KR102294829B1 - System and flight control method for unmanned aerial vehicle with variable load - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 페이로드의 탑재 또는 제거에 따른 제어 성능의 변화를 최소화 할 수 있는 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an unmanned aerial vehicle flight control system and method having a variable load, and more particularly, to an unmanned aerial vehicle flight control system and method having a variable load that can minimize changes in control performance due to the loading or removal of a payload is about
최근 지상 교통 혼잡의 문제가 더욱 심각해 지는 가운데 공중 운송 수단으로써 멀티콥터형 무인비행체의 가치가 주목을 받고 있다. 특히, 쿼드콥터형 무인비행체(드론)는 분산 추진 구조를 가지고 있어 소음이 적고 부분 고장에 따른 위험도가 낮으며, 수직 이착륙 및 정지 비행이 가능한 장점으로 인해 도심 항공 운송 수단으로 적합하다고 평가되고 있다.Recently, as the problem of ground traffic congestion becomes more serious, the value of multicopter-type unmanned aerial vehicles as a means of air transportation is attracting attention. In particular, the quadcopter-type unmanned aerial vehicle (drone) has a distributed propulsion structure, so it is evaluated as suitable as a means of urban air transportation due to its low noise, low risk of partial failure, and vertical take-off and landing and stationary flight.
운송용 쿼드콥터형 무인비행체의 경우, 기체(fuselage)의 질량에 비해 상당한 중량을 탑재하게 될 수 있으며, 기체 질량에 페이로드(Payload)가 탑재되거나 제거되는 경우에 제어 성능이 변화하며, z축 방향에 대해 갑작스러운 외력으로 작용하게 되어 불안정하게 된다.In the case of a quadcopter-type unmanned aerial vehicle for transport, it can carry a significant weight compared to the mass of the fuselage, and the control performance changes when a payload is loaded or removed from the mass of the fuselage, and the z-axis direction It becomes unstable due to the sudden external force acting on it.
그런데, 현재 사용되고 있는 기존 이중 루프 구조의 P-PID 제어기는 고정 파라미터에 대해 요구되는 제어 성능을 갖도록 설계한 경우, 고정 파라미터에 대해서는 적합할 수 있으나 파라미터의 변화에 따라 제어 성능이 좌우되거나 제어 성능이 저하되는 한계가 있다. 즉, 공칭 질량에 대해 요구되는 제어 성능을 갖도록 설계된 P-PID 제어기의 경우에는 파라미터 변화시 설계된 제어 성능이 보장되지 않는 문제가 있다.However, when the P-PID controller of the existing dual loop structure currently used is designed to have the control performance required for the fixed parameter, it may be suitable for the fixed parameter, but the control performance is dependent on the change of the parameter or the control performance is poor. There is a lower limit. That is, in the case of a P-PID controller designed to have the control performance required for the nominal mass, there is a problem in that the designed control performance is not guaranteed when a parameter is changed.
또한, 기존 슬라이딩 모드 제어기(SMC)의 경우에는 파라미터 불확실성 및 외란에 대해 강인한 성능이 입증되었으나 큰 폭의 하중 변화시 채터링 현상 및 정상상태오차가 존재하는 문제가 있다. 뿐만 아니라 정지 비행 상태에서 수직 아래 방향으로 급격한 하중 변화가 있는 경우 이로 인한 고도 오차가 발생하는 문제도 있다.In addition, in the case of the existing sliding mode controller (SMC), robust performance against parameter uncertainty and disturbance has been proven, but there is a problem in that chattering and steady state errors exist when a large load is changed. In addition, when there is a sudden load change in the vertical downward direction in a stationary flight state, there is a problem that an altitude error occurs due to this.
따라서, 페이로드의 탑재 또는 제거에 따른 제어 성능의 변화를 최소화 할 수 있는 비행제어 기술에 대한 요구가 커지고 있다.Accordingly, there is a growing demand for flight control technology that can minimize the change in control performance due to the loading or removal of the payload.
본 출원인은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명을 제안하게 되었다.The present applicant has proposed the present invention in order to solve the above problems.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 가변 하중이 가해지는 무인비행체의 고도 및 위치 추종 성능을 향상시킬 수 있는 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템 및 방법을 제공한다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and provides a flight control system and method for an unmanned aerial vehicle having a variable load that can improve the altitude and position tracking performance of an unmanned aerial vehicle to which the variable load is applied.
본 발명은 시스템 파라미터가 크게 변화하는 비행 상황에 대한 기본적인 제어 성능을 확보할 수 있는 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템 및 방법을 제공한다.The present invention provides an unmanned aerial vehicle flight control system and method having a variable load capable of securing basic control performance for a flight situation in which system parameters change significantly.
상기한 바와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템은, 무인비행체에 대한 동적 모델링을 수행하여 운동방정식을 유도하는 모델링부; 상기 모델링부에서 얻어진 동적 모델 또는 운동방정식을 이용하여 상기 무인비행체에 대한 슬라이딩 모드 제어기를 설계하는 제어기 설계부; 및 상기 슬라이딩 모드 제어기에 적응법칙 유도부에서 얻어진 적응법칙을 반영하여 얻어지는 적응 슬라이딩 모드 제어기;를 포함하며, 상기 적응법칙 유도부는 상기 무인비행체의 질량 또는 하중의 변화를 포함하는 외란을 반영하여 상기 적응법칙을 유도하고, 상기 적응 슬라이딩 모드 제어기는 상기 적응법칙을 상기 슬라이딩 모드 제어기에 적용하여 얻어질 수 있다.An unmanned aerial vehicle flight control system having a variable load according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes: a modeling unit for inducing a motion equation by performing dynamic modeling on the unmanned aerial vehicle; a controller design unit for designing a sliding mode controller for the unmanned aerial vehicle using the dynamic model or motion equation obtained from the modeling unit; and an adaptive sliding mode controller obtained by reflecting the adaptive rule obtained by the adaptation rule induction unit to the sliding mode controller, wherein the adaptation rule inducing unit reflects the disturbance including a change in mass or load of the unmanned aerial vehicle to reflect the adaptive rule , and the adaptive sliding mode controller can be obtained by applying the adaptive rule to the sliding mode controller.
상기 모델링부는 상기 무인비행체에 가해지는 내적 외란 및 외적 외란을 고려하여 상기 무인비행체의 운동방정식을 유도하며, 상기 내적 외란은 상기 무인비행체에 작용하는 질량 또는 하중의 변화를 포함하고, 상기 외적 외란은 상기 무인비행체에 작용하는 바람의 영향을 고려할 수 있다.The modeling unit derives an equation of motion of the unmanned aerial vehicle in consideration of internal and external disturbances applied to the unmanned aerial vehicle, wherein the internal disturbance includes a change in mass or load acting on the unmanned aerial vehicle, and the external disturbance is The influence of wind acting on the unmanned aerial vehicle may be considered.
상기 적응 슬라이딩 모드 제어기는, 상기 제어기 설계부에서 설계한 상기 슬라이딩 모드 제어기의 외란에 대한 강인성을 유지하고 상기 적응법칙 유도부에서 얻어진 상기 적응법칙을 상기 슬라이딩 모드 제어기에 적용하여 미지의 파라미터를 추정하고 제어 변수를 변경할 수 있다.The adaptive sliding mode controller maintains robustness against disturbance of the sliding mode controller designed by the controller design unit and applies the adaptive rule obtained from the adaptive rule induction unit to the sliding mode controller to estimate unknown parameters and control variables can be changed.
상기 적응법칙 유도부는, 상기 무인비행체에 가해지는 질량 또는 하중의 변동을 추정하기 위해 적응법칙을 유도할 수 있다.The adaptation rule inducing unit may induce an adaptation rule in order to estimate a change in mass or load applied to the unmanned aerial vehicle.
