KR102090615B1 - 모델 예측 제어를 이용한 드론 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모델 예측 제어를 이용한 드론 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모델 예측 제어를 통해 기동간 드론 안정성을 향상시키는 드론 제어 시스템에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 드론의 비행 제어 장치는 모터가 장착된 로터; 및 상기 로터에 장착된 모터의 회전속도를 제어하는 관성항법 제어부를 포함하며,
상기 관성항법 제어부는, 드론의 호버링 비행을 위해
Figure 112019118915054-pat00113
축 관성 모멘트,
Figure 112019118915054-pat00114
축 관성 모멘트,
Figure 112019118915054-pat00115
축 관성 모멘트 및 드론의 고유상수인 프로펠러 회전 관성 모멘트(
Figure 112019118915054-pat00116
)를 이용하여 모터의 회전속도를 산출한다.
Figure 112019118915054-pat00117

Figure 112019118915054-pat00118

여기서
Figure 112019118915054-pat00119

Figure 112019118915054-pat00120
Figure 112019118915054-pat00121
= 드론의 중심축에서 모터까지 길이
Figure 112019118915054-pat00122
은 드론 중량이며,
Figure 112019118915054-pat00123
은 드론 중심 반지름이며,
Figure 112019118915054-pat00124
은 로터 한 개의 중량

