[논문 리뷰] Robust Attitude Tracking Control of Aerobatic Helicopters: A Geometric Backstepping Approach.

Nidhish Raj, Ravi N. Banavar외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 17.

Adaptive Control of Nonlinear Systems인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 기하적 백스티핑을 사용하여 소형 애로배틱 헬리코프터의 글로벌 정의된 강건한 자세 추적 제어기를 제안한다. 전면기어-프레임 동역학을 포함한 불확실성 모델링을 통합하였으며, 제어기는 체계적 기어 파rameter 불확실성과 비체계적 외부 토크를 효과적으로 처리하여 복합 외란 하에서 시뮬레이션에서 안정적인 성능을 보였다.

ABSTRACT

Robust attitude tracking control of a small-scale aerobatic helicopter using geometric and backstepping techniques is presented in this article. A nonlinear coupled rotor-fuselage dynamics model of the helicopter is considered, wherein the rotor flap dynamics is modeled as a first order system, while the fuselage is as a rigid body dynamically coupled to the rotor system. The robustness of the controller in the presence of both structured and unstructured disturbances is explored. The structured disturbance is due to uncertainty in the rotor parameters, and the unstructured perturbation is modeled as an exogenous torque acting on the fuselage. The performance of the controller is demonstrated in the presence of both types of disturbances through simulations for a small-scale unmanned helicopter. This work is, possibly, the first systematic attempt at designing a globally defined robust attitude tracking controller for an aerobatic helicopter which retains the rotor dynamics and incorporates the uncertainties involved.

연구 동기 및 목표

• 전면기어-프레임 결합을 고려한 소형 애로배틱 헬리코프터에 대해 글로벌 정의된 강건한 자세 제어기가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 기어 파rameter 불확실성에서 기인하는 체계적 외란을 모델링하고 보상하기 위해.
• 기체에 작용하는 비체계적 외부 토크로 표현되는 비체계적 외란을 고려하기 위해.
• 기어 동역학을 단순화 없이 유지하는 체계적인 제어 프레임워크를 개발하기 위해.
• 체계적 및 비체계적 외란이 동시에 존재하는 상황에서도 강건한 자세 추적 성능을 확보하기 위해.

제안 방법

• 기어 플랩 동역학을 일阶 시스템으로 모델링한 비선형이고 결합된 기어-기체 동역학 모델을 수립하였다.
• 기체는 기어 시스템과 동적으로 결합된 강체로 모델링되었다.
• 기하적 백스티핑을 활용하여 전역 안정성을 보장하는 강건한 제어기를 설계하였다.
• 기어 파rameter 불확실성으로 인한 체계적 외란을 명시적으로 모델링하고 보상하였다.
• 비체계적 교란은 기체에 작용하는 외부 토크로 간주하였다.
• 두 유형의 외란이 존재하는 상황에서도 자세 추적 성능을 유지하도록 제어기를 설계하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전면기어 동역학을 유지한 채로 애로배틱 헬리코프터에 대해 체계적으로 글로벌 정의된 강건한 자세 추적 제어기를 설계할 수 있는가?
• RQ2 기어 파rameter 불확실성으로 인한 체계적 외란 하에서 제어기는 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 기체에 작용하는 비체계적 외부 토크를 어느 정도 거부할 수 있는가?
• RQ4 기하적 백스티핑을 기어 동역학 모델링과 통합하면 단순화된 모델 대비 강건성이 향상되는가?
• RQ5 시뮬레이션에서 체계적 및 비체계적 외란이 병합된 상황에서 제어기의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 제어기는 애로배틱 헬리코프터 시스템에 대해 글로벌 정의된 강건한 자세 추적 성능을 달성하였다.
• 제어기는 기어 파rameter 불확실성에서 기인하는 체계적 외란을 효과적으로 보상하였다.
• 기체에 작용하는 비체계적 외부 토크는 성공적으로 거부되어 추적 정확도가 유지되었다.
• 시뮬레이션 결과는 체계적 및 비체계적 외란이 병합된 상황에서도 안정적이고 정확한 자세 추적 성능을 확인하였다.
• 본 연구는 애로배틱 헬리코프터의 전면기어-기체 동역학에 대해 기하적 백스티핑을 처음으로 체계적으로 적용한 사례이다.
• 제어기는 단순화된 가정 없이 기어 시스템의 고유한 동역학을 유지하여 물리적 정확도를 향상시켰다.