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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

김영민 (동의대학교, 동의대학교 대학원)

지도교수
백운보
발행연도
2023
저작권
동의대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수6

표지
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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2023

지면 효과와 자이로 효과를 가지는 쿼드로터에 대한 피드백 선형화에 기반한 슬라이딩 모드 제어
김영민 지능시스템공학과 2023.01 학위논문

2020

피드백 선형화를 이용한 쿼드로터의 자이로 효과 제어
김영민 ,  백운보 로봇학회 논문지 2020.09 학술저널

2018

지면효과를 갖는 쿼드로터에 대한 피드백 선형화기반 슬라이딩 모드 제어
김영민 ,  백운보 한국정보기술학회논문지 2018.02 학술저널

초록· 키워드

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이 논문은 회전익을 가지는 무인기의 비행에서 발생하는 자이로 효과와 이/착륙에서 발생하는 지면 효과를 가지는 쿼드로터에 대한 피드백 선형화 (FL) 기반 슬라이딩 모드 제어기 (SMC)를 설계하는 문제를 다룬다. 시스템 전체의 점근적인 안정도는 리아푸노프 함수 (Lyapunov Function)를 이용한 안정성 해석방법을 이용한다. 입력 불확실성 (Input Uncertainty)을 가진 요소와 FL을 바탕으로 새로 추가된 제어기의 성능을 비교 시뮬레이션하는 방법으로 제안된 제어기를 지면 효과 (Ground Effect)와 자이로 효과 (Gyro Effect)의 영향을 받는 쿼드로터에 적용하여 제어 성능을 확인한다.
먼저, 입력 불확실성을 가지는 쿼드로터의 빠른 자세제어와 호버링 (Hovering) 제어를 위해 확장된 오차 시스템 (EES)을 기반으로 한 피드백 선형화 터미널 슬라이딩 모드 제어기 (FLTSMC)를 제안한다. 초기에 롤()과 피치(), 요() 각 그리고 공칭 로터의 전체 무게가 변동되는 상황에도 안정한 고도 추적 및 수 초 내에 모든 자세가 제어됨을 보인다.
두 번째로, 쿼드로터에서 생성되는 자이로 효과를 상쇄시키기 위한 피드백 선형화 제어기 (FLC)를 제안한다. 쿼드로터의 모델 방정식을 확장하여 제어입력이 나타나도록 한 후 자이로 효과가 있는 회전 동역학을 기반으로 새로운 형식 (New-Type)의 제어입력을 유도한다. 시뮬레이션으로부터 제안된 제어기를 사용해 쿼드로터의 자이로 효과 제어 결과를 보인다.
세 번째로, 자율주행 (Autonomous) 쿼드로터의 지면 효과 외란 (Disturbance)에 대해 안정한 자세제어가 가능한 피드백 선형화 기반 슬라이딩 모드 제어 (FLSMC)를 제안한다. 제안된 방법은 적응제어 기법의 도입 없이 쿼드로터의 안정한 자세 유지 및 위치제어 성능을 가짐을 보인다.
네 번째로, 앞서 소개된 자율주행 쿼드로터에 대한 FLSMC와 비교하여 지면 효과를 모델의 일부로 고려한 쿼드로터에 대하여 자세제어 성능이 향상된 적응 슬라이딩 모드 제어기 (FLASMC)를 제안한다. 제안된 제어기는 적응 메커니즘을 사용해 지면 효과 상수를 추정하고, 이로부터 지면 효과를 계산한다. 시뮬레이션으로부터 제안된 제어기를 사용해 지면 효과에 대한 쿼드로터의 자세제어 성능이 향상됨을 보인다.
향후 드론의 관성모멘트 또는 각속도/가속도가 증가하거나 수직 이/착륙을 활용한 산업 발전 속도를 고려하면 지면 효과나 자이로 효과의 영향은 점차 증가할 것으로 기대된다. 특히, 쿼드로터의 자이로 효과는 향후 추가적인 토크로 사용하거나, 자세 전환에 적용 가능한지 연구하는 데에도 접목될 수 있을 것으로 기대해본다.

