KR20050088636A - Method for forming an odometry error model of synchro drive robots - Google Patents
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Abstract
본 발명은 특히 동기 구동형 이동 로봇의 오도메트리(odometry) 오차 모델 생성 방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 동기 구동형 이동 로봇의 방향 및 위치 제어에 있어서, 동기 구동형 이동 로봇의 오도메트리에서 발생하는 오차의 원인을 수학적으로 분석하여 오도메트리 오차모델을 생성하고, 오도메트리 오차를 보정할 수 있도록 함으로써, 이동로봇의 정확한 위치 제어가 가능하도록 한다.The present invention relates in particular to a method for generating an odometry error model of a synchronous driven mobile robot. That is, the present invention generates an odometry error model by mathematically analyzing the causes of errors occurring in the odometry of the synchronous mobile robot in the direction and position control of the synchronous mobile robot. By allowing the error to be corrected, it is possible to accurately control the position of the mobile robot.
Description
본 발명은 동기 구동형 이동로봇에 관한 것으로, 특히 동기 구동형 이동 로봇의 오도메트리(odometry) 오차 모델 생성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a synchronous driven mobile robot, and more particularly, to a method for generating an odometry error model of a synchronous driven mobile robot.
일반적으로 동기구동형 이동로봇에서는 오도메트리를 이용한 이동로봇 바퀴의 회전수를 검출하여 로봇의 위치를 인식한다. 여기서 오도메트리는 자율 항법이라고도 하며, 오도메트리가 적용된 이동로봇은 주행 거리계(odometer) 또는 휠 센서(wheel sensor)를 이용하여 속도 정보를 얻고 자성 센서 등을 이용하여 방위각 정보를 얻어 초기 위치에서 다음 위치까지의 이동 거리 및 방향에 대한 정보를 계산해 이동로봇 자신의 위치와 방향을 인식하는 것이다.In general, the synchronous driving robot detects the rotational speed of the wheel using the odometry to recognize the position of the robot. Here, the odometry is also called autonomous navigation, the mobile robot to which the odometry is applied obtains the speed information by using an odometer or a wheel sensor, and obtains the azimuth information by using a magnetic sensor, etc. It calculates information about the moving distance and direction to recognize the position and direction of the mobile robot itself.
그러나 종래 오도메트리는 단지 이동로봇 바퀴의 회전수만을 검출하여 위치와 방향을 계산하기 때문에 주행 거리가 증가할수록 측정 오차가 누적되는 문제점이 있었다. 특히, 이동로봇은 바퀴의 정렬불량, 바퀴의 중심과 회전 중심 간 차이, 구조상 무게 중심점과 비대칭적인 무게 분포로 인한 실제 무게 중심 간 차이, 바퀴간 지름의 차이, 비대칭적인 무게 분포로 인한 각 바퀴에 작용하는 힘의 차이, 순수 회전운동으로 인한 위치 변화 등과 같은 구조적 오차 원인들과 작업 영역의 바닥 상태에 따라 미끄러짐 등과 같은 외부적 원인에 의한 위치 오차가 필연적으로 발생하게 되는데, 종래 오도메트리에서는 이와 같은 오차가 전혀 보정되지 못하고 그대로 누적되어 이동로봇의 정확한 위치 제어가 어려웠던 문제점이 있었다.However, the conventional odometry detects only the number of revolutions of the mobile robot wheel and calculates the position and direction, so that the measurement error accumulates as the driving distance increases. In particular, mobile robots are not suitable for each wheel due to misalignment of wheels, differences between wheel centers and centers of rotation, differences between actual centers of gravity due to structural center of gravity and asymmetrical weight distribution, differences in diameter between wheels, and asymmetrical weight distribution. Structural errors such as the difference in force applied, position change due to pure rotational motion, and positional errors due to external causes such as slipping are inevitably generated depending on the floor state of the working area. The same error was not corrected at all and accumulated as it was, so that the exact position control of the mobile robot was difficult.
