Design of Fuzzy Logic Control System for Segway Type Mobile Robots

Sangfeel Kwak,Byung-Jae Choi 한국지능시스템학회 2015 INTERNATIONAL JOURNAL of FUZZY LOGIC and INTELLIGE Vol.15 No.2

Studies on the control of inverted pendulum type systems have been widely reported. This is because this type of system is a typical complex nonlinear system and may be a good model to verify the performance of a proposed control system. In this paper, we propose the design of two fuzzy logic control systems for the control of a Segway mobile robot which is an inverted pendulum type system. We first introduce a dynamic model of the Segway mobile robot and then analyze the system. We then propose the design of the fuzzy logic control system, which shows good performance for the control of any nonlinear system. In this paper, we here design two fuzzy logic control systems for the position and balance control of the Segway mobile robot. We demonstrate their usefulness through simulation examples. We also note the possibility of simplifying the design process and reducing the computational complexity. This possibility is the result of the skew symmetric property of the fuzzy rule tables of the system.

다중 센서 기반 무한궤도형 이동로봇의 실외 자율 주행시스템

방효석,김용태,이창준,박민홍,조재훈 한국지능시스템학회 2022 한국지능시스템학회논문지 Vol.32 No.2

This paper proposes an outdoor navigation system of a caterpillar mobile robot based on the multiple sensors. The real-time state estimation and the obstacle avoidance algorithm is applied for the proposed navigation system using a 3D LIDAR sensor. A caterpillar mobile robot is designed to enable stable driving in the uneven terrain with many small obstacles. In order to improve the performance of state estimation of the proposed navigation system, the driving accuracy and localization of the robot is improved by using encoder and IMU data, the converted two-dimensional coordinate data of RTK GPS. An individual module is designed to verify the driving performance of the autonomous driving system to the destination and an outdoor experiment was conducted by developing a prototype robot. The experiment results show that the caterpillar mobile robot autonomously navigate in the uneven environment. 본 논문에서는 무한궤도형 이동로봇의 다중 센서 기반 실외 자율주행 시스템을 제안한다. 제안된 자율주행시스템은 로봇의 실시간 위치 추정이 가능하며, 3차원 라이다 센서를 통해장애물 감지 및 회피 주행알고리즘을 적용하였다. 소규모 장애물이 많은 비평탄 지형에서안정적인 주행이 가능하도록 무한궤도를 사용한 로봇을 설계하였다. 주행시스템의 위치 추정 성능을 개선하기 위해 엔코더와 IMU 데이터에 RTK GPS의 변환된 2차원 좌표 데이터를 융합하여 로봇의 위치 인식 및 주행 정밀도를 높였다. 자율주행시스템의 목적지까지 주행 성능을 검증하기 위해 개별 모듈을 설계하였고, 시제품을 제작하여 실외 실험을 수행하였다. 실험 결과에서 비평탄 지형에서 무한궤도형 이동 로봇의 자율주행이 가능함을 확인하였다

지능형 이동 로봇을 이용한 홈오토메이션 시스템 모델 제안 및 구현

안호석(Ho Seok Ahn),최진영(Jin Young Choi) 한국지능시스템학회 2005 한국지능시스템학회 학술발표 논문집 Vol.15 No.1

This paper proposes the system model that is more efficient and active than formal home automation system and it can conquer the limits of formal one using intelligent mobile robot. This system uses specialized intelligent mobile robot for home environment and the robot moves around home instead of human. We call the system model to HAuPIRS (Home Automation system using PDA based Intelligent Robot System). HAuPIRS control architecture is composed three parts and each part is User Level, Cognitive Level, Executive Level. It is easy to use system and possible to extend the home apparatusfrom new technology. We made the PBMoRo System (PDA Based Mobile Robot System) based on HAuPIRS architecture and verified the efficiency of the system model.

소프트 컴퓨팅에 의한 지능형 주행 판단 시스템

최우경(Woo-Kyung Choi),서재용(Jae-Yong Seo),김성현(Seong-Hyun Kim),유성욱(Sung-Wook Yu),전홍태(Hong-Tae Jeon) 한국지능시스템학회 2006 한국지능시스템학회논문지 Vol.16 No.5

