KR20100028376A - 자이로 모멘텀을 이용한 수중로봇 - Google Patents

자이로 모멘텀을 이용한 수중로봇 Download PDF

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KR20100028376A
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한순희
이진성
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전남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 수중로봇에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 네 개의 자이로를 포함하는 피라미드 자이로를 이용하여 별도의 외부 추진기의 사용없이 상기 피라미드 자이로의 모멘텀을 이용하여 자세가 제어되는 자이로 모멘텀을 이용한 수중로봇에 관한 것이다.
자이로, 수중로봇, 모멘텀, 짐벌, 휠

Description

자이로 모멘텀을 이용한 수중로봇{Underwater vehicles controlled by using gyro momentum approach}
본 발명은 수중로봇에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 네 개의 자이로를 포함하는 피라미드 자이로를 이용하여 별도의 외부 추진기의 사용없이 상기 피라미드 자이로의 모멘텀을 이용하여 자세가 제어되는 자이로 모멘텀을 이용한 수중로봇에 관한 것이다.
수중을 탐사하는 수중로봇의 자세제어는 주로 상기 수중로봇의 본체 외부에 부착되는 다수 개의 외부 추진기를 사용하여 이루어졌다.
즉, 종래의 수중로봇은 롤, 피치, 요방향을 포함하여 상하, 좌우, 앞뒤 간의 위치변동이 모두 상기 외부 추진기에 의해 이루어졌다.
따라서, 종래의 수중로봇은 상기 추진기들에 의한 추력의 비선형성과 다수 개의 외부 추진기들을 장착할 경우 추진기의 모델링이 매우 복잡하기 때문에 수중로봇의 자세를 제어함에 있어서 많은 어려움이 있다.
또한, 이러한 외부 추진기는 생태계의 파괴나 수중 생물의 고사 등 환경파괴의 원인이 되고 있다.
특히, 가두리 양식장이나 어장의 경우 외부 추진기의 진동이나 소음 등으로 인해 어류의 양식이 어려운 문제점이 있다.
따라서, 양식장이나 어장의 환경을 관찰하기 위한 수중로봇에 있어서, 자세제어에 진동이나 소음을 보다 줄이고, 해초류나 어류 등의 장애물이 많은 어장환경 및 해저지형을 고려할 때 좁은 공간에서 자세를 변환하고 또한 장애물을 빠르게 회피할 수 있는 수중로봇의 연구가 필요하다.
본 발명자들은 자세제어에 진동이나 소음이 없고, 해초류나 어류 등의 장애물을 빠르게 회피할 수 있는 수중로봇을 개발하기 위해 연구 노력한 결과, 외부 추진기 없이도 정확한 자세제어가 가능한 수중로봇을 얻을 수 있는 기술적 구성을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 수중로봇에 있어서, 외부 추진기의 사용이 없이 자세제어가 가능한 수중로봇을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 물의 흐름과 같은 외부 저항에도 안정적으로 자세제어가 가능한 수중로봇을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수중로봇 본체, 상기 수중로봇 본체의 일정부분에 구비되는 피라미드 자이로 및 상기 피라미드 자이로를 구동시켜 상기 수중로봇 본체의 자세를 제어하는 자이로 제어장치를 포함하며, 상기 피라미드 자이로는 각각 짐벌축을 중심으로 회전하는 짐벌 및 상기 짐벌상에서 상기 짐벌 축과 수직인 휠축을 중심으로 회전하는 휠을 구비하는 네 개의 자이로를 포함하며, 상기 자이로들은 가상의 사각뿔의 밑면의 각 변 중심에 구비되되, 상기 각 짐벌축들이 상기 사각뿔의 옆면과 수직이도록 구비되고, 상기 자이로 제어장치는 상기 각 짐벌 및 휠을 회전시켜 상기 수중로봇 본체를 피치, 요 또는 롤 방향으로 회전하게 하하는 수중로봇을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 자이로 제어장치는 상기 수중로봇 본체의 지령 회전각을 입력받아 오일러 각(θ1, θ2, θ3)을 계산하고, 상기 오일러 각으로부터 쿼터니언(q:quaternion)을 도출하여 제어 토크 입력 벡터(u)를 생성하는 제어 토크 입력 벡터 생성부, 상기 제어 토크 입력벡터(u)에 따른 상기 각 자이로의 각운동량 모멘텀(Hs)이 도출되도록, 상기 휠의 각운동량 모멘텀(h)와 상기 짐벌들의 회전각인 짐벌각(δ=(δ1,δ2,δ3,δ4)T) 간의 함수 h=h(δ)를 미분한 행열(A)인 하기 수학식 1에 의해 상기 각 짐벌들의 짐벌각(δ1,δ2,δ3,δ4) 을 도출하는 짐벌각 도출부 및 및 상기 짐벌각들로 상기 각 짐벌을 회전시키는 짐벌 구동부를 포함하여 이루어진다.
