[논문]곤충모방 날갯짓 비행체의 LQ 제어기 설계

김성근; 김인래; 김승균; 석진영

doi:10.12673/jant.2017.21.5.450

곤충모방 날갯짓 비행체의 LQ 제어기 설계
Linear Quadratic Controller Design of Insect-Mimicking Flapping Micro Aerial Vehicle 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.21 no.5 = no.86, 2017년, pp.450 - 458

김성근 (한화시스템 전자광학.PGM연구소) , 김인래 (충남대학교 항공우주공학과) , 김승균 (충남대학교 항공우주공학과) , 석진영 (충남대학교 항공우주공학과)

초록
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본 연구에서는 곤충모방 날갯짓 비행체의 모델링과 제자리비행을 위한 자세제어 및 고도제어기를 설계하여 동역학 모델을 이용한 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 곤충모방 날갯짓 비행체의 간략화한 날갯짓 운동, 날갯짓의 병진운동 및 회전운동에 대한 공력, 동체 동역학에 대해 수치모델링을 수행하였다. 제자리비행 자세제어를 위해 날갯짓 비행체가 가지는 시변 비선형 시스템을 선형화하여 설계한 LQR(Linear Quadratic Regulator) 제어기법을 통하여 자세안정화를 적용하였으며 PID 제어기법을 통해 고도제어를 수행하였다. 수치 시뮬레이션을 통해 설계된 모델과 제어기의 성능을 확인하였으며 제자리비행을 위한 자세안정화 및 고도 제어가 안정적으로 수행되는 것을 확인하였다. 또한 날갯짓에 의해 발생하는 주기적인 피칭 모멘트를 주기적인 제어입력을 통해 임계 안정하도록 자세 안정화를 수행하는 것을 확인 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents dynamic modelling and simulation study on attitude/altitude control of an insect-mimicking flapping micro aerial vehicle during hovering. Mathematical modelling consists of three parts: simplified flapping kinematics, flapping-wing aerodynamics, and six degree of freedom dynamics. Attitude stabilization is accomplished through linear quadratic regulator based on the linearized model of the time-varying nonlinear system, and altitude control is designed in the outer loop using PID control. The performance of the proposed controller is verified through numerical simulation where attitude stabilization and altitude control is done for hovering. In addition, it is confirmed that the attitude channel by periodic control is marginally stable against periodic pitching moment caused by flapping.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 곤충모방 날갯짓 비행체의 날갯짓 운동, 공력 및 비행 동역학에 대해 모델링을 수행하고 제자리 비행을 위한 자세 제어기 및 고도 제어기를 설계하였으며, 비선형 시뮬레이션을 수행하여 그 성능을 확인하였다. 복잡한 날갯짓 운동을 단순하게 정의하였으며 병진운동과 회전운동에 대한 날개의 공력모델을 수치적으로 구현하고 동체의 동역학 모델을 구현해 이를 통합하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구는 곤충모방 날갯짓 비행체의 제어기 설계와 자세제어 가능여부에 대한 분석을 하였다. 본 논문은 첫 번째로 곤충모방 날갯짓 비행체의 날갯짓 운동모델, 날갯짓 공력모델, 동체 동역학 모델을 통합하여 시뮬레이션 모델을 구축하였다(날갯짓이 어떤 운동이 수행되어 양력과 항력을 만들어내는지에 관한 날갯짓 기본 운동 모델, Dickinson M.

가설 설정

식 (16)을 통해서도 좌우 날갯짓이 동일 할 때 발생하는 모멘트가 동일하여 피칭모멘트를 제외하고 다른 요소는 상쇄되는 것을 알 수 있다. 본 논문에서는 제자리 비행을 고려하므로 각 방향의 속도에 대한 영향은 고려되지 않았다.
빠른 날갯짓에 의해 앞서 지나간 날개의 후류의 영향을 받는 Wake capture와 날개가 서로 맞닿고 떨어지는 과정에서 발생하는 fling-clapping의 공기역학 모델은 매우 복잡하고 어려워 본 논문에서는 이 중 상대적으로 영향이 큰 병진, 회전운동만을 고려하였다 [12],[13]. 병진운동은 날개의 받음각, 동압, 날개의 면적에 영향을 받게 된다.

제안 방법

[10] 날개에 의해 발생되는 힘과 모멘트가 동체에 전달되어 비행체의 자세를 계산하는 동체 동역학의 수치 모델). 두 번째로 제자리비행 상태를 위한 자세제어는 각도 및 각속도 안정화를 위하여 시스템 선형화를 통해 설계된 Linear Quadratic Regulator Control(LQR제어)을 적용하였으며 고도제어를 위해 PID제어를 수행하였다. 마지막으로 설계한 제어기는 시뮬레이션을 통하여 검증되었으며 초기 각도를 가진 상태에서의 자세제어를 수행하였으며 또한 자세안정화를 수행한 후 고도명령을 추종하도록 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 분석하였다.
두 번째로 제자리비행 상태를 위한 자세제어는 각도 및 각속도 안정화를 위하여 시스템 선형화를 통해 설계된 Linear Quadratic Regulator Control(LQR제어)을 적용하였으며 고도제어를 위해 PID제어를 수행하였다. 마지막으로 설계한 제어기는 시뮬레이션을 통하여 검증되었으며 초기 각도를 가진 상태에서의 자세제어를 수행하였으며 또한 자세안정화를 수행한 후 고도명령을 추종하도록 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 분석하였다.

