그래서 컨테이너에 결합될 스프레더는 자세를 고정하지 못하고 흔들리거나 기울어져 컨테이너에 쉽게 결합되지 않으며, 스프레더의 자세가 올바르게 되기 위해 스프레더의 자세가 바르게 돌 때까지 기다려야 하므로 그 작업시간이 지연되는 문제점이 있다.
일반적으로 이동수단의 기울임을 보정하기 위하여 다양한 방법이 이용되고 있지만 이중에서 기울기 센서를 이용하는 방법이 가능 널리 채용되고 있다.
도 2a와 도 2b는 컨테이너 이송 시스템에 사용되는 기울기 센서의 구성도이다.
기울기 센서는 크게 도 2a의 액체형 기울기 센서(201)와 도 2b의 고체형 기울기 센서(202)로 나눌 수 있다.
액체형 기울기 센서(201)는 내부가 액체로 충진 되어있어 기울임에 따라 전 극의 저항이 달라지는 특성을 이용하여 기울임을 출력한다. 하지만 외부 진동에 민감하게 반응하기 때문에 진동이 심한 곳에서는 사용하기가 불편한 단점이 있다.
고체형 기울기 센서(202)는 내부 구조가 스프링 형태로 되어 있으며 중앙에 볼이 기울어지는 쪽으로 이동하는 특성을 이용하여 기울임을 감지한다. 액체형 기울기 센서(202)보다는 진동에는 강하지만 여전히 외란에 대해서 요동하기 때문에 진동이 심한 곳에서는 사용하기가 어려운 단점이 있다.
이와 같이 기울기 센서의 내부 구조는 액체 또는 스프링형태로 되어 있어 외란과 진동에 취약하기 때문에 운반수단을 실시간적으로 정밀하게 제어하는 데는 다소 어려움이 있다.
그 이유는, 우선적으로 스프레더 등의 시스템에서는 바람에 의한 진동뿐만 아니라, 와이어로프와 결속된 전기모터의 진동 등이 기울기 센서를 요동시켜 제어를 어렵기 때문이다.
즉, 항만에서 사용하기에는 다소 정밀도가 떨어져서 스프레더의 기울임을 정밀하게 제어하기에는 아직까지 어려움이 있다.
이와 같이 종래 기술의 운반수단 제어 시스템은 작업중의 외란 및 시스템 자체에 의한 흔들림 및 경사에 의한 문제를 해결하지 못하여 작업 속도 및 정확성에 있어서 효율적이지 못하다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 운반 수단 제어 시스템의 문제를 해결하기 위한 것으로, 자이로 센서와 기울기 센서를 이용하여 컨테이너와 같은 이송 물체에 결합되는 운반 수단의 자세를 제어하는 것에 의해 실시간 수평 유지가 가능하도록한 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 컨테이너와 같은 이송물체에 결합 될 운반수단의 기울임 각을 제어함으로써 운반수단의 기울임이 수평을 이룰 때까지의 시간을 축소하여 물체의 하역, 선박 등의 작업 시간을 단축할 수 있도록한 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템 및 제어 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시 예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템은 운반 수단에 구성되는 자이로 센서와 기울기 센서의 출력값을 이용하여 물체를 운반시키는 운반수단의 기울임 여부를 감지하여 목표값(KREF)과 실제 기울기의 차이에 의한 오차를 생성하는 기울기 오차 생성부;상기 기울기 오차 생성부로부터 입력받은 정보를 이용하여 오차를 제어하고 균형 출력을 형성하는 제어부;상기 운반 수단의 수평을 유지하기 위하여 상하 작동기의 비율을 조절하는 레버 조절부;상기 레버 조절부와 제어부의 출력에 의해, 운반 수단의 상승과 하강을 위한 모터 제어를 위한 신호를 출력하는 출력 조절부를 포함하고 구성 되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 3은 컨테이너 이송 시스템에서 강한 바람에 의한 컨테이너의 흔들림을 나타낸 구성도이고, 도 4는 스프레더의 경사 특성 및 자이로 센서와 기울기 센서를 포함하는 센서부의 위치를 나타낸 구성도이다.
그리고 도 5는 자이로 센서의 누적오차와 기울기 센서의 특성을 나타낸 구성도이다.
