Experimental Studies of Control of a One-wheel Robot by Modifying Design and Control Method

논문 2014-51-4-22

설계 및 제어 개선을 통한 외바퀴 로봇의 제어에 대한 실험적 연구

( Experimental Studies of Control of a One-wheel Robot by Modifying Design and Control Method )

박 준 형^*, 하 민 수^*, 정 슬^***

( June Hyung Park, Min Soo Ha, and Seul Jung

)

요 약

본 논문에서는 한 바퀴 구동 이동로봇, GYROBO,에 대한 제어를 실험적으로 수행하였다. 이전 자이로보는 제자리에서 밸런 싱을 할 경우, 내부의 짐벌이 한 쪽으로 계속 회전하는 현상이 발생하여 결국 넘어지게 되는 결과를 초래하였다. 이 구조적 문 제를 보완하여 균형 제어에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 실험을 통해 구한 게인값을 사용하는 게인 스케줄링 방법을 통해 쏠리는 현상에 대한 해결방법을 찾았고, 자세제어를 더 안정화 시켰다. 또한 주행이 가능한지를 확인하기 위해 직선 경로 주행 실험을 하였다.

Abstract

This paper presents experimental studies on controlling one-wheel robot, GYROBO. The previous one has the problem of falling down because the inside gimbal leans against one direction to make it balancing. This structural problem has been solved by redesigning the system. Gains obtained through experimental tasks are used as a gain scheduling method so that GYROBO is more stabilized. A line trajectory following control task is performed to test the driving control as well.

Keywords: One-wheel robot, balancing, gyroscopic effect, gain scheduling, driving control

Ⅰ. 서 론

로봇이 다양해지면서 기존의 고정 형태의 산업로봇

* 학생회원, ^** 정회원, 충남대학교 메카트로닉스공학과 (Mechatronics Engineering Department, Chungnam National University)

ⓒ Corresponding Author (Email : [email protected])

※ 본 논문은 교육과학기술부 2012년 기초연구자지원 사업과 지식경제부의 융복합형 로봇전문인력 양성 사업(NIPA-2012-H1502-12-1002)지원으로 연구되 었으며, 이에 감사를 드립니다

접수일자: 2013년10월14일, 수정일자: 2014년2월11일 수정완료: 2014년3월31일 .

이 아닌 이동형태인 서비스 로봇에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 로봇이 이동을 하면서 작업을 진행하면, 할 수 있는 일이 다양해져서 비효율적인 공간도 없앨 수 있다. 산업 현장에서의 이동로봇들도 공장을 돌아다 니며 필요한 부분에 가서 작업을 진행할 수 있게 되는 것이다.

이처럼 이동 로봇에 대한 관심과 필요성이 높아지면 서 이동성을 높이고, 효율성을 높이기 위해 다양한 형 태의 이동로봇이 제안되었다. 기존의 네 바퀴 차량형 이동로봇의 구조에서 두 바퀴 구동형 이동로봇으로 바 뀌고, 최근에는 한 바퀴 구동 이동로봇의 형태가 연구 되고 있다. 역진자 형태의 두바퀴 구동 이동로봇은 두

바퀴만으로 항상 균형을 유지해야 하므로 제어가 어렵 고 도전적이다^[1～3].

두바퀴 구동로봇에서 한 바퀴 구동 이동로봇으로의 전환은 매우 도전적이다. 한 바퀴 안에 모든 하드웨어 를 장착해야 하므로 설계가 어렵고 한 바퀴로 균형을 유지하기 위한 제어 또한 도전적이다.

Y. S. Xu 교수는 오랫동안 한 바퀴 구동 로봇에 대 한 연구를 수행하였으며, Gyrover란 자이로스코프 효과 를 이용하여 균형을 유지하는 로봇을 개발하였다^[4～6].

한 바퀴 구동 로봇이기 때문에 아직은 이동이나 자세 제어에 있어서 어려운 점들이 많지만, 공간 효율성이나 방향 전환에 있어서는 어느 모바일 로봇보다도 효율적 이라 할 수 있다^[7～11]. 따라서 한 바퀴 이동로봇은 화성 탐사 이동로봇으로의 사용 가능성과 일인용 수송 차량 으로의 활용 가능성을 나타낸다.

