소형 다단 틸트 멀티로터 항공기의 설계 및 자동제어시스템 개발 = Design of a Small Scale Multi-Stage Tilt Multi-Rotor Aircraft and Autonomous Control System Development

국문 초록 (Abstract)

초기의 무인항공기는 군사 분야에서 주로 사용되었으나, 현재는 산림감시나 해안정찰, 기상관측, 재난관측, 조난자 수색 등 민수분야에서의 활용성이 커지고 있어 이 분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 공중 정지 비행 등 다양한 기동이 가능하며 활주로가 불필요한 수직이착륙 항공기가 정찰, 감시 등의 활용에 유리하다. 하지만 헬리콥터와 같은 전통적인 수직이착륙기는 로터 블레이드의 과도한 항력에 의해 고속비행, 고고도 성능 및 임무반경 등에 있어서 고정익 항공기와 비교하여 뒤떨어지는 단점이 있다.

본 연구에서 제안하는 다단 틸트 멀티로터 항공기는 새로운 개념의 수직이착륙 항공기로서 회전익 형상과 고정익 형상을 모두 가진 복합모드 항공기이다. 다단 틸트 멀티로터는 멀티로터 구조에 틸트 시스템과 고정익의 날개를 결합한 개념으로 기존의 수직이착륙기가 가지고 있는 낮은 에너지 효율, 느린 비행속도 등의 단점을 극복할 수 있다.
다단 틸트 멀티로터는 회전익모드에서 각 로터의 회전속도를 조정하여 자세를 제어함으로써 헬리콥터의 로터 허브와 비교하여 구조적으로 단순하고 수학적 모델의 해석 및 제어기 설계에 용이하다. 다단 틸트 멀티로터는 천이과정을 2단계로 나누어서 다수의 로터를 순차적으로 틸트시킨다. 앞, 뒤 로터가 틸트하는 동안 나머지 로터의 조종력이 유지되기 때문에 천이과정에서의 안정성이 증대된다.

본 논문에서는 제안된 다단 틸트 멀티로터 개념을 적용하여 운용 및 유지가 쉬운 소형 항공기를 설계하고 제작하였다. 제작된 항공기의 질량 관성모멘트와 공력 파라미터를 실제 실험을 통해 측정하였다. 그리고 뉴턴 오일러 방정식을 적용하여 6자유도 운동방정식을 유도하였고 운동방정식과 측정된 파라미터를 바탕으로 비선형 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 강인성(robustness)은 제어 시스템의 설계에서 가장 중요한 요소 중의 하나이다. 특히 회전익기는 외란과 섭동에 매우 민감하기 때문에 이를 극복하기 위한 강인성이 매우 필수적이다. 강인제어기법인 H-infinity 제어 이론을 적용하여 다단 틸트 멀티로터의 자세 제어기를 설계하였다. 주파수 영역에서의 해석을 통해 설계된 제어기는 68.5%까지의 모델오차를 극복할 수 있음을 확인하였고, 외란이 포함된 비선형 모델 시뮬레이션을 통해 제어기의 성능과 강인성을 검증하였다. 또한 실제 구현을 위한 전자 제어 하드웨어와 지상 제어 소프트웨어를 개발하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Unmanned Aerial Vehicle(UAV) is very promising platform for military and civilian applications such as reconnaissance, surveillance, disaster management and emergency aid. UAV has been used mainly for the military applications, but the research and development in this field have increased remarkably thanks to a lot of potential civil applications. The rotary wing UAVs like helicopter have been a favorable UAV platform because the capabilities of VTOL(Vertical Take Off and Landing) and unique maneuverability such as hovering and side-stepping are very suitable for monitoring and surveillance. But they are mechanically complex and the flight speed and flight time of them are limited compared with fixed wing UAVs.
The multi-stage tilt multi-rotor is a new concept aircraft combining the advantages of a fixed wing aircraft and a multi-rotor. It has not only the flight capabilities of rotary wing such as VTOL(Vertical Take Off and Landing) and hovering but also high speed and long flight time capabilities of fixed wing aircraft. Because it has also a simple structure compared with main hub of rotary wing UAVs, its dynamic is simpler and it is easy relatively to design a controller. And the multi-stage tilt multi-rotor separates the transition flight to two steps through tilting rotors in sequence. That can make more stable transition flight because mid 4 rotors can maintain the attitude and altitude while front and rear rotor are tilting.
This paper covers the design, fabrication, modeling and control system development for multi-stage tilt multi-rotor. A small scale multi-stage tilt multi-rotor was designed and fabricated. And six-degree-of-freedom dynamic equation was derived using Newton-Euler formulation for developing the control system.
Robustness is one of the most important requirements of the controller for the rotary wing aircraft because they are very sensitive to disturbance and perturbation. We designed a robust controller using h-infinity scheme. Through frequency-domain analysis, it was shown that the proposed controller can overcome uncertainties up to 68.5% of the plant model. The performance and robustness of the controller were verified through time-domain simulation with nonlinear model. And electronic control system and ground control software were developed for implementing the controller.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 및 동기 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 동향 3
• 3. 연구 동기 9
• 4. 논문의 기여 14
• 5. 논문의 구성 15
• 제2장 다단 틸트 멀티로터 항공기 설계 및 파라미터 측정 16
• 제1절 다단 틸트 멀티로터 항공기 설계 및 제작 16
• 제2절 항공기 파라미터 측정 21
• 1. 질량관성모멘트 측정 실험 21
• 2. 공력 파라미터 측정을 위한 풍동 시험 27
• 제3장 다단 틸트 멀티로터 동역학 33
• 제1절 다단 틸트 멀티로터 항공기의 수학적 모델링 33
• 제2절 시뮬레이션 모델 개발 및 비선형 제어기 설계 39
• 제4장 제어기 설계 45
• 제1절 모델 식별 45
• 제2절 H-infinity 제어기 설계 46
• 1. H-infinity 제어 46
• 2. 주파수영역에서의 제어기 분석 53
• 3. 시간영역에서의 제어기 성능 57
• 제5장 제어 시스템 설계 및 구현 67
• 제1절 비행 제어 시스템 전자 하드웨어 설계 67
• 제2절 지상 제어 소프트웨어 개발 73
• 제6장 결론 및 향후 과제 74
• 제1절 결론 74
• 제2절 향후 과제 76
• 참고문헌 77
• ABSTRACT 82