In this paper, a fault tolerant control method is proposed to enhance safety of multicopter unmanned aerial vehicles. Firstly, to enhance a safety, a novel attitude tacking control method using Time Delay Control (TDC) scheme is developed to provide robust controllability of a rigid multicopter in case of motor(rotor) faults. When the TDC scheme is developed, the rotor faults such as the abrupt and/or incipient rotor faults are considered as model uncertainties. The kinematics, modeling of rigid dynamics of multicopter, and design of stability and controllability augmentation system (SCAS) are addressed rigorously in this paper. In order to compare the developed control scheme to a conventional control method as a baseline controller and control allocation method as a fault tolerant controller, a nonlinear numerical simulation and a flight test have been performed and the attitude tracking performance has been compared between the those methods considering the single and multiple rotor faults cases. The developed control scheme shows superior stability and robust controllability of a multicopter that is subjected to one or multiple rotor faults and external disturbance, i.e., wind shear, gust, and turbulence.
본 논문에서는 여러 개의 로터를 갖는 멀티콥터를 대상으로 안전성을 향상시키는 제어기법을 제안하였다. 고장으로 인해 일부 모터가 정상적으로 동작하지 않는 경우, 여분의 모터를 이용하여 멀티콥터의 자세를 안정화시키는 자세제어기법을 제안하였다. 일반적인 항공기는 일단 이륙한 후 고장이 발생하게 되면 고장을 수리하는 것이 거의 불가능하기 때문에, 핵심 부품의 경우에는 여분의 부품을 다중화하여 고장에 대비하는 것이 일반적이다. 그러나 멀티콥터는 유상하중이 제한적이고, 특히 모터의 경우 다중화가 불가능하기 때문에 고장이 발생하면 비행 안전성에 매우 취약하며, 최악의 경우에는 비행체 추락으로 이어질 수 있다. 따라서, 멀티콥터의 안전성과 운영범위를 확장하기 위해서는 모터 고장으로 인해 기능저하 또는 작동하지 않을 경우에도 안전하게 착륙할 수 있는 자세제어 알고리즘을 개발할 필요가 있다. 일반적으로 멀티콥터 비행제어시스템은 외란이나 다양한 비행환경, 작동기 고장과 같은 환경하에서도 원하는 자세를 안정화시키고 요구하는 자세를 유지할 수 있는 기능이 요구된다. 이러한 관점에서 멀티콥터가 고장 상황에도 안정하며 주어진 임무를 정상적으로 수행 가능한 비행제어시스템을 설계하는 것은 현재까지도 도전적 과제로 남아 있다. 본 논문에서는 멀티콥터에서 작동기에 해당하는 로터에 고장이 발생하였을 경우에 정상적인 여분의 로터를 이용하여 멀티콥터의 자세를 안정화시키고, 더불어 자세추종이 가능하게 하여 안전한 회수가 가능한 자세추종제어시스템을 설계하였다. 정상적인 비행상황과 비교적 안정적인 대기환경에서 자세안정화 및 자세추종은 고전제어기법으로 원하는 목표를 만족할 수 있다. 일반적으로, 설계자는 비행영역 내 여러 개의 설계점에서 제어성능 요구도를 만족하는 제어법칙을 설계한 후 내삽법을 사용한다. 하지만, 이러한 이득 스케쥴링 기법은 외란이나 고장 등의 불확실성 조건하에서는 스케쥴링 오차로 인해 만족할만한 성능이나 안정성을 만족하지 못할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 불확실성 상황하에서도 멀티콥터의 자세를 안정화시키기 위해 강건한 적응형 제어기법인 시간지연제어기법을 제안하였다. 본 논문에서 설계된 자세제어시스템은 기존 제어시스템과 달리 불확실성에 대해 강건한 제어기법을 갖기 때문에 운동 모델링 오차나 외란에 대해 강건한 장점을 갖는다. 또한, 본 논문에서 제안된 제어기법은 비행시험을 통해 멀티콥터의 자세안정화 뿐 아니라 특정 자세를 추종하는 자세추종시스템의 설계에도 쉽게 적용할 수 있음을 보였다.