상기 적응법칙 유도부는, 상기 무인비행체의 공칭 질량과 추정 질량 사이의 오차를 최소화하는 제어 입력을 얻기 위해 항상 양수인 리아프노브 함수를 정의할 수 있다.The adaptive law derivation unit may define a Liafnov function, which is always positive, in order to obtain a control input that minimizes an error between the nominal mass and the estimated mass of the unmanned aerial vehicle.
상기 적응법칙 유도부는, 상기 리아프노브 함수의 음의 반 정부호 조건을 이용하여 상기 추정 질량에 대한 상기 적응 법칙을 유도할 수 있다.The adaptation law derivation unit may derive the adaptation law for the estimated mass by using a negative semi-definite sign condition of the Liafnov function.
한편, 발명의 다른 분야에 의하면, 본 발명은 상기한 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템을 이용한 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 방법에 있어서, 상기 무인비행체에 대한 동적 모델링을 수행하는 단계; 상기 무인비행체의 동적 모델이 슬라이딩 표면에 도달하는 조건을 도출하는 단계; 리아프노브 함수를 설계하는 단계; 리아프노브 함수의 미분값이 0 보다 큰지 여부를 판단하는 단계; 및 적응 법칙을 유도하는 단계;를 포함하는 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 방법을 제공할 수 있다.On the other hand, according to another field of the invention, the present invention provides a flight control method for an unmanned aerial vehicle having a variable load using the above-described unmanned aerial vehicle flight control system having a variable load, the method comprising: performing dynamic modeling of the unmanned aerial vehicle; deriving a condition for the dynamic model of the unmanned aerial vehicle to reach the sliding surface; designing a Liafnov function; determining whether a differential value of the Liafnov function is greater than zero; and inducing an adaptation law; may provide an unmanned aerial vehicle flight control method having a variable load comprising.
상기 리아프노브 함수를 설계하는 단계에서는, 상기 무인비행체의 공칭 질량과 추정 질량 사이의 오차를 최소화하는 제어 입력을 얻기 위해 항상 양수인 리아프노브 함수를 정의할 수 있다.In the designing of the Liafnov function, a Liafnov function, which is always positive, may be defined in order to obtain a control input that minimizes an error between the nominal mass and the estimated mass of the unmanned aerial vehicle.
상기 적응 법칙을 유도하는 단계에서는, 상기 리아프노브 함수의 음의 반 정부호 조건을 이용하여 상기 추정 질량에 대한 상기 적응 법칙을 유도할 수 있다.In the step of deriving the adaptation law, the adaptation law for the estimated mass may be derived by using a negative semi-definite condition of the Liafnov function.
본 발명에 따른 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템 및 방법은 무인비행체에 가해지는 하중의 변화에도 제어 성능을 유지하고 설계한 요구 성능을 만족시킬 수 있다. The unmanned aerial vehicle flight control system and method having a variable load according to the present invention can maintain control performance even when the load applied to the unmanned aerial vehicle changes and satisfy the designed required performance.
본 발명에 따른 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템 및 방법은 무인비행체에 가해지는 페이로드의 탑재 또는 제거에 따른 제어 성능의 변화를 최소화 할 수 있다.The unmanned aerial vehicle flight control system and method having a variable load according to the present invention can minimize the change in control performance due to the loading or removal of the payload applied to the unmanned aerial vehicle.
본 발명에 따른 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템 및 방법은 무인비행체에 가해지는 하중 변화시 발생하는 고도 추적 제어 오차를 최소화 할 수 있다.An unmanned aerial vehicle flight control system and method having a variable load according to the present invention can minimize an altitude tracking control error that occurs when a load applied to an unmanned aerial vehicle changes.
본 발명에 따른 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템 및 방법은 무인비행체에 작용하는 외적 외란의 영향과 내적 외란인 질량의 변화를 모두 고려하기 때문에 외란 및 파라미터 변화에 대해 강인한 비행제어가 가능하다.The unmanned aerial vehicle flight control system and method with variable load according to the present invention considers both the influence of external disturbance acting on the unmanned aerial vehicle and the change of mass, which is an internal disturbance, so that robust flight control is possible against disturbance and parameter change.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템의 구성을 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체의 좌표계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체의 운동원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체의 동적 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템의 제어 성능을 검증하기 위한 도면이다.1 is a diagram illustrating the configuration of an unmanned aerial vehicle flight control system having a variable load according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a coordinate system of an unmanned aerial vehicle according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram for explaining the principle of motion of an unmanned aerial vehicle according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining a dynamic model of an unmanned aerial vehicle according to an embodiment of the present invention.
5 and 6 are flowcharts for explaining a method for controlling the flight of an unmanned aerial vehicle having a variable load according to an embodiment of the present invention.
7 to 9 are diagrams for verifying the control performance of the flight control system according to an embodiment of the present invention.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the examples. Like reference numerals in each figure indicate like elements.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템의 구성을 예시한 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체의 좌표계를 나타내는 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체의 운동원리를 설명하기 위한 도면, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체의 동적 모델을 설명하기 위한 도면, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 방법을 설명하기 위한 순서도, 도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템의 제어 성능을 검증하기 위한 도면이다.1 is a diagram illustrating the configuration of an unmanned aerial vehicle flight control system having a variable load according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram illustrating a coordinate system of an unmanned aerial vehicle according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is this view A diagram for explaining the principle of motion of an unmanned aerial vehicle according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a diagram for explaining a dynamic model of an unmanned aerial vehicle according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 5 and 6 are one of the present invention A flowchart for explaining a method for controlling an unmanned aerial vehicle having a variable load according to an embodiment, FIGS. 7 to 9 are diagrams for verifying the control performance of the flight control system according to an embodiment of the present invention.
본 발명에서 무인비행체(100)는 드론(drone), 쿼드콥터(quadcopter), 멀티콥터(multicopter)를 포함하는 회전익 무인비행체를 의미한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 무인비행체(100)가 쿼드콥터인 경우에 대해서 설명한다.In the present invention, the unmanned
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템(10)은, 쿼드콥터를 포함하는 무인비행체(100); 무인비행체(100)에 대한 동적 모델링을 수행하여 운동방정식을 유도하는 모델링부(200); 모델링부(200)에서 얻어진 동적 모델을 이용하여 무인비행체(100)에 대한 슬라이딩 모드 제어기를 설계하는 제어기 설계부(300); 및 상기 슬라이딩 모드 제어기에 적응법칙 유도부(500)에서 얻어진 적응법칙을 반영하여 얻어지는 적응 슬라이딩 모드 제어기(400);를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , an unmanned aerial vehicle
여기서, 적응법칙 유도부(500)는 무인비행체(100)에 가해지는 질량 또는 하중의 변동을 포함하는 외란을 반영하여 적응법칙을 유도할 수 있다.Here, the adaptation
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템(10, 이하 "비행제어 시스템"이라 함)은 화물 및 승객 운송 등 고기능 임무수행에 사용되는 무인비행체(100)가 시스템 파라미터가 크게 변화하는 비행 상황에서도 기본적인 제어 성능(응답성)을 확보하게 할 수 있다. 또한, 무인비행체(100)에 페이로드(Payload)를 탑재하거나 페이로드의 제거에 따른 제어 성능의 변화를 최소화하며, 무인비행체(100)에 가해지는 하중 변화시 발생하는 무인비행체의 고도추적 제어오차를 최소화 할 수 있다.The unmanned aerial vehicle
본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템(10)에서 사용하는 좌표계는 관성 좌표계와 동체(기체) 좌표계이며, 도 2에 도시되어 있다. 관성 좌표계는 ENU좌표계를 사용하며, 동체 좌표계는 무인비행체(100)의 전진 방향을 X축, 수직 위 방향이 Z축으로 하여 오른손 법칙에 의해 Y축방향이 정의된다.The coordinate system used in the
관성좌표계를 기준으로 하는 무인비행체(100, 쿼드콥터)의 위치벡터를 , 동체 좌표계 기준 무인비행체(100)의 선속도를 으로 정의하고, 오일러 각속도 와 동체 좌표계의 각속도를 라고 정의하면 관성 좌표계 기준 속도와 동체 좌표계 기준 속도 사이의 관계식은 [수학식 1]과 같다.The position vector of the unmanned aerial vehicle (100, quadcopter) based on the inertial coordinate system , the linear velocity of the unmanned
관성 좌표계와 동체 좌표계 사이의 좌표 변환 행렬 R, J는 [수학식 2], [수학식 3]에 나타나 있다.The coordinate transformation matrices R and J between the inertial coordinate system and the moving body coordinate system are shown in [Equation 2] and [Equation 3].
