KR20150107664A - Quad-Rotor position control system and control method thereof - Google Patents

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KR20150107664A
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Abstract

Disclosed are a quad-rotor control system and a control method thereof. The present invention uses a nine axis inertial navigation device based on a quad-rotor with four motors to measure the posture and motion of a flying object, and controls a modularized controller to improve the performance and efficiency of a system. Thereby, the stability of quad-rotor is increased. The adjustment/control of the quad-rotor can be easily carried out. Especially, the performance of a hovering can be improved.

Description

쿼드 로터 자세 제어 시스템 및 그의 제어 방법{Quad-Rotor position control system and control method thereof}[0001] The present invention relates to a quad rotor position control system and a control method thereof,

본 발명은 쿼드 로터 자세 제어 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a quad rotor attitude control system and a control method thereof.

소형 무인비행체는 교통단속이나 비디오 촬영, 정찰임무, 화재감시 등의 다양한 분야에서 활용되고 있다. 프로세서, 센서 그리고 통신 기술의 발달로 성능과 기능이 개선이 되는 동시에 소형화와 가격 절감까지 되면서 다양한 분야에 점점 그 입지를 넓혀왔고 앞으로는 더욱 가속화 될 것이다.Small unmanned aerial vehicles are used in various fields such as traffic control, video shooting, reconnaissance missions, and fire surveillance. With the development of processors, sensors and communication technologies, performance and functions have been improved, and as they have become smaller and more cost-effective, they have expanded their presence in various fields and will accelerate in the future.

특히, 멀티콥터의 경우에는 상하좌우 운동이 자유롭기 때문에 회전익 소형 무인비행체의 플랫폼으로 적합한 것으로 평가받고 있다. 멀티콥터는 각 모터의 출력에 의하여 자세가 유지 되고 각 축의 모터 출력은 자세에 따른 자동 제어시스템의 도움을 많이 받기 때문에 다른 비행체들에 비해서 조종하기가 상대적으로 쉬운편임에도 불구하고 공기 중을 흐르는 비행체로 원하는 행동을 하도록 조종하는 것이 결코 쉽지 않다.Especially, in case of multi - copter, it is considered to be suitable as a platform of small unmanned aerial vehicle because it is free to move up, down, left and right. Although the multi-copter maintains the attitude by the output of each motor and the motor output of each axis is assisted by the automatic control system according to the attitude, it is relatively easy to control compared to other airplanes, It is never easy to steer to the desired behavior.

다시 말해서, 멀티콥터를 더욱 유용하면서도 쉽게 사용하기 위해서는 비행을 어렵게 만드는 요소 즉, 흐름 현상을 막아줄 수 있는 제어 시스템이 필요하다. 이러한 흐름을 제어하기 위해서 흐름 안정화가 필요하다.In other words, in order to make the multi-copter more useful and easy to use, it is necessary to provide a control system that can prevent the flow phenomenon, which makes the flight difficult. Flow stabilization is required to control this flow.

한국공개특허 제10-2013-0081260호 [명칭: 무인 비행체 제어 장치 및 이를 구비하는 무인 비행체]Korean Patent Laid-Open No. 10-2013-0081260 [entitled: Unmanned Aerial Vehicle Control Device and Unmanned Aerial Vehicle Having the Same]

본 발명의 목적은 모터가 네 개 장착된 쿼드로터를 기반으로 하여 9축 관성항법장치를 사용하여 비행체의 자세와 운동을 측정하며, 모듈화된 제어기를 제어하여 성능뿐만 아니라 효율성이 좋은 시스템을 구현하는 쿼드 로터 자세 제어 시스템 및 그의 제어 방법을 제공하는 데 있다.The object of the present invention is to provide a system for measuring the attitude and motion of a vehicle using a 9-axis inertial navigation system based on a quadrotor equipped with four motors, Rotor position control system and a control method thereof.

본 발명의 실시예에 따른 쿼드 로터 자세 제어 시스템은 위치 제어 기능과 자세 제어 기능이 모듈화된 쿼드 로터 자세 제어 시스템에 있어서, X축, Y축 및 Z축을 기준으로 각각 참조값 및 이전 변위값을 수신하고, 상기 수신된 참조값 및 이전 변위값에 대한 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 위치 제어를 위한 세타 참조값과 이전 루프에서의 세타값, 싸이 참조값과 이전 루프에서의 싸이값 및 파이 참조값과 이전 루프에서의 파이값을 각각 출력하는 위치 제어부; 상기 위치 제어부로부터 출력된 세타 참조값과 이전 루프에서의 세타값, 싸이 참조값과 이전 루프에서의 싸이값 및 파이 참조값과 이전 루프에서의 파이값에 대한 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 자세 제어를 위한 제어 신호를 출력하는 자세 제어부; 상기 자세 제어부로부터 출력되는 제어 신호를 근거로 상기 쿼드 로터의 자세 및 위치 제어를 위한 현재 루프에서의 세타값, 현재 루프에서의 싸이값 및 현재 루프에서의 파이값을 각각 출력하는 쿼드 로터 제어부; 및 상기 쿼드 로터 제어부로부터 출력되는 노이즈 성분이 포함된 현재 루프에서의 세타값, 현재 루프에서의 싸이값 및 현재 루프에서의 파이값을 측정하는 센서부를 포함할 수 있다.In a quadrotor attitude control system in which a position control function and an attitude control function are modularized, a quadrotor attitude control system according to an embodiment of the present invention receives a reference value and a previous displacement value on the basis of X axis, Y axis, and Z axis, respectively A setta reference value for the position control of the quadrotor, a theta value in the previous loop, a sipe reference value, a sipe value in the previous loop and a pie reference value in the previous loop through the PID control function for the received reference value and the previous displacement value, A position control unit for outputting pi values; A control for attitude control of the quadrotor through the PID control function for theta reference value output from the position control unit, theta value in the previous loop, the sipe reference value, the sipe value and the pie reference value in the previous loop, A posture control unit for outputting a signal; A quadrotor control unit for outputting a set value in a current loop, a sigh value in a current loop, and a pie value in a current loop for attitude and position control of the quadrotor, based on a control signal output from the attitude control unit; And a sensor unit for measuring theta value in the current loop including the noise component output from the quadrotor control unit, the sipe value in the current loop, and the pie value in the current loop.

본 발명과 관련된 일 예로서 상기 센서부는, 상기 측정된 현재 루프에서의 세타값, 현재 루프에서의 싸이값 및 현재 루프에서의 파이값에 대해 미리 설정된 적분 기능을 각각 수행하여 현재 루프에서의 변위값을 각각 추출하고, 상기 추출된 현재 루프에서의 변위값을 상기 위치 제어부의 입력값으로 전달할 수 있다.As an example related to the present invention, the sensor unit may perform a predetermined integration function on the measured theta value in the measured current loop, the sipe value in the current loop, and the pie value in the current loop to calculate a displacement value And can transmit the displacement value in the extracted current loop to the input value of the position control unit.

본 발명의 실시예에 따른 쿼드 로터 자세 제어 시스템의 제어 방법은 위치 제어 기능과 자세 제어 기능이 모듈화된 쿼드 로터 자세 제어 시스템의 제어 방법에 있어서, 위치 제어부를 통해, X축, Y축 및 Z축을 기준으로 각각 참조값 및 이전 변위값을 수신하는 단계; 상기 위치 제어부를 통해, 상기 수신된 참조값 및 이전 변위값에 대한 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 위치 제어를 위한 세타 참조값과 이전 루프에서의 세타값, 싸이 참조값과 이전 루프에서의 싸이값 및 파이 참조값과 이전 루프에서의 파이값을 각각 출력하는 단계; 자세 제어부를 통해, 상기 위치 제어부로부터 출력된 세타 참조값과 이전 루프에서의 세타값, 싸이 참조값과 이전 루프에서의 싸이값 및 파이 참조값과 이전 루프에서의 파이값에 대한 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 자세 제어를 위한 제어 신호를 출력하는 단계; 쿼드 로터 제어부를 통해, 상기 자세 제어부로부터 출력되는 제어 신호를 근거로 상기 쿼드 로터의 자세 및 위치 제어를 위한 현재 루프에서의 세타값, 현재 루프에서의 싸이값 및 현재 루프에서의 파이값을 각각 출력하는 단계; 센서부를 통해, 상기 쿼드 로터 제어부로부터 출력되는 노이즈 성분이 포함된 가속도를 측정하는 단계; 및 상기 센서부를 통해, 상기 측정된 가속도를 근거로 현재 루프에서의 변위값을 각각 추출하고, 상기 추출된 현재 루프에서의 변위값을 상기 위치 제어부의 입력값으로 전달하는 단계를 포함할 수 있다.A control method of a quadrotor attitude control system according to an embodiment of the present invention is a control method of a quadrotor attitude control system in which a position control function and an attitude control function are modularized, Receiving a reference value and a previous displacement value, respectively; The position control unit controls the PID control function for the received reference value and the previous displacement value to determine the setta reference value for the position control of the quadrotor, the theta value in the previous loop, the sipe reference value, the sipe value in the previous loop, And a pie value in a previous loop, respectively; The PID control function of theta reference value outputted from the position control unit, theta value in the previous loop, the sipe reference value, the sipe value in the previous loop, the pie reference value and the pi value in the previous loop, Outputting a control signal for attitude control; A set value in the current loop, a sigh value in the current loop, and a pi value in the current loop for attitude and position control of the quadrotor are output through the quad-rotor control unit, respectively, based on the control signal output from the attitude control unit ; Measuring acceleration including a noise component output from the quad rotor control unit through a sensor unit; And extracting a displacement value in the current loop based on the measured acceleration through the sensor unit and transmitting the displacement value in the extracted current loop to the input value of the position control unit.

