KR20100088304A

KR20100088304A - 다중센서가 장착된 이륜역진자형 이동장치

Info

Publication number: KR20100088304A
Application number: KR1020090007441A
Authority: KR
Inventors: 슬 정; 이형직
Original assignee: 충남대학교산학협력단
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-08-09
Also published as: KR101065808B1

Abstract

본 발명은, (A) 몸체부: (B) 상기 몸체부의 하부 양측에 회동가능하게 결합된 한 쌍의 바퀴; 상기 한 쌍의 바퀴를 독립적으로 구동하는 한 쌍의 구동모터;를 포함하는 구동수단부: (C) 상기 몸체부에 장착되어 몸체의 균형을 감지하는 균형감지센서; 상기 균형감지센서로부터 전달된 몸체의 균형정보를 프로세싱하여 역진자운동 하도록 상기 구동모터로 작동신호를 전달하는 제어부;를 포함하는 감지-제어부: (D) 외부로부터의 이동지시 정보를 입력받아 상기 감지-제어부에 전달하는 입력부: 및 (E) 상기 각 구성부에 전원을 공급하는 전원부:를 포함하는 것을 특징으로 하는 이륜역진자형 이동장치에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 저렴한 각도측정용 센서를 적용하더라도 평형 및 이동을 정밀하게 제어할 수 있는 이륜역진자형 이동장치를 경제적으로 제작할 수 있다.

역진자, 로봇, 이동장치, 이동시스템, 센서, 복합센서, 틸트센서, 자이로센서, 필터

Description

다중센서가 장착된 이륜역진자형 이동장치{Mobile Two-wheeled Inverted Pendulum System Having Multiple Sensors}

본 발명은 균형감지센서가 내장되어 역진자운동을 하면서 정지 및 이동(주행)을 할 수 있는 이륜역진자형 이동장치에 관한 것이다.

최근 JOE나 Segway라고 불리는 모바일 로봇이 각광을 받고 있으면서 이륜역진자(two wheeled Inverted pendulum) 시스템의 연구가 활발히 진행되고 있다. 이륜역진자시스템은 몸체의 움직임과 각도를 측정하여 균형을 유지하는 장치를 말한다.

이륜역진자시스템과 지면의 각도를 일정하게 유지하는데 정확한 각도 측정이 매우 중요하다. 종래 이륜역진자 장치에는 각도측정용 센서로 틸트(tilt; 각도)센서, 가속도센서, 자이로(gyro; 각속도)센서가 단독으로 또는 틸트센서-가속도센서 혼용으로 적용되어 왔다. 그러나 종래 틸트센서는 안정화 상태(steady state)에서의 특성은 좋지만 반응속도가 느리고, 빠른 주파수에서 불안정한 단점을 보인다. 각속도센서는 틸트센서와 혼용으로 사용시 매우 정확하고 안정적인 특성을 보이지만, 워낙 고가이기 때문에 항공기, 인공위성이나 우주선의 평형유지를 위한 센서로 사용되고 있어 상대적으로 저가인 역진자형 이동장치에 적용하기에는 경제성이 거의 없는 것이 현실이다. 반면에 각속도를 측정하는 자이로센서는 가격이 저렴하고 동력학적 특성이 좋지만 각속도를 측정할 때 적분에 의해서 편차(drift)가 발생한다는 단점이 있다.

본 발명은 전술한 종래의 이륜역진자시스템의 각도기술적인 한계를 극복하기 위해 안출된 것으로, 저렴한 센서를 이용하여 정교하게 제어될 수 있는 이륜역진자형 이동장치를 제공하고자 한다.

전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은, (A) 몸체부: (B) 상기 몸체부의 하부 양측에 회동가능하게 결합된 한 쌍의 바퀴; 상기 한 쌍의 바퀴를 독립적으로 구동하는 한 쌍의 구동모터;를 포함하는 구동수단부: (C) 상기 몸체부에 장착되어 몸체의 균형을 감지하는 균형감지센서; ① 하기 입력부로부터의 이동지시 정보를 전달받은 경우에는 상기 이동지시 정보와, 상기 균형감지센서로부터 전달된 몸체의 균형정보를 프로세싱하여 상기 몸체가 상기 한 쌍의 바퀴가 이루는 가상의 중심축 에 대하여 역진자운동을 하면서 이동하도록 상기 구동모터로 작동신호를 전달하고, ② 하기 입력부로부터의 이동지시 정보가 없는 경우에는 상기 균형감지센서로부터 전달된 몸체의 균형정보만을 프로세싱하여 역진자운동만 하도록 상기 구동모터로 작동신호를 전달하는 제어부;를 포함하는 감지-제어부: (D) 외부로부터의 이동지시 정보를 입력받아 상기 감지-제어부에 전달하는 입력부: 및 (E) 상기 각 구성부에 전원을 공급하는 전원부:를 포함하는 것을 특징으로 하는 이륜역진자형 이동장치에 관한 것이다.