본 발명은 자이로 센서와 기울기 센서를 상호 융합하여 스프레더와 같은 이동수단이 컨테이너와 같은 물체의 상단으로 위치되는 과정과, 컨테이너 등을 원하는 장소로 선적하거나 또는 하역하는 과정에서 이송되는 물체 및 스프레더가 자세에 불균형이 일어나는 것을 제어하는 기울기 센서와 자이로 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템에 관한 것이다.
먼저, 운반수단의 제어 시스템에서 컨테이너의 흔들림 및 스프레더의 경사짐에 관한 특성을 구체적으로 살펴 보고, 본 발명에 다른 제어 시스템 구성을 설명한다.
도 3은 강한 바람에 의한 컨테이너의 흔들림을 나타낸 것으로, 트롤리(101) 에 결속된 와이어로프(103)는 스프레더(104)를 통하여 컨테이너(106)를 들어올린다.
이때 강한 바람에 의해 컨테이너가 흔들리게 되는데 이때의 흔들림 각을 스윙각(107)이라고 한다. 일반적으로 스윙각(107)이 클수록 제어가 어렵게 된다.
그리고 도 4는 스프레더(104)의 경사짐을 나타낸 것으로, 트롤리(101)에 결속된 와이어로프(103-1)(103-2)는 스프레더(104)에 결속이 되며, 전기모터(102-1)(102-2)에 의해 와이어로프(103-1)(103-2)를 올렸다 내렸다 할 수 있다.
하지만, 전기모터#1(102-1)과 전기모터#2(102-2)의 특성이 다르다면 전기모터 작동 시 와이어로프#1(103-1)과 와이어로프#2(103-2)의 길이가 서로 다르게 되어 스프레드(104)가 한쪽으로 기울어져 기울임 각(109)이 형성된다. 또한, 컨테이너(106)를 스프레드(104)에 부착하기가 용이하지 않게 된다.
이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 스프레드(104)를 수평으로 맞추기 위하여 자이로 센서와 기울기 센서라 포함된 센서부(108)를 두어 전기모터(102-1)(102-2)를 제어하여 스프레드(104)를 수평으로 유지한다.
도 5는 자이로 센서의 누적오차와 기울기 센서의 특성을 나타낸 것이다.
자이로 센서는 각속도 정보를 출력하는 센서이다. 각속도 정보는 마이크로프로세서에 의해 적분되어 각도 정보로 변환된다. 각도 정보로 변환하는 과정에서 양자화 오차 또는 외란에 의한 오차가 발생하여 시간이 지남에 따라 누적오차가 발생한다.
수평 제어 시에는 자이로 센서의 누적오차(301)로 인하여 시간이 지남에 따 라 한쪽 방향으로 기울어짐을 알 수 있다.
기울기 센서는 내부 구조가 액체 또는 스프링 형태로 되어 있어 외부 진동에 민감하게 반응하기 때문에 실제 제어에 있어 기울임에 대한 불안정 상태(302)를 보인다.
이상에서 살펴본 자이로 센서와 기울기 센서의 특성을 이용하여 정밀하고 빠른 제어를 가능하도록한 운반수단 제어 시스템을 설명한다.
도 6은 자이로 센서의 각속도 정보를 적분하여 각도 정보로 바꾸는 알고리듬을 나타낸 그래프이다.
Figure 112006083883628-pat00001
위의 수식은 자이로 센서에서 감지되는 각속도 신호(ωGYRO)(401)를 각도 정보(θGYRO)(406)로 변환하는 공식이다.
자이로 센서에서 감지되는 각속도 신호(ωGYRO)(401)를 자이로 센서의 기준값 상수(KGYTROREF)(402)로 뺄셈한 후 적분하면 각도 정보(θGYRO)(406)를 얻을 수 있다.
그리고 외부 환경의 변화에 따른 미소한 보정 값(ΔGYRO)(403)을 두어 누적오차를 줄인다. 상수(K)는 소정의 각도 정보로 변환하기 위하여 곱셈 연산을 한다. 일반적으로 상수(K)의 값은 마이크로프로세스의 성능에 따라 달라지며, 매우 미소 한 수치를 곱하게 된다.