한편, 이동 로봇의 이러한 오차 원인 분석에 대한 기술로는 A. Martinelli에 의해 2002년 6월 "IEEE Transaction on Robotics and Automation"지에 발표된 "The odometry error of a mobile robot with a synchronous drive system"과 같은 오도메트리의 오차원인을 분석한 기술이 개시되어 있으나, "The odometry error of a mobile robot with a synchronous drive system"에는 오도메트리 오차원인에 대한 개념적인 내용만 개시되어 있을 뿐, 오도메트리 오차원인을 수학적으로 표현하고 이를 실험적으로 검증하지는 못하고 있어 여전히 오도메트리 오차모델의 정확한 분석에 따른 이동로봇의 정확한 위치 제어는 불가능하였다.On the other hand, techniques for analyzing the cause of such errors of mobile robots include "The odometry error of a mobile robot with a synchronous drive system" published in June 2002 by A. Martinelli in "IEEE Transaction on Robotics and Automation". While the technique of analyzing the dimensionality of the odometry has been disclosed, "The odometry error of a mobile robot with a synchronous drive system" discloses only the conceptual content of the odometry error of the dimensionality. Since the cause cannot be expressed mathematically and experimentally verified, it is still impossible to accurately control the mobile robot according to the accurate analysis of the odometry error model.
따라서, 본 발명의 목적은 동기 구동형 이동 로봇의 오도메트리에서 발생하는 오차의 원인을 수학적으로 분석하여 이동로봇의 정확한 위치 제어가 가능하도록 하는 동기 구동형 이동 로봇의 오도메트리(odometry) 오차 모델 생성 방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to mathematically analyze the cause of the error occurring in the odometry of the synchronous driven mobile robot so that accurate position control of the mobile robot is possible. To provide a model generation method.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 동기 구동형 이동로봇의 오도메트리 오차 모델 생성 방법으로서, (a)이동로봇 바퀴의 외란 힘에 따른 회전 오차량을 산출하는 단계와, (b)이동로봇의 중심축에 대한 외란 모멘트에 따른 회전 오차량을 산출하는 단계와, (c)상기 외란 힘과 외란 모멘트를 이용하여 이동로봇의 오도메트리 오차 모델을 생성하는 단계를 포함한다.The present invention for achieving the above object is a method of generating an odometry error model of a synchronous driven mobile robot, the method comprising the steps of: (a) calculating the amount of rotational error according to the disturbance force of the mobile robot wheel, and (b) the mobile robot Comprising a step of calculating the rotation error according to the disturbance moment about the central axis of, and (c) generating an odometry error model of the mobile robot using the disturbance force and the disturbance moment.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예의 동작을 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the operation of the preferred embodiment according to the present invention.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 동기구동형 이동로봇의 블록 구성도이며, 도 2는 도 1에 도시된 이동로봇의 하부 기구부 사시도이다. 1 is a block diagram of a synchronous drive mobile robot according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a perspective view of the lower mechanism of the mobile robot shown in FIG.
위 도 1 및 도 2를 참조하면, 동기구동형 이동로봇의 제어목표 출력기(1)는 이동 목적에 부합하는 회전목표치와 이동목표치를 출력한다. 제어기(2)는 제어목표 출력기(1)로부터 생성된 회전 및 이동 목표치를 입력받아 엔코더(Encoder)(3)로부터 검출되는 모터의 회전각도 값을 이용하여 회전모터(4)와 이동모터(5)로 최종 구동 제어 명령을 출력시킨다. 회전모터(4)는 제어기(2)로부터 인가되는 최종 구동 제어 명령에 따라 모터에 연결된 이동로봇의 바퀴를 회전시킨다. 이동모터(5)는 제어기(2)로부터 인가되는 최종 구동 제어 명령에 따라 모터에 연결된 이동로봇의 바퀴를 회전시킨다.1 and 2, the control target output unit 1 of the synchronous drive-type mobile robot outputs a rotation target value and a movement target value corresponding to the movement purpose. The controller 2 receives the rotation and movement target values generated from the control target output unit 1 and uses the rotation angle values of the motor detected from the encoder 3 to rotate the rotation motor 4 and the movement motor 5. Outputs the final drive control command. The rotary motor 4 rotates the wheel of the mobile robot connected to the motor in accordance with the final drive control command applied from the controller 2. The moving motor 5 rotates the wheel of the mobile robot connected to the motor in accordance with the final drive control command applied from the controller 2.
