Attitude and Direction Control of the Unicycle Robot Using Fuzzy-Sliding Mode Control
퍼지-슬라이딩모드 제어기를 이용한 외바퀴 로봇의 자세제어 및 방향제어

Jae-Oh Lee, Seong-Ik Han, In-Woo Han, Seok-In Lee, Jang-Myung Lee
2012 Journal of Institute of Control Robotics and Systems  
This paper proposes an attitude and direction control of a single wheel balanced robot. A unicycle robot is controlled by two independent control laws: the mobile inverted pendulum control method for pitch axis and the reaction wheel pendulum control method for roll axis. It is assumed that both roll dynamics and pitch dynamics are decoupled. Therefore the roll and pitch dynamics are obtained independently considering the interaction as disturbances to each other. Each control law is
more » ... l law is implemented by a controller separately. The unicycle robot has two DC motors to drive the disk for roll and to drive the wheel for pitch. Since there is no force to change the yaw direction, the present paper proposes a method for changing the yaw direction. The angle data are obtained by a fusion of a gyro sensor and an accelerometer. Experimental results show the performance of the controller and verify the effectiveness of the proposed control algorithm. Keywords: unicycle robot, balancing robot, fuzzy logic, sliding mode control, attitude control I. 서론 이 논문은 외바퀴 형태의 로봇의 자세제어와 방향제어에 대해서 다룬다. 본 논문에서 외바퀴 로봇은 Mobile Inverted Pendulum 형태의 Pitch 축 제어와 Reaction Wheel Pendulum 형 태의 Roll 축 제어를 통해서 구현된다. 로봇몸체의 각도 데이 터는 자이로 센서와 가속도센서 데이터를 퓨전하여 사용했 다. 제어기는 퍼지 슬라이딩 제어기를 적용한다. 외바퀴 로봇에 관한 연구는 80년대부터 미국과 일본에서 연구가 진행되고 있다. 1987년 Stanford대학의 A. Schoonwinkel 은 처음으로 자신의 박사논문에 인간형 외바퀴 로봇의 동적 모델을 제시하고 선형화 후 최적 제어방법으로 구현했다[1]. 1997년 Tokyo대학의 Yamafujji 교수는 외바퀴 로봇을 상단 의 턴테이블과 하단의 회전바퀴 형태의 동적모델로 제시하 고 간략화 했다. 제어기는 PI제어기를 사용했다[2]. 2005년 Chiba대학의 Minh-Quan DAO와 Kang-Zhi LIU에 의 해서 연구된 외바퀴 로봇은 두개의 자이로스코프를 엑추에 이터로 이용 Roll 균형을 잡고 하단의 회전바퀴를 이용 Pitch 균형을 잡는다. 이 때 자이로스코프에 의해 발생하는 Yaw 방 향 회전토크는 서로 상쇄되도록 각각 반대방향으로 회전한 다. Lagrange 방법으로 동적 모델을 얻고 게인-스케듈링 강인 제어 방법을 사용했다[3]. 본 연구실에서도 지난 몇 년 외바퀴 로봇에 대한 연구를 진행해왔다. 하지만 기존의 연구에서 제안한 외바퀴 로봇의 동역학 모델은 너무 복잡하여 제어기를 설계하기가 까다로 운 문제가 있었다[4]. 따라서 이 논문에서는 동역학 모델의 간략화를 통해서 제어기설계의 간략화를 제안한다. 우선 외 바퀴 로봇의 동역학모델을 Roll 축과 Pitch 축 모델이 상호 디커플링 되어있다고 가정한다. 그 후 Pitch 축은 Inverted Pendulum 형태로 Roll 축은 Reaction Wheel Pendulum 형태로 각각 모델링 한다. 이 과정에서 Roll과 Pitch 축의 커플링 항 들은 각각 상대모델의 외란으로 간주하고 이를 극복하기 위 해 각각의 모델에 대하여 외란에 강인한 슬라이딩 모드 제어 기를 제어모델로 제시한다. 외바퀴 로봇은 Pitch 제어용 DC 모터, Roll 제어용 DC 모터 각각 1개가 사용되었다. 2 축 자이 로센서와 3 축 가속도 센서를 사용해서 로봇의 각도 정보를 얻는다. 외바퀴 로봇의 방향제어를 위해서 이전의 논문의 경 우 로봇 내부에 Yaw 축을 중심으로 질량체를 회전하고 그 Reaction Force 를 이용한 방향제어기법이 소개 되었다[5]. 하 지만 이 경우 질량체의 회전이 진동문제를 일으키고 이는 로 봇의 자세제어에 심한 외란으로 작용했다. 이를 피하기 위해 이 논문에서는 Under Actuated 상태에서 Yaw 축 방향제어를 위한 운동학 모델을 적용한다. 본 논문은 II 장에서 외바퀴 로봇의 동역학 모델을 라그랑 지 방법으로 유도하고 방향제어 모델을 제시한다. III 장에서 퍼지 슬라이딩 모드 제어기를 설계한다. IV 장에서는 실제 실 험을 통해 이를 검증하고 V 장에서 결론을 맺도록 구성된다.
doi:10.5302/j.icros.2012.18.3.275 fatcat:gzktudvm3zfwvebwaimkxwjhau