이와 같이 변환된 각도 정보는 운반수단의 실질적인 기울기 판단의 각도로 사용된다.
도 6에서 12비트 A/D(Analog to Digital) 변환기를 사용하여 각속도 신호(ωGYRO)(401)를 각도 정보(θGYRO)(406)로 변환하는 알고리즘을 파형으로 나타내었다.
각속도 신호(ωGYRO)(401)는 자이로 센서로부터 입력받은 값을 나타낸다. 자이로 센서가 특정 방향으로 기울어지거나 회전하지 않으면 12비트 A/D(Analog to Digital) 변환기의 입력 값은 중간치인 2048을 출력하고, 자이로 센서가 특정 방향으로 기울어지거나 회전하면 중간치 2048에서 양의 값 혹은 음의 값만큼의 더해져서 출력된다.
각속도를 각도형태로 변환하기 위하여 자이로 센서의 각속도 신호(ωGYRO)(401)를 자이로 센서의 기준값 상수(KGYTROREF)(402)로 빼면 0 레벨을 기준으로 한 신호(404)로 변환된다.
그리고 외부 환경 변화에 따른 미소한 보정 값(ΔGYRO)(403)을 두어 자이로 센서의 누적오차를 줄이게 된다.
0 레벨을 기준으로 한 신호(404)를 적분하고 소정의 상수(K)와 곱셈연산을 하면 원하는 각도 정보(θGYRO)(406)로 변환된다. 자이로 센서는 온도에 비교적 민감하게 반응하기 때문에 온도에 따라 실시간 미소한 보정값(ΔGYRO)(403)을 보정한다.
그리고 스프레더 위에 자이로 센서와 기울기 센서를 위치시키고 좌우로 기울기를 주었을 때의 센서 출력 특성은 도 7에서와 같다.
임의로 제작한 스프레더(104) 위에 자이로 센서와 기울기 센서를 두고 좌, 우로 기울였을 때 각 센서의 출력을 그래프로 나타낸 것으로, 자이로 센서의 파형(501)은 각속도 정보를 적분하여 각도 정보로 변환한 파형이다.
도 7의 그래프에서 2 ~ 8초 구간은 스프레더(104)를 좌, 우로 천천히 6초 동안 기울였을 때의 파형이다. 적분된 자이로 센서의 파형(501)과 기울기 센서의 파형(502)은 거의 동일한 각도임을 알 수 있다.
그리고 도 7의 그래프에서 8～11초 구간에서는 3초 동안 4회 정도로 빠르게 좌, 우로 스프레더(104)를 기울였을 때의 파형을 나타내고 있다. 자이로 센서의 파형(501)은 기울인 각도에 정확하게 수렴하는 반면 기울기 센서의 파형은 가속도 성분이 포함되어 실제 각도보다 2배 이상 큰 기울기로 나타났다.
따라서 내부구조가 액체 또는 스프링형태로 되어 있는 기울기 센서를 단독으로 사용하여 제어하게 되면 좌, 우 기울어짐이 빨라질수록 가속도 성분이 증대되어 제어가 어려워진다.
그리고 시간이 경과함에 따라 변화되는 자이로 센서의 누적오차와 기울기 센서의 특성은 도 8에서와 같다.
임의로 제작한 스프레더(104) 위에 자이로 센서와 기울기 센서를 두었을 때 시간이 지남에 따라 자이로 센서의 파형(601)은 점차적으로 양의 방향으로 누적오차를 증가시켰다.
초기 상태에서 자이로 센서의 각도와 기울기 센서의 각도는 동일한 값 0[deg]를 나타내고 있으나 시간이 지남에 따라 자이로 센서의 파형은(601) 누적오가 증가되는 반면 기울기 센서의 파형(602)은 일정하게 유지됨을 알 수 있다.
그리고 보정된 자이로 센서의 파형은 도 9에서와 같다.
시간이 지남에 따라 누적오차를 유발하는 자이로 센서의 각도 정보를 보정하기 위하여 스프레더(104) 위에 설치된 기울기 센서의 각도를 적분하여 보정 값(703)을 산출한다.