Description

모델 예측 제어를 이용한 드론 제어 시스템{Drone Control System Using Model Predictive Control}
본 발명은 모델 예측 제어를 이용한 드론 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모델 예측 제어를 통해 기동간 드론 안정성을 향상시키는 드론 제어 시스템에 관한 것이다.
최근 무인 자동차, 무인 항공기, 무인 로봇 등의 무인 이동 장치 산업은 가장 기본이 되는 감지 기술 측면에 있어서 MEMS(Micro-Electro mechanical System) 기반의 고정밀 초소형 센서들의 본격적인 상용화 덕분에 그 활동 영역과 시장 잠재력이 크게 증가하고 있다. 무인 이동 장치의 임무 수행을 위해서는 이동 장치의 정확한 위치 추정이 필수적이다.
현재 개발되어 상용화 되어 있는 저가형 위치 추정 시스템의 경우에는 제한된 환경에서는 정상적인 위치 추정이 가능하지만 GPS 신호가 취약한 지역에서 측정 위치 정보가 외란 되는 경우에는 그 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 알고리즘을 확보하고 있지 못하기 때문에, 많은 관련 기업에서 이를 확보하고자 노력하고 있다.
도 1은 일반적인 위치 추정 시스템을 도시하고 있다. 무인 항공기 등의 무인 이동장치(1)는 센서부(10), 제어부(20)를 포함하여 구성되고, 센서부는 상기 센서부(10)는 무인 이동의 위치를 판단할 수 있도록 GPS 센서(11)와 가속도를 측정할 수 있는 관성 센서(12)와, 지구 자기장의 세기와 방향을 측정하는 지자계 센서(13)를 포함하여 구성되며, 제어부(20)는 상기 센서부(10)에서 측정되는 정보들을 이용하여 무인 이동장치(1)가 동작되도록 제어한다.
그러나, 이러한 종래 기술에 따른 위치 추정 시스템은 운용 시간이 경과함에 따라 표류오차(Drift)에 따른 오차가 지속적으로 누적되어 최종적으로 산출되는 위치, 자세 항법 정보에 오차가 발생하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 관성항법시스템을 단독적으로 사용하지 않고, 오차가 발생한 항법 정보를 보정하기 위해 다양한 항법 시스템들이 제안되었으며, 일반적으로 GNSS(Global Navigation Satellite System)을 결합하여 이용한다.
그러나, GNSS 항법 위성들로부터 송신된 신호를 수신하는 수신기는 주변의 장애물, 전파 교란 등에 의해 크게 영향을 받을 수 있고, 특히 도심지의 건물이 많은 지역이나 산간지방 저고도에서 운용할 경우 항법 성능이 저하되는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2019-0092789호(발명의 명칭: 드론의 위치 측정 방법 및 이를 이용한 드론의 위치 보정 시스템) 한국공개특허 제2019-0012439호(발명의 명칭: 드론 위치 정보 보정 장치 및 방법)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 드론의 모터 출력을 제어하여 기동간 드론의 안정성을 향상시키는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 호버링을 수행하기 위한 드론을 구성하는 모터의 회전속도를 산출하는 방안을 제안함에 있다.
이를 위해 본 발명의 드론의 비행 제어 장치는 모터가 장착된 로터; 및 상기 로터에 장착된 모터의 회전속도를 제어하는 관성항법 제어부를 포함하며,
상기 관성항법 제어부는, 드론의 호버링 비행을 위해
Figure 112019118915054-pat00001
축 관성 모멘트,
Figure 112019118915054-pat00002
축 관성 모멘트,
Figure 112019118915054-pat00003
축 관성 모멘트 및 드론의 고유상수인 프로펠러 회전 관성 모멘트(
Figure 112019118915054-pat00004
)를 이용하여 모터의 회전속도를 산출한다.
Figure 112019118915054-pat00005
Figure 112019118915054-pat00006
여기서
Figure 112019118915054-pat00007
Figure 112019118915054-pat00008
Figure 112019118915054-pat00009
= 드론의 중심축에서 모터까지 길이
Figure 112019118915054-pat00010
은 드론 중량이며,
Figure 112019118915054-pat00011
은 드론 중심 반지름이며,
Figure 112019118915054-pat00012
은 로터 한 개의 중량
본 발명에 따른 드론의 비행 제어 장치는 호버링을 진행하기 위한 드론을 구성하는 모터의 회전속도를 산출하는 방안을 제안함으로써 모델 예측 제어를 이용하여 드론의 효율적으로 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 모델 예측 제어 특성상 특정 시간 동안의 드론의 움직임을 미리 예측(드론의 상태 방정식을 통해 예측)하여 목표 지점으로 최소한 시간과 동작으로 비행하도록 제어한다.
도 1은 일반적인 위치 추정 시스템을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 드론의 위치 추정장치의 구성을 도시하고 있다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 드론을 구성하는 모터의 회전에 의해 비행하는 드론의 위치 및 회전 정보를 도시하고 있다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
