Yaw control enhancement in quadcopters via reaction wheel to compensate for single-propeller partial failure

국문 초록 (Abstract)

쿼드콥터는 비교적 간단한 동역학적 특성과 우수한 조작성 덕분에 호버링은 물론 수직·수평비행이 가능하다. 하지만 쿼드콥터는 네 개의 대칭 프로펠러를 통해 추진력과 롤·피치·요 모멘트를 생성하므로, 만약 액추에이터(프로펠러, 모터)가 하나라도 고장 나면 드론은 세 축에 걸친 제어력을 잃어 추락하거나 원하는 경로를 유지할 수 없게 된다. 이러한 제어력 상실 상황은 위치 및 자세제어를 위한 최소한의 액추에이터를 가지는 쿼드콥터에 치명적이며, 이를 해결하기 위해 다수의 Fault-Tolerant Control(FTC) 연구가 수행되었다.
선행 연구에서는 액추에이터 고장 시에도 위치 및 자세 제어에 성공했으나, 롤과 피치 축 제어와 달리 요 축에서는 지속적인 회전 현상(‘unactuated spin’)이 발생하였다. 이는 롤·피치 제어가 기체의 수평 가속 및 위치 제어에 직접적으로 기여하는 반면, 요 제어는 주로 헤딩 각 유지에 활용되어 위치 제어에 미치는 영향이 상대적으로 제한적이기 때문이다. 이러한 이유로 선행 연구에서는 요 제어를 일정한 속도로 유지하거나, 외란에도 강건하게 제어하여 요 방향으로 빠르게 회전을 수행하면서 빠른 착륙 유도 또는 회전 상태에서의 경로 이동을 수행하였다. 하지만 비상 착륙이 불가능한 수면 위나 산악 지형, 접근 제한 구역 등 비상 착륙이 어렵거나 안전 요구가 높은 환경에서는 지속적인 회전을 최소화하는 것이 필수적이다.
이에 본 연구에서는 쿼드콥터 하단부에 반작용 휠을 추가 장착하여, 프로펠러추력 제한 및 고장이 발생한 쿼드콥터의 요 제어 성능을 향상하였다. 이를 통해 고장 상황에서도 안정적인 자세·위치 제어 성능을 확보하는 것을 목표로 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Quadcopters are widely favored in various applications due to their relatively straightforward dynamics and excellent maneuverability, enabling not only hovering but also vertical and horizontal flight. These aircraft generate thrust, roll, pitch, and yaw moments through four symmetrically arranged propellers. However, the failure of even a single propeller can result in a complete loss of control authority across all three axes, inevitably leading to a crash or deviation from the intended trajectory. Such a loss of control is critical for quadcopters, where maintaining minimal control performance is paramount. Consequently, numerous research efforts have been dedicated to Fault-Tolerant Control (FTC) to address these vulnerabilities.
While previous studies have demonstrated success in achieving position and attitude control even with actuator failures, a persistent issue observed in these approaches is the occurrence of continuous yaw rotation, often termed 'unactuated spin,' unlike the effective control of roll and pitch axes. This phenomenon arises because, while roll and pitch control primarily contribute directly to position maintenance, yaw control is typically performed by fixing the heading angle, and the drone often lacks inherent mechanisms to fully achieve yaw stabilization on its own during a fault. Consequently, existing methodologies have often permitted this yaw rotation, proposing strategies such as induced rapid landing or path following while spinning. However, minimizing unactuated spin becomes crucial in specific operational environments where emergency landing is unfeasible, such as over water, in mountainous terrain, or within restricted airspace.
To overcome this critical limitation, this study proposes integrating an additional reaction wheel at the bottom of the quadcopter. Through this approach, the objective is to suppress the unactuated rotation about the yaw axis even under propeller damaged conditions, thereby securing more stable attitude and position control performance.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction １
• 1.1 Background １
• 1.2 Related Works . ７
• 1.3 Contribution １０
• Chapter 2. Modeling . １１
• 2.1 Notation. １１
• 2.2 Yaw Reinforcement Methods . １２
• 2.2.1 Tail Rotor. １５
• 2.2.2 Reaction Wheel １７
• 2.3 Newtonian Approach ２１
• 2.4 Lagrangian Approach ２７
• 2.4.1 Lagrangian Equation ２７
• 2.4.2 Left-hand Side of The Lagrange Equation . ２９
• 2.4.3 Right-hand Side of The Lagrange Equation ３５
• 2.4.4 System Dynamics ３７
• 2.5 Comparison of Reaction Wheel Shapes. ３９
• Chapter 3. Simulation-Based Evaluation of Reaction Wheel Quadcopter ４２
• 3.1 Yaw Control Performance with Reaction Wheel. ４４
• 3.2 Control Performance under Failure and Saturation ５２
• 3.2.1 Hovering Stability Analysis under Saturation Constraints . ５５
• 3.2.2 Trajectory Tracking Performance under Saturation Constraints . ６９
• Chapter 4. Experimental Validation of Reaction Wheel System . ７７
• 4.1 Yaw Reinforcement Controller Design ７７
• 4.2 Implementation of Verification Environments ８１
• 4.3 Comparative Analysis I: Yaw Attitude Stabilization. ９４
• 4.3.1 Numerical Verification ９６
• 4.3.2 Simulation Verification ９７
• 4.3.3 Experimental Verification. ９８
• 4.4 Comparative Analysis II: Yaw Rate Tracking １１７
• 4.4.1 Numerical Verification . １１９
• 4.4.2 Simulation Verification. １２０
• 4.5 Reaction Wheel Quadcopter Implementation . １２６
• 4.5.1 Flight Test Analysis of Yaw Rate Compensation . １３４
• Chapter 5. Conclusion & Future Work . １３９
• References １４１