Figure 112008063073045-PAT00001
Figure 112008063073045-PAT00002
바람직한 실시예에 있어서, 상기 자이로 제어장치는 상기 짐벌 구동부에 의해 구동된 상기 각 짐벌들의 실제 회전각을 검출하여 상기 지령 회전각에 더해주는 피드백부를 더 포함하여 이루어진다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 수중로봇에 의하면, 외부 추진기의 사용이 없이 피라미드 자이로의 자이로 모멘텀을 이용하여 자세제어가 가능한 수중로봇을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 수중로봇에 의하면, 물의 흐름과 같은 외란에도 안정적으로 자세제어가 가능한 수중로봇을 얻을 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들(첨부한 도면 및 바람직한 실 시예들)을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중로봇을 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중로봇의 피라미드 자이로를 보여주는 도면이다.
도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중로봇(100)은 수중로봇 본체(110), 피라미드 자이로(120) 및 자이로 제어장치(130)를 포함하여 이루어진다.
상기 수중로봇 본체(110)는 상기 수중로봇(100)의 외부를 규정하는 본체이며, 공지된 잠수함, 잠수정, 무인 잠수함, 자율 수중로봇 등 다양한 형태의 수중을 탐사할 수 있는 수중로봇 본체일 수 있다.
상기 피라미드 자이로(120)는 상기 수중로봇 본체(110)의 일정부분에 구비되고 상기 수중로봇(100)의 자세를 제어하는 구동장치로써, 더욱 상세하게는 상기 수중로봇 본체(110)의 자세를 제어한다.
또한, 상기 피라미드 자이로(120)는 서로 일정한 위치에 구비되는 네 개의 자이로(121,122,123,124)를 포함하며, 상기 각각의 자이로들(121,122,123,124)은 각각의 짐벌축(g)을 중심으로 회전하는 짐벌(121a,122a,123a,124a) 및 상기 짐벌(121a,122a,123a,124a) 상에서 상기 각 짐벌(121a,122a,123a,124a)의 짐벌축(g) 과 수직인 휠축(h)을 중심으로 회전하는 휠(121b,122b,122c,122d)을 포함한다.
또한, 상기 각각의 자이로들(121,122,123,124)은 가상의 사각뿔(a)의 밑면(b)의 각 변에 서로 마주보며 구비되고, 바람직하게는 상기 밑면(b)의 각 변 중앙에 설치된다.
또한, 상기 각 짐벌(121a,122a,123a,124a)의 짐벌축(g)은 상기 사각뿔(a)의 옆면과 수직이도록 구비된다.
즉, 상기 각 휠(121b,122b,122c,122d)들 휠축(h)과 수직인 방향으로 발생하는 토크(t)가 상기 사각뿔(a)의 옆면과 수평이 되도록 구비된다.
다시 말해서, 상기 토크(t)의 벡터가 상기 사각뿔(a)의 옆면 상에 형성되도록 상기 자이로들(121,122,123,124)이 배치된다.
상기 자이로 제어장치(130)는 상기 자이로들(121,122,123,124)을 제어하여 상기 수중로봇 본체(110)를 롤(roll), 피치(pitch) 또는 요(yaw) 방향으로 회전하게 한다.
