KR100307694B1 - Apparatus for controlling a swing of an inverted pendulum using a hall sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 홀 센서를 이용하여 2차원적으로 역 진자의 흔들림을 제어하기 위한 역 진자 흔들림 제어장치를 제공하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 장치는, 내부에 영구자석(202)을 구비하고 영구자석(202) 하단에 영구자석(202)에서 발생되는 자속을 전달할 수 있는 물질로 극점(203)을 형성한 역 진자(201); 극점(203)이 접촉되는 구조로 역 진자가 장착된 장착 판(204); 장착 판(204) 하단에 극점(203)을 중심점으로 한 2차원 감지영역을 형성할 수 있도록 설치된 다수의 홀 센서(205); 장착 판(204)을 2차원적으로 이동시키면서 역 진자(201)의 흔들림(swing)을 제어하는 로봇(211); 홀 센서(205) 각각으로부터 출력되는 신호에 의해 역 진자(201)의 현재 각도 및 각 속도를 검출하여 로봇(211)의 이동을 제어하는 신호를 제공하는 개인용 컴퓨터(209)를 포함한다. 따라서 간단한 구조의 2차원 역진자 흔들림 제어장치를 제공할 수 있다.The present invention is to provide an inverted pendulum shake control device for controlling the shake of the inverted pendulum in two dimensions by using a Hall sensor, the device according to the present invention is provided with a permanent magnet 202 therein and a permanent magnet An inverted pendulum 201 having a pole 203 formed of a material capable of transferring magnetic flux generated from the permanent magnet 202 at a bottom thereof; A mounting plate 204 equipped with an inverted pendulum in a structure in which the pole point 203 is in contact; A plurality of Hall sensors 205 installed at the bottom of the mounting plate 204 so as to form a two-dimensional sensing region having the pole 203 as the center point; A robot 211 for controlling the swing of the inverted pendulum 201 while moving the mounting plate 204 in two dimensions; A personal computer 209 is provided which detects the current angle and angular velocity of the inverted pendulum 201 by signals output from each of the hall sensors 205 and provides a signal for controlling the movement of the robot 211. Therefore, it is possible to provide a two-dimensional inverted pendulum shake control device having a simple structure.
Description
본 발명은 역 진자(Inverted Pendulum)의 흔들림(swing) 제어장치에 관한 것으로, 특히 홀 센서(Hall Sensor)를 이용하여 2차원 평면상에서의 역 진자의 흔들림을 제어하기 위한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a swing control device of an inverted pendulum, and more particularly, to a device for controlling the swing of an inverted pendulum on a two-dimensional plane by using a Hall sensor.
진자는 비선형 제어(Nonlinear Control)가 필요한 불안정한 시스템(unstable system)의 한 예제이다. 여기서 불안정한 시스템이란 반드시 제어가 필요한 시스템을 말한다.Pendulum is an example of an unstable system that requires nonlinear control. The unstable system here refers to a system that must be controlled.
역 진자는 중심축을 기준으로 상측에서 흔들림이 발생되는 진자이다. 따라서, 역 진자 흔들림 제어장치는 중심축을 기준으로 진자의 상측에서의 기울어짐 정도(또는 각도)를 검출하여 역 진자가 중심축과 직각을 이룰 수 있도록 제어하는 역할을 수행하는 것이다. 기존에 제안된 역 진자 흔들림 제어장치는 역 진자의 끝단에 엔코더(encoder)나 전위차계(potentiometer)를 달아 1차원으로 움직이는 역 진자의 흔들림 각도를 측정하여 역 진자를 제어하도록 구성된다.The inverted pendulum is a pendulum in which shaking occurs from the upper side with respect to the central axis. Therefore, the inverted pendulum shake control device serves to control the inverted pendulum to form a right angle with the central axis by detecting the degree of inclination (or angle) above the pendulum with respect to the central axis. The conventional inverted pendulum shake control device is configured to control the inverted pendulum by measuring the shake angle of the inverted pendulum moving in one dimension by attaching an encoder or potentiometer to the end of the inverted pendulum.
