소형 쿼드로터 비행체의 모델식별 및 강인 제어 시스템 설계

국문 초록 (Abstract)

오늘날 무인항공기의 요구조건이 다양해지고 활용 분야가 확대됨에 따라 여러 종류의 무인 항공기의 연구가 진행되고 있다. 특히 센서의 소형화로 인하여 소형 무인 항공기의 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근의 경향은 도심과 같은 복잡한 환경에서 수행되는 임무가 증가됨에 따라 공간의 제한을 적게 받는 무인 수직 이착륙기의 관심이 높아지고 있다. 로터의 반 토크 상쇄가 가능하며 단순한 로터 구조를 갖는 쿼드로터가 대안으로 제시된다.
본 논문은 쿼드로터의 모델 식별 및 최적제어시스템과 강인제어시스템 설계를 위한 논문이다. 먼저 쿼드로터의 구조적 설계부터 시작하여, 데이터 획득 및 제어신호출력을 위한 임베디드 시스템을 구성하였다. 이 과정을 통해 시스템의 구성을 이해함으로써 문제가 발생하였을 때 수정 및 분석이 쉬워졌다. MCU로 Atmega2560를 이용한 1차 FCC 보드를 사용한 시스템의 한계를 느껴 DSP2812를 이용한 2차 FCC보드를 설계하여 고차를 가지는 강인제어기의 적용에 이용하였다. 두 번째로 쿼드로터의 동역학 분석 및 실험데이터를 통한 모델링을 하였다. 비행 동역학 모델은 간단하면서 실제 제어시스템 설계의 목적에 충족하도록 설계하려고 노력하였다. 모델의 변수들은 실제 비행데이터를 PEM(Prediction Error Method)을 이용하여 얻었다. LQR 제어기의 모델로는 각속도항과 수신기입력을 이용해 식별한 선형모델을, H-infinity 제어기의 모델로는 각속도항과 각도항, 수신기입력을 이용해 식별한 선형모델을 사용하였다. 각각의 선형모델은 측정된 비행데이터와 높은 일치성을 보였다. 세 번째로 앞에서 구한 쿼드로터의 모델을 통한 최적제어기와 강인제어기를 설계하여 시뮬레이션 실험을 하였다. 최적제어기로는 LQR 제어기를 사용하였고, 강인제어기로는 H-infinity 제어기를 사용하였다. 그리고 LQR 제어기를 이용한 비행 실험을 하여 시뮬레이션으로 검증하였던 제어기의 자세 제어 능력과 외란제거 성능을 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The use of micro UAVs has been widely well known. An interesting type to be developed is quadrotor UAV. A quadrotor is small, agile four-rotor system which is suitable for suveillance, remote inspection and disaster support missions.
This kind of vehicle has nonlinear behavior, yet it is not as complex as an unmanned small scale helicopter. In this research, linear quadrotor model were done. There dynamic system and linear model were carried out to develop an autonomous control system.
This paper focuses on the development of a quadrotor control system which was validated through simulation and flight test. ATmega2560 and DSP2812 were chosen to accomplish the trajectory following mission. LQR Optimal control and H-infinity Robust control were chosen to accomplish the trajectory following mission. This control design was applied on the quadrotor linear model based on Matlab/Simulink Environment. simulation was developed to validate the control system.
Final quadrotor LQR control system was validated through flight test.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 제1절 연구배경 = 1
• 제2절 연구현황 = 2
• 제3절 연구내용 = 3
• 제2장 쿼드로터 제작 = 4
• 제1절 쿼드로터 플랫폼 = 4
• 1. 기체 = 4
• 2. 추력시스템 = 5
• 제2절 전자시스템 설계 = 6
• 1. 1차 FCC(Flight Control Computer) 보드 = 6
• 2. 2차 FCC(Flight Control Computer) 보드 = 8
• 3. MCU = 9
• 4. AHRS = 12
• 5. 수신기와 PPM모듈 = 14
• 6. 통신모듈 = 14
• 제3장 모델 식별 = 16
• 제1절 쿼드로터의 동역학 = 16
• 제2절 공간 상태 방정식 = 17
• 1. 1차 모델의 상태공간 방정식 = 17
• 2. 2차 모델의 상태공간 방정식 = 18
• 제3절 PEM(Prediction Error Minimization) = 19
• 제4절 선형모델 = 24
• 1. 1차 모델의 상태공간 방정식 = 24
• 2. 2차 모델의 상태공간 방정식 = 25
• 제4장 제어기 설계 및 시뮬레이션 = 26
• 제1절 LQR 제어기 = 26
• 제2절 H-infinity 제어기 = 29
• 제5장 제어기 적용 및 실험 = 35
• 제1절 LQR 제어기 결과 = 35
• 제6장 결론 = 37
• 참고문헌 = 38
• ABSTRACT = 40
• 부록 = 42