Autonomous unmanned aerial vehicle (UAV) flight generally consist of four steps, take-off, ascent, descent, and finally landing. Among them, autonomous landing is the challenging task due to high risks and reliability problems. In case the landing site where the UAV is supposed to land is moving and oscillating, the situations become more unpredictable and it is the way difficult than landing on a stationary site. For these reasons, the accurate and precise control for autonomous landing control is essentially required. So this thesis ultimately focuses on developing an autonomous landing system of a UAV on top of a moving vehicle which is rolling or oscillating while moving. The system consists of two parts.
Firstly, I proposed a dynamic gimbal control based vision-only based landing algorithm in chapter 2. The conventional camera systems which are applied to the previous studies are fixed as downward facing or forward facing. The main disadvantage of these systems is a narrow field of view (FOV). By controlling the gimbal to track the target dynamically, this problem can be partly solved. Furthermore, the system helps the UAV follow the target faster than using only fixed camera. With the artificial tag on landing pad, the relative position and orientation of the UAV are acquired, and those estimated poses are used for gimbal control and UAV control for safe and stable landing on a moving vehicle.
Secondly, however, the vision-only based algorithm described above is not perfectly trustworthy because of unexpected disturbances, such as a sudden gust of wind, sunlight and etc. So the system proposed in this study approached the solution of autonomous landing in the point of mechanical view as well. In chapter 3, by analyzing the stresses and strains of the conventional landing gears of UAV during landing procedure with finite element analysis (FEA), the weak points are verified. To reinforce those points, the modified landing gears are designed with an attached suspension system on each leg and the results are also verified via FEA using ANSYS.
The simulations using ANSYS show that the modified landing gears decrease the equivalent stress on the critical points, and propose the proper design and parameters to consider for further studies. The outdoor experiment results show that this vision-based algorithm performs fairly well and can be applied to real situations.
본 논문에서는 무인 항공기의 이동체 상부로의 자동 착륙 시스템을 제안한다. 무인 항공기의 비행은 일반적으로 이륙, 상승, 하강, 그리고 착륙 이렇게 네 단계로 구성되어있다. 그 중 자동 착륙은 다양한 위험과 신뢰성 문제로 인해 아주 어려운 작업이다. 무인기가 착륙하기로 되어있는 지점이 움직이고 또 흔들리는 경우, 그 상황은 더 예측 불가능하며 또 고정된 착륙 지점에 착륙하는 것보다 문제가 더 어려워진다. 이러한 이유 때문에 정확하고 정밀한 자동 착륙 제어가 필수적으로 요구된다. 그러므로 이 연구는 움직이면서 흔들리는 vehicle 위로의 무인 항공기의 자동 착륙 시스템을 개발하는 데 궁극적으로 초점을 맞추었다.
이 시스템은 크게 두 가지 파트로 구성되어있다. 첫번째로 다이나믹 gimbal 제어를 통한 영상 기반 착륙 알고리즘이 두번째 챕터에서 제안되었다. 기존의 연구들에 사용된 일반적인 카메라 시스템은 아래나 정면만을 보게끔 고정되어있다. 이러한 시스템의 가장 큰 단점은 field of view(FOV)가 좁다는 것이다. 하지만, 카메라에 장착된 gimbal을 다이나믹하게 타켓을 추적하도록 제어를 하므로서 이러한 문제는 어느 정도 해결될 수 있다. 또한 이 제어는 무인 항공기가 타켓을 이전보다 더 빠르게 따라가게 할 수 있다. 착륙 지점에 인공 마커를 설치함으로서, 무인기와 마커간의 상대적인 position과 orientation을 얻을 수 있으며, 또 그렇게 예측된 자세값을 gimbal 제어 및 무인기 제어에 사용하므로서 움직이는 vehicle 위로의 착륙이 더 안전하고 안정적이게 된다. 그러나 이러한 영상 기반 알고리즘만에만 전적으로 의존하기엔 돌풍이나 햇빛같은 갑작스런 외란들 때문에 무리가 있다. 그래서 본 논문의 시스템은 mechanical한 시각에서도 이 문제의 해결책을 접근하였다. 세번째 챕터에서 기존 무인 항공기, 그 중에서도 쿼드로터의 랜딩 기어 부분을 유한 요소 해석을 통해 착륙과정에서 오는 응력과 변형률을 분석하였고, 또 취약점을 밝혔다. 이러한 취약점들을 보완시키기 위해, 각각의 다리에 서스펜션 구조가 추가된 변경된 랜딩 기어가 디자인 되었으며 그 결과 역시 ANSYS를 이용한 유한 요소 해석을 통해 분석되었다. ANSYS를 이용한 시뮬레이션을 통해 변경된 랜딩 기어 구조가 기존 구조의 취약점들에 걸린 equivalent stress(등가응력)를 상당히 줄인 것을 확인하였으며 또 추후 연구를 위해 고려해야 할 적절한 설계와 파라메터 등을 제안하였다. 또한 실외 실험 결과는 영상 기반 알고리즘이 실제 착륙 환경에도 잘 작동함을 알 수 있었다.
