[논문 리뷰] A Swash Mass Unmanned Aerial Vehicle: Design, Modeling and Control

Andrea M. Tonello, Babak Salamat|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 13.

Adaptive Control of Nonlinear Systems참고 문헌 24인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 코акс리얼 로터와 네 개의 이동 가능한 관성 질량을 사용하여 자세 제어 및 수직 이착륙(VTOL) 기능을 구현하는 새로운 무인 항공기(UAV) 설계인 스와시 질량 UAV를 소개한다. 비선형 역학 모델을 유도하고 리아푸노프 기반 백스테핑 제어 법칙을 적용함으로써, 시간에 따라 변화하는 관성 효과에도 불구하고 일정한 관성 근사치를 통해 정확한 궤적 추적, 특히 급격한 조작 조작을 실현한다.

ABSTRACT

In this paper, a new unmanned aerial vehicle (UAV) structure, referred to as swash mass UAV, is presented. It consists of a double blade coaxial shaft rotor and four swash masses that allow changing the orientation and maneuvering the UAV. The dynamical system model is derived from the Newton extquotesingle s law framework. The rotational behavior of the UAV is discussed as a function of the design parameters. Given the uniqueness and the form of the obtained non-linear dynamical system model, a back-stepping control mechanism is proposed. It is obtained following the Lyapunov's control approach in each iteration step. Numerical results show that the swashed mass UAV can be maneuvered with the proposed control algorithm so that linear and aggressive trajectories can be accurately tracked.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 스와시플레이트 기구에 의존하지 않고 VTOL 및 민첩한 조작 조작을 가능하게 하는 새로운 기계적 UAV 구조를 제안하는 것.
• 뉴턴 역학 기반으로 스와시 질량 UAV에 대한 포괄적인 비선형 역학 시스템 모델을 유도하는 것.
• 설계 매개변수(예: 질량 분포, 로터 크기)가 제어 입력 반응과 시스템 안정성에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 결합된, 과제된 동역학 상태에서 궤적 추적을 위한 강건한 비선형 제어 전략을 개발하는 것.
• 선형 및 급격한 기준 궤적 추적의 정확성을 보여주는 수치 시뮬레이션을 통해 제어 접근법을 검증하는 것.

제안 방법

• UAV의 구조는 양방향 블레이드 코акс리얼 로터를 이용해 양력을 생성하고, 메인 바디에 부착된 네 개의 이동 가능한 질량을 통해 중력력에 의해 제어 모멘트를 생성한다.
• 뉴턴의 법칙을 사용하여 시간에 따라 변화하는 관성(질량 이동에 기인)을 포함하는 전체 비선형 역학 시스템 모델을 유도한다.
• 시스템은 완전히 구동 가능한 부분(로터 속도)과 결합된 과제된 부분(질량 이동)으로 분해되어 백스테핑 제어 설계를 가능하게 한다.
• 리아푸노프 기반 백스테핑 제어 법칙을 개발하였으며, 기울기 및 기울기 상태에 대한 복합 리아푸노프 함수를 구성하여 안정성이 입증되었다.
• 제어 법칙 유도를 단순화하기 위해 관성 행렬을 일정한 것으로 근사화하였다. 이로써 제어 입력을 추적 오차와 이득의 명시적 표현으로 나타낼 수 있게 되었다.
• 기울기 및 기울기 제어 입력은 상태 오차와 제어 이득의 함수로 유도되었으며, 이는 추적 오차의 점진적 수렴을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 복잡한 스와시플레이트 기구에 의존하지 않고 VTOL 및 민첩한 조작 조작을 가능하게 하는 새로운 UAV 구조를 설계할 수 있는가?
• RQ2 질량 분포와 로터 동역학은 스와시 질량 UAV의 제어 입력 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 리아푸노프 기반 백스테핑 제어기가 스와시 질량 UAV의 비선형, 과제된 동역학을 안정화시킬 수 있는가?
• RQ4 시간에 따라 변화하는 관성 행렬은 제어 설계에 어떤 영향을 미치며, 어떤 근사치가 제어 법칙 유도의 실용성을 보장하는가?
• RQ5 제안된 제어 법칙은 복잡하고 급격한 궤적 추적에 얼마나 정확하게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 백스테핑 제어 법칙은 기울기 및 기울기 역학을 성공적으로 안정화시켜 추적 오차가 0으로 점차 수렴함을 보장한다.
• 기울기 제어 입력은 ℓ_y = (I_c / (βT_1 cos(x_5))) * (e_5 + k_1 e_6 - k_1² e_5 + k_2 e_6)로 유도되었으며, 이는 리아푸노프 도함수의 준정부정적 성질을 보장한다.
• 수치 결과는 스와시 질량 UAV가 제안된 제어 법칙 하에서 선형 및 급격한 기준 궤적을 정확하게 추적할 수 있음을 확인한다.
• 로터 속도와 질량 이동의 조율된 제어를 통해 시스템은 안정적인 수직 정지 및 VTOL 능력을 실현한다.
• 관성 행렬을 일정한 것으로 근사화함으로써 실용적이면서도 효과적인 제어 설계가 가능해졌으며, 리아푸노프 분석을 통해 안정성이 입증되었다.
• 제어 이득 k_1과 k_2는 오차 항의 수렴 속도를 지배하며, 양수 값은 점진적 안정성을 보장한다.