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1축 자세제어실험 장비를 이용한 SIMC 기반 쿼드로터 Cascade 제어기 적용에 관한 연구
Application of SIMC Based Quad-rotor Cascade Control by Using 1-axis Attitude Control Test-bench 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.19 no.6 = no.75, 2015년, pp.473 - 483  

최윤성 (부산대학교 항공우주공학과) ,  유영진 (부산대학교 항공우주공학과) ,  정진석 (부산대학교 항공우주공학과) ,  강범수 (부산대학교 항공우주공학과)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

본 논문에서는 1축 자세제어실험 장비를 제작하여 쿼드로터 형 무인항공기에 적용할 단일입력-단일출력 Cascade 제어기 실험을 수행하였다. 해당 장비는 두 개의 모터와 프로펠러에 의해 자세변화가 가능한 시소 형태로 구현하였고, 무게 추를 변경하여 회전축을 중심으로 상하 무게중심 이동이 가능하도록 제작하였다. 개발한 장비를 통해 Cascade 구조를 가지는 PID(각도)-PID(각속도) 제어기를 구성하여 실험을 수행하였으며, PID 이득의 조정을 용이하게 하는 SIMC 제어기 이득 조정 기법을 Cascade 제어에 접목하였다. 이를 위해 Matlab-Simulink 환경 하에 2차 시간 지연 모델을 구축하여 시스템 변수 추정을 수행하였다. 기존의 SIMC 조정 기법 적용 과정을 수행하여 그 특성을 파악하고, 적용 과정의 안정성 문제를 고려하여 수정된 방안을 제시하였으며, 이를 1축 자세제어실험 장비에 적용하여 기존의 과정과 수정된 과정을 비교 실험하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper reports the single-input-single-output cascade control by using 1-axis attitude control test-bench for quad-rotor UAV. The test-bench was designed as a see-saw shape using 2 motors and propellers, and to enable changing the center of gravity with the center of gyration using ballast. The ...

주제어

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
제어기 개발을 위한 비행 실험의 난점들은 무엇인가? 한편, 특정 임무에 투입되는 쿼드로터 플랫폼의 경우 개발 과정에서 잦은 형상 변화가 불가피하며 이로 인해 복잡한 제어기 실험 및 이득 조정 과정이 필수적으로 수반된다. 하지만 제어기 개발을 위한 비행 실험은 설계 오차, 환경요인에 의한 외란 등의 불확실성 요소로 인해 정확한 실험이 어렵고, 추락사고의 위험이 있어 쉽게 수행하기 힘든 난점이 있다. 또한, 실제 비행실험에서 플랫폼의 제어특성이 예상했던 수학적 모델과 다르게 나타날 경우, 조종사의 정성적 평가와 반복적인 비행 실험을 통해 이득 조정을 수행해야 하는데 이는 곧 개발에 소요되는 시간과 비용의 증가로 이어진다.
쿼드로터 형 무인항공기의 장점과 활용사례는? 최근 들어 쿼드로터 형 무인항공기가 전 세계적으로 주목받고 있다. 제자리 비행과 수직이착륙이 가능한 장점을 살려 항공촬영 및 환경감시, 정찰 등의 분야에서 수요가 급증하고 있으며, 이 밖에도 쿼드로터를 이용한 물류수송, 인명구조 등의 분야에서 활용사례들이 보고되고 있다. 한편, 특정 임무에 투입되는 쿼드로터 플랫폼의 경우 개발 과정에서 잦은 형상 변화가 불가피하며 이로 인해 복잡한 제어기 실험 및 이득 조정 과정이 필수적으로 수반된다.
특정 임무에 투입되는 쿼드로터 플랫폼의 경우 복잡한 제어기 실험 및 이득 조정 과정이 필수적으로 수반되는 이유는? 제자리 비행과 수직이착륙이 가능한 장점을 살려 항공촬영 및 환경감시, 정찰 등의 분야에서 수요가 급증하고 있으며, 이 밖에도 쿼드로터를 이용한 물류수송, 인명구조 등의 분야에서 활용사례들이 보고되고 있다. 한편, 특정 임무에 투입되는 쿼드로터 플랫폼의 경우 개발 과정에서 잦은 형상 변화가 불가피하며 이로 인해 복잡한 제어기 실험 및 이득 조정 과정이 필수적으로 수반된다. 하지만 제어기 개발을 위한 비행 실험은 설계 오차, 환경요인에 의한 외란 등의 불확실성 요소로 인해 정확한 실험이 어렵고, 추락사고의 위험이 있어 쉽게 수행하기 힘든 난점이 있다.
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참고문헌 (9)

  1. S. Skogestad, “Simple analytic rules for model reduction and PID controller tuning,” Journal of Process Control, Vol. 13, No. 4, pp. 291-309, June 2003. 

  2. K. J. Astrom and T. Hagglund, Advanced PID Control, International Society of Automation, 67 TW Alexander Dr, Research Triangle Park, NC 27709, USA, pp. 373-377, 2006. 

  3. R. G. Franks and C. W. Worley, “Quantitative analysis of cascade control,” Industrial & Engineering Chemistry, Vol. 48, No. 6, pp. 1074-1079, June 1956. 

  4. G. K. McMillan, "Effect of cascade control on loop performance," in IEEE American Control Conference, Arlington; VA, pp. 363-368, 1982. 

  5. R. Czyba and G. Szafranski, "Control structure impact on the flying performance of the multi-rotor VTOL platform - design, analysis and experimental validation," International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 10, No. 62, Jan. 2013. 

  6. B. Godbolt and A. F. Lynch, "A novel cascade controller for a helicopter UAV with small body force compensation," in IEEE Proceeding of American Control Conference, Washington; DC, pp. 800-805, June 2013. 

  7. J. B. Song, Autonomous control of quad rotor and quad tilt prop UAV with SIMC-based cascade control, Ph.D. dissertation, Pusan National University, Busan, Korea, 2015. 

  8. H. Bolandi, M. Rezaei, R. Mohsenipour, H. Nemati, and S. Smailzadeh, “Attitude control of a quad-rotor with optimized PID controller,” Intelligent Control and Automation, Vol. 4, No. 3, pp. 335-342, 2013. 

  9. D. E. Rivera, M. Morari, S. Skogestad, "Internal model control. 4. PID controller design," Industrial & Engineering Chemistry Process Design Development, Vol. 25, No. 1, pp 252-265, 1986. 

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