본 논문은 인간의 보조 역할을 하기 위해 자율적인 명령을 내리고 사용자가 직접 제어할 수 있는 지능형 주행 판단 시스템(Judgment System for Intelligent Movement; JSIM)에 대한 연구이다. 본 논문에서는 제어 대상은 이동 로봇으로 한정 한다. 이동 로봇은 지능형 주행 판단 모듈을 휴대한 사용자에게 영상정보와 초음파 센서 정보를 제공하고 가이드 역할을 수행한다. 그리고 PDA와 센서박스로 구성된 지능형 주행 판단 시스템은 이동로봇으로부터 얻은 정보와 사용자 명령을 입력으로 사용하는 소프트 컴퓨팅 기법을 이용하여 이동로봇의 속도와 방향을 결정하고 다양한 기능을 수행하도록 로봇을 원격으로 제어한다. 본 논문에서는 몸에 착용하고 주변장치들과 통신을 하며 지능적 판단을 할 수 있는 지능형 주행 판단 시스템을 구성하고 실제 환경에서 지능적 판단 알고리즘 적용과 이동로봇을 제어하는 시스템을 구현하여 제안한 시스템의 실현 가능성을 검증한다. 지능 알고리즘은 계층적 퍼지 구조와 신경망을 융합한 구조이다. This research is to introduce about Judgment System for Intelligent Movement(JSIM) that can perform assistance work of human brain. JSIM can order autonomous command and also it can be directly controlled by user. This research assumes that control object is limited to Mobile Robot(MR). Mobile robot offers image and ultrasonic sensor information to user carrying JSIM and it performs guide to user. JSIM having PDA and Sensor-box controls velocity and direction of the mobile robot by soft-computing method that inputs user's command and information that is obtained to mobile robot. Also it controls mobile robot to achieve various movement. This paper introduces wearable JSIM that communicates with around devices and that can do intelligent judgment. To verify the possibility of the proposed system, in real environment, the simulation of control and application problem for mobile robot will be introduced. Intelligent algorithm in the proposed system is generated by mixed hierarchical fuzzy and neural network.

Design of Simple-Structured Fuzzy Logic Systems for Segway-Type Mobile Robot

Hyun-Ho Yoo,Byung-Jae Choi 한국지능시스템학회 2015 INTERNATIONAL JOURNAL of FUZZY LOGIC and INTELLIGE Vol.15 No.4

Studies on the control of the inverted pendulum type system have been widely reported. This is because it is a typical complex nonlinear system and may be a good model for verifying the performance of a proposed control system. In this paper, we propose the design of some fuzzy logic control (FLC) systems for controlling a Segway-type mobile robot, which is an inverted pendulum type system. We first derive a dynamic model of the Segway-type mobile robot and then analyze it in detail. Next, we propose the design of some FLC systems that have good performance for the control of any nonlinear system. Then, we design two conventional FLC systems for the position and balance control of the Segway-type mobile robot, and we demonstrate their usefulness through simulations. Next, we point out the possibility of simplifying the design process and reducing the computational complexity,, which results from the skew symmetric property of the fuzzy control rule tables. Finally, we design two other FLC systems for position and balance control of the Segway-type mobile robot. These systems have only one input variable in the FLC systems. Furthermore, we observe that they offer similar control performance to that of the conventional two-input FLC systems.

Utilization of Mobile Robot at Interaction Systems for At-HomeWorkouts: Provision of Autonomous Mobility in Indoor Environments

Samyeul Noh,Jiyoung Park 제어로봇시스템학회 2019 제어로봇시스템학회 국제학술대회 논문집 Vol.2019 No.10

Many interaction systems for at-home workouts have had much difficulty in mobility due to the fixed location of a vision sensor. In this paper, we present the utilization of a mobile robot that navigates autonomously to improve an interaction system’s mobility. The mobile robot is implemented in an open-source robot operating system called ROS to take advantage of open-source packages associated with autonomous navigation. To perform autonomous navigation and provide mobility to the system, it comprises six components: mapping, localization, occupancy grid map, global path planning, local path planning, and ROS communication. The mapping component builds a global map by simultaneous localization and mapping. The localization component estimates the mobile robot’s pose within the global map by the adaptive Monte Carlo localization approach. The occupancy grid map component builds a local map for nearby surroundings including dynamic objects. The global path planning component optimizes a route to reach a given target pose. The local path planning component generates a trajectory to reach a local goal while conducting collision avoidance and then produces control commands to follow the trajectory. Last, the ROS communication component connects the mobile robot with the system. To verify the feasibility of the system’s mobility, we have tested autonomous navigation capability for the mobile robot at the laboratory level in indoor environments.

