Index

1. AGV의 개념과 종류

2. 전자 유도식

3. 광학 유도식

4. 지능형 AGV

1) AGV의 시스템 하드웨어
2) 센서부
가. 초음파 및 적외선 센서부
나. 비전 센서부
3) 구동‧제어부
4) 통신부

1. AGV의 개념과 종류

AGV는 공장 바닥면에 자성도료로 칠해진 운반경로나 바닥 밑에 설치된 유도용 전선 등과 신호를 주고받으면서 공작물⦁공구⦁고정구 등의 물체를 운반하는 대차이다. 가끔 궤도대차를 AGV라 부르기도 하지만, AGV가 궤도대차와 기본적으로 다른 점은 공장 바닥 면에 레일을 설치하지 않는 점이다. 무인 운반차는 고무타이어로 바닥 면과 접촉하고, 배터리를 동력원으로 하여 주행한다. 즉 외부제어가 가능한 전용기 자동차이다. 그러나 레일을 설치하지 않기 때문에 공장 바닥면의 이용도가 높은 점, 고무타이어 구동이므로 조용한 점 등 많은 이점이 있으므로 FMS에서 사용되는 일이 많다.

종래에는 유도용 전선을 공장 바닥 면 밑에 설치했기 때문에 운반경로 변경이 어려운 점이 있었다. 그러나 최근에는 테이프 전선, 혹은 자성도료로 공장 바닥 면에 운반경로를 설정할 수 있도록 되어 있어 운반 패턴 변경의 유연성이 몇 단계 발전되었다. 무인 운반차는 여러 가지 운반패턴 가운데 운반 유연성이 가장 높다.

AGV의 분류기준은 주행방식과 항로방식에 따라 나뉘며 다음과 같다.

				주행방식
		고정항로방식						개방항로방식
능동식				수동식			지상지원식				자율주행식
전자유도식				광학유도식			레이저				자이로
자기유도식				자성체유도식			초음파위성				GPS
형광유도식							스테레오 비젼
							D-GPS
							의사위성

2. 전자 유도식

전자 유도식이란 주행 경로 노면에 전선을 심고 2~10KHz의 저주파 정전류를 흘려 자계를 발생시키면 무인차의 픽업코일에서 정해진 고유주파수만 필터링하여 유도신호를 추적해 가는 방식이다.

가장 많이 사용되고 실효성이 높은 유도방식이며 중량물 운송에도 적합하고 내구성이 강하여 신뢰성이 높다. 단점으로는 유도선을 깔기 위한 케이블공사가 복잡하여 설치비용이 많이 들고 유도파가 발생되므로 주위의 타 기기에 외란원이 될 수 있으며 layout변경이 광학식에 비해 어렵다.

<그림 1. 전자기 유도의 원리>

3. 광학 유도식

노면에 반사테이프를 부착하고 무인차의 Beam sensor를 통해 이곳에 빛을 쏘아주면 노면과 반사테이프와의 빛 반사량이 서로 다르므로 이 경계면을 감지하여 경로를 추적해 가는 방식이다.

이 방식의 장점은 경로설치를 위한 부대비용이 적게 들고 layout변경이 쉽다. 그러나 반사테이프가 훼손될 염려가 많아 신뢰성이 문제가 되므로 특별한 관리가 요구된다. 따라서 주로 전자부품 및 경량물 운반에 많이 적용된다. 반사테이프는 알루미늄에 비닐이 코팅된 것이 좋고 노면이 짙은 색일 경우 페인트로도 가능하고 폭은 60mm 정도이다.

광 검출방법으로 센서의 구조에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 경로용 반사테이프와 위치검출용 반사테이프를 이용하여 분기점에 도달했다는 정보를 받고 여기서 미리 정해 준 명령에 따라 선택하는 점광원식(그림 2, 3)과 경로검출용 센서를 여러개 두고 이 센서들에 의해 바로 분기점을 인식하도록 하여 정해진 명령에 따라 방향을 선택하도록 하는 선광원식(그림4, 5)이 있고 이 두 가지를 절충한 기타방식이 있다. 점광원방식은 센서의 수가 적으므로 경제적이나 분기점이 많은 경우 경로설치에 어려운 점이 많다.

