Car-like robots can be considered as a miniature of electric vehicles or hybrid vehicles. For this reason, efficient trajectory planning and control of car-like robot can be applied in electric vehicles and hybrid vehicles, directly.
In this paper, energy consumption of DC motor was main target to use energy efficiently. This is because that the energy is dissipated mostly in the motors, which strongly depends on the velocity profile. Therefore, we designed and implemented a car-like robot which can move on designed track automatically and measure velocity, input voltage and armature current of motor to analyze energy consumption. Then, we generated overall car-like robot dynamics through combination of bicycle model dynamics of car and DC motor dynamics.
In the basis of generated car-like robot dynamics, we made four trajectories that is trapezoidal, parabolic, exponential and trigonometric velocity profile. Using four trajectories, we designed the control system with both feedforward and feedback control and path tracking control algorithm.
We performed computer simulations under various conditions such as time and traveling distance using the control system. Simulation results show that exponential velocity profile is the most energy efficient velocity profile pattern. We made some experiments in general trapezoidal velocity profile and exponential velocity profile with implemented car-like robot and track. Experimental results show that exponential velocity profile is more efficient than trapezoidal velocity profile. These results were nearly same that simulation results.
차량로봇은 전기자동차나 하이브리드 자동차의 축소판으로 생각할 수 있다. 이는 차량로봇의 효율적인 경로계획 및 제어는 전기자동차나 하이브리드 자동차에 직접적으로 적용될 수 있음을 의미한다. 에너지 소비가 주로 속도프로파일과 큰 관련성이 있는 모터에서 이루어지기 때문에, 본 논문에서는 DC 모터의 에너지 소비가 효율적인 에너지 사용을 위한 주요한 목표이다. 본 논문의 연구목표인 차량로봇의 DC 모터의 효율적인 에너지 소비를 위해 차량 로봇과 차량로봇이 주행할 트랙을 직접 설계하고 디자인하였다. 구현된 차량로봇은 트랙을 자동으로 돌면서 에너지를 분석하기 위해 모터의 입력 전압과 전기자전류(armature current)를 측정한다. 또한 차량의 자전거 모델(bicycle model)의 동역학과 DC 모터의 동역학을 이용하여 차량로봇의 동역학을 전개하였다. 전개된 차량로봇 동역학을 이용하여 사다리꼴 형태, 포물선 형태, 지수 형태, 삼각함수 형태, 이렇게 4개의 속도프로파일에 대한 경로계획을 세웠다. 그리고 세워진 경로계획을 토대로 피드포워드 제어와 피드백 제어를 통해 로봇의 제어 시스템을 설계 하였고 주어진 트랙의 경로를 따라가는 제어를 수행하였다. 설계한 제어 시스템을 통해 다양한 시간과 거리를 주면서 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과는 지수 형태 속도프로파일이 가장 효율적인 속도 프로파일이라는 것을 보여 주었다. 이를 실제 실험을 통해 확인하기 위해 지수 형태와 사다리꼴 형태의 속도 프로파일을 적용하여 구현된 차량로봇과 트랙에서 실험 하였다. 실험결과는 지수형태 속도프로파일이 사다리꼴 형태 속도프로파일보다 효율적임을 보여주었으며 실험결과는 시뮬레이션 결과와 거의 같았다.
