[논문]무인항공기의 내풍성 강화를 위한 제어기의 외란관측기 연구

오승조; 이동진

doi:10.12985/ksaa.2018.26.2.061

무인항공기의 내풍성 강화를 위한 제어기의 외란관측기 연구
Disturbance Observer based PID Controller for robustness enhancement of UAVs under the presence of wind disturbance 원문보기

한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, v.26 no.2, 2018년, pp.61 - 67

오승조 (한서대학교 항공시스템공학과) , 이동진 (한서대학교 무인항공기학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a method to apply disturbance observer to PID controller for robustness enhancement of UAVs. The system uncertainties and disturbances bring adverse effects on performance and stability of UAVs. In this paper, we estimate the acceleration disturbances using nonlinear disturbance observer, then compensate disturbances with composite controller. By employing nonlinear disturbance observer and composite controller, we have better performance and robustness than conventional PID controller. The asymptotical stability of nonlinear disturbance observer is presented through theoretical analysis. The estimation performance of nonlinear disturbance observer is evaluated by numerical simulation. And performance of disturbance observer based PID controller is evaluated by comparing the performance with conventional PID controller.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 쿼드콥터(quadcopter) 무인항공기의 내풍성 강화를 위한 제어기법을 제시한다. 쿼드콥터의 내풍성 강화를 위하여 비선형 외란관측기를 이용하여 돌풍(gust)과 같은 가속도 기반의 외란을 추정하며 추정된 외란에 대한 보상을 수행한다.
본 연구에서는 쿼드콥터의 내풍성 강화를 위한 비선형 외란관측기 기반의 PID 제어기 설계에 관한 연구를 수행하였다. 돌풍과 같은 가속도 외란을 추정하기 위하여 비선형 외란관측기를 구성하였으며, 추정된 가속도 외란과 자세 명령, 스로틀 명령 간 관계식을 이용하여 보상을 수행하였다.

가설 설정

본 논문에서 외란관측기는 외란의 변화량\(d\)≈0이라 가정하며, 비선형 외란관측기 는 아래의 식과 같다(Chen, 2000).

제안 방법

Table. 1과 같이 x, y, z축에 대하여 각 상수 외란과 사인파 외란을 쿼드콥터에 인가하고, 외란이 인가된 상태에서 비선형 외란관측기의 외란 추정성능에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 외란관측기의 외란 추정성능은 아래의 Fig.
본 연구에서는 쿼드콥터의 내풍성 강화를 위한 비선형 외란관측기 기반의 PID 제어기 설계에 관한 연구를 수행하였다. 돌풍과 같은 가속도 외란을 추정하기 위하여 비선형 외란관측기를 구성하였으며, 추정된 가속도 외란과 자세 명령, 스로틀 명령 간 관계식을 이용하여 보상을 수행하였다. 시뮬레이션을 통하여 비선형 외란관측기의 가속도 외란 추정성능에 대한 분석을 수행하였으며, 기존의 PID 제어기와의 성능 비교를 통해 외란관측기 기반 PID 제어기의 성능을 확인하였다.
본 논문에 서는 성능검증을 수행하기 위하여 가속도 외란  ,  , 이 주어졌을 때, 호버링(hovering), 원 궤적 추종 임무를 수행한다.
본 논문에서는 외란관측기를 이용하여 가속도 외란을 추정하며, 추정된 외란을 이용하여 보상을 수행한다. 따라서 가속도 외란을 보상하기 위해 가속도 외란과 제어입력 사이의 관계식을 도출해야한다.
는 각 모터의 회전속도이며, k, b는 각 모터의 추력, 모멘트 상수이다. 생성된 추력과 토크를 통하여 쿼드콥터의 동역학 방정식을 유도하며, 동역학 방정식을 유도하기 위하여 쿼드콥터의 동체좌표계(body frame)와 관성좌표계 (inertial frame)를 고려한다. 아래의 식 (3)은 쿼드콥터의 동역학 방정식을 나타낸다.
추정된 가속도 외란을 이용하여 자세 제어명령, 스로틀 제어명령을 생성하며, 생성된 제어입력은 자세루프에서 보상된다. 성능비교를 수행하기 위하여 호버링, 원궤적 추종기동에 대한 성능비교를 수행하였다. 호버링, 원궤적 추종기동을 수행하기 위하여 아래의 식 (13), (14)와 같이 속도명령을 입력하였다.
돌풍과 같은 가속도 외란을 추정하기 위하여 비선형 외란관측기를 구성하였으며, 추정된 가속도 외란과 자세 명령, 스로틀 명령 간 관계식을 이용하여 보상을 수행하였다. 시뮬레이션을 통하여 비선형 외란관측기의 가속도 외란 추정성능에 대한 분석을 수행하였으며, 기존의 PID 제어기와의 성능 비교를 통해 외란관측기 기반 PID 제어기의 성능을 확인하였다. 본 연구를 통해 무인항공기를 운항함에 있어 안정성 향상을 도모할 수 있을 것으로 판단된다.
시뮬레이션을 통해 비선형 외란관측기 기반 PID 제어기의 성능검증을 수행한다. 본 논문에 서는 성능검증을 수행하기 위하여 가속도 외란 f_x, f_y, f_z이 주어졌을 때, 호버링(hovering), 원궤적 추종 임무를 수행한다.
쿼드콥터의 내풍성 강화를 위하여 비선형 외란관측기를 이용하여 돌풍(gust)과 같은 가속도 기반의 외란을 추정하며 추정된 외란에 대한 보상을 수행한다. 시뮬레이션을 통해 비선형 외란관측기의 가속도 외란 추정성능을 분석하였다. 외란관측기와 PID 제어기를 통합하고 기존의 PID 제어기와의 성능비교를 통해 외란관측기 기반 PID 제어기법의 성능을 확인하였다.
외란관측기 기반 PID 제어기와 PID 제어기 사이의 성능비교 시뮬레이션을 수행하였다. 추정된 가속도 외란을 이용하여 자세 제어명령, 스로틀 제어명령을 생성하며, 생성된 제어입력은 자세루프에서 보상된다.
시뮬레이션을 통해 비선형 외란관측기의 가속도 외란 추정성능을 분석하였다. 외란관측기와 PID 제어기를 통합하고 기존의 PID 제어기와의 성능비교를 통해 외란관측기 기반 PID 제어기법의 성능을 확인하였다. 성능 검증을 통해 무인항공기의 외란에 대한 안정성을 확인하고, 무인항공기의 안정성 향상으로 인한 무인항공기 운항의 안정성 향상을 기대해볼 수 있다.
본 논문에 서는 성능검증을 수행하기 위하여 가속도 외란 f_x, f_y, f_z이 주어졌을 때, 호버링(hovering), 원궤적 추종 임무를 수행한다. 임무수행 과정 중, 비선형 외란관측기의 외란 추정성능을 분석하며 외란관측기 기반 PID와 PID 간 성능비교를 수행한다. 본 논문에서의 시뮬레이션 조건은 아래의 Table.
본 논문에서는 쿼드콥터(quadcopter) 무인항공기의 내풍성 강화를 위한 제어기법을 제시한다. 쿼드콥터의 내풍성 강화를 위하여 비선형 외란관측기를 이용하여 돌풍(gust)과 같은 가속도 기반의 외란을 추정하며 추정된 외란에 대한 보상을 수행한다. 시뮬레이션을 통해 비선형 외란관측기의 가속도 외란 추정성능을 분석하였다.

