KR101232584B1 - 이동 로봇의 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적응 비례미분 제어(adaptive PD control) 방식을 이용한 이동 로봇의 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 이동 로봇은 적어도 2 개의 바퀴와, 바퀴 각각에 연결되는 적어도 2 개의 모터를 포함한다. 제어 장치는 이동 로봇의 목표 추적을 위해 운동학 및 동역학적 모델을 이용한다. 제어 장치는 목표 추적에 따른 위치 정보와, 이동 로봇으로부터 피드백되는 위치 및 방향에 대한 오차 정보를 받아서 이동 로봇의 움직임 속도를 제어하는 운동학 제어기와, 무게 관련 파라미터를 추정하여 동역학 제어기로 피드백하는 파라미터 추정기 및, 운동학 제어기로부터 움직임 속도를 받아들이고, 파라미터 추정기로부터 피드백되는 가속 정보를 받아서 동역학 제어기를 포함한다. 본 발명에 의하면, 이동 로봇이 이동하거나 물체를 나를 때, 이동 로봇의 무게량 및 무게 중심 위치의 변화에 독립적인 목표 추적이 가능하도록 제어한다.

Description

이동 로봇의 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING MOBILE ROBOT AND METHOD OF THE SAME}
본 발명은 이동 로봇의 제어 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 복수 개의 바퀴를 구비하는 이동 로봇의 무게 및 무게 중심 위치의 변화에 독립적인 목표 추적을 위한 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
또 본 발명은 적응 비례미분 제어(Adaptive PD control) 방식을 이용하여 다양한 무게의 물체를 나르는 이동 로봇의 무게 및 무게 중심의 위치에 독립적인 움직임 및 제어가 가능한 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
로봇이 다양한 환경에서 자율적으로 활동할 수 있기 위해서는 로봇의 이동 능력 확보가 필수적이며, 최근 이에 대한 연구가 다양하며 활발하게 이루어지고 있는 실정이다. 이러한 연구 결과들은 예를 들어, 감시 로봇, 청소 로봇 등과 같은 다양한 분야의 로봇에 적용된다. 하지만 최근 로봇 산업은 많은 연구와 그에 따른 로봇의 개발에도 불구하고 실제 생활에서의 낮은 완성도 또는 활용성이라는 문제들에 부딪혀 큰 발전을 이루지 못하고 있다.
기존의 이동 로봇이 가지는 가장 기본적이고 가장 중요한 능력은 이동력 및 수송 능력이다. 인력에 의한 수송을 로봇으로 대체하기 위한 연구들 중 대표적인 것에는 예를 들어, 보스톤 다이나믹(Boston Dynamic) 사의 4 족 보행 로봇인 빅도그(Big Dog) 등이 있다. 그러나 이러한 관절을 가진 로봇은 실생활에 활용하기에는 안전성이 보장되지 않으며, 주어진 역할 및 활용성에 비해 너무 높은 생산 비용을 필요로 한다.
이동 로봇의 다른 예로서, 바퀴가 달린 로봇이 있다. 이는 실생활에서의 활용성이 큰 기존의 쇼핑 카트를 대체할 수 있다. 쇼핑 카트용 이동 로봇의 기본적인 기능은 크게 목표 추적과 장애물 회피이다. 그러나 기존의 많은 연구에서는 바퀴가 달린 이동 로봇의 제어에 운동학(Kinematics) 만을 고려하여 제어하는 방법이 적용된다. 즉, 고속으로 이동하는 로봇 또는 무거운 물체를 이송하는 로봇들은 고속으로 이동 중이거나 특정 무게의 물체를 운반 중인 경우에 무게량 및 무게 중심 위치가 변화된다. 따라서 이동 로봇의 움직임을 제어하기 위해서는 운동학 뿐만 아니라 동역학으로도 제어가 필요하다.
그럼에도 불구하고, 운동학 또는 동역학을 고려한 많은 연구들은 이동 로봇의 무게가 변하지 않고, 무게 중심의 위치가 로봇의 특정 위치에 고정되어 있다는 가정하에서 이동 로봇의 움직임을 제어한다. 이러한 이동 로봇의 제어 방법은 이동 로봇의 무게와 무게 중심의 위치가 가변적인 상황에서 이동 로봇의 일정한 움직임 및 성능을 이끌어 낼 수 없다.
