[논문 리뷰] Implementation of Torque Controller for Brushless Motors on the Omni-directional Wheeled Mobile Robot

Piyamate Wasuntapichaikul, Kanjanapan Sukvichai외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 04.

Control and Dynamics of Mobile Robots참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다양한 마찰 계수를 가진 바닥 표면에서의 경로 정확도 향상을 위해 오목 방향성 휠을 장착한 모바일 로봇의 브러시리스 DC 모터에 대해 토크 컨트롤러를 제안한다. 에너지 보존 법칙을 기반으로 유도된 모터 동역학과 PI 컨트롤러를 통합함으로써, 표면 조건이 변화하더라도 일관된 휠 토크를 유지하는 시스템을 구현하였으며, 세 가지 다른 마찰 계수를 가진 카펫에서 표준 PI 제어 대비 뛰어난 경로 추적 성능을 보였다.

ABSTRACT

The major issue for the wheeled mobile robot is the low level controller gains tuning up especially in the robot competition. The floor surface can be damaged by the robot wheels during the competition, therefore the surface coefficient can be changed over time. PI gains have to be tuned before every match along the competition. In this research, the torque controller is defined and implemented in order to solve this problem. Torque controller consists of a PI controller for the robot wheel's angular velocity and a dynamic equation of brushless motor. The motor dynamics can be derived from the energy conservation law. Three different carpets, which have the different friction coefficients, are used in the experiments. The robot wheel's angular velocity profiles are generated from the robot kinematics with different initial conditions. The output paths of the robot with the torque controller are compared with the output paths of the robot with regular PI controller when the same wheel angular velocity profiles are applied. The results show that the torque controller can provide a better robot path than the normal PI controller.

연구 동기 및 목표

• 로봇 경기 중 바닥 마찰이 변화함에 따라 발생하는 경로 성능의 불일치 문제를 해결하기 위해.
• 각 경기 전 수동으로 PI 이득을 재조정하는 데 의존도를 줄이기 위해 강건한 토크 제어 전략을 구현하기 위해.
• 물리 기반의 모터 모델을 활용하여 다양한 바닥 표면에서의 경로 추적 정확도를 향상시키기 위해.
• 동일한 휠 속도 프로파일을 사용하여 전통적 PI 제어 대비 토크 컨트롤러의 효과성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 목표 경로에 기반하여 휠의 각속도를 조절하기 위해 PI 컨트롤러를 설계하였다.
• 에너지 보존 법칙을 사용하여 브러시리스 모터의 동역학을 모델링하여 토크-속도 관계를 포괄하였다.
• PI 출력과 모터의 동적 모델을 조합하여 정확한 토크 명령을 생성하는 토크 컨트롤러를 구현하였다.
• 실제 환경의 표면 다양성을 시뮬레이션하기 위해 마찰 계수가 상이한 세 종류의 카펫을 실험에 사용하였다.
• 동일한 각속도 프로파일을 사용하여 토크 컨트롤러와 표준 PI 제어 간의 경로 추적 성능을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변동하는 바닥 마찰로 인한 모바일 로봇의 경로 이탈을 줄이기 위해 토크 컨트롤러를 적용할 수 있는가?
• RQ2 모터 동역학을 통합함으로써 표준 PI 제어 대비 제어의 강건성이 어떻게 향상되는가?
• RQ3 다양한 마찰 계수를 가진 다양한 카펫 유형에서도 제안된 컨트롤러가 일관된 성능을 유지하는가?
• RQ4 토크 컨트롤러는 로봇 경기 전 수동으로 PI 이득을 재조정할 필요를 어느 정도 줄이는가?

주요 결과

• 모든 세 종류의 카펫에서 표준 PI 컨트롤러 대비 토크 컨트롤러가 경로 추적 정확도를 크게 향상시켰다.
• 바닥 마찰이 운영 중 변화함에도 불구하고 토크 컨트롤러를 장착한 로봇은 일관된 궤적을 유지하였다.
• 제안된 방법은 휠 스립을 최소화하고 변수 조건 하에서 토크 반응을 향상시켜 경로 이탈을 감소시켰다.
• 다른 표면에 대해 재조정이 필요 없이도 컨트롤러의 성능은 안정적이고 반복 가능하였다.