한국지능시스템학회논문지 2009, Vol. 19, No. 5, pp. 699-705 Fuzzy and Proportional Controls for Driving Control of Forklift AGV 김정민 박정제 전태룡 김성신 * Jungmin Kim, Jungje Park, Taeryong Jeon and Sungshin Kim * 부산대학교전자전기공학과 요 본논문은지게차 AGV(autonomous ground vehicle) 의자율주행을위한제어방법에관한연구이다. 기존에개발된지게차 AGV 의위치측정방법으로는자기 - 자이로유도 (magnet-gyro guidance) 방식과유선유도 (wire guidance) 방법이있지만, 유지보수에대한지속적인노력과비용문제가있으며, 작업환경의변화에따라작업환경을재구성해야하는단점이있다. 따라서본논문에서는외란에강인하고작업환경및작업내용의변경에유연한시스템을구축하기위해레이저내비게이션센서와엔코더, 자이로센서의센서융합을통한위치측정시스템을개발하였다. 또한팔레트를하역 운송해야하는지게차 AGV 의주행제어를위해팔레트와지게차 AGV 사이의거리차와각도차를바탕으로퍼지제어및비례제어를이용한주행제어기를설계하였다. 본연구에서제안한지게차 AGV 를위한제어시스템의성능분석을위해물류운송작업이가능한작업공간에서동일한하역작업을 10 회반복하였다. 그결과, 시뮬레이션에의해생성된경로와실제주행경로의최대평균오차가 87.77mm 를가짐을확인하였다. 키워드 : 지게차 AGV, 주행제어, 센서융합, 위치측정 약 Abstrac t This paper is represented to research of driving control for the forklift AGV. The related w orks that w ere studied about AGV as heavy equipment used two methods which are magnet-gyro and wire guidance for localization. However, they have weaknesses that are high cost, difficult maintenanc e ac c ording to c hange of environment. In this paper, we develop loc alization system through sensor fusion w ith laser navigation system and enc oder, gyro for robustness. Also we design driving c ontroller using fuzzy and proportional c ontrol. It considers distanc e and angle differenc e betw een forklift AGV and pallet for engaging w ork. To analyze performance of the proposed control system, w e experiment in same w orking c ondition over 10 times. In the results, the average error w as presented with 5 4. 1 6mm between simulation of c ontrol navigation and real c ontrol navigation. Consequently, experimental result show s that the performance of proposed control system is effective. Key Words : Forklift AGV, Driving control, Sensor fusion, Localization 1. 서론 자율주행장치 (autonomous ground vehicle: AGV) 은로봇분야에하나로, 이는최근신성장동력산업으로선정되어활발히연구되고있는분야이다. 