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표제지
초록
Abstract
목차
1. 개요 15
1.1. 연구배경 15
1.2. 연구동향 18
1.3. 연구내용 및 의의 23
1.4. 논문의 구성 24
2. L₁적응제어를 이용한 쿼드로터 제어기 설계 26
2.1. 적응제어 배경이론 27
2.2. 쿼드로터 자세제어기 설계 33
2.2.1. 쿼드로터 피치제어 모델링 33
2.2.2. 작업성을 고려한 제어성능 분석 35
2.2.3. L₁적응제어기 설계 39
2.3. 시뮬레이션 및 검증 46
2.3.1. L1 적응제어기 단위시험 47
2.3.2. 쿼드로터 선형모델에 대한 L1 적응제어기 검증 55
2.3.3. 쿼드로터 6자유도 모델에 대한 L1 적응제어기 검증 58
3. 작업용 비행체 및 장비 모델링 62
3.1. 비행체 모델링 63
3.1.1. 송전탑 작업을 위한 쿼드로터 요구조건 정의 63
3.1.2. 작업용 쿼드로터 모델링 66
3.2. 자동비행 알고리듬 설계 75
3.2.1. Roll, Pitch 제어기 설계 76
3.2.2. Yaw 제어기 설계 79
3.2.3. 고도 제어기 설계 80
3.2.4. 위치 제어기 설계 82
3.3. Manipulator Robot 모델링 83
3.3.1. 배전선로 작업용 머니퓰레이터 제원분석 85
3.3.2. 85kgf 및 210kgf급 머니퓰레이터 모델링 87
3.3.3. 머니퓰레이터 위치제어기 설계 91
3.4. 작업용 비행체 시스템 오차분석 95
3.5. 통합 시뮬레이션 수행 97
3.5.1. Case 1 : x축 대칭형 외란(85kgf급 머니퓰레이터) 102
3.5.2. Case 2 : x축 비대칭형 외란(85kgf급 머니퓰레이터) 106
3.5.3. Case 3 : x축 대칭형 외란(210kgf급 머니퓰레이터) 109
3.5.4. Case 4 : x축 비대칭형 외란(210kgf급 머니퓰레이터) 112
3.5.5. Case 5 : 이륙 시 위치제어(210kgf급 머니퓰레이터) 115
3.5.6. Case 6 : 최대부하 시 제자리비행(210kgf급 머니퓰레이터) 118
4. 무인기를 이용한 송전탑 작업 시뮬레이션 122
4.1. 작업용 무인기 시스템 구성 122
4.2. 시뮬레이션 및 검증 125
4.2.1. 작업 시나리오 정의 125
4.2.2. 시뮬레이션 및 분석 128
5. 결론 138
참고문헌 140
표 1. 고전제어기법 및 적응제어기법의 장단점 26
표 2. 자중 10kgf급 쿼드로터 제원 35
표 3. 시뮬레이션 설정변수 48
표 4. 시공방법에 따른 애자교환 작업의 특징비교 64
표 5. 자기애자 제원 65
표 6. K-MAX 제원 65
표 7. R-MAX의 로터제원 67
표 8. 로터모델링 가정 67
표 9. 쿼드로터의 체급에 따른 제어방식 72
표 10. 10kg급 쿼드로터 구성품 질량 73
표 11. 작업용 쿼드로터 제원 74
표 12. 구성품들에 대한 항력분포 75
표 13. 송전선로 머니퓰레이터 제원 86
표 14. 머니퓰레이터 구성품 제원 87
표 15. 작업용 머니퓰레이터 제원 88
표 16. 머니퓰레이터 구성요소 모델링 결과 90
표 17. 오른쪽 머니퓰레이터의 D-H 모델인자 93
표 18. 통합 시뮬레이션에서 적용한 작업장비 제원 100
표 19. 항공기를 활용한 송전탑 작업 127
그림 1. 폭발물제거 로봇(Talon) 16
그림 2. 심해작업용 로봇(Panther Plus) 16
그림 3. built-in 레일을 이용한 작업로봇 17
그림 4. 송전탑 작업 17
그림 5. 동경전력 활선로봇 17
그림 6. Insulator 이송 및 교체 작업 17
그림 7. MM-UAV 형상 및 작업시연 영상 18
그림 8. Hybrid Prototype 1 19
그림 9. Hybrid Prototype 2 19
그림 10. 작업용 회전익기 구상도 19
그림 11. 연구 중인 시뮬레이션 환경 19
그림 12. 개발 중인 머니퓰레이터 20
그림 13. 시뮬레이션에서 구현한 작업환경 20
그림 14. Yale Aerial Manipulator platform 20
그림 15. Contact Spring Configuration 20
그림 16. Possible Contact Configuration 21
그림 17. 수직면 접촉에 대한 시뮬레이션 결과 21
그림 18. RRM 개념도 22
그림 19. RSM 개념도 22
그림 20. Robonaut 형상 22
그림 21. MRAC 제어기 구조 28
그림 22. L₁ 적응제어기 구조 30
그림 23. 차단주파수에 따른 주파수 응답특성 33