모델 예측 제어는 시스템 모델 기반이 최적화 기법을 이용한 제어 방식이다. 현재 상태 정보를 통해 특정 시간 이후의 동작 및 상태 정보를 예측하여 최적의 제어 입력을 결정하는 방식으로 최적화 기법을 통해 결정된다. 이 때 최적화는 드론의 진동 최소화 또는 목표 지점 최소 도달 시간 등과 같이 드론의 상태 정보를 통해 결정할 수 있는 다양한 정보를 최소 및 최적의 값을 도출할 수 있도록 설정하고, 드론의 움직임 및 모터의 회전속도를 구속조건과 동일하게 설정한다. 이러한 모델 예측 제어 기법을 활용하게 되면 드론을 포함한 드론 조정 시스템을 좀 더 효과적으로 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 드론의 위치 추정장치의 구성을 도시하고 있다. 이하 도 2를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 드론의 위치 추정장치에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 2에 의하면, 드론의 위치 추정장치(100)는 라이다 센서부(110), 공간정보 관리부(120) 및 관성항법 제어부(130)를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 드론의 위치 추정장치에 포함될 수 있다.
라이다 센서부(110)는 드론에 설치되어 레이저를 주변 지형지물로 조사하고, 지형물로부터 반사된 레이저를 수신하여 측정치 프로파일을 생성한다. 드론은 수평 방향 전방위의 사물에 대하여 거리를 측정한다.
즉, 측정치를 측정할 경우 수평축에 대해서는 드론을 중심으로 전방위에 대해 사용자가 설정한 간격으로 거리를 측정한다. 또한, 라이다 센서부(110)는 수직방향+15°~ -15°범위에 대하여 거리를 측정함으로써, m*n 크기의 거리 측정치를 획득할 수 있다.
또한, 측정치 프로파일은 레이저의 송수신 시간을 통해 거리를 획득하는 것도 가능하고, 라이다 센서부(110)를 중심으로 주변에 장애물까지의 교점을 찾아 거리를 획득할 수도 있다.
공간정보 관리부(120)는 무인 항공기 주변의 건물 위치 좌표값과 고도값을 포함한 3차원 공간정보 데이터를 저장한다.
또한, 공간정보 관리부(120)에 저장된 3차원 공간정보 데이터는 오픈 플랫폼을 통해 제공되는 3차원 공간정보로부터 건물의 위치좌표값을 추출하여 2차원 공간정보를 생성하고, 생성된 2차원 공간정보의 건물에 고도값을 입력하여 3차원 공간정보로 변환된 데이터이다.
관성항법 제어부(130)는 라이다 센서부(110)에서 생성된 측정치 프로파일과, 공간정보 관리부의 도심 항법용 3차원 공간정보 데이터를 비교하여 무인 항공기의 위치를 추정한다.
또한, 관성항법 제어부(130)는 자이로 센서와 가속도 센서를 더 포함하고, 자이로 센서와 가속도 센서에서 출력되는 가속도, 속도, 위치 및 자세 정보는 항법 정보로 제공한다.
또한, 관성항법 제어부(130)는 무인 항공기의 위치 추정을 위해, EKF(Extended Kalman Filter), BKF(Bank of Kalman Filter), PMF(Point Mass Filter), PF(Particle Filter)등의 필터를 사용할 수 있고, 바람직하게는 비선형 필터인 PMF를 사용한다.
본 발명은 모델 예측 제어 특성상 특정 시간 동안의 기체 움직임을 미리 예측하여 목표 지점에서 최소한의 시간 및 동작으로 도달하는 방안을 제안한다. 즉, 드론의 상태 방정식을 통해 드론의 움직임을 미리 예측하고, 예측된 드론의 움직임을 이용하여 목표 지점까지 최소 시간 및 동작으로 도달하는 방안을 제안한다.
특히, 본 발명은 로터(또는 모터)의 회전 속도를 제어하여 최적의 호버링(Hovering) 동작을 제안하며, 바람 등 외력에 대한 강인성을 증대시키는 방안을 제안한다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 드론을 구성하는 모터의 회전에 의해 비행하는 드론의 위치 및 회전 정보를 도시하고 있다. 이하 도 3을 이용하여 본 발명에서 제안하는 드론을 구성하는 모터의 회전에 의해 비행하는 드론의 위치 및 회전 정보에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 3에 의하면, 드론은 4개의 로터를 포함하며, 각 로터는 Ω1, Ω2, Ω3, Ω4의 속도로 회전하며, 드론의 중심은 (
Figure 112019118915054-pat00013
,
Figure 112019118915054-pat00014
,
Figure 112019118915054-pat00015
) 축 상에 위치한다.
Figure 112019118915054-pat00016
축 방향으로는
Figure 112019118915054-pat00017
의 각속도로 회전하며,
Figure 112019118915054-pat00018
축 방향으로는
Figure 112019118915054-pat00019
의 각속도로 회전하며,
Figure 112019118915054-pat00020
축 방향으로는
Figure 112019118915054-pat00021
의 각속도로 회전한다. 관성항법 제어부는 하기 수학식을 이용하여 로터를 구성하는 모터의 회전속도를 산출하고, 산출된 회전속도에 따라 모터를 구동한다.
이하에서는 상술한 바와 같이 현재 지점(
Figure 112019118915054-pat00022
,
Figure 112019118915054-pat00023
,
Figure 112019118915054-pat00024
)에 위치한 드론이 (xr, yr, zr)으로 최소 시간 및 동작으로 이동하는 방안에 대해 알아보기로 한다. 특히, 본 발명은 현재 위치와 이동하고자 하는 목표 위치가 동일하거나 최소 상태가 되도록 드론이 호버링(Hovering) 동작을 수행하는 방안을 제안한다. 물론 상술한 바와 같이 드론의 호버링은 로터를 구성하는 모터의 회전 속도에 의해 구현된다.
Figure 112019118915054-pat00025
여기서,
Figure 112019118915054-pat00026
Figure 112019118915054-pat00027
상술한 수학식을 구성하는 기호는 다음의 표 1과 같다.
기호 설명 단위
Figure 112019118915054-pat00028
 오일러각 피치 (
Figure 112019118915054-pat00029
축 기준)
Figure 112019118915054-pat00030
Figure 112019118915054-pat00031
