[논문 리뷰] Fuzzy-based Navigation and Control of a Non-Holonomic Mobile Robot

Razif Rashid, Irraivan Elamvazuthi외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 03. 22.

Control and Dynamics of Mobile RobotsEngineering참고 문헌 10인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 운동학 모델링과 소속 함수 최적화를 활용한 퍼지 논리 기반 제어기를 제안하여 비홀로노믹 이동 로봇의 주행을 위한 제어를 수행한다. 시뮬레이션 결과, 3개의 소속 함수로 구성된 집합이 5개 및 7개의 집합보다 우수한 성능을 보였으며, 계산 부담을 줄였음에도 불구하고 더 뛰어난 궤적 추적 성능과 안정성을 확보하였다.

ABSTRACT

In recent years, the use of non-analytical methods of computing such as fuzzy logic, evolutionary computation, and neural networks has demonstrated the utility and potential of these paradigms for intelligent control of mobile robot navigation. In this paper, a theoretical model of a fuzzy based controller for an autonomous mobile robot is developed. The paper begins with the mathematical model of the robot that involves the kinematic model. Then, the fuzzy logic controller is developed and discussed in detail. The proposed method is successfully tested in simulations, and it compares the effectiveness of three different set of membership of functions. It is shown that fuzzy logic controller with input membership of three provides better performance compared with five and seven membership functions.

연구 동기 및 목표

• 비홀로노믹 이동 로봇의 자율 주행을 위한 퍼지 논리 제어기를 개발한다.
• 다양한 소속 함수 구성이 제어 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• 효율적인 주행 및 제어를 위한 최적의 소속 함수 수를 규명한다.

제안 방법

• 비홀로노믹 이동 로봇의 운동학 모델을 수립하여 제어 설계의 기초로 삼는다.
• 로봇의 위치 및 방향 오차에서 유도된 입력을 갖는 타입-1 퍼지 논리 제어기를 설계한다.
• 세 가지 다른 소속 함수 집합(3개, 5개, 7개 함수)을 구현하고 상호 비교한다.
• 제어기는 Mamdani 추론을 사용하며, 싱글턴 퍼지화 및 중심가중 평균 탈퍼지화를 적용한다.
• 다양한 경로 유형과 초기 조건에서 성능을 평가하기 위해 시뮬레이션 실험을 수행한다.
• 궤적 추적 오차, 수렴 시간, 제어 노력 등의 지표를 사용하여 성능을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 퍼지 논리 제어기의 소속 함수 수가 비홀로노믹 이동 로봇의 주행 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 3개, 5개, 또는 7개의 소속 함수 구성 중 정확성과 계산 효율성 간 최적의 균형을 이루는 구성은 무엇인가?
• RQ3 퍼지 논리 제어기는 동적 환경에서 이동 로봇 운동학의 비홀로노믹 제약 조건을 효과적으로 관리할 수 있는가?

주요 결과

• 3개의 소속 함수를 갖는 퍼지 논리 제어기가 5개 및 7개 함수 구성보다 가장 낮은 궤적 추적 오차를 기록하였다.
• 3개의 소속 함수 집합은 시뮬레이션에서 더 빠른 수렴과 더 부드러운 제어 입력을 보였다.
• 5개 및 7개의 소속 함수 집합은 목표 지점 근처에서 더 높은 제어 노력과 진동 행동을 보였다.
• 제안된 제어기는 복잡한 경로를 따라 로봇을 안정적으로 주행시키는 데 성공하였다.
• 결과적으로 소속 함수 수를 늘릴수록 성능 향상이 이루어지지 않으며, 오히려 복잡도 증가로 인해 성능이 악화될 수 있음을 시사한다.