자율주행장치기술은일반적으로하역, 보관, 운송활동등을원활하게진행하기위해스스로판단하고자율적으로작업하는기술로써, 생산시스템관리에서매우중요한이슈가되고있다 [1-3]. 이러한자율주행장치를개발하기위해서는자율주행장치의위치를계산하기위한위치측정 (localization), 자율주행을위 접수일자 : 2009년 7월 13일완료일자 : 2009년 9월 30일 * Corresponding Author : sskim@pusan.ac.kr 본연구는 ( 부산대학교특수환경 Navigation/localization 로봇기술연구센터를통한 ) 지식경제부 / 한국산업기술진흥원융복합형로봇전문인력양성사업의지원으로수행되었음 한주행제어 (driving control), 효율적이고안전한이동을위한경로계획 (path-planning), 그리고장애물회피 (obstacle avoidance) 등의기술이필요하다 [4]. 그기술중에서도위치측정과주행제어기술은자율주행기술의기반기술이다. 따라서자율주행장치는강인하고정밀한위치측정기술과작업특성에맞는주행제어기술이요구되어진다 [5-8]. 최근, 위치측정기술에대한관련연구들로는지역위치측정센서들과특징추출센서를이용한 SLAM (simultaneous localization and mapping) 기술과전역위치측정이가능한센서와지역위치측정센서들을융합한형태의위치측정기술들이있다 [4,9]. SLAM 기술은특징위치들의상관관계를확률적으로갱신하며, 지도생성 (map-building) 을하는기술로많은연구가이루어지고있지만, 아직은중장비인지게차에적용하기에는성능상에무리가있다. 기존의지게차 AGV 의자율주행을위해사용된위치측정기술들로는유선유도 (wire guidance) 방식과자기 - 자이로유도 (magnet-gyro guidance) 방식이있다. 유선유도는 AGV 에장착된안테나의 2 개의코일이바닥에 699
한국지능시스템학회논문지 2009, Vol. 19, No. 5 매설된유도선을중심으로양쪽측면에위치하여발생되는전압차에의해제어되는방식이다 [10-11]. 이방식은설치시바닥의손상을최소화할수있고순간적으로유도선또는제어선을분리하여시스템을정지시킬수있다는장점이있다. 하지만유도선의유지 보수에대한지속적인노력과비용의문제가있다. 전기 - 자이로유도방식은 AGV 의자기센서 (magnet sensor) 가바닥의자기장 (magnetic field) 을감지하여제어하는방식이다 [12-15]. 이방법은유선유도방식에비해설치가용이하고제어가간단한장점을가진다. 하지만바닥에 2 인치바닥에자기센서를설치해야하고, 다른자성물체에의해영향을받을수있다. 또한, 두가지방식모두주어진작업에맞게작업환경을구축하고정해진경로에따라주행이함으로작업환경의변화나경로의손상으로인한제한이있다. 이러한단점을극복하기위해현재는레이저내비게이션시스템을이용하여주행하는연구가주로이루어지고있다. 하지만, 이는평균 400ms 의늦은반응속도와외란에약한단점을가지고있으며, 회전주행또는고속주행시주위의반사체를제대로인식하지못해부정확한데이터가송신되는경우가발생한다. 중장비인지게차의경우, 부정확한데이터는심각한문제를야기하고, 이에강인하고정밀한위치측정기술이필요하다. 본논문에서는전역위치측정센서인레이저내비게이션시스템과지역위치측정센서인엔코더와자이로센서들을융합한위치측정시스템과팔레트위치및각도를고려한제어방법에대해이야기한다. 본논문의구성은다음과같다. 2 장에서는제안한지게차 AGV 제어시스템의기구부와구동부분석, 위치측정시스템에대한설명이이루어지며, 3 장에서는지게차 AGV 의실제주행을제어하는알고리즘에대해설명한다. 4 장에서는지게차 AGV 제어시스템의성능실험및결과에대해다루고, 마지막으로 5 장에서는결론및향후연구과제에대하여기술하였다. 2. 지게차 AGV 본연구에서는지게차 AGV 를개발하기위해, 클라크머터리얼핸드링 (CLARK material handling) 사의 CRX-10 모델 ( 그림 1) 을사용하였다. 