ABSTRACT
As more and more research is conducted in the field of Unmanned Aerial Vehicle
development, Model-Based-Design(MBD) approach is very important. Therefore, there is an
increasing need for real-time simulation programs to control the vehicle and verify the
designed controller with a Hardware-in-the-Loop Simulation (HILS) tests.
MBD is a process that enables faster, more cost-effective development of dynamics
systems, including control systems. In the Model-Based-Design, a system model is at the
center of the development process, from requirements development, through design,
implementation, and testing. The model is an executable specification that is continually
refined throughout the development process. After model development, simulation shows
whether the model works correctly.
In MBD concept, high fidelity modeling/simulation is required for control system
designer`s view, and, on the other hand, a robust controller for model uncertainty is required
for modeling/simulation engineer`s view. This thesis addresses a modeling approach for MBD
and more specifically improving mathematical modeling of small-scale rotor system which is
most complicated part of the modeling/simulation area of UAVs. Also, this thesis addresses
an adaptive control method which is robust to model uncertainty such as parameter
uncertainty and more specifically aerodynamic uncertainties.
Part I. Modeling Approach for MBD and Improvement of Rotor Modeling
Flight vehicles such as aircraft, helicopter, tilt-rotor, quad-rotor, coaxial rotor has
aerodynamic surfaces and propulsion system. Many UAV uses propeller or rotors for
propulsion. Propulsion system such as rotor dynamics has aerodynamic and mechanical
component. This thesis deals improvement of small-scale rotor modeling in depth compare to
other component.
For rotor simulation, the real-time simulation requires a model that supports instant
calculations. Therefore, reduced models which simplify full-scale helicopter rotor models and
solve them analytically are widely used in the rotor modeling of small-scale helicopters. It is
reported in much of the literature that the reduced model performs satisfactorily as a basis
for the controller design. One example of a reduced model is the minimum complexity mathematical model. A number of studies on small helicopter rotor modeling follow a form
similar to the minimum model.
However, this can be confusing as each model uses different coordinate systems and
different sign conventions. In addition, the models use a counter-clockwise rotor despite the
fact that most small helicopter rotors rotate clockwise. Furthermore, the simplified rotor
models do not account for longitudinal-lateral flapping coupling. As recent issues about the
fidelity of the rotor cross coupling come to the fore, an accurate model becomes desirable for
MBD.
This thesis suggests reasonable coordinates to eliminate confusing sign conventions in
equations, and it proposes an improved reduced-order rotor model and an alternative way of
calculating rotor thrust. The proposed model can easily change its direction of rotation and
shows better off-axis response. As an alternative to the iterative method of rotor thrust
calculation, the dynamic inflow is adopted in this study.
Part II. Adaptive Controller For Model Uncertainty
Time Delay Control(TDC) scheme has been widely used in robotics and turned out
to be a successful control scheme to many nonlinear systems since it was first proposed in
1987. Especially, TDC scheme is known as an adaptive and robust nonlinear control scheme
against to model uncertainties and displays positive performance for the trajectory tracking
problem. However, TDC control approach has several advantages compared with other
nonlinear approaches. TDC has robustness to model uncertainties and disturbances. Also, TDC
control law can be easily determined by adopting the "phase variable equation forms" if the
target system can be considered as rigid and controllable. In addition, its control methodology
is similar to a human being`s so it is easy to understand, develop, implement, and modify the
TDC law. The ease of use for the TDC can be attributed to the use of desired dynamics
with estimated control effectiveness, one-step previous states, control history, and not requiring
an accurate system model.
This thesis proposes an implementation of the Time Delay Control (TDC) scheme to
the aircraft automatic landing guidance problem. The stability and control augmentation system
and longitudinal auto-landing guidance law, using Time Delay Control, is proposed and
evaluated through a simulation with model uncertainties and wind disturbances. The proposed
Time Delay Control guidance law shows good performance and turns out to be robust to
model uncertainties and disturbances.
최근 무인비행체의 개발 방법에 있어서 모델 기반 설계(Model Based Design)
의 개념이 대두되고 있다. 항공기에 대한 모델링/시뮬레이션 환경을 구축하고, 모델링/
시뮬레이션 환경에서 제어기를 개발하며, 통합된 모델링/제어기/시뮬레이션을 실시간 코
드로 변환하여 HILS 시험을 수행하여 검증하는 방식으로, 개발기간을 대폭 단축시킬
수 있게 되었다.
최종 목표인 실제 비행시험에 있어서 모델링의 정확도가 높으면 HILS에서 검증
된 제어기를 이용하여 비행시험에서 곧바로 성공할 수 있는 확률을 높일 수 있으며, 제어
기의 성능이 모델링의 불확실성에 강건하다면 더더욱 그 성공률을 높일 수 있게 된다.
비행체 제어기 개발에 있어서 제어의 관점에서는 보다 정확한 모델링을 요구하며, 정확한
모델링을 얻기 위해서는 많은 노력이 필요하다. 또한 모델링의 관점에서는 모델 불확실성
에 강건한 제어기를 요구한다.
