라즈베리파이 기반 Ball-on-Beam 시스템의 PID 제어 기법 연구

본 논문은 라즈베리파이와 컴퓨터 비전 기술을 적용한 Ball-on-Beam 시스템의 위치 제어 시스템을 제시한다. 라그랑주 역학을 이용하여 시스템의 비선형 운동 방정식을 유도하고 동적 불안정성을 분석하였다. 하드웨어 구현 이전에 MATLAB Simscape Multibody를 이용한 3D 시뮬레이션을 수행하여 접촉 동역학 환경에서 PID 제어 알고리즘의 타당성을 검증하였다. 실제 시스템은 라즈베리파이 4와 서보모터로 구성되었으며, OpenCV 기반 HSV 객체 추적을 통해 실시간 제어 주기를 확보하였다. 실험 결과, 측정 노이즈 필터링과 휴리스틱 튜닝된 PID 제어기를 적용하여 공을 목표 위치에 안정적으로 수렴시켰으며, 저가형 임베디드 환경에서도 비전 기반 정밀 제어가 가능함을 확인하였다.

This paper proposes a method of designing and controlling a ball on beam system applying Raspberry Pi and computer vision technology. The nonlinear kinetic equation of the system was derived using Lagrange dynamics and the dynamic instability was analyzed. Prior to hardware implementation, a 3D simulation using MATLAB Simscape Multibody was performed to verify the validity of the PID control algorithm in the contact dynamics environment in advance. The actual system consisted of Raspberry Pi 4 and a servomotor, and the real-time control cycle was secured through HSV object tracking based on OpenCV. As a result of the experiment, the ball was stably converged to the target position by applying measurement noise filtering and a heuristic tuned PID controller, confirming that vision-based precision control is possible even in a low-cost embedded environment.

1. 서론
2. 시스템 동역학적 모델링
3. Simscape 기반 시뮬레이션 및 PID 설계
4. 하드웨어 시스템 설계 및 제작
5. PID 제어 알고리즘 및 필터링
6. 파라미터 튜닝 과정과 데이터 분석
7. 결론
8. 참고문헌