KR20020066020A - 자이로를 이용한 전동식 무인 자전거 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전륜지지대(11), 후륜지지대(12), 페달지지대(13), 상하부연결대(14)(15) 등의 프레임을 구비하는 자전거에 있어서: 상기 전륜지지대(11)에 기어 등의 전동기구(22)를 개재하여 연결되고, 배터리(26)의 전기력을 모터의 회전력으로 변환하는 핸들구동기(21); 상기 페달지지대(13) 하단의 페달축에 연결되고, 배터리(26)의 전기력을 모터의 회전력으로 변환하는 페달구동기(23); 상기 프레임의 자세 변화에 따른 신호를 발생하도록 상기 상부연결대(14) 상에 설치되는 자이로(24); 사용자의 발을 지지하도록 상기 하부연결대(15)에 장착되는 발판(25); 및 상기 자이로(24)의 신호에 따라 상기 핸들구동기(21) 및 페달구동기(23)를 구동하여 자동으로 주행하기 위한 알고리즘을 수행하는 제어기(28)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 전기력에 의한 페달의 자동구동과 핸들의 자동조향을 수행하여 운동 기능에 부가적으로 주행의 편리성도 향상하는 효과가 있다.

Description

자이로를 이용한 전동식 무인 자전거{Unmanned Electric Bicycle using a Gyro}
본 발명은 전동식 무인 자전거에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기력에의한 페달의 자동구동과 핸들의 자동조향을 수행하여 주행의 편리성을 향상하는 자이로를 이용한 전동식 무인 자전거에 관한 것이다.
일반적으로, 자전거는 사람이 페달을 밟아서 구동을 하고 양손으로 방향을 조정하여 원하는 방향으로 이동하게 되는데, 가격이 저렴하여 많은 사람들이 용이하게 이용할 수 있는 반면 오르막길을 주행하거나 짐이 무거울 때 상당한 체력을 요하고 속도가 떨어진다는 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위한 방법으로 페달을 밟는 수동구동 방식 대신 연료를 사용하여 구동하는 오토바이가 이용되기도 한다. 그러나 이는 사람이 힘을 들이지 않고도 오르막길을 쉽게 오르고 빠른 속도를 낼 수 있는 반면 별도로 면허를 소지해야 할 뿐 아니라 자동차와 같이 고속이기 때문에 심각한 사고가 다발되는 단점이 있다.
또한, 오토바이는 자전거에 비하여 가격이 월등히 고가이면도 자전거와 같은 운동에 의한 건강증진의 효과를 기대할 수 없다.
그러므로 자전거와 오토바이의 장점을 취하면서 남녀노소가 별다른 기술의 습득없이 쉽게 이용할 수 있는 운송 및 운동장치를 개발하는 것이 실용상의 가장 중요한 관건으로 된다.
그러므로 본 발명의 목적은 상기한 점에 착안하는 것으로서, 전기력에 의한 페달의 자동구동과 핸들의 자동조향을 수행하여 운동 기능에 부가적으로 주행의 편리성도 향상하는 자이로를 이용한 전동식 무인 자전거를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 자전거를 기능 블록과 함께 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 자전거의 주요 회로 연결상태를 나타내는 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 주요 회로의 실제 구성예를 나타내는 회로도,
도 4는 자전거의 운동 방정식을 유도하기 위한 도식도,
도 5는 본 발명에 따른 마이콤 제어를 나타내는 플로우차트.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
14, 15 : 상하부연결대16 : 체인기구
21 : 핸들구동기22 : 전동기구
23 : 페달구동기24 : 자이로
25 : 발판26 : 배터리
28 : 제어기
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전륜지지대(11), 후륜지지대(12), 페달지지대(13), 상하부연결대(14)(15) 등의 프레임을 구비하는 자전거에 있어서: 상기 전륜지지대(11)에 기어 등의 전동기구(22)를 개재하여 연결되고, 배터리(26)의 전기력을 모터의 회전력으로 변환하는 핸들구동기(21); 상기 페달지지대(13) 하단의 페달축에 연결되고, 배터리(26)의 전기력을 모터의 회전력으로 변환하는 페달구동기(23); 상기 프레임의 자세 변화에 따른 신호를 발생하도록 상기 상부연결대(14) 상에 설치되는 자이로(24); 사용자의 발을 지지하도록 상기 하부연결대(15)에 장착되는 발판(25); 및 상기 자이로(24)의 신호에 따라 상기 핸들구동기(21) 및 페달구동기(23)를 구동하여 자동으로 주행하기 위한 알고리즘을 수행하는 제어기(28)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징으로서, 상기 제어기(28)는 자동모드로 선택되는 동안 주기적으로 자이로(24)의 출력을 수신하여 그 값이 제로이면 상기 페달구동기(23)로만 소정의 출력을 발생하고, 제로가 아니면 상기 핸들구동기(21)에도 동시에 소정의 출력을 발생한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 자전거를 기능 블록과 함께 나타내는 구성도이다.
