[메카넘 구동 시스템 (5)] 메카넘 구동 시스템 제어기술(1) / 좌표변환을 통한 메카넘 구동 시스템 제어
[메카넘 구동 시스템 (5)] 메카넘 구동 시스템 제어기술(2) / 상대좌표계 생성을 통한 메카넘 구동 시스템의 주행
일반적인 차량의 주행은 2자유도를 기반으로 구성된다. 전/후진을 수행하는 Y-축 방향 이동과 Z-축 중심으로 회전을 수행하는 요잉(yawing)으로 운동이 한정되어 있으며, 주행을 위한 명령 또한 2가지 운동방향에 기반을 둔 지령에 국한된다. 그렇지만 메카넘 구동 시스템의 경우에는, 주행에 필요한 운동에 있어서 Y-축 방향 이동 및 요잉-회전뿐만 아니라, 좌/우진을 수행하는 X-축 방향 이동을 추가로 수행할 수 있다.
그러므로 메카넘 구동 시스템의 주행은 3자유도 운동에 대한 명령이 필요하며, 제어시스템 구성 시 운동에 필요한 3가지 정보를 미리 구성하고 경로나 공정에 따라 적절히 지령을 송신하도록 구성되어야 한다.
그러나 일반적인 무인주행차량은 추적(tracking) 기반의 자율주행을 바탕으로, 지정된 경로를 주행 후 특정 위치에 도달하면 시퀀스에 맞춰 공정을 수행하는 시스템을 기반으로 운용되고 있다. 이것은 지정된 라인을 원점으로 하는 상대좌표계 구성을 통하여 레귤레이터 시스템을 구성함으로써, 무인주행제어시스템을 간편하게 구성하도록 한다.
또한, 차량의 위치 인식에 필요한 계측 장비와 연산을 최소화하여 운용 편의성과 비용절감을 모두 충족시킬 수 있는 시스템 구성을 가능하게 한다. 대부분 공장자동화나 물류자동화 시스템뿐만 아니라 아마추어용 무인차량 플랫폼이나 교육용 장비에 이르기까지 주행 경로가 표시된 바닥면을 따라 움직이는 라인-트래킹 기반의 주행시스템(그림 5)을 적용하고 있다. 상대좌표의 원점에 해당하는 경로의 표기는 주로 마그네틱 라인이나 전자기 신호선, 레이저, 비전시스템 기반의 테이핑 라인 등이 사용되고 있다.
▲ 그림 5. 라인-트래킹 기반의 주행시스템
메카넘 구동 시스템의 효율적인 운용을 위해 Y-축 방향 이동 및 요잉-회전에 대해서는 기존의 차량시스템과 동일한 명령체계를 통해 시스템 구동방식을 구성하고, X-축 방향 이동과 사선 방향의 주행과 같은 복합 주행이 필요한 경우 출발/정지 신호나 공정신호와 같이 개별 명령을 부여하여 특성화 시키는 기법을 많이 사용하게 된다. 이러한 방식은 2자유도 시스템 기반시설과의 호환성을 유지하면서도 메카넘 구동 시스템의 특성을 활용할 수 있는 장점이 있으며, 제어시스템 구성에서도 절대좌표계 기반시설을 필요로 하지 않고 중앙통제 없이 편리하게 전-방향 주행시스템을 구현할 수 있다.
보편적인 반송(搬送)차량의 주행제어는 Y-축 방향 이동을 사용자의 지령에 맞는 서보시스템으로 구성하고, 요잉-회전 이동은 주행방향을 원점으로 하는 레귤레이터로 구성하여 Y-축 방향 이동과 상관없는 경로에 대해서는 항상 지정된 라인을 따라 주행하도록 설계된다.
그렇지만 메카넘 구동 시스템의 경우에는 추가적인 레귤레이터 구성이 필요하며, X-축 방향 이동에 대한 제어를 통하여 차량이 평행이동을 통해 지정된 라인을 벗어나지 않도록 구성한다. 이것은 차량이 좌회전/우회전이 아닌 좌/우진 평행이동을 통해 요잉-회전에 대한 변화 없이 트랙을 이탈할 수 있는 전-방향 구동 시스템만의 특성을 고려한 것으로서 차량의 회전과는 선형 독립된 제어를 수행하는 것이 필요하다. 그림 6은 메카넘 구동 시스템의 3-자유도 트래킹의 예시이다.
▲ 그림 6. 메카넘 구동 시스템의 3-자유도 트래킹 예시
또한, 차량 전/후방에 각각 한 개씩 위치하는 가이드센서는 개별적으로 동작하지 않고 두 신호의 조합을 통하여 2차원 평면상의 차량의 상대위치를 표현하게 된다. 즉, 한 쌍의 가이드센서를 통해 독립된 2개의 자유도 변위는 상대위치 기반으로 제어기에 송출되며, 사용자는 이것을 차량의 회전과 좌/우 변위로 인지하고 정상적인 주행궤도에 머무를 수 있도록 레귤레이터 시스템을 구축하게 된다.
이때 차량의 회전방향과 좌/우 경로 이탈을 독립적으로 인지하여 차량이 궤도 진입을 위해 물결치는 듯한 움직임을 보이는 현상을 억제할 수 있으며 회전반경이 작은 구간에서도 차량의 이탈을 방지할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 완벽하게 독립되지 않은 2개의 정보를 통해 독립된 2개의 좌표를 원활하게 얻어내기 위해 센서 간 충분한 거리를 유지할 필요가 있다. 뿐만 아니라 센서 하나의 미세한 오류나 노이즈로 인하여 2개 좌표계 모두에 영향을 줄 수 있다는 단점도 존재한다.
김종식 _ 부산대 기계공학부 교수
