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. . .이 이 이동 동 동로 로 로봇 봇 봇
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1...이이이동동동로로로봇봇봇의의의 분분분류류류
이동로봇은 자율주행을 하기 위해서 작업환경 내의 장애물을 감지하는 센 서시스템을 갖추어야 하고 자체적으로 진행방향을 변경할 수 있는 조향장치 를 가지고 있어야 한다.
가이드 방식
능 동 형
전자 유도 방식
무인 운반체 자기 유도 방식
형광 유도 방식
수 동 형 광학 유도 방식
자성체 유도 방식
가이드리스 방식
지상 원조식 레이저식
자율 이동 로봇 바코드식
자율 주행식 자이로 항법식
차륜 회전 계측식 표 12. 유도방식에 따른 분류
Table 12. Classification by Induction Method
경로를 따른 가이드 설치 유무에 따라 가이드 방식과 가이드리스 방식으로 나눈다.가이드 방식에서 지상의 루트가 에너지를 가지고 있는가 없는가에 따라서 능동형과 수동형으로 나눈다.일반적으로 능동형은 검출 신뢰성이 좋 고 수동형은 설치가 쉽다.
전자유도방식은 바닥에 매설된 전선에 저주파 전류를 흘리는 것에 의해 발
자기유도방식은 바닥에 sheet형태로 붙여진 자기 테이프를 이동로봇의 자 기 센서로 검출한다.
광학유도방식은 바닥에 반사 테이프를 붙이고 이동로봇에 부착된 투광기와 수광기로서 바닥의 반사 테이프의 반사 광량을 검출한다.
가이드리스 방식은 작업환경 내에 이동로봇이 인식할 수 있는 표식을 지정 된 장소에 설치해 놓고 그 표식을 인식함으로써 이동로봇의 현재위치와 주행 경로를 찾아낼 수 있는 방식이다.지상에 이동로봇의 경로 찾기와 위치 인식 에 도움을 주는 장치가 있는 경우를 지상 원조식이라 하고,이동로봇이 스스 로 위치를 찾아내고 경로를 계획하는 방식을 자율 주행식 이라고 한다.
가이드리스 방식은 자율적인 측면에서는 가장 바람직한 방법이나 센서계가 복잡해지고 위치 계측 시 긴 처리시간이 요구된다.현재 자율주행을 실시하 는 방식이 많이 사용되고 있지만 전 경로에 대해 실시간 자율주행을 위한 연 구도 많이 이루어지고 있다.
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B. . .전 전 전체 체 체 시 시 시스 스 스템 템 템의 의 의 구 구 구성 성 성
본 연구의 알고리즘을 적용한 로봇의 전체적인 블록다이어그램은 아래의 그림 12와 같다.
본 연구에 사용된 로봇은 구성을 살펴보면 메인프로세서는 Ateml사의 AVR128프로세서를 사용하였고,외부환경의 장애물을 감지하기 위하여 적외 선 센서인 GP2Y0A21YK 사용하였다.그리고 구동부는 DC모터를 사용하여 주행을 하도록 하고 무선 모듈을 사용하여 로봇의 상태 정보를 PC상에서 확 인할 수 있도록 했다.
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1...센센센서서서부부부
SHARP의 GP2시리즈 거리감지 센서는 수신된 적외선 양을 측정하는 방식 보다 우수한 측정 정확도를 얻을 수 있다.적외선 양을 측정하는 방식은 10 cm이내의 단거리 측정이며 목표물의 색상과 재질의 따라서 많은 오차를 발 생한다.SHARP의 GP2시리즈 적외선 센서는 적외선을 송신한 후 목표물에 서 반사되어 돌아오는 적외선의 각도를 측정하여 센서와 목표물의 거리를 출 력한다.GP2시리즈 적외선 감지 센서는 송수신 소자에 렌즈가 장착되어 있 으며 적외선 필터에 의하여 외부의 교란성 빛을 차단하는 구조로 되어 있어 최대 측정거리가 30cm,80cm,150cm로 광량 측정방식에 비하여 매우 크다.
