KR102560143B1

KR102560143B1 - 물류이송로봇의 가상 시뮬레이션을 위한 주행특성 가상모델링 방법

Info

Publication number: KR102560143B1
Application number: KR1020210070246A
Authority: KR
Inventors: 나성권; 유승우; 이명복
Original assignee: 한성대학교 산학협력단; 주식회사 지에스아이
Priority date: 2021-05-31
Filing date: 2021-05-31
Publication date: 2023-07-26
Also published as: KR20220161919A

Abstract

본 발명에 따른 물류이송로봇의 가상주행 모델링 시스템은, 물류이송로봇의 바퀴의 회전속도를 입력받아, 바퀴의 회전각을 출력하는 주행바퀴 제어부(100)와, 상기 바퀴의 회전각으로부터 물류이송로봇의 현재위치를 계산하는 위치 추정부(200)와, 상기 물류이송로봇의 현재위치와 목표위치까지의 거리 및 시간의 경과에 따른 목표 속도궤적을 생성하고, 2차원 평면상에 위치한 물류이송로봇의 목표위치로 변환하는 목표궤적 생성부(300)와, 물류이송로봇의 현재위치와 목표위치의 차이를 0으로 하기 위해, 회전바퀴가 회전해야 하는 목표 회전속도를 계산하는 주행 제어부(400)을 포함한다.

Description

물류이송로봇의 가상 시뮬레이션을 위한 주행특성 가상모델링 방법{DRIVING CHARACTERISTICS MODELING METHOD OF　LOGISTICS ROBOT FOR VIRTUAL SIMULATION}

본 발명은 물류이송로봇의 움직임을 가상으로 모델링하고, 주어진 물류이송 시나리오에 맞춰, 물류이송로봇의 이동을 시뮬레이션하기 위한 가상주행 모델링 시스템에 관한 것이다.

제조공정용 물류이송로봇은 제품의 생산과 자동화를 위하여 원재료, 반제품, 부품, 상품 등의 이송, 이적재를 담당하는 자동화 기기이다. 특히 다품종 복합생산을 가능케 하며, 유연한 생산체계를 가지므로, 스마트 공장에 필수적으로 사용된다.

물류이송로봇은, 무인자동차와 같이 지상을 주행하는 AGV(Automated Guied Vehicle), 기차와 같이 지상에 설치된 레일을 주행하는 RGV(Rail Guied Vehicle), 상공에 설치된 레일을 주행하는 OHV(Overhead Vehicle) 등 다양한 형태가 있다.

한편, 물류이송로봇을 제조현장에 설치할 경우에, 최적의 운행 방안을 찾기 위하여 많은 시간과 노력이 요구된다. 이러한 시간과 노력을 절감하기 위하여, 공정설비에서 물류로봇의 동작을 가상 시물레이션하여 추정해 볼 수 있다.

통상적으로 물류이송로봇은 사다리꼴 속도궤적을 명령으로 인가하여 이를 추정하면서 주행하기는 하지만, 실제의 주행은 사다리꼴 속도궤적을 정확하게 그대로 추종하면서 이루어지지는 않는다. 이의 원인은, 노면의 상태에 따라 바퀴와 노면간의 미끄러짐의 정도가 달라진다는 점, 주행용 서보드라이버의 게인값 튜닝상태에 따라 모터제어기의 회전속도 추종정도가 달라진다는 점 등을 들 수 있다. 따라서, 실제의 물류이송 로봇은 동일한 거리를 여러 회 주행할 경우, 주행할 때마다 주행에 소요되는 시각이 달라지게 된다.

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본 발명은 물류이송로봇의 움직임을 가상으로 모델링하고, 주어진 물류이송 시나리오(상위 서버에서 내려오는 물류이송 명령들)에 맞춰, 물류이송로봇의 이동을 시뮬레이션하기 위한 가상주행 모델링 시스템을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 실제 물류이송로봇의 주행시에 생기는 시간오차를 확률적으로 모델링하여 가상의 물류이송 로봇에 적용하고, 시뮬레이션을 통해 실제의 주행특성을 확인하기 위한 가상주행 모델링 시스템을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 주행 제어부(400)는, 가속구간, 등속구간, 감속구간, 서행구간이 연속적으로 주행하도록 제어될 수 있다.

