[논문]꼬리날개 없는 곤충모방 날갯짓 비행로봇의 제어비행

판 호앙 부; 강태삼; 박훈철

doi:10.7746/jkros.2016.11.4.256

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An insect-like flapping-wing flying-robot should be able to produce flight forces and control moments at the same time only by flapping wings, because there is no control surface at tail just like an insect. In this paper, design principles for the flapping mechanism and control moment generator are...

An insect-like flapping-wing flying-robot should be able to produce flight forces and control moments at the same time only by flapping wings, because there is no control surface at tail just like an insect. In this paper, design principles for the flapping mechanism and control moment generator are briefly explained, characteristics measured force and moment generations of the robot are presented, and finally controlled flight of the flying robot is demonstrated. The present insect-like robot comprises a lightweight flapping mechanism that can produce a flapping angle larger than $180^{\circ}$ and a control moment generator that produces pitch, roll, and yaw moments by adjusting location of the trailing edges at the wing roots. The measured force and moment data show that the control input angles less than $9^{\circ}$ would not significantly reduce the vertical force generation. It is also observed that the pitch, roll, and yaw control moments are produced only by the corresponding control input. The simple PID control theory is used for the controlled flight of the flying robot, controlling pitch, roll, and yaw motions. The flying robot successfully demonstrated controlled flight for about 40 seconds.

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문제 정의

본 논문에서는 날갯짓만으로 비행력과 제어력을 동시에 발생하는 곤충모방 비행로봇에서 제어모멘트 발생 원리를 설명하고, 제어모멘트 발생장치와 날갯짓 장치를 결합하여 날갯짓을 구동하면서 측정한 모멘트를 제시하여, 실제로 날갯짓 비행로봇이 제어모멘트를 발생할 수 있음을 입증하였다. 또한 PID 이론을 적용하여, 피치, 롤 및 요 운동을 제어 하는 날갯짓 비행로봇의 시스템 구현 과정을 설명하고, 제어비행에 성공한 사례를 소개하였다.
의 세가지 방식으로 제어모멘트를 발생하는 장치를 고안하고, 각각을 날갯짓 장치와 결합하여 날갯짓으로 발생하는 힘과 제어모멘트를 측정하였다. 본 논문에서는 이들 세가지 방식 중, 두 번째 방식인 끝전 조절장치(trailing edge change mechanism, TEC mechanism)의 원리와 모멘트 발생 특성을 설명하고, 이 장치를 이용하여 제어비행에 성공한 무게 약 20 gram의 곤충 모방 날갯짓 비행체를 소개한다.
제어모멘트를 발생하는 다른 방법으로서, 파리와 같은 곤충들은 한쪽 날개의 날갯짓 주파수를 변경하여 급격한 기동을 하기도 하고^[4], 장수풍뎅이의 경우에는 날갯짓 평면(stroke plane)의 각도를 변경하여 제어 모멘트를 발생하기도 한다^[5]. 이러한 모든 원리는 한마디로 날갯짓 궤적을 변경하여, 좌우 날개에서 발생하는 평균 공기력의 방향과 크기에 변화를 주는 것이다.

제안 방법

실제 되먹임 제어시스템은 저전력 ATmega 328P 8 비트 마이크로 콘트롤러, L3GD20H 3축 자이로, DT Rx36 DSM2 호환 수신기와 피치, 롤, 요를 운동을 제어하는 세 개의 상용 초소형 서보로 구성하였다. 3축 자이로는 롤, 피치, 요 각속도를 측정하기 위하여 사용하였고, 수신기는 2.4 GHz의 송신기로를 통하여 전송되는 조종사의 모터 및 서보 제어명령을 수신하기 위하여 적용하였다. 모터와 마이크로 콘트롤러는 2개의 7.
여기서 사용한 되먹임 변수는 피치, 롤 및 요의 각속도(p, q, r)이다. PID 제어를 기반으로 하는 코드를 작성하여 마이크로 콘트롤러에 탑재하여 제어 시스템을 구성하였다.
본 논문에서는 날갯짓만으로 비행력과 제어력을 동시에 발생하는 곤충모방 비행로봇에서 제어모멘트 발생 원리를 설명하고, 제어모멘트 발생장치와 날갯짓 장치를 결합하여 날갯짓을 구동하면서 측정한 모멘트를 제시하여, 실제로 날갯짓 비행로봇이 제어모멘트를 발생할 수 있음을 입증하였다. 또한 PID 이론을 적용하여, 피치, 롤 및 요 운동을 제어 하는 날갯짓 비행로봇의 시스템 구현 과정을 설명하고, 제어비행에 성공한 사례를 소개하였다. 향후에는 고급 제어기법을 이용한 자율제어비행을 위한 연구를 지속적으로 수행할 예정이다.
이와 같은 입력 각도에 대하여 발생하는 힘과 모멘트를 약 100 주기에 대하여 측정하여 저장하고, 평균을 내어 각각의 평균값을 산출하였다. 로드 셀로 측정한 모멘트는 로드 셀 축에 대한 값이므로, 이를 날갯짓 비행 로봇의 무게 중심에 대한 값으로 변환하였다. 힘과 모멘트의 평균값 산출 및 모멘트의 변환에 대한 자세한 설명은 참고문헌^[5]와 ^[11]을 참조하기 바란다.
4. 제어 비행

