[논문 리뷰] Modeling for Control of Symmetric Aerial Vehicles Subjected to Aerodynamic Forces

Daniele Pucci, Tarek Hamel외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 07.

Control and Dynamics of Mobile Robots참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비행 중 양력과 저항력이 작용하는 대칭형 항공기 차량에 대해 비선형 제어 프레임워크를 통합적으로 제안하며, 방향에 관계없이 저항력만 존재하는 등가 구형 차량 모델로 변환 가능한 항공역학적 모델의 클래스를 규명한다. 주요 기여는 기존의 안정된 제어 법칙 적용이 가능한 항공역학적 특성 조건을 규명한 것으로, 이는 이전의 2차원 결과를 3차원으로 확장하고 적용 가능한 모델 가족을 넓혀, 넓은 영역의 안정성과 함께 점근적 안정성을 보장한다.

ABSTRACT

This paper participates in the development of a unified approach to the control of aerial vehicles with extended flight envelopes. More precisely, modeling for control purposes of a class of thrust-propelled aerial vehicles subjected to lift and drag aerodynamic forces is addressed assuming a rotational symmetry of the vehicle's shape about the thrust force axis. A condition upon aerodynamic characteristics that allows one to recast the control problem into the simpler case of a spherical vehicle is pointed out. Beside showing how to adapt nonlinear controllers developed for this latter case, the paper extends a previous work by the authors in two directions. First, the 3D case is addressed whereas only motions in a single vertical plane was considered. Secondly, the family of models of aerodynamic forces for which the aforementioned transformation holds is enlarged.

연구 동기 및 목표

• VTOL 및 고정익 비행 모드를 포함한 다양한 비행 영역에서 운용되는 항공기 차량을 위한 통합 제어 접근법을 개발하는 것.
• 이전의 2차원 제어 방법의 한계를 극복하기 위해 분석을 전체 3차원 운동 동역학으로 확장하는 것.
• 복잡한 제어 문제를 방향에 관계없이 저항력만 존재하는 단순한 구체 모양의 신체로 축소시킬 수 있는 대칭 차량을 위한 항공역학적 힘 모델의 클래스를 규명하는 것.
• 원래 구체 모양의 신체를 대상으로 설계된 기존 비선형 제어 기법을 실제 대칭형 항공기 차량에 적용할 수 있도록 하는 것.
• 항공역학적 힘이 크게 변하는 수직 이륙 및 고속 항공 비행 간 전환 동안의 변환 가능한 항공기 차량에 대한 강건한 제어 기반을 마련하는 것.

제안 방법

• 체축 기준 축방향의 추진력, 중력 및 항공역학적 힘(양력과 저항력)을 고려한 대칭형 항공기 차량의 전체 3차원 운동 방정식을 유도한다.
• 시스템을 방향에 관계없이 저항력만 존재하는 등가의 구형 차량 동역학으로 재구성할 수 있도록 하는 항공역학적 힘 모델에 대한 변환 조건을 도입한다.
• 이 조건을 만족하는 양력 및 저항력 모델의 가족을 규명하며, 타원형 및 미사일형 신체의 실험 데이터를 활용해 모델 파rameter를 검증하고 조정한다.
• 이전의 구형 신체에 대한 속도 제어 법칙을 변형하여, 미모델링된 일정한 외란을 보상하고 강건성을 향상시키기 위해 적분 항을 통합한다.
• 각운동량 속도를 기울어진 행렬 표현을 사용하고, 속도 오차 및 적분 보정을 기반으로 한 비선형 피드백 제어 법칙을 적용하여 점근적 안정성을 확보한다.
• 이론적 안정성 결과를 수립하여, 평형점(영속도 및 영피치 각도)이 ℝ³ × (−π, π) 전체 영역에 대해 점근적으로 안정됨을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대칭형 항공기 차량의 제어 문제를 방향에 관계없이 저항력만 존재하는 구형 차량 모델로 축소시킬 수 있는 항공역학적 힘 모델의 조건은 무엇인가?
• RQ2 기존에 구형 신체를 대상으로 설계된 비선형 제어 법칙을 실제 대칭형 항공기 차량에 대해 상당한 양력과 저항력을 갖는 경우에 어떻게 적응시킬 수 있는가?
• RQ3 결과적으로 도출된 제어 시스템의 안정성 영역은 3차원 공간에서 얼마나 넓은가? 이는 이전의 2차원 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 적분 항을 제어 법칙에 어떻게 통합하여 일정한 미모델링된 외란에 대한 강건성을 확보할 수 있는가?
• RQ5 이 변환의 의미는 수직 이륙과 고속 비행 간 전환 중 변환 가능한 항공기 차량의 제어에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 논문은 대칭형 차량을 위한 특정한 항공역학적 힘 모델의 가족을 규명하여, 제어 문제를 방향에 관계없이 저항력만 존재하는 단순한 구체 모양의 신체로 변환시킬 수 있음을 보여준다.
• 변환된 시스템은 기존의 비선형 제어 기법을 직접 적용할 수 있게 하여 평형점(영속도 및 영피치 각도)의 점근적 안정성을 보장한다.
• 제어 시스템의 안정성 영역이 ℝ³ × (−π, π)임을 증명하여 실질적으로 강력한 전역 안정성 특성을 지닌다.
• 제어 법칙에 적분 보정 항을 통합함으로써 거의 일정한 미모델링된 추가 외란에 대한 강건성을 확보하여 실용적 적용 가능성을 향상시킨다.
• 이 방법은 이전의 2차원 제어 결과를 3차원으로 성공적으로 확장하여 전체 3차원 비행 동역학에 대한 적용 범위를 넓혔다.
• 실제의 신체(타원형 및 미사일형)에서 확보한 실험 데이터를 활용하여 방법의 실현 가능성을 검증하였으며, 실제 차량 모델링 및 제어에 대한 타당성을 입증하였다.