두 개의 바퀴로 균형을 유지하는 운송 플랫폼

메카트로닉 시스템 설계 프로젝트 공동 집필: Kevin C. Craig 교수, Matthew A. Rosmarin 교수 (Rensselaer Polytechnic Institute)

개요

Rensselaer Polytechnic Institute (RPI)의 수석 디자인 팀은 Segway Human Transporter 개발업체인 Segway Corporation에서 아이디어를 얻어 (회사의 동의를 얻은 후) 바퀴 두 개가 장착된 로봇 주행 플랫폼을 설계하고 프로토타입함으로써 교육 목적의 메카트로닉 시스템 개발에 착수하였습니다. 바퀴 두 개로 균형을 이루는 운송 플랫폼은 평행한 바퀴 주행으로 기동성과 시스템 안정성을 동시에 확보합니다. 플랫폼 모델링, 분석 및 컨트롤 과정에서 나타나는 복합성 및 정상가동 중인 2개의 프로토타입 실행을 해결하고 4개월 만에 성공적으로 프로젝트를 완료하였습니다.

프로젝트를 지도한 Kevin Craig 교수는 본인이 강의하는 메카트로닉 시스템 설계 수업을 예로 들며, 전자 공학, 기계 공학, 컨트롤 시스템 및 컴퓨터의 통합으로 창출되는 시너지 효과에 대해 강조하였습니다. Engineering System Investigation Process(위의 다이어그램 참조)에 따라 컨트롤 시스템을 모델링, 분석, 검증 및 설계하였습니다. 그 후 LOT-V (Light Object Transport Vehicle)를 프로토타입하였습니다. LOT-V는 센서, 액추에이터 및 컨트롤 실행을 경량의 제한된 시스템에서 테스트할 수 있는 시스템입니다. 만족할만한 프로토타입 결과를 얻은 후 모든 지식과 경험을 동원하여 HOT-V (Human / Object Transport Vehicle), 즉 성인 한 명을 운송할 수 있는 견고한 자체 독립 플랫폼을 개발하였습니다.

내쇼날인스트루먼트의 하드웨어 및 소프트웨어는 긴밀하게 작동되어 프로젝트의 모든 단계에 적용되었습니다. 다시 말해, NI 하드웨어 및 소프트웨어는 초기의 모델 개발 및 파라미터 확인에서부터 모델 시뮬레이션 및 검증, 디자인 프로토타입 및 최종 배포에 이르기까지 LOT-V 및 HOT-V 플랫폼을 개발하는 데에 있어 결정적인 역할을 하였습니다. 하드웨어와 소프트웨어의 시너지 효과로 인해 시뮬레이션, 설계 및 프로토타입이 가능한 단일 소프트웨어 환경을 사용하여 설계 과정을 내비게이션할 수 있었습니다. 또한 시스템 시뮬레이션뿐만 아니라, CompactRIO와 같은 여러 타겟에서 프로토타입 및 배포하는 데에 LabVIEW Simulation Module 및 LabVIEW를 십분 활용하였습니다.

검증, 모델링 및 설계

Engineering System Investigation Process의 첫 번째 단계에서는 시스템이 어떻게 작동하고 더욱 향상될 수 있는가를 파악합니다. 이 과정에서는 여러 가지 간단한 가정을 세워서 시스템의 물리적인 모델을 개발합니다. 자연 법칙을 물리적인 모델에 적용함으로써 물리적인 모델 파라미터를 파악하고 수학 방정식을 도출합니다.

컴퓨터 시뮬레이션을 통해 다른 구성의 시스템을 분석함으로써 운동 방정식을 이해할 수 있었습니다. 시스템 요소를 모델링, 분석 및 시뮬레이션하게 되어 시행착오의 과정 없이 테스트 컨트롤 구조, 크기 및 요소를 정확하게 선택하게 되었습니다. 

LOT-V 프로토타입

자세한 시뮬레이션 결과 분석을 거친 후에 두 개의 변형된 플랫폼을 구축하기로 결정하였습니다. “LOT-V” (Light Object Transport Vehicle)으로 알려진 첫 번째 플랫폼은 소형이며, 센서가 많은 프로토타입으로 다른 센서 솔루션 및 컨트롤 알고리즘을 평가하고 살펴보기 위해 사용됩니다. 사이즈가 작기 때문에 테스트 및 탐색시 안전상의 위험이 줄어듭니다. 상용 (OTS) 파트를 사용하여 구축되었으며 로봇에 부착된 저비용의 NI-DAQ PCMCIA Card로 컨트롤됩니다.