본 발명의 목적은 이동 로봇의 목표 추적을 위한 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이동 로봇의 무게에 독립적인 목표 추적을 위한 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 적응 PD 제어 방식을 이용하여 이동 로봇의 무게에 독립적인 목표 추적을 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위한, 본 발명의 제어 장치는 무게 관련 파라미터를 추정하여 운동학 및 동역학적으로 이동 로봇의 움직임을 제어하는데 그 한 특징이 있다. 이와 같은 제어 장치는 이동 로봇의 무게 및 무게 중심 위치의 변화에 관계없이 이동 로봇의 움직임을 일정하게 제어 가능하다.
이 특징에 따른 본 발명의 이동 로봇의 제어 장치는, 복수 개의 바퀴들과, 상기 바퀴들 각각에 연결되는 복수 개의 모터들을 구비하는 이동 로봇의 목표 추적을 위한 움직임을 제어한다. 상기 제어 장치는, 상기 이동 로봇의 상기 목표 추적을 위한 위치 정보를 받아들이고, 상기 이동 로봇의 실제 움직임에 따른 방향 오차 정보를 받아서, 상기 이동 로봇의 목표 직진 속도 및 목표 회전 속도를 출력하는 운동학 제어기와; 상기 목표 직진 속도 및 상기 목표 회전 속도에 대응되는 상기 이동 로봇의 움직임에 따른 직진 가속도 및 회전 가속도를 받아서 상기 이동 로봇의 무게 관련 파라미터를 추정하는 파라미터 추정기 및; 상기 운동학 제어기로부터 상기 목표 직진 속도 및 상기 목표 회전 속도를 받아들이고, 상기 이동 로봇의 실제 움직임 사이의 오차 정보 및 상기 파라미터 추정기로부터 상기 무게 관련 파라미터를 받아서 상기 모터들 각각의 회전력을 결정하는 동역학 제어기를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 복수 개의 바퀴들과 상기 바퀴들 각각에 여결되는 복수 개의 모터들을 구비하는 이동 로봇의 목표 추적을 위한 제어 방법이 제공된다. 이 방법에 의하면, 목표 추적 시, 이동 속도 및 적재 물체 등에 의한 무게 및 무게 중심 위치의 변화가 발생되어도 일정하게 이동 로봇의 움직임을 제어할 수 있다.
이 특징에 따른 방법은, 목표 추적을 위한 상기 이동 로봇의 위치 정보 및 방향 오차 정보를 입력받는다. 입력된 상기 위치 정보와 상기 방향 오차 정보를 이용하여 상기 이동 로봇의 목표 직진 속도 및 목표 회전 속도를 결정한다. 상기 이동 로봇의 움직임에 따른 무게 관련 파라미터들을 추정한다. 결정된 상기 목표 직진 속도 및 상기 목표 회전 속도와, 상기 이동 로봇의 실제 직진 속도 및 실제 회전 속도를 받아서, 상기 이동 로봇의 실제 움직임 사이의 오차를 산출하고, 상기 무게 관련 파라미터들을 받아서 상기 모터들 각각의 회전력을 결정한다. 이어서 상기 모터들 각각으로 회전력을 전달하여 상기 이동 로봇을 구동한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 이동 로봇의 제어 장치는 무게 관련 파라미터들을 추정하고, 이를 통해 복수 개의 바퀴들을 각각 구동하는 복수 개의 모터들의 회전력을 결정함으로써, 이동 로봇의 무게 및 무게 중심 위치의 변화에 관계없이 일정하게 이동 로봇의 움직임을 제어할 수 있다.
