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주행로봇에 의한 험지의 최대마찰계수 추정 = Estimation of the maximum friction coefficient of the rough terrain by mobile robots
서명 / 저자 주행로봇에 의한 험지의 최대마찰계수 추정 = Estimation of the maximum friction coefficient of the rough terrain by mobile robots / 강현석.
저자명 강현석 ; Kang, Hyun-Suk
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2008].
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초록정보

When mobile robots perform the mission in the rough terrain, the traversability depended on the terrain characteristic is useful information. In the traversabilities, wheel-terrain maximum friction coefficient can indicate the index to control wheel-terrain traction force or whether mobile robots to go or not. This paper proposes estimating wheel-terrain maximum friction coefficient. The existing method to estimate the maximum friction coefficient is limited in flat terrain or relatively easy driving knowing wheel absolute velocity. But this algorithm is applicable in rough terrain where a lot of slip occurred not knowing wheel absolute velocity. To test the proposed algorithm`s feasibility, test bed(ROBHAZ-6WHEEL) simulations are performed. And then the experiment to estimate the maximum friction coefficient of the test bed is performed. To compare the estimated value with the real, we measure the real maximum friction coefficient. As a result of the experiment, the proposed algorithm has high accuracy in estimating the maximum friction coefficient.

주행로봇은 인간을 대신하여 험지나 위험 지역에서 탐사, 전투, 지뢰 제거와 같은 임무를 수행한다. 이러한 임무를 효율적으로 수행하기 위해서 주행로봇의 주행성 확보는 매우 중요하다. 또한 주행성 확보를 위해서는 주행성을 측정 할 수 있는 방법에 대한 연구가 선행되어야 한다. 주행성 추정은 주행로봇의 견인력 제어나 야외환경에서의 SLAM기법에 보조적인 방법으로 응용될 수 있으므로 주행로봇의 연구의 주요한 주제가 되어왔다. 주행성은 크게 지형의 경사면과 같은 기하학적 형상과 지면의 재질에 따라서 결정된다. 기존의 연구의 장단점을 파악한 후 가장 최적의 방법이라 판단 되는 최대 마찰계수 추정을 ROBHAZ-6WHEEL 로봇에 적용 시켜 보았다. ADAMS 주행 시뮬레이션을 통해서 얻어진 로봇의 기구학적 정보와 바퀴에 작용하는 수직 항력 등을 이용해 본 연구에서 제시한 방법의 적용 가능성을 확인 해보았다. 또한 시뮬레이션뿐만 아니라 임의의 경사면 지형에 두 가지 지면조건에서 알고리즘 검증을 위한 실험을 수행하였다. 이때 지면과 바퀴 사이의 마찰계수를 구하기 위해서 바퀴가 지면으로부터 받는 힘을 추정해야 한다. 이를 위하여 로봇의 자세에 따른 준 정역학모델을 제시했다. 그리고 바퀴에 입력되는 전류(바퀴에 작용하는 토크)를 측정함으로써 견인력을 추정하고 IMU센서를 통하여 로봇의 자세를 구해서 실시간으로 로봇에 작용하는 수직항력을 구했다. 최종적으로 실험적으로 구한 최대마찰계수는 물리적으로 의미 있는 0.2~1의 값만을 취해서 Case 1과 Case 2로 판명된 최대마찰계수의 평균값을 취한다. 이 추정치를 실제 최대마찰계수와 비교하기 위해서 실제최대마찰계수를 측정한다. 최대마찰계수의 측정치와 추정치는 약 4~6%의 오차를 가짐을 알 수 있었고 이 추정치를 통하여 험지의 주행성을 판단하는 정보로 사용될 수 있을 것이라고 판단된다. 본 연구에서 제시한 최대 마찰 계수 추정 방법의 가장 큰 특징은 기존의 자동차에서 적용되는 방법을 험지에서 적용 가능하게 했다는 점에 있다. 기존에는 미끄럼이 상대적으로 작은 영역에서만 적용했지만 험지주행과 같이 미끄럼 량이 상대적으로 큰 주행을 분별해서 최대 마찰계수를 추정하는 알고리즘을 추가 시켰다. 또한 지면과 바퀴 사이의 접촉각을 실시간으로 구해서 수직항력이 변하는 환경에서도 적용 가능하게 하였다. 그리고 바퀴와 바퀴의 상대적인 미끄럼 정보를 이용해서 미끄럼과 마찰계수의 특성 곡선을 효율적으로 추정 가능하게 했다. 본 연구에서 제안하는 최대 마찰계수 추정 알고리즘을 검증하기 위해서 실제 야외 환경이 아니라 임의의 경사면 지형에서 실험을 수행하였다. 일반적으로 주행로봇이 주행하는 야외 환경은 임의의 불연속 적인 경사면을 가지는 지형이다. 따라서 실험을 수행한 불연속적인 경사면 지형의 연속이라고 볼 수 있다. 그러나 실제 야외 환경은 실험 환경과는 다르게 양 바퀴가 서로 다른 경사면을 가지는 경우가 있을 수 있으며 극단적으로는 바퀴가 지면에 접촉하지 않는 상황이 발생한다. 따라서 이 모든 경우를 고려한 야외 환경에서의 실험 및 검증이 필요로 하다. 본 연구의 실험을 통한 최대마찰계수 추정치는 크게 세가지(Case 1, Case2, Case 3)로 나누어 질 수 있다. 이때 Case 3은 바퀴의 상대적인 미끄럼이 매우 작을 때인 경우로서 로봇이 평지를 주행하는 것과 같은 곳에서 판정된다. 그러나 이 경우의 최대마찰계수추정은 보류하기 때문에 로봇 주행도중 항상 최대마찰계수 추정치가 나오지 않는다. 따라서 Case 3의 알고리즘 보완이 필요하다. 본 연구의 궁극적인 목표는 가변 자세 로봇의 주행성 판단이 되겠다. 따라서 본 연구에서 수행한 것은 지면의 특성을 대표적으로 나타내는 최대마찰계수를 추정하는 것이다. 즉 주행성 판단을 위해서 궁극적으로 주행성 지도를 만든다고 가정할 때 본 연구에서 추정한 최대 마찰계수를 주행성 지도를 만드는데 어떻게 이용하는 가에 대한 연구가 필요하다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MME 08002
형태사항 viii, 108 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Hyun-Suk Kang
지도교수의 한글표기 : 곽윤근
지도교수의 영문표기 : Yoon-Keun Kwak
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 105-108
주제 mobile robot;friction coefficient;contact angle ;wheel velocity ;wheel normal force
주행로봇;마찰계수;접촉각;바퀴속도;바퀴수직항력
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