CMG기반 무인기 자세제어 안정화 기법 연구

Abstract

멀티로터는 사람을 대체하여 다양한 임무에 활용되고 있다. 원활한 임무 수행을 위해서 안정성과 신뢰성이 중요하다. 멀티로터는 풍속의 변화와 같은 외란에 멀티로터의 로터만으로 속도 제어를 통해 비행 안정성의 보장이 어렵다. 이를 해결하기 위해 외란에 강인한 제어기법을 이용하는 연구가 많이 이루어져 왔다. 바람과 같은 외란이나 모델의 불확실성을 해결하기 위해 외란에 강인한 제어기법인 슬라이딩 모드 제어를 사용하였다. 이 제어기법은 외란과 불확실성에 강인한 특징이 있지만 채터링(Chattering) 문제가 있으며 상태 오차가 0으로 수렴하기 위해 무한한 시간이 걸린다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 자세 제어에는 Fast Terminal Sliding Mode Control과 고도 제어에는 Terminal Sliding Mode Control를 적용하였다. 외란으로 인해 자세가 틀어졌을 때 멀티로터의 모터 힘으로 자세를 안정시키기 어려움이 있어 빠른 반응속도를 위해 자이로스코픽 효과를 이용해 토크를 생성하는 장치인 Control Moment Gyro(CMG)를 활용하였다. CMG는 작은 입력으로 큰 토크를 발생시킬 수 있다는 장점을 가지고 있으며, 주로 고기동의 인공위성 자세제어에 사용된다. 인공위성에 국한되지 않고 선박과 차량 등 다양한 분야에 적용하여 연구가가 이루어지고 있으며, 최근 멀티로터 시스템으로 CMG와 반작용 휠을 사용하여 타당성 연구가 수행되었다. CMG 휠의 회전속도으 변화성에 따라 크게 2가지 종류로 구분할 수 있다. 휠의 회전속도와 김벌의 각도를 조절하는 Variable Speed CMG(VSCMG)와 휠의 회전속도를 일정하게 유지하고 김벌의 각도를 조절하는 Constant Speed CMG(CSCMG)으로 구분할 수 있다. 본 논문에서는 CSCMG를 사용하였으며, 2개의 CMG를 동체 좌표계에서 X축에 나란히 부착한 형태를 사용하였다. 이 형태는 Roll과 Pitch 운동에만 관여하며 Yaw 운동에 관여하지 않는다. 이 형태를 사용한 이유는 Yaw 운동의 경우 멀티로터의 Z축 관성모멘트가 다른 축에 비해 커서 상대적으로 외란에 덜 민감하기 때문이다. 본 논문에서는 더 높은 추력과 세밀한 제어가 가능한 헥사로터를 사용하였으며, 설계한 시스템이 외란이 존재하는 환경에서 CMG가 장착한 헥사로터와 CMG를 장착하지 않은 헥사로터의 수치 시뮬레이션을 통해 제안한 알고리즘의 성능을 검증한다.