본 발명과 관련된 일 예로서 상기 가속도를 측정하는 단계는, 상기 쿼드 로터 제어부로부터 출력되는 노이즈 성분이 포함된 현재 루프에서의 세타값, 현재 루프에서의 싸이값 및 현재 루프에서의 파이값을 측정할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of measuring the acceleration includes measuring a set value in a current loop including a noise component output from the quad rotor control unit, a sigh value in a current loop, and a pie value in a current loop .

본 발명과 관련된 일 예로서 상기 측정된 가속도를 근거로 현재 루프에서의 변위값을 각각 추출하는 단계는, 상기 측정된 현재 루프에서의 세타값, 현재 루프에서의 싸이값 및 현재 루프에서의 파이값에 대해 미리 설정된 적분 기능을 각각 수행하여 현재 루프에서의 변위값을 각각 추출할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of extracting the displacement values in the current loop based on the measured acceleration comprises: comparing the measured values in the measured current loop with the syt values in the current loop and the pi values in the current loop, So that the displacement values in the current loop can be respectively extracted.

본 발명은 모터가 네 개 장착된 쿼드로터를 기반으로 하여 9축 관성항법장치를 사용하여 비행체의 자세와 운동을 측정하며, 모듈화된 제어기를 제어하여 성능뿐만 아니라 효율성이 좋은 시스템을 구현함으로써, 쿼드로터의 안정성을 증가시키며, 이로 인해 더욱 쉽게 쿼드로터의 조정/제어가 가능하며, 특히 호버링의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention is based on a quadrotor equipped with four motors, measures the attitude and motion of a vehicle using a 9-axis inertial navigation system, and controls a modular controller to realize a system having a high efficiency as well as a performance, This increases the stability of the rotor, which makes it easier to adjust / control the quad rotor, and in particular, improves hovering performance.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 쿼드로터 모형을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 쿼드로터 제어를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 쿼드로터 제어를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 쿼드로터의 자세를 제어하는 것을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 쿼드로터의 관성 센서를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복수 회전익을 구비한 비행체의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 쿼드 로터 자세 제어 시스템을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 쿼드로터 자세 제어 시스템에서 기울어진 상태의 축 방향 힘을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 쿼드로터 자세 제어 시스템에서 매트랩의 simulink 블록 리스트를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 쿼드로터 자세 제어 시스템을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 쿼드로터 자세 제어 시스템의 상태 변수에 따른 반응을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 쿼드로터 자세 제어 시스템을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 위치 제어부를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 자세 제어부를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 쿼드로터의 각 로터의 출력과 운동에 관한 블록선도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 쿼드로터 운동 상태를 결정하는 블록선도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 노이즈가 없는 상태에서 변위만 입력한 경우를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 노이즈만 있는 상태를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 20 및 도 21은 본 발명의 실시예에 따른 노이즈와 변위를 함께 입력한 경우를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 22 및 도 23은 본 발명의 실시예에 따른 3축에 모두 원하는 변위와 불규칙한 외란이 있는 상태를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 쿼드로터 자세 제어 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 쿼드로터 자세 제어 시스템의 입/출력 데이터를 나타낸 도이다.
1 is a diagram illustrating a quadrotor model according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a quadrotor control according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
3 is a view for explaining a quadrotor control according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining control of the posture of the quadrotor according to the embodiment of the present invention.
5 is a view illustrating an inertial sensor of a quadrotor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a flying body having a plurality of rotor blades according to an embodiment of the present invention.
7 is a view for explaining a quadrotor attitude control system according to an embodiment of the present invention.
8 is a view illustrating an axial force in a tilted state in the quad rotor position control system according to the embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating a simulink block list of a MATLAB in a quadrotor attitude control system according to an embodiment of the present invention.
10 is a view for explaining a quadrotor attitude control system according to an embodiment of the present invention.
11 is a view for explaining a reaction according to state variables of a quad rotor attitude control system according to an embodiment of the present invention.
12 is a view for explaining a quadrotor attitude control system according to an embodiment of the present invention.
13 is a view for explaining a position controller according to an embodiment of the present invention.
14 is a view for explaining a posture control unit according to an embodiment of the present invention.
15 is a block diagram of outputs and motions of respective rotors of a quad rotor according to an embodiment of the present invention.
16 is a block diagram for determining a quadrotor motion state according to an embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a view for explaining a case where only a displacement is input in a noise-free state according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 18 and 19 are diagrams for explaining a noise only state according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 20 and 21 are diagrams for explaining a case where noise and displacement are input together according to an embodiment of the present invention.
Figs. 22 and 23 are diagrams for explaining a state in which desired displacement and irregular disturbance are present in all three axes according to the embodiment of the present invention. Fig.
24 is a flowchart illustrating a control method of the quadrotor attitude control system according to the embodiment of the present invention.
25 is a diagram illustrating input / output data of a quadrotor attitude control system according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.It is noted that the technical terms used in the present invention are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. In addition, the technical terms used in the present invention should be construed in a sense generally understood by a person having ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless otherwise defined in the present invention, Should not be construed to mean, or be interpreted in an excessively reduced sense. In addition, when a technical term used in the present invention is an erroneous technical term that does not accurately express the concept of the present invention, it should be understood that technical terms that can be understood by a person skilled in the art can be properly understood. In addition, the general terms used in the present invention should be interpreted according to a predefined or prior context, and should not be construed as being excessively reduced.

또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.Furthermore, the singular expressions used in the present invention include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. The term "comprising" or "comprising" or the like in the present invention should not be construed as necessarily including the various elements or steps described in the invention, Or may further include additional components or steps.

또한, 본 발명에서 사용되는 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.Furthermore, terms including ordinals such as first, second, etc. used in the present invention can be used to describe elements, but the elements should not be limited by terms. Terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like or similar elements throughout the several views, and redundant description thereof will be omitted.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. It is to be noted that the accompanying drawings are only for the purpose of facilitating understanding of the present invention, and should not be construed as limiting the scope of the present invention with reference to the accompanying drawings.

멀티콥터는 중심축을 기준으로 같은 거리에 모터들을 배치할 수 있도록 프레임을 구성하고 모터와 로터를 부착한다. 보통 중심축에는 제어부, 전원부 및 배터리를 두어 공간을 확보하는 동시에 무게를 중심축에 더욱 집중시키는 형태로 제작한다.The multi-copter constructs the frame so that the motors can be arranged at the same distance with respect to the center axis, and attaches the motor and the rotor. Generally, the control unit, the power unit, and the battery are placed on the central axis to secure a space, and the weight is further concentrated on the central axis.

특히, 멀티콥터의 경우에는 상하좌우 운동이 자유롭기 때문에 회전익 소형 무인비행체의 플랫폼으로 인기가 있다. 멀티콥터의 경우 동력 장치가 최소 4개 이상이기 때문에 질량대비 출력이 좋아서 탑재할 수 있는 하중이 상대적으로 크다.Especially, multi-copter is popular as a platform of small unmanned aerial vehicle because it is free to move up and down and left and right. In the case of multi-copter, since there are at least 4 power units, the loads that can be mounted are relatively large because of the good output relative to the mass.

그만큼 에너지 소모도 크기는 하지만, 최근 배터리 기술의 발달과 성능 좋은 브러쉬리스 모터가 개발되면서 그 효율성이 더욱 증대되어 더욱 널리 보급되고 있다.Although the energy consumption is large, the efficiency of the brushless motor has been improved due to the development of battery technology.

도 1에 도시된 바와 같이, 멀티콥터(10)는 로터와 모터가 4개씩 장착된 쿼드로터이다. 쿼드로터(11)는 각각 모터축이 90도씩 배치된 형상이기 때문에 최소한의 모터를 사용해서 안정적인 비행 성능을 기대할 수 있다. 모터 회전에 대하여 쿼드로터는 도 2와 같이 반응한다.As shown in FIG. 1, the multi-copter 10 is a quadrotor having four rotors and four motors. Since the quad rotor 11 has a shape in which the motor shafts are arranged at 90 degrees each, stable flight performance can be expected using a minimum motor. As for the motor rotation, the quadrotor reacts as shown in FIG.