이하 도 3에 도시된 동기형 이동로봇에서 발생하는 구조적 오차를 오도메트리 오차 모델로 생성하는 처리 흐름을 상세히 설명한다.Hereinafter, a process flow for generating a structural error generated by the synchronous mobile robot shown in FIG. 3 as an odometry error model will be described in detail.
동기 구동형 이동 로봇은 바퀴에서 직선운동과 회전운동이 동시에 일어나게 된다. 상기 로봇에는 3, 4개의 바퀴에 대해, 직선운동과 회전운동을 제어할 수 있는 이동모터(5)와 회전모터(4)가 구비되는데, 상기 모터에의 제어에 따른 로봇 바퀴의 기구학적 위치는 아래의 [수학식 1]에서와 같이 표현된다.In a synchronous driven mobile robot, linear and rotary motions occur simultaneously on a wheel. The robot is provided with a moving motor (5) and a rotating motor (4) capable of controlling linear and rotational movements for three or four wheels, and the kinematic position of the robot wheels under the control of the motor is It is expressed as shown in [Equation 1] below.
여기서 (x, y, θ)는 로봇의 (x, y)위치와 로봇의 각도(θ)를 나타내며, ΔT와 ΔΘ는 순각적인 직선운동량과 회전운동량을 나타낸다. 또한 상기 아래 첨자 k는 k번째의 제어단계를 의미한다.Where (x, y, θ) represents the robot's (x, y) position and the robot's angle (θ), and ΔT and ΔΘ represent the instantaneous linear and rotational moments. In addition, the subscript k means the k-th control step.
이러한 로봇에는 도 3에서 보여지는 바와 같이, 바퀴의 정렬불량(A), 바퀴의 중심과 회전 중심 간 차이(B), 구조상 무게 중심점과 비대칭적인 무게 분포로 인한 실제 무게 중심 간 차이(C), 바퀴 지름의 차이(D), 비대칭적인 무게 분포로 인한 각 바퀴에 작용하는 힘의 차이, 순수 회전운동으로 인한 위치 변화 등과 같은 오도메트리의 구조적 오차원인들이 존재하게 된다.As shown in Figure 3, such a robot, misalignment of the wheel (A), the difference between the center of the wheel and the center of rotation (B), the difference between the actual center of gravity (C) due to the structural center of gravity and asymmetrical weight distribution, There are structural misalignments of the odometry such as the difference in wheel diameter (D), the difference in force acting on each wheel due to the asymmetrical weight distribution, and the change in position due to pure rotational motion.
위와 같은 구조적 오차원인들 중 특히 바퀴의 정렬 불량은, 외란 힘과 외란 모멘트를 발생시켜 θ의 오차에 주요한 영향을 끼친다. 따라서 위의 구조적 오차의 원인들 중, 바퀴의 정렬 불량이 가장 중요하며, 이 바퀴의 정렬불량에 비해 나머지 5가지 오차원인은 무시할 수 있다고 가정한다.In particular, the misalignment of the wheels among the above structural misalignment causes disturbance force and disturbance moment, which have a major influence on the error of θ. Therefore, among the causes of the above structural error, the misalignment of the wheel is the most important, and it is assumed that the other five misleading factors can be ignored compared to the misalignment of the wheel.
