This paper is concerned with the dynamic modeling and control system design based on a classical method for a Tail-Sitter UAV. The dynamic model of a Tail-Sitter UAV was found using the nonlinear aerodynamic models with Vortex Latex Method (VLM). 6-DOF (Degree of Freedom) dynamic equations, which include aerodynamic characteristics, are derived. The results from the dynamic modeling and system analysis study with aerodynamic characteristics allow to understand the dynamic properties. Based on LTI model for hover and horizontal flight, classical SISO control is deployed for vehicle stabilization. The controller for hover and horizontal flight is designed with the linear SISO control approach. Also, control system design based on the precise dynamic model make more accurate controller gain selection possible. The SISO multi-loop controller is then used as the low-level vehicle stabilization and it is integrated with the middle level waypoint navigator. Finally, the performance of the proposed approach is first validated in the numerical simulation and then in a series of flight test. In similarity experiments, a shrouded propeller system could show performance of controllers and verification of dynamic modeling. Therefore, we could conduct flight test of a Tail-Sitter UAV using proposed controller. Proposed controllers and dynamic model has sufficient accuracy and performance.
본 논문은 테일 시터 무인항공기를 위한 동역학 모델링 및 제어시스템에 관한 연구이다. 테일 시터의 동역학 모델은 와류 격자법을 사용하여 구성된 비선형 공력 모델로 구하였다. 공력 특성이 반영된 6자유도 방정식을 유도하였다. 공력해석은 제어기 설계를 위한 모델의 정확성을 높이기 위해 필수적인 요소이다. 공력 해석과 동역학 모델링의 결과를 통하여 동역학적인 특성을 이해할 수 있었다. LTI 모델을 바탕으로 한 고전적인 SISO 제어는 항공기의 안정화를 위하여 적용되었다. 호버와 수평 비행을 위한 제어기는 선형적인 SISO 제어 방식의 접근을 통하여 설계되었다. 또한 정확한 동역학 모델을 사용한 제어시스템 설계는 제어 게인의 선택을 보다 정확하게 하는 것이 가능하였다. 제안된 SISO 제어기는 항공기의 안정화를 위한 low-level로 사용되고, mid-level인 경로점 항법기와 결합되어 사용된다. 호버 모드에서의 경로점 항법기는 미리 지정된 비행 속도와 경로점을 바탕으로 기준 위치와 비행 경로각을 생성한다. 수평비행에서는 항공기의 현재 위치와 경로점을 통해 상대적인 경로각을 생성한다. 마지막으로 제안된 결과물들을 비선형 시뮬레이션과 비행실험을 통하여 확인하였다. 상사실험에서 슈라우드 프로펠러 시스템은 성공적으로 제어기의 성능과 동역학 모델의 정확성을 보여주었다. 따라서 테일 시터 무인항공기의 비행실험을 수행하였다. 본 논문에서 제안된 제어기와 동역학 모델은 충분한 성능과 정확도를 가지는 것을 보여 준다.