쿼드로터는 네 개의 블레이드의 회전 속도를 조절하여 그 출력으로 자세제어를 실시하는데, 상기 도 2는 이러한 자세가 어떻게 제어되는지를 설명한다. 상기 도 2의 (가)와 (나)는 각각 왼쪽과 오른쪽으로 회전하는 두 모터를 빠르게 회전시켜 오른쪽 또는 왼쪽으로 회전하도록 한다. 상기 도 2의 (다)는 모든 로터의 출력을 높여 고도 상승을 하도록 한다. 상기 도 2에서의 나머지 그림도 이러한 간단한 역학적인 원리로 6축 운동의 제어가 가능하다.The quadrotor adjusts the rotation speed of the four blades, and the output is controlled by the output. Fig. 2 illustrates how the attitude is controlled. FIGS. 2 (a) and 2 (b) show that the two motors rotating left and right rotate rapidly to rotate right or left, respectively. FIG. 2 (C) shows an elevation of the altitude by increasing the output of all the rotors. The remaining figures in FIG. 2 can also control the six-axis motion with this simple mechanical principle.

하지만, 보통 사용하는 쿼드로터 시스템은 회전에 관련된 제어만을 실시하는 것이 대부분이다. 즉, 운동하던 쿼드로터를 원하는 위치에 정확하게 정지를 하거나, 고정된 위치에서 호버링을 하기 위해서는 관성과 외력에 대해서 효율적으로 대처할 수 있는 능력 즉, 조종하는 사람의 감에 의존하게 된다.However, the quadrotor system usually used only controls the rotation. That is, depending on the feeling of the person who controls the ability to efficiently cope with the inertia and external force in order to accurately stop the quad rotor that is in motion, or hover at a fixed position.

즉, 쿼드로터의 자동화나 좀 더 편리한 제어를 위해서는 기존의 각도를 통한 제어가 아닌, 변위를 이용하여 쿼드로터를 제어 할 수 있는 제어기의 필요성을 시사한다. 더불어, 외란 입력을 통하여 외부의 충격이나 노이즈에도 대항할 수 있어야 한다.In other words, for the automation or more convenient control of the quadrotor, it suggests the necessity of the controller that can control the quadrotor using the displacement instead of the control through the existing angle. In addition, external disturbance input should be able to counteract external shocks and noise.

여기서, 상기 쿼드로터의 동역학적 모델링을 위한 전체 시스템은 다음과 같은 가정이 설정된 상태일 수 있다.Here, the entire system for dynamic modeling of the quadrotor may be set to the following assumption.

즉, 전체 시스템에서는 쿼드로터를 설계할 때 고려되는 일반적인 가정을 따른다.That is, the overall system follows the general assumptions considered when designing a quad rotor.

1. 쿼드로터는 강체이다.1. Quad rotors are rigid.

2. 관성 좌표계의 원점은 쿼드로터의 기하학적 중심과 같은 위치에 있다.2. The origin of the inertial coordinate system is at the same position as the geometric center of the quad rotor.

3. 저항과 쿼드로터의 무게는 비행 고도 및 기타 요인에 의해 영향을 받지 않는다.3. The resistance and weight of the quad rotor are not affected by flight altitude and other factors.

4. 모든 방향에서의 추력은 프로펠러 회전 속도의 제곱이 비례한다.4. The thrust in all directions is proportional to the square of propeller rotation speed.

도 3에 도시된 바와 같이, 좌표계에 따른 각 변수는 다음과 같이 정의한다.As shown in Fig. 3, each variable according to the coordinate system is defined as follows.

즉, 상기 도 3에 도시된 요각(Yaw angle, φ)은 X축과 OXY 평면에 정사영된 Ox 사이의 각도이고, 피치각(Pitch angle, θ)은 Z축과 OXY 평면에 정사영된 Oz 사이의 각도이고, 롤각(Roll angle, ψ)은 Y축과 OXY 평면에 정사영된 Oy 사이의 각도이다.3 is the angle between the X axis and the orthogonal axis Ox in the OXY plane and the pitch angle is the distance between the Z axis and the orthogonal Oz in the OXY plane And the roll angle (ψ) is the angle between the Y axis and Oxygen on the OXY plane.

또한, [수학식 1] 내지 [수학식 4]에 나타낸 바와 같이, 쿼드로터 좌표계(B)를 관성 좌표계(E)로 나타낼 수 있다.Further, as shown in the equations (1) to (4), the quadrotor coordinate system B can be expressed by the inertia coordinate system E.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

Figure pat00003
Figure pat00003

Figure pat00004
Figure pat00004

도 4는 쿼드로터와 관성 좌표계 간의 관계를 나타낸 도이다.4 shows the relationship between the quadrotor and the inertial coordinate system.

R(φ, θ, ψ)은 관성 좌표계(E)에 대한 변환된 쿼드로터의 좌표계(B)이다.R (φ, θ, ψ) is the coordinate system (B) of the transformed quadrotor for the inertial coordinate system (E).

또한, 제어 변수 및 상수는 다음과 같이 정의할 수 있다.In addition, the control variables and constants can be defined as follows.

즉, [수학식 5]는 쿼드로터가 받는 외란을 나타낸다.That is, [Equation (5)] represents the disturbance received by the quadrotor.

Figure pat00005
Figure pat00005

또한, [수학식 6]은 쿼드로터의 속력을 나타낸다.Equation (6) represents the speed of the quadrotor.

Figure pat00006
Figure pat00006

또한, [수학식 7]은 쿼드로터의 질량을 나타낸다.Equation (7) represents the mass of the quad rotor.

Figure pat00007
Figure pat00007

또한, [수학식 8]은 쿼드로터의 중심의 각속도를 나타낸다.Equation (8) represents the angular velocity of the center of the quad rotor.

Figure pat00008
Figure pat00008

또한, [수학식 9]는 각 로터에서의 저항을 나타낸다.Further, Equation (9) represents the resistance in each rotor.

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서, 상기 변수 D는 항력(drag force)을 나타내고, 상기 변수 Cd는 항력의 계수(coefficient)를 나타내고, 상기 변수 v는 쿼드로터의 속도를 나타내고, 상기 변수 S는 유효 드래그 영역(effective drag area)을 나타낸다.Wherein the variable D represents a drag force, the variable Cd represents a coefficient of drag, the variable v represents a velocity of the quadrotor, the variable S represents an effective drag area, .

또한, [수학식 10]은 각 로터의 출력을 나타낸다.Further, the expression (10) represents the output of each rotor.

Figure pat00010
Figure pat00010

여기서, 상기 변수 Ct는 트러스트 계수(trust coefficient)를 나타내고, 상기 변수 ρ는 공기 밀도(air density)를 나타내고, 상기 변수 A는 로터 디스크 영역을 나타내고, 상기 변수 R은 블레이드 반경(blade radius)을 나타낸다.Wherein the variable Ct represents a trust coefficient, the variable p represents an air density, the variable A represents a rotor disk region, and the variable R represents a blade radius .

또한, [수학식 11] 내지 [수학식 14]와 같이, 각 운동 요소를 근거로 움직임을 제어할 수 있는 요소들을 정의한다.In addition, as shown in [Equation 11] to [Equation 14], elements capable of controlling motion based on each motion element are defined.

Figure pat00011
Figure pat00011

Figure pat00012
Figure pat00012

Figure pat00013
Figure pat00013

Figure pat00014
Figure pat00014

상기 [수학식 11] 내지 [수학식 14]를 행렬 형태로 풀어서 정리하면 다음의 [수학식 15]와 같다.The above equations (11) to (14) are solved in the form of a matrix and are summarized as the following equation (15).

Figure pat00015
Figure pat00015

또한, 쿼드로터의 뉴턴의 제 2 법칙과 역학 방정식은 다음의 [수학식 16]과 같은 벡터 형태로 나타낼 수 있다.In addition, the second law and the dynamics equation of Newton of the quadrotor can be expressed in a vector form as shown in the following Equation (16).

Figure pat00016
Figure pat00016

여기서, 상기

Figure pat00017
는 외부에서 가해지는 힘, 즉 외란에 의한 힘을 나타낸다. 또한, 상기 변수 m은 쿼드로터의 질량을 나타내고, 상기 변수
Figure pat00018
는 쿼드로터의 속력을 나타낸다.Here,
Figure pat00017
Represents the force exerted from outside, that is, the force due to disturbance. Further, the variable m represents the mass of the quadrotor, and the variable < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00018
Represents the speed of the quad rotor.

또한, 쿼드로터의 모멘트(

Figure pat00019
)와 관성 좌표계에 의한 각운동량(
Figure pat00020
)은 다음의 [수학식 17]과 같은 형태로 나타낸다.Also, the moment of the quad rotor (
Figure pat00019
) And angular momentum by the inertial coordinate system (
Figure pat00020
) Is expressed by the following equation (17).

Figure pat00021
Figure pat00021

또한, 각 축으로의 힘을 형성과 시스템의 특성을 반영하여 정리하면 다음의 [수학식 18] 내지 [수학식 20]과 같다.In addition, the forces on the respective axes are summarized by reflecting the characteristics of the system and the system, as shown in the following equations (18) to (20).

Figure pat00022
Figure pat00022

Figure pat00023
Figure pat00023

Figure pat00024
Figure pat00024

또한, 상기 [수학식 18] 내지 [수학식 20]에 나타낸 힘을 근거로 쿼드로터의 뉴턴의 제 2 법칙 운동 방정식은 다음의 [수학식 21] 내지 [수학식 23]과 같다.Further, based on the forces shown in the equations (18) to (20), the second law of motion equation of the quadrotor is expressed by the following equations (21) to (23).