초기에 자이로 센서의 파형(701)과 기울기 센서의 파형(702)은 모두 평형 상태로서 0 [deg] 부근을 나타내고 있다. 만약 자이로 센서의 누적오차로 인해서 자이로 센서의 파형(701)이 음의 값을 가질 때 제어기는 스프레더(104)가 한쪽으로 치우쳐졌다고 인식되어, 반대 방향으로 기울도록 모터를 제어하여 평형 상태 유지하도록 할 것이다.
이때 실질적으로 스프레더(104)가 좌측으로 미소하게 기울어져서 기울기 센서의 파형(702)이 평균적으로 양의 레벨을 가지게 되어 이 값을 적분하여 보정 값(703)을 생성한다. 생성된 보정 값은 자이로 센서의 파형(701)과 합산하여 보정된 자이로 센서의 파형(704)을 만든다.
즉, 시간이 지날수록 자이로 센서의 파형(701)에서와 같이 누적오차가 증가될 때 스프레더(104)는 반대로 기울어지면서 기울기 센서의 파형(703)을 적분하여 부호가 반대인 보정 값(703)을 지속적으로 생성시켜 결국 보정된 자이로 센서의 파형(704)을 만들어서 정확한 기준 각도로 사용하게 된다. 자이로 센서는 외부 흔들 림에 강하기 때문에 신뢰도가 높다고 할 수 있다.
도 10은 스프레더에 외란을 가했을 때의 파형을 나타낸 것으로, 0～8초 구간에서는 스프레더(104)에 양의 방향으로 외란을 주었을 때의 파형을 나타내고 있다.
이때 기울기 센서의 파형(802)은 전반적으로 양의 값을 나타낸다. 따라서 보정 값(803) 또한 양의 값으로 점차적으로 적분되며, 자이로 센서의 파형(801)과 합산되어 제어신호로 사용되는 보정된 자이로 센서의 파형(804)의 값이 증가된다.
이것은 제어 신호의 해석적 관점으로 볼 때 스프레더(104)는 실제 기울어진 값보다 더욱 많이 동일한 방향으로 기울어진 것으로 해석되어 스프레더(104)는 외란을 무시하고 중심을 잡기 위하여 기울어진 반대방향으로 토크를 더욱 증대시키게 된다.
반대로 9～17초 구간에서 스프레더(104)에 음의 방향으로 외란을 주었을 때 기울기 센서의 파형(802)은 전반적으로 음의 값을 나타낸다. 보정 값(803) 또한 기울기 센서의 파형(802)과 같이 음의 값으로 점차적으로 적분되며, 자이로 센서의 파형(801)과 합산되어 제어신호로 사용되는 보정된 자이로 센서의 파형(804)의 값이 감소하게 된다.
그리고 13～16초 구간에서는 제어 신호 관점으로 해석하면 스프레더(104)가 자이로 센서의 파형(801)보다 더욱 많이 기울어진 것으로 보정된 자이로 센서의 파형(804)이 나타나게 되어 스프레더(104)는 외란을 무시하고 중심을 잡기 위하여 기울어진 반대 방향으로 모터의 토크를 증대 시키게 된다.
이러한 두 가지 경우 자이로 센서의 누적오차와 외란을 동시에 보정함을 알 수 있다.
본 발명에 따른 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템의 구성은 다음과 같다.
도 11은 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템의 구성 블록도이고, 도 12는 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템의 상세 구성도이다.
운반 제어 시스템(1000)의 구성은 도 11에서와 같이 크게 소정의 물체를 운반시키는 소정의 운반수단의 기울임 여부를 감지하여 상기 감지한 기울임 상태 여부에 대한 기울기 오차 생성부(900)와, 상기 기울기 오차 생성부(900)로부터 입력받은 정보를 이용하여 오차를 제어하고 균형 출력을 형성하는 제어부(920)와, 상하 작동기의 비율을 조절하는 레버 조절부(930)와, 상기 레버 조절부(930)와 제어부(920)를 상호 융합하여 두 개 이상의 모터 제어기(1001)로 출력을 보내는 출력 조절부(940)를 포함하고 구성된다.
이와 같은 본 발명에 따른 운반수단 제어시스템의 기울기 오차 생성부(900)는 목표값(수평값)과 실제 기울기의 차이에 의한 오차를 형성하는 부분이고, 제어부(920)는 일반적으로 널리 알려진 PID 제어를 수행한다.
