Design and moving position estimation for free ranging automated guided vehicle with auxiliary wheel = 보조륜이 장착된 자율주행 반송차의 설계 및 이동 위치 추정에 관한 연구
서명 / 저자 Design and moving position estimation for free ranging automated guided vehicle with auxiliary wheel = 보조륜이 장착된 자율주행 반송차의 설계 및 이동 위치 추정에 관한 연구 / Dong-Kyu Kim.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1998].
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DME 98009

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Automated Guided Vehicles are thought as a better way of improving material handling in terms of cost and speed of response. As free ranging AGVs are not constrained by fixed paths, they enable a dense and highly redundant network of paths to be specified with lower possibility of conflict. Therefore, the goal of this research is to develop a free ranging automated guided vehicle which can be successfully navigate through known structured environments. The design idea is that the vehicle should be simple and powerful, that means the components are commercially available items but still have sufficiently powerful functions. The developed FRAGV consists of two parts ; Tractive Navigation Module (TNM) and Trolley. This configuration has some advantages which are a various application, cost down and easy make-up or re-establishment for a various material handling because only TNM developed and any attachable trolley can be established. FRAGV is established other trolley and is changed a wheel base of trolley and the other parameters. Using sensitivity theory, the effects of the variations of the vehicle parameters on its dynamic behavior are studied. Among them, the yaw rate is the most sensitive state and the geometric-kinematic parameters are the most influential on the motion of the vehicle. But, vehicle motion is not almost affected by the wheel base of a trolley. This means that the tricycle configuration of a vehicle can be modeled by the bicycle model with the rear wheels collapsed into a single wheel. Originally, most existing vehicles are guided along physically specified paths, either by following a line painted on the floor, or more commonly by sensing a buried wire carrying an electrical signal. But, FRAGV is a vehicle designed to operate autonomously. The FRAGV must estimate its current position and heading angle. The dead reckoning method for the FRAGV's navigation is one of the most frequently used methods. However, the performance of position estimation by dead reckoning is not accurate due to various sources of errors including both systematic and non-systematic errors. For better dead reckoning and slip compensation, we propose a position estimation method using an auxiliary wheel which has a small, light and single-axle trailer. The auxiliary wheel corrects not only systematic errors, but it also corrects non-systematic dead reckoning errors, such as those caused by floor roughness, bumps or slip. This auxiliary wheel was designed to reduce dead reckoning errors by providing carefully machined precision wheel that are more accurate in their measurements than the drive wheel, and to obtain a property that it does not slip although the driving wheel slips. The auxiliary wheel has some angular behavior related to steering angle and has a time delay term. Its behavior is affected by the vehicle velocity and the extension link length. The faster vehicle becomes, and the shorter extension link length is, the closer the auxiliary wheel draws to an angle calculated with steering angle and geometric relation of the vehicle. Through the simulation and experimental study, the method estimated using the auxiliary wheel decreases the position errors compared to that using the drive wheel. Especially, when slip occurs, the results with auxiliary wheel shown the improvement in accuracy of one to two orders of magnitude as compared to a conventional method. Moreover, the auxiliary wheel can be added to any existing AGV using commercially available components. The basic behavior of a FRAGV is to move from one global position and orientation to another. To carry out such command, the vehicle clearly needs to keep track of changes in its position and orientation when it reaches its spatial goal. Since the track for the vehicle can be changed easily and quickly, it must be controlled precisely to travel along the desired track with high reliability. Path following is based on corrective action after measuring the errors associated with the position and orientation of the vehicle with respect to a desired path. Proper steering and drive, defined by an appropriate control law, are necessary to reduce the errors associated with path tracking. Usually, control action to path following is obtained by multiplying gains to vehicle heading and position errors. These gains are chosen by trial and error until satisfactory results are produced. In addition, the non-holonomic constraints of wheeled vehicles make the equations of motion very complex, and it is very difficult to accurate model for controller design. Based on these observations, this research is also proposed a more systematic procedure to compensate a path error. For this procedure, the error state equations for the plane motion of the vehicle are derived and then a control policy is sought to stabilize the vehicle and minimize a cartesian errors. This method is applicable even when the path is not necessarily a straight line and the reference speed is not necessarily a constant. Simulation and experimental results suggest that the performance of the controller is reasonably robust and shows the improvement in accuracy of the tracking performances as compare to a linear feedback controller. Furthermore, using error state equation derived in this study, a path tracking controller can be designed by various control theory.

