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동적 보상기를 이용한 소형 무인항공기 비행 제어
Flight control of a small unmanned aerial vehicle using a dynamic compensator 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.16 no.4 = no.55, 2012년, pp.571 - 577  

김희주 (한국항공대학교 대학원 항공전자공학과) ,  김재욱 (한국항공대학교 대학원 항공전자공학과) ,  이강웅 (한국항공대학교항공전자및정보통신 공학부)

초록
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본 논문에서는 소형 무인항공기에 대한 비행제어 시스템을 동적 보상기를 이용하여 설계하였다. 제안된 제어 시스템은 정상상태 오차를 줄이면서 과도응답 특성을 개선하여 고도 변화 및 목표점 통과 명령에 대해 비행 안정성을 확보하고자 하였다. 제안된 비행 제어기는 내부 루프와 외부 루프의 이중 구조로 구성되며, 내부 루프는 PD 제어기를 사용하여 과도응답을 개선하도록 하며 외부 루프는 동적 보상기를 사용하여 과도 응답 및 정상 상태 오차를 개선하도록 하였다. 고도 추종 및 목표점을 통과하도록 하는 비행실험을 통하여 제안된 기법의 성능을 평가하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we design a flight controller using a dynamic compensator for a small unmanned aerial vehicle. The proposed method ensures flight stability during altitude holding and waypoints passing by improving the transient response and steady state error. The control system consists of dual fee...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 동적 보상기를 이용한 소형 무인항공기 비행 제어 시스템을 제안하고 비행실험을 통하여 성능을 입증하고자 한다. 선형화된 동역학 방정식을 이용하여 자세 제어 및 항법 유도를 수행하는 내부 루프 제어기와 외부 루프 제어기를 제안한다.
  • 본 논문에서는 소형항공기가 고도 추종 및 목표점 통과를 위한 비행제어시스템을 동적 보상기를 이용하여 설계하고 비행실험을 실시하였다. 비행제어시스템은 선형화한 비행 동력학 모델을 사용하였으며 내부 루프와 외부 루프를 가지는 이중 구조로 하였다.

가설 설정

  • 항공기의 운동은 비선형 동역학방정식으로 모델링되지만 평형점에서 선형화시킨 선형화 모델이 이용된다. 항공기의 모든 질량은 무게 중심점에 있으며 공탄성이 없는 강체라고 가정하고 항공기의 각 축에 대한 힘과 모멘트 성분을 고려하여 항공기 운동을 다음과 같이 표현한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
비행체의 운동은 어떤 방정식으로 나타낼 수 있는가? 비행체의 운동은 뉴튼의 제 2법칙으로부터 유도되어 6자유도 운동을 표현하는 운동 방정식으로 나타낼 수 있다[7]. 항공기의 운동은 비선형 동역학방정식으로 모델링되지만 평형점에서 선형화시킨 선형화 모델이 이용된다.
무인항공기 항법 유도 제어기 중 내부 루프 제어기는 무엇을 담당하는가? 무인항공기 항법 유도 제어기는 내부 루프(inner loop) 제어기와 외부 루프(outer loop) 제어기로 나누어 구성할 수 있다. 내부 루프 제어에서는 항공기의 피치각과 옆 놀이각에 대한 자세 제어를 담당하며, 외부 루프 제어에서는 자세 제어를 수행하여 목표 고도와 목표 방향에 대한 항법 유도를 수행한다.
무인항공기 항법 유도 제어기는 어떻게 구성할 수 있는가? 무인항공기 항법 유도 제어기는 내부 루프(inner loop) 제어기와 외부 루프(outer loop) 제어기로 나누어 구성할 수 있다. 내부 루프 제어에서는 항공기의 피치각과 옆 놀이각에 대한 자세 제어를 담당하며, 외부 루프 제어에서는 자세 제어를 수행하여 목표 고도와 목표 방향에 대한 항법 유도를 수행한다.
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참고문헌 (10)

  1. U. S. Department of Defense, Unmanned Systems Roadmap 2007-2032, Office of the Secretary of Defense, Dec. 2007. 

  2. Nise, N. S., Control Systems Engineering, John Wiley & Sons, 2004. 

  3. 정병인, 김희주, 지민석, "임무수행능력을 갖춘 무인항공기 시스템 개발", 한국자동제어학술회의논문지, 2009. 

  4. Nelson, R. C., Flight Stability and Automatic Control, McGraw-Hill, 1998. 

  5. Singh, A and Khalil, H. K., "State Feedback Regulation of Nonlinear Systems using Conditional Integrators", Proc. 43th Conf. Decision and Control, pp.4560-4564, Dec. 2004. 

  6. Kim, C. S and Lee, K. W., "Robust Control of Robot Manipulators Using Dynamic Compensator under Parametric Uncertainty", International Journal of Innovative Computing, Information and Control, Vol. 7, Issue 7, 2011. 

  7. Thomas, R. Y., Steven, L. M., David, E. B and Wayne, F. H., Introduction to Aircraft Flight Mechanics: Performance, Static Stability, Dynamic Stability, and Classical Feedback Control, AIAA Education Series, 2003. 

  8. Stevens, B. L and Lewis, F. L., Aircraft Control and Simulation, John Wiley & Sons, 2003. 

  9. 이혜원, 무인항공기의 비행시험을 통한 실시간 파라미터 추정기법에 관한 연구, 공학석사, 한국항공대학교, 2007. 

  10. Christiansen, R. S., "Design of an Autopilot for Small Unmanned Aerial Vevicles", Brigham Young University, 2004. 

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