[논문]저가 하드웨어 기반 멀티로터 비행제어 컴퓨터 설계 및 검증

이다솔; 심현철

doi:10.5139/jksas.2017.45.5.401

저가 하드웨어 기반 멀티로터 비행제어 컴퓨터 설계 및 검증
Design and Validation of Low-cost Flight Control Computer for Multi-rotor UAVs 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.45 no.5, 2017년, pp.401 - 408

이다솔 (Department of Aerospace Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 심현철 (Department of Aerospace Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology)

초록
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본 논문에서는 저가 하드웨어 기반의 멀티로터용 비행제어 컴퓨터의 하드웨어 개발과 항법 및 제어 알고리즘의 설계 및 구현, 그리고 실제 비행실험을 통한 검증 과정을 서술하였다. 개발된 비행제어 컴퓨터는 마이크로컨트롤러를 통하여 멀티로터를 안정적으로 제어하며 통합된 Linux 컴퓨터를 활용하여 복잡한 임무에 대응이 가능하도록 설계되었다. 항법 해는 Complementary Filter를 통하여 500 Hz의 속도로 계산을 수행하고, 멀티로터의 운동모델을 기반으로 Observer를 설계, 측정 잡음을 크게 줄였다. 제어 알고리즘은 3차원 Curve Fitting을 통하여 얻은 Feed-forward Term을 사용하여 반응속도를 크게 향상시켰으며, 다수의 비행실험을 통하여 실제 상황에서 효과적으로 동작함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes development and validation processes of a low-cost hardware based flight control computer designed for multi-rotor UAVs. The developed flight control computer controls multi-rotors stable and can handle complex flight missions using an integrated high-performance Linux computer. A complementary filter generates a navigation solution with 500 Hz, and a proposed observer significantly reduces measurement noise. A control algorithm utilizes a feed-forward term computed by a three-dimensional curve fitting method, and it increases tracking performance. The developed flight control system has been fully tested through several test flights, and it can apply to real flight environments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 소형 멀티로터에 적합한 저가 하드웨어 기반의 비행제어 컴퓨터를 개발하고, 항법 및 제어 알고리즘을 구현하여 실제 비행실험을 통한 검증과정에 대하여 서술하였다. 개발된 비행제어 컴퓨터는 저가 하드웨어 기반으로서 기존의 값비싼 비행제어 컴퓨터를 대체하면서도 비행성능은 그대로 유지하였으며, 실제 비행실험을 통하여 그 성능을 확인하였다.
국내의 경우 비행제어 컴퓨터의 개발사례는 많이 존재하나[3-4] 소형 멀티로터에 특화된 저가의 비행제어 컴퓨터의 경우는 그렇지 않다. 본 연구에서는 소형 멀티로터에 적합한 비행제어 컴퓨터를 개발하여 마이크로컨트롤러에서는 기본적인 항법 및 제어를 담당하고, 추가적으로 통합된 Linux 컴퓨터에서는 복잡한 임무를 수행하기 위한 High-level 알고리즘을 실행하는 통합형 비행제어 컴퓨터를 설계하고 검증하였다.
본문에서는 비행제어 컴퓨터의 하드웨어 개발과정 그리고 마이크로컨트롤러에서 실행되는 항법 및 제어 알고리즘 또한 멀티로터에 탑재하여 수행한 실제 비행실험 결과를 서술하였다.
항법 알고리즘의 실제 성능을 평가하기 위하여 실험을 수행하였다. Fig.

