재사용발사체의 모델 불확실성을 고려한 시간지연기반 유도제어기 설계 :Development of Time-Delay Based Path-Tracking Controller

조우성

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조우성 (한국항공대학교, 한국항공대학교 일반대학원)

지도교수: 고상호

발행연도: 2021

저작권: 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수41

이 논문의 연구 히스토리 (5)

2021

시간지연기법을 적용한 재사용발사체 유도제어 시뮬레이션

조우성 , 이형진 , 이열 외 1명 한국항공우주학회지 2021.08 학술저널

재사용발사체의 모델 불확실성을 고려한 시간지연기반 유도제어기 설계

조우성 항공우주및기계공학과 2021.01 학위논문

2020

시간지연기법을 적용한 재사용발사체 자세제어 시뮬레이션

조우성 , 고상호 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2020.11 학술대회자료

비선형 유도법칙을 적용한 반동제어 시스템, 추력백터 및 추력제어를 사용한 발사체의 착률 유도제어 시뮬레이션

조우성 , 차지형 , 고상호 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2020.07 학술대회자료

2019

반동 제어 시스템을 이용한 자세제어와 엔진 추력을 사용하는 재사용발사체의 회수궤적 최적화

조우성 , 차지형 , 고상호 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2019.11 학술대회자료

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본 논문에서는 재사용발사체의 모델 불확실성을 고려한 시간지연기반 유도제어기의 설계에 관한 연구를 수행하였다. 재사용발사체의 경우 비용이 많이 드는 발사시험으로 인하여 충분한 검증을 거치지 못하여 불확실한 모델의 발생 가능성이 높다. 연구는 불확실한 모델을 적용했을 때 발생하는 실제 재사용발사체에서 발생하는 모델링 오차와 회수과정에서 발생 가능한 외란과 같은 불확실한 역학으로 인한 재사용발사체의 제어 상실을 방지함을 목적으로 한다. 이를 위해 다음의 3단계를 통하여 시간지연기반 유도제어기를 설계 및 검증하였다.
첫 번째로 재사용발사체의 수학적인 모델링을 수행하였으며 이를 통해 최적궤적을 생성하였다. 재사용발사체의 수학적 모델링은 3차원 6자유도 모델링을 수행하였으며 이 과정에서 SpaceX사의 Falcon 9의 모델을 이용하여 연구를 진행하여 Falcon 9의 재원을 참고하여 모델링하였다. 만들어진 수학적 모델링을 기반으로 Falcon 9의 회수 과정을 분석 특성을 적용하여 최적회수궤적을 생성하였으며 이 과정에서 MATLAB 기반 최적제어 소프트웨어인 GPOPS-II를 이용하였다. 또한 수학적 모델링과 이에 대한 선형화를 기반으로 재사용발사체에 대한 제어변수들의 영향력을 분석하였다.
두 번째로 시간지연기반 유도제어기를 설계하였다. 시간지연기반 유도제어기설계에는 비선형 유도법칙과 시간지연기법을 적용한 자세제어기를 사용하였다. 시간지연기법은 고장, 외란 그리고 모델링 불확실성과 같은 불확실한 역학 제어에 대한 해법으로 활용되고 있는 제어기법이다. 비선형 유도법칙을 이용하여 재사용발사체의 위치와 목표궤적의 데이터를 기반으로 발사체의 자세 명령을 형성하고 해당 자세 명령을 시간지연기반 자세제어기를 통해 제어를 수행한다.
세 번째로 시뮬레이션을 통해 시간지연기반 유도제어기의 성능을 검증하였다. 시간지연기반 유도제어기의 성능검증을 위해 이상적인 상황에서의 최적 회수궤적 유도제어 시뮬레이션을 수행하였다. 이후 그리드핀의 모델링 불확실성을 가정한 공력 과대, 과소 모델링상황과 외란 상황을 가정한 10m/s의 바람이 존재하는 시뮬레이션을 수행하였다. 결과에서 PD기반 유도제어기와 시간지연기반 유도제어기의 시뮬레이션 결과의 비교 및 분석을 통하여 성능을 검증하였다.