상기 물류이송로봇의 현재 위치에 따른 주행바퀴의 목표속도는 아래 〈수학식 1〉에 따라 결정된다.

〈수학식 1〉

여기서, 과 은, 각각 과 시간에서의 주행바퀴의 현재위치를 의미하고, 은 k시간에서 바퀴의 목표속도이다.

상기 수학식 1에서, 가우시안 노이즈 함수 의 평균()과 표준편차()는, 물류이송로봇이 일정 목표거리를 가지는 경로를 반복해서 주행하여, 도착할 때까지 걸리는 주행 데이터를 기록한 후, 상기 주행 데이터로부터 물류이송로봇이 등속기간에서 소요한 시간을 측정한 다음, 목표속도와 시간을 곱하여 등속구간에서의 주행거리를 획득하여 주행거리의 평균과 표준편차를 계산된다.

상기 현재위치와 목표위치의 차이는 아래 〈수학식 7〉에 따라 결정될 수 있다.

〈수학식 7〉

본 발명에 따르면, 실제 물류이송 로봇의 주행시에 생기는 시간오차를 확률적으로 모델링하여 가상의 물류이송 로봇에 적용함으로써, 가상의 시뮬레이션을 통해 실제의 물류이송을 최적화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물류이송 로봇의 가상주행 모델링 시스템을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 물류이송로봇의 가상주행을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물류이송로봇의 가상주행 모델링 시스템을 나타낸 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 물류이송로봇의 가상주행 모델링 시스템은, 주행바퀴 제어부(100), 위치 추정부(200), 목표궤적 생성부(300), 및 주행 제어부(400)를 포함한다.

상기 바퀴 제어부(100)는 실제 물류이송로봇에서 바퀴를 구동하는 서보 드라이버의 제어로직을 간략화 또는 근사화하고, 주행 제어부(400)로부터 바퀴의 목표 회전속도(, Desired Velocity)를 입력받아 주행 제어부(400)의 결과값인 바퀴의 회전각(, Actual Position)을 출력한다.

상기 위치 추정부(200)는 바퀴 제어부(100)로부터 바퀴의 회전각()을 입력받아 물류이송로봇의 현재위치()를 계산한다. 물류이송로봇의 현재위치 데이터는 2차원 평면상의 위치인 x좌표(), y좌표()와 회전각()으로 이루어진다. 상기 현재위치 데이터는 주행제어부 및 목표궤적 생성부로 출력된다.

상기 목표궤적 생성부(300)는 현재위치 데이터에 기초하여, 물류이송로봇의 현재위치와 목표위치까지의 거리 및 시간의 경과에 따른 목표 속도궤적을 생성하고 이를 2차원 평면상에 위치한 물류이송로봇의 목표위치()로 변환한다.

상기 주행 제어부(400)는 현재위치 및 목표위치 데이터에 기초하여, 물류이송로봇의 현재위치()와 목표위치()의 차이()를 계산하고, 그 차이를 0으로 만들기 위해 주행바퀴가 회전해야 하는 속도(, 목표 회전속도)를 계산한다.

본 발명에 따른 소프트웨어에 의한 가상주행 모델링 시스템에서, 시간 0에서 시간까지 진행된다고 하면, 소프트웨어에서 시간은 연속적으로 흐르지 않으므로, 사전에 설정된 단위시간()마다 주행 알고리즘 연산을 수행한다. 이때 의 관계가 성립한다. (이때, 은 양의 정수)

물류이송로봇의 현재 위치에 따른 주행바퀴의 목표속도는 아래와 같다.

여기서, 과 은, 각각 과 시간에서의 주행바퀴의 현재위치를 의미하고, 은 k시간에서 바퀴의 목표속도를 의미한다.