비행로봇의 자세제어에는 Fig. 7에 도시한 PID 제어를 적용하였다. PID 제어는 명령한 자세와 측정한 실제 자세 사이의 오차를 최소화 하기 위하여 지속적으로 제어 변수를 조절하는 폐루프 제어이다.
4(e)에서 -δ_r 각은 양의 롤 모멘트를 발생한다. 이와 같은 입력 각도에 대하여 발생하는 힘과 모멘트를 약 100 주기에 대하여 측정하여 저장하고, 평균을 내어 각각의 평균값을 산출하였다. 로드 셀로 측정한 모멘트는 로드 셀 축에 대한 값이므로, 이를 날갯짓 비행 로봇의 무게 중심에 대한 값으로 변환하였다.
저자들은 최근 날갯짓 평면각도를 변경하는 방식^[5], 날갯짓 각도를 변경하는 방식^[10], 날개의 루트 끝전 위치를 조절하여 날갯짓 궤적을 변경하는 방식^[11]의 세가지 방식으로 제어모멘트를 발생하는 장치를 고안하고, 각각을 날갯짓 장치와 결합하여 날갯짓으로 발생하는 힘과 제어모멘트를 측정하였다. 본 논문에서는 이들 세가지 방식 중, 두 번째 방식인 끝전 조절장치(trailing edge change mechanism, TEC mechanism)의 원리와 모멘트 발생 특성을 설명하고, 이 장치를 이용하여 제어비행에 성공한 무게 약 20 gram의 곤충 모방 날갯짓 비행체를 소개한다.

대상 데이터

실제 되먹임 제어시스템은 저전력 ATmega 328P 8 비트 마이크로 콘트롤러, L3GD20H 3축 자이로, DT Rx36 DSM2 호환 수신기와 피치, 롤, 요를 운동을 제어하는 세 개의 상용 초소형 서보로 구성하였다. 3축 자이로는 롤, 피치, 요 각속도를 측정하기 위하여 사용하였고, 수신기는 2.
실제 날갯짓 비행로봇의 비행 날갯짓 주파수는 약 30 Hz 이상이나, 힘과 모멘트의 측정 실험에서는 이보다 낮은 주파수로 날개를 구동하여, 과도한 관성력이 발생하여 로드 셀에 잡음 신호가 많이 발생하는 것을 방지하였다. 측정에 사용한 로드 셀은 Nano 17(ATI Industrial Automation, USA)로서, 3축방향의 힘과 각 축 중심의 모멘트를 측정할 수 있는 제품이고, force resolution은 0.3 gram, moment resolution은 1.6 gram-mm이다.

성능/효과

(a)로부터, 피치 및 요 모멘트 발생을 위한 입력각을 ± 9도로 인가하는 경우, 입력각이 0도인 경우의 수직력(약 13 gram)에 비하여 평균 수직력은 크게 차이가 없으나, 롤 모멘트 발생을 위한 입력각에 대해서는 다소의 수직력 변동이 발생하고, 9도일 때 최대 약 -1 gram(-8%) 변화함을 알 수 있다.
각 제어 이득은 짐발 시험을 통하여 얻었고, 이를 통하여 실제 비행에 적용할 제어 이득을 찾는데 소요되는 시간을 줄일 수 있었다. 비행실험에서의 날갯짓 주파수는 32~35 Hz 사이였고, 장착한 배터리로 약 40초의 제어비행을 하였다^[13].
8은 각 전자부품이 장착된 날갯짓 비행로봇을 도시하고 있다. 비행로봇의 이륙중량은 약 21 gram이고, 전체 비행로봇을 구성하는 각 부품의 무게를 분석한 결과, 구동 모터, 서보모터와 배터리의 무게 합이 전체 무게의 약 60%였고, 날갯짓 메커니즘은 전체 무게의 약 13%였다.
한편, 동일한 입력각 크기에 대한 요 모멘트의 크기는 피치 및 롤 모멘트에 비해서 30% 수준임을 알 수 있다. 하지만, 이 요 모멘트의 크기는 날갯짓 비행 로봇의 요 운동을 일으키기에 충분함을 짐발(gimbals) 시험으로 확인하였다.

