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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이동훈
- 발행연도
- 2017
- 저작권
- 숭실대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수32
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본 논문은 트랙형 스키드 스티어링 모바일 로봇의 기동성 향상을 위한 새로운 기구학 모델에 대해 서술한다. 수동적으로 연결된 서스펜션 구조를 갖는 모바일 로봇의 험지에서의 구동 제어의 경우, 기존의 평면 기구학은 각 구동 트랙의 지면과의 경사각을 고려하지 못하기 때문에 정확한 기준 궤적 추종 성능을 갖지 못한다. 게다가, 각 구동 트랙은 본체와 상대적인 경사각 또한 갖기 때문에 지형에 대한 높낮이 또는 형상 정보 없이 서스펜션 기구학을 기반으로 Track-Terrain Contact Angle(TTCA)을 추정하고, 이를 이용한 구동 속도 투영 및 전파 모델이 제안된다. 새로운 모바일 로봇은 트랙형 구동부와 본체 사이에 롤-피치 2자유도 관절, 두 개의 라커, 본체 그리고 좌우 라커 사이를 연결하는 차동기어로 구성된다. 각 구동 트랙은 서스펜션 구조를 통해 어떤 지형에도 대응하여 높은 추진력을 얻을 수 있다.
또한, 본 논문에서는 궤적 추종 제어를 위해 대표적으로 사용되는 Kanayama가 제시한 궤적 추종 제어기를 사용함과 동시에, 주행 성능의 제어 이득에 의한 영향을 축소하고, 기동성 향상을 위해 Linear Quadratic Regulator(LQR) 기법을 이용한 상태 피드백 제어기가 제시된다. 이는 최적 제어기 중 하나로, 적절한 가중치 행렬만 찾는다면 최적의 제어 성능을 보장할 수 있고, 이는 가중치 행렬의 각 성분들의 기동성 평가 지수에 대한 민감도 분석을 통해 가장 적절한 수준 조합으로 도출된다.
제안된 모바일 로봇 구조와 기구학 모델, LQR 제어기의 유효성 검증을 위해 DAFUL-Simulink co-simulator가 사용된다. 먼저, 제안된 모바일 로봇은 서스펜션 자유도가 고정된 모바일 로봇에 비해 distance 및 direction 오차 성능에서 각각 47.7%, 62.5%의 향상을 확인했다. 또한, 동일한 모바일 로봇에 대하여 구동 속도 전파 모델은 평면 기구학 모델에 비해 33.8%, 18.6%의 향상을 보였고, 제안된 LQR 최적 제어기의 경우 기존의 궤적 추종 제어기 대비 49.5%, 15.4%의 성능 향상을 보였다.
또한, 본 논문에서는 궤적 추종 제어를 위해 대표적으로 사용되는 Kanayama가 제시한 궤적 추종 제어기를 사용함과 동시에, 주행 성능의 제어 이득에 의한 영향을 축소하고, 기동성 향상을 위해 Linear Quadratic Regulator(LQR) 기법을 이용한 상태 피드백 제어기가 제시된다. 이는 최적 제어기 중 하나로, 적절한 가중치 행렬만 찾는다면 최적의 제어 성능을 보장할 수 있고, 이는 가중치 행렬의 각 성분들의 기동성 평가 지수에 대한 민감도 분석을 통해 가장 적절한 수준 조합으로 도출된다.
제안된 모바일 로봇 구조와 기구학 모델, LQR 제어기의 유효성 검증을 위해 DAFUL-Simulink co-simulator가 사용된다. 먼저, 제안된 모바일 로봇은 서스펜션 자유도가 고정된 모바일 로봇에 비해 distance 및 direction 오차 성능에서 각각 47.7%, 62.5%의 향상을 확인했다. 또한, 동일한 모바일 로봇에 대하여 구동 속도 전파 모델은 평면 기구학 모델에 비해 33.8%, 18.6%의 향상을 보였고, 제안된 LQR 최적 제어기의 경우 기존의 궤적 추종 제어기 대비 49.5%, 15.4%의 성능 향상을 보였다.
목차
국문초록 ⅴ영문초록 ⅶ제 1 장 서 론 11.1 연구 배경 11.2 연구 개요 및 목적 4제 2 장 신규 모바일 로봇 메커니즘 6제 3 장 모바일 로봇 기구학 83.1 평면 기구학 83.2 서스펜션 기구학 103.2.1 서스펜션 기구학 전개 103.3 Track-Terrain Contact Angle(TTCA) 기반의 구동 속도 투영 모델 153.3.1 Track-Terrain Contact Angle(TTCA)의 정의 153.3.2 구동 속도 투영 모델 173.3 전-후방 트랙 간의 속도 전파 모델 18제 4 장 기준속도 기반의 궤적추종을 위한 제어기 설계 204.1 문제정의 204.2 기준궤적 추종 제어기 224.3 LQR(Linear Quadratic Regulator) 제어기 설계 244.3.1 오차 동역학 모델 전개 244.3.2 Lyapunov 안정성 304.3.3 Routh-Hurwiz 안정성 32제 5 장 성능 검증 시뮬레이션 335.1 성능 평가 지수 335.2 험지 주행 시뮬레이션 365.2.1 가중치 행렬(Q, R)에 대한 민감도 분석 375.3 시뮬레이션 결과 41제 6 장 결 론 44참고문헌 46
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