또 본 발명의 이동 로봇의 제어 장치는 적응 PD 제어 방식을 이용하여 운동학 및 동역학적으로 움직임을 제어함으로써, 목표 추적 시, 무게 및 무게 중심 위치의 변화에 독립적인 움직임이 가능하고, 목표 궤도와의 거리 오차를 최소화하여 목표 추적이 정확하고 신속하도록 이동 로봇의 움직임을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복수 개의 바퀴들을 구비하는 이동 로봇의 개략적인 구성을 도시한 도면;
도 2는 도 1에 도시된 이동 로봇의 구성을 도시한 도면;
도 3은 본 발명에 따른 이동 로봇의 제어 장치의 구성을 도시한 블럭도;
도 4는 본 발명에 따른 이동 로봇의 목표 추적에 따른 움직임 벡터 성분을 설명하기 위한 도면;
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이동 로봇의 무게 및 무게 중심 위치의 변화에 대한 시나리오를 보여주는 도면들;
도 7은 본 발명과 일반적인 PD 제어에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 파형도들;
도 8은 본 발명의 시뮬레이션 결과와 일반적인 PD 제어에 따른 오차를 나타내는 파형도; 그리고
도 9는 본 발명에 따른 이동 로봇의 제어 수순을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
이하 첨부된 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복수 개의 바퀴를 구비하는 이동 로봇의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 이동 로봇(100)은 물체를 이송하는 장치 예를 들어, 쇼핑 카트(10)를 대체하는 로봇으로서, 복수 개의 바퀴(110, 112)를 구비한다. 도 1에서는 바퀴(112)가 보이지 않는데, 도 2를 참조하여 보면 쉽게 이해할 수 있다. 이 실시예의 이동 로봇(100)은 적어도 2 개의 바퀴(110, 112)가 구비된다. 다른 실시예로서, 이동 로봇(100)은 이동시 무게 및 무게 중심 위치가 변화 가능한 장치들 예컨대, 자동차 등과 같이 4 개의 바퀴를 구비하는 장치일 수도 있으며, 매니플레이터(manipulator)가 장착되어 물체를 적재하고 이송하는 로봇일 수도 있다. 여기서는 두 개의 바퀴(110, 112)를 갖는 이동 로봇(100)을 이용하여 본 발명의 기술적인 내용을 상세히 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 이동 로봇의 일부 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 이동 로봇의 목표 추적에 따른 움직임을 제어하기 위한 제어 장치의 구성을 도시한 블럭도이다.
먼저 도 2를 참조하면, 이동 로봇(100)은 몸체(102)와, 몸체(102)의 하단 양측에 배치되는 두 개의 바퀴(110, 112)와, 몸체(102) 내부에 설치되어 각각의 바퀴(110, 112)에 각각 연결되는 두 개의 모터(M1, M2)(120, 122)를 포함한다.
이동 로봇(100)은 특정 무게를 가지며, 물체의 적재 및 이동 속도 등에 따라 무게 및 무게 중심 위치(104 또는 106)가 변경된다. 따라서 본 발명의 이동 로봇(100)은 무게 관련 파라메터(예를 들어, 무게, 무게 중심 위치 등)의 변화에 관계없이 일정한 움직임이 가능하도록 제어하는 제어 장치(도 3의 130)를 내부에 구비한다. 물론 제어 장치(130)는 유무선 통신을 이용하여 원격 제어 가능하도록 이동 로봇(100)의 외측에 구비될 수도 있다.
바퀴(110, 112)들은 진행 방향(Fr, Fl)이 상호 나란하고, 그 중심축이 동일선상에 위치된다. 예를 들어, 바퀴(110, 112)들의 중심축은 이동 로봇(100)의 무게 중심 위치(104, 106) 상에 배치된다. 바퀴(110, 112)들 각각은 각각의 모터(120, 122)에 의해 독립적으로 구동된다. 모터(120, 122)들 각각은 본 발명의 제어 장치(130)의 제어를 받아서 무게 및 무게 중심 위치의 변화에 대응하여 가변되는 회전력을 발생시키고, 이를 통해 바퀴(110, 112)들을 회전시킨다.
이동 로봇(100)의 무게 중심 위치(104)에서부터 좌우 각 바퀴(110, 112)의 중심까지 거리는 dl 과 dr 로 각각 표시하고, 이들의 합은 두 바퀴(110, 112) 사이의 거리인 d 이다. 또 바퀴(110, 112)들 각각은 동일한 크기의 지름(dw)을 갖는다. 이동 로봇(100)의 위치는 이동 로봇(100)의 무게 중심 위치(104 또는 106)로 정의한다. 여기서 무게 중심 위치(106)는 고속 이동, 화물 적재 등으로 이동 로봇(100)의 무게 중심이 우측으로 이동된 것을 나타낸다. 그리고 무게 중심 위치(104 또는 106)는 X-Y 좌표계에 따라 x 축과 y 축의 값으로 표현하며, 이동 로봇(100)의 이동 방향은 x 축과의 각인 θ로 나타낸다.
또 이동 로봇(100)의 동역학 파라미터인 직진 속도와, 회전 속도는 각각 v 와 w 로 나타낸다. 따라서 이동 로봇(100)의 완전한 수학적 모델은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112011009776858-pat00001
여기서, rw 는 바퀴(110, 112)들 각각의 반지름, kb 는 모터(120, 122)의 회전에 의해 발생하는 역기전력에 대한 상수, τr 과 τl 는 각 모터(120, 122)의 회전력(torque), 그리고 wr 와 wl 는 바퀴(110, 112)들 각각의 회전 속도이다. 회전 속도 wr 와 wl 는 아래의 수학식 2와 같이, 이동 로봇(100)의 직진 속도(v) 및 회전 속도(w)로 나타낼 수 있다.