전방향 이동로봇을 이용한 네트워크기반 원격 감시시스템 구현

서용호 한국인터넷방송통신학회 2010 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.10 No.4

본 논문은 전방향 이동로봇과 로봇에 탑재된 카메라를 이용한 네트워크기반 원격 감시시스템의 구현에 대하여 기술한다. 제안된 감시시스템은 기존의 건물 곳곳에 설치된 감시 카메라의 영상이 고정된 및 시야에서 침입탐지를 수행하는데 비해 이동로봇을 이용해 원격으로 로봇을 자유롭게 조종해 감시하는 것이 특징이다. 감시시스템 구현에 사용된 이동로봇은 전방향 제어가 가능한 세 개의 바퀴를 가지고 있으며, 이를 네트워크 환경에서 원격으로 제어하고 영상을 획득하기 위해 마이크로소프트사의 MSRDS를 이용해 로봇 기능들을 네트워크 노드에서 실행되는 서비스들로 구현하였다. 실험을 통해 개발된 전방향 이동로봇 원격 감시시스템은 유무선 네트워크 환경에서 자유롭게 이동로봇을 조종하며 원격 모니터링이 가능함을 보여주었다. 또한 개발된 감시시스템은 획득된 원격 영상을 네트워크에 연결된 다른 PC에서 실시간으로 전송받아 색상기만 물체탐지 및 움직임 검출을 수행하였다. This paper describes a development of an network based remote surveillance system using omni-directional mobile robot. the proposed surveillance system can control a mobile robot to move and examines the given place closely while the conventional surveillance system uses a fixed camera. The mobile robot in the proposed system has three omni-directional wheels to move to any given direction freely. We also developed the proposed system as robot services using Microsoft's MSRDS for a user to control the mobile robot and monitor the remote scene captured from the robot. Finally we verified the feasibility and effectiveness of the proposed system by conducting the remote operating the mobile robot and monitoring experiments in a networked environment. We also conducted a color based object detection and motion detection on image sequences acquired from a remote mobile robot in an another PC in a network environment.

Tracking Control of 3-Wheels Omni-Directional Mobile Robot Using Fuzzy Azimuth Estimator

김상대(Kim, Sang-Dae),김승우(Kim, Seung-Woo) 한국산학기술학회 2010 한국산학기술학회논문지 Vol.11 No.10

서비스 로봇은 사람이 생활하는 환경에서 동작한다. 이런 환경에서는 일반적인 휠베이스 모빌러티(Mobility) 방식의 이동로봇은 동적인 장애물과 정적인 장애물에 둘러싸여 있으므로 로봇의 움직임에 있어 자유로운 주행에 제 약을 받게 된다. 이것은 소위 비홀로노믹(Non-Holonomic) 시스템 특성으로 주행 중인 이동로봇은 장애물을 만나면 별 도의 조향장치를 사용하거나 차동 휠 구조 로봇의 회전 과정을 수행한 후 이동하고자 하는 방향으로 진행할 수 있다. 이런 장애물을 신속하게 회피하려면 홀로노믹(Holonomic) 시스템 특성이 필요하다. 홀로노믹 시스템은 별다른 회전과 정 없이 단순히 좌우로 이동만 하면 된다. 이러한 특성으로 민첩하게 주행할 수 있고 좁은 공간에서 비홀로노믹 로봇 보다 효율적이고 자유로운 주행이 가능하다. 그러므로 본 논문에서는 세 개의 옴니휠(Omni-wheels)을 사용한 홀로노 믹 이동로봇 시스템을 개발한다. 세 개의 옴니휠을 사용한 이동로봇의 동역학과 모터 비선형 운동방정식을 고려한 정 밀한 비선형 동역학 모델을 유도하여 제시한다. 유도된 식을 통해 각각의 모터 속도를 계산하고. 기본 속도제어기로 는 PID방식을 사용한다. 그런데, 옴니휠을 이용한 홀로노믹 이동로봇의 추적제어는 정확한 방위각 센싱 데이터와 기 준값(Reference Value)을 필요로 한다. 방위각 센싱은 부정확성과 불확실성(Uncertainty)을 갖는다. 부정확성은 센서 시 스템의 노이즈와 얼라이어싱(Aliasing)으로 인하여 발생하고, 불확실성은 모바일 로봇의 왜란(Disturbance)과 미끄러짐 (Slip)으로 발생한다. 본 논문에서는 퍼지 논리 추론에 의한 퍼지 방위각 추정기(Estimator)를 개발하여 방위각 제어의 새로운 개념을 제시한다. 끝으로, 퍼지 방위각 추정을 이용한 세 개의 전 방향 바퀴 구조의 이동로봇이 실시간으로 제어되는 실험을 통하여 이동로봇 시스템의 성능을 분석한다. Home service robot are not working in the fixed task such as industrial robot, because they are together with human in the same indoor space, but have to do in much more flexible and various environments. Most of them are developed on the base of the wheel-base mobile robot in the same method as a vehicle robot for factory automation. In these days, for holonomic system characteristics, omni-directional wheels are used in the mobile robot. A holonomicrobot, using omni-directional wheels, is capable of driving in any direction. But trajectory control for omni-directional mobile robot is not easy. Especially, azimuth control which sensor uncertainty problem is included is much more difficult. This paper develops trajectory controller of 3-wheels omni-directional mobile robot using fuzzy azimuth estimator. A trajectory controller for an omni-directional mobile robot, which each motor is controlled by an individual PID law to follow the speed command from inverse kinematics, needs a precise sensing data of its azimuth and exact estimation of reference azimuth value. It has imprecision and uncertainty inherent to perception sensors for azimuth. In this paper, they are solved by using fuzzy logic inference which can be used straightforward to perform the control of the mobile robot by means of the fuzzy behavior-based scheme already existent in literature. Finally, the good performance of the developed mobile robot is confirmed through live tests of path control task.