만일, 물류이송로봇의 기구부가 좌우에 바퀴가 있는 차륜구동(Differential Drive) 방식인 경우에는 주행바퀴의 현재위치는 좌, 우 바퀴 각각의 회전각으로 표기할 수 있다.

수학식 2에서, ρ는 주행바퀴의 회전각, ρ_l,k는 k 시간에서의 왼쪽 바퀴의 회전각, ρ_r,k는 k시간에서의 오른쪽 바퀴의 회전각을 의미한다. 예컨대, 최초 위치에서 ρ는 zero이고, 한바퀴 회전한 후에는 2pi 라디안(360도), 두 바퀴 회전한 후에는 4pi라디안(720도)이 된다.

수학식 3에서, 는 실제의 서보 드라이버 로직을 간략화하는 대신에, 바퀴와 바닥간의 미끄러짐을 반영하고 실제와 이상적인 상황에서의 주행 차이를 보정하기 위하여 추가되는 가우시안 노이즈 함수(Gaussian Noise Function) 이다. 위 식에서 물류이송로봇이 주행할 때 걸리는 이상적인 소요시간이 라고 할 때, 은 를 단위시간 로 나눈 값이다. ()

상기 가우시안 노이즈 함수의 평균()과 표준편차()는 실제 물류이송로봇의 주행데이터를 통해 얻을 수 있다. 그 절차는 아래와 같다

① 물류이송로봇이 일정 목표거리()를 가지는 경로를 반복(회)해서 주행하도록 하고, 도착할때까지 걸리는 주행데이터(시간별 물류이송로봇의 속도)를 기록한다.

② 주행데이터로부터, 물류이송로봇이 등속구간(목표속도 )에서 소요한 시간()을 측정한다.

③ 목표속도와 시간을 곱하여 등속구간에서의 주행거리(=)를 회 기록하고, 여기에서 주행거리의 평균과 표준편차를 계산한다. 이 평균과 표준편차가 가우시안 노이즈 함수에 적용되는 평균()과 표준편차()를 의미한다.

이와 같은 절차를 거쳐서, 실제 물류이송로봇의 주행특성이 가상의 물류이송로봇의 주행특성에 반영된다.

이하, 현재위치 및 목표위치 데이터를 획득하는 것을 설명한다.

물류이송로봇의 시각 k에서의 실제 위치 벡터를 , 시각 에서 물류이송로봇의 목표위치 벡터를 라 하면, 아래와 같다.

여기서, , , 는 각각 시각 에서 물류이송로봇의 현재위치의 x좌표, y좌표, 회전각을 의미하고, , , 는 각각 시각 에서 물류이송로봇이 추종해야 하는 목표 위치의 x좌표, y좌표, 회전각을 의미한다.

참고로, 수학식 4에서, 좌측식은 위치 추정부에 획득한 현재위치 데이터이고, 우측식은 목표궤적 생성부에서 획득한 목표위치 데이터이다.

여기에, 에 오일러 적분을 적용하면 아래와 같이 로부터 을 구할 수 있다.

수학식 5에서, 는 물류이송로봇의 선속도(Linear Velocity)이고, 는 물류이송로봇의 각속도(Angular Velocity)를 의미하며, 예를 들어 물류이송로봇의 기구부가 좌우에 바퀴가 있는 차륜구동(Differential Drive) 방식인 경우에는 아래 수학식 6과 같이 계산할 수 있다.

수학식 6에서, 은 바퀴의 반지름, 는 바퀴사이의 거리를 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 목표궤적 생성부(300) 및 주행 제어부(400)에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 물류이송로봇의 가상주행을 나타낸 것이다.

물류이송로봇의 아래 그림과 같이, A지점에서 B지점으로 직선경로를 따라 주행하는 경우, 이 직선경로는 가속구간, 등속구간, 감속구간, 서행구간으로 구성되고, 이 4가지 구간은 사전에 설정된 가속도, 등속 속도, 감속도, 서행속도, 서행거리에 따라 정해진다.

