2015학년도

기계설계프로젝트 최종 보고서

과제명 : AGV형 산업 수송 카트

(2014년 9월 1일 ~ 2015년 6월 10일)

팀명: D.U.S.E

기계공학 설계프로젝트 최종보고서를

붙임과 같이 제출합니다.

2015. 06

대구대학교 기계자동차공학부

제 출 문

대구대학교 기계자동차공학부 학부장 귀하

본 보고서를 대구대학교 기계자동차공학부 설계프로젝트 과제 “AGV형 산업 수송 카트”의 결과보고서로 제출합니다.

(과제기간 : 14. 09. 01 ~ 15. 06. 10)

2015. 06.

담당교수 :  이 동 활   (인)

대표학생 :  배 항 진   (인)

참여학생 :  김 하 남   (인)

성 광 헌   (인)

김 경 오   (인)

구 세 현   (인)

김 성 온   (인)

보고서 작성 윤리 서약서

대구대학교 기계자동차공학부 학부장 귀하

본인은 보고서를 작성함에 있어 다음과 같이 연구 윤리 및 보고서 작성 윤리를 준수하였음을 서약합니다.

1. 본인은 다른 학생의 보고서를 복사(copy)하지 않았습니다.

2. 본인은 다른 사람의 보고서 내용 중 전부 또는 일부를 무단으로 도용하거나 인터넷에서 내려받기(download)하여 대체하지 않았습니다.

3. 본인은 보고서에 참고자료를 인용할 경우 원본의 출처를 반드시 표시하였습니다.

2015. 5. 27

담당교수 :  이 동 활   (인)

대표학생 :  배 항 진   (인)

참여학생 :  김 하 남   (인)

성 광 헌   (인)

김 경 오   (인)

구 세 현   (인)

김 성 온   (인)

최종보고 요약문

과제명

AGV형 산업용 수송카트

팀명

D.U.S.E

팀원

팀장 : 배항진 팀원 : 김하남, 성광헌, 김경오, 구세현, 김성온

과제기간

20015 년 3 월 2 일  ~   2015 년  6 월  10  일

1. 과제내용 및 목표

산업현장에서 자재물들을 자율주행을 통하여 수송하여 생산효율 증가에 기여

•제품 중량 : 30kg     •가반 하중 : 100kgf      •구동 속도 : 5km/h

•구동 시간 : 1시간    •제작 가격 : 250만원

2. 개념설계 및 상세 설계

자율주행 수송 카트로서 장애물 회피 주행과 조향제어 위치인식제어를 하기위해

기구학적 모델링과 알고리즘을 작성 한 뒤 각각의 제어에 필요한 초음파센서 자이로센서 초음파 위성 센서를 사용하여 가능성 실험을 실시 하였다.

3.제작

고정 장애물을 포함한 map을 작성하고 map leading 방식으로 한다. map을 기초로 하여 자율주행 시나리오를 계획한고 구동알고리즘과 회피알고리즘을 작성한다. 초음파 거리 센서가 적정거리 (50cm)이내 장애물을 발견 할 경우 회피 알고리즘 순서대로 회피주행을 하도록 하며. 조향제어는 절대좌표를 통해 계산된 조향각을 yaw값을 이용하여 조향각 만큼 회전하도록 프로그래밍을 실시 수송카트이므로 적재부는 적재물의 하중을 견딜 수 있는 강도와 구조로 제작

기술조사 :

가능성 실험 : 위치인식 센서를 사용하여 카트의 좌표를 알아내고 좌표 센싱 시간검출 및 다른 센서와 융합하여 센싱 시간 동기화 테스트 실시

전방에서 장애물을 확인하고 이에 따라 모터의 Dir과 PMW출력을 제어하여 회피주행이 가능한가를 실험

자이로센서의 yaw값을 활용하여 조향제어 실시

*기본설계 결과	*1차 3D 모델링 결과

4. 결 론

기구부를 CAE해석으로 허용무게(80kg)을 버틸 수 있는 재질 및 두께를 선정한다.

각 부품의 사이즈를 측정하여 기구부 내부의 공간을 최대한 활용할 수 있는 기구부 설계를 통하여 정량적 목표에 맞도록 설계한 주요 부품 모터와 mcu 및 주변 회로에 충분한 전압과 전류를 공급할 수 있는 배터리, 또한 소홀하기 쉬운 본 작품의 외형 설계와 모터 배치 시 고려해야 할 점들에 대해 논하고 기준을 제시하였다.

목표량에 비하여 중량은 10kg 증가 , 구동시간 감소하였으나, 이 부분은 전원 공급부의 베터리가 연납축전지이기에 용량에 비해 무겁기에 나타난 결과 이지만, 구동속도와 적재 하중은 성능이 개선된 결과를 얻을 수 있었다.

오차범위의 경우 개발 시간 부족으로 초음파 위성 시스템의 사전연구를 제대로 하지 못하여 환벽한 시운전 테스트를 하지 못하였다. 하지만 장애물 회피주행에서는 고정 및 돌발 장애물을 회피 주행부분에서는 만족스러운 결과를 나타내었기에 향후 문제점들을 보완하여 완성도를 향상 시킬 수 있도록 할 것이다.

목    차

제1장 과제내용 및 목표 제1절 과제의 목적 8 제2절 과제의 정량적 목표 8 제3절 필요성 및 기대효과 8 제2장 과제도출 과정 ·············································································· ·········· 제1절 후보과제 9 제2절 과제선정 결과 12 제3장 연구내용 제1절 개념설계 13 제2절 특허조사분석 및 시장조사 14 제4장 상세 설계 제1절 기본설계 18 제2절 목표 사양서 19 제3절 시스템 구성도 21 제4절 1차 모델링 및 조립도 22 제5절 해석결과 및 분석 38 제6절 자율주행 경로계획 및 작동 알고리즘 42 제7절 AGV 소프트웨어 회로도 49 제5장 H/W, S/W 개발 및 시운전 제1절 제어부 실험 및 테스트 50 제2절 기구부 제작 55 제3절 시운전 테스트 59 제6장 성능평가 제1절 정량적 목표 및 분석검 62 제7장 결론 제1절 결론 및 문제점 63 제2절 향후계획 63 참고문헌 데이터시트, 사양서, 논문, 표준자료, 규격서, 메뉴얼

제1장 과제내용 및 목표

제 1 절  과제의 목적

기존의 라인트레이서 방식의 AGV는 라인위에 장애물이 있을 경우 주행을 정지하고, 장애물이 없어진 뒤에 다시 주행을 시작하게 된다. 이러한 상황은 작업시간의 지연되고, 산업현장에서는 생산효율이 떨어지게 된다.

