실시간 로봇 위치 제어를 위한 확장 칼만 필터링의 비젼 제어 기법 개발

장완식,김경석,박성일,김기영 한국비파괴검사학회 2003 한국비파괴검사학회지 Vol.23 No.1

실시간 로봇 위치 제어를 위해 비젼시스템을 사용할 때 이 모델에 포함된 매개변수를 추정하는데 있어 계산시간을 줄이는 것은 매우 중요하다. 불행히도 흔히 사용되고 있는 일괄 처리 기법은 반복적으로 계산이 수행되기 때문에 많은 계산 시간을 필요로 하여 실시간 로봇 위치 제어를 어렵게 한다. 반면에 본 연구에서 사용하고자 하는 확장 칼만 필터링은 사용하기 편리하고, 또한 순환적 방법으로 계산되기 때문에 비젼시스템의 매개변수를 계산하는데 있어 시간을 줄이는 커다란 장점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 실시간 로봇 위치 제어를 위해 사용하는 비젼 제어 기법에 확장 칼만 필터링을 적용되었다. 여기서 사용된 비젼시스템 모델은 카메라 내부 매개변수(방향, 초점거리 등) 및 외부 매개변수(카메라와 로봇 사이의 상대적 위치)를 설명하기 위해 6개 매개변수를 포함하고 있다. 이러한 매개변수를 추정하기 위해 확장 칼만 필터링 기법이 적용되었다. 또한 이렇게 추정된 6개 매개변수를 사용하여 로봇을 구동시키기 위해 필요한 로봇 회전각 추정에도 확장 칼만 필터링 기법이 적용되었다. 최종적으로 확장 칼만 필터링을 사용하여 개발된 비젼 제어 기법의 타당성을 로봇 위치 제어 실험을 수행하여 확인하였다. It is very important to reduce the computational time in estimating the parameters of vision control algorithm for robo's position control in real time. Unfortunately, the batch estimation commonly used requires too much computational time because it is iteration method. So, the batch estimation has difficulty for robot's position control in real time. On the other hand, the Extended Kalman Filtering(EKF) has many advantages to calculate the parameters of vision system in that it is a simple and efficient recursive procedures. Thus, this study is to develop the EKF algorithm for the robot's vision control in real time. The vision system model used in this study involves six parameters to account for the inner(orientation, focal length etc) and outer (the relative location between robot and camera) parameters of camera. Then EKF has been first applied to estimate these parameters, and then with these estimated parameters, also to estimate the robot's joint angles used for robot's operation. Finally, the practicality of vision control scheme based on the EKF has been experimentally verified by performing the robot's position control.

선박의 동적위치유지 시스템을 위한 Sliding Mode 제어 연구

김영식,홍장표 한국항해항만학회 2023 한국항해항만학회지 Vol.47 No.4

In this study, a sliding mode (SM) controller for dynamic positioning (DP) was specifically designed for a turret connection operation of a ship or an offshore structure in which an arbitrary point on the structure could be controlled as the motion center instead of the center of mass. The SM controller allows control of the arbitrary point and provides capability to manage uncertainties in the dynamics of ships and offshore structures, external forces caused by unknown changing marine environments, and transient performance of DP systems. The Jacobian matrix included in kinematic equations of the controlled object was modified to design the SM controller to control based on an arbitrary point of ships or offshore structures. To ensure robustness of the controller, the Lyapunov stability theory was applied in the design of the SM controller. In general, for robustness in DP control, gain scheduling based on a proportional-derivative (PD) control algorithm is employed. However, finding appropriate gains for gain scheduling complicates the application of DP systems. Therefore, in this study, the SM control algorithm was considered to mitigate the complexity of the DP controller for ships and offshore structures. To validate the proposed SM control algorithm, time-domain simulations were conducted and utilized to evaluate the performance of the control algorithm. The effectiveness of the proposed SM controller was assessed by comparing simulation results with results of a conventional PD control algorithm applied in DP control. 본 연구에서는 선박 또는 해양구조물에 설치되는 터렛(Turret)과 같이 제어 대상의 무게 중심 주변이 아닌 임의 지점을 운동 중심으로 선정하여 제어할 수 있는 동적위치유지(Dynamic positioning; DP)용 슬라이딩모드(Sliding mode) 제어기를 연구하였다. 이러한 슬라이딩모드 제어기는 선박 및 해양구조물 동역학 모델의 불확실성, 시공간에서 변화하는 미지의 해양환경에 의한 외력, DP 제어시스템의 과도 성능을 고려한 제어가 가능하다. 선박 및 해양구조물의 임의 지점을 기준으로 제어하기 위해 제어 대상의 기구학 방정식에 포함되는 자코비안(Jacobian) 행렬을 수정하여 슬라이딩모드 제어기를 설계하였다. 제어기의 강건성(Robustness)을 확보하기 위해 슬라이딩모드 제어기 설계에 리아프노프(Lyapunov) 안정도 판별 이론을 적용하였다. 일반적으로 DP 제어에서 제어기의 강건성 확보를 위해 PD(Proportional derivative) 제어 알고리즘 기반의 이득 스케줄링(Gain scheduling)을 사용한다. 그러나 이득 스케줄링을 적용하기 위한 적절한 이득을 찾는 것은 DP 시스템 적용을 복잡하게 만든다. 따라서 본 연구에서는 이러한 선박 및 해양구조물 DP 제어기의 복잡성을 해소하기 위해 슬라이딩모드 제어 알고리즘을 고려하였다. 제안된 슬라이딩모드 제어 알고리즘의 유효성을 검증하기 위해 시간 영역 시뮬레이션을 구현하였으며, 제어 알고리즘의 성능평가에 활용되었다. 제안된 슬라이딩모드 제어기의 유효성 검토를 위해 일반적인 PD 제어 알고리즘을 적용한 DP 제어 시뮬레이션 결과와 비교하였다.

