In this thesis, cable-suspended transportation system using unmanned aerial vehicle is studied. Using single or multiple rotor vehicle, slung-load flight has the advantage to place a cargo to the target spot without landing. However, the system has a risk that externally slung load can adversely affect and degrade the movement of a vehicle. Fluctuating motion of the payload and vehicle caused by heavier loads and shorter cable can be fatal. Mathematical modeling and control design for given system is conducted for rapid and robust stabilization of underslung payload. First, UAV slung-load system is designed using multi-pendulum, to describe the fluctuating motion of flexible cable. Dynamics of the system is derived with Euler-Lagrange Equations. Udwadia-Kalaba Equations (UKE) are also used to verify the equations. Linear model analysis has conducted to examine the characteristics of system in increasing the number of segments consisting cable configuration. Based on obtained results, linear and nonlinear control techniques are applied. Applied control techniques are linear PD control and adaptive control technique using artificial neural network. In PD control, added to the basic PD control technique, position error between the vehicle and payload are fed back for fast stabilization of payload. Improved performance of the method is shown by simulations. Finally, through the application of adaptive control technique using artificial neural network, robustness and rapid stabilization of payload is verified.
본 연구에서는 로터 방식의 현수 화물수송 시스템을 다룬다. 현수 화물수송 시스템은 화물을 기체에서 분리하여 기체에 미치는 공기역학적 변화를 줄이면서, 호버링 상태에서 착륙 없이도 화물을 목적지에 위치시킬 수 있다는 장점을 가진다. 하지만 지속적인 화물의 출렁거림과 커플링 효과로 인해, 화물의 움직임을 제대로 제어하지 않을 경우 그 폭이 점점 증가하며 무인기의 안정성에 문제를 일으킬 수 있다. 본 연구에서는 화물의 출렁거림에 대한 강건하고 빠른 안정화를 목표로, 시스템에 대한 수학적 모델링 및 제어설계를 통해 이를 해결하고자 하였다. 우선, 시스템의 줄의 출렁거림에 대한 모사를 위해 케이블과 화물을 다진자로 모델링한다. 오일러 라그랑지 수식 및 Udwadia-Kalaba Equation (UKE)를 통해 운동방정식을 유도하고, 검증하였다. 이후 선형제어기 설계를 목표로 선형화된 시스템에 대한 분석을 진행하였다. 주파수 응답 분석 및 고유값 분석을 통해 선형화된 시스템을 분석하고, 케이블에 대한 다진자 모델링의 필요성에 대하여 판단하고자 하였다. 도출된 결과를 바탕으로, 선형 및 비선형 제어기법의 적용을 이용하여 화물 안정화를 위한 제어설계를 수행하였다. 적용된 제어기법은 PD 제어기법과 인공신경망을 이용한 적응제어 기법으로, 시뮬레이션을 통해 그 성능을 확인한다. PD 제어기법에서는 화물 안정화를 위해 화물과 무인기의 위치 오차를 피드백하는 부분을 추가하였으며, 이를 통한 성능의 향상을 확인하였다. 이 후 인공신경망을 이용한 적응제어 기법의 적용을 통해 화물의 빠른 안정화 및 변수에 대한 강건성을 확인하였다.