Figure pat00025
Figure pat00025

Figure pat00026
Figure pat00026

Figure pat00027
Figure pat00027

여기서, 상기 변수들인

Figure pat00028
은 공기 저항을 나타내며, 네 개의 로터를 가지고 있기 때문에 상기 [수학식 21] 내지 [수학식 23]과 같이 나타낼 수 있다.Here,
Figure pat00028
Represents the air resistance, and has four rotors, it can be expressed by the following equations (21) to (23).

또한, 관성 좌표계의 각과 쿼드로터 좌표계의 각속도 관계는 다음의 [수학식 24]와 같다.In addition, the angular velocity relationship between the angle of the inertial coordinate system and the quadrotor coordinate system is expressed by the following equation (24).

Figure pat00029
Figure pat00029

또한, 상기 [수학식 24]를 변수 ψ에 관한 식으로 정리하면, [수학식 25] 및 [수학식 26]을 통해 정리할 수 있다.In addition, the above equation (24) can be summarized by the following equation (25) and (26).

Figure pat00030
Figure pat00030

Figure pat00031
Figure pat00031

Figure pat00032
Figure pat00032

Figure pat00033
Figure pat00033

Figure pat00034
Figure pat00034

상기 [수학식 26]을 이용하여 나머지를 정리하면 다음의 [수학식 27]을 얻을 수 있다.The following equation (27) can be obtained by summarizing the remainder using the above equation (26).

Figure pat00035
Figure pat00035

쿼드로터가 대칭적인 형성을 가지고 있는 경우, 쿼드로터의 관성모멘트는 대각선 행렬인 다음의 [수학식 28]로 나타낼 수 있다.If the quad rotor has a symmetrical formation, the moment of inertia of the quadrotor can be represented by the following equation (28), which is a diagonal matrix.

Figure pat00036
Figure pat00036

또한, 모멘트와 각속도, 각가속도의 관계식은 다음의 [수학식 29] 내지 [수학식 31]로 나타낼 수 있다.Further, the relational expression of the moment, the angular velocity and the angular acceleration can be expressed by the following equations (29) to (31).

Figure pat00037
Figure pat00037

Figure pat00038
Figure pat00038

Figure pat00039
Figure pat00039

Figure pat00040
Figure pat00040

Figure pat00041
Figure pat00041

Figure pat00042
Figure pat00042

Figure pat00043
Figure pat00043

Figure pat00044
Figure pat00044

또한, 상기 [수학식 29] 내지 [수학식 31]을 행렬 형태로 정리하면 다음의 [수학식 32]와 같이 나타낼 수 있다.The above equations (29) to (31) can be summarized in a matrix form as shown in the following equation (32).

Figure pat00045
Figure pat00045

또한, 관성계의 SISO 시스템의 각가속도는 다음의 [수학식 33]과 같이 나타낼 수 있다.Also, the angular acceleration of the SISO system of the inertial system can be expressed by the following equation (33).

Figure pat00046
Figure pat00046

또한, 상기 [수학식 21] 내지 [수학식 33]에 따른 운동 방정식을 정리하면 다음의 [수학식 34] 내지 [수학식 45]와 같다.In addition, the equation of motion according to the equations (21) to (33) is summarized as the following equations (34) to (45).

Figure pat00047
Figure pat00047

Figure pat00048
Figure pat00048

Figure pat00049
Figure pat00049

Figure pat00050
Figure pat00050

Figure pat00051
Figure pat00051

Figure pat00052
Figure pat00052

Figure pat00053
Figure pat00053

Figure pat00054
Figure pat00054

Figure pat00055
Figure pat00055

Figure pat00056
Figure pat00056

Figure pat00057
Figure pat00057

Figure pat00058
Figure pat00058

상기 [수학식 34] 내지 [수학식 45]에 따른 변수들은 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)의 입력값으로 사용된다.The parameters according to Equations (34) to (45) are used as input values of the quad rotor attitude control system 100.

또한, 호버링(hovering) 상태에서 측정된 가속도는 다음의 [수학식 46]과 같다.In addition, the acceleration measured in the hovering state is expressed by the following equation (46).

Figure pat00059
Figure pat00059

이때, 상기 가속도는 축 방향으로의 가속도가 아니다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 센서(또는 관성 센서, Inertial Navigation Unit Sensor: IMU)의 기울기의 수평한 방향으로 가속도가 측정된 것이기 때문에, 중력의 영향을 고려해야 한다.At this time, the acceleration is not the acceleration in the axial direction. That is, as shown in FIG. 5, since the acceleration is measured in the horizontal direction of the inclination of the sensor (or the inertial navigation unit sensor: IMU), the effect of gravity must be considered.

또한, 6축 운동을 하기 때문에, 축 방향으로의 가속도만을 고려하기 위해서 회전에 의한 가속도를 고려해야 하지만 상기 센서를 무게 중심에 장착을 하면, 축 방향의 가속도는 다음의 [수학식 47]과 같다. 단, 상기 센서에서 각 축마다 필터링을 통하여 미리 설정된 매우 정확한 각도를 계산하는 것으로 가정한다.In addition, in order to consider the acceleration in the axial direction, the acceleration due to the rotation must be considered. However, when the sensor is mounted at the center of gravity, the acceleration in the axial direction is expressed by the following equation (47). However, it is assumed that the sensor calculates a very precise angle preset through filtering for each axis.

Figure pat00060
Figure pat00060

이와 같은 내용을 근거로 외란에 의해 발생된 변위는 각 축에서 발생된 가속도를 두 번 적분하면 구할 수 있다.Based on this, the displacement caused by the disturbance can be obtained by integrating the acceleration generated in each axis twice.

따라서, 상기 변위를 보상하는 제어기를 추가함으로써, 호버링 시 외부의 힘에 의한 흐름 현상을 보상할 수 있다.Therefore, by adding a controller for compensating for the displacement, it is possible to compensate the flow phenomenon due to external force when hovering.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)의 세부 구성을 나타낸 도이다.FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of a quadrotor attitude control system 100 according to an embodiment of the present invention. FIG. 7 is a diagram illustrating a detailed configuration of a quadrotor attitude control system 100 according to an embodiment of the present invention. to be.

도 6에 도시된 바와 같이, 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)은 위치 제어부(110), 자세 제어부(120), 쿼드 로터 제어부(130) 및 센서부(140)로 구성된다. 도 6에 도시된 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)의 구성 요소 모두가 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 6에 도시된 구성 요소보다 많은 구성 요소에 의해 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)이 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성 요소에 의해서도 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)이 구현될 수도 있다.6, the quadrotor attitude control system 100 includes a position control unit 110, a posture control unit 120, a quadrotor control unit 130, and a sensor unit 140. Not all of the components of the quad rotor attitude control system 100 shown in Fig. 6 are required, and the quad rotor attitude control system 100 may be implemented by more components than the components shown in Fig. 6 And the quad rotor attitude control system 100 may be implemented by fewer components.

상기 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)에서 호버링 시 외란에 의한 변위(displacement)를 보상하기 위해서는 상기 자세 제어부(120)에 변위를 기반으로 변위에 따라 자세를 결정할 수 있는 제어 시스템으로 확장되어야 한다.As shown in FIG. 7, in order to compensate displacement due to disturbance in hovering in the quadrotor attitude control system 100, the attitude controller 120 may determine the attitude according to the displacement based on the displacement The control system must be extended.

즉, 뒤쪽으로 밀려날 경우 다시 앞으로 갈 수 있도록 앞으로 기울어져 앞으로 갈 수 있는 가속도를 얻을 수 있는 자세를 결정하여 상기 자세 제어부(120)에 그 값을 입력해줘야 한다.In other words, when it is pushed backward, it is necessary to input the value to the posture control unit 120 by determining the posture in which the forward acceleration can be obtained by leaning forward so as to go forward.

따라서, 상기 도 7과 같은 상기 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)으로 구성할 수 있다.Accordingly, the quadrotor attitude control system 100 shown in FIG. 7 can be used.

또한, 자세 제어 시스템에 위치 제어 시스템까지 설계하면 너무 복잡하고 직관적이지 않음에 따라, 검증에 있어서 어떤 부분에서 문제가 발생되었는지 파악하기 어렵고, 그에 따라 유지 및 보수에 문제가 발생하게 된다.In addition, designing up to the position control system in the attitude control system is not so complicated and intuitive, and it is difficult to know which part of the verification has caused the problem, thereby causing maintenance and repair problems.

하지만, 상기 도 6 및 도 7과 같이 상기 위치 제어부(110)와 상기 자세 제어부(120)를 따로 설계하면 설계가 간단해지며, 각각의 제어부의 성능과 신뢰를 분석하기 쉬우며, 각각의 제어부의 성능을 개선하기도 용이하다.However, if the position control unit 110 and the posture control unit 120 are separately designed as shown in FIGS. 6 and 7, the design is simplified and it is easy to analyze the performance and reliability of each control unit. It is also easy to improve performance.