이러한 부분을 개선하기 위해 초음파 센서를 이용하여 자율적으로 장애물을 스스로 회피하며 주행을 하며 자동으로 목적지까지 주행 할 수 있도록 제작하여 작업시간을 단축시키며 생산효율을 높일 수 있는 수송 카트를 개발 한다.

제작 및 테스트 시 어려움을 해결 할 수 있도록 기존제품보다 축소하여 모델링을 하여 개발 시간을 단축 및 제작비 절감으로 기존 AGV의 문제점을 개선하는 것이 목적입니다.

제 2 절  과제의 정량적 목표

•제품 중량 : 20kg

•가반 하중 : 80kgf

•구동 속도 : 4km/h

•구동 시간 : 4시간

•오차 범위 : ±10cm

•제작 가격 : 200만원

제 3 절  필요성 및 기대효과

무한경쟁사회가 되어감에 따라 산업현장에서는 제작단가 절감 및 생산효율 증가 등을 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다. 이에 따라 공장의 생산라인을 자동화 및 무인화 시켜 생산성  증가와 제작단가 절감을 하려는 추세이기 때문에 산업현장 내 자재 수송과 같은 일 역시 자   동화를 추구하고 있습니다. 이로 인해 AGV같은 자동화 로봇들의 필요성이 증가함에 따라     공학적 설계를 바탕으로 그에 따른 결과물을 제안하려고 한다.

※ 기대효과

산업현장 내에서 자재 수송 같은 일들을 AGV 종류의 자동화 로봇들이 직접 수행함으로써 불필요한 부분에 인력들이 투입되지 않기 때문에 현장의 생산성과 효율성 및 편의성이 증대 될 수 있습니다. 또 무인화 시스템 덕분에 인력이 하는 일들을 대체 할 수 있어서 인건비 절감에도 효과적입니다.

제2장 과제도출 과정

아이디어 명	원터치 보드 클리너
	기능 요약
	자동으로 칠판을 지워준다. 분필가루를 흡입하여 필터에 저장한다. 필터 탈부착 기능 분필가루 날림 방지
	필요기술
	모터제어 기술 석션 기술 방음 기술

제 1 절  후보과제

아이디어 명	오토 디렉션 보드
	기능 요약
	모터를 이용하여 자동으로 움직이는 보드 적외선 및 초음파센서를 이용하여 보드후방 장애물 탐지 블루투스, 시리얼통신 등을 이용하여 리모컨을 통하여 속도제어 기울기 센서를 이용하여 보드의 좌우 기울기에 따라 좌우방향 조절
	필요기술
	밸런싱 제어기술 소형화 및 경향화 기술 통신제어 기술

아이디어 명	유틸리티 바구니
	기능 요약
	모터로 바퀴를 구동하여 짐을 수월하게 운반 가변바퀴를 이용하여 계단, 각종 장애물 이동을 용이하게 해준다. 손잡이에 스위치를 통해 모터의 속도를 제어
	필요기술
	모터제어 기술 경량화 기술 가변바퀴 기술

아이디어 명	세그웨이형 휠체어
	기능 요약
	기울기 센서를 이용하여 전진/후진 방향과 속도를 제어한다. 손잡이로 좌우 방향 제어 및 제자리 회전으로 좁은 공간에서의 방향전환을 쉽게 한다. 초음파 센서를 사용하여 후방 장애물을 감지한다.
	필요기술
	밸런싱 제어기술 모터 제어 기술 초음파센서 제어 기술

아이디어 명	장애물 극복 드릴 머신
	기능 요약
	각각의 궤도 높낮이 조절로 어떠한 지형에서도 몸체의 수평을 유지하며 이동한다. 험난한 지형 통과시 충격감소를 위한 서스펜션 기능 RC리모컨 등을 이용하여 원격제어를 한다. 지하터널등을 뚫을 수 있는 드릴 머신
	필요기술
	유/공압 실린더 제어 자세유지 및 밸런싱 제어기술

아이디어 명	AGV형 산업 수송카트
	기능 요약
	AGV로서 정해진 산업 현장에서 수송 운반을 목적으로 하며 자동으로 목적지까지 이동 이동중 초음파 센서 및 적외선 센서를 이용한 장애물을 회피한 뒤 다시 정해진 경로로 이동 목적지 도착시 경보기로 도착을 스피커로 알리는 사운드 기능 장착
	필요기술
	GPS 제어 기술 초음파 센서 제어 기술 자세제어 및 위치 인식 기술

제 2 절  과제 선정 결과

선정된 아이디어		AGV형 산업 수송카트
선정 이유	경제성	·인력비 절감 - 인력이 할 수 있는 일들을 AGV가 대체하여 작업을 수행 할 수 있다. ·생상 효율 증가에 기여 - 장애물발생시 정지하는 기본 AGV와 달리 회피주행을 하기에 불필요한 딜레이를 줄임 으로서 생산시간 증가에 기여
	독창성	· 기본제품 - 라인을 추종해서 가는 라인트레이서 방식 · 개발제품 - 초음파 위성을 활용하여 자율주행을 통한 장애물 회피기능을 추가
	기술성	•공학적 기술 요소 · NFX midas - 제품이 버티는 최대허용하중, 재질 및 두께 등을 해석하여 공학적이고 전문적인 지식활용 · ATmega128 - 센서와 모터가 원하는 값을 출력하고 동작을 수행 할 수 있도록 제어 · 충전회로 설계 - 제품의 배터리를 소모하였을 때, 충전이 가능 하게 만들어서 재사용을 원활하게 한다.
	실용성	· 회전반경 축소 및 회피기능과 목적지를 자동 으로 찾아가서 산업현장의 생산성을 증가시 킬 수 있으며, 인력이 최소화되기에 실용성 을 가지고 있다.

