Implementation and Balancing Control of A Single-wheel Mobile Robot Using Air Power

바람의 힘을 이용한 외바퀴 이동 로봇의 구현 및 균형제어

Abstract

This paper presents the novel design, implementation and control of a single-wheel mobile robot that can balance by using air power from ducted fans. All of the motions of the single-wheel mobile robot are actuated by air power instead of motor torques. Using air power allows to reduce the total weight of the robot. The complementary sensor fusion algorithm is introduced to estimate the angle correctly. After several design and development, the robot is tested for balancing in the roll direction and yawing motion. In addition, the balancing control of the robot on a single rope is tested to evaluate the control performance.

1. 서 론

이동로봇은 이동성이란 장점으로 인해 기존의 산업로봇보다 발전 속도가 매우 빠르다. 산업로봇은 자동차 산업의 발달과 함께 꾸준히 안정적으로 발전해 온 반면, 이동로봇은 서비스 로봇의 발달로 인해 가파르게 발전하고 있다. 로봇의 이동성은 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 최근 화두가 되고 있는 가정용 서비스로봇에서는 필수 요건으로 간주된다. 이동로봇에 대한 대부분의 연구는 SLAM에 치중되어 있으며, 이를 기반으로 한 자율 주행에 대한 연구가 한창이다.

실제적인 이동로봇의 상업화 분야를 살펴보면 이동수단으로 사용되는 경우가 대부분이다. 네 바퀴 형태의 대표적인 이동로봇은 전기자동차이다. 최근에 전기자동차에 대한 관심이 커지면서 실제 실용화에 박차를 가하고 있다. 두 바퀴 형태의 이동로봇인 Segway는 대표적인 이동수단의 이동로봇이다[1]. Segway의 경우는 두 바퀴로 움직이므로 균형을 유지하는 로봇의 메커니즘과 제어가 중요하게 대두된다. Segway는 두 바퀴로 구동하는 이동로봇에 대한 연구가 활성화 되는데 큰 기여를 하고 있다. 크기가 작은 구조에서부터 큰 구조에 이르기까지 다양한 두 바퀴 구동 이동로봇에 대한 연구가 진행되고 있다[2-6]. 사람이 앉아서 운전할 수 있는 두 바퀴 구동 운송 차량에 대한 연구도 진행되었다[6].

최근에는 Segway와 같은 두 바퀴 형태의 로봇에서 한바퀴로봇으로의 진화에 대한 관심이 점차 커지고 있다 [7-16]. 한 바퀴로봇은 모든 하드웨어를 바퀴 안에 내장해야 하므로 설계가 복잡하고 균형을 유지하는 것이 어려워 제어 또한 어렵다. 따라서 바퀴의 균형을 유지하는 메커니즘과 센서 및 제어 기술이 중요하다.

대부분의 두 바퀴 구동 로봇의 경우에 역진자의 원리를 적용하여 피치(pitch)각도를 제어하여 넘어지지 않도록 한다. 한 바퀴 구동 로봇의 경우에는 피치방향은 굴러가는 방향이 므로 롤(roll) 방향의 균형제어가 중요하다. Y. S. Xu 교수가 개발한 Gyrover는 롤방향으로 넘어지는 것을 방지하기위해 자이로스코프 효과를 이용한다[7]. 자이로스코프 효과란 바퀴 안에 고속으로 회전하는 플라이휠의 김벌시스템을 장착하고 그 김벌시스템의 각도를 조절하여 요(yaw)방향으로의 힘을 발생시켜 넘어지는 것을 방지하는 것이다. 최근에 발표된 외바퀴 형태의 ‘Murata Girl’은 많은 사람들의 관심을 받았다[9]. 국내에서도 같은 자이로스코프 원리를 이용한 한바퀴로봇 GYROBO에 대한 연구가 진행되었다[10,14,15]. 하지만 자이로스코프 원리를 이용하여 균형제어를 할 경우에 플라이휠의 무게와 속도에 따라 생성되는 효과가 달라지기 때문에 효과를 크게 하기 위해서는 전체 시스템이 무거워지고 전류를 많이 소모하게 된다.