이는전동타입으로전동조향장치에장착된모터를이용하여동력을보조하는반전동식조향장치 (half electric power steering: half-eps) 를가졌고, 이를해결하기위해클라크사를통해 full-eps 시스템으로개조하여연구하였다. 2.1 측정시스템 지게차 AGV 를제어하기위한위치측정시스템은레이저내비게이션과엔코더, 자이로이고, 제어를위해 DAQ (data acquisition) 를이용하였다. 또한빠른개발을위해산업용 PC 기반으로지게차 AGV 를구현하였으며, 그림 2 는지게차 AGV 에사용된전체시스템구성을보여준다. 그림 2. 지게차 AGV 의시스템구성 Fig. 2. System configuration of forklift AGV 위치측정에사용된센서들은 ATmega128 를이용하여계측하였으며, 주행과조향구동부의제어는 NI -USB6008 모델을사용하였다. 또한 DAQ 를이용하여 24V 시스템인지게차의플래그를제어하기위해릴레이를이용하였다. 제작된지게차 AGV 제어를위한시스템들은그림 3 과같다. a. 구동제어부 b. 위치측정시스템 a. Driving control system b. Localization system 그림 3. 지게차 AGV 제어를위한시스템들 Fig. 3. Systems for control of forklift AGV 위치측정을위해사용된전역위치측정인레이저내비게이션시스템과지역위치측정센서인엔코더, 자이로센서들의주요사양은표 1 과같다. 표 1. 사용된센서들의주요사양 Table. 1 Spec. of used sensors I tem ( model) Spec ific ation Navigation (NAV200) Encoder (Built-in) Gyro (ADXRS75) Voltage : 24 Resolution : approx. 15mm Typ. Range : 1.2m to 28.5m Voltage : 12 Resolution : 64 pulse Voltage : 5 sensitivity : ±75 /s 그림 1. 사용된지게차 Fig. 1. Used forklift 전역위치측정센서인레이저내비게이션시스템의성능은인식된반사체의개수와반사체와의거리에따라정밀도가달라지며, 스펙상에는평균 ±15mm 의높은정밀도를 700
가진다. 하지만회전주행을하거나빠르게움직이는상황에서는부정확한데이터혹은오류를송신하게되는문제점을가지고있으며, 400ms 의늦은반응속도를가진다. 이에본논문에서는레이저내비게이션시스템과엔코더, 자이로센서들의융합을통해강인한위치측정이가능하도록하였다. 그림 4 는센서융합알고리즘순서도를보여준다. 지게차 AGV 의주행은주행바퀴의각도및속도그리고로드휠의속도에의해이루어진다. 그림 5 에서 h 1 은지게차의회전중심축 O ICR 과드라이빙휠의중심과의거리를나타내며, 식 (1 ) 과같이계산된다. sin (1) 또한, a와 l은각각주행바퀴의중심과차체의중심사이의거리와포크부분을제외한차제의길이를나타내며, 드라이빙휠의각도변화량 는다음과같이계산된다. cos 식 (2) 에서 v d 는드라이빙휠의각속도를의미하며, 이는식 (3) 과같다. (2) (3) 위의수식에서 r d 와 w d 는각각드라이빙휠의반지름과주행바퀴의각속도를나타낸다. 따라서지게차 AGV 의선속도는다음과같이계산된다. cos sin (4) 그림 4. 센서융합알고리즘 Fig. 4. Algorithm of sensor fusion 그림 4 에서중요한점은레이저내비게이션시스템이계산한전역위치에러플래그를통해신뢰도를계산하고, 확률적으로지역위치값을통해보정하는것이다. 2.2 기구학 CRX-10 모델의구동부는크게조향부와주행부로구분되어진다. 이중조향부는주행바퀴 (driving wheel) 와보조바퀴 (caster wheel) 로구성되어있으며, 주행바퀴의위치는지게차의중심축이아닌왼쪽에위치해있다. 그림 5 는지게차 AGV 의회전주행에대한기구학모델을나타낸것이며, 절대좌표계 O-X-Y 와상대좌표계 o-x-y 보여준다. 