그리고 레버 조절부(930)는 사용자가 작동기(Acuator)를 상, 하로 올리고 내리는 부분이고, 출력 조절부(940)는 두 개의 전기모터(102-1)(102-2)의 출력 및 속도 비율을 결정하는 부분이다.
이와 같은 본 발명에 따른 운반수단 제어시스템을 도 12를 참고하여 구체적 으로 설명한다.
기울기 오차 생성부(900)는 목표값(수평값)(KREF)(908)과 실제 기울기의 차이에 의한 오차를 형성하는 부분으로, 자이로 센서에서 감지된 각속도 신호를 적분하여 각도 정보로 변환시키는 각도 정보 변환부와, 기울기 센서의 각도를 적분하여 자이로 센서의 누적오차를 보상하는 보상부와, 목표 각과 각도 정보를 차 연산 후 보상각과 합 연산하여 기울기 오차를 생성하는 오차 생성 출력부(910)로 구성된다.
각도 정보 변환부는 합산 출력부(904), 적분 연산부(905), 변환 각도 정보 출력부(906)으로 구성되고, 보상부는 적분 연산부(912), 보상각 출력부(913)으로 구성된다.
자이로 센서는 시간이 지남에 따라 누적오차가 발생하므로 기울기 센서를 이용하여 실시간적으로 누적오차를 보정한다.
자이로 센서에서 감지된 각속도(ωGYRO)(901) 신호를 각도(θGYRO)(907) 신호로 변환하는 공식은 상기한 수학식 1에서와 같다.
자이로 센서에서 출력되는 각속도(ωGYRO)(901)를 자이로 센서의 기준값(KGYROREF)(902)으로 뺄셈한 후, 외부 환경에 따른 미소 보정값(ΔGYRO)(903)을 합산하는 합산 출력부(904)에 의해 자이로 센서에서 감지된 각속도는 0 레벨을 기준으로 한 값으로 변환된다.
이것을 적분 연산부(905)에서 적분하고 변환 각도 정보 출력부(906)에서 상수(K)와 곱셈 연산하여 소정의 각도 정보로 변환한다. 일반적으로 상수(K)는 마이 크로프로세스의 성능에 따라 다르며, 매우 미소한 수치를 곱하게 된다.
변환된 각도(θGYRO)(907) 정보는 스프레더(104)의 실질적인 기울기를 판단하는 데 사용되어진다.
Figure 112006083883628-pat00002
수학식 2는 자이로 센서의 누적오차를 보상하는 알고리즘이다.
기울기 센서의 각도(θTILT)(911) 정보는 스프레더(104)가 수평을 유지할 때 항상 0으로 값을 나타내지만 외란이 가해지면 변화된다. 그리고 스프레더(104)를 수평으로 유지할 때 초기에 자이로 센서와 기울기 센서의 각도는 0을 나타내지만, 시간이 지날수록 자이로 센서는 누적오차로 인해 값이 변화된다.
이때 기울기 센서의 각도(θTILT)(911)를 적분 연산부(912)에서 적분하여 보상각 출력부(913)에서 소정의 상수(K)와 연산하면 자이로 센서의 보상 각(θCOMP)(914)을 구할 수 있다.
즉, 0 레벨을 기준으로 한 기울기 센서의 각도(θTILT)(911)를 적분하여 보상 각(θCOMP)(914)을 만들게 된다. 상수(K)는 미소한 값을 지정해 주어야 한다. 이것은 마이크로프로세스가 고속으로 동작하므로 상수(K) 값이 커질수록 짧은 시간에 보상이 되어 스프레더(104)는 유연하지 못하고 신속히 수평을 유지함과 동시에 진동하 게 된다.
Figure 112006083883628-pat00003
수학식 3은 PID 제어를 위한 목표치에 대한 오차를 나타낸 것이다. 목표 값 상수(KREF)(908)는 목표 각(θREF)과 동일 한 값이다. 목표 각(θREF)은 수평을 유지하기 위하여 0으로 설정해 둔다.