In this paper, a study for the design of a time-delay based path-tracking controller considering the model uncertainty of the reusable launch vehicle was conducted. In the case of reusable launch vehicles, there is a high possibility of the uncertain model due to not enough verification due to expensive launch tests. This study aims to prevent the loss of control of the reusable launch vehicle due to uncertain dynamics such as modeling errors that occur in the actual reusable launch vehicle due to uncertain models and disturbances that may occur during the recovery process. For this, a time-delay based path-tracking controller was designed and verified through the following three steps.
First, mathematical modeling of the reusable launch vehicle was performed, and an optimal trajectory was generated through this model. The mathematical model of the reusable launch vehicle was modeled as 3D and 6 DOF model. In this process, because the study was conducted using the Falcon 9 model of SpaceX. So, the mathematical model was modeled by referring to Falcon 9''s resources. Based on the created mathematical model, an optimal recovery trajectory was created by applying the analysis characteristics of the recovery process of Falcon 9. In this process, the MATLAB-based optimal control software GPOPS-II was used. Also, based on mathematical model and linearization, the influence of control variables on the reusable launch vehicle was analyzed.
Second, the time-delay based path-tracking controller was designed. In the design of the time-delay based path-tracking controller, the nonlinear guidance law and the attitude controller applying the time-delay method was used. The time-delay method is a control method that is used as a solution of uncertain dynamic control such as failure, disturbance, and modeling uncertainty. Based on the data of the position and target trajectory of the reusable launch vehicle, the attitude command of the reusable launch vehicle is formed by using the nonlinear guidance law, and the attitude of the reusable launch vehicle is controlled through a time-delay based attituded controller.
Third, the performance of the time-delay based path-tracking controller was verified through simulations. To verify the performance of the time-delay based path-tracking controller, an optimal recovery trajectory path-tracking control simulation in an ideal situation was performed. After that, a simulation of the presence of winds of 10 m/s was performed assuming disturbance situation and modeling uncertainty of the grid pin and the modeling situation of excessive aerodynamics and insufficient modeling and disturbance. Finally, the performance was verified through comparison and analysis of simulation results of PD-based path-tracking controller and time-delay based path-tracking controller.

#재사용발사체 #유도제어 #시간지연 알고리즘 #강건제어

제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.1.1 Falcon9과 Falcon Heavy 1
1.1.2 연구의 필요성 5
1.2 연구 동향 6
1.2.1 회수경로 연구 6
1.2.2 로켓 수직 착륙 기술 9
1.3 연구의 목적 및 연구방향 12
제 2 장 재사용발사체의 수학적 모델링 16
2.1 재사용발사체의 주요변수 설정 16
2.2 재사용발사체 3차원 모델링 19
2.3 재사용발사체 회수궤적 최적화 23
2.3.1 Falcon 9 회수과정 분석 23
2.3.2 회수궤적 최적화 시뮬레이션 결과 26
2.4 제어변수 영향력 분석 32
제 3 장 재사용발사체 유도제어기 설계 37
3.1 시간지연기반 자세제어기 37
3.1.1 모델 역변환 기법 38
3.1.2 시간지연 기법 39
3.1.3 자세제어시뮬레이션 42
3.2 비선형 유도 법칙 50
3.2.1 요구가속도를 위한 자세명령 생성 51
3.2.2 유도제어기 설계 56
제 4 장 재사용발사체 유도제어 시뮬레이션 58
4.1 재사용발사체 지상시험 시뮬레이션 58
4.2 Falcon 9 회수과정 시뮬레이션 64
4.2.1 이상적인 환경에서의 시뮬레이션 65
4.2.2 그리드핀 모델링 불확실성 주입 70
4.2.3 외란 주입 79
제 5 장 결론 84
참고문헌 86

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