센서 내부에는 신호처리 회로가 내장되어 있으므로 정확하며 안정적인 아날 로그 신호가 출력되고, 그림 13은 본 연구에 사용된 센서인 적외선 센서의 외형을 보이고 있다.
그림 13. GP2Y0A21YK 적외선 센서 Fig13.GP2Y0A21YK
본 연구에 사용된 적외선 센서는 그림 14와 같은 출력특성을 보이는데 이 는 거리에 대한 센서의 값이 비선형 적으로 출력되어짐을 볼 수 있다.
그림 14. PSD 센서의 출력 Fig 14. Output of PSD Sensor
그림 14와 같은 거리에 대한 센서의 출력 값이 비선형적으로 나타 내어 짐 에 따라 본 연구에서는 CurveExpert1.3의 프로그램을 사용하여 알맞은 함수 를 찾아 센서의 값에 대한 거리값을 계산하였다.(그림15)
그림 15. CurveExpert프로그램을 이용한 센서 출력 함수
Fig 15. Sensor Output Function Using the CurveExpert Program
본 논문에 사용된 외부환경 정보를 획득하는 적외선 센서에서 출력되는 오 차를 보정하기 위하여 소프트웨어 적으로 필터링 하여 그림 16과 같이 센서 의 값이 떨림이 있어도 이전의 값과 비교하여 떨림을 보정하도록 필터링을 하였다..
그림 16. PSD 센서 값 필터링 Fig 16. Filtering for PSD Sensor Value
222...CCCPPPUUU(((AAAVVVRRR111222888)))
AVR(AAAlfVVVergardRRRisc)은 ATMEL사에서 제작된 RISC(ReduceInstruct ionSetComputer)구조의 저전력 CMOS 8비트 마이크로 컨트롤러이다.
AVR은 90sXXXX 형태로 표현되며 앞부분의 90은 AVR시리즈를 뜻한다.
대부분의 명령은 단일클럭으로 실행하여 동작속도를 혁신적으로 개선한 마이컴으로 임베디드 환경에 적합한 저전력 소모의 칩이다.내부에는 32개의 범용작업 레지스터를 가지며 모든 레지스터는 산술 논리 유닛(ALU)과 직접 적으로 연결되는 구조를 가지고 있기 때문에 한 클럭 사이클 내에 단일 명령 처리과정에서 두 개의 독립된 레지스터를 한 번에 처리한다.
결과적으로 AVR RISC 구조는 CISC 마이크로 컨트롤러보다 10배이상의 빠른 속도로 프로그램 실행이 이루어지는 보다 편리한 코드 체계를 가지는 MCU이다.
-AVR128의 특징
․고성능 저전력의 RISC구조
․32개의 범용레지스터
․내장된 2사이클 동작의 Multiplier
․하버드 구조의 메모리
․128K 바이트의 내부 프로그램 메모리
․4K 바이트의 내부 SRAM
․4K 바이트의 EEPROM 데이터 메모리
․최대 64K 바이트의 외부 메모리 장착 가능
․in-system program을 위한 SPI인터페이스
․133개의 명령어
․외부 및 내부 인터럽트를 가지고 30개의 인터럽트 소스를 지님
․53개의 범용 양방향성 I/O 라인
․독립된 프리스케일러와 compare,capture기능을 갖는 2개의 16비트 타이머 /카운터 외부 및 내부 인터럽트
․아날로그 비교기,A/D 변환기,SLEEP 모드를 지님
본 연구에서는 Codevision 컴파일러를 사용하여 컴파일을 하고 생성된 Hex파일을 실제 로봇에 적용하기 전에 시뮬레이터인 프로테우스 프로그램을 사용하여 검증을 한 후 실제 로봇에 적용하였다.그림 17은 본 연구에서 수 행하였던 AVR의 개발환경 절차를 보이고 있다.
그림 17. 알고리즘 개발 과정 Fig 17. Procedure for Algorithm
333...모모모터터터부부부
모터는 캐터필러의 접지력 이상의 토크를 가져야 하며,밧데리,여러 가지 센서 로봇의 무게를 지탱할 수 있는 토크를 가져야한다.가격 대 토크,토크 대 효율 등에서 우수함을 보인 DC모터를 사용하였다.
