[논문]쿼드콥터 제어 방법 고찰

윤종현; 이승희; 박종현; 한철희

doi:10.22710/jict.2015.5.2.013

쿼드콥터 제어 방법 고찰
Review on the Control Methods of Quadcopters 원문보기

윤종현 (한양대학교 기계공학과) , 이승희 , 박종현 , 한철희 (한국교통대학교 항공.기계설계학과)

Recently, quadcopters have been popular as aerial drones. The structure of quadcopters is simpler than traditional helicopters and they are easy to construct and maneuver. Various hardware platforms for quadcopters have been developed. However, the controller design is not easy due to the requirement of 6-DOF flights using 4 rotors(control inputs)(under-actuated systems). In order to overcome the underactuation problem, various control methods - PID, LQR, $H_{\infty}$, SMC, backstepping control, and etc. - have been suggested for the control of quadcopters. In this paper, dynamic features and control methods of quadcopters are reviewed and evaluated. Future works are proposed for designing the advanced controllers of quadcopters.

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문제 정의

2장에서는 쿼드콥터의 기본 메커니즘과 연구진행을 위해 사용된 수학적 모델링 방법들을 소개하고 이로부터 알 수 있는 쿼드콥터의 동역학적 특성을 살펴보고자 한다. 니즘과 수학적모델링 방법을 소개하고자 한다.
2장에서는 쿼드콥터의 기본 메커니즘과 연구진행을 위해 사용된 수학적 모델링 방법들을 소개하고 이로부터 알 수 있는 쿼드콥터의 동역학적 특성을 살펴보고자 한다. 니즘과 수학적모델링 방법을 소개하고자 한다.
본 논문에서는 쿼드콥터의 개발 상황, 구조, 제어 방법들에 대해 조사하여 쿼드콥테에 관심 있거나 연구를 시작하려는 사람들의 이해를 돕고 연구방향을 제시하고자 한다. 2장에서 쿼드콥터의 구조와 메커니즘, 수학적 모델링 방법에 대해 설명하고 3장에서는 현재까지 개발된 쿼드콥터 제어 방법들에 대해 설명한다.
본 논문에서는 쿼드콥터의 개발 상황과 동역학적 특성 및 제어 방법들에 대하여 알아봤다. 쿼드콥터가 under-actuated 시스템의 특성을 보이기 때문에 제어 방법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는 것을 확인 할 수 있었다.

가설 설정

2) 쿼드콥터는 완벽한 대칭구조이다.
3) 쿼드콥터 모드 구성성분은 하나의 강체로 본다.

제안 방법

회전과 관련하여 원하는 Euler 각도를 유지하도록 하는 자세 제어(attitude control), 추력 조정을 통해 원하는 높이까지 갈 수 있도록 하는 고도 제어(altitude control), 그리고 원하는 xy평면상의 지점에 도달 할 수 있도록 하는 위치 제어(position control)가 그것이다. 이번 장에서는 기존 쿼드콥터 개발 및 연구에서 앞서 말한 자세, 고도, 위치를 제어하는데 사용된 제어 방법들을 선형 방법, 비선형 방법, 기타 제어 방법으로 나누어 설명하고자 한다.
의 초기 연구에서는 2장에서 소개 한 바와 같이 hovering하고 있는 쿼드콥터의 자세 제어와 고도 제어에 대해서만 다뤘기 때문에 Euler 각도에 대한 PID 제어 만으로도 충분한 결과를 얻을 수 있었다. 하지만 자율 비행을 위해서는 위치 제어도 함께 이뤄져야했는데, 이를 위해는 그는 xy평면상에서 작용하는 가상의 힘을 설정하고 이를 PID 제어를 통해 제어 했다. 이처럼 under-actuated한 쿼드콥터의 직선 운동을 제어하기 위해 Bouabdallah^{2), 20),21)}과 같이 가상의 힘을 설정하기도 하고 Habib¹⁴⁾의 경우에는 원하는 x-y 궤적정보로부터 이동에 필요한 roll, pitch를 계산해 사용하기도 했다.