본 발명에서 "이동장치"라 함은 통상의 이동장치일 수도 있고, 로봇일 수도 있는 개념이다. 이하 같다.

본 발명에서 상기 균형감지센서는, 틸트센서와 자이로센서로 이루어진 복합센서인 것이 바람직하다.

이때, 제어부는, 상기 균형감지센서로부터 전달된 (몸체의 균형정보인) 몸체 각도정보 및 몸체 각속도정보를 보상필터 및 칼만(Kalman)필터로 프로세싱하여 실제 몸체의 각도를 도출하도록 한다.

구체적으로 상기 감지제어부에 의한 프로세싱은 다음과 같이 이루어질 수 있다. 먼저, 자이로센서 및 틸트센서로부터 각각 출력된 각속도와 각도 출력값에서 각 센서의 평형상태 오프셋(offset)값으로 차감한 후 각 보정계수(scale factor)를 곱하여 각도 정보를 구해낸다. 자이로 센서에서 검출된 각도 정보는 고주파 통과필터(high pass filter)를 통하고 틸트 센서에서 검출된 각도 정보는 저주파 통과 필터(low pass filter)를 거쳐 합해진다. 합해진 각도는 칼만 필터를 통과하게 된다.

한편, 본 발명에서 상기 입력부는, 상기 몸체부와 분리되어 상기 감지-제어부와 유선 또는 무선통신 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 이륜역진자형 이동장치에 예컨대 로봇기능을 부가할 수 있다. 이를 위하여, ① 상기 몸체부에는 상기 입력부의 동작지시 정보에 의해 동작하는, 구동모터 및 동작장치 쌍으로 이루어진 기능동작부 가 하나 또는 둘 이상 추가되며, ② 상기 입력부는 외부로부터의 기능동작부 동작지시 정보를 입력받아 상기 감지-제어부에 전달하는 기능이 추가되며, ③ 상기 감지-제어부는 상기 동작지시 정보를 전달받아 역진자운동 및 이동하면서 동작하거나, 역진자운동하면서 동작하도록 상기 각 구동모터로 작동신호를 전달하는 기능이 추가될 수 있다.

로봇기능을 부가할 경우 몸체의 상하가 상호 독립적으로 회전되도록 할 수 있다. 이를 위하여, ① 상기 몸체부는, 상체와 하체가 회전가능하도록 결합되어 있고, 상기 상체의 회전을 위한 구동모터가 추가되며, ② 상기 입력부는 외부로부터의 상기 상체의 회전지시 정보를 전달받아 상기 감지-제어부에 전달하는 기능이 추가되며, ③ 상기 감지-제어부는 상기 회전지시 정보를 전달받아 역진자운동 및 이동하면서 상체가 회전하거나, 역진자운동하면서 상체가 회전하도록 상기 각 구동모터로 작동신호를 전달하는 기능이 추가될 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 정밀한 균형, 이동 및 작동이 가능한 이륜역진자형 이동로봇을 제작하는 것이 가능하다. 또한 이러한 이동장치 또는 로봇의 제작과 조작을 통해 다양한 형태의 제어기 설계능력을 배양할 수 있는 게임 및 학습용으로 활용할 수 있게 된다.

이하 첨부된 도면과 사전실험 및 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 도면과 사전실험 및 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

본 발명의 명세서에 기재된 사전실험 및 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되지는 아니하며, 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. 하기 실시예에서는 이륜역진자형 이동장치를 제작하여, 유선, 무선 및 유무선 복합기능이 가능하도 록 구성되도록 하였고 하드웨어적인 구성의 추가나 변형을 통해 다양한 형태와 동작이 가능한 운송수단 또는 로봇을 제작할 수 있다. 또한 팔이나 다리, 머리 등 다양한 기능동작부를 장착하여 다양한 동작이 수행될 수 있도록 하는 것도 가능하다.

<사전실험>

1. 센서의 각도인식 특성 테스트

감지-제어부를 이루는 균형감지센서로서 틸트센서와 자이로센서를 선택하고 이를 테스트용 진자운동체에 장착한 후, 상기 센서들의 각도인식 특성을 분석하였다.