더욱 자세하게는, 상기 자이로 제어장치(130)는 상기 자이로들(121,122,123, 124)의 짐벌(121a,122a,123a,124a) 및 휠을(122a,122b,122c,122d)을 회전시켜 상기 각 자이로들(121,122,123, 124)에서 발생하는 토크(t) 벡터의 합인 자이로 모멘텀을 발생시켜 상기 수중로봇 본체(110)를 회전하게 한다.
또한, 상기 자이로 제어장치(130)는 제어 토크 입력 벡터 생성부(131), 짐벌각 도출부(132), 짐벌 구동부(133) 및 피드백부(134)를 포함하여 이루어진다.
자세한 설명은 도 3을 참조하여 하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중로봇의 제어 블록도 이다.
도 3을 참조하면, 먼저, 상기 수중로봇(100)의 원하는 회전각인 지령 회전각(δ*)이 상기 제어 토크 입력 벡터 생성부(131)로 입력되면, 상기 제어 토크 입력 벡터 생성부(131)는 상기 지령 회전각(δ*)을 오일러 각 회전을 하여 오일러 각 θ1, θ2, 및 θ3,를 도출한다.
또한, 상기 오일러 각 θ1, θ2, 및 θ3의 최종 행렬은 아래의 수학식 2와 같다.
Figure 112008063073045-PAT00003
여기서, 상기 nn은 상기 지령 회전각(δ*)의 기준 좌표 성분이고 상기 bn은 상대 좌표 성분이다. 또한, 상기 Cn은 상기 상대 좌표의 회전을 정의한 방향 코사인 행렬(DCM:Direction Cosine Matrix)이며 아래의 수학식 3과 같다.
Figure 112008063073045-PAT00004
또한, 상기 제어 토크 입력 벡터 생성부(131)는 상기 오일러 각들(θ1, θ2, θ3) 을 이용하여 아래의 수학식 4와 같이 쿼터니언(q:quaternion)의 각 성분과 주각(φ)을 도출한다.
Figure 112008063073045-PAT00005
Figure 112008063073045-PAT00006
Figure 112008063073045-PAT00007
Figure 112008063073045-PAT00008
Figure 112008063073045-PAT00009
또한, 상기 쿼터니언 성분들은 각속도 벡터 ω(ω1,ω2,ω3)와 아래의 수학식 5와 같은 관계를 가진다.
Figure 112008063073045-PAT00010
Figure 112008063073045-PAT00011
여기서, 상기 수중로봇(100)을 강체로 가정하면 동역학 방정식에 의해 아래의 수학식 6이 성립하며, 상기 제어 토크 입력 벡터(u)가 도출되고, 상기 수중로봇(100) 동체의 각 가속도 벡터(
Figure 112008063073045-PAT00012
)를 얻을 수 있다.
Figure 112008063073045-PAT00013
여기서 상기 J는 강체의 관성모멘트를 나타내는 행렬이고, 상기 ω(ω1,ω2,ω3)는 상기 수중로봇(100) 동체의 각속도 벡터이며, 상기 u(u1,u2,u3)는 제어 토크 입력 벡터를 뜻한다.
상기 짐벌각 도출부(132)는 상기 제어 토크 입력 벡터(u)에 따라 상기 각 짐벌(121a,122a,123a,124a)이 상기 각 짐벌(121a,122a,123a,124a)의 짐벌축(g)을 중심으로 회전하는 각도인 짐벌각(δ1,δ2,δ3,δ4)을 도출한다.
다시 말해서, 상기 짐벌각 도출부(132)는 상기 각 자이로들(121,122,123,124)이 상기 제어 토크 입력 벡터(u)에 상응하는 각운동량 모멘 텀(Hs)을 발생할 수 있도록, 상기 각 자이로들(121,122,123,124)에 구비되는 휠(121b.122b,123b,124b)의 각운동량 모멘텀(h)과 상기 각 짐벌(121a,122a,123a,124a)의 짐벌각(δ1,δ2,δ3,δ4)을 계산하는 것이다.
