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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김홍근
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 한국기술교육대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수10
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최근 들어 자율 주행 기술이 부각되면서 자율 주행 모바일 로봇이 활발히 연구되고 있다. 모바일 로봇이 다른 장소로 이동하기 위해서 다리 혹은 바퀴가 필요하다. 그 중에서 바퀴 구동 모바일 로봇(WMR: Wheeled Mobile Robot)이 가장 많이 쓰이고 있으며, 사회 전반에 걸쳐 각종 카페, 음식점, 공항과 같은 서비스와, 농업, 산업 등에 활용되고 있다.
일반적으로 WMR은 평평한 지형에서 물건을 싣고 나르는 작업으로 많이 사용된다. 하지만 WMR에 적재하는 물건의 무게나 지나가는 경로에 따라 로봇의 무게중심이 변한다. 이를 고려하지 않고 무게중심이 아닌 기하중심에서 로봇을 제어할 경우 실제 무게가 존재하는 로봇의 속도 혹은 경로에 있어서 출력 오차가 발생한다. 그리고 WMR이 쓰이는 현장에서 안전을 위해 최대 속도 제한 범위가 정해지며, 이를 넘지 않도록 주행되 어야 한다. 또한, 논홀로노믹(Nonholonomic) 제약 조건으로 인해 제한된 움직임을 가지고 있어 WMR을 제어하는데 어려움이 더해진다. 즉, WMR 은 싣는 무게나 경로에 따라 변하는 무게중심과 모바일 로봇의 물리적 특성과 안전으로 인해 생기는 최대 속도 제한 범위뿐만 아니라, WMR 자체가 가지고 있는 논홀로노믹 제약조건까지 고려해서 제어해야한다.
그래서 논홀로노믹 제약 조건에서 WMR을 제어하기 위한 연구가 활발히 이루어졌다. 초기에는 저속으로 움직이는 WMR을 다루기 위해, 동역학 모델까지 고려되지 않고, 운동학적 모델을 통해 포화조건 혹은 무게중 심이 아닌 기하중심에서 모델링한 모바일 로봇을 고려해 안정화와 추종문제를 해결하기 위해 많은 연구가 이루어졌다.[1-3] 이후 고속으로 움직 이는 WMR과 물리적 변수를 고려하기 위해 운동학적 모델뿐만 아니라동역학 모델을 함께 고려하여 논홀로노믹 제약 조건에서 제어기를 설계하는 연구들이 제시되어 왔다.[4-7] 하지만 대부분 WMR 연구의 경우 기하중심에서 문제를 다루게 되므로, 질량을 고려한 실제 모델에서는 기하중심과 무게중심이 일치하지 않아 문제가 발생한다. 또한 WMR의 속도 입력이 최대 속도 제한 범위를 넘으면 시스템 안정성이 보장되지 않는다. 이러한 문제들은 물건을 싣고 나르는 용도로 많이 사용되는 모바일 로봇의 무게와 속도에 낮은 허용 범위를 가지게 한다. 그래서 속도제한 혹은 기하중심과 무게중심사이의 거리를 고려해 WMR을 제어하는 연구가 이루어졌다.[8-10] 본 논문에서는 무게중심과 속도제한 즉, 포화조건 문제를 한 번에 해결
하기 위해, 첫 번째로 기하중심이 아닌 무게중심에서 문제를 다루어 제어 기를 설계한다. 두 번째로 포화함수를 이용해 모터의 물리적인 성질과 안전성으로 인해 정해진 최대 속도 제한 범위를 넘지 않도록 하는 제어기를
설계한다. 또한 바퀴 구동 이동 로봇의 움직임은 두 개의 구동바퀴로 결
정되므로 바퀴의 모터 각속도의 관계를 연결지어 설계한다.
결과적으로, 본 논문에서 포화조건과 무게중심을 고려한 운동학적 모델
에서 WMR 추종 제어기를 설계하고, 이러한 상황에서도 폐루프 시스템의안정성이 보장되는 것을 MATLAB을 이용하여 검증한다.
일반적으로 WMR은 평평한 지형에서 물건을 싣고 나르는 작업으로 많이 사용된다. 하지만 WMR에 적재하는 물건의 무게나 지나가는 경로에 따라 로봇의 무게중심이 변한다. 이를 고려하지 않고 무게중심이 아닌 기하중심에서 로봇을 제어할 경우 실제 무게가 존재하는 로봇의 속도 혹은 경로에 있어서 출력 오차가 발생한다. 그리고 WMR이 쓰이는 현장에서 안전을 위해 최대 속도 제한 범위가 정해지며, 이를 넘지 않도록 주행되 어야 한다. 또한, 논홀로노믹(Nonholonomic) 제약 조건으로 인해 제한된 움직임을 가지고 있어 WMR을 제어하는데 어려움이 더해진다. 즉, WMR 은 싣는 무게나 경로에 따라 변하는 무게중심과 모바일 로봇의 물리적 특성과 안전으로 인해 생기는 최대 속도 제한 범위뿐만 아니라, WMR 자체가 가지고 있는 논홀로노믹 제약조건까지 고려해서 제어해야한다.
그래서 논홀로노믹 제약 조건에서 WMR을 제어하기 위한 연구가 활발히 이루어졌다. 초기에는 저속으로 움직이는 WMR을 다루기 위해, 동역학 모델까지 고려되지 않고, 운동학적 모델을 통해 포화조건 혹은 무게중 심이 아닌 기하중심에서 모델링한 모바일 로봇을 고려해 안정화와 추종문제를 해결하기 위해 많은 연구가 이루어졌다.[1-3] 이후 고속으로 움직 이는 WMR과 물리적 변수를 고려하기 위해 운동학적 모델뿐만 아니라동역학 모델을 함께 고려하여 논홀로노믹 제약 조건에서 제어기를 설계하는 연구들이 제시되어 왔다.[4-7] 하지만 대부분 WMR 연구의 경우 기하중심에서 문제를 다루게 되므로, 질량을 고려한 실제 모델에서는 기하중심과 무게중심이 일치하지 않아 문제가 발생한다. 또한 WMR의 속도 입력이 최대 속도 제한 범위를 넘으면 시스템 안정성이 보장되지 않는다. 이러한 문제들은 물건을 싣고 나르는 용도로 많이 사용되는 모바일 로봇의 무게와 속도에 낮은 허용 범위를 가지게 한다. 그래서 속도제한 혹은 기하중심과 무게중심사이의 거리를 고려해 WMR을 제어하는 연구가 이루어졌다.[8-10] 본 논문에서는 무게중심과 속도제한 즉, 포화조건 문제를 한 번에 해결
하기 위해, 첫 번째로 기하중심이 아닌 무게중심에서 문제를 다루어 제어 기를 설계한다. 두 번째로 포화함수를 이용해 모터의 물리적인 성질과 안전성으로 인해 정해진 최대 속도 제한 범위를 넘지 않도록 하는 제어기를
설계한다. 또한 바퀴 구동 이동 로봇의 움직임은 두 개의 구동바퀴로 결
정되므로 바퀴의 모터 각속도의 관계를 연결지어 설계한다.
결과적으로, 본 논문에서 포화조건과 무게중심을 고려한 운동학적 모델
에서 WMR 추종 제어기를 설계하고, 이러한 상황에서도 폐루프 시스템의안정성이 보장되는 것을 MATLAB을 이용하여 검증한다.
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