Incremental Backstepping 및 Model Following Control 기반의 동축 반전 유선 드론 자율 비행 제어 법칙 개발 = Research of Development of Autonomous Flight Control Laws Based on Incremental Backstepping and Model Following Control for Coaxial Tethered Drone

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper describes the modeling and controller design of a wired drone for land and sea surveillance including a coaxial counter-rotor. For drone modeling, high- fidelity drone modeling based on rotor dynamics was performed. The shape parameters required for rotor modeling were measured by reverse engineering actual blade data, and the aerodynamic parameters were estimated based on experimental data. The completed rotor model is included in the entire airframe modeling as part of element-based modeling, and analyses such as trim analysis, linearization, and simulation were performed based on it. In this paper, Backstepping Control used in autonomous follow-up flight mode and Model Following Control used in manual pilot flight mode were described and designed. The process of converting position and velocity commands into attitude commands for heave, roll, pitch, and yaw axis control and the process of using a second-order command filter to generate dynamic commands were also applied. In addition, since this study aims at developing an actual aircraft, the process for actual application such as application of Incremental Dynamics to improve the robustness of the aircraft, modeling of disturbance prediction due to the line, sensor data conversion process, control and command input limitation, and controller mode switching algorithm are described in detail. The simulation results of this study prove that the designed controller responds correctly to the user's commands and allows the system to reach the control target despite disturbances in the streamlined elements in the path following test. In the configured simulation mission, the aircraft achieved some of the items that exist in the aircraft development requirements. In addition, the controller with Incremental Dynamics applied showed better control performance than the general Backstepping controller. The conclusions drawn from this study indicate that Incremental Backstepping Control and Model Following Control have potential for the operation of an actual drone for a model of a streamlined drone including a coaxial counter-rotating rotor with a unique shape. Future research should experimentally verify the controller proposed in this paper by installing it on an actual aircraft and advance the control parameter elements. In addition, adaptive control elements such as the Least Square- based parameter estimation technique can be used to adapt to the uncertainty of the model.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 동축 반전형 로터를 포함하는 육해상 감시용 유선 드론에 대한 모델링과 제어기 설계에 대하여 기술한다. 드론의 모델링을 위해서 로터 동역학에 기반한 고충실도 드론 모델링을 진행하였다. 로터 모델링에 필요한 형상 파라미터는 실제 블레이드 데이터를 역 설계하여 측정, 공력 파라미터는 실험 데이터에 기반하여 추정하였다. 