[논문]소형 쿼드로터 드론 개발을 위한 6 자유도 운동 실험 장치

진재현; 조진희

doi:10.20910/jase.2017.11.1.41

소형 쿼드로터 드론 개발을 위한 6 자유도 운동 실험 장치
A Test Bench with Six Degrees of Freedom of Motion For Development of Small Quadrotor Drones 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.11 no.1, 2017년, pp.41 - 46

진재현 (순천대학교 우주항공공학전공) , 조진희 (순천대학교 우주항공공학전공)

초록
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소형 다중로터 드론의 동작 실험을 위하여 개발한 장치를 소개한다. 개발한 장치는, 볼 부슁 메카니즘, 이동형 지지대, 그리고 회전판을 적용하여 6자유도 운동이 가능하다. 병렬 처리가 가능한 FPGA기반의 제어기를 사용하여, 가속도와 자이로 센서로 부터 자세를 측정하고 모터 속도를 제어하였다. 다양한 동작을 수행하면서 실험 장치와 제어기의 동작성을 확인하였다. 결론적으로, 개발한 6자유도 실험 장치는 소형 드론 제어를 위한 제어기의 성능 검증을 위해 적합하다.

Abstract ▼ AI-Helper

A new test bench for small multi-rotor type drones has been developed. Six degrees of freedom (DOF) motion is possible due to a ball bushing, wheels, and rotating plates. An FPGA (field programmable gate array) based controller, that supports realtime parallel processing, is used to measure attitude with an accelerometer and a gyro to adjust motor speed. Several tests were performed to check the operational properties of the test bench and the controller. The results show that this test bench is proper for verifying controllers and the control methods of small multi-rotor drones.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는, 쿼드로터 타입의 소형 무인기를 개발할 때, 제어기의 안정성 및 성능 등을 검증하기 위한 실험 장치를 개발한 내용을 소개하고 있다. 제시한 실험 장치는 기구학적으로 6자유도의 운동이 가능한 구조이다.
본 연구팀에서는 6자유도 실험 장치에 대한 필요성을 파악하여, 6자유도 장치를 설계, 제작, 실험 하였으며, 여기에서 그 결과를 소개한다. 3자유도 병진운동을 위해서 로터리 볼부쉬 구조와 더불어 바퀴를 장착하였으며, 3자유도 회전운동을 위하여 2개의 분리된 판(plate)을 베어링으로 지지하였다.

제안 방법

드론의 arm 한쪽에 추를 매달아 기울어지게 한 후에(롤, 피치 축 모두), 이를 극복하고 수평을 유지하는 실험을 수행하였다. Fig.
제자리 비행은 가장 기본적인 성능인데, 위치 제어도 필요하지만, GPS 정보를 사용하지 못하는 실내인 관계로 자세를 수평으로 유지하는 기능만 실험 하였다. 위치 유지 기능은 아래에서 설명하는 병진운동에 대한 유도명령을 생성한다면 구현이 가능하다.

대상 데이터

무게와 강성을 고려하여, 상용품(베어링, 볼부슁, 슬라이딩 가이드 등)을 제외하고 모두 알루미늄으로 제작하였다. Fig.

데이터처리

자세제어를 위해서는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 기술을 채택한 NI(National Instrument)의 myRIO를 이용하여 제어기를 구성하였다. 이를 기반으로 전체 시스템에 대한 다양한 실험을 수행하여, 장치의 동작을 검증하였다. 2절에서는 장치에 대한 구조적인 설명, 3절에서는 제어 시스템에 대한 설명, 4절에서는 통합 실험한 결과, 그리고 5절에서 결론을 제시한다.

이론/모형

자세제어를 위해서는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 기술을 채택한 NI(National Instrument)의 myRIO를 이용하여 제어기를 구성하였다. 이를 기반으로 전체 시스템에 대한 다양한 실험을 수행하여, 장치의 동작을 검증하였다.
myRIO는조종 입력과 회전 모듈에 장착된 센서(IMU)의 값을 읽어 비교하고 적절한 PWM 출력을 ESC로 보내어 프로펠러의 속도를 조절함으로써, 쿼드로터의 자세를 제어한다. 제어기는 PID 방식을 적용하였고, 상보필터(Complementary Filter)를 이용하여 자이로와 가속도 센서 신호로부터 기울기를 추정하였다[13,14]. Table 2에는 제어 시스템의 사양을 정리하였다.

