Path Following Control of Unmanned Aerial Vehicle Considering Attitude Constraint Based on Control Barrier Function = 자세 제한을 고려한 무인항공기의 제어 방벽 함수 기반 지형 및 경로 추종 제어

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this dissertation, a terrain and path following controller is designed for a fixed-wing unmanned aerial vehicle (UAV) considering the attitude constraint. The attitude constraint limits the roll and pitch angles of the UAV to be maintained within the desired ranges. The proposed controller controls the UAV to follow a predefined path and the altitude above ground level (AGL) to track the AGL command. The control barrier function (CBF) and exponential control barrier function (ECBF) are utilized to satisfy the attitude constraint. The proposed controller consists of the terrain and path following guidance law and the flight path controller.
In the first part of this study, the terrain and path following guidance law is designed. The guidance law consists of the terrain following controller and the horizontal path following controller. In the terrain following controller, the AGL of the UAV is controlled to track the AGL command. The distance between the UAV and the path is controlled to stay at zero in the horizontal path following controller. Both controllers are designed using the Lyapunov-based approach.
In the second part of this study, the flight path controller is designed using the CBF. The CBF-based flight path controller consists of three feedback loops. State-feedback controllers are designed using the sliding mode control scheme in the outermost loop and the inner-loop. In the second-outer loop, a quadratic programming (QP)-based controller is designed to control the sideslip angle while satisfying the attitude constraint. The control Lyapunov function is adopted to determine the QP constraint for the sideslip angle control, and the CBF is used to obtain the QP constraint for the attitude constraint.
In the third part of this study, the flight path controller is designed using the ECBF. The ECBF-based flight path controller consists of the nominal controller and the ECBF controller. The nominal controller is designed to generate the nominal command that controls the attitude to maintain the trim values. The nominal controller consists of three feedback loops. The controllers for each control loop are designed using the sliding mode controller (SMC). In the ECBF controller, the ECBF constraints corresponding to the attitude constraints are obtained. A QP is formulated using the ECBF constraints. The nominal commands from the nominal controller are used to formulate the QP. The actuator trim input is used in the cost function of the QP to reduce control effort. The actuator commands are obtained by solving the QP. Numerical simulation is performed to demonstrate the effectiveness of the proposed controllers.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 자세제한을 고려한 무인기의 지형 및 경로 추종 제어기법을 제안하였다. 자세제한은 무인항공기의 롤 각과 피치 각을 주어진 범위 내에 유지하도록 제한한다. 본 논문에서 제안한 제어기는 무인항공기가 주어진 경로를 추종하며 지 면 고도가 주어진 명령을 추종하도록 제어하며, 자세 제한조건을 만족하기 위해 제어방벽함수를 도입하였다.
첫째, 본 논문에서는 지형 및 경로 추종 유도 법칙을 설계한다. 유도 법칙은 지형추종 고도제어기와 수평경로추종 제어기로 이루어진다. 지형추종 고도제어기는 무인항공기의 지면 고도가 지면 고도명령을 추종하도록 제어한다. 수평경로추종 제어기에서는 무인항공기가 주어진 경로를 추종하도록 제어한다. 두 제어기는 르야프노프 기반 기법을 이용하여 설계된다.
둘째, 제어방벽함수를 이용하여 비행경로 제어기를 설계한다. 제어방벽함수 기반 비행경로 제어기는 세 개의 피드백 루프로 구성된다. 가장 바깥 루프와 내부 루프에 대한 상태 피드백 제어기는 슬라이딩 모드 제어 기법을 이용하여 설계되며, 두 번째 바깥 루프에서는 자세제한을 만족하며 옆미끄럼각을 제어하는 2차 계획법 기반 제어기가 설계된다. 옆미끄럼각 제어를 위한 2차 계획법 제약조건은 제어 르야프노프 함수를 이용하여 설계되며, 자세제한을 위한 2차 계획법 제약조건은 제어방벽함수를 이용하여 설계된다.
마지막으로 본 논문에서는 지수적 제어방벽함수를 이용하여 비행경로 제어기를 설계한다. 지수적 제어방벽함수 기반 비행경로 제어기는 기준 제어기와 지수적 제어방벽함수 제어기로 구성된다. 기준 제어기에서는 무인항공기의 자세를 트림 값으로 유지하도록 하는 기준명령을 생성한다. 기준 제어기는 세 개의 피드백 루프로 구성되며, 각 루프에 대한 제어기는 슬라이딩 모드 제어 기법을 이용하여 설계된다. 지수적 제어방벽함수 제어기에서는 자세제한에 해당하는 지수적 제어방벽 제한조건을 설계하며, 설계된 지수적 제어방벽 제한조건은 2차 계획법 구성에 이용된다. 기준 제어기에서 얻은 기준명령 또한 2차 계획법 구성에 이용된다. 제어 노력을 줄이기 위해 작동기의 트림 값을 2차 계획법의 비용함수 설계에 이용하며, 2차 계획법으로부터 작동기 명령을 산출한다. 본 논문에서 제안된 제어기의 성능을 확인하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행하였다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• 1 Introduction 1
• 1.1 Motivation 1
• 1.2 Literature Review 4
• 1.2.1 Attitude Control of Fixed-Wing UAVs 4
• 1.2.2 Safety Control 5
• 1.3 Contributions 7
• 1.4 Dissertation Overview 9
• 2 Mathematical Preliminaries and UAV Model 10
• 2.1 Mathematical Preliminaries 10
• 2.1.1 Forward Invariant Sets 10
• 2.1.2 Control Barrier Functions 11
• 2.1.3 Exponential Control Barrier Functions 12
• 2.2 Nonlinear Model of Control-Configured UAV 17
• 2.2.1 Equations of Motion 17
• 2.2.2 Aerodynamic and Thrust Model 23
• 2.2.3 Actuator Model 25
• 3 Guidance Law Design for Terrain and Path Following 30
• 3.1 Terrain Following Altitude Control Design 32
• 3.2 Horizontal Path Following Control Design 35
• 4 Flight Path Control Design Based on Control Barrier Function 38
• 4.1 SMC Control Design for Outer-Loop and Angular Rate Control Loop 40
• 4.1.1 Outer-Loop 40
• 4.1.2 Angular Rate Control Loop 43
• 4.2 CBF Control Design for Attitude Control Loop 46
• 4.2.1 CBF Constraints Design 46
• 4.2.2 CLF Constraint Design 49
• 4.2.3 QP Problem Formulation 50
• 4.3 Control Allocation 52
• 5 Flight Path Control Design Based on Exponential Control Barrier Function 54
• 5.1 Nominal Control Design 56
• 5.2 ECBF Control Design 60
• 5.2.1 ECBF Constraints Design 60
• 5.2.2 Thrust and Lift Constraints and Cost Function Design 68
• 5.2.3 QP Problem Formulation 70
• 6 Numerical Simulation 72
• 6.1 Simulation Setup 72
• 6.1.1 Parameter Design 72
• 6.1.2 Terrain and Path Configuration 73
• 6.2 Simulation Results 80
• 6.2.1 Scenario 1: Linear Path 80
• 6.2.2 Scenario 2: Combined Path 90
• 6.2.3 Scenario 3: Circular Path 100
• 7 Conclusions 110
• 7.1 Concluding Remarks 110
• 7.2 Future Work 112
• Bibliography 113
• 국문초록 126