과수원 환경 자율 주행을 위한 4륜 독립 구동·조향 플랫폼의 계층적 모션 제어기 개발 = Development of a Hierarchical Motion Controller for a 4-Wheel Independent Drive and Steering Platform for Autonomous Driving in Orchard Environments

국문 초록 (Abstract)

최근 농촌 인구의 급격한 고령화와 일손 부족 현상은 농업 생산성 유지에 심각한 위협이 되고 있다. 이에 따라 과수원 모니터링, 방제, 수확 등 다양한 농작업을 자동화하기 위한 자율주행 농업기계(Autonomous Agricultural Vehicles, AAVs)의 개발 필요성이 지속적으로 대두되고 있다. 특히 과수원 환경은 비좁은 작업 통로, 불규칙한 노면, 그리고 산재한 장애물 등으로 인해 일반적인 차량보다 훨씬 높은 수준의 기동성과 정밀한 경로 추종 능력을 요구한다.
기존의 2륜 조향(2WS) 시스템은 회전 반경의 한계로 인해 이러한 협소한 공간에서의 운용에 제약이 따른다. 이를 극복하기 위해 4륜 독립 구동(4WID) 및 4륜 독립 조향(4WIS) 시스템이 도입되었으나, 기존 연구들은 대부분 애커만(Ackermann), 크랩(Crab), 제자리 회전(Zero-turn) 등 사전에 정의된 조향 모드를 주행 상황에 맞춰 전환하는 방식을 채택하였다. 이러한 모드 기반 제어 방식은 모드 전환 시점에서 제어 입력의 불연속성을 유발하여 차량 거동 불안정을 초래하거나, 복잡한 전환 로직으로 인해 연산 부하를 가중시키는 단점이 있다.
본 논문에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 조향 모드를 별도로 정의하지 않고도 고기동 주행을 구현할 수 있는 4WIS-4WID 자율주행 플랫폼용 계층적 모션 제어기를 제안한다. 제안된 제어 시스템은 상위 제어기와 하위 제어기의 두 계층으로 구성된다. 상위 제어기는 모델 예측 제어(Model Predictive Control, MPC) 알고리즘을 기반으로 하여, 경로 추종 오차를 최소화하는 최적의 차체 속도 명령(종방향 속도, 횡방향 속도, 요 레이트)을 생성한다. 이때 연성 제약(Soft Constraint) 조건을 비용 함수에 포함하여 액추에이터의 물리적 한계 문제를 유연하게 해결하였다. 하위 제어기는 상위 제어기에서 생성된 차체 속도 명령을 바탕으로 기구학적 관계식을 통해 각 바퀴의 조향각과 구동 속도를 실시간으로 배분한다.
제안된 제어 알고리즘의 성능 검증을 위해 MATLAB/Simulink와 CarMaker를 연동한 시뮬레이션을 수행하였다. 일반적인 곡선 경로 추종 시나리오에서 제안된 제어기는 기존 선형 MPC 대비 우수한 추종 성능을 보였으며, 제자리 회전 및 평행 이동과 같은 특수 기동 시나리오에서도 별도의 모드 전환 없이 안정적으로 동작함을 확인하였다. 본 연구 결과는 과수원과 같은 비정형 고밀도 환경에서 자율주행 농업 로봇의 작업 효율성과 주행 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 실효성 있는 제어 전략을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Rapid rural aging and labor shortages pose a significant threat to agricultural productivity, emphasizing the need for Autonomous Agricultural Vehicles (AAVs). Orchard environments, characterized by narrow paths and uneven terrain, require significantly higher maneuverability than conventional vehicles. While 4-Wheel Independent Drive and Steering (4WIS-4WID) systems address the limitations of 2-Wheel Steering, most existing studies rely on switching between pre-defined modes (e.g., Ackermann, Zero-turn). This approach often leads to vehicle instability due to control discontinuities and increases computational load.
To overcome these limitations, this paper proposes a hierarchical motion controller for a 4WIS-4WID platform capable of high-maneuverability driving without explicit mode switching. The upper-level controller, based on Model Predictive Control (MPC), generates optimal chassis velocity commands to minimize tracking errors. Soft constraints are incorporated into the cost function to flexibly handle actuator limitations. The lower-level controller then utilizes kinematic relationships to distribute steering angles and driving speeds to each wheel in real-time.
Co-simulations using MATLAB/Simulink and CarMaker confirm that the proposed controller outperforms linear MPC in curve tracking and executes special maneuvers, such as zero-turn and parallel translation, stably without mode switching. This study presents an effective control strategy to enhance the operational efficiency and stability of agricultural robots in unstructured environments.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론
• 제1절 연구 배경 및 필요성 1
• 제2절 관련 연구 4
• 제2장 시스템 모델링
• 제1절 4WIS-4WID 차량의 좌표계 정의 및 제약 조건 7
• 제2절 차체 속도와 휠 명령의 기하학적 변환 11
• 제3절 이산시간 상태공간 모델 16
• 제3장 계층적 최적 제어기 설계
• 제1절 제어 시스템의 전체 구조 19
• 제2절 비용 함수 및 제약 조건 22
• 제3절 최적화 알고리즘 및 수치 해법 28
• 제4장 시뮬레이션 결과 및 고찰
• 제1절 시뮬레이션 환경 구성 29
• 제2절 일반 곡선 경로 추종 성능 평가 31
• 제3절 고기동 주행(High Maneuverability) 시나리오 평가 37
• 제5장 결론
• 제1절 연구 결과 요약 39
• 참고문헌 41
• Abstract 44