This thesis demonstrates the application of Backstepping Algorithm for the control of Small Scale Rotary wing Unmanned Aerial Vehicle (R-UAV).The Backstepping method eventually includes the derivation of Lyapunov function guaranteeing Global Stability. Rotorcraft flight control design is traditionally based on linear control theory, due to the existing wealth of tools for linear design and analysis. However, in order to achieve tactical advantages, Rotorcrafts tend to perform maneuvers outside the region where the dynamics of flight are barely linear, and the need for nonlinear tools arises.
In this thesis work Backstepping is proposed as a possible framework for nonlinear flight control design. Backstepping is a design tool for constructing globally stabilizing control laws for a certain class of nonlinear dynamic systems whose state equations can be manipulated in a strictly feedback form.
Backstepping has advantages over the nonlinear technique of feedback linearization in many aspects. Feedback linearization, as the name implies, aims at canceling the nonlinear system behavior. By using nonlinear feedback. the closed loop system is rendered linear. A major demerit of this approach is that for the cancellation to be possible, all the nonlinearities involved must be known exactly. In aircraft flight control, the aerodynamic forces and moments acting on the aircraft are important sources of nonlinearity to be dealt with. In practice these can not be modeled exactly and hence, perfect cancellation is not possible.
Backstepping offers a more flexible way of dealing with nonlinearities compared to feedback linearization. Nonlinearities that act stabilizing may be kept in the closed loop system while destabilizing nonlinearities may be can-celled. Using this merit controller for the Rotorcraft is derived.
The control law for general maneuver case and control of Flight path angle is obtained here. The aspect of general maneuver includes the control of Angle of Attack, Sideslip and Roll angle of R-UAV system. .The control law is designed to explicitly consider the nonlinear aerodynamic forces and moments acting upon the vehicle. The control law is recursively constructed along with Lyapunov function guaranteeing global stability. The designed controller is evaluated by simulation using a small scale R-UAV Model.
본 논문에서는 소형 무인회전익 항공기의 제어를 위한 백스텝핑 알고리즘 적용성을 증명하였다. 지금까지 이루어진 무인회전익 항공기의 제어기 설계는 많은 연구가 이루어져 설계와 분석이 용이한 선형제어 이론에 밑바탕을 두고 있다. 그러나 회전익 항공기는 선형화된 영역 이외의 광범위한 영역에서 기동을 수행하므로 비선형 제어기를 이용한 설계가 요구된다.
본 논문에서는 항공기 제어에 사용되는 비선형 제어기로써 백스텝핑을 제안하였다. 백스텝핑은 strictly feedback 형태로 변형가능한 비선형 운동방정식의 전역안정성을 보장하는 제어 법칙이다. 백스텝핑 방식에는 전역안정성을 보장하는 리아프노프 함수를 유도하는 과정이 포함된다.
backstepping은 여러 면에서 feedback 선형화의 비선형 기술에 장점을 가지고 있다. feedback 선형화, 그 이름이 의미하는 것처럼 비선형 시스템의 거동을 상쇄시키는 것에 목적을 두고 있다. 비선형 feedback을 사용함으로써 폐룹프 시스템은 선형으로 나타내어진다. 이런 접근의 주요 결점은 상쇄될 가능성이 있는 것이다. 모든 관련된 비선형성은 정확하게 알려져야만 한다. 항공기 비행제어에서 항공기에 발생하는 공기역학적 힘과 모멘트는 비선형성의 원인으로 중요하게 다루어진다. 사실상 이것들은 정확하게 설계되어지지 않아서 완벽한 상쇄는 가능하지 않다.
backstepping은 feedback 선형화와 비교해 볼 때 비선형화를 다루는데 좀 더 유용한 방법을 제공한다. 안정화시키는 비선형성은 불안정화하는 비선형성이 상쇄되는 동안 폐루프 시스템에 보존되어진다. 이런 장점을 이용하는 Rotorcraft의 제어기가 나오게 되었다. 일반적인 괘도수정에 대한 경우와 경로각의 제어에 대한 조작법은 다음과 같다. 일반적인 괘도 수정에 관한 경우 R-UAV 시스템의 받음각(AOA), Sideslip과 Roll angle의 제어를 포함한다.
제어 방법은 비행체에 작용하는 비선형 공기 역학적 힘과 모멘트를 고려해서 설계되어진다. 제어 방법은 global stability를 보증하는 Lyapunov function을 따라 반복적으로 이루어진다. 설계된 제어기는 작은 크기의 R-UAV 모델을 사용하는 simulation에 의해 평가되어진다.