목차

1. 목차
국문초록 ⅰ
목차 ⅲ
표목차 vii
그림목차 viii
기호 및 설명 ⅻ
약어 ⅹⅰⅴ
1. 소개 1
1.1 연구배경 1
1.2 동기 및 목표 4
1.2.1 동기 4
1.2.2 목표 6
1.3 범위 및 구성 8
2. 시스템 모델링 및 호버링(Hovering) 제어 10
2.1 소개 10
2.2 시스템 모델링 10
2.2.1 쿼드로터 기본 동역학 모델 11
2.2.2 비선형 쿼드로터 시스템 FL 17
2.2.2.1 자이로 효과를 가지는 쿼드로터 시스템 FL 17
2.2.2.1.1 피드백 선형화(FL) 의사(Pseudo) 입력 설계 17
2.2.2.2 자이로 효과와 지면 효과를 가지는 쿼드로터 시스템 FL 18
2.3 쿼드로터의 FL 호버링 제어 20
2.3.1 비선형 쿼드로터 시스템의 FL 21
2.3.2 FLTSMC 설계 및 시스템 안정성 분석 23
2.3.3 수치 시뮬레이션 26
2.3.3.1 , payload, 에 따른 호버링 응답 27
2.3.3.2 FLSMC vs FLTSMC 성능 비교 30
2.3.3.2.1 슬라이딩 모드 제어기(SMC)에 따른 시뮬레이션
결과 30
2.3.3.2.2 터미널 슬라이딩 모드 제어기(TSMC)에 따른 시뮬레이션
결과 36
2.4 결과 41
3. 자이로 효과를 가지는 쿼드로터에 대한 FLC 42
3.1 소개 42
3.2 자이로 효과를 상쇄시키기 위한 FL New-Type 제어입력 설계 43
3.3 시스템 안정성 분석 47
3.4 수치 시뮬레이션 48
3.4.1 자이로 효과를 상쇄시키기 위한 제어입력 결과 50
3.4.1.1 , 결과 50
3.4.1.2 평균제곱근오차(RMSE) 결과 54
3.4.2 FLC 시뮬레이션 결과 55
3.5 결과 57
4. 지면 효과 외란을 가지는 쿼드로터의 FLSMC 58
4.1 소개 58
4.2 FLSMC 설계 및 시스템 안정성 분석 59
4.2.1 지면 효과 외란을 제어하기 위한 SMC 설계 59
4.2.2 시스템 안정성 분석 61
4.3 수치 시뮬레이션 62
4.3.1 FLC vs FLSMC 성능 비교 63
4.3.1.1 피드백 선형화 제어기(FLC)에 따른 시뮬레이션 결과 63
4.3.1.2 피드백 선형화 슬라이딩 모드 제어기(FLSMC)에 따른
시뮬레이션 결과 65
4.3.2 외란을 고려한 FLSMC 시뮬레이션 결과 67
4.4 결과 69
5. 지면 효과를 반영한 쿼드로터의 FLASMC 70
5.1 소개 70
5.2 FLASMC 설계 및 시스템 안정성 분석 72
5.2.1 지면 효과 상수 추정기 설계 74
5.2.2 시스템 안정성 분석 75
5.3 수치 시뮬레이션 76
5.3.1 ASMC에 따른 지면 효과의 추정 결과 78
5.3.1.1 , , 결과 79
5.3.2 FLC vs FLSMC vs FLASMC 성능 비교 81
5.3.2.1 FLC에 따른 시뮬레이션 결과 81
5.3.2.2 FLSMC에 따른 시뮬레이션 결과 84
5.3.2.3 FLASMC에 따른 시뮬레이션 결과 87
5.4 결과 89
6. 결론 및 향후 과제 90
6.1 결론 90
6.2 향후 과제 92
참고문헌 93
부록 103
영문초록(Abstract) 114
감사의 글 116

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