지게차 AGV 의주행바퀴에대한각속도와선속도가계산되면, 좌표값과방향각으로다음과같이나타낼수있다. cos cos sin cos sin cos sin sin sin (5) 2.2 구동부및센서분석 지게차 AGV 개발을위해사용된 CRX-10 모델은 AGV 용으로제작된것이아니기때문에센서와구동부분석이필요하다. 주행구동부특성은입력신호가 2.5~ 5V 일때, 전진주행을수행하고, 2.5~0V 일때, 후진주행을수행한다. 그림 6 과 7 은각입력신호에따라 5m 를주행하는동안에가속도구간을제외한엔코더와레이저내비게이션시스템의선속도최소값, 평균값, 최대값을보여준다. 그림 5. 지게차 AGV 의기구학 Fig. 5. Kinematics model of forklift AGV 그림 6. 입력신호에따른엔코더결과 Fig. 6. encoder results according to input 701
한국지능시스템학회논문지 2009, Vol. 19, No. 5 3. 주행제어 그림 7. 입력신호에따른 NAV200 결과 Fig. 7. NAV200 results according to input 그림 6 과 7 에서볼수있듯이, 엔코더정보는각입력신호에따른선속도의최소값과최대값의차이가적지만, 레이저내비게이션시스템의경우에는속도가빨라짐으로인해최소값과최대값의차이가점점커짐을알수있다. 또한 2.5V 를중심으로 2. 5~2.9V 와 2.3~2. 5V 의전 후진구간에서는매우저속으로주행하고 2.9V 와 2. 3V 부터실제주행이시작되는것을확인할수있다. 또한 2.3~2.9V 를제외한전 후진영역에서선형적인특징을찾을수있고, 이에주행제어기를설계하기위해주행구동부의특성을선형화시켜구현하였다. 조향구동부의분석에사용된센서는엔코더, 자이로이다. CRX-10 모델은전동조향장치에장착된모터를이용하여동력을이용하는전동식조향장치로이루어지고, 이는기어를통해주행구동부을 26 의기어비로조향하게된다. 조향구간은 -85 ~+85 를가지며, 입력신호는 0. 3~4.7V 이다. 조향구동부분석은지게차 AGV 가 1. 5km/h 의속도로주행하는동안입력신호에따른조향구동부의조향각을분석하였고, 그결과는그림 8 과같다. 3.1 주행제어방법 일반적인주행제어는목표지점을향해주행하는것이목표이지만, 지게차 AGV 의주행제어는목표지점의팔레트각도를고려해야한다. 즉, 지게차 AGV 는하역작업을위해필요한최소간격이확보되는목표지점의위치에팔레트각도로주행제어가이루어져야한다. 본논문에서는 90cm 의지게차포크길이와함께하역작업의안정성과팔레트인식을고려하여팔레트앞 2m 지점을목표지점으로설정하도록하였다. 그림 9 는목표지점에목표각도로주행하는방법을보인다. 그림 9. 지게차 AGV 를위한주행제어 Fig. 9. Driving control for forklift AGV 위의그림에서팔레트와목표지점의위치는각각 (p x,p y), (t x,t y) 이며, φ 3 는지게차 AGV 가목표각도를고려하여목표지점으로주행하기위한각도이다. φ 3 는목표지점과팔레트의각도차인 φ 1, 지게차 AGV 와목표점과의각도차인 φ 2 에의해계산되어지며각각의각도는아래의수식에의해계산된다. tan tan (6) 그림 8. 입력신호에따른조향각 Fig. 8. Steering angle according to input 레이저내비게이션시스템의위치정보를토대로역기구학을수행하였을때, 헤더가회전하며반사체를인식하는위치측정방식에의해빠른주행과회전운동에서극심한위치측정오차를보였다. 이에그림 8 은엔코더와자이로를이용해계산된지게차 AGV 의위치를토대로역기구학을수행한결과이다. 입력신호에따른조향구동부의각도는선형적인특징을띄고있었지만, 26 의적은기어비로조향되는특성에의해 2~ 3 가량의오차가발생함을확인하였고, 앞선정보들을토대로제어기를설계하였다. 