[논문 리뷰] Modeling and Optimal Control of Hybrid UAVs with Wind Disturbance

Sunsoo Kim, Niladri Das외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 19.

Adaptive Control of Nonlinear Systems참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고정익과 회전익의 장점을 융합한 하이브리드 VTOL UAV를 제안하며, 강체 역학, 날개 항공역학(비선형 VLM를 통한), 모터-프로펠러 추력(실험적 룩업 테이블을 통한)을 통합한 비선형 6-DOF 모델을 구축한다. $θ_{2}$ 최적 제어기를 설계하여 풍속 간섭에 대한 저항 성능이 PID 및 LQR를 뛰어넘으며, 수직 이륙/착륙 및 수평 비행 상황에서 모두 낮은 RMS 오차와 더 빠른 응답을 달성한다.

ABSTRACT

This paper addresses modeling and control of a six-degree-of-freedom unmanned aerial vehicle capable of vertical take-off and landing in the presence of wind disturbances. We design a hybrid vehicle that combines the benefits of both the fixed-wing and the rotary-wing UAVs. A non-linear model for the hybrid vehicle is rapidly built, combining rigid body dynamics, aerodynamics of wing, and dynamics of the motor and propeller. Further, we design an H2 optimal controller to make the UAV robust to wind disturbances. We compare its results against that of PID and LQR-based control. Our proposed controller results in better performance in terms of root mean squared errors and time responses during two scenarios: hover and level-flight.

연구 동기 및 목표

• 회전익의 수직 이륙/착륙 능력과 고정익의 효율성을 융합하여 VTOL 및 장거리 비행이 가능한 하이브리드 UAV 설계 개발.
• 강체 역학, 날개 항공역학(비선형 VLM를 통한), 추진력 역학(실험적 추력/토크 룩업 테이블을 통한)을 통합한 고정밀도 비선형 6-DOF 동역학 모델 구축.
• 실제 UAV 운영에서의 주요 과제인 풍속 간섭에 효과적으로 대응할 수 있는 강력한 제어 시스템 설계.
• 수직 이륙/착륙 및 수평 비행 영역에서 풍속 간섭 상황에서 $θ_{2}$ 최적 제어기의 성능을 PID 및 LQR 제어기와 비교.
• $θ_{2}$ 제어기가 더 낮은 RMS 오차와 향상된 일시적 응답을 보이며, 간섭 감쇠 및 안정성 측면에서 열등한 성능을 보이는 PID 및 LQR 대비 뛰어난 성능을 보임을 입증.

제안 방법

• 수직 이륙/착륙을 위한 4개의 로터와 수평 비행을 위한 고정익을 갖춘 플라잉 윙 구조로 하이브리드 UAV를 모델링하고, CAD 및 물리적 파라미터를 통한 검증.
• 날개 항공역학력과 모멘트를 계산하기 위해 비선형 비틀림 격자법(VLM)을 적용하여 다양한 비행 영역에서 양력 및 항력의 정확한 모델링 가능.
• 모터-프로펠러 조합의 실험적 측정을 통해 RPM 및 공기역학적 입사각의 함수로 된 추력 및 토크 룩업 테이블 제작.
• 뉴턴-오일러 역학을 기반으로 한 비선형 6-DOF 운동 방정식을 구성하여 질량, 관성 모멘트, 항공역학력 포함.
• 수직 이륙/착륙 및 수평 비행 정상 상태 조건 주변에서 비선형 모델을 선형화하여 선형 제어기(LQR, PID, $θ_{2}$) 설계 가능.
• CVX와 MATLAB를 사용한 선형 행렬 부등식(LMI) 최적화를 통해 $θ_{2}$ 최적 제어기 실현. 간섭 에너지 및 상태/제어 페널티를 포함한 비용 함수 최소화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하이브리드 VTOL UAV를 모델링할 수 있을까? 이는 수직 이륙/착륙 및 수평 비행 동역학을 충분히 정확하게 반영할 수 있어야 한다.
• RQ2 $θ_{2}$ 최적 제어기가 수직 이륙/착륙 및 수평 비행 상황에서 풍속 간섭에 대해 PID 및 LQR를 얼마나 뛰어나게 저항할 수 있는가?
• RQ3 PID 및 LQR 대비 $θ_{2}$ 제어기를 사용할 경우 RMS 오차 및 일시적 응답에서 얻는 정량적 향상은 무엇인가?
• RQ4 $θ_{2}$ 제어기 설계에 풍속 간섭을 명시적으로 통합함으로써, 표준 LQR 및 PID 접근 방식에 비해 얼마나 더 뛰어난 강건성 향상이 이루어지는가?
• RQ5 드라이든 풍속 난류 모델을 사용한 시뮬레이션에서 $θ_{2}$ 제어기가 실제 대기 난류 조건에서도 안정성과 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• $θ_{2}$ 최적 제어기는 수평 비행 동안 각속도 추적에서 가장 낮은 RMS 오차를 기록하여 0.0457 rad/sec를 기록하였으며, LQR(0.0573) 및 PID(0.0859)를 모두 뛰어넘었다.
• 수직 이륙/착륙 상황에서 $θ_{2}$ 제어기는 야워 각도의 RMS 오차를 0.4370°로 줄였으며, LQR(3.0217°) 및 PID(5.7745°)에 비해 뚜렷하게 낮은 오차를 기록하여 회전 제어에서 뛰어난 간섭 저항 성능을 입증하였다.
• $θ_{2}$ 제어기는 수직 이륙/착륙 및 수평 비행 모두에서 PID 및 LQR 대비 더 빠른 응답 시간과 낮은 오버슈트를 보였다.
• 제어기 설계에서 풍속 간섭을 명시적으로 고려함으로써, 간섭 최적화가 이루어지지 않은 PID 및 LQR에 비해 본질적으로 더 뛰어난 강건성을 확보하였다.
• 드라이든 풍속 난류 모델을 사용한 시뮬레이션 결과, $θ_{2}$ 제어기가 실제 대기 난류 조건에서도 시스템의 안정성과 성능을 유지함을 확인하였다.
• VLM, 실험적 룩업 테이블, SimScape 기반 시뮬레이션을 융합한 제안된 모델링 프레임워크는 하이브리드 UAV의 빠르고 정확한 동역학 모델링을 가능하게 한다.