이하 상기 구조적 오차원인들의 문제 분석을 위해 아래의 [표 1]과 도 4와 같은 개념을 정의하여 오도메트리의 구조적 오차원인을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, for the problem analysis of the structural five-dimensional people to define the concept as shown in [Table 1] and Figure 4 below will be described in detail the structural five-dimensional people of the odometry.
[표 1]TABLE 1
상기에서 외란 힘 ΔF는 아래의 [수학식 2]에서와 같이 나타내어질 수 있다.In the above, the disturbance force ΔF may be expressed as in Equation 2 below.
여기서 Freal은 실제 힘이며, Fideal은 바퀴 정렬의 오차가 없을 때, 즉 일 때 바퀴에 작용하는 힘이다. 만약 , , 가 0에 가까운 값일 때에는, cos값과 sin값의 특성으로부터 cos(//)1-( )/2, sin() ()가 되어, 상기 [수학식 2]는 아래의 [수학식 3]에서와 같이 나타내어질 수 있다.Where F real is the actual force and F ideal is when there is no error in wheel alignment, Is the force acting on the wheel. if , , When is close to 0, cos ( Of Of ) One-( ) / 2, sin ( ) ( ), Equation 2 may be represented as in Equation 3 below.
상기 ΔFx와 ΔFy는 절대 좌표계에서 θw에 대한 외란 힘의 영향을 도시한 그래프인 도 5에서 보여지는 바와 같이, 로봇을 Δdx, Δdy만큼 끌게 된다. 여기서, Δdx와 Δdy는 매우 짧은 표본 시간 Ts에 대해 아래의 [수학식 4]에서와 같이 나타내어 질 수 있다.The ΔF x and ΔF y drag the robot by Δd x , Δd y , as shown in FIG. 5, which is a graph illustrating the influence of the disturbance force on θ w in the absolute coordinate system. Here, Δd x and Δd y can be expressed as in Equation 4 below for a very short sample time T s .
여기서 M은 로봇의 질량이다. 위 도 5에서의 ΔT는 Ts시간 동안의 로봇의 직선 이동거리를 나타내며, 이는 아래의 [수학식 5]에서와 같이 나타내어진다.Where M is the mass of the robot. ΔT in FIG. 5 represents a linear movement distance of the robot during T s time, which is expressed as in Equation 5 below.
여기서 Vr은 로봇의 속도를 나타낸다. 위 도 5에서 ΔθF는 Ts시간동안 ΔF에 의해 발생한 회전 방향 오차의 증가량으로 정의되는데, 이때 ΔθF는 상기 도 3과 [수학식 3], [수학식 5]로부터 아래의 [수학식 6]에서와 같이 구해진다.Where V r represents the speed of the robot. 5, Δθ F is defined as an increase in the rotational direction error caused by ΔF during T s time, wherein Δθ F is represented by Equation 6 below from Equation 3, Equation 5, and Equation 5 below. As in.
여기서 EF는 오차 모델의 오차 변수로 단위는 kg-1이다.Where E F is the error variable of the error model and the unit is kg -1 .
다음으로 중심 O에 대한 외란 모멘트의 영향을 살펴보면, 외란 모멘트(ΔM)는 위 도 4의 기하학적 관계로부터 아래의 [수학식 7]과 같이 유도된다.Next, looking at the influence of the disturbance moment on the center O, the disturbance moment (ΔM) is derived from Equation 7 below from the geometric relationship of FIG.
여기서 C1과 C2는 상수 값들이다. ΔθM을 Ts시간 동안 ΔM에 의해 발생한 회전 방향 오차의 증가량이라 정의하면, ΔθM은 아래의 [수학식 8]과 같이 나타내어 질 수 있다.Where C 1 and C 2 are constant values. When Δθ M is defined as an increase amount of the rotational direction error generated by ΔM during T s time, Δθ M can be expressed by Equation 8 below.
