[논문]시간지연 제어기를 이용한 쿼드로터 시스템의 고도제어에 대한 연구

임정근; 정슬

doi:10.5302/j.icros.2014.13.1947

[국내논문] 시간지연 제어기를 이용한 쿼드로터 시스템의 고도제어에 대한 연구
Altitude Control of a Quad-rotor System by Using a Time-delayed Control Method 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.7, 2014년, pp.724 - 729

임정근 (충남대학교 메카트로닉스공학과) , 정슬 (충남대학교 메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the altitude control of a quadrotor system under the disturbance. The altitude is measured by an ultra sonic sensor attached at the bottom of the quadrotor system and the measured altitude data are used in the time-delayed controller. To test the robustness of the controller, a weight attached to the center of the system is dropped intentionally several times to cause disturbances to the system. Performances of the altitude control by the PID control and time-delayed control method are compared experimentally. Experimental studies are conducted to verify the outperformance of the time-delayed controller for controlling the altitude of the quadrotor system under disturbances.

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문제 정의

본 논문에서는 시간지연 제어기를 사용하여 고도제어를 수행하는 실험을 수행하였다. 초음파 센서를 통해 고도를 측정하였고 PID 제어방식과 시간지연 제어 방식의 성능을 비교하기 위해 외란이 주어진 상황에서 고도제어를 실험하였다.
비행체는 임무를 수행할 때, 바람과 같은 외란의 영향을 많이 받는다. 따라서 본 논문에서는 이러한 외란의 영향을 줄이고 성능을 개선하기 위해 시간 지연 제어를 시스템에 적용하였다.
본 논문에서는 대표적인 VTOL 시스템인 쿼드로터 시스템의 고도제어에 대해 기술하였다. 외란에 약한 쿼드로터 시스템의 성능을 개선하기 위해 시간지연제어기를 적용하였다.

가설 설정

6m 이상 에서는 오차가 점점 크게 나타났다. 따라서 본 실험에서는 고도의 높이를 0.5m로 설정하고 실험하였다.

제안 방법

특히 호버링의 강점을 보여주는 VTOL 구조의 비행체에서는 더욱 그러하다. 바람과 같은 외란은 자세뿐만 아니라 고도 유지에도 영향을 미치기 때문에 본 논문에서는 외란에 강건하다고 알려져 있는 시간 지연 제어를 고도제어에 적용하였다[20,21].
선행연구에서는 외란관측기를 이용하여 쿼드로터 시스템을 실외에서 제어하였고[8] 시간지연제어기를 이용하여 자세 제어를 수행하였다. 그리고 실험대위에 놓여 있는 쿼드로터의 자세를 제어하는 실험을 수행하였다[13].
본 논문에서는 시간지연 제어기를 사용하여 고도제어를 수행하는 실험을 수행하였다. 초음파 센서를 통해 고도를 측정하였고 PID 제어방식과 시간지연 제어 방식의 성능을 비교하기 위해 외란이 주어진 상황에서 고도제어를 실험하였다.
외란이 포함된 z축 방향으로의 동적 모델은 시스템의 무게를 사용하였고, 가속도 성분은 3축 가속도 센서로 측정한 가속도를 자세에 대해 보정하여 z축 방향의 성분을 사용하였다. 센서를 통해 측정한 가속도는 잡음이 많이 포함되어 있어, 이를 제거하기 위해 1차 저역통과필터의 간단한 형태로 Q 필터를 설계하였다.
시간지연제어기를 구성하기 위해 센서로 측정한 가속도와 시스템의 모델로 계산한 외란이 포함된 동적 모델과 외란이 포함되지 않은 이전 추력과의 차이를 통해 외란을 포함한 모델을 예측하였다. 그리고 제어기의 성능을 실험하기 위해 쿼드 로터의 상단에서 무게추를 떨어뜨려 동일한 외란을 모사하여 선형제어기인 PID 제어기와 시간지연제어기를 비교하였다.
시간지연제어기를 구성하기 위해 센서로 측정한 가속도와 시스템의 모델로 계산한 외란이 포함된 동적 모델과 외란이 포함되지 않은 이전 추력과의 차이를 통해 외란을 포함한 모델을 예측하였다. 그리고 제어기의 성능을 실험하기 위해 쿼드 로터의 상단에서 무게추를 떨어뜨려 동일한 외란을 모사하여 선형제어기인 PID 제어기와 시간지연제어기를 비교하였다.
이를 위해 PWM에 따른 추력시험을 하였고, 실제 추력과 프로그램의 제어 입력상의 상관관계 CRF 을 실험적으로 구하였다.
시간 지연 제어는 외란이 포함된 동적 모델을 얻기 위해 가속도 센서로 측정한 가속도 값과 시스템의 모델을 이용한다. 본 논문에서는 글로벌 좌표의 z축 방향의 성분만 관심이 있으므로 시스템의 무게를 관성으로 사용하였다.
하지만 센서를 통해 측정된 가속도는 많은 노이즈를 포함 하고 있다. 따라서 본 논문에서는 1차 저역통과필터의 형태로 설계된 Q 필터를 사용하여 노이즈 성분을 제거하였다.
센서의 성능을 테스트하기 위해 실측 거리와 센서로 측정한 거리를 비교하였다. 그 결과 그림 4에 나타난 것처럼 0.
그림 4. 실측거리와 센서로 측정한 거리 비교.
고도제어를 할 때에는 초음파 센서의 특징 때문에 주기가 큰 주파수를 입력으로 주어야 더 먼 거리를 측정할 수 있다. 따라서 본 논문에 서는 고도제어에 대한 제어주기를 26ms로 설정하였다.
시간지연제어기와 PID 제어기의 성능을 비교하기 위해서 그림 7과 같이 시스템을 구성하였다. 자세제어에 영향을 주지 않기 위해서 시스템의 무게중심에 외란이 가해지도록 가운데 부분에 무게추가 있는 원통을 설치하였다. 무게추는 원통 안에서 자유롭게 움직일 수 있도록 시스템을 설계하였다.
자세제어에 영향을 주지 않기 위해서 시스템의 무게중심에 외란이 가해지도록 가운데 부분에 무게추가 있는 원통을 설치하였다. 무게추는 원통 안에서 자유롭게 움직일 수 있도록 시스템을 설계하였다.
외란을 주기 위해 그림 8에 보여진 것처럼 160g의 무게 추를 약 0.1m의 일정한 높이에서 손으로 잡고 있다가 주기적으로 떨어뜨려 실험을 하였다.
먼저 고도제어를 수행하였다. 그림 9와 같이 목표고도를 0.
그림 9. 외란을 주었을 때 제어기의 성능 비교.
외란에 대한 제어기의 성능을 실험하기 위해서 시스템의 무게 중심에 원통을 설치하고 일정한 높이에서 무게 추를 주기적으로 낙하시키며 시간지연제어기와 PID 제어기의 성능을 비교하였다.
본 논문에서는 대표적인 VTOL 시스템인 쿼드로터 시스템의 고도제어에 대해 기술하였다. 외란에 약한 쿼드로터 시스템의 성능을 개선하기 위해 시간지연제어기를 적용하였다. 외란에 대한 제어기의 성능을 실험하기 위해서 시스템의 무게 중심에 원통을 설치하고 일정한 높이에서 무게 추를 주기적으로 낙하시키며 시간지연제어기와 PID 제어기의 성능을 비교하였다.