본 연구의 목적은 주어진 환경하에서 스스로 운행하며 작업을 할 수 있는 자율 반송차의 개발이다. 근래, 반송차의 이용이 증가하고 운동 성능이나 다양한 기능이 요구되고 있으며 이러한 반송차의 이용은 자동화된 공장, 자동창고, 공항, 사무실, 식당, 병원등 다양하게 이용되고 있다. 지금까지 많은 형태의 반송차가 개발되었는데, 크게 유도 방식과 비 유도 방식으로 구분할 수 있다. 유동 방식은 반송차가 주행해야 하는 궤적을 테이프, 매설 와이어, 또는 고정된 궤도에 의해 고정시킨 후 이를 추종하는 방식이고 비 유도 방식은 고정된 궤적이 주어지는 것이 아니라 추측 항법, 비이콘, 관성항법 또는 CCD 카메라를 이용한 자율 주행 방식이다. 그리고, 구동하는 형태에 따라 차륜형과 조향형이 많이 이용되고 이외에 자동차형이나 특수한 형태의 구동 방식이 있다. 본 연구에서 개발하고자 하는 반송차는 조향형의 자율 주행 방식으로 노면 상태가 양호한 공장이나 사무실에서 추측항법에 의하여 궤적을 추종하는 물건 이동용이다. 이는 물류의 흐름을 제어함에 있어서 시간과 비용면에서 매우 우수한 방법이며, 물류 이동시스템에 유연성을 부가함으로써 생산 설비의 절약 및 시스템의 최적화를 이룰 수 있다. 개발하고자 하는 반송차는 저렴한 가격으로 반송차의 성능을 충분히 발휘할 수 있도록 하였고, Tractive Navigation Module(TNM)과 Trolley의 두 부분으로 설계하였다. 이는 반송할 물류의 크기와 작업 환경에 따라 Tolley의 크기를 바꿀 수 있는 장점이 있고, 이때 반송할 물체와 Trolley의 변화에 따라서 반송차의 운동 방정식이 바뀌게 되며, 이러한 매개 변수 변화에 의한 반송차의 운동 성능의 변화를 민감도 해석을 통하여 살펴 보았다. 해석하고자 하는 매개 변수는 반송차의 질량, 관성 모멘트, 질량중심의 위치와 Trolley의 두 바퀴사이의 거리이다. 매개 변수 변화에 대한 반송차의 운동 성능은 세 방향의 속도 (Forward, Lateral and Yaw velocity)이고, 이중 요 속도 (yaw velocity)가 매개 변수의 변화에 대하여 매우 민감한 결과를 얻었다. 그리고 반송차의 운동에 영향을 미치는 매개 변수는 기구학적 변수이며 특히 질량 중심의 변화는 반송차의 운동에 매우 많은 영향을 미친다. 그러나 두개의 뒷바퀴사이의 거리는 반송차의 운동에 미치는 영향이 매우 적으며, 이는 작업하고자 하는 물류의 크기와 상태에 따라서 Trolley를 바꾸어 가며 설치 할 수 있고 일반적인 삼륜차의 모델을 바퀴가 두개인 이륜차로 모델링 할 수 있음을 나타낸다. 현재 사용중인 대부분의 반송차는 주어진 궤적을 추종하면서 물류의 이동 및 그 외의 여러 가지 작업을 수행한다. 그러나 자율 주행 반송차는 주어진 궤적없이 스스로 이동하여야 하며 이를 위해서는 반송차의 현재 위치를 정확히 추정하여야만 한다. 반송차의 위치를 추정하는 방법으로 엔코더를 이용한 추측 항법(Dead Reckoning)이 많이 사용되고 잇다. 이는 시작 위치에서부터 이동한 거리 및 방향을 매 순간 측정하여 적산함으로써 현재 위치를 추정하는 방법으로, 가격이 저렴하며 설치가 용이하고 계산 속도가 빠른 장점이 있다. 그러나 이 방법을 이용하는데 있어서 심각하게 발생하는 에러의 요인이 크게 두가지가 있다. 하나는 Systematic error이며, 이는 엔코더를 설치한 바퀴의 지름의 변화 또는 우치를 추정하는데 사용한 반송차 치수의 불확실성에 기인한다. 이는 위치 추정에 있어서 연속적으로 발생하며 적산에 의한 에러의 크기는 매우 커지게 되나 반송차를 운행하기 전 정확한 치수의 측정에 의하여 보상할 수 있다. 