도 2에서, A B 지점의 2차원 평면상의 좌표는 사전이 알려져 있고, 시각을 라 할 때 에서 물류이송로봇은 A지점에 있다.

물류이송로봇의 현재위치 와 목표위치 값으로부터 아래와 같이 에러 를 계산할 수 있다.

이때, 주행바퀴의 목표 회전속도 는 아래와 같이 에러 , 현재 위치, 목표 위치 의 함수로 표현할 수 있다. 상기 수학식 7에서, 벡터e는 현재위치와 목표위치와의 차이를 말하는데, e₁은 현재위치의 x좌표값과 목표위치의 x좌표값의 차이, e₂는 현재위치의 y좌표값과 목표위치의 y좌표값의 차이, e₃는 현재위치의 회전각과 목표위치의 회전값의 차이를 말한다.

본 발명에 따른 목표 회전속도는 하기 〈수학식 8〉에 따라 계산된다.

상기 목표 회전속도 함수는 물류이송로봇의 기구 특성에 따라 달라질 수도 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

100 : 주행바퀴 제어부
200 : 위치 추정부
300 : 목표궤적 생성부
400 : 주행 제어부

Claims

물류이송로봇의 바퀴의 회전속도를 입력받아, 바퀴의 회전각을 출력하는 주행바퀴 제어부(100)와,
상기 바퀴의 회전각으로부터 물류이송로봇의 현재위치를 계산하는 위치 추정부(200)와,
상기 물류이송로봇의 현재위치와 목표위치까지의 거리 및 시간의 경과에 따른 목표 속도궤적을 생성하고, 2차원 평면상에 위치한 물류이송로봇의 목표위치로 변환하는 목표궤적 생성부(300)와,
물류이송로봇의 현재위치와 목표위치의 차이를 0으로 하기 위해, 회전바퀴가 회전해야 하는 목표 회전속도를 계산하는 주행 제어부(400)을 포함하는 것을 특징으로 하는 물류이송로봇의 가상주행 모델링 시스템.
상기 주행 제어부(400)는,
가속구간, 등속구간, 감속구간, 서행구간이 연속적으로 주행하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 물류이송로봇의 가상주행 모델링 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 물류이송로봇의 현재 위치에 따른 주행바퀴의 목표속도는 하기 〈수학식 1〉에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 물류이송로봇의 가상주행 모델링 시스템.
〈수학식 1〉

여기서, 과 은, 각각 과 시간에서의 주행바퀴의 현재위치를 의미하고, 은 k시간에서 바퀴의 목표속도이며, 은 물류이송로봇이 주행할 때 걸리는 시간를 단위시간 로 나눈 값이고, 은 가우시안 노이즈 함수이며, 은 평균, 은 표준편차이다.
청구항 3에 있어서,
가우시안 노이즈 함수 의 평균()과 표준편차()는,
물류이송로봇이 일정 목표거리를 가지는 경로를 반복해서 주행하여, 도착할 때까지 걸리는 주행 데이터를 기록한 후,
상기 주행 데이터로부터 물류이송로봇이 등속기간에서 소요한 시간을 측정한 다음,
목표속도와 시간을 곱하여 등속구간에서의 주행거리를 획득하여 주행거리의 평균과 표준편차를 계산하는 것을 특징으로 하는 물류이송로봇의 가상주행 모델링 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 현재위치와 목표위치의 차이는 아래 〈수학식 7〉에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 물류이송로봇의 가상주행 모델링 시스템.
〈수학식 7〉

여기서, e₁은 현재위치의 x좌표값과 목표위치의 x좌표값의 차이, e₂는 현재위치의 y좌표값과 목표위치의 y좌표값의 차이, e₃는 현재위치의 회전각과 목표위치의 회전값의 차이이고, , , 는 각각 시각 에서 물류이송로봇의 현재위치의 x좌표, y좌표, 회전각이고, , , 는 각각 시각 에서 물류이송로봇이 추종해야 하는 목표 위치의 x좌표, y좌표, 회전각이다.