<그림 2. 점광원식 검출기의 구조>            <그림 3. 점광원식 직진과 분기>

<그림 4. 선광원식의 검출기 구조>

<그림 5 선광원식의 직진과 분기>

4. 지능형 AGV
국내 지능형 AGV에 대한 연구로는 한국 과학 재단에서 진행한 연구들이 있지만 초보적인 수준에 머물고 있으며, 실내용 AGV는 보급형이 나와 있는 단계이다. 하지만 야드에서 운용되는 컨테이너 수송용 AGV는 국내에서 포항제철과 광양만에서 시범운영중이지만 이는 외국에서 수입한 경우로, 거의 전무한 실정이다. 야드용 AGV는 외국에서도 그 예를 찾기 힘든데, 선두주자인 독일을 포함하여 3개국 정도에서 생산하고 있다. 야드용 AGV가 설치되어 운영되고 있는 곳은 네덜란드의 ECT항과 싱가포르의 PSA항을 들 수 있으며, 이들 장비는 독일의 MDF 및 Kamag사가 독점적으로 공급하고 있는 실정다. 또한 화물 수송에 있어서 일반화물의 컨테이너화 전환추세에 따라 컨테이너선의 수송 비중이 날로 커지고 있다. 그러나 이 또한 한계가 있어 시설 확충을 위한 재원 마련 및 인건비의 상승, 물류 비용의 증가등 처리 비용 인상 요인을 안고 있다. 이에 따라 한정된 항만 부지에서 더 많은 물량을 처리하고 급등하는 인건비를 절약하는 방법으로 여러 가지 방법이 제안되고 있다. 지능형 AGV 시뮬레이터는 무선으로 VR 모니터 통제 시스템(Virtual Reality Monitoring & Control System)과 통신으로 현재 환경정보를 주고받으며, 작업명령을 수행한다. VR 시스템은 수신된 AGV들과 주변 크레인의 정보를 최적의 작업이 되도록 시나리오를 작성하여 각 AGV들이 작업할 수 있도록 한다.

<그림 6. 지능형 AGV의 각부 구조>

1) AGV의 시스템 하드웨어

AGV의 구성은 크게 제어부, 구동부, 통신부 및 센서부인 4개 부분으로 나눌 수 있다. 우선, 제어부는 다시, PC와 C196으로 나누어 AGV 시스템을 제어하도록 구성하였다. PC는 펜티엄 586Ⅲ로 구성하였으며, 영상 정보를 처리할 수 있는 메인 프로그램을 수행하도록 하였다. 또한, PC에서 취득된 영상으로부터 얻은 주행 변위 오차에 대한 정보는 RS232 통신을 통하여 C196으로 전송되어 제어기 구동에 필요한 정보를 교환하도록 구성하였다. C196에서는 각 제어 알고리즘과 조향, 속도 등의 센서 데이터를 수행하여 각 모터의 구동 신호를 발생시키도록 하였다.

<그림 7. AGV 모듈 배치와 투시도>

<그림 8. AGV 시스템 구성>

구동부는 12[V]로 구동되는 전륜 조향 모터와 후륜 주행 모터로 구성되어 있다. 각각의 모터는 L298 드라이버로 구동되도록 설계하였다.

통신부는 크게 AGV 내부에서 PC와 C196간의 통신 프로토콜과 AGV와 외부간(다른 AGV 및 통제실)의 프로토콜로 나뉘어진다. 본 논문에서는 AGV 내부의 통신만을 이용하고 있으며, RS232 통신 방식을 채택하였다.

AGV 주행을 위하여 적용된 센서는 조향각 정보 취득을 위한 포텐시오미터와 주행속도 측정을 위한 엔코더, 전방의 장애물 감지를 위한 초음파 센서로 구성된다.

이 외에도 충전 보호회로와 부 전압(Negative Voltage) 공급을 위한 DC/DC 컨버터(Converter) 모듈도 함께 제작하였다. 그림 6은 이상과 같은 구성을 갖는 AGV의 전체 시스템을 나타낸다.

2) 센서부

가. 초음파 및 적외선 센서부

AGV는 주행 중 주위환경을 인식하기 위하여 초음파센서와 적외선센서를 이용한다. 초음파센서는 Vision 정보만으로는 장애물 회피나 감지가 원활하지 않을 뿐 아니라 전방의 정보 밖에 얻을 수 없다. 이에 전방 양측편에 2조, 후방에 1조를 장착하여 전․후방의 장애물을 인식하게 된다. 센서는 장거리 정밀 센서를 채용해 신뢰도를 높임과 동시에 타 AGV와의 간섭을 방지한다. 적외선센서는 경로에서 좌측으로 10 cm위치에 표시된 위치마크를 감지하여 주행 중에 현재 위치를 카운터를 이용하여 인식할 수 있도록 한다. 위치마크를 카운터하여 두 크레인의 작업위치에 정확히 정지할 수 있도록 한다.