도 1은 역 진자의 끝단에 엔코더를 장착하고, θ각도만큼 오른쪽으로 기울어진 역 진자를 정상적인 위치로 설정하기 위한 역 진자 흔들림 제어장치의 기능 블록도로서, (101)은 정상적으로 제어된 역 진자이고, (101')는 θ각도만큼 기울어진 역 진자이고, (102)은 역 진자의 끝단에 장착되어 역 진자의 기울어짐 정도를 검출하는 역할을 수행하는 엔코더이고, (103)은 역 진자(101, 101')가 실린 카트(Cart)이고, (104)는 카트가 놓인 판이고, (105)는 기울어진 역 진자(101')가 θ만큼 이동될 수 있도록 카트(103)를 이동시키는 직류(Direct-Current, 이하 DC라고 약함) 서버 모터이고, (106)은 DC 서버 모터(105)의 동작 위치를 검출하기 위한 엔코더이고, (107)은 엔코더(106)가 DC 서버 모터(105)의 동작 위치를 검출할 수 있도록 DC 서버 모터(105), 카트(103) 및 엔코더(106)에 연결된 고무 밴드이고, (108)은 각각의 엔코더(102, 106)에서 검출된 엔코딩된 값을 디지탈로 변환하는 엔코더 신호 변환부이고, (109)는 디지탈 입출력(Input/Output, 이하 I/O라고 약함) 버퍼이고, (110)은 디지탈 I/O 버퍼(109)를 통해 전송되는 엔코더(102) 및 엔코더(106)의 출력값에 의해 현재 역 진자(101')의 기울어진 각도(θ)와 DC 서버 모터(105)의 위치를 파악하여 θ만큼 기울어진 역 진자(101')가 (101)과 같이 놓일 수 있도록 흔들림을 제어하는 DC 서버 모터(105)의 이동량 제어신호를 제공하는 역할을 하는 개인용 컴퓨터(Personal Computer, 이하 PC라고 약함)이고, (111)은 디지탈 I/O 버퍼(109)로부터 전송되는 DC 서버 모터(105)의 이동량 제어신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지탈/아날로그(Digital/Analoge, 이하 D/A라고 약함) 컨버터이고, (112)는 D/A 컨버터(111)로부터 전송되는 데이터에 의해 DC 서버 모터(105)가 구동될 수 있도록 소정치 증폭하는 서버 증폭기이다.FIG. 1 is a functional block diagram of an inverted pendulum shake controller for mounting an encoder at the end of an inverted pendulum and setting the inverted pendulum tilted to the right by an angle θ to a normal position. (101 ') is an inverted pendulum inclined by θ angle, (102) is an encoder mounted at the end of the inverted pendulum and detects the inclination degree of the inverted pendulum, and (103) is an inverted pendulum 101 , 101 'is a cart, 104 is a plate on which the cart is placed, 105 is a direct current for moving the cart 103 so that the tilted inverted pendulum 101' can be moved by θ. Direct-Current (hereinafter abbreviated as DC) server motor, 106 is an encoder for detecting the operating position of the DC server motor 105, and 107 is the encoder 106 is operated by the DC server motor 105 Rubber band connected to DC server motor 105, cart 103, and encoder 106 to detect position (108) is an encoder signal conversion unit for converting the encoded value detected by each of the encoders (102, 106) to digital, and (109) is a digital input / output (I / O) buffer 110 denotes the inclination angle θ of the current inverted pendulum 101 'and the DC server motor (the output value of the encoder 102 and the encoder 106 transmitted through the digital I / O buffer 109). Personal computer (Personal) that detects the position of the 105 and provides a movement amount control signal of the DC server motor 105 to control the shaking so that the inverted pendulum 101 'inclined by θ can be placed with (101) Computer (hereinafter, referred to as PC), and 111 denotes a digital / analogue (D) for converting a movement amount control signal of the DC server motor 105 transmitted from the digital I / O buffer 109 into an analog signal. / A) converter, 112 is a DC signal by the data transmitted from the D / A converter 111 It is a server amplifier that amplifies a predetermined value so that the burr motor 105 can be driven.