제3장 연구내용

제1절 개념설계

- 시제품의 명칭 :AGV형 산업 수송카트

- 개념도

※ 기존 제품과 차이점

라인트레이서 방식이 아닌 자율주행 방식으로 돌출 장애물 발생 시 회피하여 목적지로 가는    수송카트이며, 회전 반경을 최소화하여 공간 활용도를 높였다.

초음파 위성 시스템을 통한 좌표계 형성
목적지의 좌표를 찾아 경로를 생성하기 위해 초음파 위성 시스템을 활용하여 작업장에 좌표계를 형성 하는 방식으로 설계 하였다.

장애물 회피용 초음파 센서
4개의 초음파센서를 사용하여 전방 180도 까지의 장애물 판단 (물체에 반사되어 오는 초음파로 거리를 판단하여 특정거리 이하일시 장애물로 판단)하여 회피주행을 실시

필요기술
2D,3D모델링, 구조해석, 센서제어, 모터제어,
초음파 위성 시스템제어, AVR Studio 프로그래밍

제2절 특허 조사 및 시장 조사

1. 특허조사

특허명	초음파를 이용한 위치인식 시스템 및 그의 제어방법
출원번호	대한민국 10-2005001-8538	등록일자	2005년 3월7일
출원자	이동활	등록상태	등록
도면 및 요약	본 발명은 초음파를 발신하는 다수개의 초음파 위성을 설치하여 이 동체의 위치를 제어하기 위한 초음파를 이용한 위치인식시스템의 제어방법을 제공한다. 이와 같은 초음파를 이용한 위치인식시스템의 제어방법은 다수개의 초음파 위성 각각에 순차적으로 위성 고유 번호를 부여하고, 다수개의 초음파 위성에 동기신호를 발생하며, 동기신호의 수신을 통해 위성 고유번호의 순서에 따라 다수개의 초음파 위성에서 발사된 초음파를 이동체에서 수신하여 거리를 측정한다. 한편 본 발명에 따른 초음파를 이용한 위치인식시스템은 초음파를 발신하는 초음파 위성, 이 초음파 위성에서 발신되는 초음파를 수신하여 현재의 위치를 인식하는 이동체, 초음파 위성 및 이동체중 가동 중인 초음파 위성과 이동체에 동기신호를 제공하기 위한 기준시각 방송기 및 이동체에 초음파 위성의 좌표를 제공하기 위한 서버를 구비하여 이루어진다.
분석	자율주행시 필요한 절대좌표를 알려줄 수 있기에. 이 부분을 인용하여 사용하기로 하였다.
출처	KIPRIS 특허정보검색서비스 (http://www.kipris.or.kr)

특허명

장애물 회피 기능을 갖는 이동로봇과 그 방법

출원번호

대한민국 10-2005-0039460

등록일자

2005년 5월11일

출원자

전형신

등록상태

등록

도면

및

요약

본 발명에 따른 장애물 회피 기능을 갖는 이동로봇과 그 방법은 서로 다른 센싱 범위를 갖는 적외선 및 초음파 센서를 이용하여 하나의 센서를 통해 장애물을 감지하는 종래의 이동로봇보다 우수한 장애물 감지가 가능한 장점을 갖는다. 또한, 적외선 센서와 초음파 센서로부터 출력되는 감지신호의 조합에 따라 서로 다른 회피 알고리즘을 적용함으로써, 효과적인 장애물 회피가 가능한 장점을 갖는다.

분석

장애물을 감지하는 방식과 그에 대한 알고리즘으로 유여한 회피주행을 제시 하고 있기에 알고리즘의 순서를 본 프로젝트에 참고하여 사용

출처

KIPRIS 특허정보검색서비스 (http://www.kipris.or.kr)

2.시장조사

제품명	표준형 AGV System
품종	AGV	출시국	대한민국
생산자	(주) 대성에스이	출시년도	2009
사진 및 요약	일반적으로 가장 많이 활용되는 AGV형태 차상에 Conveyor, Telescopic Fork, Lifter 등을 탑재하여 지상의 장치와 통신을 통해 Auto loading과 Unloading을 수행하는 형태의 AGV이다. 운반물의 형태나 사이즈, 무게에 따라 Box, Pallet, Bucket 등 차상장치를 탑재 할 수 있어 최적의 무인운반 시스템으로 활용이 가능하다. DC 또는 AC Servo 이륜독립 구동장치, 스마트 모션컨트롤 보드를 채용하여 고속주행 및 정밀한 위치정지가 가능하며 전진, 후진, 180도 Spin-Turn 기능이 있다.
키워드	AGV
유사점	1. 무인으로 운반을 해주는 시스템이다. 2. 적재부분에 롤러가 탑재 되어 있다.
차별점	1. 라인트레이서 이동방식이 아닌 좌표계를 형성하여 이동하는 자율주행 방식 2. 기존의AGV는 장애물 발견 시 정지 상태로 대기를 하지만 우리가 개발하려 는 AGV는 초음파 센서를 활용한 자율주행으로 장애물을 회피한다. 3. 경보등을 사용하여 배터리 부족 및 고장 등의 현재 AGV상태를 나타낼 수 있는 알림기능이 탑재되어 있다.
출처	(주) 대성에스이 (http://www.e-agv.com/product/product_01_2.htm)

제품명	<SWS200k>
품종	AGV	출시국	대한민국
생산자	(주) 서원 시스템	출시년도	2009
사진 및 요약	중량 1톤 이하의 운반물에 적용되는 콤팩트한 무인차입니다. 운반중량 최대 200Kg까지 운반하는 SWS-200K형 입니다. 비교적 단순한 공정운반부터 복수의 스테이션을 설치한 각종 공정, 창고 간을 연결하는 복잡한 운반 시스템까지 Flexible하게 적용 가능한 무인차입니다. 운반물의 종류에 따라 각종 자동이재장치의 적용이 가능합니다.
키워드	AGV
유사점	1. 무인으로 운반을 해주는 시스템이다. 2. 적재부분에 롤러가 탑재 되어 있다.
차별점	1. 라인트레이서 이동방식이 아닌 좌표계를 형성하여 이동하는 자율주행 방식 2. 기존의AGV는 장애물 발견 시 정지 상태로 대기를 하지만 우리가 개발하려 는 AGV는 초음파 센서를 활용한 자율주행으로 장애물을 회피한다. 3. 경보등을 사용하여 배터리 부족 및 고장 등의 현재 AGV상태를 나타낼 수 있는 알림기능이 탑재되어 있다.
출처	http://agvsystem.kr/

제4장 상세설계

제1절 기본 설계

요구기능

1) 자율주행기능

• 가속도, 자이로스코프센서를 사용하여 속도, 위치, 방향을 추적하여
자세인식을 하는 기능

• 초음파 위치센서와 사용 주파수가 다른 초음파 센서를 이용하여 돌출 장애물 발견
시 회피하는 기능

• 좌우 바퀴 속도 차이에 의한 조향기능

• 초음파 위치인식센서를 활용한 위치인식 기능

2) 수송기능

• 사출공장에서 카트에 적재된 원료포대가 목표지까지 수송한다.