만약 지면이 고르지 못하고 경사가 졌을 경우 스프레드(104)를 지면과 평형을 유지하기 위하여 0가 아닌 다른 값으로 둘 수도 있다.
오차 생성 출력부(910)에서 목표 각(θREF)(909)에서 자이로 센서의 기울기(θGYRO)(907)을 빼면 오차(eθ)로 표현될 수 있으나, 시간이 지남에 따라 누적오차가 발생하는 자이로 센서의 기울기를 보상하기 위하여 보상 각(θCOMP)(914)을 더하여 보정해준다.
그리고 PID 제어를 수행하는 제어부(920)는 비례 상수와 비례적으로 연산하는 비례 연산부(921)와, 적분 상수와 적분 연산하는 적분 연산 출력부와, 미분 상수와 미분 연산하는 미분 연산 출력부와, 상기 비례 연산부, 적분, 연산부, 미분 연산부를 합산 연산하여 출력하는 좌우 균형 정보 출력부(927)로 구성된다.
여기서, 적분 연산 출력부는 적분 연산부(922), 비례 출력부(923), 적분 제한부(924)로 구성되고, 미분 연산 출력부는 미분 연산부(925), 비례 출력부(926)로 구성된다.
Figure 112006083883628-pat00004
수학식 4에서
Figure 112006083883628-pat00005
부분은 오차(eθ)에 대하여 비례 연산부(921)에서 비례상수(kP)에 비례적인 출력을 형성한다. 스프레더(104)가 수평을 이룸에 있어 목표 각도와 차이가 많을수록 큰 출력을 나타내지만 목표 값에 근접할수록 오차가 줄어들어 출력이 감소하기 때문에 최종적인 출력이 미소하여 정상상태 오차를 형성한다.
Figure 112006083883628-pat00006
부분은 오차를 적분 연산부(922)에서 적분 연산하여 비례 출력부(923)에서 적분상수(ki)에 비례적인 출력을 형성한다. 오차가 존재하는 한 적분연산부(922)의 적분 연산은 지속적이므로 점차적으로 큰 값을 형성하여 정상 상태 오차를 개선하는 한다. 적분된 값이 지나치게 큰 값이 되지 않기 위하여 적분제한부(924)를 둔다.
Figure 112006083883628-pat00007
부분은 과거 값과 현재 값의 차가 클수록 비례 출력부(926)에서 미분상수(kd)에 비례적으로 값이 커지게 되어 응답속도를 향상시키 는 역할을 한다.
과거 값과 현재 값의 차는 미분연산부(925)의 출력으로 표현할 수 있다.
이렇게
Figure 112006083883628-pat00008
,
Figure 112006083883628-pat00009
,
Figure 112006083883628-pat00010
부분을 좌우 균형 정보 출력부(927)에서 합산 연산하여 스프레더(104)의 좌, 우 균형 정보(UBALANCE)(928)를 출력한다.
그리고 레버 조절부(930)는 사용자가 작동기(Acuator)를 상, 하로 올리고 내리는 부분으로, 상하 작동기(AUD)와 상하 작동기의 기준값(AUD REF)의 차를 연산하여 0 레벨로 변환시키는 레벨 변환부(933)와, 상기 레벨 변환부(933)에서 문턱 값을 조절하는 문턱 조절부(934)와, 전기모터(102)의 정, 역 회전 및 속도를 결정하기 위한 작동기 출력(U)을 출력하는 비례 출력부(935)를 포함한다.
상, 하 작동기(AUD)(931)는 일반적으로 접촉 혹은 이접촉식 가변 저항을 사용하고 있다. 작동기가 멈추었을 때 가변 저항은 중앙의 위치를, 작동기가 상, 하로 작동할 때 가변 저항은 중앙의 위치에서 상, 하로 움직이게 된다. 작동기가 정지되어 있을 때 가변 저항의 위치 값을 10bit A/D(Analog to Digital) 변환을 수행하면면 0～1023의 중앙값인 512를 나타낸다.
이것을 0를 기준으로 +또는 -레벨로 표현하기 위하여 레벨 변환부(933)에서 상하 작동기의 기준값(KUD REF)(932)을 뺄셈 연산한다. 여기서 상하 작동기의 기준 값(KUD REF)(932)을 512로 둔다면 작동기의 수치는 -512 ～ +511로 표현된다.