국내에서 개발한 자이로보(GYROBO)도 한 바퀴 로 봇으로서 내부의 플라이휠을 통해 자이로스코픽 이펙트 를 생성하여, 중력에 의해 넘어지는 바퀴를 세워서 균 형을 유지한다^[12]. 선행 연구에서 개발한 자이로보는 주 행부분에 있어 진동이 심해 신경망제어기로 제어했다

[13]. 하지만 근본적인 균형제어의 문제점을 해결하지 못 해 재설계를 통해 보다 안정적인 균형을 유지할 수 있 었다^[14～15].

본 논문에서는 플라이휠의 진동을 줄이기 위해 그림 1과 같이 짐벌을 설계하였다. 하드웨어를 개선하고 센 서를 바꾸었으며 제어 알고리즘을 수정하여 오랜 시간 균형을 유지하도록 하였다. 자이로보의 균형 유지 제어 뿐만 아니라 주행제어를 잘 할 수 있도록 구현하였다.

제자리 균형제어뿐만 아니라 실내 및 실외에서의 직진 주행 실험을 하였다.

그림 1. 자이로 스코프 효과 Fig. 1. Gyroscopic effect.

Ⅱ. 자이로보 시스템 설계 변경

그림 2에 보여진 것처럼 이전의 자이로보 시스템에 서 다음과 같이 설계를 변경하였다.

1) 배터리 장착 : 자유로운 주행이 가능하도록 좌우 에 18.5V 배터리를 각각 장착하였다.

2) 모터 드라이버 : 전류 허용량이 부족하여 과열이 되던 기존 드라이버(20A)를 고용량 드라이버(50A)로 교체하였다.

3) 틸트 모터 : Flywheel의 틸팅 제어를 위해 사용하 던 기존의 서보모터는 feedback이 없고 반응속도가 느 려서 엔코더가 장착된 DC모터로 변경하였다.

4) 플라이휠 gimbal : 실험에서 플라이바퀴는 약 5700rpm으로 회전 하므로 강한 진동이 발생하게 된다.

기존 플라스틱 짐벌은 오래 사용함에 따라 이격이 생 겨, 발생하는 진동이 센서에 영향을 미치게 되었다. 따 라서 알루미늄의 짐벌을 새로 제작하고 본체로의 연결 부를 새로 설계하여 진동을 줄일 수 있도록 하였다.

(a) Previous GYROBO I^[13]

(b) Redesigned GYROBO II^[14]

그림 2. 자이로보 시스템 Fig. 2. GYROBO System.

5) 센서 : 1축 자이로 센서에서 3축 자이로 센서로 변 경

자이로보는 바퀴가 좌우(roll)로 넘어질 때 자이로스 코프 이펙트에 의해서 지면의 좌우방향(yaw)으로 바퀴 를 틀어주어 균형을 잡게 된다. 따라서 균형제어를 할 때 요방향으로의 움직임이 발생하게 되고, 3축 자이로 센서를 사용함으로써 제어에 요방향 각속도 값을 추가 하였다. 센서 자체에 필터처리가 되어있어서 센서 신호 에 대한 다른 처리는 하지 않았지만 중간 중간 발생할 수 있는 잡음을 걸러내기 위해 100deg/sec 이상의 변 화 값이 들어오면 이전 기울기 값을 사용하도록 설정 하였다.

자이로보 II 시스템의 전체 무게는 약 11kg이다. 플 라이휠의 무게는 약 2kg이고 지름은 15cm이다. 회로 및 모터, 플라이 휠 등은 지름이 45cm인 바퀴의 내부에 위치한다. 좌우로의 기울어짐에 따라 고속의 플라이휠 이 있는 짐벌을 회전시켜 줌으로써 요방향으로의 자이 로 효과가 발생하여 바퀴가 균형을 유지하고 서있을 수 있게 된다. 샘플링 시간은 100Hz이다. 자이로보 II의 실 제 제원은 다음과 같다.