• 적재물을 싣고 이동할 수 있는 모터 출력

• 센서가 적재물에 방해 받지 않으며, 버티는 바디구조

3) RF통신 방식의 무선 리모컨을 사용하는 비상정지 기능

4) AGV의 상태 알림 기능

제 2 절  사양서

정량적 목표	주행속도 : 4km/h 적재중량 : 80kg 사용시간 : 1시간 이상 주행 오차 범위 : ±10cm 이내
시제품 사양	주행속도 : 4km/h 적재중량 : 80kg 자체중량 : 20kg 사용시간 : 4시간 주행 오차범위 : ±10cm 이내 장애물 인식거리 : 50cm 초음파센서 주파수: 25kHz 베터리 : 납축전지 24V 초음파위성 사용거리 : 7m*7m*7m (1set = 4개) 추가 사용시 더 넓어짐 비상정지리모컨 수신거리 : ７ｍ 894*442*782(가로*세로*높이)

부품 제원

품명	모델명	사양
프로파일	DF 30X30	재질 : Am6N01S-T5 무게 : 1.05kg/m
프로파일 브라켓	AL BRACKET DCB 3025 30×25	재질 : ALDC-8
모터	IG-52GM W/EC	24V 5.3A 토크 : 19.1kgf*cm RPM : 169 감속비 1/21
ARS센서	myARS-USB	칼만필터를 이용한 5축 IMU센서 융합 롤-피치 각도 출력
초음파 센서	HC-SR04	측정거리 :2~500cm 입력전압 : 5V 사용주파수 : 40kHz
모터 드라이브	NT-VNH20SV1	입력전압 : 7~28V 허용전류 30A
베터리	ES12-12	12V 12Ah 납축전지 무게 : 4kg
직류 변환기	DCH-4332	입력전압 : 24~72V 출력전압 :５,12V

품명	모델명	사양
모터 드라이브	NT-DC20A	2개의 DM모터를 동시에 제어가능 전원: 7~46v 전류 : 2.5A까지 가능 역기전력 방지회로 추가
알루미늄 판재	알루미늄 판재	AL6061 : 4T 442*680 AL5052 : 2T 442*579 442*400 442*284 442*140
볼트,너트	T BOLT, NUT DBST 6	재질 : SM20C 표면처리 :White-zinc coating M6나사
바 퀴	6인치 타이어바퀴	직경 : 150mm 내경 : 8mm 하중 : 20~30kg
ARS센서	EBIMU-9DOFV2	3축 자이로스코프, 3축 가속도센서, 3축지자기센서가 내장된 초소형 AHRS모듈

제 3 절  시스템 구성도

제 4 절  1차 모델링 조립도 및 부품도

1차 모델링 조립도 – 최종(2D)

1차 모델링 부품도 - 최종(2D)

제 5 절  해석결과 및 분석

- 해석목표

: 적재부 판재에 적재물이 실렸을 때 판재가 버티는 구조인지,  가장 취약한 부분을

찾아 그 부분을 보완하여 극한의 상황에서도 견딜 수 있는 적재부를 제작

- 정량적 목표

·안전율 : 11 이상    ·변형 : 1mm이하

- 해석조건

·재질 : 프레임, 판재 : AL6063, 볼트 : Alloy Steel

·경계조건 : 적재부 각 모서리부분에 고정되어 있기 때문에 고정구석

적재부 위에 짐이 실려지기 때문에 집중하중 1000N

- 해석결과

1. 두께 2t	변위
	2.73mm

1. 두께 2t	최대응력
	193.9kgf/mm^2

1. 두께 2t	안전율
	3.36

2. 두께 4t	변위
	0.85mm

2. 두께 4t	최대응력
	23.6kgf/mm^2

2. 두께 4t	안전율
	10.54
정량적 목표에 충족 하나 판재 처짐으로 판재부 아래 베터리와 합선이 되는 것을 방지하여 제어부에 영향을 주지 않게 하기 위하여 판재 처짐을 최소화하여야 한다. 따라서 판재의 가운데 부분에 프로파일을 추가하기로 하였다.

2. 두께 4t 프로파일 추가	변위
	0.26mm

2. 두께 4t 프로파일 추가	최대응력
	22.5kgf/mm^2

2. 두께 4t 프로파일 추가	변위
	11.56

정량적 목표를 충족하고 판재 변형을 최소화 할 수 있는 3번4t+중간 프로파일을 선택한다.

안전율을 높게 설정한 판재부 아래 배터리와 합선이 되는 것을 방지하여 제어부에 영향을 주지 않게 하기 위하여 이유는 산업현장에서 사용하는 수송 카트이며 ,  적재 하중을 제외한 다른 외부변수를 고려하여 높게 설정하였다.

제 6 절  자율주행 경로계획 및 작동 알고리즘

1. 제어기 설계를 위한 기구학적 모델링

1) 기구학 방정식

이동로봇의 기구학은 회전바퀴의 각속도와 추적점에서의 이동로봇의 이동속도간의 관계를 나타낸다.

Fig. 1의 이동로봇 구조를 바탕으로, 이동로봇의 바퀴 각속도와 로봇 이동속도간의 관계와 이동로봇의 속도성분을 식으로 나타낸 것이다.

이동로봇의 기구학적 변환 행렬(transition martix)을 나타낸다.

