KR20210034728A - 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 센서 장치 및 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로프 말단 장치의 위치 및 자세에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진자 운동 형태의 로프 말단을 외란으로부터 안정화시켜 원하는 지점으로 위치시키기 위한 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 센서 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

Description

로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 센서 장치 및 제어 방법{Sensor device and control method for controlling position and attitude of rope end device}

본 발명은 로프 말단 장치의 위치 및 자세에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진자 운동 형태의 로프 말단을 외란으로부터 안정화시켜 원하는 지점으로 위치시키기 위한 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 센서 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 산업현장과 구조 활동, 레저 활동 시에 자연적 외란으로 인한 안정성이 우려되었다. 크레인의 안정화, 초고층 건물의 화재 시 중간층에 헬기 접근의 어려움, 케이블카의 안정화 등이 있다. 크레인에 사용되는 Anti-sway 컨트롤 시스템은 진자의 안정화를 기구의 하단부가 아닌 상단부의 모터를 진행방향의 앞뒤로 움직여 하단부의 진자운동을 안정화 시키지만 이 안정화를 위해 크레인이 움직이기 위한 레일이 존재해야만 하고 또한 헬기나 이동식 크레인에는 사용할 수가 없다. 또한 선행기술문헌에서는 로프 끝에 장착된 후크 조립체의 자세를 제어하기 위하여 120도 각도로 배치된 3개의 추력기구(500)를 이용하였으며, 자세를 파악하기 위한 센서로 compass(204)와 위치센서(206)를 이용하였다. 후크 조립체에 배치된 2 종류의 센서를 구비하고 로프 끝단에 장착된 후크 조립체의 자세 및 위치를 제어하고 있으나, 액츄에이터로서 등각 배치된 3개의 프로펠러를 사용하고 있다. 그러나 후크 조립체의 자세를 제어할 수 있지만, 로프 끝단의 위치를 파악할 수는 없다는 단점이 있다.

EP03228577A1

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 진자 운동 형태의 로프 말단을 외란으로부터 안정화시켜 원하는 지점으로 위치시키기 위한 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 센서 장치 및 제어 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 센서 장치는 로프의 말단에 연결되고, 로프 말단의 위치를 파악하는 제 1 센서 유닛; 로프 말단 장치와 연결되고, 로프 말단 장치의 위치와 자세를 파악하는 제 2 센서 유닛; 및 상기 제 1 센서 유닛과 상기 제 2 센서 유닛이 서로 상대운동이 가능하도록 연결하는 연결 유닛을 포함한다.

상기 제 2 센서 유닛은 추가로 타겟과의 거리를 파악하는 것이다.

상기 타겟과의 거리를 파악하는 것은 초음파 센서를 이용한다.

상기 로프 말단 장치는, 상기 제 1 센서 유닛과, 상기 제 2 센서 유닛의 출력에 기초하여 제어되는 액츄에이터를 구비하는 것이다.

상기 액츄에이터는 프로펠러이다.

상기 프로펠러의 개수는 하나이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면은 로프 말단 장치의 자세를 제어하기 위한 방법으로서, (a) 로프 말단 장치의 위치와 자세에 대한 설정값을 입력받는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 입력받은 설정값으로 로프 말단 장치를 이동시키는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)에서 이동 시킨 로프 말단 장치를 상기 단계 (a)에서 입력받은 설정값으로 자세와 위치를 변경시키는 단계를 포함한다.

상기 단계 (a)는 타켓까지의 거리를 파악하는 단계를 포함하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면은 청구항 1의 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 센서 장치를 포함하는 말단 장치이다.

본 발명에 의하면, 2개의 9축 센서를 이용하여 로프 말단 장치의 위치와 자세를 안정적으로 파악하는 효과가 있으며, 초음파 센서를 이용하여 로프 말단 장치가 타겟에 지나치게 접근하는 것을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 말단 장치를 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 따른 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 말단 장치를 확대한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 제어 방법을 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 말단 장치의 실시예를 나타낸 사진.
도 5는 도 4에 따른 실시예의 말단 장치에 작용하는 모든 힘을 도식적으로 나타낸 도면.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 말단 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 따른 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 말단 장치를 확대한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 말단 장치(100)는, 구조장비(비행체)의 호이스트에 연결된 로프(200)에 연결된다. 여기서 도 1은 비행체에 연결된 예시를 보여주고 있지만, 이로써 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 말단 장치(100)는 로프(200)의 말단에 연결되는 센서 장치(110)와, 로프 말단 장치(120)를 포함한다.

