항공전자 장비들의 급속한 발전으로 인해 무인항공기의 크기가 소형화 되고 있으나, 무인항공기에 대해 주어지는 임무는 더욱 정확하고 복잡해지고 있다. 정지비행이 가능하고, 간단한 기계적 메커니즘을 가진 쿼드로터는 이 같은 환경에서 활동도가 점차 증가하고 있다. 그러나 쿼드로터는 구조 특성에 따라 출력의 개수보다 입력의 개수가 작은 under actuated 시스템이므로, 쿼드로터 제어에 큰 제약이 따른다. 본 논문에서는 이와 같은 쿼드로터의 단점을 해결하기 위해서 4개의 원동기 외에 2개의 추가적인 원동기를 더 부착한 모델을 제안하여, 입력의 개수와 출력의 개수가 같은 fully actuated 시스템을 구현하도록 한다. 제안한 쿼드로터 모델의 제어기를 설계하기 위해 궤환선형화 기법을 적용하였다. 수치 시뮬레이션을 수행하여 제안한 모델과 설계된 제어기의 성능을 검증하였다.
항공전자 장비들의 급속한 발전으로 인해 무인항공기의 크기가 소형화 되고 있으나, 무인항공기에 대해 주어지는 임무는 더욱 정확하고 복잡해지고 있다. 정지비행이 가능하고, 간단한 기계적 메커니즘을 가진 쿼드로터는 이 같은 환경에서 활동도가 점차 증가하고 있다. 그러나 쿼드로터는 구조 특성에 따라 출력의 개수보다 입력의 개수가 작은 under actuated 시스템이므로, 쿼드로터 제어에 큰 제약이 따른다. 본 논문에서는 이와 같은 쿼드로터의 단점을 해결하기 위해서 4개의 원동기 외에 2개의 추가적인 원동기를 더 부착한 모델을 제안하여, 입력의 개수와 출력의 개수가 같은 fully actuated 시스템을 구현하도록 한다. 제안한 쿼드로터 모델의 제어기를 설계하기 위해 궤환선형화 기법을 적용하였다. 수치 시뮬레이션을 수행하여 제안한 모델과 설계된 제어기의 성능을 검증하였다.
As avionics and mechanical devices have been developed, the size of unmanned aerial vehicle (UAV) is getting smaller. However, the complicated and accurate missions are provided to the UAV. Among various types of UAVs, quadrotors are widely used for their availability by virtue of simple structure a...
As avionics and mechanical devices have been developed, the size of unmanned aerial vehicle (UAV) is getting smaller. However, the complicated and accurate missions are provided to the UAV. Among various types of UAVs, quadrotors are widely used for their availability by virtue of simple structure and hovering function. However, the control of quadrotor is highly constrained, because the quadrotor is an under-actuated system which has only 4 actuator inputs. To deal with this under-actuated problem, a new quadrotor model with two more actuators in addition to the 4 propeller inputs is provided to make the system fully-actuated. For the proposed model, a controller is designed using feedback linearization methods. To validate the model and to verify the performance of the proposed controller, numerical simulation is performed.
As avionics and mechanical devices have been developed, the size of unmanned aerial vehicle (UAV) is getting smaller. However, the complicated and accurate missions are provided to the UAV. Among various types of UAVs, quadrotors are widely used for their availability by virtue of simple structure and hovering function. However, the control of quadrotor is highly constrained, because the quadrotor is an under-actuated system which has only 4 actuator inputs. To deal with this under-actuated problem, a new quadrotor model with two more actuators in addition to the 4 propeller inputs is provided to make the system fully-actuated. For the proposed model, a controller is designed using feedback linearization methods. To validate the model and to verify the performance of the proposed controller, numerical simulation is performed.
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문제 정의
본 논문에서는 기존의 4자유도 쿼드로터 시스템으로부터 더 나아가 5자유도, 6자유도 시스템으로 모델링을 일반화 하는데 주안점을 두었다. 본 논문의 2장은 6자유도 쿼드로터의 시스템 구성도를 제시함과 동시에 뉴턴의 법칙을 활용한 정밀한 모델링을 수행한다.
우선 힘 방정식의 제어입력을 살펴보자. 식 (40)에서 #을 [0 0 F]T로 치환하고, RT를 좌변으로 넘긴 후, P를 전개하면 다음과 같다.
이러한 쿼드로터의 제약을 해결하기 위해서 본 논문에서는 2개의 추가적인 원동기를 부착한 모델을 제시한다. 즉, 쿼드로터에 부착된 4개의 DC 모터를 쿼드로터 프레임에 대한 오일러각 피치방향과 롤방향으로 회전시킬 수 있도록 Servo Motor 2개를 추가 배치한 것이다.