[eqn: q prime _{1} (t)=G( theta ) nu (t)# # q prime _{1} (t)= {d} over {dt} [x _{g} (t)``y _{g} (t)`` theta (t)] ^{T}# # G( theta )= {r} over {2d} {bmatrix{-2bsin theta +dcos theta &``````````2bsin theta +dcos theta #eqalign{2bcos theta +dsin theta # `````````````````````````2}&eqalign{-2bcos theta +dsin theta # ```````````````````````````````2}}}# # nu =[ theta ' _{r} (t)`````` theta ' _{I} (t)]=[ omega _{r} (t)``` omega _{I} (t)]]

이동로봇은 두 개의 후륜 구동바퀴와 1개의 전륜 단순구름바퀴(caster)로 구성된다. 이동로봇의 조향은 두 구동바퀴의 속도차로 가능하고 별도의 조향장치는 없다.  X, Y는 전역좌표계, 소문자 x, y는 국소좌표계, G는 추적점을 가리킨다. 그림에서 표기된 기준선(base line)은 두 개의 구동바퀴를 연결하는 직선이다. xg, yg 는 전역 좌표 X – O – Y 부터의 추적점이고, θ는 전역좌표계와 이동로봇의 방향에 대한 국소좌표계가 이루는 각이다.  r은 바퀴의 반지름이고 b, d는 길이성분이다. 그리고 [eqn: eta , xi] 는 이동로봇의 추적점 에서의 정면방향과 측면방향의 속도성분이다. [eqn: theta _{I} `, theta _{r}]은 좌,우 바퀴의 회전각을 의미한다.

2) 이동로봇의 구속조건

이동로봇의 구속조건을 유도하기 위한 전제되는 가정은 다음과 같다.

(가정 1) 이동로봇은 이동시 구동축에서 측면방향의 미끄러짐이 발생하지 않는다.

(가정 2) 이동로봇은 이동시 완전 구름 접촉(perfect rolling contact) 조건을 가진다.

실제 경우에서 엔코더(encoder)를 이용해 바퀴의 회전양의 이동거리를 알기 위해서는 위의 가정이 필요하다. 이동로봇의 운동이 급격한 속도변화를 보이지 않는다면 실제 이동로봇에도 가정 1, 2는 충분이 타당하다. 위의 가정으로부터 나온 이동로봇의 기구학적 구속조건식들은 다음과 같다.

[eqn: x prime _{g} cos theta `-`y prime _{g} cos theta `+`b prime theta =0```````````````````````````````````````````````````````````(5)# # x prime _{g} cos theta +y prime _{g} sin theta + {d} over {2} prime theta = _{r} theta prime _{r} ```````````````````````````````````````````````````(6)# # x prime _{g} cos theta +y prime _{g} sin theta - {d} over {2} prime theta = _{r} theta prime _{l} `````````````````````````````````````````````````````(7)]

위의 식(5)는 구동부 기준선상의 측면방향의 속도가 0임을 의미하고 식(6),(7)은 오른쪽, 왼쪽바퀴 중심에서의 속도의 합 벡터가 회전하는 각 바퀴의 이동속도와 같음을 의미한다.

위의 구속조건들을 정리하면

[eqn: A _{q} =0```````````````````````````````````````````````````````````````````````````````````````````````````````(8)]

이 때

[eqn: A= {bmatrix{sin theta &-cos theta &```b````````````````````0``````````````0``#cos theta &sin theta &{d} over {2} ````````````-r```````````0#cos theta &sin theta &- {d} over {2} ```````````````````````0`````````````-r}}# # q=[x _{g} ````y _{g} ```` theta ``````` theta _{r} `````` theta _{l} ] ^{T}]

이다.

기구학적 모델링부분은 매우 흡사하므로 ‘신경회로망을 이용한 이동로봇의 경로 추적제어‘

논문에서 인용하였습니다.

2. 경로 계획

자율 이동 로봇이 갖추어야 할 주행 시스템

위 그림과 같은 구성을 가지고 연구를 진행하기에는 불가능 한부분이 있기에 몇 가지 가정을 전제로 연구 및 실험을 진행 하였다.

가정) 1. 자율 주행 카트는 일정한 실내의 환경 하에서 이동하며 작업을 한다.

2. 작업공간 내의 임의의 장애물은 주행 카트에 장착되어 있는 초음파 거리 센서를            이용하여 주행 카트의 현재위치의 사방방의 장애물 유무를 검출 할 수 있다.

3. 작업환경은 n x m의 격자모델로 가정 한다.

4. 카트의 이동속도는 일정 속도를 갖는다.

5. 카트의 이동형태는 항상 x-단조 증가,감소 y-단조증가, 감소하는 형태를 갖는다.

1)경로 계획

1. 초음파 위성 시스템으로 절대 좌표계를 사용한다.

2. 작업공간에서 출발점과 위치는 항상 일정하게 정해져 있다.

3. 목적지는 특정 2~3곳을 지정해 놓으며 그에 따른 경유점 또한 지정해 놓는다.

4. Point to Point 주행을 기본으로 주행을 한다.

5. 주행카트가 미로에 빠져 헤매는 상황은 없다고 가정한다.

6. Map leading 방식으로 map은 고정 장애물을 포함하여 미리 저장 해놓는다.

2)작동 알고리즘

절대 좌표계 형성 및 인식 : 초음파 위성 센서에 의해 센싱 되는 좌표값을 읽고 저장하는                               단계 이다.

목적지 입력 : 수송카트의 목적 좌표를 카트에 입력하는 단계로서 입력받은 좌표를 현재

좌표 비교하여 경로계획의 다음 단계를 진행

경로계획 : 앞서 말한 경로계획을 실행 하는 단계로 저장되어 있는 경유점 중에서 현재

좌표에서 다음 좌표로 갈 경유점을 인식

장애물 감지 : 주행중 전방의 4개의 초음파 거리 센서는 50cm 이내에 들어온 물체를

장애물로 인식하고 회피 알고리즘에 의해 감지된 물체를 회피를 판단하는 단계

회전 : 회전과 장애물은 서로 연관되어 나타나게 되므로 인터럽트 처리와 같은 방식으로

알고리즘을 구성하였다. 주행중 회전할 상황이 되면 회전해야 될 조향각을 계산하고

자이로센서의 yaw값과 비교하며 모터 드라이브로 PWM 및 DIR 신호를 출력하고,

출력된 신호를 통해 모터가 제어 되며 회전을 하게 되는 상황을 나타 내었다.