여기서 I는 로봇의 inertia 이고, EM1, EM2는 오차 변수로, 각각의 단위는 kg-1·m-1와 rad이다.Where I is the inertia of the robot, E M1, E M2 is an error in a variable, each unit kg -1 · m -1 and rad.
도 6은 α=0.01rad, β=γ=0, 초기 바퀴 각도 θini=0.0°/180.0°인 경우에 대한 ΔθM을 도시한 것이다. 상기 도 6에서 보여지는 바와 같이 ΔθM은 바퀴의 초기각도 θini에 종속적임을 알 수 있다.6 shows Δθ M for the case of α = 0.01rad, β = γ = 0, initial wheel angle θ ini = 0.0 ° / 180.0 °. As shown in FIG. 6, it can be seen that Δθ M is dependent on the initial angle θ ini of the wheel.
따라서, Ts시간 동안의 각도 오차모델 Δθe는 아래의 [수학식 9]에서와 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the angle error model Δθ e during the T s time may be expressed as in Equation 9 below.
또한, 실제 적용을 위해 F, Ts, Vr을 상수 값으로 단순화하면, 상기 [수학식 9]는 아래의 [수학식 10]에서와 같이 표현된다.In addition, if F, T s , V r is simplified to a constant value for practical application, Equation 9 is expressed as in Equation 10 below.
여기서 E1, E2 그리고 E3는 odometry 오차 모델의 변수들이고, E1 , E2, E3의 단위는 rad이다. 이때 위 [수학식 10]에서의 오차를 Ts마다 θk에 가산하면 동기 구동형 이동로봇의 위치 오차가 보상될 수 있으며, 이를 기구학적 식은 아래의 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다.Where E 1 , E 2 and E 3 are variables of the odometry error model, and the units of E 1 , E 2 and E 3 are rad. At this time, if the error in [Equation 10] is added to θ k for each T s , the position error of the synchronous mobile robot can be compensated, and the kinematic equation can be expressed as Equation 11 below.
도 7은 α=0.01rad, β=γ=0이고, 바퀴의 초기 각도가 다른 두 경우에 대한 외란 힘과 모멘트의 영향을 도시한 것이다. 상기 도 7에서 직선 는 오도메트리(odometry)의 경로이다.FIG. 7 shows the influence of disturbance forces and moments in two cases where α = 0.01rad and β = γ = 0 and the initial angles of the wheels are different. Straight line in FIG. Is the path of the odometry.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 이동 로봇을 xt방향으로 5.1m 만큼 이동시키는 경우의 바퀴각도 θ에 대한 yt의 변화를 도시한 것으로서, 상기 도 7에 도시된 동기구동형 이동 로봇의 외란 힘과 모멘트의 영향을 확인하기 위한 모의/실제 실험 결과 비교 그래프이다. 위 도 8에서 보여지는 바와 같이 이동 로봇의 실제 yt방향의 오차가 위에서 산출된 이동 로봇의 외란 힘과 모멘트의 영향에 따라 예측된 yt 방향의 오차와 일치하고 있는 것을 알 수 있다.8 illustrates a change in y t with respect to the wheel angle θ when the mobile robot is moved by 5.1 m in the x t direction according to an embodiment of the present invention. This is a graph comparing the results of simulation / actual experiments to check the effects of disturbance forces and moments. As shown in FIG. 8, it can be seen that the error in the actual y t direction of the mobile robot coincides with the estimated error in the y t direction according to the influence of the disturbance force and moment of the mobile robot calculated above.
도 9와 도 10은 보다 더 정확한 검증을 위해 상기 [수학식 11]에서와 같이 오도메트리 오차가 보상된 이동 로봇과 오도메트리 오차 보상을 수행하지 않는 이동 로봇의 지도를 도시한 것이다. 도 9는 오차를 보정하지 않았을 때에 이동로봇에 의해 작성된 177m 주행거리에 대한 지도이며, 도 10은 오차를 보정한 후 동일한 장소에서 이동로봇에 의해 작성된 지도이다.9 and 10 illustrate a map of a mobile robot in which an odometry error is compensated for, and a mobile robot that does not perform odometry error compensation, as in Equation 11, for more accurate verification. 9 is a map of a 177m traveling distance created by the mobile robot when the error is not corrected, and FIG. 10 is a map created by the mobile robot at the same place after the error is corrected.
