This thesis proposes an adaptive control system for the multicopter type Urban Air Mobility (UAM) subjected to unknown disturbances such as uncertainties in system parameters and wind, a significant barrier to achieving its mission. First, the effects of uncertainties in a UAM dynamics such as mass, the moment of inertia, and the center of gravity that may degrade the performance are rigorously analyzed.
The analysis results show that they appear to be a form of a constant bias or low-frequency disturbance. Based on these observations, the data-driven machine learning-based adaptive law is proposed for disturbance estimation by leveraging the modeling power of Gaussian process regression (GPR). While obtaining a training dataset for learning the GPR model, we utilize the conventional adaptive laws, e.g., time-delay approximation method, and nonlinear disturbance observer, for practicality. The entire control system is integrated by augmenting the disturbance estimation methodology with the baseline control applying the feedback linearization and time-scale separation assumption. Additionally, the control allocation algorithm to coordinate the virtual control efforts and further increase power efficiency is also proposed as our work concerns the over-actuated mechanical system. Finally, the numerical simulations verify the performance of the proposed disturbance rejection control algorithm in the presence of unknown external disturbance. The results present the enhanced performance of the proposed controller when compared with the previous conventional disturbance rejection approaches.
본 논문에서는 시스템 파라미터 불확실성, 외부 환경에 따른 바람 외란, 그리고 센서 잡음이 인가되는 상황 에서도 수직 이착륙 도심 항공 모빌리티의 성공적인 임무 수행이 가능하도록 하는 적응 제어 기반의 외란 보상 자세 제어 시스템을 설계하였다. 먼저, 시스템 운용 목적에 따라 빈번하게 발생하는 무게, 무게 중심 및 관성 모멘트와 같은 시스템 파라미터 불확실성에 의한 영향을 모델링 하여 동체에 인가되는 외란의 형태 및 특성을 분석하였다. 분석 결과를 통해 동체가 급격한 기동을 하지 않으면 외란 또한 느리게 변함을 확인 하였다. 전반적인 외란 보상 제어 구조는 궤환선형화 방법과 시간 분리 기법을 이용하여 설계된 기본 자세 제어기에 모델링 파워를 가지는 가우시안 프로세스 회귀 기반 적응 제어 기법을 접목하여 구축하였다. 특히, 가우시안 프로세스 회귀에 요구되는 데이터 추출 과정에서 비선형 외란 관측기나 시간 지연 적응 제어 기법 등의 기존의 적응 제어기법을 활용하여 실용적인 알고리즘을 제안하였다. 추가로, 멀티콥터형 도심 항공 모빌리티의 구조를 고려하여 에너지 효율적인 제어 명령 분배 로직을 구축하였다. 마지막으로, 시스템 파라미터 불확실성 및 시변 외란을 고려한 시뮬레이션을 수행함으로써 제안한 가우시안 프로세스 회귀 기반의 외란 보상 제어 시스템의 특성을 파악하였고 기존 외란 보상 기법과의 비교를 통해 제안한 기법의 개선된 성능을 검증하였다.