다른 하나의 에러는 Non-systematic error이며, 이는 불연속적으로 발생하고 언제 발생할지 모르는 임의의 에러이다. 이와 같은 에러의 예로는, 반송차가 운행하는 바닥에 존재하는 작은 돌출부를 지나면서 발생할 수 있고 또는 기름이나 물에 의한 반송차의 미끄러짐에 의하여 발생한다. 이와 같은 에러는 측정하기도 어렵고 보상할 수 없는 에러의 종류이다. 특히, 반송차의 미끄러짐은 위치를 추정하는데 있어서 가장 큰 문제점이며 이를 보상하기 위하여 신경 회로망 또는 시간 스케일링 방법 등이 연구되었다. 본 연구에서는 추측항법을 이용하면서 위와 같은 에러를 보상해 주기 위하여 보조륜을 설치, 이용하였다. 조향과 구동을 하는 앞 바퀴에서 일정 거리 떨어진 위치에 보조륜을 설치 했고 이는 반송차의 운동에 따라 수동적으로 움직이게 되며 Absolute encoder와 Incremental encoder를 설치하여 이동한 거리를 측정, 계산하게 된다. 이와 같이 보조륜을 이용하여 반송차의 위치를 추정함으로써, 추측 항법에 의한 에러의 원인인 Systematic/Non-systematic error를 보상할 수 있었다. 미끄러짐이 존재하는 경우의 실험 결과를 일반적인 추측 항법의 결과와 비교하였으며 보조륜을 사용하여 얻은 결과가 매우 우수함을 알 수 있었고 본 연구에서 제안한 이와 같은 방법은 기존의 많은 반송차 또는 이동 로봇에 적용이 가능하다. 반송차의 기본적인 운행 목적은 주어진 궤적을 추종함으로써 물류의 흐름을 제어하는 것이다. 본 연구에서 개발한 반송차는 기구학적 특성상 제어하기가 쉽지 않으며, 기존의 연구는 많은 제약을 갖고있다. 일반적으로 많이 사용되는 방법은 공간상의 에러에 상수 게인을 곱함으로써 조향각을 제어 하는데, 이는 시행 착오법을 이용하여 적절한 게인을 구해야 한는 단점과 궤적의 변화와 기준입력의 변화에 대하여 성능이 저하하는 단점을 갖고잇다. 다른 방법으로는 공간상의 오차를 줄이기 위한 새로운 궤적을 부가적으로 생성시켜 이를 추종하도록 제어하는 방법이 제안되었다. 이외에 동역학적 모델에 기초한 제어기를 설계하는 방법이 연구 되었으나 이는 부정확한 매개 변수 값과 모델의 부정확성에 의한 영향을 보상하기에는 매우 어려운 문제점이 많이 남아있다. 그러므로, 본 연구에서는 이와 같은 문제점을 보완하면서 주어진 궤적을 잘 추종하기 위한, 보다 간단하면서 조직적이고 효과적인 제어기를 설계 하기 위하여 공간상의 에러를 이용한 에러 상태 방정식을 유도하였다. 본 연구에서 유도한 에러 상태정식은 에러와 제어를 위한 입력 사이의 관계가 선형 1차 방정식의 형태로 표현되며, 이는 많은 제어 이론에 적용이 가능하다. 제안된 방법의 타당성과 효용성을 보이기 에러 상태 방정식을 최적 제어 이론에 적용함으로써 제어기를 설계하였고, 매우 만족스러운 실험 결과를 얻었다.


청구기호 {DME 98009
형태사항 xiv, 121 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김동규
지도교수의 영문표기 : Yoon-Keun Kwak
지도교수의 한글표기 : 곽윤근
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
서지주기 Reference : p. 112-118
Dead reckoning
Position estimation
Path tracking
위치 추정
궤적 추종
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