완성된 로터 모델은 요소 기반 모델링의 부분으로 전 기체 모델링에 포함되며 이를 기반으로 Trim 해석, Linearization, Simulation 등의 해석을 진행하였다. 본 논문에서는 자율 추종 비행 모드에 사용되는 Backstepping Control과 수동 조종 비행 모드에 사용되는 Model Following Control에 대해 기술하고 이에 대해 설계하였다. Heave, Roll, Pitch, Yaw축 제어를 위해 위치 및 속도 명령을 자세 각 명령으로 변환하는 과정과 이에 동적 명령을 생성하기 위한 2차 커맨드 필터를 사용하는 과정 또한 적용되었다. 또한 본 연구는 실제 기체 개발에 목표를 두고 있으므로 기체의 강건성 향상을 위한 Incremental Dynamics의 적용, 줄로 인한 외란 예측 모델링, 센서 데이터 변환 과정, 제어 및 커맨드 입력 제한, 제어기 모드 전환 알고리즘 등의 실제 적용을 위한 프로세스에 대해 상세히 기술하였다. 본 연구의 시뮬레이션 결과는 설계된 제어기가 사용자의 커맨드에 대해 올바른 응답을 보이며 경로 추종 테스트에서 시스템이 유선 요소에 외란에도 제어 목표로 도달할 수 있게 함을 증명한다. 구성된 모의 임무 시뮬레이션에서 기체는 기체 개발 요구도 상 존재하는 일부 항목을 달성하였다. 또한 Incremental Dynamics가 적용된 제어기는 일반적인 Backstepping controller 보다 뛰어난 제어 성능을 보였다. 이 연구에서 도출된 결론은 특이한 형상인 동축 반전형 로터를 포함하는 유선
드론의 모델에 대해서 Incremental Backstepping Control 과 Model Following Control 가 실제 드론의 운용에 잠재력이 있음을 나타낸다. 추후 연구로는 본 논문에서 제안된 제어기를 실 기체에 탑재하여 실험적으로 검증하고 제어 파라미터 요소들을 진전시켜야 함이 있다. 또한 모델의 불확실성에 대한 적응을 위해 Least Square 기반의 파라미터 추정 기법과 같은 적응 제어 요소를 사용함이 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 및 목적 1
• 제2절 논문 구성 및 내용 7
• 제2장 동축반전 유선드론 모델링 및 성능해석 9
• 제1절 고충실도 동역학 모델링 10
• 1. 6자유도 기반 요소별 모델링 10
• 2. 외부관성 좌표계 Kinematics 11
• 3. Rotor Dynamics Modeling 12
• 4. Rotor Dynamics Parameters 추산 19
• 제2절 Trim Analysis 21
• 1. Trim Kinematics 21
• 2. 수치적 해법을 사용한 Trim Analysis 22
• 3. Trim Analysis 결과 25
• 제3절 Linearization Analysis 32
• 1. 미소 교란 이론을 이용한 선형화 방법 32
• 2. 선형화 결과 33
• 제4절 Tethering System 34
• 1. 선 중력 외란 35
• 2. 선 항력 외란 36
• 3. 선 장력 외란 37
• 제3장 자율 비행 제어 이론 38
• 제1절 비행 제어 시스템 정의 38
• 1. Auto Tracking Mode 38
• 2. Manual Control Mode 40
• 제2절 Model Following Control 42
• 1. Command Filter 42
• 2. Euler Angle Conversion 43
• 3. Model Inversion 43
• 4. Error Dynamics 44
• 제3절 Backstepping Control 46
• 1. Lyapunov Stability Theory 46
• 2. Lyapunov Direct Method 47
• 3. Backstepping Control Design 49
• 4. Backstepping controller의 gain 설정 53
• 제4장 비행 제어 설계 및 적용 과정 56
• 제1절 Data Processing 57
• 1. GPS 데이터 단위계 변환 57
• 2. 3축 위치 및 Heading angle 추정 58
• 3. 각가속도 추정 59
• 제2절 System Actuating Using Slack Variable Approach 61
• 제3절 Robust Control Using Incremental Dynamics 64
• 제4절 실제 제어기 설계 67
• 1. Auto Tracking Mode 67
• 2. Manual Control Mode 71
• 제5절 이착륙 알고리즘 73
• 1. Takeoff sequence 73
• 2. Landing sequence 74
• 제6절 실 기체 제어 제한 및 위험 요소 예방 75
• 1. 제어기 전환 알고리즘 75
• 2. 커맨드 입력, 제어 입력 최대치 할당 76
• 제5장 비행 제어기 적용 결과 77
• 제1절 비행 제어기 적용 결과 개요 77
• 제2절 비행 제어기 시뮬레이션 적용 78
• 1. 비행 제어기 시뮬레이션 적용 개요 78
• 2. Manual Control Mode 78
• 3. Auto Tracking Mode 86
• 3.1. Position Doublet Test 87
• 3.2. Mission Test – Circling. 91
• 3.3. Mission Test : Slalom 97
• 제6장 결론 104
• 참고문헌 106
• 부록 A. 동역학 및 좌표 변환 행렬 111
• A.1. 좌표계 111
• A.2. 동역학 운동 방정식 112
• A.3. 좌표 변환 행렬 116
• 부록 B. Standard Control Simulation 119
• 부록 C. Simulink Simulation Block Diagram 132
• 부록 D. Linear Model of the Drones 133
• 부록 E. 극한 상황 트림 해석 134
• 부록 F. Gains of Controller 136
• 국문초록 137