센서 장치(110)는 로프(200)의 말단에 연결되는 제 1 센서 유닛(111)과, 로프 말단 장치(120)와 연결되는 제 2 센서 유닛(112)과, 제 1 센서 유닛(111)과 제 2 센서 유닛(112)을 서로 연결하는 연결 유닛(130)으로 구성된다.

제 1 센서 유닛(111)은 로프(200)의 말단에 연결되고, 로프(200) 말단의 위치를 파악하며, 제 2 센서 유닛(112)은 로프 말단 장치(120)와 연결되고, 로프 말단 장치(120)의 위치와 자세를 파악한다. 그리고 연결 유닛(130)은 제 1 센서 유닛(111)과 제 2 센서 유닛(112)이 서로 상대 운동이 가능하도록 연결된다. 한편 제 2 센서 유닛(112)은 초음파 센서(도시되지 않음)를 구비하여 타겟과의 거리를 파악한다.

로프 말단 장치(120)는 제 1 센서 유닛(111) 및 제 2 센서 유닛(112)을 포함하는 센서 장치(110)의 출력에 기초하여 제어되는 액츄에이터(도시되지 않음)를 구비한다. 이때 액츄에이터는 프로펠러를 이용하며, 프로펠러의 개수는 하나이다.

도 3은 본 발명에 따른 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 제어 방법을 나타낸 순서도이다.

먼저 로프 말단 장치의 자세를 제어하기 위한 설정값을 입력받는다(S100). 이때 초음파 센서를 이용하여 타겟과의 거리를 파악한다.

그리고 단계 S100에서 입력받은 설정값으로 로프 말단 장치를 이동시킨다(S110).

이후, 단계 S100에서 이동시킨 로프 말단 장치를 단계 S100에서 입력 받은 설정값으로 자세와 위치를 변경시킨다(S120).

도 4는 본 발명에 따른 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 말단 장치의 실시예를 나타낸 사진이다.

[실시예]

실시예에서는 산업과 인명구조 현장에서 수많은 사고들이 일어나는데 특히나 크레인과 헬기관련 사고들에 중점을 두었다. 산업에서는 크레인의 진행 방향에 대한 흔들림과 와이어의 비틀림으로 인한 사고가 종종 발생한다. 초고층 빌딩 화재와 절벽, 협곡 조난과 같은 인명구조 현장에서는 구조 활동 시에 헬기의 접근과 구조 물품의 정확한 전달이 외란으로 인해 많은 시간을 소비하며, 많은 인명 피해와 재산 피해를 야기한다. 이러한 문제들의 공통점은 자연적 외란과 비틀림으로 인한 진자 형태의 운동이다. 그래서 진자 운동과 비틀림을 안정화하고 목적 위치까지 이동시킬 수 있는 제어 메커니즘을 제시하고 있으며, 첫 번째 제어는 목적 위치까지 위치시키고 도달한 위치에서 외란에 관계없이 유지되는 제어이고, 두 번째 제어는 진자운동의 빠른 안정화와 원점에서 외란으로 인한 운동을 상쇄시키는 제어이다.

구상한 제어 알고리즘의 타당성을 검증하기 위해 Matlab 시뮬레이션을 이용하여 검증하였다. 다음으로 아두이노 MEGA 보드를 활용하여 프로토타입 모델을 만들어 실현 가능성을 파악하였다. 프로토타입을 통해 무게중심보다 힘의 작용점이 상단에 위치해야하는 부분과 제어기 설계에 대한 윤곽을 알 수 있었다.

그리고 SBRio를 이용한 1자유도 진자운동의 위치제어와 안정화 알고리즘을 설계 하였다. 1자유도 실험을 통하여 9축 센서와 엔코더를 비교하여 정확한 센서 데이터를 얻었다. 또한 기존에 사용하던 모터로는 원점으로의 안정화에 어려움이 있어서 방향 전환이 빠르고 RPM이 높은 3D BLEC 모터를 새로 선정하게 되었다. 모터를 새로 선정함으로써 더 높은 추력과 빠른 안정화 퍼포먼스를 구현하게 되었다.

