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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김창주
- 발행연도
- 2022
- 저작권
- 건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수29
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무인 항공기의 자율비행의 핵심은 자율성에 있다. 무인항공기 자율성 수준은 시스템에 대한 외부 개입 및 제어로부터의 독립성 수준에 따라 결정되며, 대표적으로 유도, 항법 그리고, 제어의 3가지 핵심기능에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 현재 가장 많이 언급되는 무인 회전익기의 자율성 수준에 대한 척도인 ALFURS(Autonomy Levels For Unmanned Systems)에 따라, 본 연구는 단일 무인항공기에 대한 가장 높은 수준인 4단계 자율화 수준을 만족시키는 자율비행제어기를 구성한다. 단일 무인 회전익기의 자율 비행제어가 무인항공기 자율화 수준 4단계 요구조건을 만족시키기 위해서는 먼저, 정확하고 강건한 3차원의 경로추종능력이 요구되며, 그에 앞서 3단계에서는 항공기 고장이나 임무, 비행조건의 변화에 대처하기 위한 강건제어, 재형상 혹은 적응제어기가 요구된다. 이에, 본 논문은 모델 불확실성에 강건한 무인 회전익기의 적응형 경로추종제어기 설계에 초점을 맞추어 기술한다.
제어기 설계에 앞서, 사전에 경로점들이 경로계획 단계에 의해 주어졌다는 가정 아래 주어진 경로점들을 토대로 스플라인 보간법을 사용하여 각 경로점 사이의 구간을 시간에 대한 고차다항식으로 표현하고, 3차원의 궤적을 생성하는 기법을 소개한다. 생성된 궤적을 추종하는 제어기의 경우, 비선형 제어기를 통해 무인 회전익기의 전 운용비행영역에서 만족스러운 제어기의 성능을 보장하도록 연구를 진행하였다. 연구에 사용되는 고충실도 Bo-105 회전익기의 경우, 각 블레이드 요소의 유효받음각을 계산하는데 사용되는 유도속도가 조종입력과 로터의 반응에 대하여 비선형적이고 커플링 되어 있기 때문에, 정확한 선형궤환화가 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 보다 유연하고 강건한 제어기 설계 방식인 Incremental backstepping 제어기를 제시한다. Incremental Dynamics 가정에 필요한 각가속도 값의 경우, 다양한 추정알고리즘들을 비교 및 분석하여 가장 정확도가 높은 방식을 채택한다. 제어 이득 값의 경우, 추종오차에 대한 오차동역학을 통해 전 비행구간에서 일정한 추종 성능을 지니게끔 하도록 선택하는 기법을 제시한다.
Incremental dynamics와 더불어 추가적인 강건성을 얻기 위해 Direction forgetting least square 기반의 추정기를 도입, 남아있는 모델 불확실성을 비행 데이터를 통해 추정하고 이를 제어기에서 보상하는 접근방식을 제안한다.
설계된 제어기의 성능을 검증하기 위해 Bo-105 회전익기의 시뮬레이션으로 본 연구에서 구축한 강건 적응 경로 추종 제어기가 주어진 경로를 원활히 추종하는 것을 검증한다. 본 연구를 통해 제시된 제어기의 구조가 무인 회전익기 자율비행제어의 4단계 제어기술에 적합하다고 할 수 있으며, 자율비행기술 연구의 발전에 큰 도움이 될 것이라 믿는다.
제어기 설계에 앞서, 사전에 경로점들이 경로계획 단계에 의해 주어졌다는 가정 아래 주어진 경로점들을 토대로 스플라인 보간법을 사용하여 각 경로점 사이의 구간을 시간에 대한 고차다항식으로 표현하고, 3차원의 궤적을 생성하는 기법을 소개한다. 생성된 궤적을 추종하는 제어기의 경우, 비선형 제어기를 통해 무인 회전익기의 전 운용비행영역에서 만족스러운 제어기의 성능을 보장하도록 연구를 진행하였다. 연구에 사용되는 고충실도 Bo-105 회전익기의 경우, 각 블레이드 요소의 유효받음각을 계산하는데 사용되는 유도속도가 조종입력과 로터의 반응에 대하여 비선형적이고 커플링 되어 있기 때문에, 정확한 선형궤환화가 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 보다 유연하고 강건한 제어기 설계 방식인 Incremental backstepping 제어기를 제시한다. Incremental Dynamics 가정에 필요한 각가속도 값의 경우, 다양한 추정알고리즘들을 비교 및 분석하여 가장 정확도가 높은 방식을 채택한다. 제어 이득 값의 경우, 추종오차에 대한 오차동역학을 통해 전 비행구간에서 일정한 추종 성능을 지니게끔 하도록 선택하는 기법을 제시한다.
Incremental dynamics와 더불어 추가적인 강건성을 얻기 위해 Direction forgetting least square 기반의 추정기를 도입, 남아있는 모델 불확실성을 비행 데이터를 통해 추정하고 이를 제어기에서 보상하는 접근방식을 제안한다.
설계된 제어기의 성능을 검증하기 위해 Bo-105 회전익기의 시뮬레이션으로 본 연구에서 구축한 강건 적응 경로 추종 제어기가 주어진 경로를 원활히 추종하는 것을 검증한다. 본 연구를 통해 제시된 제어기의 구조가 무인 회전익기 자율비행제어의 4단계 제어기술에 적합하다고 할 수 있으며, 자율비행기술 연구의 발전에 큰 도움이 될 것이라 믿는다.
목차
제1장 서론 1제1절 연구 배경 1제2절 연구 동향 31. 회전익기 비행제어기법 52. 회전익 동역학 모델링 8제3절 논문 구성 12제2장 회전익기 비행역학 모델 및 불확실성 분석 13제1절 회전익 좌표축 정의 및 모델 구성 13제2절 모델 불확실성 분석 27제3장 경로추종제어기 설계 연구 30제1절 다항식을 이용한 항공기 비행 경로생성 32제2절 회전익 경로 추종 문제 정식화 39제3절 Lyapunov 안정성 이론 41제4절 Backstepping 제어기 설계 49제5절 Incremental Backstepping 제어기 설계 53제6절 제어이득 값 설계 알고리즘 58제7절 각가속도 추정 알고리즘 60제4장 파라미터 추정을 이용한 적응제어기 설계 69제1절 적응제어 기법 69제2절 파라미터 추정기를 이용한 적응제어 모듈 설계 711. Ordinary Least Squares (OLS) 712. Recursive Least Squares (RLS) 753. Weighted Recursive Least Squares (WRLS) 784. Exponential Forgetting Recursive Least Squares (EFRLS) 805. Variable forgetting factor recursive least squares (VFF-RLS) 846. Direction forgetting factor recursive least squares (VDF-RLS) 86제5장 시뮬레이션 결과를 통한 제어기 검증 92제1절 검증 시뮬레이션 소개 92제2절 Bo-105 회전익기 시뮬레이션 92제6장 결론 122참고문헌 125부록 133국문초록 139
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