그림 24. 쿼드로터 동체좌표계 정의 34
그림 25. 10kg급 쿼드로터 형상 34
그림 26. 장비의 추가로 인한 모델오차 36
그림 27. 피치각 제어기 구조 37
그림 28. 적응제어기 내부의 오차 종류 39
그림 29. L₁ 적응제어기 구조 40
그림 30. L₁-norm 조건을 만족하는 차단주파수 42
그림 31. 기준모델의 동특성에 따른 차단주파수의 변화 43
그림 32. Lo의 bode plot 45
그림 33. 적응제어기 검증절차 및 시뮬레이션 설정 47
그림 34. L₁ 적응제어기 시뮬레이션 환경 47
그림 35. Case 1 시뮬레이션 결과 : 상태변수 및 제어신호 48
그림 36. Case 1 시뮬레이션 결과 : 불확실성 예측결과 50
그림 37. 시간지연에 따른 제어기성능 변화 51
그림 38. Case 2 시뮬레이션 결과 : 상태변수 및 제어신호 52
그림 39. Case 2 시뮬레이션 결과 : 불확실성 예측결과 53
그림 40. Case 3 시뮬레이션 결과 : 상태변수 및 제어신호 54
그림 41. Case 3 시뮬레이션 결과 : 불확실성 예측결과 55
그림 42. 쿼드로터 선형모델 시뮬레이션 환경 56
그림 43. 쿼드로터 선형모델 시뮬레이션 결과 : 상태변수 및 제어신호 57
그림 44. 쿼드로터 선형모델 시뮬레이션 결과 : 불확실성 예측결과 57
그림 45. 쿼드로터 및 시스템 통합 시뮬레이션 환경 58
그림 46. 외란 인가조건 59
그림 47. 외란이 인가된 상태에서의 제어기 성능 비교 60
그림 48. 외란이 인가된 상태에서의 제어기 성능 비교 61
그림 49. 로봇을 이용한 애자청소 63
그림 50. 회전익기를 이용한 애자청소 63
그림 51. 회전익기를 이용한 송전선로 이송작업 64
그림 52. 자기애자 단품 형상 65
그림 53. K-MAX 형상 65
그림 54. 로터 회전방향 및 식별번호 66
그림 55. R-MAX 형상 67
그림 56. 블레이드의 깃 요소 68
그림 57. NACA 0012의 CL-CD 선도(이미지참조) 68
그림 58. 블레이드 깃 요소의 단면도 69
그림 59. 쿼드로터 플랫폼 구성요소 73
그림 60. CATIA 환경에서 설계한 작업용 쿼드로터 형상 74
그림 61. 자동비행 알고리듬 구조 76
그림 62. 작업용 쿼드로터 적응제거기 성능 78
그림 63. 작업용 쿼드로터 불확실성 예측결과 78
그림 64. Yaw 제어기 구조 79
그림 65. Yaw 제어기 시뮬레이션 결과 80
그림 66. 고도 제어기 구조 81
그림 67. 고도 제어기 시뮬레이션 결과 81
그림 68. 위치 제어기 구조 82
그림 69. 위치 제어기 시뮬레이션 결과 83
그림 70. Hold Arm 83
그림 71. Mechanical Arm 83
그림 72. 구주전력 활선로봇 84
그림 73. 배전선로 작업용 머니퓰레이터 84
그림 74. 양팔형 머니퓰레이터의 D-H 모델 좌표계 85
그림 75. 머니퓰레이터 구성요소 86
그림 76. CATIA 모델링 결과 88
그림 77. 머니퓰레이터 형상 91
그림 78. 무인기 동체좌표계 정의 92
그림 79. 머니퓰레이터 동작범위 92
그림 80. 플랫폼 위치오차에 대한 운동과정 93
그림 81. 플랫폼 위치오차 인가 : 머니퓰레이터 오차결과 94
그림 82. 플랫폼 자세오차에 대한 운동과정 94
그림 83. 플랫폼 자세오차 인가 : 머니퓰레이터 오차결과 95
그림 84. 관성량 변화에 따른 step 입력 결과 96
그림 85. 무게중심의 위치 및 무게변화에 따른 정상상태 오차 96
그림 86. 머니퓰레이터로 인한 적응제어기의 불확실성 범위 97
그림 87. 작업용 무인기 시스템의 테스트를 위한 검증환경 98
그림 88. 작업용 무인기 시스템 검증절차 100
그림 89. 85kgf 및 210kgf급 머니퓰레이터 장착형상 비교 101
그림 90. 대칭형 외란을 위한 머니퓰레이터 구동 102
그림 91. Case 1 시뮬레이션 결과 : 위치 103
그림 92. Case 1 시뮬레이션 결과 : 자세 103
그림 93. Case 1 시뮬레이션 결과 : 조종입력 104
그림 94. Case 1 제어명령 및 추종성능 105
그림 95. 비대칭형 외란을 위한 머니퓰레이터 구동 106
그림 96. Case 2 시뮬레이션 결과 : 위치 106
그림 97. Case 2 시뮬레이션 결과 : 자세 107
그림 98. Case 2 시뮬레이션 결과 : 조종입력 107
그림 99. Case 2 제어명령 및 추종성능 108
그림 100. Case 3 시뮬레이션 결과 : 위치 110