제어칙은 IR센서와 초음파센서에서 획득한 경로 데이터와 장애물 데이터를 이용하여 회전과 정지를 결정하고, 비젼정보를 더하여 모터의 위치와 속도를 결정한다. 그리고 CPU idle time에 데이터를 PC와 주고 받도록 제어한다.

<그림 9. 다중 센서를 이용한 제어칙 흐름도>

나. 비전 센서부

가이드라인(Guideline)과 AGV와의 상대적 위치와 각도에 대한 오차를 얻기 위한 센서로 활용하였다. CCD 카메라에서 획득된 신호는 영상 취득기(Frame Grabber)를 통해 디지털 신호로 변환되고, 이를 이용하여 가이드 라인을 인식하고, 현재 가이드 라인과 AGV간의 거리와 각도에 대한 오차를 얻을 수 있다. 이로부터 얻어진 신호는 시뮬레이터에 장착된 PC 기반 주 제어부(Main Control Part)에서 연산되어 RS232 통신으로 C196으로 전송하여 모터 제어부(Motor Control Part)의 명령 신호를 생성하도록 하였다. 그림 4는 CCD 카메라에서 획득된 아날로그 신호가 영상 취

<그림 10. Vision System에 의한 AGV 상태와 명령>

득기를 통해 디지털 신호로 변환되어 주 제어부인 비젼부에서 연산되어 AGV의 명령을 생성하는 과정을 나타낸다.

AGV가 운행하기 위하여 바닥에 설치된 가이드 라인을 CCD camera를 이용하여 경로를 이탈하지 않도록 한다. 그림 11은 주행 시 발생할 수 있는 세 가지 경우, 직선, 곡선,

(a)                         (b)                         (c)

<그림 11. (a) 직선 구간, (b)곡선 구간, (c)분기 구간에 대한 영상처리>

분기 구간에 대하여 영상처리를 통한 결과를 나타낸다. 결과 영상의 직선성분을 추출하여 경로의 상태를 분석할 수 있다.

3) 구동 ‧ 제어부

Main controller는 vision 정보, RF정보, 초음파 및 적외선 센서의 정보를 위하여 PC 기반으로 구성하였다. PC기반의 Controller는 익숙한 인터페이스와 개발 툴로 단시간 내에 개발이 가능하고, 유지보수도 편리하다는 장점이 있다. 그림 12는 AGV의 구동모듈의 흐름도를 나타내었다. 각종 센서에서 온 데이터를 80C196 control 보드에 전달하고, 가공한 data를 PC에 전달한다. 후륜 구동모터는 HSO를 사용하여 75Hz를 중심으로 전/후로 구동하고, 위치신호는 encoder를 통하여 피드백을 받아 16bit counter로 전달한다. 전륜 조향 모터는 L298을 이용하여 좌우 회전을 구현하고, Potentiometer를 사용하여 위치정보를 얻고, 이 신호를 10bit A/D를 통하여 제어한다. 그리고 경로 데이터와 센서 데이터의 전달을 위하여 PC와 시리얼 통신을 통하여 제어된다.

<그림 12.  AGV 구동모듈의 흐름도>

그림 9와 같이 제어칙은 IR센서와 초음파센서에서 획득한 경로 데이터와 장애물 데이터를 이용하여 회전과 정지를 결정하고, 비젼 정보를 더하여 모터의 위치와 속도를 결정한다. 그리고 CPU idle time에 데이터를 PC와 주고 받도록 제어한다.

DC Servo motor는 AGV의 조향을 위한 DC 모터이다. 자동차와 동일한 원리의 링크를 구성하여 모터의 회전운동을 직선운동으로 바꿔 조향을 하게 되며, Motor controller의 제어를 받는다. Motor controller는 DC Servo motor 및 Actuator motor를 구동하기 위해 마이크로 프로세서를 이용한 Motor driver부이다. Main controller와 연결되어 있어 이동 거리나 속도에 대한 정보를 얻는다. 모터 Encoder 신호 처리부와 DIO를 가지며 LCD 인터페이스가 있는 통합 80C196KC Board를 이용하였다. Actuator motor는 AGV를 추진 시키는 DC 모터이다. Dummy container의 하중에 충분히 대응 할 수 있는 고성능 모터를 채용하였으며, Main controller 및 Motor controller의 제어를 받는다. AGV Control PC는  AGV에서 전송되는 Traffic 정보를 받아서 분석 처리, 작업 지시를 위한 주 제어기이다.