이와 같이 구성된 역 진자 흔들림 제어장치는 1차원으로 흔들림이 발생되는 역 진자에 대한 제어에는 최상의 결과를 얻을 수 있다. 그러나, 2차원으로 흔들림이 발생되는 역 진자의 흔들림을 제어하기에는 적합하지 않다. 이는 1차원으로 역 진자의 기울어짐 정도를 검출하는 것보다 2차원으로 역 진자의 기울어짐 정도를 검출하는 것이 몇 배 더 복잡하기 때문이다.The inverted pendulum shake control device configured as described above can obtain the best result for the control of the inverted pendulum in which shaking is generated in one dimension. However, it is not suitable for controlling the shake of the inverted pendulum, which shakes in two dimensions. This is because detecting the inclination of the inverted pendulum in two dimensions is several times more complicated than detecting inclination of the inverted pendulum in one dimension.
예를 들어, 1차원으로 역 진자의 흔들림 정도를 검출할 경우에 역 진자(101)의 끝단에 부착된 엔코더(102)의 경우에는 카트(103)와 접촉하는 면을 시리얼하게 분할하여 각 접점별 코드를 할당하는 방식으로 운영하면 되나 2차원으로 역 진자의 기울어짐 정보를 검출할 경우에 역 진자(101)의 끝단에 장착된 엔코더(102)가카트(103)와 접촉할 수 있는 면을 2차원적으로 분할하여 각 접점별 코드를 할당하여야 하는데, 그 분할과정이 간단하지 않아 구현이 어려운 단점이 있다. 그리고, 전위차계를 이용할 경우에는 상술한 엔코더에 비해 구현이 간단하나 작은 경사각에서 노이즈가 크게 발생하는 단점이 있다.For example, in the case of the encoder 102 attached to the end of the inverted pendulum 101 in order to detect the degree of shaking of the inverted pendulum in one dimension, the surface contacting with the cart 103 is serially divided for each contact point. It is possible to operate by assigning codes, but when detecting inclination information of the inverted pendulum in two dimensions, the encoder 102 mounted at the end of the inverted pendulum 101 may come into contact with the cart 103. Codes for each point of contact must be divided by dividing dimensionally, but it is difficult to implement because the partitioning process is not simple. In the case of using a potentiometer, it is simpler to implement than the above-described encoder, but has a disadvantage in that a large amount of noise is generated at a small inclination angle.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로, 홀 센서를 이용하여 2차원적으로 역 진자의 흔들림을 제어하기 위한 역 진자 흔들림 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide an inverted pendulum shake control device for controlling the shake of the inverted pendulum in two dimensions by using a hall sensor.
상기 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 장치는, 내부에 영구자석을 구비하고 영구자석 하단에 영구자석에서 발생되는 자속을 전달할 수 있는 물질로 극점을 형성한 역 진자; 극점이 접촉되는 구조로 역 진자가 장착된 2차원 평면; 2차원 평면 하단에 극점을 중심점으로 한 2차원 감지영역을 형성할 수 있도록, X축과 Y축 방향으로 각각 설치되어 있는 다수의 홀 센서; 2차원 평면을 2차원적으로 이동시키면서 역 진자의 흔들림(swing)을 제어하는 로봇; 홀 센서 각각으로부터 출력되는 신호에 의해 역 진자의 현재 각도 및 각 속도를 검출하여 로봇의 이동을 제어하는 신호를 제공하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the device according to the present invention includes a reverse pendulum having a pole formed of a material having a permanent magnet therein and a magnetic flux generated from the permanent magnet at the bottom of the permanent magnet; A two-dimensional plane equipped with an inverted pendulum in a structure in which the pole contacts; A plurality of Hall sensors provided in the X-axis and Y-axis directions, respectively, to form a two-dimensional sensing region having the pole as the center point at the bottom of the two-dimensional plane; A robot that controls the swing of the inverted pendulum while moving the two-dimensional plane two-dimensionally; And a processor that detects the current angle and the angular velocity of the inverted pendulum by signals output from each hall sensor and provides a signal for controlling the movement of the robot.
