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연구개요
-꼬리날개가 없는 곤충모방 날갯짓 비행로봇(이하 곤충모방 비행로봇)의 응답 특성을 분석하고, 이에 기초하여, 모델 불확실성 및 바람 등의 외부교란에도 불구하고 안정적으로 비행자세 및 방향을 유지할 수 있는 제어기 설계 기술을 연구 개발함
-이를 위하여 곤충모방 비행로봇의 패러미터 식별 실험 및 제어 응답특성 분석, ESO(Extended State Observer) 및 ADRC(Active Disturbance Rejection Control) 제어기법을 이용한 곤충모방 날갯짓 비행로봇의 자세제어 기술 연구, 초

연구개요
-꼬리날개가 없는 곤충모방 날갯짓 비행로봇(이하 곤충모방 비행로봇)의 응답 특성을 분석하고, 이에 기초하여, 모델 불확실성 및 바람 등의 외부교란에도 불구하고 안정적으로 비행자세 및 방향을 유지할 수 있는 제어기 설계 기술을 연구 개발함
-이를 위하여 곤충모방 비행로봇의 패러미터 식별 실험 및 제어 응답특성 분석, ESO(Extended State Observer) 및 ADRC(Active Disturbance Rejection Control) 제어기법을 이용한 곤충모방 날갯짓 비행로봇의 자세제어 기술 연구, 초소형 MEMS 센서를 이용한 속도 및 고도 추정 기법 연구 및 바람의 영향을 극복하기 위한 제어 기술 연구 등에 대한 연구를 진행함.

연구 목표대비 연구결과
목표대비 100%의 연구 성과를 얻었으며 구체적 연구 결과는 다음과 같음:
- 전산수치해석을 통하여 곤충 모방 비행로봇의 동역학 패러미터를 구하고 입출력 특성을 분석하였으며, 서보 모터의 시간지연이 자세제어 시스템의 안정성에 미치는 영향 분석하고 충분한 안정도 확보 또는 백스테핑 제어 등을 통한 보상 방법 제시함
- 날갯짓 진동환경에서의 MEMS 센서의 잡음 측정 분석 및 제거 기술 확보하였고, 자세 측정 장치 하드웨어 제작 및 이를 이용한 곤충모방 비행로봇의 자세 측정 실험 수행하여서, 잡음이 효과적으로 제거됨을 확인함
- 곤충모방 비행로봇의 전자제어 시스템을 개발하였고, 곤충 모방 로봇 비행체의 제어기 및 온보드 센서를 활용하여 패러미터 식별에 사용할수 있는 데이터 획득 장치를 구현하였음
- 패러미터 식별기법을 적용하여 곤충 모방 로봇 비행체의 동역학 패러미터를 구하였으며, 이 때 얻어진 모델이 전산수치 해석으로 얻은 모델보다 실제 응답 특성을 더욱 잘 모사함을 확인하였음
- ESO 상태 관측기가 곤충모방 비행로봇 비행체에서 교란을 효과적으로 추종 할 수 있음을 확인하였으며, ESO 및 ADRC를 이용하면, 복잡한 시스템을 저차의 간략한 시스템으로 바꾸어서 곤충 모방 비행체 제어기 설계에 활용할 수 있음을 보였음
- 야외 비행실험을 통하여 제안된 제어기가 외풍이 있는 야외에서도 곤충 모방 로봇비행체를 충분히 안정화시키며 비행하게 함을 확인하였음

연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
- 본 연구를 통하여 안정성이 취약한 곤충모방 날갯짓 비행로봇의 안정성 및 성능이 개선 되었고, 특히 실외 환경에서 안정적으로 비행 할 수 있게 되었음
- 곤충모방 날갯짓 비행로봇은 본 연구 결과에 따른 안정적인 실외 비행을 통하여, 테러 의심지역이나 현장을 은밀히 정탐하는데 활용할 수 있을 것이며, 위험을 조기 발견하고 예방 및 해결할 수 있게하여, 궁극적으로는 안전사회 구축에 기여할 것임
- 본 연구에서 개발되는 ADRC,ESO 기술을 결합한 안정된 제어기 설계 기술은 곤충모방 날갯짓 비행체 뿐 아니라, 서보모터, 로봇팔, 항공기 제어 등에도 바로 활용되어, 불확실한 플랜트 패러미터 및 외부 부하 변화에도 불구하고 성능 및 안정성을 유지할 수 있게 하는데 기여할 것임.
- 곤충모방 비행로봇은 곤충의 비행원리를 창의적 설계로 구현한 로봇이므로, 초중고등학교 학생들을 대상으로 새로운 과학교재 산업을 창출할 수 있을 것으로 기대됨
- 2019년 기준 10년 이내 곤충모방 로봇의 세계 시장 규모는 1조 달러에 이를 것으로 예측되고 있음

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• (1) 곤충모방 비행로봇의 전자제어 시스템 실험 장치 설계 및 제작 ... 4
• (2) 해석 및 실험을 통한 곤충모방 비행로봇의 동역학 패러미터 검증 ... 4
• (3) 곤충모방 비행로봇의 모델 특성 분석 및 입출력 특성 분석 ... 5
• (4) 서보 모터로 인한 자세제어시스템의 안정도 강인성 저하 문제 해결 연구 ... 5
• (5) 날갯짓 진동환경에서 MEMS 센서의 잡음 제거 기술 연구 및 이를 활용한 각도 추정 기술 연구 ... 5
• (6) 자세 측정 HW 제작 및 이를 날갯짓 비행로봇의 자세 측정 실험 및 보완 ... 6
• (7) 비행 실험을 통한 동역학 패러미터 검증 ... 6
• (8) 곤충모방 비행로봇의 속도 추정 기술 연구 ... 7
• (9) 외풍의 측정 기술 연구 ... 8
• (10) 외풍의 자세에 미치는 영향 보상 ... 8
• (11) 실외 비행 실험 결과 ... 12
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 13
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 13
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 13
• 3) 목표 달성 수준 ... 14
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 14
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 14
• 6. 자체점검표 ... 15
• 7. 참고문헌 ... 15
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 17
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 19
• 끝페이지 ... 28