대상 데이터

6m 로 실내에서도 비행할 수 있도록 소형으로 제작하였다. MCU는 DSP28346을 사용하였고 자세제어에 대한 제어주기는 2ms이다. 고도제어를 할 때에는 초음파 센서의 특징 때문에 주기가 큰 주파수를 입력으로 주어야 더 먼 거리를 측정할 수 있다.

성능/효과

그림 10에서와 같이 외란에 대한 영향력이 시간지연제어 기의 경우에 PID 제어기보다 약 1/2만큼 줄어든 것을 확인할 수 있다. 따라서 시간지연제어기를 사용하였을 때가 PID 제어기를 사용하였을 때보다 낙하 거리가 더 짧은 것을 확인할 수 있다.
외란에 대한 제어기의 성능을 실험하기 위해서 시스템의 무게 중심에 원통을 설치하고 일정한 높이에서 무게 추를 주기적으로 낙하시키며 시간지연제어기와 PID 제어기의 성능을 비교하였다. 시간지연제어기를 사용하였을 때, 고도의 오차가 반으로 줄었으며, 기준고도로의 수렴시간이 더 짧은 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 외란에 대한 시간지연제어기의 성능이 PID제어기의 성능보다 나은 것을 확인할 수 있었다.
시간지연제어기를 사용하였을 때, 고도의 오차가 반으로 줄었으며, 기준고도로의 수렴시간이 더 짧은 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 외란에 대한 시간지연제어기의 성능이 PID제어기의 성능보다 나은 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공기의 두 가지 형태인 CTOL과 VTOL 각각의 장단점은 무엇인가?	항공기는 크게 두 가지의 형태로 나눌 수 있다. CTOL (Conventional Take-Off and Landing)은 동력효율이 좋은 반면 활주로와 같은 넓은 공간이 필요하다. 하지만 VTOL (Vertical Take-Off and Landing)은 동력효율이 CTOL에 비해 좋지 않지만 좁은 공간에서의 이착륙이 가능하고, 호버링이 가능하다.
	쿼드로터 시스템이란 무엇인가?	쿼드로터 시스템은 반대방향으로 회전하는 2쌍의 로터에서 발생하는 추력 FF, FB, FL, FR 을 이용해 병진운동 P = [x y z]T 과 회전운동 q = [ φ θ ψ ]T 을 하는 대표적인 과소작동기(underactuated system)이다. 글로벌 좌표에서 쿼드로터의 선속도와 각속도는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
	시간 지연 제어는 무엇을 통해 불확실성을 예측하는가?	시간 지연 제어는 방식이 매우 간단하고 실시간이 가능하여 제어 효과가 좋다. 시간 지연 제어는 외란이 포함된 동적 모델에서 외란이 포함되지 않은 이전 추력의 차이를 통해 불확실성을 예측한다. 이를 위해 이전 추력을 사용하기 때문에 제어주기는 시간 지연 제어기에서 가장 중요한 요소 중의 하나이다.

참고문헌 (21)

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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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