본 발명은 전륜지지대(11), 후륜지지대(12), 페달지지대(13), 상하부연결대(14)(15) 등의 프레임을 구비하는 자전거에 관련되는 바, 종래의 자전거처럼 직접 타고 수동으로 조작하는 것에 반해 자이로 및 제어이론을 응용한 자세를 제어함으로서 자동주행을 가능하게 한다.
본 발명에 따르면 배터리(26)의 전기력을 모터의 회전력으로 변환하는 핸들구동기(21)가 상기 전륜지지대(11)에 기어 등의 전동기구(22)를 개재하여 연결된다. 전륜지지대(11)는 전륜의 조향을 위해 상부연결대(14) 및 하부연결대(15)의 전방단에 회전 가능하게 연결된다. 핸들구동기(21)는 모터를 내장하며 고정부재인 상부연결대(14) 또는 하부연결대(15)에 장착된다. 한 쌍의 기어로 전동기구(22)를 구성하는 경우 일측 기어는 핸들구동기(21)에 내장된 모터에 고정되고 타측의 기어는 전륜지지대(11)와 동심축 상에 고정된다. 이에 따라 모터에 전원이 인가되면 전륜지지대(11)가 자동으로 조향되며, 전원이 인가되지 않으면 수동으로 조향하는 것도 가능하다.
또, 본 발명에 따르면 배터리(26)의 전기력을 모터의 회전력으로 변환하는 페달구동기(23)가 상기 페달지지대(13) 하단의 페달축에 연결된다. 페달구동기(23)의 구성은 전술한 핸들구동기(21)와 동일하다. 연결에 있어서 전술한 핸들구동기(21)의 전동기구(22)와 동일한 방식을 사용할 수도 있고, 페달축에 모터 코일을 구성하여 직동하는 방식을 택할 수도 있다. 후자의 경우 모터의 축을 양측으로 연장하고 그 양단에 페달을 결합한 다음 그 결합체를 다시 페달지지대(13)의 하단에 설치하는 것을 의미한다.
이와 같이 본 발명에서 핸들과 페달을 제어하기 위한 2개의 모터는 서보모터이며 이는 각각 핸들구동기(21) 및 페달구동기(23)에 의해 제어된다. 배터리(26)는 일반적인 소자의 전원 5V와 모터의 구동전원 9V가 필요로 된다. 자동주행 모드에서의 토크와 속도는 배터리(26)의 용량에 의해 좌우된다.
또, 본 발명에 따르면 상기 프레임의 자세 변화에 따른 신호를 발생하도록 상기 상부연결대(14) 상에 자이로(24)가 설치된다. 자전거는 2개의 바퀴로 무게 중심을 잃기 쉽기 때문에 주행에 의한 관성력이 없으면 넘어질 수밖에 없다. 자이로(24)는 물체의 기울기를 감지하며, 후술하는 제어기(28)는 이 기울기에 대해서 보상을 하게 된다. 일예로, 자이로(24)는 주로 RC 모형 헬리콥터의 자세제어에 쓰이는 자이로 센서를 사용할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 사용자의 발을 지지하도록 하부연결대(15)에 발판(25)이 장착된다. 발판(25)은 자동주행 모드에서 페달에 두 발을 두지 않기 위한 기능으로서 중량을 줄이도록 플라스틱 소재를 사용한다.