도 1은 종래의 역 진자 흔들림 제어장치의 기능 블록도이고,1 is a functional block diagram of a conventional inverted pendulum shake control device,
도 2는 본 발명에 따른 역 진자 흔들림 제어장치의 기능 블록도이고,2 is a functional block diagram of the inverted pendulum shake control device according to the present invention,
도 3은 홀 센서의 배치 예시도이다.3 is a diagram illustrating an arrangement of a hall sensor.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
201:진자(Pendulum) 202:영구자석201: Pendulum 202: Permanent magnet
203:진자 극점 204:장착판(Mounting plate)203: Pendulum pole 204: Mounting plate
205:홀 센서(Hall Sensor) 206:증폭기205: Hall Sensor 206: Amplifier
207:A/D 컨버터 208:디지탈 입출력 버퍼207: A / D converter 208: Digital input / output buffer
209:개인용 컴퓨터(PC) 210:D/A 컨버터209: Personal Computer (PC) 210: D / A Converter
211:모터 구동부(Direct Drive) 212:직류구동 모터211: Direct Drive 212: DC Drive Motor
이하, 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명에 따른 역 진자 흔들림 제어장치의 기능 블록도로서, 역 진자(201), 역 진자(201)내의 영구자석(202), 자기장(202'), 역 진자(201)의극점(203), 극점(203)이 접촉되는 구조로 역 진자(201)가 장착된 알루미늄 장착 판(mounting plate)(204), 장착 판(204) 하단에 설치된 다수의 홀 센서(205), 증폭기(206), 아날로그/디지탈 컨버터(이하 A/D 컨버터라고 함)(207), 디지탈 입출력(이하 I/O라고 약함) 버퍼(208), 디지탈/아날로그 컨버터(이하 D/A 컨버터라고 함)(210), 장착 판(204)의 이동을 제어하기 위하여 모터 구동부(212)와 직접 구동(Direct Driver) 모터(213)로 구성된 로봇(211)으로 구성된다.1 is a functional block diagram of an inverted pendulum shake control device according to the present invention, in which the inverted pendulum 201, the permanent magnet 202 in the inverted pendulum 201, the magnetic field 202 ′, and the inverted pendulum 201 203, an aluminum mounting plate 204 on which the inverted pendulum 201 is mounted in a structure where the poles 203 are in contact, a plurality of Hall sensors 205 and an amplifier 206 installed at the bottom of the mounting plate 204. ), Analog / digital converter (hereinafter referred to as A / D converter) 207, digital input / output (hereinafter referred to as I / O) buffer 208, digital / analog converter (hereinafter referred to as D / A converter) 210 The robot 211 includes a motor driver 212 and a direct driver motor 213 to control the movement of the mounting plate 204.
역 진자(201)는 알루미늄재질을 이용한 튜브로 구성되고, 도 2에 도시된 바와 같이 역 진자(201)의 하단부에서 장착 판(204)을 관통하는 자기장(202')이 형성될 수 있도록 역 진자(201)의 하단부 내부에 영구자석(202)을 설치하고, 장착 판(204)과 접촉될 수 있도록 영구자석(202) 하단에 구비되어 영구자석(202)에서 발생되는 자속을 장착 판(204)으로 전달할 수 있는 극점(203)이 구비된다. 극점(203)은 철과 같은 재질을 이용한다. 장착 판(204)은 알루미늄 재질로 이루어진 2차원 평면 구조로 구성된다.The inverted pendulum 201 is composed of a tube made of aluminum, and as shown in FIG. 2, the inverted pendulum can be formed at the lower end of the inverted pendulum 201 such that a magnetic field 202 ′ penetrating the mounting plate 204 can be formed. The permanent magnet 202 is installed inside the lower end of the 201, and the magnetic flux generated by the permanent magnet 202 is provided at the lower end of the permanent magnet 202 to be in contact with the mounting plate 204. The pole 203 is provided that can be delivered to. The pole 203 uses a material such as iron. The mounting plate 204 has a two-dimensional planar structure made of aluminum.