또한, 상기 짐벌각 도출부(132)가 상기 짐벌각(δ1,δ2,δ3,δ4)을 도출하는 과정을 간단히 설명하면, 먼저, 각 휠(121b.122b,123b,124b)의 각운동량 모멘텀(h=(h1,h2,h3)T )과 상기 각 자이로들(121,122,123,124)의 시스템 전체 각운동량 모멘텀(Hs) 간의 관계는 아래의 수학식 7과 같다.
Figure 112008063073045-PAT00014
또한, 상기 수학식 7을 상기 제어 토크 입력 벡터(u)에 관한 관계식으로 나타내면 아래의 수학식 8과 같다.
Figure 112008063073045-PAT00015
Figure 112008063073045-PAT00016
Figure 112008063073045-PAT00017
또한, 상기 짐벌각(δ1,δ2,δ3,δ4)과 상기 휠(121b.122b,123b,124b)의 각운 동량 모멘텀(h) 간의 함수는 h=h(δ)로 표현할 수 있으며, 이것을 미분하면 아래의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008063073045-PAT00018
Figure 112008063073045-PAT00019
또한, 상기 수학식 9을 상기 피라이드 자이로(120)에 대해 나타내면 상기 행열 A는 아래의 수학식 10과 같다.
Figure 112008063073045-PAT00020
또한, 상기 수학식 10은 정사각행렬이 아니므로 의사 역행렬(pseudo inverse)을 적용하면 상기 짐벌각은 아래의 수학식 11로 도출된다.
Figure 112008063073045-PAT00021
즉, 상기 행렬 A를 알면 상기 제어 토크 입력벡터(u)에 따른 짐벌각(δ)을 도출할 수 있다. 따라서, 상기 도출된 짐벌각(δ)으로 상기 제어 토크 입력벡터(u)에 의한 자세를 제어할 수 있는 것이다.
또한, 상기 행렬 A의 차원이 3보다 작게 되면, 역행렬이 존재하지 않으므로, 이런 특이성을 피하기 위해 아래의 수학식 12와 같이 상기 제어 토크 입력벡터(u)와 상기 각 짐벌각(δ)들을 널 벡터(Null Vector)와 그 가중치 계수(γ)로 정의한다.
Figure 112008063073045-PAT00022
여기서, 상기 K는 u의 계수, 상기 C는 각속도 벡터의 스칼라 계수, 상기 λ와 γ는 가중치 스케일 값을 나타낸다.
또한, 상기 수학식 12에서도 알 수 있듯이 하드웨어 특성 한도 내의 값을 벗어나면 더 이상 증가하거나 감소하지 않는 비선형적인 포화특성(sat)을 반영해 줌으로써 안정적인 자세제어가 가능하게 하였다.
상기 짐벌 구동부(120)는 상기 짐벌각 도출부(132)에서 도출된 짐벌각(δ)으로 상기 피라미드 자이로(120)의 각 짐벌들(121a,122a,123a,124a)을 회전시켜 상기 수중로봇 본체(110)의 자세를 제어한다.
상기 피드벡 부(134)는 상기 수중로봇 본체(100)에 구비되어 상기 수중로봇 본체(100)의 현재 자세를 측정하는 자세측정 센서(도시하지 않음)로부터 상기 수중 로봇 본체(100)의 현재 자세를 입력받아 상기 지령 회전각(δ*)에 피드백해줌으로써 상기 각 짐벌(121a,122a,123a,124a)의 짐벌각(δ)을 보정해준다.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중로봇의 자세 제어 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면들이다.
도 4 및 도 5는 지령 회전각이 작은 경우(5도,4도,-5도)에 상기 수중로봇(100) 회전 자세각(Roll, Pitch, Yaw)과 각 자이로들(121,122,123,124)의 짐벌각(CMG1,CMG2,CMG3,CMG4)의 응답을 보여주는 도면이고, 도 6 및 도 7은 지령 회전각이 큰 경우(10도,20도,30도)에 상기 수중로봇(100) 회전 자세각(Roll, Pitch, Yaw)과 각 자이로들(121,122,123,124)의 짐벌각(CMG1,CMG2,CMG3,CMG4)의 응답을 보여주는 도면이다.