목적지 : 목적지 좌표에서 ±10cm 오차범위내에 수송카트가 위치하게 되면 목적지에 도착

하였다고 판단하면 그렇지 않을 경우에는 계속 주행을 하도록 하였다.

상황 별 회피 알고리즘

전방의 4개의 초음파센서가 적정거리 이내 (50cm) 물체를 감지하게 된다면, 회피주행을 실시 하게 된다.

이때 전방의 4개의 초음파 센서는 장애물을 감지한 센서 안 한센서의 상황에 따라 위 와 같은 알고리즘으로 상황을 판단하고 회피주행을 실시 하게 된다.

회피주행이 완료되고 장애물이 없다고 판단되면 다음 경유점을 다시 확인하고 경로 복귀를 한 뒤 다시 구동 알고리즘의 순서대로 주행을 하게 된다.

제 7 절  AGV 소프트웨어 회로도

제5장 H/W, S/W 개발 및 시운전 테스트

제 1 절  제어부 실험 및 테스트

자율주행에. 필요한. 여러 부분을. 단계적으로. 시제품에. 응용이 가능 한지. 파시빌리티 테스트를 하였다. 장애물 회피 주행 조향제어 위치인식과 같은 제어를 하기위해 필요한 초음파센서 자이로센서 모터제어 가/감속제어를 순차적으로 테스트 한 뒤 종합적으로 개발용 시제품에 융합하여 테스트를 실시하였다.

1. 초음파 센서

초기단계에서 2개를 사용 예정이었으나, 사각지대 발생으로 6개로 변경 하였으나, 초음파센서의 송수신 시간문제로 다시 4개로 변경하게 되었다.

1). 초음파 센서 구동

초음파 거리센서를 사용 하여 50cm 거리 이내 물체가

감지 될 경우 센서들의 거리측정 상황을 비교하여 상황 별 알고리즘에 따라 회피 주행을 하도록 실시하였다. 이를 통해 주행 중 미로 상황 회피주행 소요시간 단축 초음파 센서 배치결정(고정각도, 간격) 신뢰성

등을 테스트하기 위하여 Feasibility 테스트 실시하였다.

2). 초음파(2개) vs 초음파(4개)

- 전면부에 2개의 초음파를 달았을 경우 모서리 부분, 대각선 방향 장애물 회피가 힘든

단점을 보완

→ 모서리 부분, 다양한 각도에 대한 장애물 회피에 유리

3). 초음파(6개) vs 초음파(4개)

- 좌우측 초음파를 사용하지 않고도 장애물 회피에 문제가 되지 않는다는 것을 실험과정

에서 판단

→ 좌우측 트리거 신호 delay를 줄여서 초음파 반응속도 및 모터제어 개선

2. 자이로 센서

조향 제어를 하기 위하여 ARS센서의 롤-피치 값을 활용하여 DC모터의 정/역방향 및 속도조절이 가능하도록 프로그래밍을 하였다.

롤, 피치 값을 하이퍼터미널을 통해 출력

2. 피치 값을 통해 속도조절

ㅡ> 회전에 필요한 yaw값을 출력하지 못하여 자이로 센서를 변경하여 다시 실험하였다.

yaw값을 하이퍼터미널을 통해 출력한 뒤 그 값의 변화에 따라 모터의 회전방향을 결정하

도록 테스트를 실시

ㅡ> 문제점으로 가만히 있을 경우 센서의 드리프트로 값이 계속증가 하거나 감소하는

현상이 발생 하였다.

ㅡ> 드리프트를 없애거나 줄이려고 시도 하였으나, 드리프트를 없애는 방법은 없었으며

줄이는 방법으로는 칼만 필터를 사용하는 방법이 있었지만 높은 수준의 지식이 필요

하여 불가능 하다고 판단하였다.

차선책으로 yaw값의 변화량은 아주 정확한 값을 출력하기에 이 값을 가지고 실험을

진행 하였다.

ㅡ>주행 시 회전해야 될 조향 각이 계산된다면 이 값만큼 현재 yaw값에서 계산 값만큼

yaw값이 증가 하거나 감소 할 때까지 회전하도록 프로그래밍을 하였다.

3. 조향제어

전 단계의 자이로센서 yaw값을 활용하기 위해 사전 테스트 실시하였다.

초기실험으로 계산된 조향각의 값이 아닌 직접 입력한 값만 큼 회전하도록 하여 오차가 얼마만큼 나타나는가를 테스트 하였다.

1. RS232통신으로 하이퍼 터미널을 통해 회전각도 입력

2. 입력한 각도만큼 제자리에서 회전하도록 제어

3. 하이퍼 터미널을 통해 일정구간의 주행(조향)을 컨트롤

진행단계 및 문제점

1. RS232케이블을 사용하여 하이퍼터미널을 연결하여 자이로값 출력은 성공

2. 하이퍼터미널에서 입력되는 아스키코드값을 정수 값으로 변환작업 진행

(아스키 코드값 → 정수값)

→   →

1. 정지상태에서(0도)에서 40도씩 CW방향으로 회전

2. 40도 80도 120도 160도 4가지의 각도측정

3. 10회 정도 반복하여 오차정도를 측정

4. 10회의 반복측정 결과

→ 약 5도이하의 오차

→ 실험 중 오차가 10도 이상인 경우가 있었으나 바퀴의 슬립으로 인한 문제로 예상

· 반복실험에서 문제가 없었지만, 가끔 계속 회전하는 문제발생

→ 소스코드의 오류로 인한 문제로 판단 소스코드 수정 후 발생 하지 않았다.

이후 자이로 센서와 융합하여 yaw값을 활용하여 조향제어를 실시한 결과 바퀴의 슬립현상을 제외한다면 오차는 1~2도 이하의 값을 나타내었다.

