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다종 센서 융합의 신뢰성 향상을 통한 쿼드로터 자세 제어
Attitude Control of Quad-rotor by Improving the Reliability of Multi-Sensor System 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.5, 2015년, pp.517 - 526  

유동현 (전북대학교 전자공학부) ,  박종호 (서남대학교 전기전자공학과) ,  류지형 (한국전자통신연구원 호남권연구센터) ,  정길도 (전북대학교 전자공학부)

초록
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본 논문은 쿼드로터 자세제어의 신뢰성 향상을 목적으로 다종 센서 구성 및 다종 센서 데이터 융합 알고리즘 적용을 연구한 결과이다. 먼저, 쿼드로터에 대한 동역학적 모델링에 관한 수식을 도출하였으며, 획득된 수식을 기초로 쿼드로터에 대한 수학적 모델링을 진행하였고 이를 기반으로 신뢰성이 향상된 다종 센서 데이터를 입력으로 하는 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 쿼드로터 자세제어를 위해 다종 센서 데이터의 신뢰성 향상이 필요했으며 이를 위해 다종 센서 데이터 입력에 대한 칼만 필터링를 진행하였고, 이후 쿼드로터의 수학적 모델링에 적용하여 오차를 보상토록 하였다. 관련 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 실제 쿼드로터 시스템에 적용하기 위하여 쿼드로터를 짐벌에 장착한 실제 시스템을 구성하였고 이후 쿼드로터를 호버링 상태에서 사용자가 요구하는 각도 변화에 따른 실험을 수행하였다. 실제 실험을 통한 쿼드로터 자세제어 데이터를 산출하였으며, 이를 바탕으로 추가적인 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 설계한 다종 센서 및 쿼드로터 자세 제어 시스템의 성능 검증을 진행하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents the results of study for improving the reliability of quadrotor attitude control by applying a multi-sensor along with a data fusion algorithm. First, a mathematical model of the quadrotor dynamics was developed. Then, using the quadrotor mathematical model, simulations were perf...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한 연구 수행을 위하여 센서 측정 데이터를 시뮬레이션에 사용하여 제안한 알고리즘의 유효성을 검증하였고, 검증된 자세 추정 알고리즘을 적용한 쿼드로터 시스템을 짐벌에 장착하여 실험하였다. 본 논문에서는 칼만 필터를 이용한 다종센서의 바이어스(Bais) 오차 추정 및 데이터 융합을 시도하는 자세 추정 방법을 제안한다. 실제 쿼드로터 시스템 제어는 구조가 간편하고 구현이 쉬운 PD 제어기를 사용하였다.
  • 이러한 단점은 각 센서의 서로 다른 장점을 이용하여 각도를 추정하면 보다 정확한 쿼드로터의 자세를 얻을 수 있다. 센서 데이터 융합에서 실제 시스템에 실시간으로 적용할 수 있는 칼만 필터를 이용하여 오차 추정 및 각도를 결합하는 방법을 설명하고자 한다.
  • 저가의 관성 센서는 결함 없이 제작되어지지만 센서의 바이어스, 잡음 등에 의해 출력이 불안정하다. 이러한 문제점과 각 센서의 단점을 상호 보안하기 위하여 다종의 센서 융합을 통해 자세에 대한 신뢰성을 향상시키고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
쿼드로터(Quad-rotor) 무인항공기가 어떤 산업에서 많은 관심을 받는가? 무인항공기 분야의 연구 경향 중 하나는 작은 사이즈의 수직 이착륙이 가능한 무인항공기를 개발하는 것이다. 그 중 쿼드로터(Quad-rotor) 무인항공기에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며 개인 취미 활동뿐만 아니라 사람의 접근이 용이하지 않은 재해 환경 조사, 재난 구조 및 감시, 환경 분야 등 여러 산업 분야에서 많은 관심을 받고 있다.
무인 항공기의 장점은? 현재 무인항공기(Unmanded Aerial Vehicle, UAV) 시스템은 세계 유수의 대학 연구소 및 관련 산업체로부터 많은 관심을 받고 있다. (1) 무인 항공기는 유인 항공기에 비하여 상대적으로 크기가 작고 운용을 위한 비용 및 항공기 손실에 대한 위험 부담이 적다. 이러한 이점으로 인하여 현재 미국, 일본, 유럽 등 여러 나라에서 새로운 분야에 적용하고 있고 최신 전자 장비 및 각종 제어 알고리즘 적용을 위한 테스트 장비로써 적극 활용(2)되고 있다.
쿼드로터 시스템의 각각의 로터 역할은? 쿼드로터 시스템은 4개의 프로펠러로 구성되어 있고 수직이착륙과 호버링(Hovering)이 가능하여 공간적 제약이 적다는 장점을 가진다. 각각의 로터는 서로 대칭을 이루고 있어 균형을 잡기 쉽고반 토크를 상쇄하는 역할을 한다. 헬리콥터에 비해 스와즈 판(Swash plate)이 없어 기계적으로 간편한 구조를 가지며 수리가 간단하다.
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참고문헌 (9)

  1. Byeon, S. M., Lee, K. M. and Yoon, S. H., 2013, "An Autonomous Navigation Algorithm for Quadcopter Using Multiple Seonsors," Korean Engineering-Art Institute Journal, Vol. 5, No. 1. 

  2. Goel, R., Shah, S. M., Gupta, N. K. and Ananthkrishnan, N., 2009, "Modeling, Simulation and Flight Testing of an Autonomous Quadrotor," Proceedings of ICEAE 2009. 

  3. Salazar-Cruz, S. and Lozano, R., 2005 "Stabilization and Nonlinear Control for a Novel Trirotor Mini-aircarft," 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.2612-2617. 

  4. Kim, H., Jeong, S. H., Chong, K. T. and Lee, D. J., 2014, "Dynamic Modeling and Control Techniques for Multi-Rotor Flying Robots" Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 38, No. 2, pp. 137-148. 

  5. Yun, H. J., Choi, H. Y. and Lee, J. S., 2014, "CFD-based Thrust Analysis of Unmanned Aerial Vehicle in Hover Mode : Effects of Single Rotor Blade Shape," Trans. Korean Soc. Mech. Eng, A, Vol. 38, No. 5, pp. 513-520. 

  6. Chowdhary, G. and Jategaonkar, R., 2006, "Aerodynamic Parameter Estimation rom Flight Data Applying Extended and Unscented Kalman Filter," DLR Institute for Flight System, Braunschweig, Germany, AIAA 2006-6146. 

  7. Wan, E. A. and van der Merwe, R., 2000, "The Unscented Kalman Filter for Nonlinear Estimation" IEEE Symposium 2000. 

  8. Abas, N., Legowo, A. and Akmeliawati, R., 2011, "Parameter Identification of and Autonomous Quadrotor," International Conference on Mechatronics (ICOM). 

  9. Lee, K. U., Yun, Y. H., Chang, W., Park, B. J. and Choi, H. Y., 2011, "Modeling and Controller Design of Quadrotor UAV," KIEESummer Conference 2011. 

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