도 4 내지 도 7에서 알 수 있듯이 지령 회전각이 큰 경우(10도,20도,30도)에 지령 회전각이 작은 경우(5도,4도,-5도)와 비교하여 수렴하는 시간이 더 오래 걸리기는 하였으나, 지령 회전각이 작은 경우(5도,4도,-5도)와 지령 회전각이 큰 경우(10도,20도,30도) 모두 안정적으로 수렴하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중로봇(100)의 자이로 제어장치(130)를 작동시키지않고 외부 교란을 인가하였을 때, 상기 수중로봇(100)의 회전 자세각을 보여주는 도면이고, 도 9 및 도 10은 지령 회전각을 10도, 20도 및 30도로 하여 외부 교란을 인가하였을 때 상기 수중로봇(100)의 회전 자세각 및 짐벌각을 보여주는 도면이다.
도 8 내지 도 10에서 알 수 있듯이 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로 제어장치(130)를 작동시키지 않았을 경우, 외부 교란에 의한 상기 수중로봇(100)의 회전 자세각이 시간이 지나도 안정화되지 않는 반면, 상기 자이로 제어장치(130)를 작동시킬 경우, 다소 진동과 오버슈트가 있기는 하나 일정한 시간이 소요된 뒤 상기 수중로봇(100)의 회전 자세각이 안정화되어 감을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중로봇을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중로봇의 피라미드 자이로를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중로봇의 제어 블록도,
도 4 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중로봇의 자세 제어 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면들이다.
본 발명에 따른 도면들에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들에 대하여는 동일한 참조부호를 사용한다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100:수중로봇 110:수중로봇 본체
120:피라미드 자이로 121,122,123,124:자이로
121a,122a,123a,124a:짐벌 121b,122b,123b,124b:휠
130:자이로 제어장치 131:제어 토크 입력벡터 생성부
132:짐벌각 도출부 133:짐벌 구동부
134:피드백 부

Claims (3)

  1. 수중로봇 본체;
    상기 수중로봇 본체의 일정부분에 구비되는 피라미드 자이로; 및
    상기 피라미드 자이로를 구동시켜 상기 수중로봇 본체의 자세를 제어하는 자이로 제어장치;를 포함하며,
    상기 피라미드 자이로는 각각 짐벌축을 중심으로 회전하는 짐벌 및 상기 짐벌상에서 상기 짐벌축과 수직인 휠축을 중심으로 회전하는 휠을 구비하는 네 개의 자이로를 포함하며,
    상기 자이로들은 가상의 사각뿔의 밑면의 각 변 중심에 구비되되, 상기 각 짐벌축들이 상기 사각뿔의 옆면과 수직이도록 구비되고,
    상기 자이로 제어장치는 상기 각 짐벌 및 휠을 회전시켜 상기 수중로봇 본체를 롤, 피치 또는 요 방향으로 회전하게 하는 것을 특징으로 하는 수중로봇.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자이로 제어장치:는
    상기 수중로봇 본체의 지령 회전각을 입력받아 오일러 각(θ1, θ2, θ3)을 계산하고, 상기 오일러 각으로부터 쿼터니언(q:quaternion)을 도출하여 제어 토크 입력 벡터(u)를 생성하는 제어 토크 입력 벡터 생성부;
    상기 제어 토크 입력벡터(u)에 따른 상기 자이로의 각운동량 모멘텀(Hs)이 도출되도록, 상기 휠의 각운동량 모멘텀(h)와 상기 짐벌들의 회전각인 짐벌각(δ=(δ1,δ2,δ3,δ4)T) 간의 함수 h=h(δ)를 미분한 하기 수학식 12에 의해 상기 각 짐벌들의 짐벌각(δ1,δ2,δ3,δ4) 을 도출하는 짐벌각 도출부; 및
    상기 짐벌각들로 상기 각 짐벌을 회전시키는 짐벌 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중로봇.
    Figure 112008063073045-PAT00023
    Figure 112008063073045-PAT00024
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 자이로 제어장치는 상기 짐벌 구동부에 의해 구동된 상기 각 짐벌들의 실제 회전각을 검출하여 상기 지령 회전각에 더해주는 피드백부를 더 포함하는 것 을 특징으로 하는 수중로봇.
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