이륜형 이중 도립진자 로봇 설계 및 구현에 관한 연구

• 영문명: A Study on Design and Implementation of Two-Wheel Double Inverted Pendulum Robot
• 발행기관: 한국산업기술융합학회(구. 산업기술교육훈련학회)
• 저자명: 김선웅(Seon-Woong Kim)
• 간행물 정보: 『산업기술연구논문지』제30권 2호, 13~27쪽, 전체 15쪽
• 주제분류: 공학 > 산업공학
• 파일형태: PDF
• 발행일자: 2025.06.30

국문 초록

이륜형 도립진자는 로봇의 운동역학에서 시작하여 각종 센서의 운용과 이와 관련된 신호처리 및 LQR 등과 같은 최적제어 이론의 적용에 이르기까지 다양한 기술적 구성 요소들의 집약체로서 중요한 시험대 역할을 해왔다. 본 논문에서는 이로부터 더 진보된 형태인 이륜형 이중 도립진자 로봇을 설계하고 실제 구동 가능한 모델을 구현하고자 한다. 이에 따라 이중 도립진자형식의 이륜형 로봇에 대한 물리적 모델링을 제안하고 이를 기반으로 한 라그랑지안 운동방 정식의 유도, full-state feedback을 적용한 LQR제어기의 구성, 상용 IMU센서의 적용과 센서융합을 위한 칼만필터링의 적용 및 마이크로프로세서를 이용한 실제 구현을 수행하고 결과물에 대한 균형동작의 검증과 2차원 평면에서의 주행특성을 다루고자 한다. 로봇의 운동을 기술하는 상태공간방정식은 바퀴의 회전속도 및 몸체의 지향각 회전속도에 대한 레퍼런스변수를 합쳐 총 10차의 상태벡터와 10 ×10 시스템 행렬로 구성되며 좌측과 우측바퀴를 구동하는 모터 들에 대한 구동용 입력전압벡터와 입력행렬이 추가된다. 제어기에는 LQR 기법을 이용한 상태피드백 이득이 적용되 었고 로봇의 구동에 관련한 시뮬레이션을 위해 특정 수학전용툴을 사용하는 대신 엑셀 등을 활용하여 진행하였다.

영문 초록

The two-wheeled inverted pendulum serves as a representative testbed for various technological elements, including robot dynamics, sensor operation, signal processing, and the use of optimal control theories such as LQR. This study presents the design and implementation of an advanced version of a two-wheeled double-inverted pendulum robot, including a fully functional prototype. We propose a physical model for this robot and derive the corresponding Lagrangian equations of motion. According to these equations, an LQR controller with full-state feedback was designed. In addition, we used a commercial IMU sensor and implemented Kalman filtering to sensor fusion. The system was implemented using a microprocessor, and its performance was evaluated through experiments aimed at balancing the behavior and driving characteristics on a two-dimensional plane. The state-space equations that describe the robot’s motion combine reference variables for wheel rotation speeds and directional angular velocityof the body, resulting in a 10-dimensional state vector and a system matrix. Voltage vectors and matrices govern the left- and right-wheel motors, and thesedefine the control inputs. The controller uses state feedback gains derived from the LQR method, and simulations of the robot’s dynamics are conducted using tools such as Excelrather than specialized mathematical software tools.

목차

Ⅰ. 서 론

Ⅱ. 물리적 모델링의 제안

Ⅲ. 상태벡터 설정과 상태공간방정식의 수립

Ⅳ. 시뮬레이션 및 결과

Ⅴ. 결 론

References

키워드

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