대상 데이터

본 시뮬레이션에서는 관측기 게인          으로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.

이론/모형

따라서 가속도 외란을 보상하기 위해 가속도 외란과 제어입력 사이의 관계식을 도출해야한다. 본 논문에서 사용하는 관계식은 식(3)의 가속도 방정식을 이용하여 도출한다 (Lee, 2016). 쿼드콥터가 제어가 수행되는 제어 범위는 작다고 가정하여 식 (3)의 가속도 방정식을 선형화 하면 아래와 같이 나타낼 수 있다

성능/효과

외란관측기 기반 제어기법은 기존 제어기의 변경 없이 통합되어 시스템의 불확실성, 외란을 보상하기 때문에 설계된 제어기의 별다른 수정이 요구되지 않는다. 두 번째로 외란관측기 기반 제어기법은 기존의 강인제어와 같이 최악의 경우(worst-case)를 고려하여 설계되지 않기 때문에 보수적인 제어시스템 설계로 인한 성능저하가 발생하지 않는다. 세 번째로 외란관측기 기반 제어기법은 능동 외란 제어(active antidisturbance control)기법으로 기존의 되먹임(feedback)제어 기반의 수동 외란 제어(passive antidisturbance control)기법에 비하여 효과적으로 외란을 보상한다.
두 번째로 외란관측기 기반 제어기법은 기존의 강인제어와 같이 최악의 경우(worst-case)를 고려하여 설계되지 않기 때문에 보수적인 제어시스템 설계로 인한 성능저하가 발생하지 않는다. 세 번째로 외란관측기 기반 제어기법은 능동 외란 제어(active antidisturbance control)기법으로 기존의 되먹임(feedback)제어 기반의 수동 외란 제어(passive antidisturbance control)기법에 비하여 효과적으로 외란을 보상한다.
속도명령 추적성능에 대한 성능비교를 수행한 결과, 외란관측기를 적용하였을 때, 보다 속도명령에 대한 추적성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 추적성능에 대한 평균 제곱근 오차(Root Mean Squared Error)는 아래의 Table.
2와 같다. 시뮬레이션 결과를 통해 외란관측기를 적용한 PID 제어기의 성능이 기존의 PID 제어기보다 외란에 대한 강건한 추적성능을 보이는 것을 확인하였다.
시뮬레이션 결과, 상수 외란의 경우 외란 추정값이 입력 외란에 점근적으로 수렴하는 것을 확인할 수 있었으며, 사인파 외란의 경우 외란의 변화율은 작다고 가정하였으므로 추정 값과 실제 외란 사이의 일부 위상차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
외란관측기 기반의 제어기법은 기존의 다른 제어기법과 비교하여 외란을 보상하는데 있어 다음과 같은 특징을 나타낸다(Li, 2016). 첫째로, 외란관측기 기반의 제어기는 기존에 설계된 제어기와 통합이 용이하다. 외란관측기 기반 제어기법은 기존 제어기의 변경 없이 통합되어 시스템의 불확실성, 외란을 보상하기 때문에 설계된 제어기의 별다른 수정이 요구되지 않는다.