속도 프로파일 기반의 가감속제어를 통한 DC 모터의 토크제어

이종연(Jong-Yeon Lee),현창호(Chang-Ho Hyun) 한국지능시스템학회 2012 한국지능시스템학회논문지 Vol.22 No.1

본 논문에서는 자동물류운반시스템(AGV)에 사용되는 가감속 제어를 위한 속도 프로파일 기반의 가감속 위치제어를 DC 모터 실험을 통한 토크변화에 대해서 고찰한다. 속도 프로파일을 이용한 모터의 가감속 제어는 모터에 걸리는 부하를 줄임으로써 시스템의 무리한 구동을 방지하고 수명을 연장 시키는 장점을 가지고 있다. 체계적인 설계 구조를 갖는 상태 피드백 제어기를 이용하여 속도 프로파일을 이용한 가감속 제어 기반의 DC 모터의 위치제어와 단순 위치제어를 모의실험을 통하여 비교함으로써 토크 크기를 비교 관찰한다. 또한 CEM-IP-01의 카트 위치 제어 실험을 통하여 이를 검증한다. This paper presents torque control of DC motor using the velocity profile based acceleration/deceleration controller for automatic guided vehicles (AGVs). This technique has some advantage; to reduce the damage of motors and to extend the life time of motors. First, we generate velocity profiles for three cases and design the state feedback controller using the generated velocity profile as a reference. The state feedback controller has servo system for solving regulation problem. For the verification, we apply the proposed method to control a cart position and shows some simulation result.

지능제어 신경망을 이용한 DC 서보 전동기의 위치제어 특성 및 성능연구

김종혁(Jong-Hyeok Kim),최현길(Hyun-Gil Choi),김도선(Do-Seon Kim) 산업기술교육훈련학회 2010 산업기술연구논문지 (JITR) Vol.15 No.2

Recent control techniques have been proposed in order to improved the control performance characteristics for automatically accurate control system. In the position control system using a DC servo motor as a driver, the response-characteristic of system is controlled by the PID controller. In this paper, for adjusting the error signal and the plant input using the intelligent control neural network. The coupling coefficients of each layers of neural network are automatically adjusted. We assume that a plant is liberals and derive the learning algorithm. The proposed controller apply to the position control system using DC servo motor as driving source and can verify usefulness of this method through the experiment.

