마이크로컨트롤러에 의한 자석식 파이프절단기의 개발과 중력에 의한 비선형성을 보상하는 제어기의 설계 = (A) Development with Microcontroller for Magnetic-type Automatic Pipe-cutting Machine & A Nonlinear Controller Design against Varying Gravity

국문 초록 (Abstract)

선박건조나 도시 건설 현장에서의 대다수의 작업은 파이프를 절단하고 용접하는 작업이 요구된다. 그러나 국민들의 생활수준이 향상됨에 따라 어려운 일을 기피하는 풍조가 사회전반에 걸쳐 만연되고 있다. 이 같은 문제를 해결하기 위해 작업공정의 자동화와 무인화가 필요하다.
본 논문에서는 이와 같은 파이프절단 작업의 자동화와 무인화를 위해 개발된 자석을 이용한 자동파이프절단기에 관하여 연구하였다.
자석을 이용한 자동파이프절단기는 차체 하단부에 자석실을 만들고 이곳에 자석을 설치하여 자력에 의해 주행시에 바퀴와 파이프 사이에 충분한 접지력이 발생하여 절단기와 파이프간의 미끄러짐을 방지한다. 또한 자석실은 자석과 파이프간의 간격을 조절할 수 있어서 파이프와 절단기 사이에 작용하는 자력의 크기를 조절할 수 있다.
자동파이프절단기의 제어기는 8bit 마이크로컨트롤러를 사용하였고, 사용자가 설정한 주행속도, 제어모드, 주행모드, 진행방향등의 설정값과 모터내부에 장착되어있는 홀센서(hall sensor)에 의해 피드백 되어지는 신호를 받아들여서 제어알고리즘을 수행한 후 PWM방식에 의해 DC모터를 구동한다. 모터에 의해 발생된 동력은 기어와 체인을 통해서 바퀴에 전달된다.
파이프절단기 시스템의 모델에 의거하여 파이프 상단부에서 하단부로 주행시 중력에 의한 차체의 자중에 의해서 평지주행시와는 달리 속도가 불균일하게 나타난다. 또한 파이프 하단부에서 상단부로 주행시 자중에 의해서 평지주행시보다 속도가 감소하므로 전체시스템은 중력에 의한 비선형 시스템으로 표현된다.
본 논문에서는 위에서 설명한 자중에 의한 영향을 보정하여 절단기의 속도를 일정하게 유지하며 절단품질을 보장하기 위해 모터에서 피드백 되어진 신호를 이용하여 절단기의 현재위치를 추정하였다. 이를 토대로 feedback linearization 방법을 이용한 제어알고리즘을 제안하였고, 실험과 시뮬레이션을 통해 제안된 알고리즘이 타당함을 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

It is required to cut and weld pipes in many fields, like building a ship and urban construction sites. However, the better standard of living gets, the more people avoid hard tasks in social ambiance. It is necessary to develop automation of working process to solve this problem.
In this paper, automated pipe-cutter using magnetic force to realize unmanned welding process is mentioned.
There is a room to contain a magnet beneath that device body and the magnet is located there. Magnetic force is used between that magnet and the pipe surface to avoid slip and to secure the attraction force between the wheels and pipe. In addition, the magnetic force is adjustable through changing the distance between the magnet and pipe.
A micro-controller is used to control that device. First, user sets the value of moving speed, control mode, moving mode and moving direction then feedback value which is from hall sensor in motor is considered and then the controller processes control algorithm and operates the DC motor by PWM and that torque which is generated from that motor transmitted to wheels through the gears and chain.
When the pipe-cutter is simulated, that device gets fast through moving from top to bottom of the pipe because of the weight of itself. When that is moving from bottom to top, the situation is the other way around. Thus whole system can be considered as a nonlinear system by gravity. To secure the cutting quality it is compulsory for the cutter to maintain the moving speed so the feedback signal from the motor is used to estimate the location of the cutter and from that information, and the controller make control input to control the system using feedback linearization. Eventually it was shown that a constraint gait algorithm is suitable to realize.

목차 (Table of Contents)

• 요약
• 목차
• List of Figures
• List of Tables
• 1. 서론 = 1
• 1.1 연구 배경 = 1
• 1.2 연구 목적 및 방향 = 4
• 1.3 Feedback linearization = 5
• 2. 자석식 파이프절단기 = 12
• 2.1 기구 시스템 설계 및 구조 = 12
• 2.2 주행제어기 설게 = 17
• 3. 시스템 모델링 = 24
• 3.1 Dynamic modeling = 24
• 3.2 System modeling = 26
• 4. 비선형제어기 설계 = 31
• 4.1 Parameter estimation = 31
• 4.2 비선형 제어기 설계 = 33
• 4.3 비선형제어기 구현 = 38
• 5. 결과 = 40
• 6. 결론 = 44
• REFERENCE = 46