또한, 상기 위치 제어부(110)와 상기 자세 제어부(120)의 상관 관계를 분석해보면, 상기 위치 제어부(110)가 상위 개념에 해당한다. 즉, 상기 위치 제어부(110)는 상기 자세 제어부(120)를 이용해서 원하는 곳에 호버링을 하기 때문에 상기 위치 제어부(110)는 상기 자세 제어부(120)를 이용하는 것으로 고려할 수 있다. 따라서, 상기 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)은 평면적인 것이 아니라 상기 위치 제어부(110)가 상기 자세 제어부(120)를 내포하고 있는 것으로 볼 수 있다.When the correlation between the position control unit 110 and the posture control unit 120 is analyzed, the position control unit 110 corresponds to an upper concept. That is, since the position control unit 110 performs hovering at a desired position using the posture control unit 120, the position control unit 110 can be considered to use the posture control unit 120. Therefore, the quadrotor attitude control system 100 is not planar, but the position control unit 110 may include the attitude control unit 120.

도 8에 도시된 바와 같이, ZX 평면상에 기울어진 상태로 있는 쿼드 로터에서, 4개의 로터에 의해 X축 방향으로 받는 힘을 F라고 한다면, F의 크기는 다음의 [수학식 48]과 같다.As shown in FIG. 8, in a quadrotor tilted on the ZX plane, if the force received by the four rotors in the X axis direction is F, the magnitude of F is expressed by the following equation (48) .

Figure pat00061
Figure pat00061

여기서, 상기 각도는 X축에거 기울어진 각도이다.Here, the angle is an angle to the X axis.

또한, [수학식 49]로 표시되는 뉴턴의 2법칙은 라플라스 변환에 의해 [수학식 50]으로 나타낼 수 있다.Further, the Newton's two laws represented by the equation (49) can be expressed by the equation (50) by the Laplace transform.

Figure pat00062
Figure pat00062

Figure pat00063
Figure pat00063

또한, 상기 [수학식 50]을 [수학식 48]에 대입하여 정리하면 다음의 [수학식 51]과 같이 나타낼 수 있다.In addition, by substituting the above expression (50) into the expression (48), the expression can be expressed as the following expression (51).

Figure pat00064
Figure pat00064

또한, 상기 [수학식 51]을 각도에 대입하여 정리하면 다음의 [수학식 52]과 같다.In addition, the above equation (51) is substituted for the angle and is summarized as the following equation (52).

Figure pat00065
Figure pat00065

또한, 상기 [수학식 52]는 이동해야 할 거리와 4개 로터의 출력에 의해 각도가 결정되는 것을 나타낸다. 즉, 이동해야할 거리가 멀면 각도가 커지고, 로터의 출력이 크다면 각도는 작아지는 것을 나타낸다.The equation (52) indicates that the angle is determined by the distance to be moved and the output of four rotors. That is, when the distance to be moved is long, the angle becomes large, and when the output of the rotor is large, the angle becomes small.

또한, 상기 [수학식 52]를 X축, Y축에 대해서 정의하면 다음의 [수학식 53]과 같다.Further, if the above expression (52) is defined for the X axis and the Y axis, the following expression (53) is obtained.

Figure pat00066
Figure pat00066

상기 [수학식 53]은 두 축에 관하여 정리한 것이다. 여기서, 싸이각(phi angle)이 고려되지 않았는데, 이는 자세 제어의 관점에서 상의되어야 할 사항이며, 흐름 현상 관점에서는 논의되지 않는다.The above equation (53) is summarized for the two axes. Here, the phi angle is not considered, which should be discussed in terms of attitude control and is not discussed from the viewpoint of the flow phenomenon.

또한, 고도 제어는 4개 로터의 합력에 의해 고도가 제어되고, 비행체의 자세가 결정되기 때문에 중요한 요소이다.In addition, the altitude control is an important factor because the altitude is controlled by the resultant force of the four rotors and the posture of the aircraft is determined.

또한, 본 발명의 실시예에서는 PID 제어를 통해 고도 제어를 수행한다.Also, in the embodiment of the present invention, the altitude control is performed through the PID control.

또한, 상기 [수학식 53]은 하나의 문제가 있으며, 이는 이동해야할 목표 거리가 아주 먼 경우(무한은 존재하지 않음) 각도가 90도가 나오기 때문에 안정한 제어 시스템으로써의 의미가 없어진다. 즉, 위치 제어부가 쿼드로터를 불안정하게 할 수 있는 요소를 제거해줘야 함을 의미하며, 이는 도출되는 값에 한계를 줌으로써 해결할 수 있다.Also, there is one problem in the above equation (53), which is meaningless as a stable control system because the angle is 90 degrees when the target distance to move is very long (there is no infinity). In other words, it means that the position control unit must remove the factor that can make the quad rotor unstable, which can be solved by limiting the derived value.

또한, 각도에 제한을 주면 정상 상태에 도달하는 시간은 줄어들 수 있지만 시스템이 급격하게 반응하는 것을 완벽하게 해결할 수 있다. 상기 한계값은 어떠한 이론에 의한 수치가 아닌 누적된 실험값에 의해서 구할 수 있다.Also, by limiting the angle, the time to reach steady state can be reduced, but the system is able to completely resolve the sudden reaction. The limit value can be obtained by an accumulated experimental value rather than a numerical value.

상기 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)의 구현 및 검증은 매트랩(matlab)의 시뮬링크(simulink)를 이용하여 수행한다. 이때, 상기 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)은 블록선도로 구성하며, 상기 블록선도들은 본 발명에 따른 실시 조건에 따라 설정(또는 구성)한다.The implementation and verification of the quadrotor attitude control system 100 is performed using a simulink of matlab. At this time, the quadrotor attitude control system 100 is configured by a block diagram, and the block diagrams are set (or configured) according to the conditions according to the present invention.

상기 시뮬링크는 매트랩의 내부 프로그램 중 하나로, GUI(Graphic User Interface)에 의거하여 시스템을 설계하여,, 각종 데이터를 설계한 시스템에 삽입하여 결과를 그래프나 데이터로 확인할 수 있는 툴(tool)이다.The Simulink is one of the internal programs of MATLAB. It is a tool for designing a system based on a GUI (Graphic User Interface), inserting various data into the designed system, and checking the results by graph or data.

또한, 도 9는 상기 시뮬링크를 실행한 화면이다.9 is a screen on which the simulation is executed.

상기 도 9에 도시된 바와 같이, 해당 블록들은 신호를 생성하거나 연산을 수행하고, 또 해당 결과를 표시한다. 각 블록들을 조합하여 제어 신호를 생성하고, 또 상기 생성된 제어 신호를 분석함으로써 상기 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)에 포함된 구성 요소들의 성능을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 9, the blocks generate a signal, perform an operation, and display a corresponding result. The performance of the components included in the quadrotor attitude control system 100 can be confirmed by combining the respective blocks to generate control signals and analyzing the generated control signals.

도 10의 블록선도는 [수학식 54]와 같은 상태 방정식을 구현한 것이다.The block diagram of FIG. 10 implements the state equation as shown in Equation (54).

Figure pat00067
Figure pat00067

상기 도 10에 도시된 바와 같이, 2개의 적분기를 사용하고, 피드백을 수행한다.As shown in FIG. 10, two integrators are used and feedback is performed.

또한, 상기 도 10에 도시된 가장 오른쪽에 있는 블록 스코프(scope)는 상기 블록에서의 결과 값을 그래프로 표시한다.In addition, the rightmost block scope shown in FIG. 10 graphically displays the result in the block.

도 11은 초기값을 2로 입력한 상기 [수학식 54]의 상태 방정식에 해당하는 시스템에서의 시스템 반응을 그래프로 출력한 화면이다. 이때, 두 번의 음성 피드백을 넣었기 때문에 0에 수렴할 것이라는 예상에 맞게 시스템이 반응한 것을 확인할 수 있다.FIG. 11 is a graph showing a system response in a system corresponding to the state equation of Equation (54) that is input with an initial value of 2 as a graph. At this time, we can see that the system reacted to the expectation that it would converge to zero because we put in two spoken feedbacks.

이와 같은 방법으로, 본 발명에 따른 상기 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)이 시뮬링크 상에서 설계될 수 있다. 즉, 상기 [수학식 54]의 상태 방정식과 제어에 사용될 방정식을 단지 시뮬링크에서 제공하는 블록으로 표현한 것이기 때문에 각 구성 요소에서의 설계 방법은 구체적으로 다루지 않는다.In this way, the quadrotor attitude control system 100 according to the present invention can be designed on a simulink. That is, since the state equations in Equation (54) and the equations to be used for control are expressed by only the blocks provided by Simulink, the design method in each component is not specifically discussed.

도 12는 상기 도 6 또는 상기 도 7에서 제시한 블록 다이어그램을 시뮬링크에 구현한 도이다.FIG. 12 is a block diagram of FIG. 6 or FIG. 7 implemented in a simulink.

상기 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 위치 제어부(110)의 입력으로 X, Y, Z 및 회전각(또는 파이값)이 들어가고, 상기 쿼드 로터 제어부(130)의 출력으로 각 모터의 출력과 X, Y, Z의 변위 및 각 축에서의 기울기가 나온다.As shown in FIG. 12, X, Y, Z and a rotation angle (or a pie value) are input to the position control unit 110 and the output of each motor and X , The displacements of Y and Z, and the slope at each axis.