따라서 본 논문에서는 구동 방식을 달리하는 가벼운 한 바퀴 구동 로봇을 제안한다. 균형을 유지하기 위해 기존의 자이로스코프 효과를 사용하지 않고 바람의 힘으로 균형을 유지하는 새로운 개념의 한 바퀴 로봇을 구현하였다. 바람을 이용한 한 바퀴 로봇으로 선행 연구된 CNU Blower가 있다[16]. CNU Blower에서 피치방향의 주행움직임은 모터로 구동하고 롤방향의 균형을 유지하기 위해 두 개의 팬을 달았다. 선행 연구에서 바람을 통해 제어를 하는 것의 연장으로 바퀴 안쪽에 모든 하드웨어를 구성하고 롤방향의 제어를 덕티드 팬의 바람에 의한 추력으로 해결하였다[17].

본 논문에서는 균형제어를 잘 유지하기 위해 균형각을 정확하게 검출하는 것이 필요한데 complementary 필터를 사용하여 더 정확하게 검출하려고 노력하였다. 또한 롤방향의 제어는 물론 yaw 방향의 좌우 제어와 앞뒤 제어역시 4개의 팬을 통해 바람으로 구현한다.

실제로 제작된 로봇의 실험을 통해 바람으로 균형을 유지하고 주행하는 것을 확인하였다. 추가적으로 지상에서 실험 하는 것에 그치지 않고 외란이 심한 외줄 위에서 스스로 균형을 유지하는 실험을 성공적으로 수행하였다.

 

2. 외줄타기 로봇

2.1 시스템 구조 설계

그림 1은 한 바퀴 구동 로봇을 설계한 모습이다. 좌우 제어를 위한 덕티드 팬 2개와 앞뒤 제어와 회전을 위한 덕티드팬 4개로 구성된다. 그림 1(a)는 정면의 모습이고 (b)는 위에서 본 모습이다. 표시된 화살표 방향으로 바람이 뿜어져 나와 로봇의 자세를 안정시키게 된다. 그림 1(b)를 보면 가운데 바퀴를 중심으로 Roll 제어를 위한 두 개의 팬이 대칭으로 배치된다.

그림 1외바퀴 로봇의 설계 Fig. 1 Single wheel robot design

2.2 실제 시스템

그림 2는 실제 제작된 로봇의 모습과 구성을 자세히 나타내고 있다. 로봇을 정면에서 바라본 그림 2(a)를 보면 가운데 바퀴를 중심으로 Roll방향으로 균형을 유지하기 위한 덕티드팬 두 개가 대칭으로 위치하고 있다. 모터에 공급되는 배터리들은 로봇의 아래쪽에 위치함으로써 무게중심을 밑으로 내려 안정적인 자세가 가능하게 하였다. 또한 메인회로가 위치한 우측에서 좌측 덕티드팬 모터에 공급하는 신호는 hollow shaft를 바퀴 축을 사용해 바퀴 안쪽으로 통과시켰다.

그림 2실제 외바퀴 로봇 Fig. 2 Real sngle wheel robot

그림 2(a)는 로봇을 정면에서 바라본 모습이고 그림 2(b)는 평면도이다. 방향전환을 위한 덕티드 팬 4개가 앞뒤로 두 개씩 위치한다. 이 덕티드 팬은 로봇의 방향을 전환하는데 가장 효율적인 바퀴 축과 동일선상에 위치한다.

2.3 하드웨어 설계

그림 3은 센서들과 프로세서로 구성한 로봇의 메인회로를 나타낸다. 주제어기로 DSP를 사용하고 균형을 감지하는 센서로는 자이로 센서와 틸트센서를 사용하였다. 또한 요방향을 검출하기 위해서는 자이로 센서와 지자기 센서를 융합하여 사용하였다.