후속연구

또한 PID 이론을 적용하여, 피치, 롤 및 요 운동을 제어 하는 날갯짓 비행로봇의 시스템 구현 과정을 설명하고, 제어비행에 성공한 사례를 소개하였다. 향후에는 고급 제어기법을 이용한 자율제어비행을 위한 연구를 지속적으로 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	장수풍뎅이의 비행에 있어 제어 모멘트 발생 원리는 무엇인가?	즉, 양쪽 날갯짓 각도의 크기가 같은 경우에는 날갯짓 각도의 범위를 상하 방향으로 조절하거나, 양쪽 날개의 날갯짓 각도를 서로 다르게 하여 다양한 제어모멘트를 발생한다. 제어모멘트를 발생하는 다 른 방법으로서, 파리와 같은 곤충들은 한쪽 날개의 날갯짓 주파수를 변경하여 급격한 기동을 하기도 하고[4], 장수풍뎅이의 경우에는 날갯짓 평면(stroke plane)의 각도를 변경하여 제어 모멘트를 발생하기도 한다[5]. 이러한 모든 원리는 한마디로 날갯짓 궤적을 변경하여, 좌우 날개에서 발생하는 평균 공기력의 방향과 크기에 변화를 주는 것이다.
	곤충의 비행이 새와 달리 꼬리날개가 없어서 생기는 차이점은 무엇인가?	곤충은 공기력 발생원리 측면에서 새와 다를 뿐만 아니라, 제어모멘트 또는 제어력 발생 원리 측면에서도 다른 점이 있다. 곤충은 새와는 달리 꼬리날개가 없어서, 날갯짓만으로 비행에 필요한 공기력뿐만 아니라 제어력도 함께 발생한다. 이를 위해서는 날갯짓 중에 좌우 날개의 날갯짓 궤적(wing kinematics)을 대칭적 또는 비대칭적으로 변경하여야 한다.
	Dickinson 등이 제안한 세 가지 중요한 곤충 비행원리는 무엇인가?	Ellington은 곤충비행에서 앞전 와류(leading edge vortex)의 중요성을 발견하였고[2], Dickinson 등은 로봇 파리 날개를 이용하여 세 가지 중요한 곤충 비행원리를 제시하였다[3]. 즉, 일반적인 곤충의 공기력 발생 원리는 크게, 곤충의 날갯짓에 의해 발생하는 앞전 와류가 큰 받음각(angle of attack)에서도 날개 앞전에 부착되는 실속 지연(delayed stall), 날갯짓 중에 발생하는 날개 회전, 이전 날갯짓에서 분리된 앞전 와류가 다음 날갯짓에서도 영향을 주는 와류 포착(wake capture)의 세 가지로 설명된다. 이러한 원리가 가능한 것은, 곤충이 상대적으로 큰 날갯짓 각도를 발생하고, 날개 축을 중심으로 날개를 회전하여, 하향 날갯짓(downstroke)에서 날개 윗면이 상향 날갯짓(upstroke)에서는 아랫면이 되도록 하기 때문이다.

참고문헌 (13)

D.E. Alexander, Nature's Flyer, The Johns Hopkins University Press, Baltimore, USA, 2002.
C.P. Ellington, "The novel aerodynamics of insect flight: Applications to micro air vehicles. The Journal of Experimental Biology," vol.202, pp.3439-3448, 1999.

상세보기
M.H. Dickinson, F.O. Lehmann, and S.P. Sane, "Wing rotation and the aerodynamics basis of insect flight," Science, vol.284, pp.1954-1960, 1999.

상세보기
G.K. Taylor, "Mechanics and aerodynamics of insect fight control," Biology Review. vol.76, pp.449-471, 2001.

상세보기
H.V. Phan and H.C. Park, "Generation of control moments in insect-like tailless flapping-wing micro air vehicle by changing the stroke-plane angle," Journal of Bionic Engineering, vol.13, pp.449-457, 2016.

상세보기
M. Keennon, K. Klingebiel, H. Won, A. Andriukov, "Development of Humming bird: a tailless flapping wing micro air vehicle," 50th AIAA Aerospace Scientist meeting, 9-12 January 2012, Nashville, Tennessee, USA.
N.O. P'erez-Arancibia, K.Y. Ma, K.C. Galloway, J.D. Greenberg, and R.J. Wood, "First controlled vertical flight of a biologically inspired microrobot," Bioinspirations &. Biomimimetics. vol.6, 036009, 2011.

상세보기
BionicOpter inspired by dragonfly, FESTO, www.festo.com/net/SupportPortal/Files/248133/Festo_BionicOpter_en.pdf
D. Coleman, M. Benedict, V. Hrishikeshavan, and I. Chopra, "Design, development and flight-testing of a robotic hummingbird," American Helicopter Society Forum, 2015.
T.Q. Truong, H.V. Phan, S.P. Sane, and H.C. Park, "Pitching moment generation in an insect-mimicking flapping-wing system," Journal of Bionic Engineering, vol. 11, pp.36-51, 2014.

상세보기
H.V. Phan and H.C. Park, "Pitch, roll, and yaw moment generator for insect-like tailless flapping-wing MAV," in SPIE's Annual conference on smart structures and materials & nondestructive evaluation, 2016.
Q.V. Nguyen, H.C. Park, N.S. Goo, and D.Y. Byun, "Characteristics of a beetle's free flight and a flapping wing system that mimics beetle flight," Journal of Bionic Engineering, vol.7, pp.77-86, 2010.

상세보기
KUBeetle-Flight test with full pitch, roll, yaw control mechanisms, https://www.youtube.com/watch?v geCd05KvP_Y&featureyoutu.be

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