이론/모형

LQR 제어 방법은 Bouabdallah²⁾, Agentim⁴⁾ 등이 사용했다. 이 제어 방법은 쿼드콥터의 동역학식을 선형화하여 선형 상태-공간 방정식의 형태로 만들어 이로부터 quadratic cost function
NE 방법은 Newton 제2법칙으로 쿼드콥터에 작용하는 힘과 모멘트 보존 법칙을 이용하여 표현하는 방법으로 Bouabdallah^{2), 20), 21)}, Habib¹⁴⁾들이 사용했다. 각각의 논문에서 식 (5)와 같이 표현했다.
쿼드콥터 연구를 위해서는 쿼드콥터 모델을 표현할 동역학식이 필요하다. 쿼드콥터 동역학식을 구할 때에 로봇의 동역학식을 구할 때와 마찬가지로 Newton-Euler(NE) 방법^{29), 30)}과 Euler-Lagrange(EL) 방법^{29), 30)}을 이용됐다. 이 방법들을 사용하기에 앞서 다음 3가지를 가정한다.

성능/효과

1) 쿼드콥터의 무게중심은 쿼드콥터의 정중앙에 위치한다.
특히나 SMC는 기대에 미치지 못하는 성능으로 적용이 불가능하다고 평가하기도 했다. 그래서 그는 PID 제어기의 특성과 backstepping 제어기를 합친 Integral Bastepping 제어기를 이용하여 실제 하드웨어에서 충분한 성능을 낼 수 있음을 보였다. 하지만 Habib⁷⁾의 경우에는 GA를 이용한 제어 이득 설계를 통해 두가지 모두 독립적으로 사용해도 충분한 성능을 낼 수 있음을 보여줬다.
그는 H_∞ 방법을 이용해 외란에도 강인한 쿼드콥터의 자세 제어가 가능하다는 것을 보여줬다. 그의 연구에서는 자율비행을 위해 고도와 위치 제어는 다른 제어 방법인 모델예측제어(MPC)을 사용하여 외란이 발생해도 steady-state 오차가 0이 되도록 궤적 추종하는 것을 보여줬다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

드론 중 쿼드콥터의 특징은?

최근 드론 중에서도 +(플러스) 나 x(엑스) 모양의 본체 구조물 끝에 평행한 방향으로 프로펠러추진 시스템을 장착하여, 구조와 제작 방법이 매우 간단하고 4개의 모터 속도 조절로 6자유도의 움직임 구현이 가능한 쿼드콥터가 널리 이용되고 있다. 쿼드콥터는 수직 이착륙(VTOL) 비행체의 개발과정에서 그 개념이 만들어 졌고, 1920년경에 사람이 직접 탑승하여 조종하는 형태로 만들어진 쿼드콥터가 처음으로 비행에 성공했다고 한다1).

쿼드콥터 동역학식을 구할 때 NE나 EL 같은 방법을 사용하는데 그전에 가정해야 하는 3가지는?

1) 쿼드콥터의 무게중심은 쿼드콥터의 정중앙에 위치한다. 2) 쿼드콥터는 완벽한 대칭구조이다. 3) 쿼드콥터 모드 구성성분은 하나의 강체로 본다.

쿼드콥터의 제어 방법으로 무엇이 이용되고 있는가?

쿼드콥터가 비록 간단한 구조를 가지고 있지만 4개의 입력만을 갖고 있기 때문에 under-actuated 시스템의 형태이므로 쿼드콥터의 제어는 간단하지 않다. 이런 쿼드콥터의 제어 방법으로 선형 제어 방법 중에서 PID 제어2)-6)나 LQR 제어2), 4), H∞ 제어7) 방법이, 비선형 제어 방법 중에서는 모델 예측 제어(MPC)8)-9), SMC 와 basckstepping 제어7), 10)-14), 적응 제어15) 방법들이 이용되고 있다. 앞서 언급한 제어 방법들을 합쳐 사용하는 방법도 제안됐고 퍼지 제어14), 16-18)나 신경망 회로 방법19)과 같은 방법으로 학습 제어를 이용하기도 한다.

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