그리고 문턱 조절부(934)에서 작동기는 사용하지 않을 때 정확히 중앙에 위치시키기가 어려운 관계로 문턱 값을 제한한다. 사용자는 작동기의 중앙 위치로부터 ± 소정의 값만큼 작동기를 미소하게 움직여도 중앙값인 0으로 인식된다.
상수(k)는 출력의 비율을 맞추기 위한 상수이다. 작동기의 출력(U)(936)은 전기모터(102)의 정, 역 회전 및 속도를 결정한다.
그리고 출력 조절부(940)는 제 1,2 연산부(941)(943)와, 제 1,2 출력부(942)(944)로 구성되어 전기모터(102-1)(102-2)의 출력 및 속도 비율을 결정하는 역할을 한다.
좌측 모터의 출력(ULT)(942)은 제 1 연산부(941)에서 작동기의 출력(U)(936)과 좌우 균형 출력(UBALANCE)(928)을 뺄셈연산하고 제 1 출력부(942)에서 문턱 값을 제한하여 출력된다.
그리고 우측 모터의 출력(URT)(943)은 제 2 연산부(943)에서 작동기의 출력(U)(936)과 좌우 균형 출력(UBALANCE)(928)을 덧셈 연산하고, 제 2 출력부(944)에서 문턱값을 제한하여 출력된다.
기본적인 상, 하 작동은 상하 작동기(AUD)(931)에 따라 두 개의 모터(102)가 동일하게 작동되지만, 스프레더(104)가 기울어지면 좌측 모터(102-1)와 우측 모터(102-2)의 출력이 다르게 되어 수평을 유지하도록 제어된다.
이상에서 설명한 본 발명은 자이로 센서와 기울기 센서를 상호 융합하여 스프레더와 같은 이동수단이 컨테이너와 같은 물체의 상단으로 위치되는 과정과, 컨테이너 등을 원하는 장소로 선적하거나 또는 하역하는 과정에서 이송되는 물체 및 스프레더가 자세에 불균형이 일어나는 것을 제어하는 기울기 센서와 자이로 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템을 제공한다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 자이로 센서와 기울기 센서를 이용하여 컨테이너와 같은 이송 물체에 결합되는 운반 수단의 자세를 제어하는 것에 의해 실시간 수평 유지가 가능하도록한다.
둘째, 컨테이너와 같은 이송물체에 결합될 운반수단의 자세를 제어함으로써 운반수단의 기울어짐을 수평으로 맞추는데 시간이 축소되어 물체의 하역, 선박 등의 작업시간이 빨라질 수 있다.
셋째, 트롤리와 같은 복수개의 모터가 장착된 기기에서 모터의 노화로 인해 스프레더가 불균형을 이룰 때 실시간 수평을 유지하므로 작업 능률이 향상된다.

Claims (11)

  1. 자이로 센서에서 감지된 각속도 신호를 적분하여 각도 정보로 변환시키는 각도 정보 변환부와기울기 센서의 각도를 적분하여 자이로 센서의 누적오차를 보상하는 보상부와 목표 각과 각도 정보를 차 연산 후 보상각과 합 연산하여 기울기 오차를 생성하는 오차 생성 출력부를 포함하고, 운반 수단에 구성되는 자이로 센서와 기울기 센서의 출력값을 이용하여 물체를 운반시키는 운반수단의 기울임 여부를 감지하여 목표값(KREF)과 실제 기울기의 차이에 의한 오차를 생성하는 기울기 오차 생성부;
    상기 기울기 오차 생성부로부터 입력받은 정보를 이용하여 오차를 제어하고 균형 출력을 제어하는 제어부;
    상기 운반수단의 수평을 유지하기 위하여 상하 작동기의 비율을 조절하는 레버 조절부;
    상기 레버 조절부와 제어부의 출력에 의해, 운반 수단의 상승과 하강을 위한 모터 제어를 위한 신호를 출력하는 출력 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 각도 정보 변환부는,
    Figure 112007076175816-pat00011
    을 기준으로 연산을 수행하여 자이로 센서에서 감지된 각속도(ωGYRO)신호를 각도(θGYRO) 신호로 변환하고, 여기서, (KGYROREF)은 자이로 센서의 기준값, (ΔGYRO)은 외부 환경의 변화에 따른 보정 값인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 각도 정보 변환부는,
    자이로 센서에서 출력되는 각속도(ωGYRO)를 자이로 센서의 기준값(KGYROREF)으로 뺄셈한 후 외부 환경에 따른 미소 보정값(ΔGYRO)을 합산하는 합산 출력부와,