 오일러각 롤 (
Figure 112019118915054-pat00032
축 기준)
Figure 112019118915054-pat00033
Figure 112019118915054-pat00034
 오일러각 요 (
Figure 112019118915054-pat00035
축 기준)
Figure 112019118915054-pat00036
Figure 112019118915054-pat00037
,
Figure 112019118915054-pat00038
,
Figure 112019118915054-pat00039
 드론의 현재 위치 벡터
Figure 112019118915054-pat00040
Figure 112019118915054-pat00041
 모터 회전 속도(1,2,3,4번 모터)
Figure 112019118915054-pat00042
Figure 112019118915054-pat00043
 중력 가속도
Figure 112019118915054-pat00044
Figure 112019118915054-pat00045
Figure 112019118915054-pat00046
축 관성모멘트(몸체 좌표계 기준)
Figure 112019118915054-pat00047
Figure 112019118915054-pat00048
Figure 112019118915054-pat00049
축 관성모멘트(몸체 좌표계 기준)
Figure 112019118915054-pat00050
Figure 112019118915054-pat00051
Figure 112019118915054-pat00052
축 관성모멘트(몸체 좌표계 기준)
Figure 112019118915054-pat00053
Figure 112019118915054-pat00054
 프로펠러 회전 관성모멘트
(드론의 고유상수)
Figure 112019118915054-pat00055
Figure 112019118915054-pat00056
 중심축에서 모터 중심까지 길이
Figure 112019118915054-pat00057
Figure 112019118915054-pat00058
,
Figure 112019118915054-pat00059
,
Figure 112019118915054-pat00060
 목표 위치 벡터(Target)
Figure 112019118915054-pat00061
Figure 112019118915054-pat00062
 추력 계수
Figure 112019118915054-pat00063
Figure 112019118915054-pat00064
 항력 계수
Figure 112019118915054-pat00065
또한, 관성 모멘트는 하기 수학식에 의해 산출된다.
Figure 112019118915054-pat00066
Figure 112019118915054-pat00067
여기서
Figure 112019118915054-pat00068
은 드론 중량(단위: ㎏)이며,
Figure 112019118915054-pat00069
은 드론 중심 반지름(단위: m)이며,
Figure 112019118915054-pat00070
은 하나의 중량(단위: ㎏)이며,
Figure 112019118915054-pat00071
는 로터간 거리가 일정하다는 가정 하에서 결정되므로, 드론의 형태가 달라지는 경우
Figure 112019118915054-pat00072
축 관성모멘트와
Figure 112019118915054-pat00073
축 관성모멘트는 상이하게 된다.
또한, 상태 방정식은 상태 변수와 제어 변수를 포함할 수 있으며, 상태 변수는 드론의 위치, 각속도에 결정되며, 제어 변수는 모터의 회전속도에 의해 결정된다.
상태 변수는 드론을 수학적 모델로 설계하였을 때 동적 시스템의 움직임(변화)를 정의하고, 제어 변수는 상태 변수의 변화로 결정된다.
상태 변수와 상태 정보는 같은 의미를 나타내지만 상태 변수의 경우 상태방정식에서 특정 기호로 표시되고, 상태 정보는 구체적인 수치로 나타내는 걸 의미한다. 제어 변수도 상태변수와 같이 기호로 표시하여 상태 방정식의 제어를 나타내고 제어 정보는 구체적인 수치로 현재 제어의 크기를 나타낸다.
상태 변수 : 드론의 위치, 각속도 →
Figure 112019118915054-pat00074
제어 변수 : 모터 회전 속도 →
Figure 112019118915054-pat00075
(xr, yr, zr)는 최적화의 가격함수(Cost function: 최적의 값을 결정하는 함수)에 의해 결정된다. 일반적으로 최적화 가격함수는 하기 수학식 3으로 표현된다.
Figure 112019118915054-pat00076
여기서,
Figure 112019118915054-pat00077
는 상태 정보의 가중치이며,
Figure 112019118915054-pat00078
은 제어 정보의 가중치이며, 최소화하고자 하는 값에 따라 가중치의 크기가 결정되며, 정방행렬(Symmetric matrix)이다.
Figure 112019118915054-pat00079
Figure 112019118915054-pat00080
는 드론의 상태방정식의 결과값을 나타내며, 현재 드론의 위치정보(
Figure 112019118915054-pat00081
)가 포함되어 있고,
Figure 112019118915054-pat00082
이 (
Figure 112019118915054-pat00083
)로 나타내지기 때문에 현재 위치가 목표 위치와 일치 또는 최소가 될 때 가장 최소값을 갖게 되므로 드론을 최소시간, 최소 동작으로 제어하는 것이 가능하다.
또한, 상태변수와 제어변수는 설정된 범위 이내에서 동작하도록 설정할 수 있다.
Figure 112019118915054-pat00084
또한, 모터의 회전속도 역시 설정된 범위 이내에서 동작하도록 설정할 수 있다.
Figure 112019118915054-pat00085
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100: 위치 추정장치 110: 라이다 센서부
120: 공간정보 관리부 130: 관성항법 제어부