가설 설정
여기서 로터와 스테이터 사이의 힘의 작용점은 로터의 무게중심이라고 가정했으며, 공기에 의한 마찰력은 프레임의 속도와 각속도에 의해서만 일어나는 것으로 가정하였다. 또한, 관절의 회전중심이 모터의 무게중심과 일치되도록 관절을 설계하였으므로, 쿼드로터 프레임에서부터 관절을 통해 스테이터로 전달되는 힘은 모터의 무게중심에 직접 전달되어 그 힘으로 인해 모터에서 어떠한 모멘트도 발생하지 않는 경우를 가정하였다.
여기서 로터와 스테이터 사이의 힘의 작용점은 로터의 무게중심이라고 가정했으며, 공기에 의한 마찰력은 프레임의 속도와 각속도에 의해서만 일어나는 것으로 가정하였다. 또한, 관절의 회전중심이 모터의 무게중심과 일치되도록 관절을 설계하였으므로, 쿼드로터 프레임에서부터 관절을 통해 스테이터로 전달되는 힘은 모터의 무게중심에 직접 전달되어 그 힘으로 인해 모터에서 어떠한 모멘트도 발생하지 않는 경우를 가정하였다.
여기서 모터의 관성모멘트는 x,y,z 방향으로 모두 동일하다고 가정하였다. 이제 식 (28), (29)를 식 (5), (6)에 대입하여 전개해 보면 다음과 같이 힘과 모멘트 방정식을 얻을 수 있다.
본 논문에서 제안한 쿼드로터 모델링과 제어기를 실제로 구현하기 위해서는 많은 가정 및 주의가 필요하다. 우선 DC모터의 속도를 정확히 컨트롤할 수 있는 모터 컨트롤러와, 명령각도를 딜레이 없이 정확히 추종할 수 있을 정도로 큰 파워를 가진 서보모터를 사용했음을 가정했다. 그리고 모터의 자세에 의해 프로펠러가 동체에 닿지 않도록 모터 및 프로펠러의 배치에 주의를 기울여야 하며, 2개의 원동기만으로 4개의 관절이 모두 같은 자세를 가질 수 있도록 세심하게 기구의 설계해야 한다.
한편, 4개의 스테이터에 부착되어 있는 각각의 2자유도 관절이 스테이터의 오일러 각도 ϕs, θs를 동기화 하여 조정할 수 있고, 로터는 스테이터를 기준으로 각속도 w로 회전한다고 가정하자.
제안 방법
쿼드로터가 비행할 임의의 경로점을 생성한 후, 쿼드로터가 그 경로점을 차례대로 지나도록 시나리오를 설정하였다. 4-자유도, 5-자유도, 6-자유도 시스템에 대해서 수행한 각각의 시뮬레이션 결과를 비교, 분석하였다. 시뮬레이션에 사용된 계수들의 값은 Table 1에 정리하였다.
본 논문의 쿼드로터 모델링에는 지면 좌표계(Local Navigation Coordinate System) {I}, 프레임 좌표계(Frame Coordinate System) {F}, 스테이터 좌표계(Stator Coordinate System) {S}, 로터 좌표계(Rotor Coordinate System) {R}의 총 4개의 좌표계를 사용하였다. 또한 본 연구에서는 지면좌표계를 관성좌표계로 고려한다. 프레임 좌표계는 쿼드로터 동체 전체의 무게중심과 원점이 일치하는 좌표계이고, 스테이터 좌표계는 각각의 DC 모터 무게중심과 원점이 일치하는 좌표계이다.
또한, DC 모터는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 로터와 스테이터로 나누어 모델링하였다. 로터와 스테이터 각각은 모터의 형태에 따라 그 구성이 다를 수 있는데 본 연구에서는 BLDC(Brushless DC) 모터를 고려하였다.
2에서 보는 바와 같이 로터와 스테이터로 나누어 모델링하였다. 로터와 스테이터 각각은 모터의 형태에 따라 그 구성이 다를 수 있는데 본 연구에서는 BLDC(Brushless DC) 모터를 고려하였다. 따라서 로터에는 영구자석과 프로펠러 등이 포함되고, 스테이터에는 권선과 지지프레임 등이 포함된다.
본 논문에서 제시한 모델링 및 제어기에 대한 검증을 위해서 시뮬레이션을 수행하였다. 쿼드로터가 비행할 임의의 경로점을 생성한 후, 쿼드로터가 그 경로점을 차례대로 지나도록 시나리오를 설정하였다.
본 논문에서는 모터와 관절의 운동을 포함한 6-자유도 쿼드로터에 대한 모델링을 수행하고, 궤환선형화 기법을 통해 제어기를 설계하였으며, 수치 시뮬레이션을 통해 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 기존의 4자유도 쿼드로터 시스템으로부터 더 나아가 5자유도, 6자유도 시스템으로 모델링을 일반화 하는데 주안점을 두었다. 본 논문의 2장은 6자유도 쿼드로터의 시스템 구성도를 제시함과 동시에 뉴턴의 법칙을 활용한 정밀한 모델링을 수행한다. 3장에서는 제시한 모델에 대해 궤환선형화 기법을 이용해 제어기를 설계하였다.
