[논문]시간지연 제어기를 이용한 쿼드로터 시스템의 자세제어의 실험적 연구

임정근; 정슬

doi:10.5302/j.icros.2014.13.1945

[국내논문] 시간지연 제어기를 이용한 쿼드로터 시스템의 자세제어의 실험적 연구
Experimental Studies of Attitude Control of a Quad-rotor System using a Time-delayed Controller 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.4, 2014년, pp.381 - 388

임정근 (충남대학교 메카트로닉스공학과) , 정슬 (충남대학교 메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the attitude of a quadrotor system is controlled by a time-delayed control method which uses the previous information to cancel out uncertainties in the system. Although the linear controller works for the attitude control, the robust performance against disturbance is relatively poor. Therefore, a time-delayed controller as a robust controller is used. Experimental studies are conducted to validate the performance by the time-delayed control method. The performances of both a linear controller and a time-delayed controller are compared.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 외란의 영향을 많이 받는 쿼드로터 시스템의 성능을 시간 지연 제어를 사용하여 개선하고자 하였다. Q 필터의 계수 값을 적절히 증가시키면 외란에 대해 더 강건해지는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다.
시간지연 제어기의 성능을 검증하기 위해 실험적 연구를 수행하였다. 외란을 의도적으로 주고 다양한 모델변수값에 따른 성능을 실험적으로 확인하였다.

제안 방법

이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 Q 필터를 사용하였다. Q 필터는 일반적으로 다항식으로 설계하나, 본 논문에서는 1차 저역 통과 필터의 간단한 형태로 설계하였다.
각축을 제어하여 성능실험을 하였고, 외란으로 인한 Yaw 축의 회전을 제어하기 위해 자이로 센서의 값을 이용하여 Yaw 축을 중심으로 회전하는 각속도에 대한 비례제어를 하였다. 비례제어기와 시간지연 제어기를 기반으로 다양한 실험을 통해 쿼드로터 제어성능을 평가하고 비교하였다.
외란을 의도적으로 주고 다양한 모델변수값에 따른 성능을 실험적으로 확인하였다. 또한 사용한 Q 필터 계수값, 컷오프 주파수와 이득값에 따라 성능에 미치는 영향도 실험을 통해 확인하였다.
본 논문에서는 에러 누적에 대한 문제를 피하기 위해 일반적으로 많이 사용하는 PID제어 대신 PD 제어를 사용하였다.
시간지연제어 방식의 중요한 요소는 빠른 샘플링과 가속도 측정이다. 본 논문에서는 자이로 센서의 센서 값을 미분하여 각 가속도를 구하고, 모델변수 값을 곱하여 제어입력값을 모델링 하였다.
실험을 통하여 외란제어기의 성능을 검증하였다[9]. 본 논문에서는 쿼드로터 시스템의 자세제어를 잘 수행하기 위해서 외란에 강한 시간지연 제어방식을 사용하였다. 시간지연제어방식은 외란이나 동적 불확실성을 보상하기 위해 사용하여 왔으며, 그 제어구조가 간단하여 로봇팔을 제어하는데 널리 사용되어왔다[10-15].
각축을 제어하여 성능실험을 하였고, 외란으로 인한 Yaw 축의 회전을 제어하기 위해 자이로 센서의 값을 이용하여 Yaw 축을 중심으로 회전하는 각속도에 대한 비례제어를 하였다. 비례제어기와 시간지연 제어기를 기반으로 다양한 실험을 통해 쿼드로터 제어성능을 평가하고 비교하였다.
선행연구에서는 가속도 센싱 기반의 외란 관측기를 설계하여 외란을 줄이는 제어방식을 쿼드로터 시스템에 적용하였다[6]. 실험을 통하여 외란제어기의 성능을 검증하였다[9]. 본 논문에서는 쿼드로터 시스템의 자세제어를 잘 수행하기 위해서 외란에 강한 시간지연 제어방식을 사용하였다.
시간지연 제어기의 성능을 검증하기 위해 실험적 연구를 수행하였다. 외란을 의도적으로 주고 다양한 모델변수값에 따른 성능을 실험적으로 확인하였다. 또한 사용한 Q 필터 계수값, 컷오프 주파수와 이득값에 따라 성능에 미치는 영향도 실험을 통해 확인하였다.
이것을 실제로 측정하기는 어렵기 때문에 본 실험에서는 추력과 제어입력과의 비례상수를 실험을 통해 구하였다. 구현을 위한 DSP 프로그램의 제어입력과 실제 추력과의 상관관계는 표 1과 같다.
시간 지연 제어는 모델기반 제어기로서 관성이 정확하지 않으면 동적 모델의 값을 정확하게 예측할 수 없다. 하지만 관성은 정확한 값을 모델링하기 어렵기 때문에 본 논문에서는 실험을 통해 구하였다. 그림 11, 12는 관성값에 따른 제어기의 성능을 비교한 그림이다.
호버링 제어 비교, Q 필터의 계수 값 및 cutoff frequency에 따른 성능비교, 관성에 따른 성능비교, 그리고 PD 제어와 시간 지연 제어의 성능을 비교하기위해 Roll과 Pitch 축의 제어를 수행하였다.

