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진동에 강인한 센서 융합 필터와 개선된 PID 제어 방식을 이용한 쿼드콥터의 자세 제어
Posture Stabilization Control of QuadCopter Using Sensor Fusion and Modified PID Control 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.18 no.3, 2014년, pp.376 - 382  

조영완 (Dept. of Computer Engineering, Seokyeong University) ,  김현수 (Dept. of Computer Engineering, Seokyeong University)

초록
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본 논문은 4개의 BLDC 모터를 이용한 쿼드콥터 무인비행체의 센서 신호 성능 개선을 위해 진동에 강인한 센서융합 방식을 제안하고 이를 기반으로 하여 자세제어를 위한 개선된 PID 제어 기법을 제안한다. 쿼드콥터의 자세추정을 위해 사용하는 가속도 센서와 자이로 센서 각각의 특성에서 나타나는 단점을 상호 보완하고 모터에서 발생하는 진동의 영향을 최소화하도록 상보필터를 적용하여 두 센서를 융합하는 방법을 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 센서 융합 방식은 쿼드콥터의 방진을 위해 일반적으로 사용되는 이동평균 필터나 저역통과 필터에 비해 진동에 더욱 강인하고 지연이 적은 결과를 얻을 수 있었다. 또한 쿼드콥터의 자세 제어를 위해 일반적으로 사용되는 PID 제어 중 D 제어 성분을 추정된 각도의 변화량을 이용하는 대신 자이로 센서를 사용하는 쿼드콥터의 특성에 맞게 자이로 센서 출력을 사용하는 방식을 제안하여 사용함으로써 자세 제어 오차를 줄일 수 있고 자세 제어의 안정화가 보다 용이하게 이루어질 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we propose a advanced attitude PID controller and sensor fusion method robust to the vibration of the quadcopter unmanned air vehicle using four BLDC motors. When the gyro sensor and acceleration sensor are fused, a complementary filter is designed to ignore the vibrations generated b...

주제어

#Quadcopter   #Vibration   #Complementary Filter   #Attitude Control   #PID Control  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 추정된 자세 각으로는 두 센서를 융합한 결과를 사용하기 때문에 가속도 센서의 오차를 일부 포함하고 있어 오차의 변화를 정확히 반영하지 못한다. 따라서 이를 개선하기 위해 본 논문에서는 자세의 변화량을 반영할 때 추정된 각도의 변화량을 사용하는 대신 더욱 정확할 수 있는 자이로 센서로부터 얻은 각속도를 D 성분에 사용함으로써 보다 개선된 제어 효과를 얻을 수 있도록 하였다.
  • 두 센서는 같은 물리량을 측정할 수 있는 센서이고 특성이 상호보완적이므로 융합을 통해서 각 센서의 단점을 보완할 수 있다. 본 논문에서는 상보필터(Complementary Filter)를 통해 두 센서의 특성을 상호 보완적으로 융합하는 방식을 제안한다. 알려진 상보필터 식은 (4)와 같다 [1][4].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
3축 가속도 센서란? 3축 가속도 센서는 x축, y축, z축 각각에 대한 가속도를 측정하는 센서이다. 지구에서는 항상 중력가속도가 작용하기 때문에 강체에 고정된 가속도 센서는 기울어짐에 따라 중력가속도가 각 축으로 분산되어 측정된다.
쿼드콥터는 헬리콥터에 비해 어떠한 장점을 가지는가? 최근 자율주행이 가능한 무인시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있고 그 중 무인 항공기 분야는 사람이 쉽게 다가갈 수 없는 지역을 자유롭게 탐사하여 영상을 기록하거나 특정 임무를 수행하는 등 쓰임새가 다양하다[1][5]. 쿼드콥터는 대표적인 수직이착륙 항공기인 헬리콥터보다 구조가 단순하고 수학적 모델도 비교적 간단하기 때문에 제어가 용이한 장점으로 많은 연구가 진행되고 있다[5][6]. 
BLDC 모터에서 발생하는 진동을 무시하기 위해 어떠한 필터를 사용하는가? 쿼드콥터의 네 개의 고정익을 회전시키는 구동체로 BLDC 모터가 사용되는데 이 모터를 사용하여 비행할 때 발생하는 진동은 가속도 센서와 자이로 센서에 많은 영향을 미치게 된다. 이 진동을 무시하기 위해 소프트웨어적으로 이동평균필터나 저역통과필터를 사용하지만 이들은 Smooth 성능이 높을수록 지연효과가 커지는 단점이 있고 칼만 필터나 파티클 필터와같이 연산량이 많은 필터는 저사양 연산장치에서 실시간 자세 추정이 어렵다는 단점이 있다[5]. 따라서 모터 진동에 의해 야기되는 센서 진동의 특성을 개선 하기 위해서는 두 센서가 가지는 특성의 장단점을 상호 보완하여 진동 저감의 특성을 갖는 동시에 각 센서의 단점을 보완할 수 있는 센서 융합 방식이 필요 하다[2][4].
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참고문헌 (6)

  1. J. H. Kim, H. G. Min, J. D. Cho, J. H. Jang, S. H. Kwon, E. T. Jeung "Design of angular estimater of inertial sensor using the least square method" World Academy of Science, Engineering and Technology 60 2009, article No.87, 2009. 

  2. M. Euston, P. Coote, R. Mahony, J. Kim, and T. Hamel. "A complementary filter for attitude estimation of a fixed-wing uav." In IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2008. IROS 2008, pages 340-345, 2008. 

  3. C. Sammut, M. W. Kadous "Control of A 4-Rotor Blade Helicopter" Thesis report submitted as a requirement for the degree Bachelor of Engineering, November 3, 2004 

  4. I. Sa and P. Corke, "Estimation and control for an open-sourcequadcopter," in Proc. Australian Conf. Robotics and Automation, 2011. 

  5. Jin-Seok Kim, Young-Do Lim, and Jea-Young Heo "The Simulator for Control of Quadcopter using Sensor Combination" Korean Institute of Information Technology 10 7, July, 2012 

  6. N. Michael, D. Mellinger, Q. Lindsey, and V. Kumar, "The GRASP multiple micro UAV testbed" IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 17, no. 3, pp. 56-65, Sept. 2010. 

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