다중 차량 로봇 시스템의 대형 제어를 위한 관측기 기반 분산 제어

Abstract

본 연구에서는 수중 로봇의 대형제어 알고리즘을 개발하기 위해, 수중과 유사한 계측 장비와 육상 이동 로봇을 이용하여 미지 입력 관측기에 기반한 분산 제어 방식을 제안하였다. 먼저 단일 차량 로봇에 대한 모델링, 위치 인식 및 경로 추종 알고리즘을 제안하여 위치 인식과 경로 추종 알고리즘에 대해 검증하였다. 그리고 다중 차량 로봇의 대형에 대한 모델링과 이에 대한 관측기를 설계하는 방법을 제안하였다. 또한 이 관측기를 기반으로 한 다중 로봇 시스템의 대형 제어를 위해 Broadcasting 분산 제어기와 선도-추종 분산 제어기를 제시하였다. 제시된 제어기를 구현하기 위해 제어 시스템을 구성하고 개발하였다. 마지막으로 시뮬레이션과 실험을 통하여 제시된 제어기 및 알고리즘의 유효성을 검증하였다. 본 연구의 내용을 요약하면 다음과 같다. 다중 로봇의 대형 제어를 수행하기 위한 실험 기반 장비들을 구성하였다. 우선 리눅스 기반의 임베디드 컨트롤러를 주 컨트롤러로 하는 엔코더가 장착된 2대의 차량 로봇을 제작하고, 각 차량 로봇의 위치를 계측하기 위해 초음파 위치 시스템을 구성하였다. 그리고 분산 제어를 구현하기 위해 리눅스 기반의 서버 시스템과 각 차량의 통신을 위한 무선 네트워크를 구성하였다. 좌우 바퀴의 구동력 차이를 이용하여 선회가 가능한 스키드 조향 방식의 차량 로봇에 대한 운동학적 모델을 제시하였다. 차량 로봇의 바퀴들이 미끄러짐 없이 순수 구동한다는 가정하에서 비홀로노믹 구속 방정식을 구하고 이를 기반한 차량 로봇의 운동학적 방정식을 유도하였다. 차량 로봇의 운동학적 방정식의 매개변수 는 슬립 및 바퀴의 형상 변화와 무게 중심 측정 오차로 인해 영향을 받는다. 따라서 모델 매개변수 동정을 통하여 오차를 최소로 하는 최적의 값을 실험을 통해 와 같이 선정하였다. 앞서 제안된 운동학적 방정식의 매개변수 을 이용하여 정확한 차량 로봇의 위치를 인식하기 어렵다. 그리고 초음파 위치 시스템은 벽면 반사에 의한 불규칙한 측정 오차를 가진다. 따라서 차량 로봇의 위치를 정확하게 인식하기 위해서, 초음파 위치 시스템으로부터 계측된 값과 로봇으로부터 획득한 엔코더 값(회전속도)을 운동학 방정식에서 대입하여 얻은 위치 예측 값으로 위치를 보정하는 위치 인식 알고리즘을 제시하고 검증하였다. 앞서 제안된 위치 인식 알고리즘을 기반으로 단일 차량 로봇을 이용한 경로 추종 알고리즘을 제안하였다. 단일 차량 로봇으로 주어진 경로를 움직이도록 하기 위해서 LOS 개념을 적용하였으며, 경로 추종에 필요한 매개변수들을 , 와 같이 선정하였다. 차선 변경과 유턴 경로의 경로 추종 실험에서 의 오차 범위를 가진다. 앞서 제안된 알고리즘을 활용하여 2대의 차량 로봇으로 구성된 그룹에 대하여 대형 모델을 제시한다. 그리고 대형 제어를 위한 미지 입력 관측기를 설계하고 이를 기반으로 분산 제어기를 설계하였다. 4.3 절에서는 시뮬레이션과 실험을 통해 2대의 차량 로봇이 동시에 움직이면서 일정한 대형을 유지하는 Broadcasting 분산 제어 방법의 특징을 잘 보여주었다. 그리고 4.4 절에서는 시뮬레이션과 실험을 통해 추종 차량 로봇이 선도 차량 로봇으로부터 일정한 대형을 유지하는 선도-추종 분산 제어 방법의 특징을 잘 보여주었다. 본 연구에서 제안된 위치 인식 알고리즘, 경로 추종 알고리즘과 미지 입력 기반 분산 제어 방법은 이동 차량 로봇을 이용하는 많은 경우에 활용될 것으로 판단된다. 특히, 제안된 위치 인식 알고리즘은 수중과 비슷한 계측 장비를 이용하였기 때문에 육상 이동 로봇뿐만 아니라 수중 로봇에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 차후에는 동역학에 기반한 모델링을 수행하여 보다 정밀한 제어기를 구현하고자 한다. 그리고 차량 로봇의 바퀴와 지면 사이의 슬립을 고려하여 더욱 더 수중 환경에 유사한 모델링을 수행하고자 한다. 그리고 현재의 초음파 위치 시스템보다 더욱 정밀한 시스템을 구축하여 본 연구에서 제안된 위치 인식 알고리즘을 보다 정밀하게 검증하고 보완하고자 한다. 또한 경로 추종 알고리즘에 거리에 따라 차량 로봇의 이동 속도를 변화시키는 개념을 도입하고, 경로를 추종함에 있어서 위치뿐만 아니라 차량 로봇의 전진방향각도 고려하도록 경로 추종 알고리즘을 개선하고자 한다. 마지막으로 이를 토대로 하여 좀더 정밀한 다중 로봇의 대형 제어기를 다양한 방식으로 적용하여 분산 제어 연구를 수행하고자 한다.

In this dissertation, an observer-based decentralized controller is designed to follow reference path and keep formation of multi-robot vehicle system. To do this, kinematic modeling of four wheeled vehicle robot is presented under nonholonomic constraints. To minimize the error between ultrasonic positioning system(UPS) data and the computed data from the kinematic modeling using encoder, parameters such as wheel radius and distance from wheel to geometrical center of vehicle are estimated. A localization algorithm using the data obtained from UPS and encoder is introduced to obtain accurate position data of the vehicle robot. And, the path tracking algorithm of the single vehicle robot is proposed using the proposed localization algorithm and LOS concept. Next, an unknown input observer is proposed to estimate the unknown states in the system with unknown input. A decentralized observer-based controller is proposed for formation control of the multi-robot vehicle system using leader？following method and broadcasting method. To implement the proposed controller, the control system with embedded controller using S3C2240 microcontroller based Linux is developed. Finally, the simulation and experimental results are shown to prove the effectiveness of the proposed controller.