홀 센서(205)는 장착 판(204) 하단에 각각 설치되는데, 설치 위치는 도 3에 도시된 바와 같이 중심점을 기준으로 X 및 Y축 방향으로 각각 ±n지점 떨어진 곳이다. 이에 따라 도 3에 도시된 d1, d2, d3, d4는 동일한 길이를 갖는다. 또한, 도 3에서의 중심점은 극점(203)이 장착 판(204)과 접촉된 지점과 동일하다. 따라서, 장착 판(204) 하단의 X1, X2, Y1, Y2 지점에 존재하는 4개의 홀 센서(205)에 의해 역 진자(201)에 대한 2차원 감지영역이 형성된다. 즉, (202')와 같이 역 진자(201)를 중심으로 형성되는 자기장에 대해 각각의 홀 센서(205)는 해당 위치에서 검출된 자속의 세기에 대응되는 아날로그 신호를 출력한다. 출력된 아날로그 신호는 증폭기(206)로 전송된다.Hall sensors 205 are installed at the bottom of the mounting plate 204, respectively, the installation position is ± n points apart in the X and Y-axis direction, respectively, as shown in FIG. Accordingly, d1, d2, d3, and d4 shown in FIG. 3 have the same length. Also, the center point in FIG. 3 is the same as the point where the pole point 203 is in contact with the mounting plate 204. Therefore, the two-dimensional sensing region for the inverted pendulum 201 is formed by four Hall sensors 205 existing at the X1, X2, Y1, and Y2 points at the bottom of the mounting plate 204. That is, for the magnetic field formed around the inverted pendulum 201 such as 202 ', each hall sensor 205 outputs an analog signal corresponding to the strength of the magnetic flux detected at the corresponding position. The output analog signal is sent to the amplifier 206.
증폭기(206)는 홀 센서(205)로부터 출력되는 각각의 아날로그 신호를 소정치로 증폭하여 전송한다. 이 때, 증폭기(206)는 저항값을 이용하여 증폭배율을 조정할 수 있도록 구성된다. 증폭된 각각의 홀 센서(205)의 센싱 결과신호는 A/D 컨버터(207)로 전송된다. A/D 컨버터(207)는 12비트 A/D컨버터로 구성되어 증폭된 각각의 센싱결과 신호를 디지탈 신호로 변환하여 출력한다. 디지탈 I/O 버퍼(208)는 A/D 컨버터(207)로부터 전송되는 디지탈 신호를 개인용 컴퓨터(이하 PC라고 약함)(209)로 전송한다.The amplifier 206 amplifies and transmits each analog signal output from the hall sensor 205 to a predetermined value. At this time, the amplifier 206 is configured to adjust the amplification factor using the resistance value. The sensing result signal of each amplified hall sensor 205 is transmitted to the A / D converter 207. The A / D converter 207 is composed of a 12-bit A / D converter and converts each amplified sensing result signal into a digital signal and outputs the digital signal. The digital I / O buffer 208 transmits the digital signal transmitted from the A / D converter 207 to the personal computer (hereinafter referred to as PC) 209.
PC(209)는 디지탈 I/O 버퍼(208)로부터 전송되는 각각의 센싱 결과를 이용하여 현재 역 진자(201)의 기울어짐 각도 및 각 속도를 검출한다. 즉, 매 샘플링시간(예를 들어 1ms)마다 수신된 센싱 결과를 이용하여 현재 역 진자(201)의 기울어짐 방향 및 정도(기울어짐 각도)를 검출하고, 샘플링 시간간의 차이를 이용하여 각 속도를 검출한다. 그 다음, 검출된 역 진자(201)에 대한 각도 및 각 속도를 이용하여 로봇(211)의 이동량을 제어하기 위한 신호를 발생한다. 이와 같은 동작을 수행하는 PC(209)는 하나의 프로세서 구조로 구현할 수도 있다.The PC 209 detects the tilt angle and the angular velocity of the current inverted pendulum 201 using the respective sensing results transmitted from the digital I / O buffer 208. That is, the inclination direction and the degree (tilt angle) of the current inverted pendulum 201 are detected by using the sensing result received every sampling time (for example, 1 ms), and each speed is calculated using the difference between the sampling times. Detect. Then, a signal for controlling the amount of movement of the robot 211 is generated using the angle and the angular velocity with respect to the detected inverted pendulum 201. The PC 209 performing such an operation may be implemented in one processor structure.