제안 방법

수평축 위치와 속도를 추정하는 알고리즘 또한 보상필터를 활용하였고, GPS 센서와 가속도 센서를 융합한다[6]. 가속도 센서는 짧은 시간에 대해 정확한 움직임을 측정할 수 있으나, 적분오차가 존재하므로 고주파 통과필터를 적용하고 GPS 센서는 누적오차가 없으나 빠른 움직임을 정밀하게 측정할 수 없으므로, 저주파 통과필터를 적용하였다. 최종적으로 각각의 필터를 통과한 값들을 서로 합하여 위치 및 속도를 추정하게 되며 그 구조는 Fig.
개발된 비행제어 컴퓨터에 설계된 항법, 제어 알고리즘을 구현하여 Fig. 14와 같이 옥토로터에 설치 후 비행실험을 수행하였다. 옥토로터의 자세한 사양은 Table 3에 정리하였으며 제자리 비행 및 경로점 비행실험을 수행하였다.
경로점 비행실험은 총 4개의 사각형 모양의 경로점을 차례대로 지나가도록 하여 비행실험을 수행하였다. 경로점 비행 알고리즘은 Linux 컴퓨터에서 실행되며, 실행 결과로서 기체의 각 축에 대한 속도추종 명령을 생성하고 UART 통신을 통하여 마이크로컨트롤러에 전달되어 최종적인 비행제어가 이루어지게 된다.
본 알고리즘에 활용되는 가속도는 중력가속도를 보정한 선가속도를 사용하며 이를 적분하고 고주파 통과필터를 통과시킨 값은 기체의 빠른 움직임을 잘 반영하게 된다. 그리고 GPS 속도에 저주파 통과필터를 적용한 값과 서로 합하여 최종적인 속도를 추정하며, 수평축 위치를 추정하는 것 또한 같은 방식으로 수행한다. 수평 축 좌표계는 North-East-Down (NED)좌표계를 활용하였으며 ECEF 좌표계에서 기준으로 삼는 위도 및 경도를 설정하여 좌표변환 후 얻을 수 있다.
의 값을 상대적으로 크게 하여 선가속도 제어오차에 빠르게 대응할 수 있도록 설계하였다. 다른 축에 대해서도 위와 같은 방식으로 선가속도 제어기를 설계하여 적용하였다.
롤, 피치각 제어를 위한 컨트롤러는 PID 컨트롤러를 활용하였고, 제어 결과로서 Fig. 10에서 보듯이 δail 및 δele값을 생성한다.
본 연구에서는 멀티로터를 제어하기 위하여 다중 루프 기반 제어구조를 활용하였고, 가장 바깥쪽 루프에는 선속도(수평/수직) 및 요각 컨트롤러가 존재한다. 선속도 제어는 선가속도 제어를 통해 제어되며, 수평축 선가속도 제어기는 롤, 피치각 제어명령을 생성하고, 수직축의 경우는 스로틀 신호를 생성한다.
수직축의 위치와 속도는 기압고도계와 가속도 센서를 결합한 보상필터로 설계하였다[7]. 기압고도계는 노이즈가 심하나 누적오차가 없으므로 저주파 통과필터를 적용하여 효과적으로 노이즈를 제거할 수 있으며, 가속도 센서에 존재하는 노이즈는 적분을 통하여 제거하고 이때의 적분으로 인한 누적오차는 고주파 통과필터를 적용하여 효과적으로 제거할 수 있다.
개발된 비행제어 컴퓨터는 마이크로컨트롤러 TM4C129x 및 Linux 컴퓨터 DuoVero CoM을 통합한다. 실시간성이 보장되어야 하는 연산(각종 센서 데이터 수신 및 Low-Level 제어)은 마이크로컨트롤러가 담당하며 실시간성이 필요하지는 않으나 상대적으로 연산부하가 심한 임무 할당 혹은 경로계획 등은 Linux 컴퓨터가 담당하도록 설계하였다. 마이크로컨트롤러는 다양한 주변회로를 내장하여 각종 MEMS 센서에서 직접적으로 데이터를 수신하고, 전자변속기 제어를 위한 PWM 회로 또한 내장하고 있어 실시간 제어에서 시간지연 현상을 최소화 시킬 수 있는 장점이 있다.