이론/모형

시간 지연 제어는 각 가속도 값을 사용하기 때문에 잡음을 포함하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 Q 필터를 사용하였다. Q 필터는 일반적으로 다항식으로 설계하나, 본 논문에서는 1차 저역 통과 필터의 간단한 형태로 설계하였다.

성능/효과

본 논문에서는 외란의 영향을 많이 받는 쿼드로터 시스템의 성능을 시간 지연 제어를 사용하여 개선하고자 하였다. Q 필터의 계수 값을 적절히 증가시키면 외란에 대해 더 강건해지는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 자이로 센서의 각 속도 값을 미분하여 얻은 각 가속도 값은 잡음을 포함하고 있는데 1차 저역 통과필터의 형태로 설계한 Q 필터를 사용하여 잡음성분은 상당부분 제거할 수 있었다.
또한, 시스템의 복잡성 때문에 정확하게 예측할 수 없는 관성은 실험적으로 구했는데, 관성이 작으면 PD 제어기와 같이 외란에 의해 오실레이션이 생기고, 관성이 크면 각 가속도 잡음의 영향이 커져 진동하는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 시간지연 제어기가 PD 제어기 보다 외란에 강건하여 성능이 좋은 것을 확인하였다.
자이로 센서의 각 속도 값을 미분하여 얻은 각 가속도 값은 잡음을 포함하고 있는데 1차 저역 통과필터의 형태로 설계한 Q 필터를 사용하여 잡음성분은 상당부분 제거할 수 있었다. 또한, 시스템의 복잡성 때문에 정확하게 예측할 수 없는 관성은 실험적으로 구했는데, 관성이 작으면 PD 제어기와 같이 외란에 의해 오실레이션이 생기고, 관성이 크면 각 가속도 잡음의 영향이 커져 진동하는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 시간지연 제어기가 PD 제어기 보다 외란에 강건하여 성능이 좋은 것을 확인하였다.
Q 필터의 계수 값을 적절히 증가시키면 외란에 대해 더 강건해지는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 자이로 센서의 각 속도 값을 미분하여 얻은 각 가속도 값은 잡음을 포함하고 있는데 1차 저역 통과필터의 형태로 설계한 Q 필터를 사용하여 잡음성분은 상당부분 제거할 수 있었다. 또한, 시스템의 복잡성 때문에 정확하게 예측할 수 없는 관성은 실험적으로 구했는데, 관성이 작으면 PD 제어기와 같이 외란에 의해 오실레이션이 생기고, 관성이 크면 각 가속도 잡음의 영향이 커져 진동하는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	쿼드로터 시스템 무인비행체의 장점은 무엇인가?	쿼드로터 시스템은 대표적인 VTOL (Vertical take-Off landing) 방식의 무인비행체이다. 이 비행체는 CTOL 방식과 달리 활주로를 필요로 하지 않기 때문에, 빌딩이 많은 도심지역과 지형지물이 많은 복잡한 지형에 유리하다. 또한 4개의 로터로 자세제어를 유지하므로 안정적인 호버링 제어가 가능하고 전방향으로 움직일 수 있는 장점이 있다. 이러한 복잡한 곳을 안정하게 비행하기 위해서는 강건한 자세제어가 필요하다[1-6].
	무인비행체가 주로 수행하는 업무는 무엇인가?	최근에 무인 비행체에 대한 관심이 증가하고 있다. 무인비행체는 군사지역의 정찰업무나 사람의 경호 또는 위험지역의 탐사 등의 업무를 주로 수행한다. 무인비행체에서 가장 중요하게 대두되는 것은 안정한 주행이다.
	무인비행체는 착륙방식에 따라 무엇으로 나뉘는가?	무인비행체는 착륙방식에 따라 VTOL (Vertical Take-Off Landing) 방식과 CTOL (Conventional Take-off and Landing) 방식으로 나뉜다. 쿼드로터 시스템은 대표적인 VTOL (Vertical take-Off landing) 방식의 무인비행체이다.

참고문헌 (18)

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J. O. Lee, C. S. Yoo, Y. S. Park, B. J. Park, S. J. Lee, D. G. Gweon, and P. H. Chang, "An experimental study on time delay control of actuation system of tilt rotor unmanned aerial vehicle," Mechatronics, 2012.
S. Jung, T. C. Hsia, and R. G. Bonitz, "Force tracking impedance control of robot manipulators under unknown environment," IEEE Trans. on Control Systems Technology, vol. 12, no. 3, pp. 474-483, 2004.

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T. C. Hsia, "Simple robust schemes for Cartesian space control of robot manipulators," International Journal of Robotics and Automation, vol. 9, no. 4, 167-174, 1994.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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