Figure 112011009776858-pat00002
일반적으로 바퀴를 갖는 이동 로봇의 무게 중심 위치는 이동 로봇의 중심축에 고정되는 것으로 가정하고, 이를 통해 이동 로봇을 구동한다. 그러나 본 발명에서는 이동 로봇(100)의 무게 중심 위치(104)가 변화 예를 들어, 우측 또는 좌측으로 치우칠 수 있음을 고려한다. 이를 위해 본 발명은 고속 이동, 화물 적재 등의 원인으로 인한 이동 로봇(100)의 전체 무게 및 무게 중심 위치의 변화에도 관계없이 항상 이동 로봇(100)의 성능을 일정하게 유지하도록 적응 비례미분 제어(adaptive PD control) 방식을 이용하여 운동학(kinematics) 및 동역학적(dynamics)으로 이동 로봇(100)의 움직임을 제어한다.
구체적으로, 도 3을 참조하면, 본 발명의 제어 장치(130)는 운동학 및 동역학 모델을 고려한 적응적 비례미분 제어기(Adaptive PD controller)로 구비된다. 제어 장치(130)는 운동학 제어기(kinematic controller)(132)와, 동역학 제어기(dynamic controller)(134) 및, 파라미터 추정기(parameter estimator)(136)를 포함한다. 제어 장치(130)는 무게 독립적인 목표 추적을 위하여 이동 로봇(100)을 구동하는 복수 개의 모터(110, 112)들의 회전력을 제어한다.
운동학 제어기(132)는 이동 로봇(100)의 운동학적 오차를 입력으로 하여 이동 로봇(100)의 운동학적 제어를 위한 목표(target)에 대한 속도(vref, wref)들을 출력한다. 즉, 운동학 제어기(132)는 이동 로봇(100)의 위치 정보(xref, yref)와, 방향 오차 정보(ex, ey)를 입력받아서 이동 로봇(100)의 목표 직진 속도(vref) 및 목표 회전 속도(wref)를 결정한다. 이 때, 방향 오차 정보(ex, ey)는 위치 정보(xref, yref)와 이동 로봇의 실제 움직임(x, y, θ) 사이의 오차값들이다. 이 오차값들은 이동 로봇(100)으로부터 위치 정보(xref, yref)에 대응하여 움직이는 위치 정보(x, y)와 이동 방향(θ)을 피드백 받아서 산출된다. 따라서 운동학 제어기(132)로부터 출력되는 목표 직진 속도(vref) 및 목표 회전 속도(vref, wref)는 다음의 수학식 3 및 수학식 4와 같다.
Figure 112011009776858-pat00003
Figure 112011009776858-pat00004
여기서 운동학 제어기(132)에 의한 이동 로봇(100)의 목표 직진 속도(vref)는 목표 지점(도 4의 200)으로의 벡터 성분에서 이동 로봇(100)의 현재 직진 이동에 대한 성분 크기의 변화량이고, 목표 회전 속도(wref)는 현재 이동 방향에서 목표 지점(200)으로의 방향까지 각도(θ) 차이의 변화량이다. 그리고 epv 와 epw 는 목표(200)에 대한 오차들이고, kkvp, kkvd, kkwp, kkwd 각각은 P 이득값 및, D 이득값이다.
여기서, epv 와 epw 각각은 도 4에 의해 수학식 5 및 수학식 6와 같이 나타낸다.
