[논문 리뷰] Linear Parameter Varying Model Identification for Control of Rotorcraft-based UAV

Agus Budiyono, Herman Y. Sutarto|ArXiv.org|2008. 06. 25.

Control Systems and Identification참고 문헌 11인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 로터크래ft 기반 UAV에서 급격한 조작 동작 중에도 느린 매개변수 변화를 가정하지 않고도 강건한 제어를 가능하게 하는 RLS 기반 선형 매개변수 변화형(LPV) 시스템 식별 방법을 제안한다. 이 방법은 공기저항을 스케줄링 매개변수로 사용하며, 수치적으로 실시간 성능과 전체 비행 영역에서의 강건성을 입증한다. 시뮬레이션과 소형 헬리코프터에서의 계획된 비행 시험을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

A rotorcraft-based unmanned aerial vehicle exhibits more complex properties compared to its full-size counterparts due to its increased sensitivity to control inputs and disturbances and higher bandwidth of its dynamics. As an aerial vehicle with vertical take-off and landing capability, the helicopter specifically poses a difficult problem of transition between forward flight and unstable hover and vice versa. The LPV control technique explicitly takes into account the change in performance due to the real-time parameter variations. The technique therefore theoretically guarantees the performance and robustness over the entire operating envelope. In this study, we investigate a new approach implementing model identification for use in the LPV control framework. The identification scheme employs recursive least square technique implemented on the LPV system represented by dynamics of helicopter during a transition. The airspeed as the scheduling of parameter trajectory is not assumed to vary slowly. The exclusion of slow parameter change requirement allows for the application of the algorithm for aggressive maneuvering capability without the need of expensive computation. The technique is tested numerically and will be validated in the autonomous flight of a small scale helicopter.

연구 동기 및 목표

• 이륙에서 수직 비행으로의 동적 전환 과정에서 발생하는 고도로 비선형적이고 민감한 동역학적 특성으로 인해 로터크래프트 기반 UAV를 제어하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 급격한 비행 조작 동작에서 흔히 발생하는 빠른 매개변수 변화를 처리할 수 있는 LPV 제어 프레임워크에 호환되는 모델 식별 기법을 개발하기 위해.
• LPV 시스템에서 스케줄링 매개변수가 느리게 변화한다는 제약 조건을 제거하여 고대역폭 로터크래프트 동역학에 더 넓은 적용 가능성을 제공하기 위해.
• 소형 자율 헬리코프터 플랫폼에서 실시간 구현에 적합한 계산 효율성이 높은 식별 방법을 제공하기 위해.
• 수치적 방법으로 접근를 검증하고, 소형 로터크래프트 UAV에서의 실험적 비행 시험을 준비하기 위해.

제안 방법

• 비행 전환 과정 중 헬리코프터의 동역학을 바탕으로 LPV 시스템을 모델링하고, 공기저항을 스케줄링 매개변수로 사용한다.
• 실시간으로 LPV 모델 매개변수를 식별하기 위해 순환 최소 제곱법(RLS)을 적용하여 온라인 적응을 가능하게 한다.
• 매개변수 변화가 느리다는 가정이 필요 없어, 빠르게 변화하는 비행 영역에 적용할 수 있다.
• 식별 프레임워크는 로터크래프트 UAV의 전체 운영 영역에서 강건성과 성능을 유지하도록 설계되었다.
• 알고리즘은 소형 헬리코프터 모델을 대상으로 수치적으로 구현하고 테스트하였다.
• 자율 비행 실험에서의 검증을 준비하였으며, 실제 비행 데이터로부터 결과가 기대된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 로터크래프트 UAV에서 빠르게 변화하는 매개변수를 다루기 위해 LPV 시스템 식별 기법을 어떻게 수정할 수 있는가? 이때 느린 변화 가정을 기반으로 하지 않는다면.
• RQ2 순환 최소 제곱법(RLS)이 고대역폭 로터크래프트 동역학에서 실시간 LPV 모델 식별에 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ3 제안된 식별 방법이 전이 단계에서 로터크래프트의 비선형 행동을 얼마나 잘 포착하는가?
• RQ4 느린 매개변수 변화 제약 조건이 없는 것이 결과적으로 도출된 LPV 제어기의 강건성과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 방법이 로터크래프트 기반 UAV에서의 급격한 조작 동작을 얼마나 잘 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 RLS 기반 LPV 식별 방법은 느린 매개변수 변화 가정 없이도 전이 단계에서 로터크래프트 UAV의 동적 행동을 성공적으로 포착한다.
• 이 방법은 도전적인 이륙에서 수직 비행으로의 전환 단계를 포함하여 전체 비행 영역에서 강건한 제어 성능을 제공한다.
• 수치적 시뮬레이션을 통해 빠른 매개변수 변화 상황에서도 알고리즘이 안정성과 정확성을 유지함을 확인하였으며, 이는 급격한 비행 조작에 적합하다.
• RLS 접근법의 계산 효율성 덕분에 소형 UAV 플랫폼에서 실시간 구현이 가능하다.
• 이 기법은 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 실험적 비행 시험을 준비하고 있으며, 자율 비행 데이터로부터 예상되는 결과가 기대된다.
• 이 방법은 고속도와 강건성을 요구하는 자율 로터크래프트 UAV에 실용적 도입 가능성을 보여준다.