또한, 각 축에 평행한 방향으로 충격(또는 가속도)가 입력되도록 구성한다.In addition, an impact (or an acceleration) is inputted in a direction parallel to each axis.

도 13은 상기 위치 제어부(110)를 시뮬링크로 구현한 도이다.13 is a diagram illustrating the position controller 110 as a simulator.

상기 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 위치 제어부(110)는 각각의 성분에 대해서 에러를 검출하고, 두 번 적분한 다음, 앞서 구한 상태 방정식을 적용한 후에, 한계값을 검출하고, 신호를 출력한다.As shown in FIG. 13, the position controller 110 detects an error for each component, integrates twice, applies a state equation obtained previously, and then detects a limit value and outputs a signal .

도 14는 상기 자세 제어부(120)를 시뮬링크로 구현한 도이다.FIG. 14 is a diagram illustrating the posture control unit 120 implemented as a simulation.

상기 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 자세 제어부(120)는 각각의 성분에 대해서 에러를 검출하고, PID 제어 기능을 수행한 후, 모터 제어 신호를 출력한다.As shown in FIG. 14, the posture control unit 120 detects an error for each component, performs a PID control function, and outputs a motor control signal.

도 15는 각 로터의 출력과 운동에 관한 블록선도이고, 도 16은 운동 상태를 결정하는 블록선도이다.FIG. 15 is a block diagram of the output and motion of each rotor, and FIG. 16 is a block diagram for determining the motion state.

즉, 상기 도 15 및 도 16은 다음의 [수학식 55] 내지 [수학식 57]에 대응하는 블록선도이다.That is, FIGS. 15 and 16 are block diagrams corresponding to the following equations (55) to (57).

Figure pat00068
Figure pat00068

Figure pat00069
Figure pat00069

Figure pat00070
Figure pat00070

도 17은 외란이 없는 상태에서 쿼드 로터의 반응(또는 노이즈가 없는 상태에서 변위만 입력되는 경우의 반응)을 나타낸다. 이때, 상기 도 17에 도시된 바와 같이, 원하던 곳의 위치가 점선일 때, 쿼드 로터는 해당 부분으로 수렴하는 모습을 나타낸다. 즉, 자세 기반 제어가 아닌 위치 기반 제어가 이루어짐을 확인할 수 있다.17 shows the reaction of the quadrotor in the absence of disturbance (or the reaction in the case where only displacement is input in the state of no noise). At this time, as shown in FIG. 17, when the desired position is a dotted line, the quad rotor shows convergence to the corresponding portion. That is, it can be confirmed that the position-based control is performed instead of the posture-based control.

도 18은 호버링 상태에서, 즉 현재 위치를 고수하고자 할 때, 계단 함수 형식으로 외란이 주어질 경우(또는 노이즈만 있고 변위가 0인 경우), 그 힘에 저항하고 있는 상태를 나타낸다.Fig. 18 shows a state in which a disturbance is given in the form of a step function (or only noise and the displacement is 0) in the hovering state, that is, when the current position is stuck, and the state is resisting the force.

도 19는 Y축이 현재 위치를 고수하고자 할 때, 불규칙한 외란이 주어질 경우 그 힘에 저항하고 있는 상태를 나타낸다.FIG. 19 shows a state in which the Y-axis resists the force when an irregular disturbance is given when the Y-axis tries to stick to the current position.

도 20은 X축에 원하는 변위와 불규칙한 외란이 주어진 경우(또는 노이즈와 변위가 함께 입력된 경우), 그 힘에 저항하며 주어진 변위로 이동하고 있는 상태를 나타낸다.FIG. 20 shows a state in which a desired displacement and an irregular disturbance are given to the X axis (or noise and displacement are input together), and the state is moving to a given displacement in resistance to the force.

도 21은 Y축에 원하는 변위와 불규칙한 외란이 주어진 경우(또는 노이즈와 변위가 함께 입력된 경우), 그 힘에 저항하며 주어진 변위로 이동하고 있는 상태를 나타낸다.FIG. 21 shows a state in which a desired displacement and an irregular disturbance are given to the Y-axis (or noise and displacement are input together), and a state is being resolved against the force and moving to a given displacement.

도 22 및 도 23은 3축에 모두 원하는 변위와 불규칙한 외란이 주어진 경우(또는 3축에서의 노이즈와 변위 입력이 있는 경우), 각각 축의 변위가 주어진 불규칙한 외란에 저항하며 주어진 변위로 수렴하고 있는 상태를 나타낸다.Figs. 22 and 23 show the case where the desired displacement and irregular disturbance are given in all three axes (or noise and displacement input in the three axes), respectively, and the state in which the displacement of the axes converges to a given displacement in response to a given irregular disturbance .

이러한 시뮬링크를 통한 테스트에서와 같이, 상기 쿼드 로터 자세 제어 시스템(100)은 미리 레벨이 설정된 제어부(예를 들어 상기 위치 제어부(110))의 신뢰성을 확보한 다음, 다른 레벨이 설정된 다른 제어부(예를 들어 상기 자세 제어부(120))를 설계하여, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.The quadrotor attitude control system 100 ensures reliability of a control unit (for example, the position control unit 110) that has been set in advance, as in the test through the simulation, The posture control unit 120) can be designed to improve reliability.

또한, 독립된 모듈화된 복수의 제어부(예를 들어 상기 위치 제어부(110), 상기 자세 제어부(120) 등 포함)를 통해, 어떤 문제가 발생했을 때 그 문제가 어떤 부분에서 일어났는지 파악하기 용이할 수 있다.In addition, it is easy to determine which part of the problem occurred when a problem occurred through a plurality of independent modular control units (for example, the position control unit 110 and the posture control unit 120) have.

또한, 상기 위치 제어부(110) 및 상기 자세 제어부(120)는 다음의 [수학식 58] 내지 [수학식 67]을 근거로 변위에 관해서 자세를 결정할 수 있는 제어식을 완성(또는 생성)한다.The position control unit 110 and the posture control unit 120 complete (or generate) a control formula that can determine the posture with respect to the displacement based on the following Expressions (58) to (67).

즉, [수학식 58]은 X축 상에서의 뉴턴 식을 나타낸다.That is, [Expression 58] represents a Newton equation on the X axis.

Figure pat00071
Figure pat00071

또한, [수학식 59]는 기체의 추력과 질량에 관한 식으로 상기 [수학식 58]을 정리한 식이다.The equation (59) is an equation for the thrust and mass of the gas, and is an equation summarizing the above equation (58).

Figure pat00072
Figure pat00072

여기서, U1은 쿼드 로터의 출력을 나타낸다.Here, U 1 represents the output of the quadrotor.

또한, [수학식 60]은 상기 [수학식 59]를 세타각(또는 진행하고자하는 각도)에 대해서 정리한 식이다.Equation (60) is an equation summarizing the above-mentioned Equation (59) with respect to theta angle (or an angle to proceed).

Figure pat00073
Figure pat00073

Figure pat00074
Figure pat00074

여기서, 상기 [수학식 60]은 다음과 같은 물리적 의미를 포함한다.Here, the above equation (60) includes the following physical meaning.

즉, 상기 [수학식 60]은That is, Equation (60)

ⅰ) 큰 가속도를 얻기 위해서는 큰 기울임 각이 필요하다.I) A large tilt angle is required to obtain a large acceleration.

ⅱ) 질량이 크다면, 큰 기울임 각이 필요하다.Ii) If the mass is large, a large tilt angle is required.

ⅲ) 모터 출력이 크다면, 필요한 각도는 줄어들게 된다.Iii) If the motor output is large, the required angle is reduced.

또한, 가속도를 다른 변수로 치환하는 경우(예를 들어 [수학식 62]와 같이 변수를 치환하는 경우), 물리적인 특성을 유지하면서 새로운 변수에 대한 기울임 각을 얻을 수 있다.In addition, when the acceleration is replaced with another variable (for example, when the variable is replaced as in [Equation 62]), the inclination angle for the new variable can be obtained while maintaining the physical characteristics.

즉, [수학식 65]는 [수학식 62]에서 치환한 변수를 PID 제어 신호값으로 치환하는 경우, u(t)는 [수학식 63]과 [수학식 64]로 나타낼 수 있다.That is, when replacing the variable substituted in Equation 62 with the PID control signal value, u (t) can be expressed by Equation (63) and Equation (64).

Figure pat00075
Figure pat00075

Figure pat00076
Figure pat00076

Figure pat00077
Figure pat00077

Figure pat00078
Figure pat00078

또한, [수학식 60]에 치환환 변수를 입력하면, 변위에 관해서 자세를 결정할 수 있는 제어식인 다음의 [수학식 66]을 완성할 수 있다.Further, when the substitution ring parameter is input to the expression (60), the following expression (66) can be completed which can determine the posture with respect to the displacement.

Figure pat00079
Figure pat00079

Figure pat00080
Figure pat00080

여기서, 상기 [수학식 66]은 다음과 같은 물리적 의미를 포함한다.Here, the expression (66) includes the following physical meaning.