대상 데이터

본 연구는 곤충모방 날갯짓 비행체의 제어기 설계와 자세제어 가능여부에 대한 분석을 하였다. 본 논문은 첫 번째로 곤충모방 날갯짓 비행체의 날갯짓 운동모델, 날갯짓 공력모델, 동체 동역학 모델을 통합하여 시뮬레이션 모델을 구축하였다(날갯짓이 어떤 운동이 수행되어 양력과 항력을 만들어내는지에 관한 날갯짓 기본 운동 모델, Dickinson M. H. et.al.[8] & Cheng B. et. al.[9]에서 제시한 방법인 날갯짓에 작용하는 공력을 수치적으로 계산은 날개 공력모델, Sun M. et.al.[10] 날개에 의해 발생되는 힘과 모멘트가 동체에 전달되어 비행체의 자세를 계산하는 동체 동역학의 수치 모델). 두 번째로 제자리비행 상태를 위한 자세제어는 각도 및 각속도 안정화를 위하여 시스템 선형화를 통해 설계된 Linear Quadratic Regulator Control(LQR제어)을 적용하였으며 고도제어를 위해 PID제어를 수행하였다.

성능/효과

시뮬레이션 결과 초기 자세각을 가지는 상태에서 제자리 비행을 위한 자세안정화가 수행되는 것을 확인하였으며 고도 역시 명령을 잘 추종하는 것을 확인 하였다. 곤충모방 날갯짓 비행체는 날갯짓에 의하여 주기적으로 발생하는피칭모멘트를 주기적인 제어입력을 통하여 marginally stable 하도록 만들어 주는 것을 확인하였다. 향후 비행체에 적용하기 위해서는 모델 오차에 대해 강건성을 분석하고, 제어기의 성능을 검증할 계획이다.
이러한 제자리 비행을 위한 자세안정화 및 고도제어에 대해 성능을 검증하기 위해 비선형 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 초기 자세각을 가지는 상태에서 제자리 비행을 위한 자세안정화가 수행되는 것을 확인하였으며 고도 역시 명령을 잘 추종하는 것을 확인 하였다. 곤충모방 날갯짓 비행체는 날갯짓에 의하여 주기적으로 발생하는피칭모멘트를 주기적인 제어입력을 통하여 marginally stable 하도록 만들어 주는 것을 확인하였다.

후속연구

곤충모방 날갯짓 비행체는 날갯짓에 의하여 주기적으로 발생하는피칭모멘트를 주기적인 제어입력을 통하여 marginally stable 하도록 만들어 주는 것을 확인하였다. 향후 비행체에 적용하기 위해서는 모델 오차에 대해 강건성을 분석하고, 제어기의 성능을 검증할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	곤충의 날개의 날갯짓은 어떤 운동으로 구분되는가?	곤충의 날개는 몸통과의 연결부를 중심으로 세 개의 독립적인 회전 운동이 이루어진다. 날갯짓을 하는 평면에 수직인 축을 중심으로 회전하는 운동(flapping motion), 날개의 길이 방향의 축을 중심으로 회전하는 운동(feathering motion), 날갯짓을 하는 평면 기준으로 위아래로 움직이는 회전 운동(deviation motion)으로 구분된다.
	제자리비행의 특징을 통해 무엇을 할 수 있는가?	또한 곤충은 어떠한 항공기에서도 찾아볼 수 없는 탁월한 공력 특성을 보인다. 급격한 기동 및 안정적인 제자리비행의 특징은 건물내부의 감시, 정찰, 침투나 붕괴된 건물의 내부 탐색 등 일반적인 항공기가수행할 수 없는 임무를 효과적으로 수행할 수 있으며 향후 군집 비행에 있어서도 유리할 것으로 판단된다. 이에 따라 다양한 연구기관 및 대학에서 곤충모방 날갯짓 비행체가 많이 연구되고 있다[1]-[3].
	곤충모방 날갯짓 비행체가 비선형 시스템의 특성을 가지는 이유는 무엇인가?	이를 위해 많은 방법으로 모델링이 시도 되고 있으며 주로 실험적인 연구를 통해 그 현상을 해석하고 모델링하고 있다. 곤충모방 날갯짓 비행체는 날갯짓을 통하여 공력을 얻어내며 이 때문에 주기적으로 시간에 변하는 비선형 시스템의 특성을 가진다. 또한 곤충의 날갯짓의 형태와 이에 따라 발생하는 현상에 대해 모두 명확하게 확인되지 않았으며 비행체의 날개는 유연한 박막 날개이기 때문에 복잡한 유체해석을 필요로 한다.

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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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