그림 3제어 하드웨어 Fig. 3 Control hardware

2.4 센서 융합

균형 제어에서 중요한 것은 균형각도를 정확하게 검출하는 것이다. 정확한 각도를 검출하는 것은 제어를 적용하기 전에 반드시 선행되어져야 한다. 우선 로봇 자체의 진동이 센서에 전달되지 않도록 진동 분리를 기구적으로 해결한 다음에 센서가 정확한 값을 출력하도록 해야 한다. IMU와 같은 다축 센서를 사용하면 좋겠지만 정확한 센서는 값이 고가여서 저가용 센서로 구성하였다. 본 논문에서는 틸트 센서와 자이로 센서를 융합하는 방식으로 처리하였다. 틸트 센서는 정확한 각도를 측정할 수 있지만, 진동과 같은 고주파에 대한 응답특성이 나쁘다. 그림 4는 틸트센서의 원래 신호와 저주파 통과필터를 거친 신호를 비교해준다.

그림 4틸트 센서 응답 Fig. 4 Response of tilt sensor

Gyro센서는 고주파 응답특성이 좋으나 적분을 통해 각도를 계산하기 때문에 적분오차에 의한 드리프트가 발생하게 된다[18]. 그림 5는 적분한 값과 고주파 통과필터를 거쳐 드리프트를 없앤 결과값을 비교해준다.

그림 5자이로 센서 응답 Fig. 5 Response of Gyro sensor

따라서 두 가지 센서의 장점만 사용하여 정확한 각도를 추출해 내는 것이 중요하다. 틸트센서는 저주파 응답 특성이 좋고 자이로 센서는 고주파 응답 특성이 좋으므로 각각의 주파수에서의 응답을 필터링하여 합하면 균형각도를 정확하게 측정할 수 있다. 이처럼 두 가지 필터를 합하여 결과를 얻는 필터를 보상(Complementary)필터라 한다[19].

그림 6은 낮은 주파수에서의 Gyro센서의 드리프트를 제거하고, 상대적으로 높은 주파수에서의 틸트센서의 문제점을 해결하기위한 블록다이어그램을 나타낸다. 로봇을 정확히 세워놓고 센서 데이터를 100번 샘플링한 평균값으로 Zero offset을 사용하였다. 그림 7은 실제 신호를 필터링한 것을 보여준다.

그림 6보상 필터 방법 Fig. 6 Complementary filtering method

그림 7보상 필터 결과 Fig. 7 Complementary filtering result

2.5 제어방식

Roll방향 자세제어는 Roll방향으로 𝜓만큼의 기울기가 발생하면 기울기가 발생한 방향으로 바람의 추력을 생성해 균형을 유지한다. Roll방향의 제어를 구현하기 위해 그림 8과 같이 PID제어기를 사용해 로봇의 Roll방향을 제어한다. 마찬가지로 Yaw 방향은 PID제어기를 사용하여 외바퀴 로봇에 부착된 네 개의 팬의 추력을 통해 제어한다.

그림 8롤 및 요 방향 재어 블록선도 Fig. 8 Roll & yaw control block diagram

2.6 실험결과

2.6.1 롤방향제어

먼저 제자리에서 넘어지지 않도록 하는 롤방향의 균형 제어를 수행하였다. 그림 9는 Roll 방향 제어를 실험한 모습이다. 자세를 잡을 때, 약간의 기울어짐이 발생하나 원하는 각도인 0도에 수렴하는 모습을 볼 수 있다. 또한 자세 제어 도중 손으로 밀거나 당기는 외란에도 잘 버티는 것을 볼 수 있다. 8초 부근에서 보면 손으로 밀고 12초에서는 당기고 다시 17초에서는 미는 것을 볼 수 있다. 하지만 쓰러지지 않고 균형을 잘 유지하는 것을 볼 수 있다.