테스트용 진자운동체의 개념적 구성을 도 1에 도시하였다. 테스트용 진자운동체는, 도시된 바와 같이, 기어가 부착된 모터와 1바퀴 2000펄스의 엔코더가 장착되어 있고, 모터에 연결된 축(봉) 끝에 틸트센서(DAS사의 SA1 센서)와 자이로센서(Murata사의 ENV-05G)가 나란히 배치된 것이다. 상기 틸트센서 및 자이로센서는 각각 각도와 각속도 값을 아날로그로 출력하므로, DSP2812의 A/D converter 모듈(TI사)을 이용하여 디지털로 전환된 값을 평행상태의 오프셋(offset) 값으로 빼주고 보정계수(scale factor)를 곱하여 현재의 각도 및 각속도를 측정하여 상기 엔코터에서 측정된 각도 및 각속도와 비교하였다.

를 원하는 각도로 하여 PID 제어기를 통해 모터의 각도를 제 어하고 주파수를 0~6Hz로 변화시키면서 센서특성, 즉 엔코더에 의한 각도를 기초값(Reference)으로 하여 각 센서의 각도인식 특성을 비교하였다(도 2). 첨부된 그래프에서 볼 수 있듯이, 자이로센서의 경우 낮은 주파수에서 심한 편차(drift) 현상이 나타나며, 일정 주파수(2Hz) 이상에서는 인식특성이 크게 악화되었다. 또한 틸트센서는 낮은 주파수에서는 정확한 값을 나타내지만 높은 주파수에서는 인식특성이 점차 악화되었다.

2. 필터의 설계

상기 1에서 확인된 센서들의 문제점을 해결하기 위하여 필터를 설계하여 적용하고 그 효과를 테스트하였다.

(1) 보상필터

다음과 같은 방식으로 보상필터를 설계하였다.

보상필터는 <식 1>이 만족되어야 한다.

<식 1>

{여기서 H _t (S), H _g (S)는 각각 틸트센서와 자이로센서의 전이함수(transfer function)이고, F _t (S), F _g (S)는 각각 틸트센서와 자이로센서의 보상필터 함수이다.}

실험을 통해 낮은 주파수에서의 H _t (S)와, 높은 주파수에서의 H _g (S)를 <식 2> 와 같이 모델링 하여 보상필터의 형태로 각각 <식 3> 및 <식 4>를 도출하였다.

<식 2>

<식 3>

<식 4>

{여기서, s는 라플라스 연산자이고, τ는 시상수이다.}

상기 식을 보면, H _t (S)는 저주파 통과 필터이고, F _g (S)는 고주파 통과 필터이다.

필터의 값을 변화시키면서 안정된 각도 출력을 찾은 결과 τ 는 0.5로 설정하였다.

(2) 칼만(Kalman)필터

자이로센서의 상태모델링(state modeling)은 식 (5) 및 (6)과 같다.

<식 5>

<식 6>

{여기서,

, Random variable

,

는 각각 process 그리고 measurement noise이다.}

칼만 필터의 업데이트는 다음 식 (7)~(11)과 같은 순서로 하였다.

Time update:

<식 7>

<식 8>

Measurement update:

<식 9>

<식 10>

<식 11>

{여기서, Q는 프로세스 잡음, R은 측정 잡음의 공분산 행렬이다}

(3) 복합필터의 적용

전술한 보상필터에 칼만필터를 추가적용하여 센서의 인식특성을 더욱 정밀하게 보정할 수 있도록 도 3에 도시된 바와 같은 흐름으로, 각 센서에서 출력된 수치를 필터로 처리하여 실제값에 더욱 가까운 수치가 되도록 보정하였다.

즉, 각각의 출력된 인식값(sensor data)를 평형상태의 오프셋(offset) 값으로 빼주고, 보정계수(scale factor)를 곱함으로써 각속도와 각도를 측정하고, 이에 보상필터와 칼만필터를 적용함으로써 실제각도를 추정하였다.

3. 필터가 적용된 균형감지센서의 특성 테스트

전술한 필터를 적용하여 테스트용 진자운동체에서의 틸트센서와 자이로센서의 특성을 분석하였다.

도 4~6에 축의 진동 주파수 0.1Hz일 때 필터적용되지 않은 틸트센서의 특성(도 4), 자이로센서의 특성(도 5) 및 필터적용시의 각도인식특성(도 6)을, 도 7~9에 주파수 2Hz일 때 필터적용되지 않은 틸트센서의 특성(도 7), 자이로센서의 특성(도 8) 및 필터적용시의 각도인식특성(도 9)을 각각 도시하였다.

