목 차

1 문서 개요 7
1.1 이륜형 자가균형로봇에서 이중 도립진자 로봇으로의 진화 7
1.2 본 문서의 목적과 의미에 대해서 7
1.3 참고 문헌 8
2 시스템의 구조 10
2.1 모델링과 최적제어 10
2.1.1 운동방정식 수립을 위한 로봇모델화 10
2.1.2 Lagrangian 운동방정식 도출 15
2.1.3 Euler-Lagrange Equation 18
2.1.4 상태공간방정식의 이산화 (Discretiztion of Sate-Space Equation) 33
2.1.5 상태피드백 시스템 42
2.1.6 선형2차 최적제어(LQR) 58
2.1.7 자가균형 로봇의 시뮬레이션 75
2.2 상태변수의 획득과 추정 79
2.2.1 바퀴의 회전변위 θ와 회전각속도 θ 81
2.2.2 로봇본체의 기울기 ψ와 기우는 속도 ψ 98
2.2.3 로봇의 지향각 ?와 지향각속도 ? 173
2.2.4 적분작용 적용을 위한 상태변수 z1 과 z2 175
3 로봇 하드웨어 제작 183
3.1 로봇의 외형 183
3.1.1 IMU센서의 위치 184
3.1.2 첫번째 시작품 185
3.1.3 두번째 시작품 186
3.2 하드웨어의 구성 187
3.2.1 전원부 187
3.2.2 프로세서보드 188
3.2.3 모터구동부 191
3.2.4 IMU센서부 192
3.2.5 모터 193
3.2.6 근거리 무선통신모듈 195
4 자가균형로봇 구동 펌웨어 코딩 198
4.1 펌웨어 설계의 지향점 198
4.1.1 시스템 타이머 구현을 통한 시간 기반 데이터 처리 198
4.1.2 실시간 처리를 위한 인터럽트 기반 펌웨어 200
4.1.3 실시간처리 검증을 위한 타이머 인터럽트 발생 파형관찰 202
4.2 기능별 펌웨어 구현 204
4.2.1 상태벡터의 추정 206
4.2.2 모터구동 전압값 계산 224
4.2.3 모터드라이버 구현 225
4.2.4 동작 안전을 위한 조치 230
4.2.5 사용자 원격조종 구현 231
5 완성된 자가균형로봇 236
5.1 균형동작에 관한 직관적 분석 236
5.2 동작중 상태변수 모니터링에 대해 241
6 진보된 자가균형로봇 : 이중 도립진자 로봇으로의 진화 244
6.1 이중 도립진자로봇의 모델링과 최적제어 245
6.1.1 이중 도립진자로봇의 운동방정식 수립을 위한 모델링 245
6.1.2 이중 도립진자로봇의 Lagrangian 운동방정식 도출 246
6.1.3 Euler-Lagrange Equation 248
6.1.4 이중 도립진자로봇의 이산화 상태공간방정식 269
6.1.5 이중 도립진자로봇의 최적제어 275
6.1.6 이중 도립진자로봇의 시뮬레이션 286
6.2 이중 도립진자로봇의 상태변수의 획득과 추정 296
6.2.1 이중도립진자로봇 body의 기울기 ψb 와 기우는 속도 ψb 추정 300
6.2.2 Pole의 기울기 ψp 와 기우는 속도 ψp 303
6.3 이중 도립로봇 구동 펌웨어 설계 306
6.3.1 상태변수 ψp 및 ψp 값의 추정 306
6.3.2 이중 도립진자 동작모드로의 전환 312
7 완성된 이중 도립진자로봇의 구동 316
7.1 로봇의 수동기립 절차 316
7.2 이중 도립동작(DOUBLE_mode)중 상태변수 모니터링 317
7.3 이중 도립진자로봇 동작 사진 320