Two types of model-based non-linear controllers are designed for the quadrotor UAV
trajectory tracking control. Because the vehicle dynamics is simpler than that of conventional helicopter, model-based controller is more powerfully applicable. However, because of various model uncertainties, the controller performances are limited. Especially, because of manufacturing tolerances, thruster uncertainties such as isalignment and efficiency are existed. Moreover, It’s not easy to measure the model parameters exactly even by experiment. Under these circumstances, two types of controllers are proposed and evaluated for the quadrotor vehicle. First, design of an adaptive command filtered backstepping flight control law for a quadrotor UAV with uncertain parameters is discussed. The control law is targeted to track the reference
trajectories with a constrained velocity, attitude, and attitude rate. Online parameter update laws are used to compensate for the uncertain parameters, namely mass, inertia, actuator gain, and thruster misalignment in dynamics. Command filters are used to obtain the derivatives of virtual command and additionally implement the vehicle’s actuator and state constraints. Stability of the control law with parameter update laws in the presence of saturation is guaranteed by using a modified tracking error in the Lyapunov function, in which the effect of the saturation has been smoothed into the other internal control step.
Second, design of an adaptive dynamic feedback linearization control law for a quadrotor
UAV under uncertain parameters is presented. Because of unstable internal dynamics, dynamic extension on input was utilized. A non-linear based observer was used to estimate the states of feedback linearized system and Lyapunov-based update laws are derived to compensate for uncertain parameters. Both controllers and their performances are evaluated using a non-linear, sixdegree-of-freedom dynamic model of a quadrotor UAV with a thruster model in the simulation. The results illustrate that the proposed control law enhances the tracking performance even in the presence of model uncertainties such as thruster misalignment. It was also evaluated with aerodynamic disturbances and realistic thruster dynamic models.
본 논문은 쿼드로터 무인기에 적용하기 위한 비선형제어기에 대해서 연구를 수행한 결과이다. 무인기의 개발이 급속도로 발전하고 있으며, 특히 쿼드로터 무인기는 정지비행 및 수직 이착륙이 가능하고, 일반적인 회전익 항공기에 비하여 그 기구학적 구조가 단순하여 제작성, 정비성 및 운영성 면에서 큰 장점을 가지고 있다. 더욱이 로터의 힘을 4 개로 분산 시킴으로써 무인기로 목적물에 근접하여 임무를 수행할 때 위험성이 감소된다. 이러한 장점으로 인하여 많은 쿼드로터 무인기가 개발되고 있다. 본 연구에서는 이러한 쿼드로터 무인기의 동력학적 특성을 분석하여, 모델링에 근거를 한 비선형 제어기 설계에 대한 것이다. 쿼드로터 무인기는 기존 항공기에 비해
모델 파라미터가 상대적으로 작기 때문에, 인공지능적인 기법의 제어기 보다는 모델링에 근거를 한 제어기 설계가 장점을 가지고 있으나 모델링에 근거한 제어기는 모델 파라미터의 불확실성에 의해서 그 성능이 변하기 때문에 모델링 파라미터가 불확실할 경우를 고려하여 적응제어기법을 사용하였다. 특히 쿼드로터 동력학 방정식에 추력기가 비정렬이 생기는 현상에 대한 문제를 해결하기 위하여 이를 고려하여 동력학 방정식을 유도하였다. 비선형 제어기 설계는 백스템핑 방법과 동적 궤환 선형화 기법을 이용하였다. 백스텝핑 방법에서는 가상 제어 입력의 미분 값을 해석적 방법이 아닌 커맨드 필터를 이용하는 방식을 사용하였으며, 커맨드 필터에 의한 오차를 보상하기 위해 보상 필터를 적용하였다. 동적 궤한 선형화 제어기에서는 인터널 다이나믹스를 발생시키지 않도록 하기 위해서 입력의 미분 값을 상태변수로 설정하여 동적궤환을 통한 제어기를
구성하였다. 쿼드로터는 질량, 관성모멘트, 액튜에이터 특성 및 추력기의 비정렬에 따른
불확실성을 갖는다. 이 문제를 해결하기 위해서 리야프노푸 함수를 이용하여, 추정하고자 하는 파라미터에 대한 추정법칙을 구하여서 적용하였다. 제어기의 검증은 6 자유도 방정식을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과 제어기의 성능을 입증할 수 있었다. 커맨드 필터를 이용한 백스텝핑 방법에서는 궤도 추종 제어 목적외에 내부 상태 변수의 제한치를 설정하는 장점이 있음을 확인하였으며, 동적 상태궤환 기법을 이용한 제어기에서는 상태관측기를 이용하여, 상태궤환이 아닌 출력 궤환을 통하여도 제어가 가능함을 확인하였다. 두 가지의 제어기에 대해서 모델의 불확실성에 따른 검증을 수행하였다. 본 연구를 통하여 비선형 제어기의 쿼드로터 무인기에의 적용이 가능함을 검증하였으며, 특히 리야프노프 함수에 의한 분석을 통하여 제어기의 안정성을 입증하였고, 추력기 모델이 시뮬레이션 루프에 있을 때와 없을 때를 비교함으로써 시간 지연이 있는 추력기 모델에 대해서도 설계한 제어기가 잘 동작함을 확인하였다.