도 2는 본 발명에 따른 자전거의 주요 회로 연결상태를 나타내는 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 주요 회로의 실제 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 2에서, 본 발명에 따른 제어기(28)는 자이로(24)의 신호에 따라 상기 핸들구동기(21) 및 페달구동기(23)를 구동하여 자동으로 주행하기 위한 알고리즘을 수행하기 위해 마이크로프로세서를 필수적으로 구비한다. 일예로, 도 3에는 마이크로프로세서로 32bit 컨트롤러인 TMS320C240F를 이용하여 시스템을 제어하는 것이 도시된다. 부호 21a의 핸들 모터 및 부호 23a의 페달 모터는 엔코더가 함께 장착되며, 이 엔코더를 통하여 모터의 회전속도를 정밀하게 제어한다. 핸들구동기(21) 및 페달구동기(23)는 모터 구동 모듈(Motor Drive Module)이라고 할 수 있으며, 서보모터를 제어기(28)의 마이크로프로세서 및 전원부와 상호 연결하는 인터페이스 회로로 구성된다. 제어기(28)에 의한 핸들구동기(21) 및 페달구동기(23)의 구동은 PWM 방식을 택한다.
이와 같이 자이로(24) 센서는 이동체의 위치, 자세등에 관한 정보를 제공하며, 이렇게 제공된 핸들의 위치와 자세정보는 제어기(28)의 입력으로 전달된다. 자이로(24)의 정보는 아날로그 신호로 출력되므로 이 정보를 마이크로프로세서에서 사용하기 위해서는 디지털 신호로 변환시켜야 하며 이를 위해 TMS320C240F에 내장되어 있는 A/D 변환기에 연결하여 디지털 신호를 얻는다. 자이로(24)에서 나오는 아날로그 신호는 미세하기 때문에 증폭회로를 이용하여 전압을 증폭하며 증폭된 신호는 TMS320C240F의 A/D 변환기 포트로 입력된다. 참고로 도 3처럼 자이로(24)의 신호를 인터페이스하는 부분에서 증폭기는 AMP-02 모델을 사용하고, VR1=1KΩ, R1=2KΩ, R2=270Ω, C1=104, C2=0.005μF을 적용할 수 있다.
한편, 도시에는 생략되었으나, 제어기(28)에는 전원을 투입하는 메인 스위치, 수동 및 자동 주행을 선택하는 스위치 등이 구비된다.
이와 같은 구성으로 본 발명의 목적을 실현하기 위해 핸들과 페달의 운동방정식과 동력방정식을 유도하고, 이렇게 유도된 동력방정식을 풀고, 안정도를 해석하고, 제어법칙을 이용하여, 무인운전을 할 수 있도록 해야한다.
도 4는 자전거의 운동 방정식을 유도하기 위한 도식도가 도시된다.
직각 좌표계(x, y, z)를 이용한 3차원 그림에서 부호 RW은 자전거의 뒷바퀴를, FW은 자전거의 앞바퀴를 나타낸다. 여기에서, 조향은 자전거의 앞바퀴를 이용하므로는 시간에 따라서 변하는 조향각, r 은 자전거의 반지름,는 자전거가 서있는 z축 방향에서 지면으로 넘어지는 경사각도,는 자전거가 회전하는 각속도, d 는 자전거 앞바퀴 중심과 뒷바퀴 중심 사이의 거리,는 자전거가 x축과 이루는 각도, h 는 자전거의 높이를 의미한다. 경사각도=0°이면 자전거는 똑바로 서 있는 것이고,=90°는 완전히 땅으로 누워있는 상태라고 볼 수 있다.
이에 의해 운동방정식을 유도하면 수학식1과 같이 된다.
수학식1의 운동방정식으로부터 수학식2와 같은 동력방정식이 나온다.
수학식2의 동력방정식은 수학식3과 같은 상태 방정식으로 표현될 수 있다.
수학식3과 같은 상태방정식에 수학식4의 입력을 제공한다.
수학식4를 수학식3에 대입하면 수학식5와 같은 상태방정식이 도출된다.