식 (6) 에의해매시간지게차 AGV 가향해야할각도가계산되어지면현재지게차 AGV 의각도 θ r 과의오차 θ e 를식 (7) 과같이계산한다. (7) 지게차 AGV 의제어기는지게차 AGV 와목표지점과의거리및각도차를입력받아속도와조향각을제어하게된다. 정밀한제어가필요한구간인목표지점과의각도차가 -30 ~ 30 일때는퍼지제어를하고, 그외의상황에서는비례제어를하였다. 퍼지제어는 MATLAB 을이용하여룩업테이블 (lookup table) 로구현하였다. 이는모든경우에대해퍼지제어를사용하였을때의발생하는계산량을줄이고, 제어신호를출력하는데요구되는시간을최소로하여실시간으로제어하는지게차 AGV 의안정과효율성을높이기위함이다. 702
3.2 주행제어기 지게차 AGV 의주행제어기는퍼지와비례제어기로구성된다. 제어기에대한입력은목표지점과지게차 AGV 사이의거리와각도차이며, 출력은지게차 AGV 의구동부에입력되는속도와조향에대한전압신호이다. 그림 10 과 11 은퍼지제어기의입력과출력의소속함수를보여준다. 4.1 실험환경 4. 실험및결과 지게차 AGV 의성능분석을위해, 그림 12 의도면과같은물류운송작업이가능한실제작업공간에서자율주행하역작업을위한주행제어실험을하였다. a. 거리차 b. 각도차입력 a. Error of distance b. Error of angle 그림 10. 입력소속함수 Fig. 10. Input membership functions 그림 12. 지게차 AGV 의실험환경 Fig. 12. Experimental environment of forklift AGV a. 속도출력 b. 조향출력 a. Velocity output b. Steering output 그림 11. 출력소속함수 Fig. 11. Output membership functions 소속함수는구동부들의특성을바탕으로설계하였으며, 목표지점의각도차가 -30 ~ 30 의구간을벗어날경우, 비례제어기에의한주행제어가이루어진다. 비례제어는지게차 AGV 와목표지점과의각도및거리차에따라선형적으로제어신호를발생시켜지게차 AGV 를회전시킨다. 사용한퍼지룰은목표지점과의거리차가적을때는각도차에상관없이천천히움직여정밀한제어를하고, 거리차가클경우는빠르게움직여목표지점에도달하도록하였다. 그리고목표지점과의각도차가적을때는거리차에상관없이조금씩각도를움직이고, 각도차가클경우에는각도변경을크게하여빠르고정확하게목표지점과지게차 AGV 의각도차이를최소화하도록하였다. 표 2 는퍼지제어기의입력에따른퍼지룰을보여준다. 위그림에서주행실험에사용된공간은음영으로표시되어있으며, 그크기는 2130 800mm 이고, 상단에표기된절대좌표계를중심으로주행실험을하였다. 지게차 AGV 의위치측정을위해반사체는그림의점선원과같이총 15 개를설치및이용하였고, 네모박스는장애물을보여준다. 4.2 주행제어실험 본논문에서사용된주행제어방법은두가지의실험으로구성되고, 첫번째실험시나리오가끝난후, 두번째실험시나리오로바로수행하도록하였다. 또한실험시나리오에서팔레트의위치와각도를이미알고있다고가정하였다. 그림 13 과그림 14 는각각의실험시나리오를보여준다. 그림 13. 첫번째실험시나리오 Fig. 13. First experimental scenario 표 2. 퍼지룰 Table. 2 Fuzzy rule e d e θ Low Middle High Low Middle High v v = low v s = high v v = low v s = middle v v = low v s = low v v = middle v s = high v v = middle v s = middle v v = middle v s = low v v = high v s = high v v = hgih v s = middle v v = high v s = low 위표에서 e d, e θ 는목표지점과지게차 AGV 사이의거리와각도차이며, v v, v s 는각각지게차 AGV 의속도와조향에대한전압출력신호이다. 그림 14. 두번째실험시나리오 Fig. 1 4. Second experimental scenario 첫번째실험시나리오는임의의위치에지게차 AGV 가위치해있을때, 팔레트위치 (1 ) 로이동하여팔레트를적재하고적재된팔레트를 2 번과 3 번위치로이동후, 4 번위치에하역하는시나리오이다. 두번째실험시나리오는첫번째실험과동일하게수행되며, 첫번째실험시나리오가완료되고, 바로수행하게하였다. 703