Claims (5)

  1. 모터가 장착된 로터; 및
    상기 모터의 회전속도를 제어하는 관성항법 제어부를 포함하며,
    상기 관성항법 제어부는,
    드론의 호버링(Hovering) 동작을 위해
    Figure 112020000627898-pat00128
    축 관성 모멘트,
    Figure 112020000627898-pat00129
    축 관성 모멘트,
    Figure 112020000627898-pat00130
    축 관성 모멘트 및 드론 고유상수인 프로펠러 회전 관성 모멘트(
    Figure 112020000627898-pat00131
    )를 이용하여 모터의 회전속도를 산출하며,
    상기 관성항법 제어부는,
    하기 상태 방정식인 수학식1에 의해 모터의 회전속도를 산출하며,
    [수학식 1]
    Figure 112020000627898-pat00132

    여기서
    Figure 112020000627898-pat00133

    Figure 112020000627898-pat00134

    Figure 112020000627898-pat00135
    :
    Figure 112020000627898-pat00136
    번째 모터의 회전속도(
    Figure 112020000627898-pat00137
    )
    Figure 112020000627898-pat00138
    : 오일러각 피치(
    Figure 112020000627898-pat00139
    축 기준)
    Figure 112020000627898-pat00140
    : 오일러각 롤 (
    Figure 112020000627898-pat00141
    축 기준)
    Figure 112020000627898-pat00142
    : 오일러각 요 (
    Figure 112020000627898-pat00143
    축 기준)
    Figure 112020000627898-pat00144
    : 중력 가속도
    Figure 112020000627898-pat00145
    : 추력 계수
    Figure 112020000627898-pat00146
    : 항력 계수
    상기 상태 방정식의 상태 변수는 드론의 위치 또는 각속도이며, 상기 상태 방정식의 제어 변수는 모터의 회전속도이며,
    하기 수학식 2에 의해 상기 드론의 현재 지점(x, y, z)에서 (xr, yr, zr)지점까지 최소시간 및 동작인 모터의 회전속도를 산출함을 특징으로 하는 드론의 비행 제어 장치.
    [수학식 2]
    Figure 112020000627898-pat00147