Figure 112011009776858-pat00005
Figure 112011009776858-pat00006
동역학 제어기(134)는 운동학 제어기(132)로부터 출력된 이동 로봇(100)의 목표 직진 속도(vref)와 목표 회전 속도(wref)와, 이동 로봇(100)으로부터 피드백된 실제 직선 속도(v) 및 회전 속도(w)를 받아서, 실제 이동 로봇(100)의 이동 상황에 따른 오차값(ev, ew)을 산출하고, 이를 입력받아서 이동 로봇(100)의 모터(120, 122)들 각각의 회전력(τr, τl)을 결정한다. 즉, 동역학 제어기(134)는 운동학 제어기(132)로부터의 목표 직진 속도(vref) 및 목표 회전 속도(wref)를 받아들이고, 실제 이동 로봇(100)의 움직임 사이의 오차(ev, ew)를 받아서, 적응 PD 제어를 적용하여 이동 로봇(100)의 각 모터(120, 122)의 회전력(τr, τl)을 결정한다. 동역학 제어기(134)는 결정된 회전력(τr, τl)를 이동 로봇(100)의 모터(120, 122)들로 각각 출력한다. 이 때, 모터(120, 122)들로 출력하는 회전력(τr, τl)은 모터(120, 122)의 역기전력에 의해 모터(120, 122)의 회전 속력에 비례해서 감소하게 되고, 이렇게 감소된 회전력 만이 실제로 이동 로봇(100)의 바퀴(110, 112)에 전달된다.
또 동역학 제어기(134)는 파라미터 추정기(136)로부터 무게 관련 파라미터(m, dr)들을 받아들여서 각 모터(120, 122)의 회전력(τr, τl)을 결정한다. 이 회전력(τr, τl)은 이동 로봇(100)의 무게(m), 무게 중심 위치(dr)에 대한 파라미터들을 고려한 결과이다. 따라서 파라미터 추정기(136)는 이동 로봇(100)이 고속 이동, 물체 이송 등에 의해 무게(m) 및 무게 중심 위치(dr)가 변동되면, 무게 관련 파라미터(m, dr)들을 추정하고, 추정된 무게 관련 파라미터(m, dr)들에 대응하여 동역학 제어기(134)는 모터(120, 122)의 회전력(τr, τl)을 조절한다.
그리고 파라미터 추정기(136)는 직진 속도(v) 및 회전 속도(w)에 의해 이동 로봇(100)의 움직임에 따른 직진 가속도(
Figure 112011009776858-pat00007
) 및 회전 가속도(
Figure 112011009776858-pat00008
)를 받아서, 이동 로봇(100)의 무게 관련 파라미터(m, dr)들을 추정하고, 추정된 무게 관련 파라미터(m, dr)들을 동역학 제어기(134)로 제공한다. 여기서 무게 관련 파라미터(m, dr)들은 이동 로봇(100)의 무게(m)와 무게 중심 위치(dr)를 포함한다.
따라서 파라미터 추정기(136)는 이동 로봇(100)의 움직임에 따른 직진 가속도(
Figure 112011009776858-pat00009
) 및 회전 가속도(
Figure 112011009776858-pat00010
)를 받아들이고, 파라미터 추정을 통해 실제 무게 관련 파라미터(m, dr)들의 값을 동역학 제어기(134)로 출력한다. 이에 동역학 제어기(134)는 이동 로봇(100)의 직진 가속도(
Figure 112011009776858-pat00011
) 및 회전 가속도(
Figure 112011009776858-pat00012
)가 무게 관련 파라미터(m, dr)들의 변화에 상관없이 일정하게 움직일 수 있도록 아래의 수학식 7 및 수학식 8을 이용하여 설계된다.
Figure 112011009776858-pat00013
여기서 수학식 7은 특정 무게(
Figure 112011009776858-pat00014
) 및 무게 중심 위치(
Figure 112011009776858-pat00015
)에 대한 적응 PD 제어에 의한 추정치가 반영된 회전력(
Figure 112011009776858-pat00016
,
Figure 112011009776858-pat00017
)의 토크값을 나타내며, kb는 역기전력 상수, wr 와 wl은 바퀴(110, 112)들 각각의 회전 속도이다. 또
Figure 112011009776858-pat00018
및
Figure 112011009776858-pat00019
,
Figure 112011009776858-pat00020
각각은 이동 로봇(100)의 무게 및 무게 중심 위치에 대한 기준값, 그리고
Figure 112011009776858-pat00021
및
Figure 112011009776858-pat00022
,
Figure 112011009776858-pat00023
각각은 기준값으로부터 변화된 이동 로봇(100)의 무게 및 무게 중심 위치에 대한 특정값을 나타낸다.
무게 관련 파라미터(m, dr)들의 변화에 따라 발생된 각 오차(ev, ew)가 반영된 적응 PD 제어값(uv, uw)은 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011009776858-pat00024
여기서 kdvp, kdvd, kdwp, kdwd 각각은 오차 ev, ew에 대한 P 이득값과 D 이득값이다. 이러한 수학식 8을 이용하여 동역학 제어기(134)는 목표 직진 가속도 및 목표 회전 가속도와 실제 직진 가속도 및 실제 회전 가속도 사이의 오차(ev, ew)를 입력받아서 모터(120, 122)들의 회전량을 조절한다.