두 번째 플랫폼인 “HOT-V” (Human / Object Transport Vehicle)은 성인 한 명을 운송할 수 있도록 구체적으로 스케일링되었습니다. 기계, 전기 설계에서의 LOT-V 프로토타입을 통해 얻은 경험을 바탕으로 하여 최대한 안전하며 모듈형의 플랫폼을 구현할 수 있었습니다. HOT-V는 NI CompactRIO 컨트롤 플랫폼으로 컨트롤됩니다. CompactRIO는 견고하며 고성능의 리얼타임 연산 패키지를 고속, 전기 절연된 I/O와 함께 제공하므로 이상적인 자체 독립 컨트롤 시스템을 구현합니다.

두 가지의 프로토타입의 알고리즘 개발과 배포에는 NI LabVIEW 및 LabVIEW Simulation Module가 사용되었습니다. LabVIEW는 플랫폼간에 소프트웨어 재구성 및 공유를 가능하게 함으로써 프로젝트의 성공에 단연 핵심적인 역할을 하였습니다. LOT-V에서 사용된 알고리즘 및 소프트웨어 아키텍처를 CompactRIO에서 실행하기 위해 최소한의 변경만을 가하여 HOT-V로 이동시킬 수 있습니다.

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제약이 있는 상태에서의 LOT-V 균형 유지

LOT-V (Light Object Transport Vehicle) 사용의 주요 목적은 프로젝트에서 사용하고자 하는 여러 유형의 센서에 대한 테스트 베드 역할을 하는 것입니다. 정확하고 높은 대역폭의 신호는 플랫폼의 균형을 성공적으로 유지하는 데에 중요하기 때문에 적합하고 안정적인 센서 선택에 상당 시간을 할애하였습니다. 적절한 센서를 선택하는 데 있어서 또 다른 과제는 센서 배치 문제였습니다. 우리는 플랫폼 구조 내에 모든 센서를 부착함으로써 플랫폼이 운영할 수 있는 영역을 늘리고자 하였습니다. 우리는 양질의 단일 측정을 이루기 위해서 여러 다른 센서가 통합되어야 한다는 사실을 즉시 알 수 있었습니다. LabVIEW는 전체 시스템이 하나의 환경에 구축되어 있으므로 센서 통합을 테스트하는 것이 매우 간단합니다. 우선적으로 센서의 구조가 시뮬레이션으로 평가되며 그 후에 별다른 어려움 없이 실제 하드웨어 테스트를 시작할 수 있습니다. 많은 센서 구조를 조사하고 대대적인 실험을 수행한 후에, 오하이오 주립대 Ernest Doebelin 교수팀이 발명한 센서 융합 기법 (Sensor Fusion Scheme)이 채택되었습니다. 그 후에 센서 융합 기번은 플랫폼 전체 컨트롤 시스템으로 통합되었으며, 경사계 (inclinometer) 및  레이트 자이로스코프 (rate-gyroscope)의 각 측정을 통합하는 데에 사용되어 중력에 대한 각의 위치를 계산하였습니다. 

마지막 실행 역시 모터가 탑재된 광학 인코더를 사용하여 정확한 조정 및 플랫폼의 선형 위치 및 속도의 측정이 가능하게 되었습니다.

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Doebelin 센서 융합 LabVIEW 시뮬레이션 서브시스템

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센서 데이터 흐름 개요

LabVIEW Simulation Module을 사용하여 플랫폼의 균형을 컨트롤할 수 있는 전 상태 피드백 컨트롤러 (full-state-feedback controller)를 제작하였습니다. 본 컨트롤러는 선형화된 시스템에서 LQR (Linear-Quadratic Regulator) 기술을 사용하여 개발되었습니다. NI 소프트웨어-하드웨어 플랫폼의 유연성으로 인하여 여러 다른 변형된 컨트롤러도 간편하게 테스트되어 실제 시스템에 최적의 컨트롤러를 결정할 수 있습니다.