시스템이 안정한지를 판단하기 위해서 리아푸노프(Lyapunov) 후보함수를 수학식6과 같이 정하고 나서 풀게되면 시스템이 가장자리 안정(marginally stable)함을 알 수 있으며 시간 미분은 0이 된다.
이에 따라 수학식7과 같은 학습적인(heuristic) 제어 전략을 제안하며, 자전거가 가장 짧은 경로에서 넘어지지 않고 세우기 위한 제어법칙은 수학식8과 같이 된다.
if
= 0 if
if
= 0 if
사람이 운전하지 않는 상태에서 넘어지지 않도록 스스로 중심을 잡는 제어 알고리즘은 운동방정식과 동력방정식으로부터 유도하고, 슬라이딩 모드 제어의 스턱현상과 슬라이딩 패치라는 최근의 이론을 적용하고, Lyapunov 함수후보로 안정도를 판별하며, 최적제어 알고리즘을 적용하여 최소한의 거리이동으로 자전거를 세울 수 있는 이론을 구현한다.
도 5는 본 발명에 따른 마이콤 제어를 나타내는 플로우차트가 도시된다.
메인 스위치를 온하면 제어기(28)에 전원이 투입되어 초기화가 수행되고 선택 스위치의 입력을 기다린다. 선택 스위치를 자동모드에 두면 자이로(24) 센서의 입력이 증폭 및 A/D 변환되고 마이크로프로세서가 그 값에 따라 핸들구동기(21) 및 페달구동기(23)로 소정의 제어 출력을 보내는 과정이 반복적으로 수행된다. 제어 출력은 전술한 수학식들로 표현되는 프로그램에 의해 정해지는 값이다.
이때 본 발명에 따른 제어기(28)는 자동모드로 선택되는 동안 주기적으로 자이로(24)의 출력을 수신하여 그 값이 제로이면 상기 페달구동기(23)로만 소정의 출력을 발생하고, 제로가 아니면 상기 핸들구동기(21)에도 동시에 소정의 출력을 발생한다. 자이로(24)의 출력이 제로로 되는 동안은 자전거가 기울어지지 않은 상태이므로 핸들구동기(21)의 출력은 정지된다. 반면 페달구동기(23)의 출력은 자동모드인 동안 계속적으로 유지되며 별도의 속도조절 스위치에 의해서만 그 크기가 증감되지만, 경우에 따라서 돌발적인 도로상황이 발생하면 핸들구동기(21)와 연동하여 순간적으로 증속시켜 자전거를 신속히 바로 세울 수 있다.
이러한 제어 플로우는 선택 스위치를 수동으로 두거나 메인 스위치를 오프하면 중지된다.
이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 전기력에 의한 페달의 자동구동과 핸들의 자동조향을 수행하여 운동 기능에 부가적으로 주행의 편리성도 향상하는 효과가 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (2)

  1. 전륜지지대(11), 후륜지지대(12), 페달지지대(13), 상하부연결대(14)(15) 등의 프레임을 구비하는 자전거에 있어서:
    상기 전륜지지대(11)에 기어 등의 전동기구(22)를 개재하여 연결되고, 배터리(26)의 전기력을 모터의 회전력으로 변환하는 핸들구동기(21);
    상기 페달지지대(13) 하단의 페달축에 연결되고, 배터리(26)의 전기력을 모터의 회전력으로 변환하는 페달구동기(23);
    상기 프레임의 자세 변화에 따른 신호를 발생하도록 상기 상부연결대(14) 상에 설치되는 자이로(24);
    사용자의 발을 지지하도록 상기 하부연결대(15)에 장착되는 발판(25); 및
    상기 자이로(24)의 신호에 따라 상기 핸들구동기(21) 및 페달구동기(23)를 구동하여 자동으로 주행하기 위한 알고리즘을 수행하는 제어기(28)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자이로를 이용한 전동식 무인 자전거.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(28)는 자동모드로 선택되는 동안 주기적으로 자이로(24)의 출력을 수신하여 그 값이 제로이면 상기 페달구동기(23)로만 소정의 출력을 발생하고, 제로가 아니면 상기 핸들구동기(21)에도 동시에 소정의 출력을 발생하는 것을 특징으로 하는 자이로를 이용한 전동식 무인 자전거.
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