또한 산악구조와 헬기 레펠에 사용되는 φ10mm의 포프를 선정하여 기구부(말단 장치)를 매달아 다자유도 진자시스템을 적용하였다. 1자유도에서는 나타나지 않았던 요우(Yaw)각에 대한 제어기를 새롭게 설계하고 피치(Pitch)각이 정확성을 위해 자이로(Gyro) 센서와 ACC 센서의 데이터를 상보필터를 통해 사용하였다. 요우(Yaw)각은 자이로센서와 컴파스(Compass)를 상보필터를 통하여 데이터를 얻었으나 기구부(로프 말단)가 기울어짐으로써 틸트(Tilt)각이 생긴다. 틸트(Tilt) 각에 따라 같은 위치에서도 컴파스(Compass) 데이터 값이 변화하여 센서로부터 틸트(Tilt) 보상 값을 받고, 관계식에 따라 컴파스(Compass) 데이터를 얻는다. 얻은 데이터를 통해 피치(Pitch)와 요우(Yaw)각의 위치 제어를 하고 안정화를 시킨다.

여기서 제어부분은 임베디드 시스템에서 대부분 사용되는 블루투스와 와이파이 통신은 고주파에 많은 노이즈가 발생하고 거리에 따른 연결 신호가 약하다. 또한 자기장에 많은 영향을 받기 때문에 송수신 신호가 불안정하였다. 이를 보완하기 위해 RS-485 통신을 이용하였다. RS-485 통신은 기존의 시리얼 통신과 블루투스, 와이파이 통신에 비해 노이즈가 적고 통신 속도가 빠르다. 그리고 모터에 입력 신호인 PWM의 듀티사이클을 I-PD 컨트롤하여 모터의 RPM을 제어한다. 이때 I-PD 제어기에서 I 이득으로 레퍼런스 값에 도달하기까지 시간이 많이 걸린다. 게다가 도달한 값에서의 안정화가 느렸다. 이러한 문제점을 보완하기 위해서 시스템의 진행 각도와 듀티사이클 간의 관계 함수를 Matlab을 이용하여 찾아내었다. 이 함수를 통해 입력되는 레퍼런스 각도까지 빠르게 도달하고 빠르게 안정화된다.

설계부분은 두 개의 9축 센서를 사용한다. 두 센서는 다른 피치(Pitch)각의 데이터를 받아야하고, 두 센서 간의 비틀림 각이 틀어져서는 안 된다. 이를 보완하기 위해 센서 중간지점에 유니버셜 조인트를 설치하여 두 센서의 측정하는 피치(Pitch)각은 다르지만 센서간의 비틀림 각은 없도록 하였다. 그리고 안정성을 위하여 초음파 센서를 이용해 진행하는 방향에서의 장애물까지의 거리를 측정한다. 이때 기구부(말단 장치)가 기울게 되어 초음파 센서의 거리측정이 정확하지가 않다. 이를 보완하기 위하여 초음파 센서의 케이스를 3D 프린트를 이용해 제작하고 케이스 하단부에 무게추를 달아 장애물과의 직선거리를 측정하고 항상 지표면과 직각을 유지하도록 하였다. 또한 시스템이 특징상 높은 RPM으로 모터가 회전을 하는데, 모터의 고속회전으로 인해 고주파의 노이즈가 발생하게 된다. 이 고주파 노이즈를 잡기 위해 소프트웨어적으로 감소시키는 것은 한계가 있었다. 그래서 케이블을 통해 들어오는 노이즈를 잡기 위해 쉴드 처리 된 케이블이 필요하였다. 그러나 기존의 SBRio 전용케이블은 쉴드 처리가 되어있지 않아서 쉴드 케이블과 IDC 커넥터, Flat 케이블을 사용하여 원하는 성능의 케이블을 직접 제작하였다. 그리고 3D 프린트의 출력물은 적층 방향에 따라 허용 거리 굽힘 응력이 달라진다. 모터지지부분의 경우 추력에 위한 바람이 지날 갈 수 있는 면적의 확보와 다리 프레임의 허용 굽힘 응력을 높이기 위하여 I 빔의 형상을 기본으로 내부에 두께를 높여 안정성을 높였다.

도 5는 도 4에 따른 실시예의 말단 장치에 작용하는 모든 힘을 도식적으로 나타낸 도면으로 수학적으로 나타내면 다음과 같다.