4) 통신부

통신부는 크게 AGV 내부에서 PC와 C196간의 통신 프로토콜과 AGV와 외부간(다른 AGV 및 통제실)의 프로토콜로 나뉘어진다. 본 논문에서는 AGV 내부의 통신만을 이용하고 있으며, RS232 통신 방식을 채택하였다. VR 운영시스템(Virtual Reality Monitoring & Control System)은 각 장비들의 상태를 수집하여 관리자가 작업 상태를 파악하기 용이하도록 모니터링하는 기능과 알맞은 시나리오를 작성하여 각 장비에게 적절한 명령을 내리는 역할을 담당한다. 그림 13은 시뮬레이터들의 연계동작에서 VR 운영시스템과의 무선통신을 나타내고 있다.

<그림 13. Wireless LAN을 이용한 AGV와 운영 시스템과의 통신>

모니터 기능에는 다양한 각도에서 표현된 3차원 화면을 통해 현실감을 느낄 수 있고, 항만 하역장비에 대한 다양한 정보를 획득할 후 있도록 하였다. 작성된 프로그램은 실험실 내의 환경과 크기를 그대로 반영하여 실시간으로 시뮬레이터간의 동작을 모니터할 수 있다.

각 AGV는 VR 운영시스템과 무선랜(Wireless LAN)을 이용하여 TCP/IP통신방식으로 현재의 상황을 송신하고, 명령을 전달받는다. 그림 14는 통신데이터의 흐름을 나타내며, VR 운영시스템과 각 AGV와의 통신 데이터 포맷은 아래와 같다.

송신 데이터 포맷                                수신 데이터 포맷

id	operation
AGV의 식별자	AGV에 전달할 명령

id	position	state
AGV의 식별자	AGV의 위치	AGV의 상태

<그림 14. 통신데이터의 흐름>

VR 운영시스템과 다른 하역장비들 간의 동작은 다음과 같은 동작 순서에 따라 이루어진다. 가장 초기상태 즉, 모든 장비들이 멈춰져 있고 어떤 동작도 일어나지 않는 상태에서는 각 장비들의 상태정보와 초기 위치 좌표가 VR 운영시스템에 전달된다. VR 운영시스템에서는 모든 장비가 초기화 상태에 있음을 감지하고, 각 장비에 대해서 시작 신호를 보낸다. 시작 신호를 받은 각각의 하역장비들은 정해져 있는 알고리즘에 의해서 동작을 시작하고, 현재의 상태와 자신의 위치 좌표를 VR 운영시스템으로 송신한다. 정해진 데이터 포맷에 따라 송신된 신호는 VR에서 받아들여지고 VR 운영시스템은 이를 다시 랜더링 가능한 수치로 해석하여 모니터에 출력함으로써 모니터링 시스템이 동작하게 된다. 위와 같은 세부 단계의 데이터 통신들을 이용해서 전체적인 시스템이 작동되며, VR 운영시스템의 전체적인 동작 모습은 그림 15에 나타나 있다. 프로그램은 전체모드, 부분확대 모드가 가능하며, 다른 각도에서도 볼 수 있는 기능이 있다. 또한, 각 AGV의 위치와 적재 유무상태 그리고, 타 장비들이 움직이는 상태를 실시간으로 볼 수 있다.

<그림 15. 동작중인 VR 운영시스템>

※ Reference

1. 무인 반송차와 그 응용

2. 자동화 터미널을 위하 s본선 계획 및 AGV운영방안에 관한 연구

3. 유비쿼터스 로봇의 지능형 위치 추정 기술

4. AGV 에어리어 센서

5. 지능형 항만 관리 시스템을 위한 AGV 정밀 제어에 관한 연구

6. 고효율 AGV구동장치의 설계기술 개발

7. 다중센서를 이용한 AGV의 자율주행 알고리즘 개발

8. 지능형 AGV 시뮬레이터 개발

9. AGV 제어 장치 종류별 분류

10. 지능형 AGV 시스템의 설계 및 제작

11. Driverless Artificial AGV 시스템을 위한 기구 설계