그러므로 동역학 제어기(134)는 파라미터 추정기(136)로부터 추정된 무게 관련 파라미터(m, dr)에 따라 각 모터(120, 122)들의 회전 가속도가 특정 파라미터 값에 의한 각각의 모터(120, 122)의 회전 가속도와 동일하도록 각 모터(120, 122)들의 입력 토크량의 크기를 조정한다.
구체적으로, 파라미터 추정기(136)는 이동 로봇(100)으로부터 직진 가속도(
Figure 112011009776858-pat00025
) 및 회전 가속도(
Figure 112011009776858-pat00026
)를 받아들이고, 이동 로봇(100)의 무게 관련 파라미터들(예를 들어, 무게 및 무게 중심 위치)을 추정하여 동역학 제어기(134)로 제공한다.
파라미터 추정기(136)는 제어 장치(130)의 높은 성능을 위해서, 파라미터 추정이 정확해야 한다. 따라서 본 발명의 파라미터 추정기(136)는 아래의 수학식 9 내지 수학식 11과 같이, 파라미터 추정 알고리즘을 구비한다. 이 실시예에서는 파라미터 추정 알고리즘으로 회귀적 최소자승법(recursive least squares)을 적용한다.
Figure 112011009776858-pat00027
Figure 112011009776858-pat00028
Figure 112011009776858-pat00029
여기서 dw는 바퀴의 지름이다. 또 파라미터 추정기(136)에서 정보 행렬의 갱신(information matrix)은 다음의 수학식 12 내지 수학식 14을 통해 이루어진다.
Figure 112011009776858-pat00030
Figure 112011009776858-pat00031
Figure 112011009776858-pat00032
그리고 추정된 무게 관련 파라미터들의 값들은 아래의 수학식 15 및 수학식 16에 의해 갱신된다.
Figure 112011009776858-pat00033
Figure 112011009776858-pat00034
초기 파라미터 추정 값은 수학식 17에서와 같이, 목표 또는 기준으로 하는 파라미터의 값으로 설정한다.
Figure 112011009776858-pat00035
상술한 바와 같이, 본 발명의 이동 로봇(100)의 제어 장치(130)는 파라미터 추정기(136)로부터 무게 관련 파라미터(m, dr)들을 추정하고, 이를 이용하여 동역학 제어기(134)에서 적응 PD 제어를 통해 각 모터(120, 122)들의 회전력(τr, τl)을 조정하여 출력한다. 그 결과, 본 발명의 이동 로봇(100)은 목표 추적시, 무게 및 무게 중심 위치의 변화에 관계없이 항상 일정하게 움직인다.
그리고 도 5 내지 도 8을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 이동 로봇의 시뮬레이션에 대한 내용을 설명한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이동 로봇의 무게 및 무게 중심 위치의 변화에 대한 시나리오를 나타내는 파형도들이고, 도 7은 본 발명과 일반적인 PD 제어에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 파형도들, 그리고 도 8은 본 발명의 시뮬레이션 결과와 일반적인 PD 제어에 따른 오차를 나타내는 파형도이다.
먼저, 도 5 및 도 6을 참조하면, 이 파형도들은 본 발명의 실시예에 따른 이동 로봇의 무게(m) 및 무게 중심 위치(dr)의 변화에 대한 시나리오를 나타내는 것으로, 목표 추적을 위한 시간 경과에 따라 이동 로봇의 무게(m) 및 무게 중심 위치(dr)의 변화량을 나타낸다. 이는 고속 이동, 물체 이송 등에 의해 이동 로봇(100)의 무게 관련 파라미터(m, dr)들이 변경됨을 의미한다.
도 7을 참조하면, 이 시뮬레이션은 이동 로봇을 X-Y 좌표계의 원점 좌표(0, 0)에서 출발하여 사각파 형태로 일정 속도로 이동하여 목표를 추적한다. 이 때, 시뮬레이션은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 이동 로봇(100)의 무게(m) 및 무게 중심 위치(dr)를 변화시켜서 이동 로봇(100)의 움직임을 제어한다. (a) 내지 (c)의 파형도들은 이동 로봇의 목표 추적을 위한 목표 궤도와, 실제 이동 로봇의 움직임을 나타내는 이동 로봇 궤도를 나타낸다.