4. 모터 가/감속 제어

필요이유 : AGV의 위치 제어에서 하드웨어방식은 부하변동에 신속하게 대응하지 못하며,

모터구동 시 모터의 속도 변곡점이 발생하여 부하변동에 의한 진동과 소음이

발생하는 단점이 있다. 해결책으로 소프트웨어 방식으로 DC모터 가감속 제어를

통해 모터의 부하를 줄여서 원하는 위치와 시간에 도달할 수 있도록 한다.

목표 : 모터 가감속은 간단한 직선방정식을 이용해서 급정지를 막고 안정성과 정확도를

높이는 효과적인 방법을 택함

→

다음 표와 그래프는 직선 방정식에 필요한 파라미터와 설정 값이며, 직선방정식을 이용하여 나타낸 시간-듀티비(속도) 그래프를 나타낸 것이다.

· 제어부 H/W 제작

센서와 모터드라이브는 구매하여 사용 하였으나 메인 보드는 위치 및 배선을 정하여 직접 제작하였다. 24V의 높은 전압을 사용하므로 모터드라이브쪽 발열을 대비하여 냉각 쿨러 2개를 장착 하였다. 뒷부분의 배선부분은 합선을 대비하여 판을 뛰어서 결합 시켰다.

-제작 후 테스트 결과

작동 시작 후 잠시 구동되다가 모터드라이브가 오버히트 되는 문제가 발생하여 허용전류가 더 높은 모터드라이브로 교체하여 다시 제작 하였다.

베터리부분역시 12V12AH 2개를 직렬연결 하여 24V를 공급하였으나 연결 한 뒤 전원을 넣을 시 전압 강하가 심하게 나타나며 모터가 작동되지 않는 문제가 발생 하였다.

측정기를 사용하여 문제점을 찾아보았으나 H/W부의 문제는 아니었으며 뚜렷한 원인은 찾지 못하였으나, 배터리 출력전압에 비해 사용전류가 높은 경우와 프로그램상 문제로 예상하였다.

ㅡ> 12V12AH 배터리 1개를 12V30AH시 배터리로 교체하여 테스트한 결과 아무런 문제없이 정상작동하였다.

제 2 절  기구부 제작

기본적인 프로파일 조립과 같은 간단한 일은 자체가공을 실시하였으나. 판재 절단 나사탭과같이 불가능한 부분은 외주가공을 하였다.

· 기구부 조립진행 과정

1. 프로파일 절단 후, 정면부 및 기본뼈대 형성

2. 센서 정면부 생성 및 적재부 난간 조립

→

3. 프로파일 기본 뼈대 조립완료

4. 뼈대를 덮을 알루미늄 판재사이즈 측정 및 도면화

5. 롤러부 삭제로 인한 도면수정

6. 모터 브라켓, 휠 허브제작을 위해 가공업 현장전문가와 아이디어 회의 및 구상

7. 센서부 알류미늄 판재 절곡을 위한 절곡집 선정

· 휠 허브 제작과정

→    →

→

- 선반가공을 통하여 휠 내경 작업실시

- 황동의 직경, 모양, 구멍 내기, 및 탭 작업실시 후, 모터축과 체결

- 고정와셔 제작 후 휠과 모터 체결

·모터 고정 작업

→    →

- 바디부에 모터장작을 위해 제도 및 나사탭내기 작업실시

- 모터브라켓을 U자볼트로 대체하여 모터고정 실시

· 시운전 테스트를 위한 기구부 작업

→ 우선적으로 시운전 테스트를 하기 위해 주행 할 수 있는 단계까지

기구부 제작실시

→ H/W임시고정

초음파 센서 브라켓

초음파 센서: HC-SR04 초음파 센서는 최대 측정 각도 범위가 60도이며 그 이상의 각도에

대해서는 감지하지 못한다

측정 기준: 전방 200mm 이하 감지, 초음파 측정 각도 60도

설계 목표:

전방에 초음파 2개, 대각선 측면부에 2개를 설치함으로 전방 장애물이 어떻게 놓여 있는지 상관없이 모든 영역의 각도를 측정하고 장애물 감지의 효율을 극대화 하고자 설계.

초기 설계단계에서 얇은 알루미늄 박판을 사용하여 브라켓을 제작하였으나, 초음파센서 자체에 절연이 되어 있지 않은 상태이기에 합선의 가능성을 배제 하기 위해 PC재질의 아크릴 판을 사용하여 제작 하였다.

제 3 절  시운전 테스트

먼저 시운전 테스트에 앞서 시운전할 장소에서의 시나리오를 작성 하였다.

초음파 위성 시스템	기본적인 회피주행

그림과 같이 작업장에 절대좌표계를 형성하여 AGV의 수신부로 발신부의신호를 받아 현재 위치를 인식하고 고정 장애물 등을 포함한 map을 토대로 목적좌표까지 이동 하도록 하였다

돌출장애물 발생 시에는  AGV의 초음파센서(사용 주파수가 다른)로 감지하여 회피주행을 하고 회피주행을 마치면 경로에 다시 복귀하여 목적좌표로 이동한다.

초기 테스트에는 개발용 카트를 사용하여 테스트를 하였다.

위 그림은 개발 현장의 한 공간에서 테스트 할 시나리오를 순서대로 나타낸 것이다.

이 테스트에서는 초음파 위성 시스템을 사용하지 않고 단순한 회피주행만으로 주행 하는 상황을 테스트 한 것이다.

개발용 카트의 중량은 7kg 이며 속도는 0.5m/s로 주었다.

1~7번의 각 상황에서 어떠한 회피주행을 하는지 1차 테스트를 실시하였다.

1. 우측장애물 회피	우측 2번 초음파 신호 감지
2. 좌측 벽, 측면 장애물 회피	좌측 벽의 초음파 신호를 우선으로 감지하고 다음 우측 장애물 감지
3. 우측 벽 장애물 회피	우측 벽 장애물 감지 후 전방으로 직진
`4. 모서리 장애물 회피	우측 모서리 장애물 우선 감지 후 시계 방향으로 회전과 동시 좌측 모서리 장애물감지
5. 굴곡이 있는 장애물 회피	굴곡장애물 상황에서의 회피 상황을 판단하기 위해 추가
6. 모서리 각 부분 장애물 회피	모서리 각 부분 장애물의 회피 여부 판단을 위해 추가
7. 좁은 공간에서의 직진 주행	좁은 공간 안에 부딪치지 않고 직진으로 주행

각 상황에서 장애물이 벽과 근접하였을 경우 회피해야 될 장애물의 우선순위를 판단하지 못하여 헤매는 상황이 생기는 것을 알 수 있었으며, 5번 상황에서 굴곡의 끝부분과 카트의 중심이 일치할 때 반대로 회전하는 경우가 발생하여 회피 알고리즘을 다시 수정하여 테스트를 실시하였다. 개발용 카트에서 주행 시 바퀴의 슬립으로 인한 오차를 제외 한다면, 특별한 문제점 없이 회피주행을 하는 결과를 얻을 수 있었다.

