[23' STEAM RnE] STEAM RnE - 제어를 더 하고 싶다

1. 주제 선정

앞서 작성한 아래 글에서 " 배달로봇 + 제어 + 실생활 도움 " 이라는 것으로 아이디어를 찾기 시작해 흔들림을 제어할 수 있는 방법을 하자는 아이디어가 주로 나왔고, 이를 STEAM RnE에서 진행하기로 하였다.

2024.04.22 - [탐구 💾/2023 탐구 이야기] - [23' 청소년 과학프로젝트] 청소년 과학프로젝트(1) - 고양이랑 제어?

[23' 청소년 과학프로젝트] 청소년 과학프로젝트(1) - 고양이랑 제어?

따라서 배달 로봇 내부에서 배달로봇의 관계없이 흔들리지 않고 본인의 위치를 지키는 짐벌을 만들면 되나? 라는 생각으로 시작하였다. 이 과정에서 내 개인적인 목표는 대회도 대회이지만, 전에 진행한 PID 제어를 넘어서 짐벌에 활용되는 이중 PID를 구현하는 것이었다. 하지만 이는 리니어 모터를 통한 구현 과정에서 모터의 속도, 제어를 제대로 이해하지 못한 상황으로 인해 쉽지 않음을 알게 되었고, 마무리로 박사님들과의 컨설팅을 통해 확실히 다른 방향으로 나아가기로 하였다.

 

초기 생각한 모습

 

2. 짐벌? 다른 구조?

따라서 짐벌이 아닌 다른 구조로 가야겠다는 생각을 하게 되었고, 배달 로봇 내부의 좁은 공간에서 효과적인 제어를 할 수 있어야 했다. 이 과정에서 1학년 때 했던 탐구의 그네를 생각하게 되었다.

다시 생각해보면 그네에 타고 있으면 우리는 그네에 앉아있으려고 다른 힘을 주는 것이 아니라 그저 더 크게 움직이기 위해서 움직인다. 이때, 외력이 없다면 우리는 떨어지지 않는다는 것을 알게 되었고, 이를 지우개로 한번 실험해보았다.

 

https://youtu.be/kOAjBD5uKzs (실험 영상)

- YouTube

 

이를 통해 우리가 알 수 있던 점은 다음과 같다.

• 만약 회전점이 물체보다 높다면 아래 물체는 거의 고정되어 있다.
• 하지만 이 과정에서 부피가 커지게 된다.

따라서 이 과정에서 적절한 타협접이 필요할 뿐더러 모터가 들어가게 되었을 때도 그네와 같은 효과가 발생하는지 확인이 필요했다. 따라서 단진자 모델을 기반으로 모터를 이용한 구조적 스테블라이저 플렛폼(SP)를 개발하기 시작했다.

 

3. 제어 장치의 제작 및 실험

사실상 우리의 변인은 회전점과 받치는 부분간의 거리 뿐만이 아니라 제어 방법 그 자체였기에 어디부터 손봐야 할지 고민했고, 일단 거리는 특정 수치로 고정한 상태로 제어를 하기로 했다.

 

다음과 같은 구조로 일단 장치를 만들었다.

우리가 개발한 ISP의 모습

이 과정에서 제어는 기본적인 PID 제어를 적용하면서 일반적인 PID가 아닌 가속도에 민감하게 반응하도록 $D^2$에 대한 제어도 고민해보았다. 하지만 이는 시간에 대한 문제로 인해 일반적인 PID 제어와 필터를 통하게 해결했으며, 거리에 대한 실험도 제대로 진행하지 못했다.

 

회의 모습

 

장치의 동작 영상은 다음과 같다.

https://youtu.be/EznsWLZpOpg

 

이를 통한 실험 데이터는 아래와 같다.

실험 데이터

 

4. Feedback system

그리고 진행한 feedback system은 다음과 같이 설계하게 되었다.

 

5. 발표 및 마무리

이를 이용한 발표를 다음과 같이 진행했다.

발표 포스터

 

발표에 사용한 도구?

발표장에서 우리의 모습..

 

이후 기다리고 있었더니 좋은 결과가 돌아와서 더더욱 의미가 있을 수 있었던 것 같다.