[논문 리뷰] Modeling and Control of Inverted Flight of a Variable-Pitch Quadrotor

Namrata Gupta, Mangal Kothari외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 19.

Adaptive Control of Nonlinear Systems참고 문헌 17인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 블레이드 피치 제어를 통한 빠른 추력 조절을 활용하여, 역행 비행 및 플립 동작을 포함한 공격적인 조작을 가능하게 하는 가변 피치 큐브로터를 위한 비선형 동역학 역설계 제어기를 제안한다. 제어기는 외부 궤도 추적, 내부 각속도 제어, 그리고 추력 계수 도함수를 기반으로 한 가상 입력을 사용하는 제어 할당 루프를 포함하는 삼중 루프 아키텍처를 사용하여 비유리한 추력-토크 관계를 처리하며, 시뮬레이션과 실제 비행에서 자세 안정화 및 궤도 추적 성능을 성공적으로 입증한다.

ABSTRACT

This paper carries out the mathematical modeling, simulation, and control law design for a quadrotor with variable-pitch propellers. The use of variable-pitch propeller for thrust variation instead of RPM regulation facilitates generation of negative thrust, thereby augmenting the rate of change of thrust generation amenable for aggressive maneuvering. Blade element theory along with momentum theory is used to estimate propeller thrust and torque essential for formulating equation of motion of the vehicle. The proposed flight dynamics model is used for non-linear control design using dynamic inversion technique, which is then used to stabilize, track reference trajectory, and simulate flip maneuver. The rotor torque is an irrational function of the control input which makes the control design challenging. To address this problem, the control design employs three loops. The outer loop solves the translational dynamics to generate the thrust, pitch angle, and roll angle commands required to track the prescribed trajectory. Using the command generated in the outer loop, the inner loop simplifies the rotational dynamics to provide the desired rate of angular velocities. A control allocation loop is added to address the problem of nonlinearity associated with rotor torque. This is done by introducing the derivative of thrust coefficient as a virtual control input. These virtual inputs determine the derivatives of thrust and body moments, which in turn is used to generate the required thrust and body moments. The concept is validated by showing attitude stabilization in real flight for a variable pitch quadrotor. The performance of the proposed design is shown through simulated results for attitude stabilization and trajectory following. Reverse thrust capability of variable-pitch quadrotor is also shown by performing flip maneuver in which quadrotor roll angle changes from 0 to 180 degrees.

연구 동기 및 목표

• RPM 제어 대역폭과 토크 제약로 인해 공격적인 조작 및 대규모 응용 분야에서 한계를 보이는 고정 피치 큐브로터의 문제를 해결하기 위해.
• 블레이드 요소 이론과 동량 이론을 사용하여 가변 피치 큐브로터의 종합적인 6자유도 비행 동역학 모델을 개발하기 위해.
• 피치 기반 추력 제어를 사용하여 자세 안정화, 궤도 추적, 그리고 역행 비행 중 플립 동작 수행이 가능한 비선형 제어기를 설계하기 위해.
• 가상 제어 입력을 사용하는 새로운 제어 할당 루프를 통해 블레이드 피치와 로터 힘 사이의 비유리한 관계를 극복하기 위해.
• 역행 비행 중 자세 안정화 및 궤도 추적 성능을 시뮬레이션과 실제 비행을 통해 검증하기 위해.

제안 방법

• RPM과 블레이드 피치 각도에 대한 비선형적 의존성을 반영하기 위해 블레이드 요소 이론과 동량 이론을 조합하여 로터 추력과 토크를 모델링하기 위해.
• 가변 추력과 모멘트 생성을 고려하여 가변 피치 큐브로터의 전체 6-DOF 운동 방정식을 수립하기 위해.
• 삼중 루프 제어 아키텍처를 구현하기 위해: 외부 루프는 궤도 추적(추력, 피치, 롤 명령 생성), 내부 루프는 각속도 제어, 제어 할당 루프는 포함하기 위해.
• 비선형 로터 토크 동역학을 선형화하고 제어 할당을 단순화하기 위해 추력 계수의 도함수를 가상 제어 입력으로 도입하기 위해.
• 동역학 역설계를 사용하여 목적 궤도에 해당하는 로터 입력으로의 매핑을 가능하게 하면서 안정성을 확보하는 비선형 제어기를 설계하기 위해.
• 플립 중일 때 좌표계 재정렬을 적용하여 일관된 제어 논리와 자세 추적 성능 유지하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피치 기반 추력 제어를 통해 가변 피치 큐브로터는 역행 비행과 플립과 같은 공격적인 조작을 안정적으로 수행할 수 있는가?
• RQ2 가변 피치 로터에 내재된 비유리한 추력-토크 관계를 다룰 수 있는 비선형 제어기는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 정상 상태에서 역행 비행으로의 전환 중 자세 안정화 및 궤도 추적을 위해 어떤 제어 아키텍처가 필요한가?
• RQ4 RPM 기반 제어에 비해 피치 기반 추력 조절은 제어 대역폭과 조작성 향상에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 추력 계수 도함수를 기반으로 한 가상 입력을 사용하는 제어 할당 전략은 제어 성능과 내구성 향상에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 가변 피치 큐브로터는 0°에서 180° 롤로의 플립 동작을 약 1초 만에 성공적으로 수행하였으며, 횡방향 이격(0.14 m)과 수직 이격(0.07 m)이 최소화되었다.
• 역행 비행 중 모든 로터가 상향 추력을 생성하기 위해 음의 총 피치 각도를 유지함으로써 지속적인 역행 비행의 가능성 확인.
• 역행 비행 중 제어기가 정밀한 궤도 추적 성능을 달성하였으며, 플립 전환 중 X 및 Y 위치에서의 초기 편차는 미미하였다.
• 추력 계수 도함수를 가상 입력으로 사용하는 제어 할당 루프는 비선형 로터 동역학을 효과적으로 관리하여 안정적인 제어를 가능하게 하였다.
• 시뮬레이션 결과, 제어기가 공격적인 조작과 자세 전환을 포함한 전체 비행 영역에서 높은 성능 유지를 유지함을 확인하였다.
• 실제 비행 검증을 통해 제안된 제어 전략을 통해 성공적인 자세 안정화가 이루어졌으며, 이는 제안 방법의 실용적 타당성을 확인하였다.