시제품 카트의 크기가 개발용 카트에 비해 약 4배 이상 커졌기에 위 시나리오와 비슷한 상황을 좀 더 넓은 공간에서 다시 준비하여 실험 하였다.

그 결과 개발용 카트와 달리 4륜 구동이기에 회전반경이 비교적 커지는 문제가 발생 하였다.

좁은 공간에서의 실험에서는 초음파가 대부분 반사되어 돌아 왔지만 넓은 공간에서는 초음파 신호가 돌아오지 않아 계속 신호를 대기하는 상태가 발생하였기에 이에 대한 문제점을 해결하기 위해 일정 시간 내 신호가 돌아오지 않으면 무시하도록 프로그램을 수정하였다.

또한 초음파 위성 시스템을 사용하여 시운전 테스트를 할 예정 이었으나. 초음파위성 센서의 입고가 생각보다 길어지는 상황이 발생하여 완전한 테스트를 실시 할 수 없어

좌표와 그에 따른 거리를 미리 입력하여 주행하도록 시운전 테스트를 실시하였다.

1차테스트 이후 위와 같은 상황을 수정하며 새로운 문제점을 찾아가며 반복적으로 시운전 테스트를 진행 하였다.

완성된 시제품의 사진

제6장 성능평가

제1절 정량적 목표의 분석 검토

평가항목	목표	평가결과	평가(측정)방법	측정조건	측정시행횟수
제품 무게	20kg	30kg	저울	-	1
최고 속도	5km/h	max : 6km/h	GPS 속도계	복도, 도로	5
구동 가능 시간	4시간	1시간	타이머	70kg 탑승자 복도	5
적재 중량	80kg	100kg	저울		1
오차범위	±10cm	미측정:(피시빌리티 테스트 단계이후 테스트하지 못함)

연납축전지 사용으로 인하여 자체중량 증가 및 구동시간 저하 그에 비하여 속도와 적재중량의 경우 상향된 성능을 나타내고 있다.

성능 자체 평가표

평가 항목	충족	미흡
안정성에는 이상이 없는가?	○
적재물을 싣고도 충분히 버티면서 주행하는가?	○
조향이 원활하게 작동하는가?	○
가/감속이 원활하게 작동하는가?	○
목적지 까지 제대로 도착하는가?		○
장애물 회피주행이 원활하게 되는가?	○

목적지 까지 제대로 도착하는가? 의 부분은 초음파 위성 시스템을 시제품에 융합 하지 못하여 발생한 문제로 추후 보완하여 목표 달성을 하도록 할 예정이다.

제7장 결론

제 1 절  결론

마이크로 컨트롤러를 사용하여 자율주행이라는 높은 난이도의 프로젝트를 진행하며, 장애물 회피주행과 조향제어 등과 같은 부분은 무리 없이 작동 하도록 설계하였다. 종합적인 프로젝트 관리(계뢱,실행 보완의 반복과정)부분이 부족하여 시간을 효율적으로 사용하지 못하여 부족한 부분으로 완성하지 못하였지만, 이 프로젝트로 인하여 산업현장에서의 편의성과 안정성이 향상될 수 있는 가능성이 있다.

기구부를 CAE해석으로 허용무게(100kg)을 버틸 수 있는 적정 재질 및 두께를 선정하고 각 부품의 사이즈를 측정하여 기구부 내부에 공간을 최대한 활용 할 수 있도록 기구부 설계를 통하여 초기 정량적 목표에 맞도록 설계한 각 주요 부품 모터와 mcu 및 주변 회로에 충분한 전압과 전류를 공급할 수 있는 배터리, 제품을 사용하는데 있어, 사용자의 안전성에 대해 고려해 응급 상황 시 긴급 정지 버튼을 구성하였다

제 2 절  문제점

초기 설정했던 정량적 목표중 구동시간이 많이 부족하다.

2. 실험적인 방법을 통해 얻은 PID게인 값이 설정 상황과 다른 환경에서 이상 오동작을

일으킬 수 있다.

3. 여러 가지 센서를 사용함에 따라 센서들과의 신호처리를 동기화 시키는 문제점

제 3 절  향후 계획

지속적인 PID 게인 값을 조절로 구동 환경에 구해 받지 않고 부드러운 동작을 구현할 것이다.

타이머 조절과 센싱 시간을 조율하여 적합한 시간으로 동기화 할 수 있도록 테스트하며 프로그래밍

연납 축전지를 리튬베터리로 교체하여 부피를 줄이고 용량을 높여 구동시간을 증가

논문을 참고하며 부족한 부분을 공부하여 보완

[참고 문헌]

이동로봇의 위치측정을 위한 개선된 초음파 위성 시스템

AHRS를이용한무선선체운동측정시스템에관한연구

FA용 자율주행로봇의 지능제어

PD제어를 이용한 이동로봇용 조향제어시스템

개선된 A 알고리즘을 이용한 전역경로계획

경로 추종과 장애물 회피를 위한 이동로봇의 하이브리드 제어

무인 물류이송을 위한 위치인식센서 기반 지능형 이동로봇의 설계에 관한 연구

이동로보트의 자율주행

이동로봇의 위치 인식 기술

자율주행을 위한 쟁애물 검지 알고리즘 개발

저가형 자이로 센서의 드리프트 감소 방안에 대한 고찰

초음파 위성을 이용한 무인컨테이너 트랜스포터 주행을 위한 효율적인 4륜 조향제어

초음파위성시스템을 위한 개선된 위치추정 알고리즘

영상시스템을 이용한 이륜속도차방식 AGV 조향제어

유전 알고리즘을 이용한 자율이동로봇의 경로계획