PC(209)에서 발생된 로봇(211)의 이동량을 제어하기 위한 신호는 디지탈 I/O 버퍼(208)를 통해 D/A컨버터(210)로 전송된다. D/A 컨버터(210)는 인가된 제어신호를 아날로그 신호로 변환시켜 로봇(211)으로 전송한다.The signal for controlling the movement amount of the robot 211 generated in the PC 209 is transmitted to the D / A converter 210 through the digital I / O buffer 208. The D / A converter 210 converts the applied control signal into an analog signal and transmits it to the robot 211.
로봇(211)은 D/A 컨버터(210)로부터 전송되는 제어신호에 의해 장착 판(204)을 2차원적으로 이동시키면서 역 진자(201)에 존재하는 α만큼의 기울어짐을 보상하여 장착 판(204)에 대해 역 진자(201)가 90도 각도를 유지할 수 있도록 조정한다. 이와 같은 동작을 수행하기 위하여, 로봇(211)은 360도 회전이 가능한 직접 구동(Direct Drive, DD라고도 함) 모터(213)와 모터 구동부(212)로 형성된 축이 다수개 존재하는 구조로 구성된다. 로봇(211)은 리던던시(Redundancy)를 고려한 축이 존재하도록 구현할 수도 있다. 그리고, 상술한 로봇(211)은 스칼라 로봇으로 구현할 수도 있다.The robot 211 compensates the inclination by α existing in the inverted pendulum 201 while moving the mounting plate 204 two-dimensionally by the control signal transmitted from the D / A converter 210, thereby mounting the mounting plate 204. It is adjusted so that the inverted pendulum 201 can maintain an angle of 90 degrees. In order to perform such an operation, the robot 211 has a structure in which a plurality of axes formed of a direct drive (also referred to as a DD) motor 213 and a motor driver 212 capable of rotating 360 degrees exist. . The robot 211 may be implemented such that an axis in consideration of redundancy exists. In addition, the above-described robot 211 may be implemented by a scalar robot.
상술한 바와 같이, 본 발명은 역 진자 내부에 영구자석을 구비하고, 역 진자의 극점이 접촉되는 2차원 평면(Plate) 하단에 X축과 Y축방향으로 각각 2개의 홀 센서를 설치하여 역 진자의 기울어진 각도와 각 속도를 검출하고, 검출된 결과에 따라 역 진자의 극점이 접촉되어 있는 2차원 평면을 2차원적으로 이동시킬 수 있는 로봇을 제어하도록 구현함으로써, 엔코더로 구현하는 것보다 좀더 간단하게 역 진자 흔들림 제어장치를 구현할 수 있을 뿐아니라 장치의 가격을 다운시킬 수 있으며, 전위차계로 구현한 경우에 비해 좀더 정확한 결과를 얻을 수 있는 장치를 제공하는 효과가 있다.As described above, the present invention includes a permanent magnet inside the inverted pendulum, and installs two Hall sensors in the X-axis and Y-axis directions at the bottom of a two-dimensional plane where the poles of the inverted pendulum contact each other. By detecting the tilt angle and the angular velocity of, and controlling the robot that can move the two-dimensional plane that the pole of the inverted pendulum is in contact with according to the detected result, it is more than implemented with the encoder. Not only can the inverted pendulum shake control device be implemented, but the cost of the device can be lowered, and the device can be more accurately obtained than the case of the potentiometer.
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