먼저 (a)의 파형도는 이동 로봇(100)의 무게(m) 및 무게 중심 위치(dr)의 변화없이 이동 로봇(100)이 움직일 때, 목표 궤도와 이동 로봇 궤도가 거의 일치한다. (b)의 파형도는 일반적인 PD 제어 방식에 의한 이동 로봇 궤도를 나타내고, 그리고 (c)의 파형도는 본 발명의 실시예에 따른 이동 로봇(100)의 목표 궤도와, 실제 이동 로봇(100)의 움직임을 나타내는 이동 로봇 궤도를 나타낸다.
따라서 (b) 및 (c)를 비교하면, 일반적인 PD 제어 방식의 이동 로봇(20)은 여러 구간에서 목표 궤도와 이동 로봇 궤도가 일치하지 않는 오차(ΔE1 ~ ΔE4)들이 발생되었다. 그러나 본 발명에 따른 운동학 및 동역학적으로 제어하는 제어 장치(130)는 시뮬레이션 결과, 무게(m) 및 무게 중심 위치(dr)의 변화에 대응하여 일정하게 모터(120, 122)의 회전력을 조절함으로써, 이동 로봇 궤도와 목표 궤도가 (b) 보다 더 일치함을 알 수 있다. 즉, (c)의 파형도는 무게(m) 및 무게 중심 위치(dr)의 변화에 관계없이 (a)의 파형도와 거의 일치함을 알 수 있다.
또한 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 이동 로봇 궤도와 일반적인 PD 제어에 의한 이동 로봇 궤도를 비교해 보면, 일반적인 PD 제어에 의한 거리 오차는 일부 구간에서 약 1 m 이상의 오차가 발생되는 반면, 본 발명의 거리 오차는 무게 관련 파라미터들의 변화에도 보다 작은 거리 오차(예를 들어, 약 0.08 m 이하)가 발생되었다.
계속해서 도 9는 본 발명에 따른 이동 로봇의 제어 수순을 도시한 흐름도이다. 이 수순은 이동 로봇의 운동학 및 동역학적 움직임을 고려한 적응 비례미분 제어 방식으로 처리된다. 여기서는 도 3의 제어 장치(130)의 구성을 이용하여 상세히 설명한다.
도 9를 참조하면, 단계 S300에서 운동학 제어기(132)는 이동 로봇(100)의 목표 추적을 위한 위치 정보(xref, yref) 및 방향 오차 정보(ex, ey)를 입력받는다. 이 때, 방향 오차 정보(ex, ey)는 위치 정보(xref, yref)와 이동 로봇(100)의 실제 움직임(x, y, θ) 사이의 오차값으로, 이동 로봇(100)으로부터 위치 정보(xref, yref)에 대응하여 움직이는 위치 정보(x, y)와 이동 방향(θ)을 피드백 받아서 산출된다.
단계 S310에서 운동학 제어기(132)는 입력된 위치 정보(xref, yref)와 방향 오차 정보(ex, ey)를 이용하여 목표 추적을 위한 이동 로봇(100)의 목표 직진 속도(vref) 및 목표 회전 속도(wref)를 결정한다. 결정된 목표 직진 속도(vref) 및 목표 회전 속도(wref)는 동역학 제어기(134)로 출력된다.
단계 S320에서 파라미터 추정기(136)는 이동 로봇(100)으로부터 직진 가속도(
Figure 112011009776858-pat00036
) 및 회전 가속도(
Figure 112011009776858-pat00037
)를 받아들이고, 이동 로봇(100)의 무게 관련 파라미터들(예를 들어, 무게 및 무게 중심 위치)(m, dr)을 추정한다. 이 때, 파라미터 추정기(136)는 회귀적 최소 자승법을 이용하여 무게 관련 파라미터(m, dr)들을 추정한다. 추정된 무게 관련 파라미터(m, dr)들은 동역학 제어기(134)로 제공된다.
단계 S330에서 동역학 제어기(134)는 운동학 제어기(132)로부터 목표 직진 속도(vref) 및 목표 회전 속도(wref)를 받아들이고, 이동 로봇(100)으로부터 실제 직진 속도(v) 및 실제 회전 속도(w)를 받아서, 이동 로봇(100)의 실제 움직임 사이의 오차값(ev, ew)을 산출하고, 파라미터 추정기(136)로부터 무게 관련 파라미터(m, dr)들을 받아서 각 모터(120, 122)들의 회전력(τr, τl)을 결정한다. 이어서 단계 S340에서 동역학 제어기(134)는 각 모터(120, 122)들로 회전력(τr, τl)을 전달하여 이동 로봇(100)을 구동한다.