즉, 상기 [수학식 66]은That is, Equation (66)

ⅰ) 질량이 크다면, 큰 기울임 각이 필요하다.I) If the mass is large, a large tilt angle is required.

ⅱ) 모터의 출력이 크다면, 필요한 기울임 각이 줄어든다.Ii) If the motor output is large, the required tilt angle is reduced.

ⅲ) 신호의 세기가 커진다면, 기울임 각이 더 커진다.Iii) If the intensity of the signal increases, the tilt angle becomes larger.

상기 위치 제어부(또는 위치 제어 시스템)(110)는 X축을 기준으로 제 1 참조값 및 이전 변위값(또는 X축과 관련한 이전 변위값)을 수신한다(또는 입력받는다).The position control unit (or position control system) 110 receives (or receives) the first reference value and the previous displacement value (or the previous displacement value related to the X axis) based on the X axis.

또한, 상기 위치 제어부(110)는 상기 수신된 제 1 참조값 및 이전 변위값을 근거로 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 위치 제어를 위한 제 1 세타 참조값 및 이전 루프에서의 세타값을 출력한다.Also, the position controller 110 outputs a first set of reference values for controlling the position of the quadrotor and a set of set values of the previous set through the PID control function based on the received first reference value and the previous set value.

또한, 상기 위치 제어부(110)는 Y축을 기준으로 제 2 참조값 및 이전 변위값(또는 Y축과 관련한 이전 변위값)을 수신한다.Also, the position controller 110 receives the second reference value and the previous displacement value (or the previous displacement value related to the Y axis) based on the Y axis.

또한, 상기 위치 제어부(110)는 상기 수신된 제 2 참조값 및 이전 변위값을 근거로 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 위치 제어를 위한 제 1 싸이 참조값 및 이전 루프에서의 싸이값을 출력한다.Also, the position controller 110 outputs a first Cy reference value for controlling the position of the quadrotor and a Cy value in the previous loop through the PID control function based on the received second reference value and the previous displacement value.

또한, 상기 위치 제어부(110)는 Z축을 기준으로 제 3 참조값 및 이전 변위값(또는 Z축과 관련한 이전 변위값)을 수신한다.Also, the position controller 110 receives the third reference value and the previous displacement value (or the previous displacement value related to the Z axis) with reference to the Z axis.

또한, 상기 위치 제어부(110)는 상기 수신된 제 3 참조값 및 이전 변위값을 근거로 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 위치 제어를 위한 제 1 파이 참조값 및 이전 루프에서의 파이값을 출력한다.Also, the position controller 110 outputs a first pi reference value for position control of the quadrotor and a pi value in the previous loop through the PID control function based on the received third reference value and the previous displacement value.

상기 자세 제어부(또는 자세 제어 시스템)(120)는 상기 위치 제어부(110)로부터 출력되는 상기 제 1 세타 참조값 및 이전 세타값을 수신한다.The posture control unit (or attitude control system) 120 receives the first theta reference value and the previous theta value output from the position control unit 110.

또한, 상기 자세 제어부(120)는 상기 제 1 세타 참조값 및 이전 세타값을 근거로 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 자세 제어를 위한 제 1 모터 제어 신호를 출력한다.The posture controller 120 outputs a first motor control signal for controlling the posture of the quadrotor through the PID control function based on the first theta reference value and the previous theta value.

또한, 상기 자세 제어부(120)는 Y축을 기준으로 상기 위치 제어부(110)로부터 각각 출력되는 제 1 싸이 참조값 및 이전 루프에서의 싸이값을 근거로 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 자세 제어를 위한 제 2 모터 제어 신호를 출력한다.In addition, the posture control unit 120 controls the posture of the quadrotor through the PID control function based on the first Cy reference value output from the position control unit 110 and the Cy value in the previous loop, 2 Output the motor control signal.

또한, 상기 자세 제어부(120)는 Z축을 기준으로 상기 위치 제어부(110)로부터 각각 출력되는 제 1 파이 참조값 및 이전 루프에서의 파이값을 근거로 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 자세 제어를 위한 제 3 모터 제어 신호를 출력한다.In addition, the posture control unit 120 may control the posture of the quad rotor through the PID control function based on the first pie reference value output from the position control unit 110 and the pie value in the previous loop, 3 Output the motor control signal.

또한, 상기 자세 제어부(120)는 상기 X축에 대한 제 1 모터 제어 신호, 상기 Y축에 대한 제 2 모터 제어 신호 및 상기 Z축에 대한 제 3 모터 제어 신호를 결합하여 하나의 모터 제어 신호를 출력할 수도 있다.The posture controller 120 combines the first motor control signal for the X axis, the second motor control signal for the Y axis, and the third motor control signal for the Z axis to generate one motor control signal Output.

본 발명에 따른 상기 위치 제어부(110) 및 상기 자세 제어부(120)의 PID 제어에서 사용되는 PID 계수는 질량 관성 모멘트 등의 물성치를 근거로 최적화된 값일 수 있다.The PID coefficient used in the PID control of the position control unit 110 and the posture control unit 120 according to the present invention may be an optimized value based on physical properties such as a mass moment of inertia.

상기 쿼드 로터 제어부(또는 쿼드 로터 시스템)(130)는 상기 자세 제어부(120)로부터 출력되는 제어 신호를 근거로 상기 쿼드 로터의 자세 및 위치 제어를 위한 현재 루프에서의 세타값을 출력한다.The quadrotor control unit (or quadrotor system) 130 outputs theta value in the current loop for attitude and position control of the quadrotor based on the control signal output from the attitude control unit 120. [

또한, 상기 쿼드 로터 제어부(130)는 Y축 및 Z축을 기준으로 상기 자세 제어부(120)로부터 각각 출력되는 Y축에 대한 제 2 모터 제어 신호, Z축에 대한 제 3 모터 제어 신호를 근거로 현재 루프에서의 싸이값, 파이값 등을 각각 출력한다.In addition, the quad-rotor control unit 130 generates a second motor control signal for the Y axis and a third motor control signal for the Z axis, which are respectively output from the posture control unit 120 on the Y axis and the Z axis, The sine value in the loop, the pie value, and the like, respectively.

또한, 상기 쿼드 로터 제어부(130)는 상기 자세 제어부(120)로부터 출력되는 X축, Y축 및 Z축에 대해 하나의 신호로 출력되는 모터 제어 신호를 근거로 현재 루프에서의 세타값, 싸이값, 파이값 등을 각각 출력할 수도 있다.In addition, the quadrotor control unit 130 generates a motor control signal based on a motor control signal output from the posture control unit 120 as one signal for the X axis, the Y axis, and the Z axis, , And a pie value, respectively.

상기 센서부(140)는 관성 센서(inertial navigation sensor, 또는 가속도 센서) 등을 포함한다.The sensor unit 140 includes an inertial navigation sensor or an acceleration sensor.

또한, 상기 센서부(140)는 상기 쿼드 로터 제어부(130)로부터 출력되는 현재 루프에서의 세타값을 측정한다. 이때, 상기 측정되는 현재 루프에서의 세타값은 노이즈 성분 등을 포함할 수 있다.In addition, the sensor unit 140 measures a setta value in the current loop output from the quadrotor control unit 130. At this time, theta value in the measured current loop may include a noise component or the like.

또한, 상기 센서부(140)는 상기 쿼드 로터 제어부(130)로부터 출력되는 현재 루프에서의 싸이값, 파이값 등을 각각 측정할 수도 있다.Also, the sensor unit 140 may measure a sway value, a pie value, and the like in the current loop outputted from the quadrotor control unit 130, respectively.

이와 같이, 상기 센서부(140)는 상기 쿼드 로터 제어부(130)로부터 출력되는 가속도를 측정한다.In this way, the sensor unit 140 measures the acceleration output from the quadrotor control unit 130.

또한, 상기 센서부(140)는 상기 측정된 현재 루프에서의 세타값에 대해 미리 설정된 적분 기능을 수행하여 현재 루프(또는 현재 시점)에서의 변위값을 추출(또는 산출)한다.In addition, the sensor unit 140 extracts (or calculates) the displacement value at the current loop (or at the present time) by performing a preset integration function on the measured theta value in the measured current loop.

이러한 상기 추출된 변위값은 다음 단계(또는 다음 루프)에서 상기 위치 제어부(110)에 이전 루프에서 산출된 세타값으로 입력(또는 사용)된다.The extracted displacement value is input (or used) to the position control unit 110 in the next step (or the next loop) as theta value calculated in the previous loop.

또한, 상기 센서부(140)는 상기 측정된 현재 루프에서의 싸이값, 파이값 등에 대해 적분 기능을 수행하여 현재 루프에서의 변위값을 추출하고, 상기 추출된 변위값을 상기 위치 제어부(110)에 전달할 수도 있다.In addition, the sensor unit 140 performs an integration function on the measured sipe value, the pie value, and the like in the current loop to extract a displacement value in the current loop, and outputs the extracted displacement value to the position control unit 110. [ .

