[논문 리뷰] Robust Flight Control of a Small Unmanned Helicopter

Miaolei He, Jilin He외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 25.

Adaptive Control of Nonlinear Systems참고 문헌 11인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 비선형 제어와 모델 무관 기법을 조합하여 소형 무인 헬리코프터를 위한 강건한 비선형 자세 제어 법칙을 제안하며, 풍속 변화와 지표 효과와 같은 외란 조건 하에서 실험적으로 검증하였다. 실제 환경에서의 결과는 높은 안정성과 내구성을 입증하여, 도전적인 비행 조건에서 제어기의 효과성과 강건성을 확인하였다.

ABSTRACT

This paper addresses the design and application controller for a small-size unmanned aerial vehicle (UAV). In this work, the main objective is to study the modeling and attitude controller design for a small size helicopter. Based on a non-simplified helicopter model, a new robust attitude control law, which is combined with a nonlinear control method and a model-free method, is proposed in this paper. Both wind gust and ground effect phenomena conditions are involved in this experiment and the result on a real helicopter platform demonstrates the effectiveness of the proposed control algorithm and robustness of its resultant controller.

연구 동기 및 목표

• 실제 외란 조건에서 운용되는 소형 무인 헬리코프터를 위한 강건한 자세 제어기를 설계하기 위해.
• 비행 중 발생하는 풍속 변화와 지표 효과로 인한 과제를 해결하기 위해.
• 강건성을 향상시키기 위해 비선형 제어와 모델 무관 기법을 융합한 제어 법칙을 개발하기 위해.
• 실제 비행 조건 하에서 물리적 헬리코프터 플랫폼에서 제어기 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 제어기 설계의 기초로 단순화되지 않은 헬리코프터 모델이 사용된다.
• 정확한 시스템 모델링에 대한 의존도를 줄이기 위해 비선형 제어와 모델 무관 방법을 융합하여 하이브리드 제어 법칙이 개발된다.
• 제어기는 풍속 변화와 같은 불확실성과 외부 외란을 처리하도록 설계된다.
• 제어 전략은 실제 소형 무인 헬리코프터 플랫폼에 구현되고 시험된다.
• 풍속 변화와 지표 효과 조건이 실험적 검증에 명시적으로 포함된다.
• 동적 외란 조건 하에서 실비행 실험을 통해 안정성과 성능이 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불확실하고 동적인 비행 조건 하에서 소형 무인 헬리코프터를 위한 강건한 자세 제어기를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 하이브리드 비선형-모델 무관 제어 접근법은 풍속 변화와 지표 효과를 다룰 때 성능이 어떠한가?
• RQ3 헬리코프터의 동역학에 대한 정확한 지식 없이도 제안된 제어기는 안정성과 정확성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 외부 외란이 존재하는 실제 비행 실험에서 제어기는 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 제안된 제어기는 풍속 변화 외란 조건 하에서도 안정적인 비행을 성공적으로 유지하여 높은 강건성을 입증하였다.
• 제어기는 이륙 및 착륙 단계에서 지표 효과의 영향을 효과적으로 완화하였다.
• 실제 헬리코프터 플랫폼에서의 실험 결과는 제어기의 안정성과 반응성(반응성)을 확인하였다.
• 하이브리드 제어 접근법은 정확한 시스템 모델링에 대한 의존도를 감소시키면서도 높은 성능를 유지하였다.
• 다양한 환경 조건 하에서의 여러 비행 시험을 통해 제어기는 일관된 성능를 보였다.
• 결과적으로 비선형 제어와 모델 무관 제어 기법의 융합이 소형 UAV에 있어 효과적임을 검증하였다.