그러한 관점에서 본 논문은 다양한 형상의 무인비행체의 모델 기반 설계 환경개
발에 있어서 모델 기반 설계에 적합한 모델링 방법에 대한 내용을 먼저 다루고, 비행체의
모델링에 있어서 현재까지도 가장 불확실성이 높은 요소인 로터의 수학적 모델 충실도 향
상에 대해 제안하였으며, 모델 불확실성에 강건한 제어기법을 비행체에 적용하는 방법에
대해 제안하였다.
I. 모델 기반 설계를 위한 간략화 로터 모델링 향상
무인비행체는 고정익, 헬리콥터, 틸트로터, 쿼드로터, 테일시터 등의 다양한 형태
의 비행체가 대상이 될 수 있다. 비행체는 공기역학적 힘에 의하여 기동을 하며, 다수의
무인비행체는 프로펠러 또는 로터를 회전시키고 공기를 밀어내는 방식으로 추진력을 얻는
다. 프로펠러와 로터의 경우 회전하며 후류를 발생시켜 추진력을 발생시키는 면에서 유사
점이 있다.
로터의 실시간 시뮬레이션을 위해서는 복잡한 특성을 간략화하여 실시간성을 유지
하도록 모델링 할 필요가 있다. 따라서 소형 헬리콥터 모델링에는 기존의 유인 헬리콥터
의 복잡한 식을 보다 간략화하여 해석적으로 푸는 간략화 모델을 많이 사용하며, 대표적
인 모델로는 minimum complexity math model을 들 수 있다. 소형 헬리콥터 모델링 관
련 많은 논문과 문헌들은 minimum model과 매우 유사한 형태를 띤다. 그리고 간략화 모
델은 많은 문헌에서 제어기 설계의 기반으로 활용하여 만족할 만한 성과를 보이고 있다. 그러나 대부분 각각의 모델마다 사용된 좌표계와 부호가 일정하지 않아 많은 혼동을 야기
하고, 대부분의 소형헬리콥터의 로터 회전방향이 시계방향임에 비해 시계반대방향인 로터
모델을 사용하고 있고, 간략화된 모델로서 로터 종방향-횡방향 플래핑에 대한 연성
(cross coupling)은 고려하지 않는다.
최근 로터의 cross coupling에 대한 충실도에 대한 문제가 대두되고 있으며, 보다
정교한 제어를 위해서는 보다 정확한 모델이 필요하다. 본 논문에서는 우선 좌표계와 부
호를 명확히 정의하여 기호의 사용에 있어서 혼동을 최소화 할 수 있도록 하였으며, 기존
의 간략화 로터 모델의 향상방안으로 로터 회전방향 변경이 자유롭고, 로터의 off axis
반응을 개선한 간략화 로터 모델을 제시 한다. 또한 기존 로터 추력계산에 사용되는 반복
계산 방법을 대체하는 dynamic inflow를 제안한다.
II. 모델 불확실성에 강건한 적응형 제어기법 연구
TDC(Time Delay Control) 기법은 비선형 제어기법으로서 Youcef-Toumi, Ito
로부터 처음 제안되었으며 이후 기계 및 로봇 분야에서 다양하게 활용되어 플랜트의 복잡
한 비선형성에도 불구하고 성공적인 결과를 도출하였다. TDC 기법은 대상체에 대한 정확
한 모델링이 필요하지 않고 모델의 불확실성에 대해서도 대체로 강건한 특성을 보이며,
특히 tracking 성능이 좋은 비선형 제어 기법으로 MRAC(Model Reference Adaptive
Control)의 일종이다.
TDC 기법은 모델 역변환 제어 기법과 유사하지만 이전스텝의 정보를 사용하는
Time Delay Estimation을 적용하여 모델 불확실성에 강건한 특성을 가진다. TDC의 제
어 방식은 이전스텝의 제어입력값과 이전스텝의 상태출력값을 이용하여 필요한 제어입력
을 생성하는 방식으로 사람이 제어하는 원리와 유사하다고 볼 수 있다. 그 외의 TDC의
장점으로는 제어 대상이 phase variable (cannonical) form으로 나타날 때 제어기 구성
이 매우 간단해 질 수 있으며, 그에 따라 구현이 용이하고 비선형 제어기법 임에 비해 계
산량이 작다는 장점이 있다. 항공기의 경우 피치와 롤 운동만을 각각 고려하면 phase
variable form으로 구성할 수 있으며 쉽게 피치, 롤 SCAS(Stability and Control
Augmentation System)를 구성할 수 있게 된다.
본 논문은 TDC 기법을 항공기의 안정성 향상 제어(SCAS)에 사용할 수 있는 방
법을 제안하며, 고정익 및 회전익항공기에 대한 SCAS의 적용을 시뮬레이션을 통해 확인
하였다. 또한 고정익 항공기에 적용한 SCAS에 대한 비행시험을 수행하여 실제 활용이 가
능함을 검증하였다. TDC SCAS의 확장으로 고정익 항공기 자동착륙에 대한 시뮬레이션
시험/평가를 수행하였다. SCAS 및 자동착륙의 시뮬레이션 평가에 있어서 에일러론, 엘리
베이터의 고장 및 강한 대기 외란조건을 주입하여 이에 대한 강건성을 확인하였다.