후속연구

시뮬레이션을 통하여 비선형 외란관측기의 가속도 외란 추정성능에 대한 분석을 수행하였으며, 기존의 PID 제어기와의 성능 비교를 통해 외란관측기 기반 PID 제어기의 성능을 확인하였다. 본 연구를 통해 무인항공기를 운항함에 있어 안정성 향상을 도모할 수 있을 것으로 판단된다.
추후 외란 모델의 불확실성과 관련한 연구와 외란관측기를 포함한 제어기의 안정성 분석에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인항공기는 어디에 활용되고 있나?	무인항공기는 근래에 시장이 확대되면서 기존 에 운용되던 감시, 정찰 등의 군 기반의 용도뿐만 아니라 시설점검, 재난감시, 항공촬영, 토지측량 등 다양한 산업, 민간 분야에서 활용되고 있다. 무인항공기의 수요증가에 따라 각 분야에서 적 재적소에 활용되기 위해서 무인항공기의 안정성 과 임무성능이 확보되어야 한다.
	무인 항공기에 탑재되는 제어기는 무엇을 고려하여 설계되어야 하는가?	무인항공기의 수요증가에 따라 각 분야에서 적 재적소에 활용되기 위해서 무인항공기의 안정성 과 임무성능이 확보되어야 한다. 이에 따라 무인 항공기에 탑재되는 제어기는 각 임무에 대한 수 행성능, 안정성을 고려하여 설계된다. 특히, 바람 이나 돌풍과 같은 외란, 시스템의 불확실성은 임 무 수행성능의 저하를 초래하며, 불안정성 증가 에 따른 시스템의 발산을 초래할 수 있다.
	외란관측기 기반의 제어 기법은 다른 제어기법과 비교하여 외란을 보상하는데에 어떤 특징이 있는가?	외란관측기 기반의 제어 기법은 기존의 다른 제어기법과 비교하여 외란 을 보상하는데 있어 다음과 같은 특징을 나타낸 다(Li, 2016). 첫째로, 외란관측기 기반의 제어기 는 기존에 설계된 제어기와 통합이 용이하다. 외란관측기 기반 제어기법은 기존 제어기의 변 경 없이 통합되어 시스템의 불확실성, 외란을 보상하기 때문에 설계된 제어기의 별다른 수정 이 요구되지 않는다. 두 번째로 외란관측기 기 반 제어기법은 기존의 강인제어와 같이 최악의 경우(worst-case)를 고려하여 설계되지 않기 때 문에 보수적인 제어시스템 설계로 인한 성능저 하가 발생하지 않는다. 세 번째로 외란관측기 기반 제어기법은 능동 외란 제어(active antidisturbance control)기법으로 기존의 되먹임 (feedback)제어 기반의 수동 외란 제어(passive antidisturbance control)기법에 비하여 효과적으 로 외란을 보상한다. 무인항공기의 안정성 향상을 위한 외란관측기 기반의 제어기법 연구가 다양하게 진행되었다.

참고문헌 (7)

Li, S., Yang, J., Chen, W. H., & Chen, X., "Disturbance observer-based control: methods and applications," CRC press, 2016, pp.24-25
Liu, Cunjia, Wen-Hua Chen, and John Andrews. "Tracking control of small-scale helicopters using explicit nonlinear MPC augmented with disturbance observers," Control Engineering Practice 20.3, 2012, pp.258-268.

상세보기
Lee, S. J., Kim, S., Johansson, K. H., & Kim, H. J., "Robust acceleration control of a hexarotor UAV with a disturbance observer," 2016 IEEE 55th Conference on, In Decision and Control (CDC), Las Vegas, USA, Dec. 12-14, 2016, pp. 4166-4171
Liu, Cunjia, Owen McAree, and WenHua Chen. "Pathfollowing control for small fixedwing unmanned aerial vehicles under wind disturbances," International Journal of Robust and Nonlinear Control 23.15, 2013, pp.1682-1698.

상세보기
Chen, W. H., Ballance, D. J., Gawthrop, P. J., & O'Reilly, J., "A nonlinear disturbance observer for robotic manipulators," IEEE Transactions on industrial Electronics, 47(4), 2000, pp. 932-938.

상세보기
Chen, Wen-Hua, et al. "Disturbance-observer- based control and related methods―An overview," IEEE Transactions on Industrial Electronics 63.2, 2016, pp.1083-1095.

상세보기
Chen, Wen-Hua. "Disturbance observer based control for nonlinear systems," IEEE/ASME transactions on mechatronics 9.4 , 2004, pp.706-710.

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