무인비행체(100)로 쿼드콥터(Quadcopter)가 이용되는 경우, 쿼드콥터는 분산추진구조로 서로 마주보는 2쌍의 프로펠러와 4개의 모터로 구성될 수 있다. 마주 보는 1쌍의 모터는 같은 방향으로 회전하고 나머지 마주 보는 1쌍의 모터는 서로 같은 방향으로 회전하되, 다른 1쌍의 모터와는 서로 반대 방향으로 회전하여 토크를 상쇄시키게 된다.When a quadcopter is used as the unmanned
도 3에는 십자형 쿼드콥터의 호버링, 롤링(Rolling), 피칭(Pitching), 요잉(Yawing) 회전 운동의 원리가 도시되어 있다. 도 3에서 프로펠러의 회전방향을 나타내는 화살표의 굵기는 회전 속도를 의미한다. 즉, 화살표의 굵기가 큰 경우 회전 속도가 더 빠른 것을 의미한다.3 shows the principles of hovering, rolling, pitching, and yawing rotational motions of the cruciform quadcopter. The thickness of the arrow indicating the rotation direction of the propeller in FIG. 3 means the rotation speed. That is, when the thickness of the arrow is large, it means that the rotation speed is faster.
쿼드콥터는 각각의 로터(프로펠러+모터) 회전으로 발생한 추력의 합에 의해 상승 및 하강하고, 모터 회전속도의 차이가 롤링, 피칭 운동을 발생시키는 모멘트를 생성하여 쿼드콥터가 기울어짐에 따라 추력 성분이 횡방향 힘과 Z축방향 힘으로 분해된다.The quadcopter rises and falls by the sum of the thrust generated by the rotation of each rotor (propeller + motor), and the difference in motor rotation speed creates a moment that generates rolling and pitching motion, and as the quadcopter is tilted, the thrust component It is decomposed into a lateral force and a Z-axis force.
본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템(10)은 상기한 바와 같은 좌표계를 가지는 무인비행체(100) 즉, 쿼드콥터를 모델링하고 그 결과를 이용하여 무인비행체의 비행을 제어하게 된다.The
본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체(100)는 화물 또는 승객 운송 등에 사용될 수 있는데, 이러한 경우 무인비행체(100)에는 일정하지 않고 변하는 하중이 가해지게 되고 이러한 가변 하중은 무인비행체(100)의 고도 유지에 영향을 줄 수 있다. The unmanned
화물 운송 방식은 무인비행체에 그리퍼를 장착하여 페이로드를 무게 중심 가까이에 위치시키는 방식과, 무인비행체와 페이로드를 케이블로 연결하여 자유도를 증가시키는 방식이 있다. 본 발명에 따른 무인비행체(100)의 경우에는 그리퍼를 장착하여 페이로드를 무게 중심 가까이에 위치시키는 방식이 사용된다.The cargo transport method includes a method of mounting a gripper on the unmanned aerial vehicle to position the payload near the center of gravity, and a method of increasing the degree of freedom by connecting the unmanned aerial vehicle and the payload with a cable. In the case of the unmanned
한편, 무인비행체(100)가 화물 운송 등에 이용되는 경우, 페이로드로 인한 질량(하중)의 변화는 무인비행체(100)에 내적 외란으로 작용하게 되는데, 이 뿐만 아니라 바람이 부는 경우에는 바람은 무인비행체(100)에 외적 외란으로 작용하게 된다.On the other hand, when the unmanned
본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템(10)은 쿼드콥터인 무인비행체(100)에 가변 하중이 작용하는 경우에 무인비행체(100)의 비행을 제어하기 위해 우선, 무인비행체(100)의 모델링을 수행하게 된다. 이때, 비행제어 시스템(10)은 가변 하중을 고려하여 무인비행체(100)의 동적 모델링을 수행할 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템(10)은 무인비행체(100)에 대한 동적 모델링을 수행하여 운동방정식을 유도하는 모델링부(200)를 포함할 수 있다.In order to control the flight of the unmanned
상기 모델링부(200)는 무인비행체(100)에 가해지는 내적 외란 및 외적 외란을 고려하여 무인비행체(100)의 운동방정식을 유도하며, 상기 내적 외란은 무인비행체(100)에 작용하는 질량의 변화를 포함하고, 상기 외적 외란은 무인비행체(100)에 작용하는 바람의 영향을 고려할 수 있다.The
도 4를 참조하면, 모델링부(200)는 제어 할당부(210), 모터 동역학부(220), 공기 역학부(230) 및 강체 동역학부(240)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 4 , the
i번째 로터의 회전에 의해 공기역학적으로 발생된 추력 fi와 반토크 τi는 회전속도 ωi의 제곱에 비례하며 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있고, 이때 kT는 추력 계수이며 kD는 항력 계수로 모터 실험을 통해 실험적으로 구해진 값이다. The thrust f i and anti-torque τ i generated aerodynamically by the rotation of the i-th rotor are proportional to the square of the rotational speed ω i and can be expressed as in [Equation 4], where k T is the thrust coefficient and k D is the value experimentally obtained through the motor test as the drag coefficient.
쿼드콥터인 무인비행체(100)의 고도 및 자세를 변화시키는 제어 입력은 각 로터의 회전에 의해 발생한 추력과 반토크, 무게 중심으로부터 로터까지의 거리(l)에 의해 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.The control input for changing the altitude and attitude of the unmanned
한편, 무인비행체(100)가 쿼드콥터인 경우 무인비행체(100)의 운동방정식은 다음의 가정하에서 유도될 수 있다.On the other hand, when the unmanned
(1) 쿼드콥터는 강체(rigid body)이며, 동체 좌표계의 xz평명과 yz평면에 대해 대칭이다.(1) A quadcopter is a rigid body and is symmetrical about the xz and yz planes of the body coordinate system.
(2) 동체 좌표계의 중심이 쿼드콥터의 무게 중심과 일치한다.(2) The center of the body coordinate system coincides with the center of gravity of the quadcopter.
(3) 질량 변화로 인한 질량 관성 모멘트의 변화량은 매우 작다.(3) The amount of change in mass moment of inertia due to mass change is very small.
모터 회전에 의해 발생되는 추력 및 모멘트 힘의 작용과 IMU에 의해 측정되는 각속도는 동체 좌표계가 기준이 되므로 동체 좌표계를 기준 좌표계로 하여 Quasi-Lagrange 방법에 의해 회전 운동 방정식은 [수학식 6]과 같다.The action of thrust and moment force generated by motor rotation and the angular velocity measured by the IMU are based on the body coordinate system. .
병진 운동 방정식은 관성 좌표계를 기준으로 나타내기 위해 뉴턴의 제2법칙으로부터 [수학식 7]과 같이 유도된다. [수학식 7]에서, Ft와 Fg는 각각 추력에 의해 발생된 힘과 중력에 의한 힘을 나타낸다.The translational motion equation is derived as [Equation 7] from Newton's second law in order to represent it based on the inertial coordinate system. In [Equation 7], F t and F g represent a force generated by thrust and a force caused by gravity, respectively.
