6륜 인휠독립구동방식 이동로봇의 주행제어 알고리즘

Abstract

본 연구에서는 6개의 바퀴에 구동용 모터를 삽입하여 각 바퀴의 독립적인 회전력을 제어하여 외부의 기계 장치를 대신하여 로봇의 기동성을 제공할 수 있는 회전차 조향 방식을 수학적으로 모델링하고 제어하는 방법론을 제시하였다. 기구학 제어 요소와 동역학 제어 요소에 대한 해법을 제시하였고, 동력을 발생하는 장치에 대한 모델을 기반으로 컴퓨터 시뮬레이터를 연구 개발하였다. 본 연구를 통해서 운전자의 조작에 대한 로봇의 운동량에 따른 선회 모멘트 변이와의 차이를 보상하여 정확하고 빠른 로봇의 위치 및 운동을 제어하였다. 본 연구를 통한 연구 내용과 결과는 다음과 같다. ■ 독립 구동 방식 회전차 조향 제어를 위해서 기구학 모델 기반 제어, 동역학 모델 기반 제어, 구동 장치 제어와 상위 제어로 구성하였고, MATLAB과 ADAMS 툴을 연계한 연동 시뮬레이션으로 동력 장치와 이동 로봇의 동역학 해석과 성능 해석 연구를 수행하였다. ■ 회전차 조향 방식은 좌우측 바퀴의 토크 차이에 의해 발생하는 회전 모멘트를 제어하는 DYC 기법으로 구현하여 주행 및 조향 성능을 개선할 수 있었다. ■ 각 바퀴와 접촉하는 지면의 다변화로 인하여 지령된 요레이트와 실제 발생하는 요레이트 간의 차이가 발생하게 된다. 슬립 제어와 DYC 제어를 통해 요레이트 오차를 보정하여 주행 안정성을 증대하고 손실되는 에너지를 감소할 수 있었다. 그러나, 실제 현장 실험의 결과는 이론적 성능과 시뮬레이션의 결과와 차이가 발생하였다. 유도되는 해법의 방정식을 간단하게 하기위해 가정한 부분의 영향도 있지만, 다음과 같이 실험에서 몇가지 구현하지 못한 문제점이 있다. 향후 이와 같은 문제점을 해결하여야 안정화된 야자 자율 주행을 위한 강건한 로봇 플랫폼을 구현할 수 있을 것이다. ■ 다양한 환경에서의 운용에 대한 검증이 되지 않은 상태이고, 에너지 효율 측면에서 인휠 구조의 장점인 공간 활용성의 장점을 구현 할 수 없다. 전기 에너지를 공급하는 배터리의 공간 및 중량 비중이 높아서 동력 장치의 외부 배치로 획득된 공간 이상으로 배치에 어려움이 있다. ■ 시뮬레이션과 수학적 모델링에 제시되지 않았던 절대 속도 검출의 문제는 현장 실험에서 큰 문제점 중의 하나이다. 로봇의 주행 속도는 바퀴의 회전 속도로 추정하는 방법으로 실시하였다. 그러나, 로봇의 주행속도와 바퀴의 회전속도를 비교하는 슬립 제어 와 DYC 제어의 기본 알고리즘에서 그 차이 값을 구하는 것이 불가능해 진 것이다. 따라서, 차량의 주행속도와 바퀴의 회전속도간의 차이로 구해지는 미끄럼현상에 대한 정확한 제어 응답 결과를 구할 수 없었다. 이동 로봇의 절대 속도를 구할 수 있는 방법을 제시하고 이를 활용하여 슬립 제어 알고리즘과 요레이이트 제어 알고리즘을 실험적으로 검증하여야 제시된 주행 제어 방법에 대한 신뢰가 가능하다. ■ 본 논문에서는 이동 로봇이 지면에서 평면 운동만 한다고 가정하였다. 물론 이동 로봇의 주행 속도가 최고 20kph라는 점에서는 무시한 조건이 실제 로봇의 주행 제어 결과에 많은 영향을 주지는 못했지만, 플랫폼의 속도가 높아지고, 거친 노면이나 야지에서의 안정된 이동을 위해서는 반드시 로봇의 수직과 Roll과 Pitch방향의 외부 작용 요소들에 대한 해법을 찾아야 한다. 기본적으로 자동차 동역학으로 대부분을 그대로 적용하거나 약간 변형하여 사용할 수 있을 것이지만, 6륜형 회전차 조향 방식 구동에서는 각 바퀴의 모멘트의 조합으로 추진과 선회가 동시에 제어되어야 하므로 z축 방향으로의 플랫폼 운동에 대한 수학적 해법이 반드시 정의되고 해법이 제시되어야 한다. ■ 중량이 무겁고 크기가 큰 이동 로봇의 에너지 효율을 높이고 운행시간을 늘리기 위해서는 에너지 공급에 대한 연구가 필요하다. 근래에 전기 자동차와 더불어 하이브리드 자동차의 에너지 연구가 활발하다. 에너지 효율을 높이면서 로봇의 기동성과 조작성을 개선할 수 있다면 인간의 어려운 작업을 지원하거나 인간을 대신하여 위험 작업을 할 수 있는 유용한 로봇을 개발하는데 훨씬 유리한 강점으로 작용할 수 있다. 위와 같은 문제점들을 해결하기 위해서는 본 연구를 통해서 획득된 이론적인 결과와 실험 결과를 기반으로 6륜 독립 구동 인휠 전기식 이동 로봇의 기동성을 개선하여 안정한 운전을 보장할 수 있는 연구가 계속 되어야 한다. 차량 동역학과 에너지 공학을 통해서 에너지 효율이 높은 주행 제어 알고리즘을 타당한 수학 배경과 합리적인 방식으로 해결하는 연구를 통해서 인휠 독립 구동 이동 로봇의 자율 주행 기술 개발 연구로 발전 할 수 있다.