그림 18. DC모터의 외형 Fig 18. Figure of DC Motor
444...모모모터터터 드드드라라라이이이버버버
본 논문에서 사용하는 모터 드라이버는 H브리지 회로를 가지고 있다.그림 19의 회로는 HBridge회로의 예를 보여주고 있는데 모터를 사용할 때 발생 될 수 있는 전류의 문제와 발열의 문제를 해결할 수 있는 회로도이다.
N채널 FET는 IRF540,P채널 FET는 IRF9540을 사용하였다.IRF540은 MaxVoltage가 100V,FullScaleCurrent가 28A로 최대 약 150W의 전력을 스위칭 할 수 있다.IRF9540은 MaxVoltage가 -100V,FullScaleCurrent가 -23A로 최대 약 140W의 전력을 스위칭 할 수 있다.
그림 19. H 브리지 회로를 사용한 모터 구동의 예
Fig 19. Example of Motor Operation Using the H bridge Circuit
본 연구 로봇에서는 DC 모터를 제어하기 위해 L298모터 드라이버를 사용 하였다.L298은 고 전류를 소모하는 모터에 전류를 증폭해 주는 역할을 하 며,내부에 2개의 H-브리지 회로가 내장되어 있어서 모터의 전후좌우의 조향
이 자유롭도록 만들어진 모터 드라이버이다.아래의 그림 20은 L298모터드 라이버의 내부 로직을 보여주고 있다.
그림 20. L298의 내부 블록도 Fig 20. Block Diagram of L298
L298의 구동 방식을 살펴보면 C=High,D=Low 이면 직진을 하게 되고 C=Low,D=High이면 후진을 하게된다.그리고 C와 D의 값이 같다면 정지를 하는 구조로 되어 있음을 아래의 그림21에서 보이고 있다.
그림 21. L298의 내부 구현도 Fig 21. Inside Implementation of L298
아래의 그림22는 본 논문에 사용된 모터 드라이버 회로도를 나타내고 있 다.
그림 22. 모터 회로도 Fig 22. Motor Schematic
555...무무무선선선통통통신신신 모모모듈듈듈
본 연구에 사용된 무선통신 모듈(그림23)은 Promi-SD이다.이 무선통신 모듈은 시리얼 통신을 케이블 없이 구현하기 위한 무선단말장치로
EIA(Electronic Industries Association)의 RS232C 규격에 따라 설계된 DCE(Data Communication Equipment)장치이다. 또한 근거리 무선통신의 국제표준인 블루투스 기술을 적용하여 보다 신뢰성 있는 무선통신을 구현할 수 있고 다른 블루투스 장치와도 통신이 가능하여 다양한 통신환경을 구축 할 수 있다.
연구에서 무선 통신 모듈은 로봇에 장착된 내부 센서 정보와 로봇의 위치 정보를 서버로 보내주기 위하여 사용하고 있다.서버에 수신된 센서 정보 및 로봇의 위치정보는 로봇의 상태를 파악하는 데이터로 이용 되어진다.
그림 23.블루투스 모듈 Fig 23. Bluetooth Module
CCC...이이이동동동로로로봇봇봇의의의 설설설계계계
본 연구에서 설계된 이동로봇의 계통도는 그림 24와 같다.GP2D12 센서 를 통하여 로봇 주위의 환경을 감지한다.감지된 데이터는 A/D converter에 의해 양자화 되어 퍼지제어기에서 사용할 수 있도록 한다. 양자화된 값은 CPU를 통해 모터 컨트롤러로 보내어 지고,이 출력값을 이용하여 좌․우륜 의 속도차를 발생함으로써 주행을 제어하였다.
그림 24. 자율 주행로봇의 계통도 Fig 24. Block Diagram of A.M.R
본 연구에서 사용된 자율주행로봇은 좌․우륜 독립구동 조향방식을 취하고 있어서 좌․우륜의 속도차에 의하여 주행 및 조향을 행하고 있다.예를들어 로봇이 좌회전을 할 때는 좌륜의 속도보다 우륜의 속도를 크게하고,우회전 을 할 때는 우륜보다 좌륜의 속도를 크게하는 방식으로 조향을 하게된다.