무인비행체(100)에 작용하는 질량의 변화가 없을 경우에는 으로 간단해지지만, 본 발명의 경우에는 무인비행체(100) 즉, 쿼드콥터에 가변 하중이 작용하기 때문에 [수학식 8]과 같이 고려된다.If there is no change in the mass acting on the unmanned
경계 조건이 있는 외적 외란 및 질량의 변화에 의한 내적 외란을 고려할 때 최종적으로는 [수학식 9]와 같은 병진 운동 방정식이 얻어진다.When considering the external disturbance with boundary conditions and the internal disturbance due to a change in mass, a translational motion equation as in [Equation 9] is finally obtained.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템(10)의 제어기 설계부(300)는 모델링부(200)에서 얻은 무인비행체(100)의 동적 모델을 이용하여 무인비행체(100)에 대한 슬라이딩 모드 제어기를 설계한다. 즉, 모델링부(200)에서 얻은 무인비행체(100)의 운동방정식을 이용하여 슬라이딩 모드 제어기를 설계하는 제어기 설계부(300)를 구비할 수 있다.On the other hand, the
무인비행체(100)인 쿼드콥터의 모델을 완벽하게 아는 것은 어렵고 모델에 대한 불확실성이 항상 존재하게 된다. 슬라이딩 모드 제어기는 경계 조건이 있는 모델 불확실성(Model uncertainty)과 외부 외란(External disturbance)에 강건한 제어기로서, 불확실성이 있는 시스템에 적용될 수 있다.It is difficult to know the model of the quadcopter that is the unmanned
한편, 상기 슬라이딩 모드 제어기(Sliding mode controller; SMC)는 phase portrait 상에 원하는 특성을 가지는 안정한 슬라이딩 표면을 정의하고 시스템의 상태 벡터들을 슬라이딩 표면 상에 위치하도록 제어 입력을 설계한다. 도달 모드와 슬라이딩 모드로 이루어지며 슬라이딩 모드에 진입하면 시스템은 모델 불확실성과 외란에 대해 강인한 성능을 가지게 된다. 따라서, 안정한 슬라이딩 표면을 설계하는 것과 슬라이딩 표면에 도달하는 조건이 중요하며 도달 조건은 리아프노브(Lyapunov) 이론에 의해 얻을 수 있다.Meanwhile, the sliding mode controller (SMC) defines a stable sliding surface having desired characteristics in phase portrait and designs a control input so that state vectors of the system are located on the sliding surface. It consists of an arrival mode and a sliding mode. When the sliding mode is entered, the system has robust performance against model uncertainty and disturbance. Therefore, designing a stable sliding surface and the condition to reach the sliding surface are important, and the arrival condition can be obtained by the Lyapunov theory.
도달 조건을 구하기 위한 Lyapunov function candidate는 [수학식 10]과 같이 정의한다.The Lyapunov function candidate for obtaining the arrival condition is defined as [Equation 10].
[수학식 11]에서 상태 변수 x가 슬라이딩 표면 위에 놓여 있지 않을 때, 을 만족하는 제어 입력을 가함으로써 s(x)=0인 슬라이딩 표면에 도달할 수 있다. 이를 유지하도록 제어 입력을 설계하면 상태 벡터는 불확실성의 영향을 적게 받으며, 슬라이딩 표면을 타고 phase portrait의 원점으로 미끄러져 안정한 상태가 된다.When the state variable x in [Equation 11] does not lie on the sliding surface, A sliding surface with s(x)=0 can be reached by applying a control input that satisfies If the control input is designed to maintain this, the state vector is less affected by uncertainty, and it slides on the sliding surface to the origin of the phase portrait and becomes a stable state.
상기 모델링부(200)에서 무인비행체(100)인 쿼드콥터의 위치 동역학 모델 [수학식 9]를 [수학식 12]로 나타낼 수 있다.The position dynamics model of the quadcopter that is the unmanned
[수학식 12]에서 f(x)와 g(x)는 각각 [수학식 13] 및 [수학식 14]와 같이 정의된다.In [Equation 12], f(x) and g(x) are defined as [Equation 13] and [Equation 14], respectively.
또한, 상태 벡터 및 제어 입력 벡터는 각각 [수학식 15] 및 [수학식 16]과 같다.In addition, the state vector and the control input vector are as shown in [Equation 15] and [Equation 16], respectively.
무인비행체(100)의 경로 추적 제어는 위치 오차를 최소화시키는 문제로 위치 오차 벡터 e를 [수학식 17]과 같이 정의한다.The path tracking control of the unmanned
K1을 양의 이득 행렬로 오차 동역학이 1차 시스템의 응답 특성을 갖도록 슬라이딩 표면을 [수학식 18]과 같이 정의한다.With K 1 as a positive gain matrix, the sliding surface is defined as in [Equation 18] so that the error dynamics have the response characteristics of the first-order system.
슬라이딩 표면에 대해 항상 양수인 리아프노브(Lyapunov) 함수를 [수학식 19]와 같이 정의한다.A Lyapunov function, which is always positive for the sliding surface, is defined as in [Equation 19].
[수학식 20]에 나타난 리아프노브 함수의 미분값이 항상 음의 정 부호(negative definite)일 때 슬라이딩 표면의 안정성을 보장할 수 있다. 안정성을 보장하기 위한 음의 정 부호 조건을 적용한 제어 입력을 [수학식 21]와 같이 설계한다.When the differential value of the Liafnov function shown in [Equation 20] is always negative definite, the stability of the sliding surface can be guaranteed. A control input to which a negative positive sign condition is applied to ensure stability is designed as in [Equation 21].
[수학식 21]에서 k2는 [수학식 22]에 나타난 원하는 오차 동역학을 만들기 위한 제어 입력에 사용된 이득 행렬이다.In [Equation 21], k 2 is a gain matrix used as a control input to create the desired error dynamics shown in [Equation 22].
[수학식 21]에서 k3는 외란의 영향이 있을 때, 슬라이딩 표면으로 끌어들이기 위한 제어 입력에 사용된 sign 함수의 크기로 항상 양수인 행렬이다.In [Equation 21], k 3 is the size of the sign function used for the control input to draw into the sliding surface when there is an influence of disturbance, and is always a positive matrix.
Signum 함수는 불연속 함수로 즉각적인 보상을 시행하여 외란에 강인한 장점이 있지만 모델링 오차가 큰 경우에 채터링(chattering) 현상을 유발할 수 있다. 이를 위해 signum 함수 대신에 Hyperbolic tangent 함수를 사용한다. 최종적으로 설계한 제어 입력 U는 [수학식 23]에 나타나 있다.The Signum function is a discontinuous function and has the advantage of being robust against disturbance by implementing immediate compensation, but it may cause chattering when the modeling error is large. For this, the hyperbolic tangent function is used instead of the signum function. The finally designed control input U is shown in [Equation 23].
Hyperbolic tangent 함수의 형태는 λ에 의해 결정되며 λ값이 클수록 Signum 함수에 가까운 형태가 되어 채터링 현상이 발생될 가능성이 증가한다.The shape of the hyperbolic tangent function is determined by λ, and the larger the λ value, the closer to the signum function, the more likely the chattering phenomenon will occur.
[수학식 23]을 [수학식 20]에 대입하면 슬라이딩 표면에 대한 리아프노브 함수의 미분식에 대하여Substituting [Equation 23] into [Equation 20], for the differential expression of the Liafnov function for the sliding surface,
이므로 일 때 음의 정 부호 조건을 만족하여 Asymptotically stable함을 증명할 수 있다.Because of When , it can be proved that it is asymptotically stable by satisfying the negative positive condition.