위 도 9 및 도 10에서 보여지는 바와 같이, 도 9의 오차가 보정되지 않은 이동로봇은 이동 경로에 대한 오차가 보정되지 않고 계속 누적되어, 이동 경로에 대한 위치 인식하고 있지 못하는 반면에, 도 10의 오도메트리 오차가 보정되는 이동로봇은 외란 힘과 모멘트에 의한 구조적 오차원인 보정되어 이동 경로에 대한 위치가 정확히 인식되고 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 9 and FIG. 10, the mobile robot, in which the error of FIG. 9 is not corrected, continues to accumulate without being corrected in the movement path, while the position of the movement path is not recognized. The mobile robot that corrects the odometry error of is corrected, which is a structural error due to disturbance forces and moments, so that the position of the moving path is accurately recognized.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.Meanwhile, in the above description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the invention should be determined by the claims rather than by the described embodiments.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 동기 구동형 이동 로봇의 방향 및 위치 제어에 있어서, 동기 구동형 이동 로봇의 오도메트리에서 발생하는 오차의 원인을 수학적으로 분석하여 오도메트리 오차모델을 생성하고, 오도메트리 오차를 보정할 수 있도록 함으로써, 이동로봇의 정확한 위치 제어가 가능하도록 하는 이점이 있다.As described above, the present invention generates an odometry error model by mathematically analyzing the causes of errors occurring in the odometry of the synchronous mobile robot in the direction and position control of the synchronous mobile robot. In addition, by allowing the correction of the odometry error, there is an advantage of enabling accurate position control of the mobile robot.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 동기 구동형 이동 로봇의 블록 구성도,1 is a block diagram of a synchronous drive mobile robot according to an embodiment of the present invention;
도 2는 상기 도 1의 이동 로봇의 하부 기구부 사시도,Figure 2 is a perspective view of the lower mechanism of the mobile robot of Figure 1,
도 3은 동기 구동형 이동 로봇의 구조적 오차 원인 예시도,3 is an exemplary diagram of the structural error cause of the synchronous driving mobile robot;
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 동기 구동형 이동 로봇의 오차 분석을 위한 파라메타 예시도,4 is a diagram illustrating a parameter for error analysis of a synchronous driven mobile robot according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 절대좌표계에서 θw에 대한 외란 힘의 영향을 도시한 도면,5 is a view showing the influence of the disturbance force on θ w in the absolute coordinate system according to an embodiment of the present invention,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 외란 모멘트의 영향을 도시한 도면,6 is a view showing the influence of the disturbance moment according to an embodiment of the present invention,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 θw에 대한 외란 힘과 모멘트의 영향을 도시한 도면,7 is a view showing the influence of the disturbance force and the moment on θ w according to an embodiment of the present invention,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 이동로봇의 xt 방향 이동시 θ에 대한 yt방향 변화를 도시한 그래프,8 is a graph showing a change in the y t direction with respect to θ when the mobile robot moves in the x t direction according to an embodiment of the present invention;
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 오차가 보정되지 않은 동기구동형 이동로봇의 이동경로 지도,9 is a movement path map of a synchronously driven mobile robot, in which an error is not corrected according to an embodiment of the present invention;
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 오도메트리 오차가 보정된 동기구동형 이동로봇의 이동경로 지도.10 is a movement path map of a synchronously driven mobile robot in which an odometry error is corrected according to an exemplary embodiment of the present invention.
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- 2004-03-02 KR KR1020040014030A patent/KR20050088636A/en not_active Application Discontinuation
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