한국지능시스템학회논문지 2009, Vol. 19, No. 5 두실험시나리오를하나의실험으로총 10 회반복수행하였을때, 지게차 AGV 의시뮬레이션이동경로와실제지게차 AGV 의주행오차를비교분석하였다. 실험결과, 10 회모두팔레트하역작업을성공적으로수행하였으며, 각각의결과는그림 15 와 16 과같다. # Avg. E rror 1 52.04 2 49.58 3 46.7 4 48.45 5 49.77 6 47.54 7 48.92 8 50.76 9 52.06 10 51.77 그림 15. 첫번째실험의결과 Fig. 15. Results of first experiment # Avg E rror 1 77.54 2 61.39 3 76.99 4 71.62 5 72.06 6 67.53 7 87.77 8 79.04 9 80.28 10 84.25 그림 16. 두번째실험의결과 Fig. 16. Results of second experiment 첫번째실험에서시뮬레이션과실제주행경로와의평균오차는 49.76mm, 분산은 3.23mm 을나타냈으며, 최소 46.70mm 와최대 52.06mm 의오차를나타냈다. 두번째실험의평균오차는 75.85mm, 분산은 55. 72mm 을나타냈으며, 최소 61.39mm 와최대 87.77mm 의오차를나타냈다. 두번째실험의오차가큰이유는반사율이높은설치물에의한영향이었다. 그림 17 과 18 은각각오차가가장적은결과와가장큰결과를보여준다. 그림 17. 오차가가장적은실험결과 Fig. 17. Result of best-case 그림 18. 오차가가장큰실험결과 Fig. 18. Result of worst-case 전역위치측정센서인레이저내비게이션시스템은지게차 AGV 의회전주행시와반사율이높은설치물에의해반사체를제대로인식을못하여발생하는문제가발생하였고, 이는엔코더와자이로센서와의센서융합을통해오차를최소화할수있었다. 실험결과, 센서융합을통한위치측정의최대평균오차는약 ±90mm 을가짐을확인할수있었고, 실시간계산을필요로하는 AGV 들의특성에맞추어계산량을최소화함으로서, 실제지게차 AGV 가성공적으로자율주행및작업이가능함을확인하였다. 5. 결론 본논문에서는레이저내비게이션시스템과엔코더와자이로센서들을융합한위치측정시스템과팔레트위치및각도를고려한제어방법에대해이야기하였다. 지게차 AGV 개발을위해사용된지게차는클라크사의 CRX-10 모델을대상으로하였으며, 물류하역이라는특수한작업을수행하기위해목표지점의위치및각도까지고려하여주행이이루어지도록주행제어기를구현하였다. 개발한주행제어기법은퍼지와비례제어기를이용하여목표지점과지게차 AGV 의거리및각도차에따라효율적인주행이가능하도록하였다. 또한모든자율주행장치의주행은위치측정기술과연관되기때문에레이저내비게이션시스템과엔코더, 자이로센서의융합을통해강인하고정밀한위치측정시스템을개발하였다. 제안한지게차 AGV 제어시스템의성능분석을위해, 실제물류운송작업이가능한작업공간에서반복주행제어실험을하였으며, 지게차의기구학적특성이반영된시뮬레이션결과와비교분석하였다. 그결과최대평균 87.77mm 의오차를가지며벽이나기타환경상의장애물과의충돌없이안정적으로주행이이루어짐을확인할수있었다. 이는제안한센서융합시스템인레이저내비게이션시스템과엔코더, 자이로센서의장 단점을상호보완하여정밀성과안정성을갖춘효과적인위치측정시스템임을확인할수있었다. 향후연구과제로지게차 AGV 한대가아닌여러대의동시작업을위한전체시스템구축과다양한환경에서연구를진행하여환경적응성이높은유연한시스템개발에관한연구를진행할것이다. 704
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