본 논문의 쿼드로터 모델링에는 지면 좌표계(Local Navigation Coordinate System) {I}, 프레임 좌표계(Frame Coordinate System) {F}, 스테이터 좌표계(Stator Coordinate System) {S}, 로터 좌표계(Rotor Coordinate System) {R}의 총 4개의 좌표계를 사용하였다. 또한 본 연구에서는 지면좌표계를 관성좌표계로 고려한다.
쿼드로터의 제어와 유도에 관해서는 많은 연구자들에 의해 연구가 이루어져 왔다. 우선, 제어분야에 있어서 쿼드로터의 비선형적인 모델의 특성을 효과적으로 다루기 위해서 Backstepping 기법이나, Sliding Mode 기법을 이용한 비선형 제어기가 설계되었으며[1-5], 궤환선형화 기법을 이용해 쿼드로터 모델을 선형화 시킨 후 제어기를 설계하였다[6-10]. 또한 쿼드로터의 동체를 한쪽 방향으로 360도 혹은 그 이상 회전시키는 Flip동작을 수행하거나[11], 특정한 궤도와 자세를 따라가는 급격한 기동은 물론[12], 공을 서로 주고받는 등의 정교한 기동도 가능하게 되었다[13].
제어기 설계를 위해 먼저 궤환선형화 기법을 통해 얻은 모델에 최적제어기법을 이용해서 Synthetic Input의 최적값을 계산한다. 이렇게 구한 Synthetic Input을 Modeling Input으로 변환하고, 마지막으로 Modeling Input을 실제 원동기 출력으로 변환시킨다. Fig.
이제 각 시스템의 외력과 외부모멘트를 분석해 본다. 우선, 로터가 받는 힘과 토크는 다음과 같다.
본 논문에서 제시한 모델링 및 제어기에 대한 검증을 위해서 시뮬레이션을 수행하였다. 쿼드로터가 비행할 임의의 경로점을 생성한 후, 쿼드로터가 그 경로점을 차례대로 지나도록 시나리오를 설정하였다. 4-자유도, 5-자유도, 6-자유도 시스템에 대해서 수행한 각각의 시뮬레이션 결과를 비교, 분석하였다.
이론/모형
이 장에서는 앞 장에서 유도한 운동방정식을 이용해 제어기를 설계한다. 제어기 설계를 위해 먼저 궤환선형화 기법을 통해 얻은 모델에 최적제어기법을 이용해서 Synthetic Input의 최적값을 계산한다. 이렇게 구한 Synthetic Input을 Modeling Input으로 변환하고, 마지막으로 Modeling Input을 실제 원동기 출력으로 변환시킨다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
쿼드로터의 제어를 다루는 기법은 무엇이 있는가?
쿼드로터의 제어와 유도에 관해서는 많은 연구자들에 의해 연구가 이루어져 왔다. 우선, 제어 분야에 있어서 쿼드로터의 비선형적인 모델의 특성을 효과적으로 다루기 위해서 Backstepping 기법이나, Sliding Mode 기법을 이용한 비선형 제어기가 설계되었으며[1-5], 궤환선형화 기법을 이용해 쿼드로터 모델을 선형화 시킨 후 제어기를 설계하였다[6-10]. 또한 쿼드로터의 동체를 한쪽 방향으로 360도 혹은 그 이상 회전시키는 Flip동작을 수행하거나[11], 특정한 궤도와 자세를 따라가는 급격한 기동은 물론[12], 공을 서로 주고 받는 등의 정교한 기동도 가능하게 되었다[13].
무인항공기 중 하나인 쿼드로터는 어떤 제한점을 갖는가?
정지비행이 가능하고, 간단한 기계적 메커니즘을 가진 쿼드로터는 이 같은 환경에서 활동도가 점차 증가하고 있다. 그러나 쿼드로터는 구조 특성에 따라 출력의 개수보다 입력의 개수가 작은 under actuated 시스템이므로, 쿼드로터 제어에 큰 제약이 따른다. 본 논문에서는 이와 같은 쿼드로터의 단점을 해결하기 위해서 4개의 원동기 외에 2개의 추가적인 원동기를 더 부착한 모델을 제안하여, 입력의 개수와 출력의 개수가 같은 fully actuated 시스템을 구현하도록 한다.
현재 무인항공기의 활용추이는 어떻게 되어가는가?
최근 들어 항공전자 장비의 빠른 발전으로 인해 무인항공기의 활용영역이 넓어지고 있다. 과거에는 주로 군사용으로 운용되기 위해 크기가 큰 무인항공기들이 주류를 이루었지만, 요즘에는 소형 무인항공기들이 민간용으로 많이 제작되고 있으며, 그 활용도 또한 영상촬영에서부터 물건수송에 이르기 까지 다양하게 확대되고 있다.
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