표면파를 이용한 자동 초음파탐상검사 주사장치의 위치제어 기술

이종포,박철훈,엄병국 한국비파괴검사학회 2003 한국비파괴검사학회지 Vol.23 No.1

수동 초음파검사를 자동검사로 대체하기 위해서는 탐촉자의 위치정보를 정확하게 제어할 수 있는 주사장치가 필수적이다. 위치정보를 알기 위하여 기존의 모터제어 주사장치에서는 엔코더를 사용하고 있으며 엔코더는 여러 가지 측면에서 많은 장점을 가지고 있으나 주사 중에 미끄러짐(slip)이 발생하면 엔코더 위치정보의 정확도에 많은 오차가 포함되게 된다. 따라서, 미끄러짐이 있는 경우의 위치정보는 무의미하게 되며, 자동초음파검사의 신뢰도는 큰 문제가 된다. 그러므로 미끄러짐을 피해야 하나 현재는 이를 완전히 해결하는 방법은 없는 상태이다. 본 논문에서는 이와 같은 문제점을 해결하고 엔코더를 대체할 수 있는 새로운 개념의 초음파검사 자동 주사장치의 위치 제어기술을 제안하고 이 방법이 실제 사용가능함을 확인하였다. 즉, 주사하고자 하는 직선 영역에 송신용 표면파 탐촉자를 부착하고 주사장치에 부착된 수신용 탐촉자에서 표면파를 수신하여 현재의 주사장치의 위치를 계산하고 이를 바탕으로 주사하고자 하는 거리만큼의 주사장치의 이동을 제어할 수 있다. In order to replace the manual ultrasonic testing(UT) with an automated UT(AUT), a scanner which enables us to control the positions of a transducer is essential. Encoders have been commonly used to obtain the position information from the conventional scanners controlled by motor. Encoders have various advantages in many aspects. However, if the slip of motor wheel occurs during scanning, various errors are involved in the position accuracy. Thus, the position information of encoders becomes meaningless in case of slip. The reliability of AUT results may become serious problem. Hence, slip must be avoided, but it can not be completely avoided at present time. In this paper, a new idea that surface wave is used to solve this problem and replace encoders has been proposed. It is shown that this idea can be employed in AUT scanner without encoders. That is, one transducer transmitting surface wave is fixed and the other transducer attached to the scanner receives UT signal. Then, computer calculates the present position of scanner based on the information given by surface wave. Thus, the movement of a scanner can be controlled by the amount of input based on the information obtained.

제어방식에 따른 다축 고정도 위치동기제어계의 성능비교

최봉석(B. S. Choi),정석권(S. K. Jeong),유삼상(S. S. You) 한국동력기계공학회 2004 한국동력기계공학회 학술대회 논문집 Vol.- No.-

This paper describes a comparison of control performance in multi-axes precise position synchronous system according to control methods. The control method is mainly divided as two manners such as master-slave and cooperative control in the multi-axes system. Also, each axis is divided as two types, current control type and acceleration control type, according to a kind of inner loop. Maximum error comparison as a coupling method is used to minimize position synchronous errors. The control performances of position synchronous control are investigated through numerical simulations under various control methods.

홀소자를 이용한 전기식 구동장치 위치제어 특성 분석

정재헌,최승주,이수철,박건국,배경호,조종우 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

유압식 구동장치가 주력으로 사용되던 항공기 분야에 전기식 구동장치 적용이 확대되고 있다. 전기식 구동장치는 모터와 구동기의 절대적 위치를 확인하는 감지기, 회전운동을 직선운동으로 변환하는 볼나사, 토크를 전달하는 기어, 모터 등으로 구성된다. 이러한 전기식 구동장치 제작에 신뢰성을 확보하기 위하여 모터 및 감지기 2중화에 많은 노력을 하고 있으나 이러한 노력은 비용 상승을 동반하게 된다. 더욱이 RVDT 등은 감지기 비용뿐만 아니라 출력신호를 처리하는 회로의 복잡도가 높아지고 그에 따라 MTBF가 단축되는 주요 원인이 된다. 이러한 이유로 감지기 사용을 줄이고 구동장치를 간단하게 제어할 수 있는 방법에 대하여 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 시험개발중인 전기식 구동장치를 이용하여 RVDT 위치 감지기를 사용한 제어 특성과 위치 감지기를 배재하고 모터 회전자 확인용 홀소자를 이용한 구동제어 방식에 대한 위치 제어 특성을 확인하였다. The application of electrical actuator is currently being expanded to a field of aircraft where hydraulic actuator had been the mainstream. Electrical actuator is composed of the components such as absolute position sensor, ball screw from rotary to straight-line, torque conveying gear and motor etc. To secure the credibility of manufacturing this electrical actuator, many efforts are being made to dualize motor and sensor, but these efforts inevitably increases cost. Furthermore, RVDT which is mainly used in the aircraft increases the complexity of output signal process and hence shortens MTBF. This is why the research is performed on the way how to simply control the actuator with reduced usage of the sensor. The research identifies the control characteristics of RVDT using electrical actuator under development and also confirms position control characteristics of driver control method using hall sensor with exclusions of position sensor.