결과 필터가 적용된 경우 엔코더의 인식값과 매우 유사한 만족한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

4. 운동역학(mobile kinematics) 분석

이륜역진자형 이동장치의 운동역학은 일반적으로 도 10처럼 도식화하여 설명될 수 있다. 도면에서 r 은 바퀴의 반지름, L 은 바퀴 사이의 거리,

는 이동장치의 속도, φ _m 는 회전 각도를 나타낸다.

이때 이동장치의 속도

와 각속도

는 식 (12)~(14)의 과정으로 구할 수 있다.

<식 12>

<식 13>

<식 14>

{여기서,

,

는 각 바퀴의 선속도이다.}

이동장치의 속도

를 이용하여 x, y 축 상의 이동장치의 속도를 식 (15)~(17) 과정으로 구할 수 있다.

<식 15>

<식 16>

<식 17>

위의 식 (17)로부터 이동장치의 무게중심에서의 속도를 구하면 식 (18)을 얻을 수 있고, 다시 식 (17)과 (18)을 정리하면 식 (19)와 같이 이동장치의 운동역학(mobile kinematics)을 구할 수 있다.

<식 18>

<식 19>

5. 제어방식 설계

이륜역진자형 이동장치(로봇)의 균형과 위치를 제어하기 위해서는, 이동장치의 각도 이외에도 정확한 이동거리가 측정해야 할 중요한 요소이다. 이동장치가 실제 이동한 거리는 각 바퀴의 회전에 진자(이동장치)의 각도를 고려하여 구한다.

본 실시예에서는 도 11에 도시된 바와 같은 흐름으로, 이동장치 양 바퀴의 회전과 진자의 각도에 이동장치의 운동역학을 적용하여 이동장치의 위치, 속도, 회전, 회전속도를 측정하였다. 엔코더 측정값은 바퀴의 위치정보와 속도정보에 사용되고 자이로와 틸트 센서 측정값은 균형각과 각속도 보정에 사용된다.

이동장치의 균형을 유지하면서 동시에 그 위치를 제어하기 위해서 도 12에 도시된 바와 같은 제어블록을 구성하였고, 구체적으로 양 바퀴의 토크를 식 (20) 및 (21)에 의하여 구하였다.

<식 20>

<식 21>

원하는(desired) 각도

와 각속도

는 항상 0으로 하였고, 이동장치의 회전에 따라

와

을 설정하였다. 또한 원하는(desired) 위치 χ _md 를 설정함으로써 원하는 위치에서 균형잡을 수 있도록 하였다.

<실시예>

1. 이륜역진자형 이동장치(이동로봇)의 제작

전술한 사전실험에서 제작한 균형감지센서(DAS사의 SA1 틸트센서, Murata사의 ENV-05G 자이로센서, TI사의 DSP2812의 A/D converter 모듈로 구성; 도 13 참 조)에 사전실험에서 확정한 필터를 적용하고 이를 이용하여 이륜역진자형 이동장치를 제작하였다.

이동장치는, 바퀴 사이의 거리 L=0.33[m], 바퀴의 반지름 r=0.55[m] 로 하였고, motor driver는 LM18200을 이용하였고, 기어비 1/17의 24V motor를 적용하였다(도 14).

2. 이륜역진자형 이동장치(이동로봇)의 운동역학 테스트

위에서 제조한 이륜역진자형 이동장치에 대하여, 센서 sampling 주파수를 500Hz로, control 주파수를 100Hz로 하여 이동장치의 각도유지, 위치추종 실험을 수행하였다. 실험을 통해 안정적인 gain 을 설정하였다.

상기 이동장치를, 0.8m의 원 경로를 30초에 한 바퀴 돌도록 설정(입력)하고, 이동장치의 각도(angle), 위치(position), 방향(direction) 및 원추종에 대한 결과를 각각 도 15~18에 도시하였다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 이동장치는, 각도를 유지하면서 위치와 방향은 0으로 수렴해 감을 볼 수 있었다. 원 추종의 경우(도 18), 경로에 다소의 오차가 발생하였는데, 이는 이동장치의 비선형적 성질과 바퀴의 미끄러짐에 의해 발생되는 오차인 것으로 판단된다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 사용된 테스트용 진자운동체의 개념적 구성도.

도 2는 본 발명의 실시예에서 사용된 진자운동체에서 각 센서의 각도인식 특성을 보여주는 도표.

도 3은 본 발명의 실시예에서 센서값을 보정하는 과정을 개념적으로 보여주는 흐름도.

도 4~6은 주파수 0.1Hz일 때 필터적용 전후의 각도인식특성을 보여주는 도표.

도 7~9는 주파수 2Hz일 때 필터적용 전후의 각도인식특성을 보여주는 도표.

도 10은 이륜역진자형 이동장치의 운동역학을 설명하기 위한 개념도.