본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템(10)의 제어기 설계부(300)는 상기한 과정을 거쳐서 [수학식 23]과 같은 슬라이딩 모드 제어기의 제어 법칙을 설계할 수 있다.The
그런데, 본 발명의 경우 무인비행체(100)인 쿼드콥터는 운송용으로 사용될 수 있는데, 운송용의 경우 무인비행체의 질량에 비해 상당히 무거운 중량을 탑재할 수 있고, 이러한 중량은 z축 방향의 갑작스러운 외력(내적 외란)으로 작용하게 된다.However, in the case of the present invention, the quadcopter, which is the unmanned
상기 제어기 설계부(300)에서 얻은 슬라이딩 모드 제어기는 일정량의 파라미터의 변동과 경계 조건이 있는 외란에 대해서는 강인한 제어 성능을 보이지만, 경계치 이상의 하중 변화가 무인비행체(100)에 가해지는 경우에는 채터링이 발생하거나 정상 상태 오차가 발생할 수 있어서 제어 성능이 충분하지 않다는 한계가 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템(10)은 적응 제어를 적용하여 제어 대상의 미지의 파라미터가 변화함에 따라 제어기 변수를 적절하게 변경하여 제어 성능을 만족시킬 수 있도록 적응 슬라이딩 모드 제어기(400)를 설계할 수 있다.The sliding mode controller obtained from the
상기 적응 슬라이딩 모드 제어기(400)는 적응법칙 유도부(500)에서 얻어진 적응법칙을 슬라이딩 모드 제어기에 반영함으로써 얻을 수 있다.The adaptive sliding
상기 적응 슬라이딩 모드 제어기(400)는, 제어기 설계부(300)에서 설계한 슬라이딩 모드 제어기의 외란에 대한 강인성을 유지하면서 적응법칙 유도부(500)에서 얻어진 상기 적응법칙을 이용하여 미지의 파라미터를 추정하고 제어 변수를 변경할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템(10)은 제어기 설계부(300)에서 얻은 슬라이딩 모드 제어기에 적응 제어 법칙을 적용함으로써 미지의 파라미터 변화에 대한 제어 성능을 확보할 수 있는 적응 슬라이딩 모드 제어기(400)를 이용하여 가변 하중을 가지는 무인비행체(100)의 비행을 제어하게 된다.The adaptive sliding
적응 슬라이딩 모드 제어기(400)를 설계하기 위해서, 적응법칙 유도부(500)는 무인비행체(100)에 가해지는 질량의 변동을 추정하기 위한 적응법칙을 유도할 수 있다. In order to design the adaptive sliding
상기 적응법칙 유도부(500)에서 구해지는 적응 법칙은 무인비행체(100)에 가해지는 질량의 변동을 추정하기 위한 법칙이다. 무인비행체(100)에 가해지는 페이로드의 질량 변화를 포함한 총 질량(즉, 공칭 질량)을 mt라고 하고, 질량의 추정치를 라고 정의하여, [수학식 23]에서 유도된 제어 입력에 g(x)의 추정치 를 사용하면 [수학식 25]와 같은 제어 입력을 설계할 수 있다.The adaptation law obtained by the adaptation
[수학식 25]에서 이다.In [Equation 25] am.
슬라이딩 표면에 도달하고, 추정 오차 를 최소화하는 제어 입력을 얻기 위해 항상 양수인 리아프노브(Lyapunov) 함수를 [수학식 26]과 같이 정의한다.A sliding surface is reached, and the estimation error In order to obtain a control input that minimizes , a Lyapunov function, which is always a positive number, is defined as in [Equation 26].
[수학식 26]의 리아프노브 함수를 미분하면 [수학식 27]이 얻어진다.Differentiating the Liafnov function of [Equation 26] gives [Equation 27].
순간의 질량 변화는 무시할 수 있으며 라고 가정하고, 슬라이딩 표면의 미분식을 대입하여 [수학식 27]을 전개하면 [수학식 28]과 같다.The instantaneous mass change is negligible and , and [Equation 27] is developed by substituting the differential equation of the sliding surface to become [Equation 28].
[수학식 28]을 간단히 하기 위해 [수학식 29]로 치환하여 나타내면 리아프노브 함수의 미분식은 [수학식 30]와 같이 정리된다.When [Equation 28] is substituted with [Equation 29] to simplify [Equation 28], the differential expression of the Ryafnov function is arranged as [Equation 30].
안정성을 보장하기 위한 리아프노브 함수의 음의 반 정부호 조건(negative semidefinite)을 이용하면 질량의 추정치에 대한 적응 법칙을 의미하는 [수학식 31]을 얻게 된다.If the negative semidefinite condition of the Liafnov function is used to ensure stability, [Equation 31], which means the law of adaptation to the estimate of mass, is obtained.
[수학식 31]의 추정치를 [수학식 30]의 리아프노브 함수의 미분식에 대입하면 [수학식 32]가 되어 반정부호 조건만을 만족하게 된다.When the estimated value of [Equation 31] is substituted into the differential expression of the Liafnov function of [Equation 30], [Equation 32] becomes [Equation 32], which satisfies only the semi-signal condition.
따라서, 리아프노브 안정만 보장되지만 LaSalle's invariance principle에 의하면 mt가 경계조건 안에 있다면 리아프노브 함수 V2가 감소함수이므로 상수로 수렴하여 Asymptotic stable함을 증명할 수 있다.Therefore, only the Liafnov stability is guaranteed, but according to LaSalle's invariance principle, if m t is within the boundary condition, the Liafnov function V 2 is a decreasing function, so it converges to a constant, thereby proving that it is asymptotically stable.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템(10)은 적응법칙 유도부(500)를 이용하여 쿼드콥터 무인비행체(100)의 공칭 질량(mt)과 추정 질량() 사이의 오차()를 최소화하는 제어 입력을 얻기 위해 항상 양수인 리아프노브 함수([수학식 26] 참조)를 정의할 수 있다.As described above, the
본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템(10)은, 슬라이딩 표면에의 도달 조건을 의미하는 [수학식 26]의 우변 1번째 항 내지 3번째 항(스위칭 함수)과 함께 무인비행체(100)에 가해지는 가변 하중(외적 외란)을 의미하는 우변 4번째 항을 한꺼번에 고려하여 항상 양수인 리아프노브 함수를 정의함으로써 질량의 추정치에 대한 적응 법칙을 얻을 수 있다. The
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템(10)은 적응법칙 유도부(500)가 가변 하중을 고려하도록 적응법칙 유도부(500)와 연동하는 외란 반영부(600)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the
상기 적응법칙 유도부(500)는 리아프노브 함수의 음의 반 정부호 조건을 이용하여 추정 질량에 대한 적응 법칙([수학식 31] 참조)을 유도할 수 있다. 적응법칙 유도부(500)는 [수학식 31]과 같은 적응 법칙을 슬라이딩 모드 제어기에 적용함으로써, 가변 하중을 고려한 적응 슬라이딩 모드 제어기(400)를 얻게 된다.The adaptation
도 5 및 도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 방법(이하, "비행제어 방법"이라 함)을 설명하는 순서도가 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 방법은 상기한 비행제어 시스템에 의한 비행제어 방법을 의미한다.5 and 6 are flowcharts illustrating a method for controlling the flight of an unmanned aerial vehicle having a variable load (hereinafter, referred to as a "flight control method") according to an embodiment of the present invention. A flight control method according to an embodiment of the present invention refers to a flight control method by the above-described flight control system.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 방법은 상기한 비행제어 시스템(10)에 의한 비행제어 방법으로서, 무인비행체 모델링 단계(S100); 슬라이딩 모드 제어기 설계 단계(S200); 및 적응법칙 유도 단계(S300);를 포함할 수 있다.5, the flight control method according to an embodiment of the present invention is a flight control method by the above-described