GYROBO II

Specifications Value

Flywheel Specificatio

ns Value

Mass(Kg) 11.2 Mass(Kg) 2.1 Diameter (m) 0.45 Diameter

(m) 0.15 Width (m) 0.15 Width (m) 0.017

MCU DSP2812 Speed

(rpm) 5,700 표 1. 자이로보 II 하드웨어 제원

Table 1. GYROBO II Specifications

Ⅲ. 제어방식 변경

1. 롤각의 PD제어

한 바퀴 로봇에서 가장 중요한 것은 롤방향의 균형을 유지하는 것이다. 균형을 유지하기 위해서는 자이로 효 과를 이용하여 롤각을 제어해야 한다. 따라서 롤(Roll) 각을 제어하기 위해서는 자이로 효과를 생성하는 짐벌 의 틸트각을 제어해야 하는데 여기에서는 PD제어기로

그림 3. 롤각의 PD제어

Fig. 3. Roll PD control block diagram.

제어를 하였다.

좌우로의 기울어진 각도와 기울어지는 속도에 따라 틸트 모터의 틸팅 방향과 속도가 변하게 된다. 롤각만 PD제어기로 제어했을 때는 진동이 심하고 안정적이지 않은 것을 확인할 수 있었다.

자세제어를 위해서 선형제어기를 사용한다. 제어입력 u는 다음과 같다.

  __ _{ }_

(1)

__ 는 제어기 이득값이다. 그림 3에 롤각에 대한 제어블록이 나타나 있다.

2. 롤각 및 요각의 PD제어

균형의 불안정성을 보완하기 위하여 요(Yaw) 축의 각속도 값을 제어기에 포함하였다. 자이로보는 휠을 요 방향으로 회전시키며 지면과 휠의 마찰력을 이용하여 균형을 잡는다. 자이보로의 이런 원리에 의해 요축의 변화하는 각속도 값을 제어기에 포함시켜 밸런싱을 더 안정화 할 수 있었다. 롤각을 PD 제어기만을 사용했을 때 보다 더 안정적이고 장시간 균형을 유지하는 것을 확인할 수 있었다.

자세제어를 위해서 선형제어기를 사용한다. 제어입력 u는 다음과 같다.

그림 4. 롤각 및 요각의 PD제어

Fig. 4. Roll and yaw PD control block diagram.

β α

β _rd





rP

e k e k

k

u = + − (2)

여기서, 는 요각도 그리고 _는 제어기 이득값이 다. 그림 4에 제어블록도가 나타나 있다.

3. 게인 스케줄링 제어

실험을 진행하면서 내부 자이로스코프가 일정 속도 로 회전을 하면 자이로보가 일정 기울기에서 안정하게 서있는 것을 볼 수 있었다. 하지만 현재 시스템은 Flywheel 스핀모터가 본체의 모터 드라이버와 선으로 연결되어 있어서 한 방향으로 계속 회전을 할 수 없는 상태이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 시스템 특성 에 맞게 게인 스케줄링을 해주었다.

자이로보가

±

If lean angle

 is

and tilting angle

_ is

Then torque value is

±

41 degrees 440 35～41 degrees 353 24～35 degrees 265

표 2. 게인 스케줄링 제어

Table 2. Gain scheduling control.

VI. 실 험

1. 실험환경

이전 실험모델과의 차이점은 밸런싱을 할 때 짐벌이 한쪽으로 계속 회전하는 현상을 막기 위해서 게인 스케 줄링을 통해 틸트 모터의 속도를 상황에 맞게 변화시켜 주었다. 본 실험에서는 플라이 휠 디스크의 속도를 고 정으로 하여 실험하였고 그 속도는 5,700rpm이다. 그림 6은 전체 시스템의 블록 다이아그램을 보여준다.