이상에서, 본 발명에 따른 이동 로봇의 제어 장치의 구성 및 작용을 상세한 설명과 도면에 따라 도시하였지만, 이는 실시예를 들어 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다.
100 : 이동 로봇 104, 106 : 무게 중심 위치
110, 112 : 바퀴 120, 122 : 모터
130 : 제어 장치 132 : 운동학 제어기
134 : 동역학 제어기 136 : 파라미터 추정기
200 : 목표

Claims (10)

  1. 복수 개의 바퀴들과, 상기 바퀴들 각각에 연결되는 복수 개의 모터들을 구비하는 이동 로봇의 목표 추적을 위한 제어 장치에 있어서:
    상기 이동 로봇의 상기 목표 추적을 위한 위치 정보를 받아들이고, 상기 이동 로봇의 실제 움직임에 따른 방향 오차 정보를 받아서, 상기 이동 로봇의 목표 직진 속도 및 목표 회전 속도를 출력하는 운동학 제어기와;
    상기 목표 직진 속도 및 상기 목표 회전 속도에 대응되는 상기 이동 로봇의 움직임에 따른 직진 가속도 및 회전 가속도를 받아서 상기 이동 로봇의 무게 관련 파라미터를 추정하는 파라미터 추정기 및;
    상기 운동학 제어기로부터 상기 목표 직진 속도 및 상기 목표 회전 속도를 받아들이고, 상기 이동 로봇의 실제 움직임 사이의 오차 정보 및 상기 파라미터 추정기로부터 상기 무게 관련 파라미터를 받아서 상기 모터들 각각의 회전력을 결정하는 동역학 제어기를 포함하며,
    상기 운동학 제어기는 상기 위치 정보에 대응하는 상기 이동 로봇의 실제 움직임 사이의 위치 정보와 이동 방향을 피드백 받아서 상기 방향 오차 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 무게 관련 파라미터는;
    상기 이동 로봇의 무게 및 상기 이동 로봇의 무게 중심 위치에 대응되는 파라미터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 제어 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 파라미터 추정기는;
    상기 무게 관련 파라미터들을 추정하기 위한 회귀적 최소자승법(recursive least squares)을 적용한 파라미터 추정 알고리즘을 구비하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 동역학 제어기는 적응 비례미분 제어기로 제공되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  6. 복수 개의 바퀴들과, 상기 바퀴들 각각에 연결되는 복수 개의 모터들을 구비하는 이동 로봇의 제어 방법에 있어서:
    목표 추적을 위한 상기 이동 로봇의 위치 정보 및 방향 오차 정보를 입력받고;
    입력된 상기 위치 정보와 상기 방향 오차 정보를 이용하여 상기 이동 로봇의 목표 직진 속도 및 목표 회전 속도를 결정하고;
    상기 이동 로봇의 움직임에 따른 무게 관련 파라미터들을 추정하고;
    결정된 상기 목표 직진 속도 및 상기 목표 회전 속도와, 상기 이동 로봇의 실제 직진 속도 및 실제 회전 속도를 받아서, 상기 이동 로봇의 실제 움직임 사이의 오차값을 산출하고, 상기 무게 관련 파라미터들을 받아서 상기 모터들 각각의 회전력을 결정하고; 이어서
    상기 모터들 각각으로 회전력을 전달하여 상기 이동 로봇을 구동하며,
    상기 방향 오차 정보를 입력받는 것은 상기 위치 정보와 상기 이동 로봇의 실제 움직임 사이의 오차값으로 산출되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 제어 방법.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 무게 관련 파라미터들을 추정하는 것은;
    상기 이동 로봇으로부터 직진 가속도 및 회전 가속도를 받아들여서 회귀적 최소 자승법을 이용하여 상기 이동 로봇의 무게 및 무게 중심 위치에 대한 파라미터들을 추정하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전력을 결정하는 것은;
    상기 무게 및 상기 무게 중심 위치에 대한 상기 파라미터들에 대응하여 상기 모터들 각각의 회전 토크량을 조정하는 것을 특징을 하는 이동 로봇의 제어 방법.
  10. 제 6 항, 제 8 항 및 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 방법은;
    상기 이동 로봇의 운동학 및 동역학적 움직임을 고려한 적응 비례미분 제어 방식으로 처리되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 제어 방법.
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