전방향 비행로봇의 설계 및 제어

Abstract

우리는 비대칭적인 분산된 멀티 로터 배치로 SE(3)에서 fully-actuated한 특성을 가지고 비행과 회전이 동시에 가능하여 일반적인 비행로봇이 가지고 있는 under-actuation한 문제를 극복 할 수 있는 전방향 비행 로봇이라는 새로운 디자인의 비행 로봇을 제안한다. 먼저 우리는 각 로터들 사이의 공기역학적인 간섭을 최소화함과 동시에 최대의 제어 렌치를 생수 할 수 있게 하기 위해 로터 배치의 최적화 작업을 수행한다. 우리는 SE(3)에서 ODAR 시스템의 동역학 모델링을 제시하고 병진운동과 회전운동의 제어 디자인을 진행한다. 우리는 또한 ODAR 시스템을 실제 제작하고 그것의 성능을 검증한다. 기존의 비행로봇과는 완전히 다른 시스템으로서 우리는 ODAR 시스템이 전방향 렌치 생성이 중요한 항공 매니퓰레이터나 가상현실 렌더링 3D 환경구축을 위한 전방향 구동에서의 촬영 성능을 지닐 수 있는 항공 촬영 역할을 수행 할 것으로 믿는다.

We propose a novel aerial robot system, Omni-Directional Aerial Robot (ODAR), which is fully-actuated in SE(3) with asymmetrically distributed multiple rotors and can fly and rotate at the same time, thereby, overcoming the well-known under-actuation problem of conventional multi-rotor aerial robots (or simply drones). We first perform optimization of rotor distribution to maximize control wrench generation in SE(3) while minimizing aero-dynamic interference among the rotors. We present dynamics modeling of the ODAR system in SE(3) and simultaneous translation / orientation control design. We also implement a ODAR system and experimentally validate its performance. Being completely different from the conventional drone, we believe this ODAR system would be promising for such applications as aerial manipulation, where omni-directional wrench generation is important, and also as aerial photography, where an ability to taking photos in omni-direction is desired for 3D environment reconstruction for VR scene rendering.