상기 무인비행체 모델링 단계(S100)는 모델링부(200)에 의해서 수행되며, 쿼드콥터 방식의 무인비행체(100)에 대해서 동적 모델링(Dynamic modeling)을 수행하여 운동방정식을 도출할 수 있다.The unmanned aerial vehicle modeling step ( S100 ) is performed by the
상기 슬라이딩 모드 제어기 설계 단계(S200)는 제어기 설계부(300)에 의해서 수행되며, 무인비행체 모델링 단계(S100)에서 얻어진 무인비행체(100)의 동적 모델 또는 운동방정식을 이용하여 슬라이딩 모드 제어기를 설계할 수 있다.The sliding mode controller design step (S200) is performed by the
상기 적응법칙 유도 단계(S300)는 적응법칙 유도부(500)에 의해서 수행되며 적응법칙을 유도하여 상기 슬라이딩 모드 제어기에 이용함으로써, 경계치 이상의 하중 변화가 무인비행체(100)에 가해지는 경우 채터링이 발생하거나 정상 상태 오차가 발생하는 등 슬라이딩 모드 제어기의 제어 성능이 충분하지 않게 되는 문제를 방지할 수 있다. 이와 같이, 적응법칙 유도 단계(S300)에 의해서 적응 슬라이딩 모드 제어기를 설계하여 비행제어에 이용할 수 있다.The adaptation rule induction step (S300) is performed by the adaptation
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 방법을 보다 세부적으로 보여주는 순서도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 방법은, 상기한 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템(10)을 이용한 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 방법에 있어서, 무인비행체(100)에 대한 동적 모델링을 수행하는 단계(S1100); 무인비행체(100)의 동적 모델이 슬라이딩 표면에 도달하는 조건을 도출하는 단계(S1210); 리아프노브 함수를 설계하는 단계(S1230); 리아프노브 함수의 미분값이 0 보다 큰지 여부를 판단하는 단계(S1250); 및 적응 법칙을 유도하는 단계(S1300);를 포함할 수 있다.6 is a flowchart showing in more detail a flight control method according to an embodiment of the present invention. 6, in the flight control method according to an embodiment of the present invention, in the unmanned aerial vehicle flight control method having a variable load using the above-described unmanned aerial vehicle
상기 무인비행체(100)에 대한 동적 모델링을 수행하는 단계(S1100)는 모델링부(200)에 의해서 수행되며, 쿼드콥터 방식의 무인비행체(100)에 대해서 동적 모델링(Dynamic modeling)을 수행하여 운동방정식을 도출할 수 있다.The step (S1100) of performing dynamic modeling on the unmanned
상기 슬라이딩 표면에 도달하는 조건을 도출하는 단계(S1210)는 제어기 설계부(300)에 의해서 수행되며, 무인비행체 모델링 단계(S100)에서 얻어진 무인비행체(100)의 동적 모델 또는 운동방정식을 이용하여 슬라이딩 모드 제어기를 설계할 수 있다. The step of deriving the condition for reaching the sliding surface (S1210) is performed by the
상기 리아프노브 함수를 설계하는 단계(S1230)에서는, 무인비행체(100)의 공칭 질량과 추정 질량 사이의 오차를 최소화하는 제어 입력을 얻기 위해 항상 양수인 리아프노브 함수를 정의할 수 있다. 이를 위해, 상기 리아프노브 함수를 설계하는 단계(S1230)는 적응법칙 유도부(500)에 의해 수행되며, 항상 양수인 리아프노브 함수를 설계하되 [수학식 26]으로 표현되는 리아프노브 함수를 정의할 수 있다.In the designing of the Liafnov function ( S1230 ), a Liafnov function, which is always positive, may be defined in order to obtain a control input that minimizes an error between the nominal mass and the estimated mass of the unmanned
상기 리아프노브 함수의 미분값이 0 보다 큰지 여부를 판단하는 단계(S1250)는 적응 슬라이딩 모드 제어기(400)의 안정성을 판별하는 단계로서, [수학식 27]로 표현되는 리아프노브 함수의 미분값이 0 보다 크면 리아프노브 함수 설계 단계(S1230)로 되돌아 가고, 0보다 크지 않으면 적응 법칙을 유도하는 단계(S1300)가 수행된다.The step (S1250) of determining whether the differential value of the Liafnov function is greater than 0 is a step of determining the stability of the adaptive sliding
상기 적응 법칙을 유도하는 단계(S1300)는 적응법칙 유도부(500)에 의해 수행되며, 리아프노브 함수의 음의 반 정부호 조건을 이용하여 추정 질량에 대한 적응 법칙을 유도할 수 있다.The step of deriving the adaptation law ( S1300 ) is performed by the adaptation
상기 적응 법칙을 유도하는 단계(S1300)에서는 [수학식 31]로 표현되는 질량의 추정치에 대한 적응 법칙이 얻어진다.In the step of deriving the adaptation law ( S1300 ), an adaptation law for an estimate of the mass expressed by Equation 31 is obtained.
상기 적응 법칙은 슬라이딩 모드 제어기에 이용되어 적응 슬라이딩 모드 제어기(400)를 얻게 되고, 적응 슬라이딩 모드 제어기(400)를 이용하여 무인비행체(100)의 비행을 제어하게 된다(S1400).The adaptive rule is used in the sliding mode controller to obtain the adaptive sliding
한편, 본 출원인은, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템(10) 즉, 무인비행체(100)에 가해지는 가변 하중을 고려하기 위해 적응 슬라이딩 모드 제어기를 이용하여 무인비행체(100)를 제어하는 시스템을 검증해 보았다. 도 7 내지 도 9는 이러한 검증 절차 및 결과가 도시되어 있다. On the other hand, the present applicant controls the unmanned
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템(10)을 검증하기 위한 정지 비행 시나리오를 설명하기 위한 도면이다. 7 is a view for explaining a stationary flight scenario for verifying the
도 7을 참조하면, Phase 1은 공칭 질량(Nominal mass)이 2.6kg인 무인비행체에 대해 이중 루프 PID 제어기(P-PID)와 본 발명의 일 실시예에 따른 적응 슬라이딩 모드 제어기를 이용하는 비행제어 시스템(10)의 과도 응답 및 정착 시간이 비슷한 성능을 가지도록 이득 값을 조정한 구간이다. Phase 2는 무인비행체 질량의 약 40% 정도 되는 중량(1kg)을 탑재하여 총 중량이 3.6kg인 상태로 무인비행체가 상승하는 구간이다. Phase 3은 총 중량 3.6kg인 무인비행체가 호버링하는 상태에서 페이로드(즉, 기체 질량의 약 40% 저도 되는 중량)을 낙하시키는 구간이다.Referring to FIG. 7 ,
Phase 1에서 무인비행체는 상승하거나 착륙하며(Ascending/Landing), Phase 2에서는 상승하며(Ascending), Phase 3에서는 호버링(hovering) 작동을 하게 된다.In
도 7에서 "Added payload 1kg"은 무인비행체에 약 1kg의 중량을 탑재하는 것을 의미하고, "dropped payload 1kg"은 무인비행체에서 약 1kg의 중량을 분리하여 낙하시키는 것을 의미한다. 도 7에서 가로축은 시간을 의미하고 단위는 초(s이다.In FIG. 7, "Added payload 1kg" means to load a weight of about 1kg to the unmanned aerial vehicle, and "dropped payload 1kg" means to separate and drop the weight of about 1kg from the unmanned aerial vehicle. In FIG. 7 , the horizontal axis means time and the unit is seconds (s).
