같은 속도도 표현 프레임을 확인한다
바퀴 순운동학은 바퀴 회전 속도에서 몸체 속도를 구하고, 역운동학은 원하는 몸체 속도에서 필요한 바퀴 속도를 구하는 질문으로 사용한다. 몸체 축은 x 앞·y 왼쪽·z 위, 평면 몸체 속도는 (v_x,v_y,Ω)로 정한다. v_x,v_y는 m/s, 양의 Ω는 반시계 방향의 rad/s다. 바퀴 반지름 r은 m, 바퀴 각속도 ω는 rad/s다. 엔코더가 모터 축에 있으면 기어비와 최종 디코딩 count를 먼저 바퀴 축 값으로 환산한다.
세계에서 몸체가 향한 각도를 θ라고 하면 몸체의 선속도를 회전하여 세계의 위치 변화율을 얻는다. 기구학은 이 관계를 주며 미끄럼이나 실제 추진력을 계산하지 않는다.
차동 모델은 반지름이 같은 두 일반 바퀴가 같은 축 위에 있고, 구름 방향과 횡방향에 이상적인 무미끄럼 접촉이 있다고 가정한다. 양의 좌/우 바퀴 속도는 모두 전진을 뜻한다. b는 두 접촉점의 전체 간격이다. 몸체 기준점은 두 바퀴의 중간이고 이 모델의 v_y는 0이다.
r=0.05 m,b=0.30 m,ω_L=4,ω_R=8이면 v_x=0.3 m/s,Ω≈0.667 rad/s다. θ=90도면 순간 세계 속도는 (0,0.3) m/s다. 바퀴 회전에서 계산한 이 값은 접촉 가정이 맞을 때의 모델 속도다. 실제 이동을 독립 센서로 검증한 결과와 구별한다.
3옴니는 배치를 식으로 고정한다
아래 3옴니 모델은 중심에서 각 바퀴까지 거리 R, 같은 반지름 r을 사용한다. 바퀴의 양의 구동 방향 각 β_i는 몸체 +x에서 0/120/240도다. 각 위치를 (R sin β_i,−R cos β_i)로 정의하여 세 바퀴가 원 둘레의 접선 방향으로 구동되게 한다. 각 바퀴의 롤러 방향은 주 구동에 수직으로 자유롭고 구동 방향에는 미끄럼이 없다고 가정한다. 이 배치를 모르는 다른 로봇에 계수를 그대로 옮기지 않는다.
그림 M06.05-1. 오른쪽은 위치 (R sinβ,−R cosβ), 구동 방향 β=0/120/240°인 본문의 3옴니 모델이다. 화살표는 각 바퀴의 양의 주 구동 방향이며 차체가 언제나 그 방향으로만 움직인다는 뜻은 아니다. 왼쪽 차동 모델은 이상 무미끄럼에서 vy=0이다. 직접 제작.
선속도의 바퀴 구동 방향 성분과 회전에 의한 접선 성분을 더하고 반지름으로 나눈 것이다. 역으로 세 바퀴의 값을 조합하면 다음과 같다. 바퀴 번호는 β 순서의 0/1/2다.
r=0.1 m,R=0.2 m에서 v_x=0.2 m/s,v_y=0,Ω=0이면 바퀴는 (2,−1,−1) rad/s다. 순계산에 넣으면 v_x=0.1(4+1+1)/3=0.2, v_y=0,Ω=0을 복원한다. 순수 회전 Ω=1 rad/s라면 세 바퀴가 모두 2 rad/s다. 음수 속도가 있다고 고장으로 판정하지 않고 정한 방향의 반대 회전으로 읽는다.
4메카넘은 임의의 네 숫자가 모두 일관되지 않는다
메카넘은 롤러 방향·바퀴 장착·번호에 따라 부호가 달라진다. 여기서는 앞왼쪽 FL,앞오른쪽 FR,뒤왼쪽 RL,뒤오른쪽 RR의 순서와, 양의 속도가 모두 몸체 전진에 기여하는 부호를 쓴다. 중심에서 바퀴까지 앞뒤 거리 l_x와 좌우 거리 l_y의 합을 k=l_x+l_y로 둔다. 전형적인 45도 롤러의 다음 가상 배치를 모델 계약으로 정한다.
이 식을 더하고 빼면 몸체 값을 얻는다. 측정값이 정확히 모델에 맞지 않을 때 다음 조합은 같은 가중치의 최소제곱 추정이지만 실제 운동의 확정값은 아니다.
r=0.1 m,k=0.4 m에서 (v_x,v_y,Ω)=(0.2,0.1,0)이면 바퀴는 (1,3,3,1) rad/s다. 순식에 넣으면 원래 값을 복원한다. 네 바퀴로 세 몸체 성분을 만들기 때문에 임의의 네 속도를 주면 이상 구름과 일관되지 않을 수 있다. 이 배치에서는 ω_FL+ω_FR=ω_RL+ω_RR가 필요하다. 바퀴 기록 (1,3,3,2)는 좌변 4,우변 5라 일관되지 않는다. 추정값을 구한 뒤 바퀴 속도로 재구성한 잔차를 확인해야 한다. 단위·번호·시각·미끄럼·센서 오류 등 여러 원인이 가능하므로 잔차만으로 하나를 확정하지 않는다.
각 바퀴 한계도 몸체 요구를 제한한다. (1,3,3,1)의 크기 상한이 2 rad/s면 두 바퀴가 넘는다. 공통 비율 2/3으로 요구를 줄이면 바퀴는 (2/3,2,2,2/3),몸체는 약 (0.1333,0.0667,0)이 된다. 이 선형 모델에서는 방향 비율을 유지하지만 가속·접촉·하중·실제 제어의 충분 조건은 아니다. 각 바퀴를 따로 잘라 버리면 원래 속도 비율과 몸체 요구가 달라질 수 있다. 저자 바퀴 모델과 한계 설명을 연결해 이 전제들을 확인한다.