전반적인 설계가 완성되면 프로토타입했던 모델, 센서, 액추에이터, 컨트롤 구조를 사용하여 견고하며 독립적인 시스템을 구축합니다.

LabVIEW 시뮬레이션루프내에서의LOT-V NI-DAQ 기반컨트롤 

HOT-V 배포

승객 없이 HOT-V 균형 맞추기

HOT-V는 매우 규모가 크고 복합적인 플랫폼임에도 불구하고 소규모의 LOT-V의 개발을 통해 얻은 모든 결과를 활용하였습니다. 기본적으로 상용 (OTS) 요소로 구축되었으며 부품의 모음에서 시작되어 단 며칠만에 완벽하게 통합된 플랫폼으로 완성되었습니다. 일단 조립되면, 소프트웨어는 LabVIEW 타겟에서 다른 타겟으로 포팅하는 것이 놀랄만큼 간단해집니다. LOT-V를 위한 완벽한 컨트롤 시스템을 구축하여 새로운 컨트롤러 게인을 연산하며 I/O를 변경하여 CompactRIO 플랫폼과 작업하며 단 몇 시간 내에 배포할 수 있었습니다. 말 그대로 모두가 감탄을 금치 못했습니다.

LabVIEW 시뮬레이션 루프 내에서 HOT-V 리얼타임 컨트롤

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HOT-V 플랫폼 구성

HOT-V 플랫폼은 LOT-V 보다 훨씬 대규모일 뿐 아니라 더욱 강력합니다. HOT-V에는 수백 암페어의 전류를 전달할 수 있는 전원 지원 시스템이 있기 때문에 모터가 3 마력 이상으로 작동합니다. CompactRIO는 소형의 견고한 형태, 차폐 및 절연 기능으로 인해 채택되었습니다.

HOT-V는 완벽한 자체 독립 플랫폼이지만, 시스템 작동 중에 모니터링 및 상호작용은 여전히 중요합니다. CompactRIO에서의 인터넷 가능한 LAN 어댑터를 사용하면 시스템내에 802.11 무선 라우터를 설치할 수 있었습니다. 이는 시스템에 무선 통신 연결을 설정하여 기능성을 크게 증대하는 결과를 가져왔으며 여러 가지 플랫폼에서 HOT-V를 컨트롤할 수 있게 되었습니다.

그 후 LabVIEW PDA Module을 사용하여 LabVIEW 플랫폼에서 HP iPAQ Pocket PC를 HOT-V의 작업에 통합하고자 하였습니다. Pocket PC는 LabVIEW 플랫폼에서 작동하면서 두 가지의 모드가 가능합니다.
1. Heads-Up 디스플레이: 사용자가 HOT-V를 사용하는 동안, iPAQ는 배터리 잔량, 현재 소비되는 전원과 같은 플랫폼 상태 정보를 디스플레이합니다. (HOT-V의 핸들에 끼울 수 있습니다.)
2. 리모트컨트롤: 사용자가 HOT-V를 사용하지 않을 때, 사용자는 iPAQ로부터 원격으로 플랫폼을 컨트롤할 수 있습니다. 사용자는 시스템의 여러가지 파트 및 움직임을 컨트롤할 수 있는 옵션을 제공받습니다.
손바닥 크기의 사용자 인터페이스를 추가하면 HOT-V를 더욱 많은 기능을 가진 실험가능한 플랫폼으로 변환합니다.

설계 및 실행에 따른 여러가지 과제들을 해결하게 되었지만 무엇보다 중요한 것은 그 과정에 소요된 대폭 단축된 시간입니다. 고안에서부터 모델링, 분석, 실험 검증, 컨트롤 디자인, 구성 및 이행까지의 전 설계 과정이 단 4개월만에 완료되었습니다. 이와 같은 성공의 배경에는 모델링, 분석에서 프로토타입, 배포에 이르는 모든 과정의 능률화를 가능하게 한 단일 개발 플랫폼 및 NI 하드웨어와 NI LabVIEW 소프트웨어의 긴밀한 통합에 있었다고 평가합니다.

더보기:
NI Week 2006 기조 연설 데모 시연 비디오 (HOT-V)
HOT-V 팀원고해상도사진
HOT-V 시승하는 팀원 비디오
LOT-V 및 HOT-V 플래시 동영상 (Flash)

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