도 8은 무인비행체의 비행시험 시나리오의 시뮬레이션 결과로서, 도 8의 (a)는 고도 제어 성능 비교 결과이고, (b)는 본 발명의 질량 추종 성능 결과이다.8 is a simulation result of a flight test scenario of an unmanned aerial vehicle, in which (a) of FIG. 8 is a comparison result of altitude control performance, and (b) is a result of mass tracking performance of the present invention.
비행 시나리오는 제어기 성능을 명확히 같은 조건에서 비교하기 위해 질량 변화에 따라 구분되는 3단계로 구성되어 있다(도 7 참조). Phase 1에서는 공칭 질량으로 기체(무인비행체) 질량 값인 2.6kg이 사용되며 목표 고도 1m에 도달 후 하강하여 착륙한다. Phase 2가 시작되는 20초에 기체 질량의 약 40%에 해당하는 1kg의 중량이 탑재된 이후 목표 고도인 1m로 상승하고, Phase 3가 시작되는 30초에 추가 하중이 제거되어 공칭 질량과 같게 되고, 이때의 고도 명령은 1m로 유지된다.The flight scenario consists of three stages divided according to the mass change in order to clearly compare the controller performance under the same conditions (see Fig. 7). In
도 8의 (a)를 참조하면, Phase 1의 시뮬레이션 결과로 목표 고도 1m의 단위 계단 입력에 대해 PID 제어기(P-PID)와 적응 슬라이딩 모드 제어기를 이용하는 본 발명(ASMC)의 과도 응답 및 정착 시간이 비슷한 성능을 갖도록 이득 값이 조정되어 있음을 알 수 있다. 도 8의 (a)에서 보이는 바와 같이, Phase 1에서 두 제어기 모두 5초 이내에 정착 상태에 도달하지만, 20초에 1kg의 중량을 탑재한 후 3.6kg으로 무인비행체 상승 시 Phase 2에서 PID(P-PID 참조)는 목표 고도(Reference 참조)에 도달하는데 걸리는 시간(수렴 시간)이 증가하는 반면, 적응 슬라이딩 모드 제어기를 이용하는 본 발명(ASMC 참조)의 경우에는 PID 보다 목표 고도에 도달하는데 걸리는 시간이 짧아서 성능을 유지함을 알 수 있다. Phase 3에서 중량을 분리하면 순간적으로 고도가 상승하게 되는데, 본 발명의 경우가 PID 보다 중량 분리 후 목표 고도에 도달하는데 걸리는 시간이 짧을 뿐만 아니라 고도 변동도 적음을 알 수 있다.Referring to (a) of FIG. 8 , the transient response and settling time of the present invention (ASMC) using a PID controller (P-PID) and an adaptive sliding mode controller for a unit step input of a target altitude of 1 m as a simulation result of
도 8의 (b)를 참조하면, Phase 2가 시작되는 20초에 하중이 추가되어 수직 아래 방향으로 추가적인 중력이 작용하게 됨에도 불구하고 적응 슬라이딩 모드 제어기를 이용하는 본 발명은 1~2초 이내로 질량 값을 추종하고 순간적으로 더 큰 제어 입력을 생성함을 알 수 있다. 질량 추종 성능은 추종 이득 km 값에 의해 조정된다. Referring to (b) of FIG. 8 , the present invention using the adaptive sliding mode controller provides a mass value within 1 to 2 seconds even though a load is added at 20 seconds at the start of
도 8의 (a)를 참조하면, Phase 3이 시작되는 1kg의 하중이 제거되는 순간에 PID 제어기의 경우(P-PID 참조)에는 약 0.4m 정도의 경로(고도) 오차가 발생할 뿐 아니라 수렴하는데 10초 가량이 소요되지만, 적응 슬라이딩 모드 제어기를 이용하는 본 발명(ASMC 참조)의 경우에는 0.1m 이내로 약간의 경로 오차가 발생하지만 빠르게 5초 이내에 수렴함을 알 수 있다. Referring to (a) of FIG. 8 , at the moment when the load of 1 kg at which
도 8을 참조하면, 가변 하중을 가하는 경우 P-PID 제어기는 수렴 시간이 약 10초로 증가하는 반면, 적응 슬라이딩 모드 제어기를 이용하는 본 발명의 경우에는 빠르게 질량을 추종함으로써 큰 제어 입력을 생성하여 성능을 유지함을 알 수 있다. 또한, 갑작스러운 외력(가변 하중)이 인가된 경우에 적응 슬라이딩 모드 제어기를 이용하는 본 발명이 P-PID 제어기에 비해 적은 고도 오차가 발생하며 빠르게 목표 고도에 수렴함을 알 수 있다.Referring to FIG. 8 , when a variable load is applied, the convergence time of the P-PID controller increases to about 10 seconds, whereas in the case of the present invention using the adaptive sliding mode controller, the performance is improved by generating a large control input by rapidly following the mass. can be found to be maintained. In addition, it can be seen that when a sudden external force (variable load) is applied, the present invention using the adaptive sliding mode controller generates a smaller altitude error compared to the P-PID controller and converges to the target altitude quickly.
또한, 본 출원인은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어 시스템(10)의 성능 검증을 위해 비행 실험을 수행하였고, 그 결과가 도 9에 도시되어 있다. 도 9의 (a)는 비행 실험 고도 응답 비교 결과이고, 도 8의 (b)는 비행 실험 질량 추정값을 보여준다.In addition, the applicant performed a flight experiment to verify the performance of the
정지 비행 실험은 비행 시뮬레이션과 마찬가지로 목표 고도는 1m로 스텝 명령을 인가하였고, 공칭 질량 값인 2.6kg일 때 동일한 성능을 갖도록 조정된 이득 값으로 수행되었다.The static flight experiment was performed with a gain value adjusted to have the same performance when the target altitude was 1 m and a step command was applied as in the flight simulation, and the nominal mass value was 2.6 kg.
도 9의 (a)를 참조하면 1kg의 추가 중량을 탑재한 상태로 상승한 후 10초에 페이로드를 낙하시킨다. 추가 중량에 의해 수직 아래 방향으로 중력이 발생하여 PID의 경우(P-PID 참조) 상승 속도가 줄어들어 목표 고도(Reference)에 수렴하는데 약 10초가 소요되었으나, 적응 슬라이딩 모드 제어기를 이용하는 본 발명(ASMC 참조)의 경우에는 도 9의 (b)에서 알 수 있듯이 1.2초 이내에 증가된 총 질량 값을 추정하였으며 증가된 질량 값에 따른 큰 제어 입력을 생성하여 발생한 중력을 보상하면서 빠르게 상승하여 5초 이내에 목표 고도에 도달함을 알 수 있다.Referring to (a) of FIG. 9 , the payload is dropped in 10 seconds after ascending with an additional weight of 1 kg mounted. In the case of PID (see P-PID), it took about 10 seconds to converge to the target altitude (Reference) because gravity was generated in the vertical downward direction by the additional weight, but the present invention using the adaptive sliding mode controller (see ASMC) ), as can be seen from (b) of FIG. 9 , the total mass value increased within 1.2 seconds was estimated, and a large control input was generated according to the increased mass value to compensate for the generated gravity and rapidly ascended to the target altitude within 5 seconds. It can be seen that reaching
도 9의 (a)의 Phase 3을 참조하면, 페이로드를 낙하시키는 10초에 PID 경우에는 0.4m의 고도 오차가 발생하며 빠르게 오차를 줄이지 못하고 다시 목표 고도에 도달하는데 10초 이상이 걸리는 반면, 적응 슬라이딩 모드 제어기를 이용하는 본 발명의 경우에는 약 0.1m의 고도 오차가 발생하지만 5초 이내에 빠르게 목표 고도에 수렴함을 알 수 있다. 이는, PID의 경우 제어 입력을 빠르게 감소시키지 못하기 때문이고, 반면 적응 슬라이딩 모드 제어기를 이용하는 본 발명의 경우에는 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 추정된 질량 값이 3.6kg에서 약 2.5kg으로 1, 2초 내에 수렴하여 그에 따른 제어 입력이 빠르게 감소되었다.Referring to Phase 3 of FIG. 9 (a), in the case of PID in 10 seconds of dropping the payload, an altitude error of 0.4 m occurs, and it takes more than 10 seconds to reach the target altitude again without rapidly reducing the error, whereas In the case of the present invention using the adaptive sliding mode controller, an altitude error of about 0.1 m occurs, but it can be seen that it converges to the target altitude within 5 seconds. This is because, in the case of PID, the control input cannot be rapidly reduced, whereas in the case of the present invention using the adaptive sliding mode controller, the estimated mass value is from 3.6 kg to about 2.5 kg as shown in FIG. converges within 1 or 2 seconds, resulting in a rapid decrease in control input.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, in one embodiment of the present invention, specific matters such as specific components, etc., and limited embodiments and drawings have been described, but these are only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments. It is not limited, and various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. Accordingly, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims described below, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will fall within the scope of the spirit of the present invention.
