Modeling and Control of Asymmetrically Coupled Quadrotor UAVs

Abstract

본 논문에서는 두 대의 쿼드로터 무인비행로봇을 비스듬히 결합한 새로운 시스템을 제시한다. 본 시스템은 기존의 한 대의 쿼드로터가 가지는 부족구동(underactuation)적인 측면과 낮은 적재하중의 문제를 극복하는 장점을 가진다. 즉, 기존에 쿼드로터가 4개의 구동 자유도를 갖는데 반해 본 시스템은 5개의 구동 자유도를 가져 한 차원의 제어가 추가로 가능하며, 이는 두 쿼드로터가 결합된 축 방향으로의 피치 (pitch) 동작에 대한 자유도로 활용할 수 있다. 이러한 특성은 공중 도구조작 (aerial tool operation) 등과 같은 실제 임무를 수행할 때 매우 유용하게 적용 가능하다. 제시된 비스듬히 결합한 쿼드로터 무인비행로봇 시스템에 대해 동역학 및 추력 관계식을 모델링하고, 궤적 추적 (trajectory tracking) 을 위해 백스텝핑 제어기법을 활용한 제어를 설계하였다. 또한, 각 로터에서의 추력들이 항상 양의 값을 가져야하는 제약조건을 만족시키기 위한 최적화 기법 을 제시하였다. 다양한 시뮬레이션을 통해 본 시스템과 제어기를 검증하였고 그 결과를 제시하였다.

In this thesis, we introduce a novel concept of asymmetrically coupled quadrotor UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) system. The proposed system is composed with two quadrotor UAVs that are asymmetrically coupled with each other. This coupled system has advantages in the sense of overcoming under-actuation and payload problems compared to single conventional quadrotor UAV. That is, the proposed system has 5 actuation DOFs while single quadrotor UAV has 4 actuation DOFs, where the additional actuation can be exploited for decoupling translation and rotation in a certain direction. This feature increases the versatility and is useful for real tasks such as aerial tool operation. We first model the coupled quadrotor system and design a controller which is based on the backstepping control and optimization to guarantee positiveness of thrusts. Simulation results are presented to validate the theory and to demonstrate the advantages of the proposed system.