    J: 최적화(최소화)의 가격함수(Cost function)
    상태 변수:
    Figure 112020000627898-pat00148

    제어 변수:
    Figure 112020000627898-pat00149

    Figure 112020000627898-pat00150
    : 상태 변수의 가중치
    Figure 112020000627898-pat00151
    : 제어 정보의 가중치
    Figure 112020000627898-pat00152
    : 드론의 상태방정식의 결과값
    Figure 112020000627898-pat00153

    Figure 112020000627898-pat00154

    여기서
    Figure 112020000627898-pat00155

    Figure 112020000627898-pat00156
    Figure 112020000627898-pat00157
    = 드론의 중심축에서 모터까지 길이
    Figure 112020000627898-pat00158
    은 드론 중량이며,
    Figure 112020000627898-pat00159
    은 드론의 반지름이며,
    Figure 112020000627898-pat00160
    은 로터 하나의 중량
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 드론은 4개의 로터를 포함하며, 중심에서 로터까지의 거리는 동일함을 특징으로 하는 드론의 비행 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서, 상기 상태 변수와 제어 변수는 설정된 범위 이내의 값을 갖도록 설정함을 특징으로 하는 드론의 비행 제어 장치.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113359801A (zh) * 2021-07-02 2021-09-07 北京三快在线科技有限公司 无人机的控制方法、装置、介质、电子设备及无人机

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150370251A1 (en) * 2014-06-20 2015-12-24 Hti, Ip, L.L.C. Method and system for drone deliveries to vehicles in route
JP2018027742A (ja) * 2016-08-17 2018-02-22 エスゼット ディージェイアイ テクノロジー カンパニー リミテッドＳｚ Ｄｊｉ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ 移動体、移動体の制御方法、及びプログラム
US20180164835A1 (en) * 2016-09-27 2018-06-14 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University Systems and methods for dynamics, modeling, simulation and control of mid-flight coupling of quadrotors
KR20190012439A (ko) 2017-07-27 2019-02-11 전남대학교산학협력단 드론 위치 정보 보정 장치 및 방법
KR20190092789A (ko) 2018-01-31 2019-08-08 주식회사 에디테크놀로지 드론의 위치 측정 방법 및 이를 이용한 드론의 위치 보정 시스템

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8996177B2 (en) * 2013-03-15 2015-03-31 Brain Corporation Robotic training apparatus and methods
US10473466B2 (en) * 2016-12-09 2019-11-12 Honeywell International Inc. Apparatus and method for data-based referenced navigation
EP3428765A1 (en) * 2017-07-12 2019-01-16 ETH Zurich A drone and method of controlling flight of a drone

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150370251A1 (en) * 2014-06-20 2015-12-24 Hti, Ip, L.L.C. Method and system for drone deliveries to vehicles in route
JP2018027742A (ja) * 2016-08-17 2018-02-22 エスゼット ディージェイアイ テクノロジー カンパニー リミテッドＳｚ Ｄｊｉ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ 移動体、移動体の制御方法、及びプログラム
US20180164835A1 (en) * 2016-09-27 2018-06-14 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University Systems and methods for dynamics, modeling, simulation and control of mid-flight coupling of quadrotors
KR20190012439A (ko) 2017-07-27 2019-02-11 전남대학교산학협력단 드론 위치 정보 보정 장치 및 방법
KR20190092789A (ko) 2018-01-31 2019-08-08 주식회사 에디테크놀로지 드론의 위치 측정 방법 및 이를 이용한 드론의 위치 보정 시스템

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
김 현외 3명. 멀티로터 무인비행로봇 동역학적 모델링 및 제어기법 연구. 대한기계학회 IT 융합부문 2013년도 춘계학술대회. 2013.5.9. pp. 137-148 1부* *

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