시스템 전체 제어를 위해서 DSP2812를 사용하였고 제어 주기는 10ms로 설정하였다. 먼저 센서는 3축의 각 도, 각속도, 각가속도 값을 제공하는 자이로 센서를 사

그림 6. 시스템 블록 다이아 그램 Fig. 6. System block diagram.

용하였고, 데이터 중 롤의 각도와 각속도, 요의 각속도 값을 제어에 사용하였다.

2. 실험결과

2.1 밸런싱 테스트 1) 롤각의 PD 제어

그림 7은 롤각 만을 제어했을 경우의 실험결과이다.

처음에는 균형을 잘 유지하다가 시간에 지나면 쓰러지 는 것을 그림 8에서 확인할 수 있었다. 그림 8(a)에서 보면 균형을 유지하다가 8초쯤 넘어지는 것을 볼 수 있 다. 그 이유는 그림 8(b)에서 보여진 것처럼 6초 이후에 짐벌이 한 방향으로 계속 쏠리게 되어 넘어지게 되는 것이다.

그림 7. 롤각의 PD제어 실험

Fig. 7. Balancing performance by roll PD.

(a) Roll_PD Lean Angle

(b) Roll_PD tilt angle 그림 8. 그림 7의 실험결과 각도

Fig. 8. Experimental results of angle of Fig. 7.

2) 롤 및 요각의 PD 제어

요각의 제어를 추가했을 경우에 실험결과는 그림 9 과 같다. 그림 10(a)에서 보면 그림 8 (a)보다 안정적으 로 균형을 유지하는 것을 볼 수 있으나 그림 8(b)와 같 이 한 방향으로 치우치는 현상이 발생하는 것을 볼 수

그림 9. 롤과 요각의 제어 실험

Fig. 9. Balancing performance by roll and yaw PD.

(a) Lean Angle

(b) Tilt angle 그림 10. 그림 9의 실험결과 각도

Fig. 10. Experimental results of angle of Fig. 9.

있다.

위의 두 실험을 통하여 롤의 PD제어기만 사용할 때 보다 요각의 제어기를 추가하였을 때 제어가 더 잘 되 는 것을 볼 수 있었다. 하지만 두 경우 모두다 틸트 모 터가 한 방향으로 계속 흘러가는 경향을 볼 수 있다. 틸 트 모터가 한 쪽으로 계속 기울어지면 모터의 전선이 꼬이게 되므로 밸런싱 실험을 중단할 수밖에 없다.

이런 한 방향으로 흐름 현상의 문제는 자이로보의 좌 우 무게 균형과 센서 초기 값의 오프셋을 통하여 해결 할 수 있었다. 자이로보는 좌우의 무게 균형이 다르면 자연스럽게 한쪽으로 치우치는 현상이 생기게 된다. 틸 팅에 의해서 무게 중심점을 찾아 균형을 유지하게 되지 만 같은 방향으로 반복적으로 넘어지는 동작이 진행되 면 짐벌이 중심 위치로 오지 못하고 균형을 유지하기 위해 계속해서 한쪽 방향으로 치우치게 되는 것이다.

따라서 좌우의 무게가 최대한 대칭이 되는 것이 좋 다. 자이로보에 배터리를 장착하면서 무게의 균형이 깨 졌고 이를 보완하기 위해 반대쪽엔 프로파일을 통해 균 형을 맞춰주었다.

3) 롤 및 요각의 PD 제어 + 각도 offset

실제로 바퀴가 지면과 수직상태일 때 센서의 롤 각도

그림 11. 각도의 오프셋 값을 지정한 경우 실험 Fig. 11. Balancing control with angle offset.

(a) Lean Angle

(b) Tilt Angle 그림 12. 그림 11의 실험결과 각도

Fig. 12. Experimental results of angle of Fig. 11.

값이 ‘0’이 나와야 하는데 하드웨어 구성과정에서 오차 가 발생했을 경우를 가정하여 기준 각도값을 ‘0’이 아닌 다른 값으로 바꿔가며 실험하여 틸트의 움직임의 흐름 현상을 제거할 수 있었다.