그림 101. Case 3 시뮬레이션 결과 : 자세 110
그림 102. Case 3 시뮬레이션 결과 : 조종입력 111
그림 103. Case 3 제어명령 및 추종성능 111
그림 104. Case 4 시뮬레이션 결과 : 위치 112
그림 105. Case 4 시뮬레이션 결과 : 자세 113
그림 106. Case 4 시뮬레이션 결과 : 조종입력 113
그림 107. Case 4 제어명령 및 추종성능 114
그림 108. Case 5 시뮬레이션 결과 : 위치 115
그림 109. Case 5 시뮬레이션 결과 : 자세 116
그림 110. Case 5 시뮬레이션 결과 : 조종입력 117
그림 111. Case 5 제어명령 및 추종성능 117
그림 112. Case 6 시뮬레이션 결과 : 위치(PID 제어기) 119
그림 113. Case 6 시뮬레이션 결과 : 자세(PID 제어기) 120
그림 114. Case 6 시뮬레이션 결과 : 위치(L₁ 적응제어기) 121
그림 115. Case 6 시뮬레이션 결과 : 자세(L₁ 적응제어기) 121
그림 116. 지게차를 이용한 전주작업 122
그림 117. 무인기를 이용한 송전탑 작업 123
그림 118. 무인기 시스템의 작업운용 개념도 123
그림 119. 햅틱 인터페이스를 이용한 머니퓰레이터 구동 124
그림 120. 머니퓰레이터 제어시스템 구조 124
그림 121. 송전탑 작업 시나리오 125
그림 122. 머니퓰레이터 작업공구 설정 128
그림 123. 100m 상승비행 영상 129
그림 124. 상승비행 구간에서의 위치제어 결과 129
그림 125. 상승비행 구간에서의 자세제어 결과 130
그림 126. 상승비행 구간에서의 자세추종 결과 131
그림 127. 100m 전진비행 영상 132
그림 128. 전진비행 구간에서의 위치제어 결과 132
그림 129. 전진비행 구간에서의 자세제어 결과 133
그림 130. 전진비행 구간에서의 자세추종 결과 133
그림 131. 머니퓰레이터 구동 영상 134
그림 132. 절단작업 및 애자 회수 영상 134
그림 133. 작업 구간에서의 위치제어 결과 135
그림 134. 작업 구간에서의 자세제어 결과 135
그림 135. 작업 구간에서의 자세추종 결과 136
그림 136. 롤 방향의 불학실성 추정결과 137
그림 137. 피치 방향의 불학실성 추정결과 137
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본 논문에서는 작업성을 고려해 제어성능의 정확성과 동일성을 만족시키는 무인기의 제어시스템에 대해 제안한다. 무인기에게 요구되는 작업의 종류 및 운용환경은 다양하며 개별 용도에 따라 시스템을 구성하는 것은 굉장히 비효율적이다. 그러므로 다양한 작업환경에 대해 대응할 수 있도록 작업용 무인기 시스템을 플랫폼과 장비모듈로 나누어 독립적으로 설계하였다. 작업용 무인기 시스템에서 플랫폼은 작업에 상관없이 외란을 상쇄시키며, 명령받은 위치와 자세를 추종해야 한다. 장비는 현재 운용 중인 플랫폼에 상관없이 작업 시나리오에 따라 임무를 수행하면 된다. 이처럼 플랫폼과 장비의 제어를 독립적으로 구성할 경우 높은 작업성을 보장할 수 있다. 이를 위해 플랫폼의 제어에서는 적응제어기법을 적용하였으며, 장비의 제어에서는 역기구학을 통해 위치제어를 수행하였다.
작업 중 반력으로 인하여 비행체의 선형모델이 달라지므로 고전제어 기법을 이용해서는 정밀한 작업을 수행하는데 한계가 있다. 작업장비가 고정된 형태의 경우 수학적 계산을 통해 변화량 계산할 수 있으나, 로봇팔과 같이 가변적인 형태일 때는 모든 경우에 대해 이를 계산할 수 없다. 그러므로 본 논문에서는 플랫폼의 제어에 적응제어기법을 적용함으로써 비행체에 영향을 미칠 수 있는 임의의 오차들을 보상하고 동일한 제어성능을 보장하였다.
작업용 무인기 시스템의 성능을 검증하기 위해 고층 건축물에서 운용되는 작업을 바탕으로 각 모듈의 기능 요구조건을 정의하였다. 도출된 제원을 통해 플랫폼과 로봇팔은 독립적으로 모델링이 되었으며, 두 구성요소를 결합시키기 위하여 작업용 무인기의 통합 시뮬레이터를 개발하였다. 400kbf급 플랫폼과 210kgf급 로봇팔은 통합 시뮬레이터 환경에서 다양한 테스트 케이스들에 대해 검증되었다. 최종적으로 기능검증을 완료한 작업용 무인기 시스템은 최종적으로 송전탑에서 수행되는 작업을 시뮬레이션 함으로써 성능을 평가하였다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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