그림 9롤 방향 재어 실험 Fig. 9 Roll control experiment

그림 10는 그림 9의 실험의 결과를 그래프로 나타낸 것으로 Roll 방향으로의 로봇의 각도를 보여준다. 그래프에서 볼 수 있듯이 외란이 없는 경우(0초-7초 사이)는 원하는 각도인 0을 기준으로 ±3°이내로 각도가 유지됨을 확인할 수 있다. 네 번의 의도적인 외란(밀고 당김)을 주었지만 균형을 잘 유지하였다. 손으로 당겼을 때 최대 10도까지 넘어져도 다시 균형을 유지하는 것을 알 수 있었다.

그림 10롤 각도 Fig. 10 Roll angle

2.6.2 요방향제어

다음은 요방향의 움직임 제어를 수행하였다. 그림 11은 Yaw 방향 제어를 실험한 모습이다. 처음 바라보는 방향을 초기 값으로 설정해 주고 원하는 각도를 0~40도까지 샘플링 시간으로 일정하게 증가시키며 실험을 하였다. 바퀴 앞뒤에 달린 팬으로 방향을 추종하는 모습을 확인할 수 있다. 그림 11의 40초에서 보면 로봇의 헤딩각도가 처음보다 요방향으로 틀어진 것을 볼 수 있다.

그림 11요 방향 제어 실험 Fig. 11 Yaw angle control experiment

그림 12는 그림 11의 Yaw 방향으로 로봇을 0~40°로 움직일 때 로봇의 움직임을 그래프로 보여준다. 그래프에서 기준값으로 수렴하는 것을 통해 로봇이 그 각도를 추종함을 알 수 있다.

그림 12요 각도 Fig. 12 Yaw angle

2.6.3 외줄타기 실험

마지막으로 외줄에서 균형을 유지하는 실험을 수행하였다. 그림 13은 로봇이 줄 위에서 균형을 유지하는 것을 실험한 모습이다. 지상 위에서 균형을 유지할 때 보다 외란에 의해 Roll방향으로 더 심하게 흔들리는 모습을 볼 수 있지만 쓰러지지 않고 균형을 유지한다.

그림 13외줄타기 실험 Fig. 13 Control experiment on the rope

그림 14는 그림 13의 줄타기 실험을 한 데이터를 그래프로 나타낸 것이다. 비교를 위해 지상에서 10초 이상 균형을 유지하도록 한 후, 줄 위로 로봇을 옮겼다. 지상에서 실험한 데이터에 비해 좌우로 흔들리는 값은 커졌지만 균형을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 지상에서의 균형오차는 대략 ±2°도 정도이지만 외줄에서의 오차는 ±5°정도로 더 큼을 알 수 있다. 그림 14에서 보면 초기에 외바퀴를 줄에 올릴때 균형각이 한 쪽으로 치우치는 것을 볼 수 있는데 이는 줄의 흔들림이 있기 때문이지만 곧 제어가 되는 것을 확인 할 수 있다. 이는 바람으로 구동하는 외바퀴의 흔들림이 줄의 흔들림에 외란으로 작용한 것으로 판단된다.

그림 14외줄타기 실험결과 Fig. 14 Result of control experiment on the rope

 

3. 결 론

본 논문에서는 바람으로 구동하는 새로운 개념의 외바퀴 이동로봇을 소개하였다. 모든 방향의 움직임을 바람을 통해 제어하였다. Roll방향은 두 개의 덕트팬의 추력에 의한 제어로 자세 유지를 한다. 하지만 로봇이 무거울수록 제어가 어려워지기 때문에 무게를 줄이도록 노력했다. Yaw방향은 앞뒤로 장착된 4개의 덕트팬을 이용해 제어를 하여 로봇의 헤딩 방향을 조절하였다. 또한 외줄에서의 실험을 통해 안정적인 균형을 유지하는 것을 확인하였고 이는 향후에 고압 전선에서 사용하는 로봇으로 발전 가능성을 확인하는 계기가 되었다.

하지만 외줄에서 pitch 방향으로의 앞뒤방향의 주행제어를 수행하지 못했다. 이는 추후과제에서 수행할 예정이며 바닥에서의 모든 방향으로의 움직임 또한 고려할 예정이다.