도 11은 본 발명에 의한 이동장치에서, 이동장치의 위치, 속도, 회전, 회전속도를 측정하는 과정의 흐름도.

도 12는 본 발명에 의한 이동장치의 균형유지 및 위치제어를 위한 예시적 제어블록도.

도 13은 본 발명에 의한 이동장치에 사용된 균형감지센서 모듈의 제작예를 보여주는 사진.

도 14는 본 발명에 의한 이동장치의 제작예를 보여주는 사진.

도 15~18은 각각 본 발명에 의한 이동장치의 운전시 이동장치의 각도(도 15), 위치(도 16), 방향(도 17) 및 원추종(도 18)에 대한 결과를 보여주는 도표.

Claims

(A) 몸체부:

(B) 상기 몸체부의 하부 양측에 회동가능하게 결합된 한 쌍의 바퀴; 상기 한 쌍의 바퀴를 독립적으로 구동하는 한 쌍의 구동모터;를 포함하는 구동수단부:

(C) 상기 몸체부에 장착되어 몸체의 균형을 감지하는 균형감지센서; ① 하기 입력부로부터의 이동지시 정보를 전달받은 경우에는 상기 이동지시 정보와, 상기 균형감지센서로부터 전달된 몸체의 균형정보를 프로세싱하여 상기 몸체가 상기 한 쌍의 바퀴가 이루는 가상의 중심축에 대하여 역진자운동을 하면서 이동하도록 상기 구동모터로 작동신호를 전달하고, ② 하기 입력부로부터의 이동지시 정보가 없는 경우에는 상기 균형감지센서로부터 전달된 몸체의 균형정보만을 프로세싱하여 역진자운동만 하도록 상기 구동모터로 작동신호를 전달하는 제어부;를 포함하는 감지-제어부:

(D) 외부로부터의 이동지시 정보를 입력받아 상기 감지-제어부에 전달하는 입력부: 및

(E) 상기 각 구성부에 전원을 공급하는 전원부:를 포함하는 것을 특징으로 하는 이륜역진자형 이동장치.
제 1 항에 있어서,

상기 균형감지센서는, 틸트센서와 자이로센서로 이루어진 다중센서인 것을 특징으로 하는 이륜역진자형 이동장치.
제 2 항에 있어서,

제어부는, 상기 균형감지센서로부터 전달된 몸체 각도정보 및 몸체 각속도정보를 보상필터 및 칼만(Kalman)필터로 처리하여 실제 몸체의 각도를 계산하는 것을 특징으로 하는 이륜역진자형 이동장치.
제 3 항에 있어서,

상기 감지-제어부에 의한 프로세싱은,

자이로센서 및 틸트센서로부터 각각 출력된 각속도와 각도 출력값에서 각 센서의 평형상태 오프셋(offset)값으로 차감한 후 각 보정계수(scale factor)를 곱하는 제1소단계와,

상기 수정된 각속도 정보는 고주파 통과필터를, 상기 수정된 각도 정보는 저주파 통과 필터를 통과시키는 제2소단계와,

상기 정보를 칼만필터를 통과하시키는 제3소단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이륜역진자형 이동장치.
제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 입력부는, 상기 몸체부와 분리되어 상기 감지-제어부와 유무선통신하는 것을 특징으로 하는 이륜역진자형 이동장치.
제 1 항에 있어서,

상기 몸체부에는 상기 입력부의 동작지시 정보에 의해 동작하는, 구동모터 및 동작장치 쌍으로 이루어진 기능동작부 가 하나 또는 둘 이상 추가되며,

상기 입력부는 외부로부터의 기능동작부 동작지시 정보를 입력받아 상기 감지-제어부에 전달하는 기능이 추가되며,

상기 감지-제어부는 상기 동작지시 정보를 전달받아 역진자운동 및 이동하면서 동작하거나, 역진자운동하면서 동작하도록 상기 각 구동모터로 작동신호를 전달하는 기능이 추가되는 것을 특징으로 하는 이륜역진자형 이동장치.
제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 몸체부는, 상체와 하체가 회전가능하도록 결합되어 있고, 상기 상체의 회전을 위한 구동모터가 추가되며,

상기 입력부는 외부로부터의 상기 상체의 회전지시 정보를 전달받아 상기 감 지-제어부에 전달하는 기능이 추가되며,

상기 감지-제어부는 상기 회전지시 정보를 전달받아 역진자운동 및 이동하면서 상체가 회전하거나, 역진자운동하면서 상체가 회전하도록 상기 각 구동모터로 작동신호를 전달하는 기능이 추가되는 것을 특징으로 하는 이륜역진자형 이동장치.