Stability analysis of wheeled mobile multirobot coordinated towing system

Xiangtang Zhao,Zhigang Zhao,Shaohui Zhang,Cheng Su 대한기계학회 2022 JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.36 No.1

In the towing process of the wheeled mobile multi-robot coordinated towing system, the overturning of the mobile robot itself will lead to a series of problems such as system damage, operation failure and casualties. In order to adapt to the complex operating environment and complete the towing work safely and effectively, higher requirements are put forward for the carrying capacity, mobile performance and stability of the wheeled mobile multirobot coordinated towing system. Firstly, the spatial configuration of the wheeled multi-robot coordinated towing system is established and the kinematics of the manipulator and towing system are analyzed. The dynamic equations of the manipulator and towing system are established using the Lagrangian method and the Newton-Euler method. Then, the inverse kinematics of the robot is used to solve the joint angles, and the force-angle stability measure is used to analyze the law of overturning stability of the system under three cases of static, static stress and dynamic stress, respectively. Finally, the standard stability angles corresponding to the two sets of joint angles of the robot are compared with the simulation based on the program written in Matlab. The results show that the first set of joint angles has better stability, and some standard stability angles of the system are less than 0 during the motion, the towing system will overturn. Therefore, the first set of joint angles of the manipulator has better stability and should be selected to perform towing tasks. The joint angles of the manipulator should be adjusted to avoid overturning in practice.

자율 다개체 모바일 로봇 시스템의 동적 장애물 회피 구현

김동원(Dong W. Kim),이종호(Cho-Ho Yi) 한국컴퓨터정보학회 2013 韓國컴퓨터情報學會論文誌 Vol.18 No.1

자율적인 다개체 모바일 로봇 시스템에 관해 경로 계획과 충돌회피는 중요한 기능이며 동시에 협력과 협동적으로 주어진 일을 수행하는데 필요한 기능이다. 본 논문에서는 이러한 중요하고도 도전적인 문제를 다룬다. 제안된 방법은 포텐셜 필드 방법과 퍼지로직 시스템에 기반을 두고 있다. 첫째로, 전역경로 계획은 포텐셜 필드를 이용하여 로봇이 목적지까지 가는데 비용을 최소화할 수 있는 경로를 선택한다. 그러고 나서 지역경로 계획은 퍼지로직 시스템을 이용하여 정적이거나 동적인 장애물과의 충돌을 피하기 위해 전역경로에서 경로를 변경시킨다. 본 논문에서는 각각의 로봇은 독립적으로 목적지를 선택하며 동시에 다른 로봇은 동적인 장애물로 고려한다. 또한 장애물의 움직임을 예측할 필요도 없다. 이러한 과정은 각각의 로봇이 해당되는 목적지를 찾을 때 까지 지속된다. 이 방법을 테스트하기 위해 자율 다개체 로봇 시뮬레이터(AMMRS)를 개발했으며 시뮬레이션과 실험기반의 결과물을 제공한다. 본 결과는 다개체 모바일 로봇 시스템에 대하여 경로계획과 충돌회피 전략이 효율적이며 유용하다는 것을 보인다. For an autonomous multi-mobile robot system, path planning and collision avoidance are important functions used to perform a given task collaboratively and cooperatively. This study considers these important and challenging problems. The proposed approach is based on a potential field method and fuzzy logic system. First, a global path planner selects the paths of the robots that minimize the cost function from each robot to its own target using a potential field. Then, a local path planner modifies the path and orientation from the global planner to avoid collisions with static and dynamic obstacles using a fuzzy logic system. In this paper, each robot independently selects its destination and considers other robots as dynamic obstacles, and there is no need to predict the motion of obstacles. This process continues until the corresponding target of each robot is found. To test this method, an autonomous multi-mobile robot simulator (AMMRS) is developed, and both simulation-based and experimental results are given. The results show that the path planning and collision avoidance strategies are effective and useful for multi-mobile robot systems.