비례유량제어밸브 위치제어기 자동조정

정규홍(Gyu Hong Jung) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.7

비례솔레노이드밸브는 코일전류에 비례하는 전자기력을 이용하여 밸브 변위를 연속적으로 가변시키는 밸브이다. 대용량 비례유량제어밸브는 발전소나 화학 플랜트에서 물, 스팀, 가스 등과 같은 공정유체의 대용량 유량제어에 사용되며 공압이나 모터를 이용하는 밸브에 비하여 우수한 응답성능과 소형화의 장점을 가진다. 본 연구에서는 비례제어밸브를 대상으로 밸브의 동적 특성을 식별한 후 목표 성능이 만족되도록 위치제어기의 비례적분이득을 자동으로 조정하는 기능을 설계하였다. 동특성 식별은 릴레이피드백을 통하여 한계 안정 상태에서의 임계이득과 임계주기로 파악하였으며, 비례적분이득 결정에는 Ziegler-Nichols 방법을 적용하였다. 구현된 기능은 시험을 통하여 성능을 검증하였으며 밸브 작동점과 릴레이 제어기 변수가 자동조정에 미치는 영향을 분석하였다. Proportional solenoid valves are a modulating type that can control the displacement of valves continuously by means of electromagnetic forces proportional to the solenoid coil current. Because the solenoid-type modulating valves have the advantages of fast response and compact design over air-operated or motor-operated valves, they have been gaining acceptance in chemical and power plants to control the flow of fluids such as water, steam, and gas. This paper deals with the auto tuning of the position controller that can provide the proportional and integral gain automatically based on the dynamic system identification. The process characteristics of the solenoid valve are estimated with critical gain and critical period at a stability limit based on implemented relay feedback, and the controller parameters are determined by the classical Ziegler-Nichols design method. The auto-tuning algorithm was verified with experiments, and the effects of the operating point at which the relay control is activated as well as the relay amplitude were investigated.

퍼지 PI를 이용한 배수갑문용 유압실린더 제어기 설계

혜무은(Hui Wuyin),최철희(Chul-Hee Choi),최병재(Byung-Jae Choi),홍춘표(Chun-Pyo Hong),류석환(Seog-Hwan Yoo),권영태(Yeung-Tae Kwon) 한국지능시스템학회 2010 한국지능시스템학회논문지 Vol.20 No.1

수문 제어의 주요기술은 두 개의 실린더가 하나의 수문을 동시에 10[m] 이상 들어 올리는 행정 동안 정밀하게 제어되도록하여 동기 작동 시키는 것이다. 실린더에 공급되는 유량 및 압력이 일정하지 않으며, 실린더 피스톤의 비선형적인 마찰력에 의해 두 개의 실린더 위치 오차가 발생하게 되면 수문의 개폐 시 비틀림 현상을 야기 시켜서 수문의 마모를 발생시키고, 수문의 개폐작동 불능 현상을 만들기도 한다. 배수갑문용 유압실린더의 위치 및 동기 제어기를 설계하기 위하여 fuzzy PI 제어기를 이용하여 두 개의 실린더의 위치 및 동기제어기를 설계하고, 시뮬레이션을 통해 효용성을 제시한다. A main technology of opening and closing a sluice gate is accurate synchronous and position control for the two cylinders when they are moving with the sluice gate together over 10[m]. Since the supply flow and supply pressure of cylinders are not constant and a nonlinear friction force of the piston in cylinders exists, a difference will be made between the displacement of two cylinders. This difference causes the sluice gate to deform and abrade, and even it may be out of order. In order to solve this problem we design two kinds of fuzzy PI controllers. The former is for a position control of two cylinders, the latter is for their synchronous control. We show some simulation results compare the performance of fuzzy PI controller to the conventional PID controller.

쿼드콥터를 위한 단순구조 퍼지논리제어시스템 설계

유현호(Hyun-Ho Yoo),최병재(Byung-Jae Choi) 한국지능시스템학회 2015 한국지능시스템학회논문지 Vol.25 No.6

드론의 응용 분야가 확대되면서 쿼드콥터 시스템에 대한 연구가 널리 진행되고 있다. 쿼드콥터 시스템은 4개의 프로펠러를 가지고 수직상승, 상하, 좌우로 자유로이 이동할 수 있는 비행체로, 비선형 시스템의 대표적인 사례이다. 본 논문에서는 복잡한 비선형 시스템인 쿼드콥터의 제어를 위하여 기존의 2-입력 퍼지논리제어기를 설계하고 그 성능을 확인한다. 여기서 2-입력 퍼지논리제어기를 위한 제어 규칙표의 분석을 통하여 이들 제어 규칙표가 스큐대칭의 특징을 나타내고 있음을 확인한다. 또한 이들 제어규칙표에서 제어기의 출력은 제로 밴드에서 멀어질수록 강해진다는 특징도 확인한다. 이러한 특징으로부터 단일 입력을 가지는 단순구조 퍼지논리제어기를 설계하는 과정을 제시한다. 이들 두 경우의 제어 시스템이 나타내는 성능을 시뮬레이션을 통하여 확인한다. Applications of the drone have been enlarged and study on the quad-copter system has been widely progressed. Quad-copter system is raised vertically with four propellers, and it is free to move side to side, and upper and lower. It is also a typical example of non-linear systems. In this paper, we design two-input fuzzy logic control systems in order to control the quad-copter that is complex nonlinear system. And then we analyze their control rule tables and derive some characteristics that they present skew symmetric property and the control actions are enhanced as the distance from the diagonal band. This property enables the design of other control systems. We here design simple-structured fuzzy logic control systems and simulate them. We confirm some effects of the proposed systems and finally discuss about them.