This paper is mainly concerned with the control system design for a quad-rotor UAV. The quad-rotor UAV is modeled by 6-DOF nonlinear equations of motion that includes rotor aerodynamics with blade element theory. Trim and stability analysis are performed to analyze and understand quad-rotor UAV dynamic model properties. Control system is designed based on PID autopilot and vision-based control technique. Additional vision-based control strategy is described for stabilization of the quad-rotor UAV using two on-board cameras in urban environments. Stabilization performances are assessed by 3D environment numerical simulation.
쿼드 로터 무인항공기는 4개의 로터로 구동되는 헬리콥터 형태의 비행체로 제작 및 유지 보수가 쉬워 무인항공기 분야의 연구대상을 높은 관심을 받고 있다. 현재까지 다양한 제어시스템이 쿼드 로터 비행체에 적용되었으나 대부분의 연구에서 로터의 공기역학적인 모델이 매우 단순화되어 있고 동특성 해석에 대한 연구가 충분히 다루어지지 않았다. 때문에 본 논문에서는 쿼드 로터 무인항공기의 동역학 모델링을 유도하고 적절한 제어시스템을 설계하는 문제를 다루었다. 동역학 모델은 강체 운동방정식과 블레이드 요소 이론을 이용한 로터 동역학으로부터 유도하였다. 쿼드 로터 무인항공기는 로터 블레이드의 피치 제어 구조가 없으나 전진 비행으로 로터에 대한 공기흐름이 달라지는 것을 고려하여 플래핑 효과를 동역학 모델에 포함하여 실제적인 비행운동 모델을 정립하였다. 로터의 공기역학적인 효과를 고려한 동역학 모델에 트림값 산출 및 선형화를 수행하여 호버링 및 전진비행 시의 쿼드 로터 무인항공기의 안정성을 분석하였다. 불안정한 모드를 포함하고 있는 쿼드 로터 무인항공기를 적절하게 제어하기 위해서 PID 제어기법을 적용하여 자세유지, 고도유지, 속도유지 오토파일럿을 설계하였다. 또한 비전 기반 제어 기법을 응용하여 두 개의 탑재 카메라를 이용한 자세 안정화 기법을 제안하였다. 제안된 비전 기반 자세 안정화 기법 및 제어시스템은 수치 시뮬레이션을 통해 그 성능을 입증하였다.
