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[국내논문] Intelligent-PID 제어기를 사용한 드론용 짐발 시스템의 안정화기 설계
The Stabilization Loop Design for a Drone-Mounted Camera Gimbal System Using Intelligent-PID Controller 원문보기

韓國ITS學會 論文誌 = The journal of the Korea Institute of Intelligent Transportation Systems, v.15 no.1, 2016년, pp.102 - 108  

변기식 (부경대학교 제어계측공학과) ,  조형래 (한국해양대학교 전파공학과)

초록
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비행중인 드론에는 매우 다양한 주파수 성분의 진동이 발생되고, 이러한 진동 환경에서 드론에 장착된 카메라로부터 깨끗하고 안정된 영상을 획득하기 위해서는 짐발 시스템의 안정화 설계가 필요하다. 짐발 시스템은 카메라 모듈을 지지하는 구조와 외부로 부터의 진동을 차단하면서 정확한 각도를 추종하는 안정화기로 구성된다. 본 논문에서는 짐발시스템의 한 축에 대한 동역학 모델을 세우고 이에 대한 고전적인 PID제어기를 적용하여 본다. 또한 시스템에 대한 동적 모델 없이 Intelligent-PID 제어기를 설계하고, 두 제어기의 성능을 MATLAB/Simulink을 이용한 시뮬레이션으로 비교하여 본다. 이들을 통하여, Intelligent-PID 제어기는 동역학 모델을 거의 필요로 하지 않고도 설계가 가능하고, 모델의 특성이 변하여도 제어기의 파라미터를 재조정할 필요가 없이 진동을 차단하고 각도를 추종 할 수 있는 제어강인성을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A flying drone generates vibrations in a great variety of frequencies, and it requires a gimbal system stabilization loop design in order to obtain clean and accurate image from the camera attached to the drone under this environment. The gimbal system for drone comprises the structure that supports...

Keyword

#드론   #짐발시스템 안정화기   #Intelligent-PID제어기   #비모델 제어기  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 짐발 시스템의 3 축에 대한 모델링 과정이 동일하므로, 중복성을 피하기 위하여 한 축에 대한 동적모델을 유도한다. 모델링된 플랜트에 대하여 기존의 PID 및 I-PD제어기(Integral Propotioanl-Derivative Controller)를 설계하여 외란에 대한 각속도 응답특성을 MATLAB/Simulink를 통하여 시뮬레이션 한다.
  • 시스템을 해석하고 설계하기 위하여 우선 수행할 일은 제어하고자 하는 동적 시스템을 수학적으로 표현하는 모델링 작업이다. 일반적으로 시간역 모델링 방법인 상태공간모델식과 에너지 접근법인 Lagrange 방정식을 이용한 모델식을 기반으로 제어 기를 설계하고 있지만, 본 연구에서는 비선형 요소와 불확실한 요소가 많은 복잡한 시스템에 대하여 모델링 없이 제어기를 설계하는 방법에 대하여 기술한다.
  • 짐발 시스템의 안정화 구동장치에 대한 제어는 PID제어 기법이 가장 많이 사용되고 있는데, 제어대상에 시간지연이 존재하거나 혹은 외란 등의 특성이 변화하면 파라미터의 재조정이 필요해 진다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 본 연구에서는 Intelligent-PID제어 기법을 짐발시스템의 안정화 구동제어에 적용하여 보았다. 기존 PID제어 기법과의 응답특성을 비교하기 위하여 드론의 3축 운동 중에서 한 축에 대한 동적 모델을 유도하였고, 이 모델을 기반으로 PID 및 I-PD제어의 각속도 응답특성을 시뮬레이션 및 비교 검토 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
짐발 시스템은 어떻게 구성되는가? 비행중인 드론에는 매우 다양한 주파수 성분의 진동이 발생되고, 이러한 진동 환경에서 드론에 장착된 카메라로부터 깨끗하고 안정된 영상을 획득하기 위해서는 짐발 시스템의 안정화 설계가 필요하다. 짐발 시스템은 카메라 모듈을 지지하는 구조와 외부로 부터의 진동을 차단하면서 정확한 각도를 추종하는 안정화기로 구성된다. 본 논문에서는 짐발시스템의 한 축에 대한 동역학 모델을 세우고 이에 대한 고전적인 PID제어기를 적용하여 본다.
카메라 모듈과 안정화 구동장치의 특징은? 드론의 짐발 시스템은 외란과 장착부위 진동의 영향을 받음에도 불구하고 카메라 영상의 흔들림을 제거하고 원하는 표적 방향으로 영상장비를 유지하는 장치로서 카메라 모듈과 안정화 구동장치로 나눌 수 있다. 카메라 모듈은 직접적으로 영상을 획득 하는 부분으로 광학계 및 이를 제어하는 전자보드로 구성되고, 안정화 구동장치는 rolling/ pitching/ yawing 운동을 하여 주변의 동적인 외란에도 불구하고 카메라의 시선을 지향하거나 추적하는 목적으로 사용된다.
진동 환경에서 드론 카메라로 깨끗하고 안정된 영상을 획득하기 위해 필요한 것은? 비행중인 드론에는 매우 다양한 주파수 성분의 진동이 발생되고, 이러한 진동 환경에서 드론에 장착된 카메라로부터 깨끗하고 안정된 영상을 획득하기 위해서는 짐발 시스템의 안정화 설계가 필요하다. 짐발 시스템은 카메라 모듈을 지지하는 구조와 외부로 부터의 진동을 차단하면서 정확한 각도를 추종하는 안정화기로 구성된다.
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참고문헌 (10)

  1. Tang K., Huang S., Tan K. and Lee T.(2004), "Combined PID and adaptive nonlinear control for servo mechanical systems," Mechatronics, vol. 14, no. 6, pp.701-714. 

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  2. Fliess M. and Join C.(2008), "Intelligent PID controllers," in Proc. of the 16th Mediterranean Conference on Control and Automation, pp.326-331. 

  3. Fliess M. and Join C.(2009), "Model-free control and intelligent PID controllers: toward a possible trivialization of nonlinear," in Proc. of the 15th IFAC Symposium on System Identification, pp.1531-1541. 

  4. Novel B. D., Fliess M., Join C., Mounier H. and Steux B.(2010), "A mathematical explanation via" intelligent" PID controllers of the strange ubiquity of PIDs," in 18th Mediterranean Conference on Control and Automation, Marrakech, Morocco, arXiv: 1005.0440[math.OC]. 

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  8. Abdo M., Toloei A. R., Vali A. R. and Arvan M. R.(2014), "Modeling, control and simulation of cascade servo system for one axis gimbal mechanism," International Journal of Engineering, vol. 27, no. 1, pp.157-170. 

  9. Rue A.(1974), "Precision stabilization systems," Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on, no. 1, pp.34-42. 

  10. Esfandiari L.(2014), Modeling and Analysis of Dynamic Systems, Second Edition, CRC Press, p.268. 

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