LQR을 통한 사이클릭 피치 제어가 가능한 쿼드로터 항공기의 비선형 시뮬레이션

국문 초록 (Abstract)

최근 무인항공기에 대한 산업적 발전 가능성이 주목 받으면서 다양한 형태의 무인항공기에 대한 연구가 진행되고 있다. MEMS를 기반으로 하는 센서와 높은 집적도의 센서가 개발됨에 따라 소형 무인항공기에 대한 관심이 높아졌다. 특히 운용 편의성과 수직이착륙, 저속 성능이 우수한 회전익 무인항공기의 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 일반적인 회전익 항공기의 경우 유상하중을 증가시키기 위해서는 로터의 크기가 커져야 하므로 이에 따른 시스템의 기구적 안전성과 강성에 대한 해석과 설계가 복잡해진다. 이러한 단점을 보완하기 위해 쿼드로터 항공기를 포함한 다중로터 항공기가 대안으로 제시되고 있다. 현재까지 개발된 대부분의 쿼드로터 항공기는 각 로터의 피치 각을 고정시키고, 각 로터의 회전 속도를 제어하기 때문에 진동 문제에 취약하여 구조적인 문제가 발생하며, 다양한 비행 환경에서의 좋은 성능을 발휘하기 힘들기 때문에 고성능 항공기로서 부적합하다.
본 연구에서는 기존에 개발된 쿼드로터 항공기의 단점을 개선하기 위해서 사이클릭 피치 제어가 가능한 쿼드로터 항공기를 설계하였다. 콜렉티브와 사이클릭 제어를 사용하는 쿼드로터 항공기는 각 로터의 회전속도가 모두 동일하기 때문에 진동에 의한 구조적인 문제를 해소할 수 있으며, 12개의 자유도를 가지게 됨으로써 다양한 자세에서의 비행이 가능하기 때문에 자동 비행과 실용적 임무가 가능한 고성능 항공기로서 적합하다. 본 연구에서 개발하는 쿼드로터 항공기의 모델링은 FLIGHTLAB을 이용하여 비선형 모델을 구성하였으며, 각 비행 조건에서의 선형 모델을 이용하여 LQR 제어기 설계 및 비선형 시뮬레이션을 통해 제어기의 성능을 검증하였다. 또한 가시화 프로그램을 구성하여 비선형 시뮬레이션의 결과를 실시간으로 확인하였다. 본 논문은 사이클릭 피치 제어가 가능한 쿼드로터의 모델링 및 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 쿼드로터 무인항공기 2
• 1.2 연구 현황 및 개발 목표 2
• 2. 쿼드로터 항공기 설계 6
• 2.1 설계 요구 조건 6
• 2.2 RC 비행체 선정 6
• 2.3 전체 형상 7
• 2.4 비행 원리 8
• 3. 모델링 및 안정성 해석 10
• 3.1 쿼드로터 항공기의 모델링 10
• 3.2 쿼드로터 모델의 트림 13
• 3.3 비선형 모델의 선형화와 선형 모델 16
• 3.4 Eigen Analysis와 선형 시뮬레이션 18
• 3.4.1 제자리 비행 18
• 3.4.2 전진비행 24
• 4. 제어기 설계 30
• 4.1 LQR 제어기 30
• 4.2 LQR 제어기 설계 및 선형 시뮬레이션 32
• 5. 검증 및 시뮬레이션 35
• 5.1 LQR 제어기의 비선형 시뮬레이션 적용 35
• 5.2 가시화 프로그램 38
• 5.2.1 FLIGHTGEAR 38
• 5.2.2 가시화 프로그램 39
• 6. 결론 41
• 7. 참고문헌 43
• 8. Appendix 44
• 8.1 쿼드로터 항공기 선형 모델 44
• 8.1.1 제자리 비행 44
• 8.1.2 전진 비행 47