후속연구

사실, 개발한 장치의 목적이 이러한 것을 살펴보기 위한 것이다. 앞으로 다양한 실험에 이를 활용하여, 드론의 안전성 검증에 유용한 장치로 개선하려고 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	드론 연구팀이 사용하는 실험 장치와 시설은 무엇이 있는가?	드론 연구팀들은 다양한 실험 장치와 시설을 사용하고 있는데, 가장 간단한 것은 1자유도 회전 제어 실험[1-5]을 위한 것부터, 6자유도로 자유롭게 비행할 수 있는 안전시설도 있다[6]. 그러나 간단한 장치는 축별 간섭효과와 다양한 운동특성 분석을 어렵게 하며, 안전시설인 경우에는 구축비용이 많이 들고 초기단계에서는 적합하지 않다.
	본 논문에서 연구한 6자유도 실험 장치의 구성은 어떻게 되는가?	본 연구팀에서는 6자유도 실험 장치에 대한 필요성을 파악하여, 6자유도 장치를 설계, 제작, 실험 하였으며, 여기에서 그 결과를 소개한다. 3자유도 병진운동을 위해서 로터리 볼부쉬 구조와 더불어 바퀴를 장착하였으며, 3자유도 회전운동을 위하여 2개의 분리된 판(plate)을 베어링으로 지지하였다. 병진(translation) 이동은 바퀴에 의하여 제한 없이 움직일 수 있어서, 줄 등에 대한 반력[11]은 없다.
	본 연구에서 사용된 자세제어 기술은 무엇인가?	자세제어를 위해서는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 기술을 채택한 NI(National Instrument)의 myRIO를 이용하여 제어기를 구성하였다. 이를 기반으로 전체 시스템에 대한 다양한 실험을 수행하여, 장치의 동작을 검증하였다.

참고문헌 (14)

Y. Kim, et al., "Quadrotor attitude stabilization by using PID controller," Journal of The Society for Aeros pace System Engineering (in Korean), Vol.4, No.4, p p.18-27, 2010.
J. Kim, et al., "An experimental study of a single axis seesaw attitude control consisting of motor and pr operller," Journal of Advanced Navigation Technology (in Korean), Vol.16, No.1, pp.1-7, 2012.

원문보기 상세보기
A. Vinoth Kumar, et al., "Design of multirotor test rig multirotors performance test," International Journal on Mechanical Engineering and Robotics, Vol.2, No.1, pp.72-77, 2014.
S. Govindarajan, et al., "Design of multicopter test bench," International Journal of Modeling and Optimization, Vol.3, No.3, pp.251-255, 2013.
https://www.youtube.com/watch?vKMCZpIk5Lmk
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J. Avila Vilchis, et al., "Nonlinear modeling and control of helicopters," Automatica, Vol.39, No.9, pp.1583 -1596, 2003.

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https://www.youtube.com/watch?vaebIXJ_tADE
N. Vitzilaios and N. Tsourveloudis, "An experimental test bed for small unmanned helicopters," Journal of Intelligent & Robotic Systems, Vol.54, No.5, pp.769-794, 2009.

상세보기
Y. Yushu and X. Ding, "A quadrotor test bench for six degree of freedom flight," Journal of Intelligent & Robotic Systems, Vol.68, No.3, pp.323-338, 2012.

상세보기
https://www.youtube.com/watch?vynIID1dV9VM
https://www.youtube.com/watch?vjwCa6MZcqPc
J. Lee, et al., "Design of Positon and Attitude Controller using for Quadrotor Robot," Proceedings of 2015 Spring Conference of the Korean Society Of Precision Engineering (in Korean), 2015, pp.83-84.
E. Shin, et al., "Controller Design and Experiment for Attitude Recovery of a Quadrotor," Proceedings of 2015 Fall Conference of the Korean Society For Aeronautical And Space Sciences (in Korean), 2015, pp. 386-389.

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