[수식 1]

C.G 포인트에서의 벡터 P

[수식 2]

속도 벡터 V

[수식 3]

Kinetic energy

[수식 4]

Potential energy

[수식 5]

Virtual Work

[수식 6]

Lagrngr'S Equation

[수식 7]

운동 방정식

[수식 8]

정적상태의 운동방정식 선형화

수학식에 의하여 본 발명의 실시예의 정밀 제어를 하기 위해

의 각이 0에 가까워야 한다. 그러기 위해서는 무게중심점(P)은 힘의 작용점(A)보다 하단에 있어야 한다. 그리고 로프의 말단으로부터 무게중심까지의 거리(R)가 멀어질수록 로프의 말단과 힘의 작용점(A)까지의 거리(a)가 줄어들고 이때

각은 줄어든다. 그 결과 기구부(말단 장치)의 제어가 안정적이고 x 방향으로의 진행거리가 길어진다. 그리고 제어부분에서 I-PD 제어기만을 사용할 시에 비선형적인 듀티사이클과 추력의 관계로 인해 적절한 응답속도와 오차율을 선정 할 수가 없었다. 그래서 듀티사이클과 피치, 요우각 간의 함수를 이용한다. Polyfit 함수를 거친 레퍼런스 각은 듀티사이클로 변환된다. 센서를 통해 측정된 데이터와 레퍼런스 각을 비교하여 모터를 구동하게 된다. 그리고 Polyfit 함수를 이용함으로써 응답속도는 빨라졌고 I-PD 제어기를 통해 오차 값을 줄여 나간다. 요우(Yaw)각 측정에 있어서 고정된 요우(Yaw)각에서 기구부(말단 장치)의 기울어짐(Tilting)에 따라 지자계의 데이터가 변화한다. 그러므로 틸트(Tilt)각에 따른 보상 값을 주어 지자계의 정확한 데이터를 얻어내야 한다.

다음 [수식 9]는 틸트각 보상에 관한 방정식이다.

[수식 9]

기구의 안정성을 위해 초음파 센서를 이용하여 장애물과의 거리를 측정한다. 기구(말단 장치)의 진행방향에서 장애물이 일정 거리내에 도달하면, 시스템은 진행방향에 대한 신호는 입력되지 않는다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: 말단 장치
110: 센서 장치
111: 제 1 센서 유닛
112: 제 2 센서 유닛
113: 연결 유닛
120: 로프 말단 장치
200: 로프

Claims (9)

1. 로프의 말단에 연결되고, 로프 말단의 위치를 파악하는 제 1 센서 유닛;
   로프 말단 장치와 연결되고, 로프 말단 장치의 위치와 자세를 파악하는 제 2 센서 유닛; 및
   상기 제 1 센서 유닛과 상기 제 2 센서 유닛이 서로 상대운동이 가능하도록 연결하는 연결 유닛
   를 포함하는 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 센서 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제 2 센서 유닛은 추가로 타겟과의 거리를 파악하는 것
   을 특징으로 하는 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 센서 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 타겟과의 거리를 파악하는 것은 초음파 센서를 이용하는 것
   을 특징으로 하는 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 센서 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 로프 말단 장치는,
   상기 제 1 센서 유닛과, 상기 제 2 센서 유닛의 출력에 기초하여 제어되는 액츄에이터를 구비하는 것
   을 특징으로 하는 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 센서 장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 액츄에이터는 프로펠러인 것
   을 특징으로 하는 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 센서 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 프로펠러의 개수는 하나 인 것
   을 특징으로 하는 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 센서 장치.
7. 로프 말단 장치의 자세를 제어하기 위한 방법으로서,
   (a) 로프 말단 장치의 위치와 자세에 대한 설정값을 입력받는 단계;
   (b) 상기 단계 (a)에서 입력받은 설정값으로 로프 말단 장치를 이동시키는 단계; 및
   (c) 상기 단계 (b)에서 이동 시킨 로프 말단 장치를 상기 단계 (a)에서 입력받은 설정값으로 자세와 위치를 변경시키는 단계
   를 포함하는 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 제어 방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 단계 (a)는 타켓까지의 거리를 파악하는 단계를 포함하는 것
   을 특징으로 하는 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 제어 방법.
9. 청구항 1의 로프 말단 장치의 위치 및 자세를 제어하기 위한 센서 장치를 포함하는 말단 장치.

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