이론/모형

항법에 사용되는 저가 MEMS 센서로는 MPU 9250 및 MS5611이 있으며, 이를 통하여 항법 해를 도출한다. 비행제어 컴퓨터의 PCB 설계는 EAGLE CAD를 활용하여 설계를 진행하였으며 완성된 비행제어 컴퓨터의 그림은 Fig. 1에 나타내었고, 상세사양은 Table 2에 정리하였다.
선가속도의 노이즈 제거와 멀티로터의 역학적 특성을 반영하기 위하여 식 (10)의 Luenberger obserber [8]를 활용하였다. 멀티로터의 x축 선가속도 운동모델은 식 (11)과 같이 근사되며 (x1-y1-z1 좌표계의 x축), 이에 대한 비행데이터는 Fig.
그리고 GPS 속도에 저주파 통과필터를 적용한 값과 서로 합하여 최종적인 속도를 추정하며, 수평축 위치를 추정하는 것 또한 같은 방식으로 수행한다. 수평 축 좌표계는 North-East-Down (NED)좌표계를 활용하였으며 ECEF 좌표계에서 기준으로 삼는 위도 및 경도를 설정하여 좌표변환 후 얻을 수 있다.
수평축 위치와 속도를 추정하는 알고리즘 또한 보상필터를 활용하였고, GPS 센서와 가속도 센서를 융합한다[6]. 가속도 센서는 짧은 시간에 대해 정확한 움직임을 측정할 수 있으나, 적분오차가 존재하므로 고주파 통과필터를 적용하고 GPS 센서는 누적오차가 없으나 빠른 움직임을 정밀하게 측정할 수 없으므로, 저주파 통과필터를 적용하였다.

성능/효과

항법 알고리즘의 실제 성능을 평가하기 위하여 실험을 수행하였다. Fig. 5는 롤, 피치각의 추정결과를 나타내는데 전체적으로 잘 추정됨을 확인할 수 있고, 중간에 가속도의 교란에도 불구하고 이를 효과적으로 필터링 하면서 추정된 각도에는 큰 변화가 없음을 확인하였다. Fig.
본 논문에서는 소형 멀티로터에 적합한 저가 하드웨어 기반의 비행제어 컴퓨터를 개발하고, 항법 및 제어 알고리즘을 구현하여 실제 비행실험을 통한 검증과정에 대하여 서술하였다. 개발된 비행제어 컴퓨터는 저가 하드웨어 기반으로서 기존의 값비싼 비행제어 컴퓨터를 대체하면서도 비행성능은 그대로 유지하였으며, 실제 비행실험을 통하여 그 성능을 확인하였다. 개발된 비행제어 컴퓨터는 멀티로터의 다양한 비행임무에 기초가 되는 시스템으로 활용할 예정이며, 지속적으로 항법 및 제어 알고리즘을 개선해 나갈 예정이다.
마이크로컨트롤러는 다양한 주변회로를 내장하여 각종 MEMS 센서에서 직접적으로 데이터를 수신하고, 전자변속기 제어를 위한 PWM 회로 또한 내장하고 있어 실시간 제어에서 시간지연 현상을 최소화 시킬 수 있는 장점이 있다. 본 마이크로컨트롤러는 Linux 컴퓨터와 UART 통신을 통하여 정보를 주고받으며, Linux 컴퓨터는 Bluetooth 및 WiFi 통신기능을 내장하고 있어 별다른 통신모듈 없이 지상국 프로그램과 통신이 가능하다. 또한 Dual-core 1Ghz ARM Cortex-A9 기반 프로세서를 통하여 강력한 연산성능을 제공하므로 각종 High-level 알고리즘의 실행이 가능하다.
본 알고리즘을 통하여 얻은 위치 및 속도는 가속도 센서를 활용하여 빠른 움직임을 정밀하게 측정할 수 있으며, GPS 센서를 활용하여 적분으로 인한 누적오차를 제거할 수 있다. 또한 GPS 센서의 낮은 업데이트 속도 (약 5~10 Hz)를 충분히 보상하면서 효과적으로 기체의 위치와 속도를 추정할 수 있다.
7은 비행제어 컴퓨터를 멀티로터에 탑재하여 사각형 궤적을 그렸을 때의 추정된 수평축 위치와 속도를 나타낸다. 선가속도는 멀티로터의 모터 회전으로 인해 비행 중 노이즈가 매우 심하게 측정되지만 GPS와 결합하여 항법 해를 도출하기 때문에 추정된 속도와 위치는 노이즈 없이 매우 잘 추정됨을 확인할 수 있다.
18에서는 각 축에 대한 속도제어 결과를 보여준다. 이는 본 연구에서 설계한 속도추종 알고리즘을 활용한 결과이며, 이로서 실제 환경에 성공적으로 적용됨을 확인하였다.
16에 나타내었다. 총 100초 동안 제자리 비행을 수행하였고 North 0.7, East 1.1 m, Altitude 0.3 m 안에서 매우 정밀하게 제자리 비행이 되었음을 확인하였다.

