Acceleration control of a multi-rotor UAV with disturbance observer against wind

Abstract

본 논문은 야외 환경에서 비행하는 헥사로터 무인항공기의 제어에 관한 방법을 주제로 제시하였다. 헥사로터 무인항공기의 야외 비행 시 처하게 되는 비행 환경은 실내 비행 시와는 사뭇 다른데, 이는 바람에 의한 외란 발생과 그로 인해 동체에 가해지는 의도치 않은 가속도의 발생 때문이다. 이에 따라 동체에 가해지는 의도치 않은 횡방향 외란 가속도를 상쇄하기 위하여 기존의 멀티로터 무인항공기 위치제어와는 다른 두 가지 기법이 추가되었다. 첫 번째는 헥사로터 무인항공기의 '평면 가속도 제어'이고, 두 번째는 평면 가속도 제어기에 부착된 '외란 관측기'를 이용한 외란 상쇄이다. 먼저, 드론의 자세와 평면 가속도와의 상관관계에 관한 변환행렬식이 유도되었다. 변환행렬식을 통하여 헥사로터 무인항공기는 목표 가속도를 발생시키기 위해 인가해야 하는 목표 자세를 계산할 수 있게 되었다. 헥사로터 무인항공기가 계산된 목표 자세를 자세 제어기를 통해 추종함으로써 동체의 평면 가속도 제어가 가능케 되었다. 그 다음 평면 가속도 제어기에 외란관측기를 추가하였다. 드론의 목표 가속도 입력과 결과 가속도 사이의 전달함수를 구하고, 결과 가속도를 바탕으로 역함수를 곱하여 현재 가속도를 유발시킨 목표 가속도 입력을 계산하였다.

계산값을 실제 제어 입력과 비교하여 예상 외란 입력값을 계산하고, 다음 제어입력에서 예상치를 미리 감산하여 외란을 상쇄함으로써 드론의 결과 가속도가 목표 가속도와 최대한 유사하도록 '외란 관측기'를 구성하였다. 안정성 분석을 위해 `Small gain theorem'이 사용되었다. `Small gain theorem'을 통해 시스템 전체의 안정성이 유지될 수 있도록 외란 관측기에 포함되어 있는 저역 통과 필터의 대역폭을 지정할 수 있었다. 시뮬레이션과 실제 실험을 수행하였고, 이를 통해 제안된 제어 방식에 대한 유효성을 확인할 수 있었다.