초저상 4륜 구동 스키드 조향 로봇의 토크 분배 알고리즘 개발 = Torque distribution algorithm for a low-profile 4WD skid-steer robot

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 기구학적 오차 및 구동계 오차에 대해 동역학 모델링을 구성 후 오차에 따른 횡방향 편차에 대한 영향도를 분석한다. 해당 영향도를 바탕으로 기구학적 오차 및 구동계 오차를 외란 관측기를 통해 관측 후 보정된 목표값들을 하위 제어기에 분배하는 토크 분배 제어 알고리즘을 설계하고 총 7가지 시나리오에 대해서 기존에 사용하고 있는 로직인 Stanley 조향, 속도오차 PI 제어기와 비교 검증했다.
시뮬레이션 결과 직진, 직진 좌측 모터 고장 시나리오에서 각각 횡방향 오차 RMS 기준 95.9%, 98.6%의 추종 성능을 개선하였고, S-curve, S-curve 좌측 모터 고장 시나리오에서 횡방향 오차 RMS 기준 각각 56.5%, 80.9%의 추종 성능을 개선하였다. 추가적으로 좌회전 시나리오에 대해 마찰원을 고려하여 모터 최대 토크를 변경하여 총 3가지 시뮬레이션을 진행했다. 기존 모터 사양인 13 Nm, 변경되 모터 사양인 35Nm 이며 4개의 모터를 장착한 구성, 전륜 2개의 ball caster와 후륜 2개의 모터를 장착한 구성으로 진행했다. 시뮬레이션 결과 기존의 모터 사양의 경우 좌회전 시나리오에 대해 선회 반경이 약 40m로 만족하지 못했다. 4개의 모터 구성과 전륜 2개 ball caster와 후륜 2개의 모터를 장착한 구성 모두 좌회전 시나리오를 만족하며 선회를 하였다. 해당 결과를 통해 종횡비가 높은 타겟로봇에 적합하며, 기구학적 파라미터 및 구동계 오차를 보정하는 제어 알고리즘을 설계하고 그 성능을 기존 제어 알고리즘에 비해 향상시켰다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes a control strategy for a four-wheel skid-steered robot that compensates for kinematic and drivetrain errors based on a vehicle dynamics model. First, a dynamic model is established that explicitly incorporates geometric and drivetrain parameter errors, and the influence of these errors on lateral path deviation is quantitatively analyzed. Based on this sensitivity analysis, an equivalent disturbance representing kinematic and drivetrain errors is estimated by a disturbance observer, and the resulting compensated force and moment references are distributed to each wheel through a lower-level torque allocation algorithm. The proposed controller is evaluated in a total of seven scenarios and is quantitatively compared with the baseline logic consisting of Stanley steering and a PI controller for longitudinal speed error.
Simulation results show that, in straight-driving and straight-driving with a left motor fault, the proposed method improves lateral tracking performance by 95.9%and 98.6%, respectively, in terms of the RMS lateral error. In S-curve and S-curve with left motor fault scenarios, the RMS lateral error is reduced by 56.5%and 80.9%, respectively. In addition, for a left-turn scenario, three simulation cases are conducted by varying the motor maximum torque under a friction-circle-based analysis: (i) the original four-motor configuration with a torque limit of 13 Nm, (ii) a four-motor configuration with an increased torque limit of 35 Nm, and (iii) a configuration with two rear drive motors (35 Nm) and two front ball casters. With the original 13 Nm specification, the robot fails to achieve the desired turn, resulting in an excessively large turning radius of approximately 40 m. In contrast, both the four-motor 35 Nm configuration and the “two rear motors + two front ball casters” configuration achieve the desired left turn while satisfying the turning radius requirement. These results demonstrate that the proposed control algorithm is suitable for skid-steered target robots with a large length-to-width aspect ratio and that it effectively compensates for kinematic and drivetrain parameter errors, achieving superior path-following performance compared with the conventional controller.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 이전 연구 3
• 1.3 연구 목표 5
• 제2장 타겟로봇 6
• 2.1. 타겟로봇 하드웨어 6
• 2.2. 타겟로봇 소프트웨어 9
• 제3장 기구학적 오차 및 구동계 오차에 따른 횡방향 편차 영향도 시뮬레이션 12
• 3.1 동역학 모델링 12
• 3.1.1 바퀴 설치 각도 오차 모델링 12
• 3.1.2 바퀴 설치 위치 및 무게중심 오차 모델링 13
• 3.1.3 모터 토크 상수 오차 모델링 13
• 3.2 횡방향 편차 영향도 시뮬레이션 환경 구축 15
• 3.2.1 기구학적 오차 및 구동계 오차 파라미터 범위 선정 15
• 3.2.2 Matlab/Simulink를 이용한 시뮬레이션 환경 구축 15
• 3.3 횡방향 편차 영향도 시뮬레이션 결과 18
• 3.3.1 토크 상수 변화에 따른 횡방향 편차 결과 18
• 3.3.2 무게중심 이동에 따른 횡방향 편차 결과 18
• 3.3.3 바퀴 각도 변화에 따른 횡방향 편차 결과 18
• 3.3.4 바퀴 위치 변화에 따른 횡방향 편차 결과 19
• 3.3.5 영향도 분석 시뮬레이션 결과 19
• 제4장 기구학적 오차 및 구동계 오차 보정 제어 알고리즘 시뮬레이션 27
• 4.1 기구학적 오차 및 구동계 오차 보정 제어 알고리즘 27
• 4.1.1 상위제어기 27
• 4.1.2 외란 관측기 30
• 4.1.3 하위 제어기 31
• 4.2 제어 알고리즘 비교를 위한 시나리오 및 파라미터 선정 36
• 4.2.1 기구학적 오차 및 구동계 오차 파라미터 선정 36
• 4.2.2 제어 알고리즘 예비 시뮬레이션 39
• 4.2.3 제어 알고리즘 예비 시뮬레이션 결과 40
• 4.2.4 제어 알고리즘 비교를 위한 검증 시나리오 선정 42
• 4.3 제어 알고리즘 비교를 위한 시뮬레이션 결과 47
• 4.3.1 직진 시나리오 결과 47
• 4.3.2 직진 시나리오 결과 (좌측 전륜 모터 고장) 50
• 4.3.3 S-curve 시나리오 결과 53
• 4.3.4 S-curve 시나리오 결과 (좌측 전륜 모터 고장) 56
• 4.3.5 수동모드 전환 직진 시나리오 결과 59
• 4.3.6 좌회전 시나리오 결과 61
• 4.3.7 전륜 좌측, 후륜 우측 모터 고장 시나리오 결과 66
• 제5장 고찰 71
• 5.1 성능지표 71
• 5.2 자동모드 시나리오 결과 고찰 72
• 5.3 수동모드 시나리오 결과 고찰 74
• 5.4 좌회전 시나리오 결과 고찰 74
• 5.5 전륜 좌측, 후륜 우측 모터 고장 시나리오 결과 고찰 75
• 제6장 결론 76
• 참고문헌 78
• 영문요약 80