본 실험에서는 기준 각도값을 0.1도로 해주었을 때 한 방향으로의 흐름현상이 없어지는 것을 확인하였다.

그림 11은 각도에 오프셋 값을 주었을 경우에 실험한 것이다. 그림 12의 (b)를 보면 틸트의 각의 한쪽으로 흐 르지 않는 것을 볼 수 있다. 그래프를 보면 틸팅 각도가 0도 근처에서 크게 벗어나지 않고 유지되는 것을 볼 수 있다.

플라이 휠의 짐벌의 위치가 위와 같은 상태를 유지 해야 장시간 균형을 유지하는 데도 문제가 생기지 않 는다.

2.2 주행 테스트

자이로보 아래쪽에 위치한 주행부분을 통해 자이로 보의 주행을 실험하였다. 드라이브 모터에 연결된 고무 바퀴를 통해 내부 프레임이 외부 휠을 따라 회전하게 되고, 이 회전을 통해 무게 중심점이 외부 휠의 앞쪽으 로 이동하게 되면서 외부 휠의 앞쪽이 눌리고 외부 휠 이 앞쪽으로 굴러가게 되도록 설계 하였다. 베터리와 드라이브 모터를 아래쪽에 설치함으로써 무게중심이 자 이로보의 아래쪽에 위치하도록 하였다.

먼저 실내주행을 실험하였다. 그림 13은 실내에서의 주행 모습이다.

마찬가지로 실외에서도 주행을 하였다. 그림 14는 야

그림 13. 실내 주행 실험

Fig. 13. Driving experiment in indoor.

그림 14. 야외 주행 실험

Fig. 14. Driving experiment in outdoor.

외에서 주행한 실험결과이다. 그림 14에서 보면 원격제 어에 의한 경로를 잘 추종하는 것을 볼 수 있다.

Ⅵ. 결 론

본 논문에서는 자이로스코프 효과를 이용하여 휠의 균형제어가 가능한 것을 확인하였다. 기존의 시스템을 다시 설계하여 균형을 맞추고 짐벌의 진동을 줄이기 위 한 설계를 추가하였다. 특별히 요축 속도 변화 값을 이 용하여 자이로보의 균형을 더 안정되게 할 수 있었고, 좌우의 무게 균형을 맞춰주고 센서의 오프셋 값을 통해 서 제자리에서 한 쪽으로 회전하는 현상을 제거할 수 있었다. 또한 게인 스케줄링 방법을 통해 안정적으로 균형을 유지할 수 있었다. 주행테스트를 통해 바닥이 다른 실외에서의 주행이 가능한 것을 확인하였다. 추후 조향이 가능하도록 실험하여 원 경로 추종을 실험할 계 획이다.

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“Experimental Studies of Balancing Control for a Disc-Typed Mobile Robot Using a Neural Controller: GYROBO” in ISIC10,

Multi-Conference on Systems and Control,

저 자 소 개 박 준 형(학생회원)

2009년 충남대학교 메카트로닉스 공학과 학사 졸업.

2011년 충남대학교 메카트로닉스 공학과 석사졸업

2011년 현재 현대 위아 연구원.

<주관심분야 : 외바퀴 로봇응용>

하 민 수(학생회원)

2011년 한밭대학교 제어계측 공학과 학사 졸업.

2014년 충남대학교 메카트로닉스 공학과 석사졸업

<주관심분야 : 외바퀴 로봇 및 응 용>

정 슬(정회원)

1988년 미국 웨인주립대학교 전기 및 컴퓨터공학과 학사 졸업.

1991년 미국 캘리포니아 데이비스 대학교 전기 및 컴퓨터 공학과 석사 졸업.

1996년 미국 캘리포니아 데이비스대학교 전기 및 컴퓨터 공학과 박사 졸업.

1997년∼현재 충남대학교 메카트로닉스 공학과 교수

<주관심분야 : 지능서비스로봇, 유무인수송체, 로 봇교육>

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