후속연구

개발된 비행제어 컴퓨터는 저가 하드웨어 기반으로서 기존의 값비싼 비행제어 컴퓨터를 대체하면서도 비행성능은 그대로 유지하였으며, 실제 비행실험을 통하여 그 성능을 확인하였다. 개발된 비행제어 컴퓨터는 멀티로터의 다양한 비행임무에 기초가 되는 시스템으로 활용할 예정이며, 지속적으로 항법 및 제어 알고리즘을 개선해 나갈 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	멀티로터는 어떻게 사용되고 있는가?	현재에 들어 멀티로터는 다양한 임무수행이 가능하여 많은 분야에서 주목을 받고 있다. 제자리 비행이 가능한 멀티로터는 항공촬영에 널리 활용되고 있으며, 특정 지역의 감시 및 정찰의 임무를 수행하기도 한다.
	멀티로터의 특징은 무엇인가?	이러한 멀티로터는 구조적으로 단순하여 설계 및 제작이 간단하나, 동역학적으로는 불안정한 시스템에 해당한다. 따라서 안정적인 비행제어를 위해서는 제어루프의 시간지연 현상을 최소화 하여야 하는데, 시중에 판매되는 마이크로컨트롤러는 다양한 주변회로를 내장하여 계측, 제어,동작(Actuation)을 하나의 칩 안에서 수행이 가능하기 때문에 불안정한 시스템인 멀티로터를 효과적으로 제어할 수 있다.
	개발된 비행제어 컴퓨터에서 Linux 컴퓨터는 어떤 역할을 담당하는가?	개발된 비행제어 컴퓨터는 마이크로컨트롤러 TM4C129x 및 Linux 컴퓨터 DuoVero CoM을 통합한다. 실시간성이 보장되어야 하는 연산(각종 센서 데이터 수신 및 Low-Level 제어)은 마이크로컨트롤러가 담당하며 실시간성이 필요하지는 않으나 상대적으로 연산부하가 심한 임무할당 혹은 경로계획 등은 Linux 컴퓨터가 담당하도록 설계하였다. 마이크로컨트롤러는 다양한 주변회로를 내장하여 각종 MEMS 센서에서 직접적으로 데이터를 수신하고, 전자변속기 제어를 위한 PWM 회로 또한 내장하고 있어 실시간 제어에서 시간지연 현상을 최소화 시킬 수 있는 장점이 있다.

참고문헌 (8)

H. Lim, J. Park, D. Lee, and H. Kim, "Build Your Own Quadrotor: Open-Source Projects on Unmanned Aerial Vehicles", IEEE Robotics & Automation Magazine, Vol. 19, Issue 3, Sep. 2012, pp. 33-45.

상세보기
L. Meier, P. Transkanen, F. Fraundorfer, and M. Pollefeys, "PIXHAWK: A System for Autonomous Flight using Onboard Computer Vision", 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation, May 9-13, 2011.
Sung-Han Park, Jae-Yong Kim, In-Je Cho, Byung-Moon Hwang. (2010.2). Redundancy Management Design for Triplex Flight Control System. Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, 38(2), 169-179.

원문보기 상세보기
Hye-jeong Cha, Jae-yong Kim, In-je Cho, Sang-yool Lee, Wun-suk Jeong. (2012.9). Development of UAV Integrated Flight Control Computer Using PowerPC 8349E. Communications of the Korean Institute of Information Scientists and Engineers, 30(9), 71-78.
W. T. Higgins, "A Comparision of Complementary and Kalman Filtering", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-11, Issue 3, February 2007, pp. 321-325.
J. F. Vasconcelos, J. Calvario, P. Oliveira, and C. Silvestre, "GPS Aided IMU for Unmanned Air Vehicles", "5th IFAC/EURON Symposium on Intelligent Autonomous Vehicles, July 5-7, 2004.
Seongpil Kim, Chang-sun Yoo, Oleg S. Salychev, Eung Tai Kim, "Development of Altitude Determination System by Using GPS/INS/Baroaltimeter", Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, 33(6), 51-56.
D. G. Luenberger, "Observers for Multivariable Systems", IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. AC-11, No. 2.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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