전기 동력 무인항공기의 추력 시스템 모델링 및 제어 :Modeling and control of thrust system for electric powered UAV

변희재

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자료유형: 학위논문

저자정보: 변희재 (한국항공대학교, 韓國航空大學校)

지도교수: 朴祥赫

발행연도: 2016

저작권: 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수27

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

전기 동력 무인항공기의 추력 시스템 모델링 및 제어

변희재 航空宇宙 및 機械工學科 2016.01 학위논문

2015

전기 동력 무인항공기의 추력시스템 모델링 및 제어

변희재 , 박상혁 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2015.11 학술대회자료

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이 연구는 무인항공기의 여러 구동기 중, 전기 동력 시스템에 관한 연구를 진행하였다. 기존의 추력 시스템 모델링의 경우 프로펠러의 성능을 분석하거나 혹은 실험 데이터를 분석하여 단순한 추정 모델을 사용하는 정도에 그쳐왔다. 하지만 원하는 성능의 제어기를 설계하기 위해서는 정확한 모델링을 수반하는데, 기존의 단순화된 모델이 아닌 정형화된 방법을 제시하고, 무인항공기의 성능 향상을 목적으로 연구에 착수하였다.
본 연구에서는 무인항공기의 모델링 방법을 제시하였다. 모델링 과정, 정지추력 실험, 실험 분석, 선형화, 제어기 설계, 비행실험 순으로 진행하였으며, 연구과정에 대한 내용을 모두 기록하고자 노력하였다. 추력 모델이 실제 무인항공기의 추력 시스템과 부합하는지 확인하기 위하여 비행실험까지 이어져 왔다. 두 가지 제어기법에 대하여 비행실험을 진행하였고, 비행실험결과 우수한 명령 추종 성능을 확인함으로써 연구의 타당성을 입증할 수 있었다. 또한, 비선형 시뮬레이션과의 비교를 통해서 실제 무인항공기의 추력 시스템과의 모델링 사이의 적합성을 확인할 수 있었다.

요 약 ⅰ
목 차 ⅱ
그 림 목 록 v
표 목 록 xv
기 호 목 록 xvii
제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 개요 4
제 2 장 본 론 5
2.1 기체 정보 5
2.1.1 기체 형상 및 사양 6
2.1.2 비행제어 시스템 구성 7
2.2 추력 모델링 9
2.2.1 프로펠러 해석 10
2.2.2 프로펠러 관성모멘트 16
2.2.3 모터 모델링 18
2.2.4 모터의 특성 상수 근사화 21
2.2.5 추력 모델 시뮬레이션 23
2.3 추력 실험 25
2.3.1 실험장치 구성 25
2.3.2 실험 결과 28
2.4 비행 동역학 33
2.4.1 좌표계 34
2.4.2 운동방정식 유도 37
2.4.3 좌표변환 41
2.4.4 바람모델 47
2.4.5 트림 48
2.4.6 비선형 시뮬레이션 50
2.5 선형화 51
2.5.1 추력 모델 선형화 51
2.5.2 종 방향 운동 선형화 54
가. 진행방향 54
나. 수직방향 56
다. 피칭모멘트 성분 58
2.5.3 횡 방향 운동 선형화 23
가. y축 방향 61
나. 요링 모멘트 성분 62
다. 롤링 모멘트 성분 64
2.6 제어기 설계 68
2.6.1 종 방향 제어기 설계(Mode A) 68
가. 종축 안정성 증대 장치 70
나. 피치각 제어 73
다. 추력 제어기의 피드포워드 보상기 76
라. 고도 제어 77
마. 속도 제어 80
2.6.2 종 방향 제어기 설계(Mode B) 84
가. 속도 제어 85
나. 고도 제어 88
2.6.3 횡 방향 제어기 설계 92
가. 요축 안정성 증대 장치 93
나. 롤각 제어 96
다. 비행 경로각 제어 99
2.7 비행 실험 103
2.7.1 종 방향 제어기 실험(Mode A) 104
2.7.2 종 방향 제어기 실험(Mode B) 106
2.7.3 횡 방향 제어기 실험 109
제 3 장 결론 110
부록 111
벡터미분 111
추력모델 시상수 113
롤각 추정 115
비선형 시뮬레이션 모델 117
참 고 문 헌 119
SUMMARY 125
감 사 의 글 126

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