10: 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템
100: 무인비행체
200: 모델링부
300: 제어기 설계부
400: 적응 슬라이딩 모드 제어기
500: 적응법칙 유도부
600: 외란 반영부10: Unmanned aerial vehicle flight control system with variable load
100: unmanned aerial vehicle
200: modeling unit
300: controller design unit
400: adaptive sliding mode controller
500: adaptive law induction unit
600: disturbance reflection unit
Claims (9)
상기 모델링부에서 얻어진 동적 모델 또는 운동방정식을 이용하여 상기 무인비행체에 대한 슬라이딩 모드 제어기를 설계하는 제어기 설계부; 및
상기 슬라이딩 모드 제어기에 적응법칙 유도부에서 얻어진 적응법칙을 반영하여 얻어지는 적응 슬라이딩 모드 제어기;를 포함하며,
상기 적응법칙 유도부는 상기 무인비행체의 질량 또는 하중의 변화를 포함하는 외란을 반영하여 상기 적응법칙을 유도하고,
상기 적응 슬라이딩 모드 제어기는 상기 적응법칙을 상기 슬라이딩 모드 제어기에 적용하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템.
a modeling unit for inducing an equation of motion by performing dynamic modeling on an unmanned aerial vehicle;
a controller design unit for designing a sliding mode controller for the unmanned aerial vehicle using the dynamic model or motion equation obtained from the modeling unit; and
and an adaptive sliding mode controller obtained by reflecting the adaptive rule obtained from the adaptive rule derivation unit to the sliding mode controller,
The adaptation law induction unit induces the adaptation law by reflecting disturbances including changes in the mass or load of the unmanned aerial vehicle,
The adaptive sliding mode controller is an unmanned aerial vehicle flight control system having a variable load, characterized in that it is obtained by applying the adaptive rule to the sliding mode controller.
상기 모델링부는 상기 무인비행체에 가해지는 내적 외란 및 외적 외란을 고려하여 상기 무인비행체의 운동방정식을 유도하며,
상기 내적 외란은 상기 무인비행체에 작용하는 질량 또는 하중의 변화를 포함하고, 상기 외적 외란은 상기 무인비행체에 작용하는 바람의 영향을 고려하는 것을 특징으로 하는 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템.
According to claim 1,
The modeling unit derives an equation of motion of the unmanned aerial vehicle in consideration of internal and external disturbances applied to the unmanned aerial vehicle;
The internal disturbance includes a change in mass or load acting on the unmanned aerial vehicle, and the external disturbance considers the influence of wind acting on the unmanned aerial vehicle flight control system having a variable load.
상기 적응 슬라이딩 모드 제어기는,
상기 제어기 설계부에서 설계한 상기 슬라이딩 모드 제어기의 외란에 대한 강인성을 유지하고 상기 적응법칙 유도부에서 얻어진 상기 적응법칙을 상기 슬라이딩 모드 제어기에 적용하여 미지의 파라미터를 추정하고 제어 변수를 변경하는 것을 특징으로 하는 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템.
3. The method of claim 2,
The adaptive sliding mode controller,
Maintaining the robustness against disturbance of the sliding mode controller designed by the controller design unit and applying the adaptation rule obtained from the adaptation rule induction unit to the sliding mode controller to estimate unknown parameters and change control variables Unmanned aerial vehicle flight control system with variable load.
상기 적응법칙 유도부는,
상기 무인비행체에 가해지는 질량 또는 하중의 변동을 추정하기 위해 상기 적응법칙을 유도하는 것을 특징으로 하는 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템.
4. The method of claim 3,
The adaptive law induction unit,
An unmanned aerial vehicle flight control system having a variable load, characterized in that inducing the adaptation law to estimate a change in mass or load applied to the unmanned aerial vehicle.
상기 적응법칙 유도부는,
상기 무인비행체의 공칭 질량과 추정 질량 사이의 오차를 최소화하는 제어 입력을 얻기 위해 항상 양수인 리아프노브 함수를 정의하는 것을 특징으로 하는 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템.
5. The method of claim 4,
The adaptive law induction unit,
An unmanned aerial vehicle flight control system having a variable load, characterized in that always positive Liafnov function is defined to obtain a control input that minimizes an error between the nominal and estimated mass of the unmanned aerial vehicle.
상기 적응법칙 유도부는,
상기 리아프노브 함수의 음의 반 정부호 조건을 이용하여 상기 추정 질량에 대한 상기 적응 법칙을 유도하는 것을 특징으로 하는 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 시스템.
6. The method of claim 5,
The adaptive law induction unit,
An unmanned aerial vehicle flight control system having a variable load, characterized in that the adaptive law for the estimated mass is derived using the negative semi-definite sign condition of the Liafnov function.
상기 무인비행체에 대한 동적 모델링을 수행하는 단계;
상기 무인비행체의 동적 모델이 슬라이딩 표면에 도달하는 조건을 도출하는 단계;
리아프노브 함수를 설계하는 단계;
리아프노브 함수의 미분값이 0 보다 큰지 여부를 판단하는 단계; 및
적응 법칙을 유도하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 방법.
In the flight control method of an unmanned aerial vehicle having a variable load using the system according to any one of claims 1 to 6,
performing dynamic modeling on the unmanned aerial vehicle;
deriving a condition for the dynamic model of the unmanned aerial vehicle to reach the sliding surface;
designing a Liafnov function;
determining whether a differential value of the Liafnov function is greater than zero; and
deriving an adaptation law;
An unmanned aerial vehicle flight control method having a variable load, comprising:
상기 리아프노브 함수를 설계하는 단계에서는,
상기 무인비행체의 공칭 질량과 추정 질량 사이의 오차를 최소화하는 제어 입력을 얻기 위해 항상 양수인 리아프노브 함수를 정의하는 것을 특징으로 하는 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 방법.
8. The method of claim 7,
In the step of designing the Liafnov function,
An unmanned aerial vehicle flight control method with a variable load, characterized in that always positive Liafnov functions are defined to obtain a control input that minimizes an error between the nominal mass and the estimated mass of the unmanned aerial vehicle.
상기 적응 법칙을 유도하는 단계에서는,
상기 리아프노브 함수의 음의 반 정부호 조건을 이용하여 상기 추정 질량에 대한 상기 적응 법칙을 유도하는 것을 특징으로 하는 가변 하중을 가지는 무인비행체 비행제어 방법.9. The method of claim 8,
In the step of deriving the adaptation law,
An unmanned aerial vehicle flight control method with a variable load, characterized in that the adaptive law for the estimated mass is derived by using the negative semi-definite sign condition of the Liafnov function.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |