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목차

논문요약 10

1. 서론 11

2. 기술 현황 및 시스템 구성 14

2.1기술 현황 14

2.1.1. EuropeanAeronauticDefenseandSpaceCompany 14

2.1.2. Stanford University 15

2.1.3. Swiss Federal Institute of Technology 16

2.1.4. Cornell University 17

2.2시스템 구성 18

3. 쿼드로터 비행원리 및 모델링 20

3.1. 비행 원리 20

3.1.1. 호버링 20

3.1.2. 추력 (U₁［N］) 21

3.1.3. Roll (U₂［Nm］) 21

3.1.4. Pitch (U₃［Nm］) 22

3.1.5/3. Yaw (U₃［Nm］) 23

3.2. 수학적 모델링 24

3.3. 매개변수 규명 30

3.3.1. 모터 추력 측정 30

3.3.2. 관성모멘트 추정 33

3.3.3. 추출된 기본 제원 35

4. 자동 조종 알고리즘 36

4.1. 모델 선형화 및 단순화 36

4.2. PID 제어기 설계 37

5. 구동기 40

5.1. DC-Motor의 전기적 방정식 40

5.2. DC-Motor의 기계적 방정식 41

6. 자세센서 45

6.1. 가속도계 45

6.2. 각속도계 50

6.3. IMU (InertialMeasurementUnit) 55

6.4. AHRS (AttitudeHeading ReferenceSystem) 57

7. 통합 시뮬레이션 62

8/7. 결론 65

Reference 66

ABSTRACT 69

표목차

표 1. 소형화 관점에서 비행원리별 비교(1=BAD, 3=GOOD) 13

표 2. quadrotor 비행로봇의 기본 제원 35

그림목차

그림 1. World Civil UAV Market Forecast 11

그림 2. 무인항공기 시장 성장률 예측 12

그림 3. Draganflyer (좌) 와 mesicopter (우) 14

그림 4. Quattrocopter 15

그림 5. Quadrotor designed in Stanford University 16

그림 6. Quadrotor designed in SFIT 16

그림 7. Quadrotor designed inCornell University 17

그림 8. 한국생산기술연구원에서 개발한 쿼드로터 무인비행로봇 18

그림 9. 쿼드로터 시스템 구성 18

그림 10. 호버링시의 쿼드로터 개념도 20

그림 11. 추력 명령에 따른 고도 상승 21

그림 12. Roll 운동 22

그림 13. Pitch 운동 23

그림 14. Yaw 운동 23

그림 15. Daraganflyer의 도식화 26

그림 16. 모터 추력 testbed part1 31

그림 17. testbed part2 31

그림 18. 추력 테스트 testbed 32

그림 19. 측정된 4개의 모터에 대한 추력 테스트 결과 32

그림 20. 일반적인 PID 제어기의 구조 37

그림 21. PID Controller 구성 38

그림 22. Matlab SISO tool을 이용한 적절한 Gain의 선정 39

그림 23. DC motor 의 구성 및 회로 40

그림 24. DC motor 의 회로 40

그림 25. DC motor 의 block diagram 43

그림 26. 모터 전달함수 추출 실험 결과 44

그림 27. 일반적인 MEMS 자이로 및 가속도계의 성능 경향도 45

그림 28. 가속도계 환산계수 오차 47

그림 29. 가속도계 random noise 구현 49

그림 30. 가속도계 모델 50

그림 31. 각속도계 환산계수 오차 51

그림 32. 각속도계의 random noise 54

그림 33. 각속도계 모델 54

그림 34. IMU 구성 블록 선도 55

그림 35. 가속도계 open loop 시뮬레이션 결과 56

그림 36. 각속도계 open loop 시뮬레이션 결과 56

그림 37. AHRS 알고리즘 블록 선도 57

그림 38. Closed-loop SARS 블록 선도 58

그림 39. Closed-loop SARS 블록 선도 (Pitch axis) 60

그림 40. Sensor (AHRS) Model 60

그림 41. 센서 모델의 시뮬레이션 결과 61

그림 42. 통합 시뮬레이터 구성 62

그림 43. 구성된 matlab/simulink 기반의 통합 시뮬레이터 63

그림 44. Phi 명령과 센서의 적용 유무에 따른 결과 63

그림 45. Theta 명령과 센서의 적용 유무에 따른 결과 64

그림 46. Psi 명령과 센서의 적용 유무에 따른 결과 64

초록보기

본 논문은 최근 연구가 활발히 진행되고 있는 수직이착륙이 가능한 쿼드로터형 무인비행로봇의 통합자세제어기를 구성하고, 각 구성품에 대한 상세 모델링 및 시뮬레이션을 수행하여 통합적인 성능 평가를 가능하게 하는데 목적이 있다.

전체 시스템 구성을 살펴보면, 먼저 수직이착륙이 가능한 쿼드로터 비행체의 동역학적 모델링 및 제어기 설계를 위한 선형화를 수행하고 조종 및 안정미계수 측정을 위한 매개변수 측정실험을 수행하였다. 측정된 매개변수 및 선형화된 모델을 이용하여 PID 제어기법을 도입하여 안정화 자세제어 루프를 설계하였다.

쿼드로터 비행체를 구동시키는 구동기(DC-Motor)에 관한 전기적 특성 및 기계적 특성을 고려한 특성방정식을 설계하고, 그에대한 시뮬레이션을 통하여 구동기가 전체 시스템에 미치는 영향을 고려하도록 한다.

또한, 자세측정에 사용된 소형 MEMS 센서의 구성 및 각 구성품(가속도계, 각속도계)등의 상세 모델링 및 IMU, AHRS 알고리즘 등을 적용하여 센서 모델링 및 시물레이션을 수행하였다.

최종적으로 각 구성품(비행체 모델, 자세제어기, 구동기, 센서)를 통합하여 시뮬레이션을 통하여 그 성능을 검증하였다.

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