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적분누적 방지기법 기반 자세제어기를 이용한 쿼드로터 개발과 호버링 자세 제어 비행 실험
Development of Quad-rotor with Anti-Windup Based PI controller and Hovering Attitude Control Flight Test 원문보기

한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, v.26 no.3, 2018년, pp.48 - 54  

박대진 (한국항공대학교 대학원 항공우주 및 기계공학과) ,  박천건 (한국항공대학교 대학원 항공우주 및 기계공학과) ,  이상철 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper deals with a development of a quad-rotor for a hovering attitude control. First, a rotational dynamics are derived to design an attitude controller. The attitude controller is based on PI (Proportional-Integral) controller. For a stable attitude control, an anti-windup method applies to t...

주제어

#쿼드로터   #자세제어   #PI 제어기   #상보필터   #적분누적방지  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 적분누적 방지기법 기반의 PI 제어기를 적용한 쿼드로터의 개발과 실험에 대한 내용을 다루었다. 적분누적 방지기법은 외란 등에 의해 자세명령이 급격하게 변하거나 구동기의 최대 RPM을 상회하게 되면 적분기에서 오차의 적분값이 누적되는 것을 완화하기 위해 적용되었다.
  • 본 논문에서는 회전익 드론에 대해 높은 자세 안정성이 요구되는 호버링 자세제어를 위해 적분누적 방지기법 기반 PI제어기가 적용된 쿼드로터의 개발과 실험에 대한 내용을 다루었다. 우선, PI제어기 적용을 위해 쿼드로터의 회전운동방정식이 유도되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
적분누적 현상은 무엇인가 하지만, 제어하고자 하는 시스템의 비선형성과 구동기의 제한으로 인해 적분누적 (Integrator windup)현상이 발생할 수 있다. [6] 적분누적 현상은 제어명령과 관측값의 잔차 (Residual)가 적분기에 의해 지속적으로 적분되어 제어기의 성능을 저하시키는 것을 말한다. [6,7] 적분누적 현상을 방지하기 위해 PID 제어기에 조건적분 (Conditional Integration), 추적역계산 (Tracking Back Calculation) 등과 같은 적분누적 방지 (Anti-windup)기법을 적용시키는 연구가 수행되었다.
쿼드로터의 자세제어를 위한 PID 제어기의 장점과 단점은 무엇인가 PID 제어기는 구조가 간단하고 구현이 용이하다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 제어하고자 하는 시스템의 비선형성과 구동기의 제한으로 인해 적분누적 (Integrator windup)현상이 발생할 수 있다. [6] 적분누적 현상은 제어명령과 관측값의 잔차 (Residual)가 적분기에 의해 지속적으로 적분되어 제어기의 성능을 저하시키는 것을 말한다.
쿼드로터에 자세제어기가 필요한 이유는 무엇인가 쿼드로터가 수직 이·착륙과 호버링 등과 같은 기능을 안정적으로 수행하기 위해서는 신뢰할 수 있는 자세제어입력을 구동기에 전달하는 자세제어기가 필요하다. 김용영 외 6명(2010)은 쿼드로터의 자세제어를 위해 PID 제어기를 적용하는 연구를 수행하였고, 임현 외 3명(2012)은 Arducopter, Pixhawk 등과 같은 자동조종장치 (Autopilot)에 적용된 PID제어기의 구조에 대한 연구를 진행하였다.
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참고문헌 (15)

  1. Morgenthaler, S., Braun, T., Zhao, Zhongliang., Staub, T., and Anwander, M., "UAVNet: A mobile wireless mesh network using unmanned aerial vehicles," IEEE Globecom Workshops, Dec. 2012, CA, USA, pp. 1603-1608. 

  2. Park, D., Lee, S., Park, S., and Song, T., "Design Modification of Airframe Shape for Ultra Light Quad-Rotor Development," Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, Vol. 25, No. 4, 2017, pp. 44-51. 

  3. Kim, Y., Shin, J., Lee, S., Lee, H., Lim, H., Kim, K., Lee, S., "Quadrotor Attitude Stabilization by Using PID Controller," Journal of Aerospace System Engineering, Vol. 4, No. 4, 2010, pp. 18-27. 

  4. Lim, H., Park, J., Kim, D., and Kim, H., "Build Your Own Quadrotor," IEEE Robotics and Automation Magazine, Sep. 2012, pp. 33-45. 

  5. Huang, R., Liu, Y., and Zhu J. J., "Guidance, Navigation, and Control System Design for Tripropeller Vertical-Take-Off-and-Landing Unmanned Air Vehicle," Journal of Aircraft, Vol. 46, No. 6, 2009, pp. 1831-1856. 

  6. Bohn, C., and Artheton, D. P., "An Analysis Package Comparing PID Anti-windup Strategies," IEEE Control Systems, Vol. 15, Issue 2, 1995, pp. 34-40. 

    상세보기

  7. Choi, J.-W., and Lee, S.-C., "New Anti-windup Strategy for PI-type Speed Controller," The Transaction of The Korean Institute of Electrical Engineers B, Vol. 54B, No. 12, 2005, pp. 629-637. 

  8. Visioli, A., "Modified Anti-windup Scheme for PID Controllers," IEE Proceedings - Control Theory and Application, Vol. 150, Issue 1, 2003, pp. 49-54. 

  9. Lee, H., and Kim, H., "Robust Trajectory Control for Quadrotor Using Geometric Control," Proceeding of KSAS Fall Conference, Jeju, Korea, Nov. 2012, pp. 514-518. 

  10. Lee, D., Cho, S., and Shim, H., "Development of Mini Quadrotor Platform and Experiments on Outdoor Autonomous Swarming Flight," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol. 23, No. 11, 2017, pp. 905-911. 

    상세보기 crossref

  11. Yang, S., and Lee, S., "Dynamic Modeling and Design of Controller based on Thrusters for Korean Lunar Module," Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, Vol. 23, No. 1, 2015, pp. 49-55. 

  12. Lee, Y., Doh, T., and Ryoo, J., "Yaw Attitude Compensation in a Quadrotor using Complementary Filter and Geomagneric Sensor Tilt Compensation," Proceeding of ICROS 2015, Daejeon, Korea, May 2015, pp. 85-86. 

  13. Min, H., Yoon, J., Kim, J., Kwon, S., and Jeung, E., "Design of Complementary Filter using Least Square Method," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol. 17, No. 2, 2011, pp. 125-130. 

    원문보기 상세보기 crossref

  14. Wang, J., Lee, S., Yang, S., Lee, S., and Joo, S., "Attitude Control of the Quad-rotor using the Modified PID Controller," Proceedings of KIEE Summer Conference, Jul. 2011, pp. 1800-1801. 

  15. Ozdemir, A., and Erdem, Z., "Double-loop PI Controller Design of the DC-DC Boost Converter with A Proposed Approach for Calculation of the Controller Parameters," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part I: Journal of Systems and Control Engineering, Vol. 232, No. 2, 2018, pp. 137-148. 

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