[논문 리뷰] First Principle Approach to Modeling of Small Scale Helicopter

Agus Budiyono, Tata Sudiyanto외 1명|arXiv (Cornell University)|2008. 01. 01.

Aerospace Engineering and Control Systems참고 문헌 8인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 시스템 식별에 의존하지 않고 기본 항공역학 이론에서 유도된 안정성 도함수를 사용하여 소형 헬리코프터를 위한 선형화된 동적 모델을 개발하는 제1원리 접근법을 제시한다. 이 방법은 상태 및 제어 입력이 힘과 모멘트에 미치는 영향을 상세히 분석할 수 있게 하여 선형 제어 법칙 설계에 적합한 최소 복잡도의 모델을 도출한다.

ABSTRACT

The establishment of global helicopter linear model is very precious and useful for the design of the linear control laws, since it is never afforded in the published literatures. In the first principle approach, the mathematical model was developed using basic helicopter theory accounting for particular characteristic of the miniature helicopter. No formal system identification procedures are required for the proposed model structure. The relevant published literatures however did not present the linear models required for the design of linear control laws. The paper presents a step by step development of linear model for small scale helicopter based on first-principle approach. Beyond the previous work in literatures, the calculation of the stability derivatives is presented in detail. A computer program is used to solve the equilibrium conditions and then calculate the change in aerodynamics forces and moments due to the change in each degree of freedom and control input. The detail derivation allows the comprehensive analysis of relative dominance of vehicle states and input variables to force and moment components. Hence it facilitates the development of minimum complexity small scale helicopter dynamics model.

연구 동기 및 목표

• 시스템 식별을 사용하지 않고 제1원리 물리학을 활용하여 소형 헬리코프터를 위한 선형 동적 모델을 개발하는 것.
• 소형 치수비행기에서 선형 제어 법칙 설계에 적합한 공개된 선형 모델의 부족을 보완하는 것.
• 소형 헬리코프터 역학에 특화된 안정성 도함수의 상세한 유도를 제공하는 것.
• 상태 및 제어 입력이 항공역학적 힘과 모멘트에 미치는 기여도를 종합적으로 분석할 수 있도록 하는 것.
• 제어 시스템 설계에 효율적으로 기여할 수 있는 최소 복잡도의 동적 모델을 생성하는 것.

제안 방법

• 모델는 기본 헬리코프터 항공역학에서 유도되며, 로터 및 기구체 역학을 제1원리 물리학을 사용하여 수립한다.
• 균형 조건은 컴퓨터 프로그램을 사용하여 수치적으로 풀어 기준 비행 상태를 확립한다.
• 각 자유도 및 제어 입력의 변화에 따른 항공역학적 힘과 모멘트의 민감도는 펌정 분석을 통해 계산된다.
• 안정성 도함수는 로터 이론과 블레이드 요소 동역학 이론에서 직접 해석적으로 도출된다.
• 로터의 힘과 모멘트에 대한 이론적 모델링에 의존함으로써 시스템 식별을 회피하는 방법이다.
• 결과로 도출된 모델은 힘과 모멘트 생성에서 상태 및 제어 변수의 지배 정도를 체계적으로 분석할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소형 헬리코프터를 위한 선형 동적 모델을 시스템 식별 절차에 의존하지 않고 어떻게 개발할 수 있는가?
• RQ2 개별 상태 변수와 제어 입력이 전체 항공역학적 힘과 모멘트에 기여하는 핵심 요소는 무엇인가?
• RQ3 소형 헬리코프터의 안정성 도함수는 전용 크기의 대비에서 유도 방식과 크기에서 어떻게 다를까?
• RQ4 제어 설계를 위한 소형 헬리코프터 역학을 정확하게 표현하기 위해 필요한 최소 모델 복잡도는 무엇인가?
• RQ5 제1원리 모델링을 통해 로터기계 역학에서 힘과 모멘트 구성요소를 종합적으로 분석할 수 있는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 제1원리 접근법은 실험적 시스템 식별이 필요 없이 선형화된 헬리코프터 모델을 성공적으로 생성한다.
• 안정성 도함수의 상세한 유도로 상태 및 제어 입력이 항공역학적 힘과 모멘트에 미치는 상대적 지배 정도에 대한 통찰을 제공한다.
• 최소 복잡도를 달성하면서도 제어 법칙 개발에 필수적인 역학을 유지한다.
• 균형 조건의 수치적 계산을 통해 펌정 분석에 적합한 정확한 기준 상태 추정이 가능하다.
• 이 방법은 힘과 모멘트 구성요소의 체계적 분석을 가능하게 하여 강건한 제어 시스템 설계를 지원한다.
• 이 접근법은 소형 헬리코프터 제어 응용 분야에 대해 이론적으로 기반을 둔 선형 모델을 제공함으로써 문헌에서 중요한 격차를 메운다.