    상기 합산 출력부의 출력을 적분하는 적분 연산부와,
    상기 적분 연산부의 출력에 상수(K)와 곱셈 연산하여 각도 정보로 변환하여 운반 수단의 기울기를 판단하기 위한 변환된 각도(θGYRO)정보를 출력하는 변환 각도 정보 출력부를 포함하고 구성되는 것을 특징으로 하는 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 보상부는,
    Figure 112007076175816-pat00012
    에 의해 자이로 센서의 누적오차를 보상하기 위한 보상 각(θCOMP)을 출력하고, 여기서, (θTILT)는 기울기 센서의 각도인 것을 특징으로 하는 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 보상부는,
    기울기 센서의 각도(θTILT)를 적분하는 적분 연산부와,
    상기 적분 연산부의 출력값과 상수(K)를 연산하여 자이로 센서의 보상 각(θCOMP)출력하는 보상각 출력부를 포함하고 구성되는 것을 특징으로 하는 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 오차 생성 출력부는,
    Figure 112007076175816-pat00013
    에 의해 오차(eθ)를 출력하고, (θREF)는 목표 각, (θGYRO)는 자이로 센서의 기울기, (θCOMP)는 자이로 센서의 기울기를 보상하기 위하여 보상 각인 것을 특징으로 하는 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 제어부는,
    상기 기울기 오차 생성부의 출력을 비례 상수(Kp)와 비례적으로 연산하는 비례 연산부와,
    상기 기울기 오차 생성부의 출력을 적분 상수와 적분 연산하는 적분 연산 출력부와,
    상기 기울기 오차 생성부의 출력을 미분 상수와 미분 연산하는 미분 연산 출력부와,
    상기 비례 연산부, 적분 연산부, 미분 연산부를 합산 연산하여 출력하는 좌우 균형 정보 출력부를 포함하고 구성되는 것을 특징으로 하는 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 제어부는,
    Figure 112006083883628-pat00014
    에 의해 좌우 균형 정보를 출력하고,
    여기서,
    Figure 112006083883628-pat00015
    은 오차(eθ)에 대한 비례상수(kP)에 비례적인 비례 연 산부의 출력이고,
    Figure 112006083883628-pat00016
    은 오차(eθ)를 적분하고 적분상수(ki)에 비례적인 적분 연산 출력부의 출력이고,
    Figure 112006083883628-pat00017
    는 미분 연산 출력부에서 출력되는 과거 값과 현재 값의 차이인 것을 특징으로 하는 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 사용자에 의해 작동기(Acuator)를 상, 하로 올리고 내리기 위한 레버 조절부는,
    상하 작동기(AUD)와 상하 작동기의 기준값(AUD REF)의 차 연산하여 0 레벨로 변환시키는 레벨 변환부와,
    상기 레벨 변환부에서의 문턱 값을 조절하는 문턱 조절부와,
    모터의 정, 역 회전 및 속도를 결정하기 위한 작동기 출력(U)을 출력하는 비례 출력부를 포함하고 구성되는 것을 특징으로 하는 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 조절부는,
    레버 조절부의 출력(U)과 제어부의 좌우 균형 출력(UBALANCE)을 뺄셈 연산하는 제 1 연산부와 제 1 연산부의 출력 문턱값을 제한하여 좌측 모터의 출력(ULT)값을 출력하는 제 1 출력부와,
    레버 조절부의 출력(U)과 제어부의 좌우 균형 출력(UBALANCE)을 덧셈 연산하는 제 2 연산부와 제 2 연산부의 출력 문턱값을 제한하여 우측 모터의 출력(URT)값을 출력하는 제 2 출력부로 구성되는 것을 특징으로 하는 자이로 센서와 기울기 센서를 이용한 운반수단 제어시스템.
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