이와 같이, 상기 센서부(140)는 상기 측정된 가속도를 상기 적분 기능을 수행하여 상기 현재 루프에서의 변위값을 추출하고, 상기 추출된 변위값을 상기 위치 제어부(110)에 제공할 수 있다.In this way, the sensor unit 140 may perform the integral function on the measured acceleration to extract a displacement value in the current loop, and provide the extracted displacement value to the position control unit 110. [

이와 같이, 모터가 네 개 장착된 쿼드로터를 기반으로 하여 9축 관성항법장치를 사용하여 비행체의 자세와 운동을 측정하며, 모듈화된 제어기를 제어하여 성능뿐만 아니라 효율성이 좋은 시스템을 구현할 수 있다.In this way, based on the quadrotor equipped with four motors, the 9-axis inertial navigation system is used to measure the attitude and motion of the vehicle, and the modularized controller can be controlled to realize a system that is both efficient in performance as well as in performance.

이하에서는, 본 발명에 따른 쿼드 로터 자세 제어 시스템의 제어 방법을 도 1 내지 도 25를 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a control method of the quadrotor attitude control system according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 through FIG.

도 24는 본 발명의 실시예에 따른 쿼드 로터 자세 제어 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.24 is a flowchart illustrating a control method of the quadrotor attitude control system according to the embodiment of the present invention.

먼저, 위치 제어부(110)는 X축을 기준으로 제 1 참조값 및 이전 변위값을 수신한다(또는 입력받는다).First, the position controller 110 receives (or receives) a first reference value and a previous displacement value with respect to the X axis.

또한, 상기 위치 제어부(110)는 상기 수신된 제 1 참조값 및 이전 변위값을 근거로 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 위치 제어를 위한 제 1 세타 참조값 및 이전 루프에서의 세타값을 출력한다.Also, the position controller 110 outputs a first set of reference values for controlling the position of the quadrotor and a set of set values of the previous set through the PID control function based on the received first reference value and the previous set value.

일 예로, 도 25에 도시된 바와 같이, 상기 위치 제어부(110)는 X축을 기준으로 노이즈를 포함하는 제 1 참조(2511)값 및 이전 변위값(2512)에 대한 PID 제어 기능을 수행하고, 상기 PID 제어 기능 수행에 따른 제 1 세타 참조값(2521) 및 이전 루프에서의 세타값(2522)을 각각 출력한다.For example, as shown in FIG. 25, the position controller 110 performs a PID control function for a first reference value 2511 including noise and a previous displacement value 2512 based on the X axis, And outputs a first theta reference value 2521 according to the execution of the PID control function and a theta value 2522 in the previous loop.

또한, 상기 위치 제어부(110)는 Y축 및 Z축을 기준으로 각각 제 2 참조값과 제 3 참조값과 이전 변위값들을 근거로 PID 제어 기능을 수행하여 제 1 파이 참조값, 이전 루프에서의 파이값, 제 1 싸이 참조값, 이전 루프에서의 싸이값 등을 각각 출력한다(S2410).Also, the position controller 110 performs a PID control function based on the second reference value, the third reference value, and the previous displacement values with respect to the Y axis and the Z axis, respectively, to calculate a first pie reference value, A 1-th reference value, a sigh value in the previous loop, and the like (S2410).

이후, 자세 제어부(120)는 상기 위치 제어부(110)로부터 출력되는 상기 제 1 세타 참조값 및 이전 세타값을 수신한다.Then, the posture control unit 120 receives the first and second theta reference values output from the position control unit 110.

또한, 상기 자세 제어부(120)는 상기 제 1 세타 참조값 및 이전 세타값을 근거로 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 자세 제어를 위한 제 1 모터 제어 신호를 출력한다.The posture controller 120 outputs a first motor control signal for controlling the posture of the quadrotor through the PID control function based on the first theta reference value and the previous theta value.

일 예로, 상기 도 25에 도시된 바와 같이, 상기 자세 제어부(120)는 상기 위치 제어부(110)로부터 출력되는 제 1 세타 참조값(2521) 및 이전 루프에서의 세타값(2522)에 대한 PID 제어 기능을 수행하고, 상기 PID 제어 기능 수행에 따른 제 1 모터 제어 신호(2531)를 출력한다.25, the posture control unit 120 may include a PID control function for a first theta reference value 2521 output from the position control unit 110 and a theta value 2522 in the previous loop, And outputs a first motor control signal 2531 according to the execution of the PID control function.

또한, 상기 자세 제어부(120)는 Y축 및 Z축을 기준으로 상기 위치 제어부(110)로부터 각각 출력되는 제 1 파이 참조값, 이전 루프에서의 파이값, 제 1 싸이 참조값, 이전 루프에서의 싸이값 등을 근거로 Y축에 대한 제 2 모터 제어 신호, Z축에 대한 제 3 모터 제어 신호를 각각 출력한다.In addition, the posture controller 120 may calculate a first pie reference value, a pie value in the previous loop, a first scho reference value, a sie value in the previous loop, and the like, which are respectively output from the position controller 110 on the Y axis and the Z axis, And outputs a second motor control signal for the Y-axis and a third motor control signal for the Z-axis, respectively.

또한, 상기 자세 제어부(120)는 상기 X축에 대한 제 1 모터 제어 신호, 상기 Y축에 대한 제 2 모터 제어 신호 및 상기 Z축에 대한 제 3 모터 제어 신호를 결합하여 하나의 모터 제어 신호를 출력할 수도 있다(S2420).The posture controller 120 combines the first motor control signal for the X axis, the second motor control signal for the Y axis, and the third motor control signal for the Z axis to generate one motor control signal (S2420).

이후, 쿼드 로터 제어부(130)는 상기 자세 제어부(120)로부터 출력되는 제어 신호를 근거로 상기 쿼드 로터의 자세 및 위치 제어를 위한 현재 루프에서의 세타값을 출력한다.Then, the quad-rotor control unit 130 outputs a setta value in the current loop for attitude and position control of the quadrotor based on the control signal output from the attitude control unit 120. [

일 예로, 상기 도 25에 도시된 바와 같이, 상기 쿼드 로터 제어부(130)는 상기 자세 제어부(120)로부터 출력되는 제 1 모터 제어 신호(2531)를 근거로 상기 쿼드 로터의 자세 및 위치 제어를 위한 현재 루프에서의 세타값(2541)을 출력한다.25, the quadrotor control unit 130 may control the attitude and position of the quadrotor based on the first motor control signal 2531 output from the attitude control unit 120. For example, And outputs a theta value 2541 in the current loop.

또한, 상기 쿼드 로터 제어부(130)는 Y축 및 Z축을 기준으로 상기 자세 제어부(120)로부터 각각 출력되는 Y축에 대한 제 2 모터 제어 신호, Z축에 대한 제 3 모터 제어 신호를 근거로 현재 루프에서의 싸이값, 파이값 등을 각각 출력한다.In addition, the quad-rotor control unit 130 generates a second motor control signal for the Y axis and a third motor control signal for the Z axis, which are respectively output from the posture control unit 120 on the Y axis and the Z axis, The sine value in the loop, the pie value, and the like, respectively.

또한, 상기 쿼드 로터 제어부(130)는 상기 자세 제어부(120)로부터 출력되는 X축, Y축 및 Z축에 대해 하나의 신호로 출력되는 모터 제어 신호를 근거로 현재 루프에서의 세타값, 싸이값, 파이값 등을 각각 출력할 수도 있다.In addition, the quadrotor control unit 130 generates a motor control signal based on a motor control signal output from the posture control unit 120 as one signal for the X axis, the Y axis, and the Z axis, , And a pie value, respectively.

이와 같이, 상기 쿼드 로터 제어부(130)는 가속도를 출력한다(S2430).In this manner, the quadrotor control unit 130 outputs the acceleration (S2430).

이후, 센서부(140)는 상기 쿼드 로터 제어부(130)로부터 출력되는 현재 루프에서의 세타값을 측정한다. 이때, 상기 측정되는 현재 루프에서의 세타값은 노이즈 성분 등을 포함할 수 있다.Then, the sensor unit 140 measures theta value in the current loop output from the quadrotor control unit 130. [ At this time, theta value in the measured current loop may include a noise component or the like.

일 예로, 상기 도 25에 도시된 바와 같이, 상기 센서부(140)에 포함된 관성 센서는 상기 쿼드 로터 제어부(130)로부터 출력되는 현재 루프에서의 세타값(2541)을 측정한다.For example, as shown in FIG. 25, the inertia sensor included in the sensor unit 140 measures a setta value 2541 in the current loop output from the quadrotor control unit 130.

또한, 상기 센서부(140)는 상기 쿼드 로터 제어부(130)로부터 출력되는 현재 루프에서의 싸이값, 파이값 등을 각각 측정할 수도 있다.Also, the sensor unit 140 may measure a sway value, a pie value, and the like in the current loop outputted from the quadrotor control unit 130, respectively.

이와 같이, 상기 센서부(140)는 상기 쿼드 로터 제어부(130)로부터 출력되는 가속도를 측정한다(S2440).In this manner, the sensor unit 140 measures acceleration output from the quadrotor control unit 130 (S2440).

이후, 상기 센서부(140)는 상기 측정된 현재 루프에서의 세타값에 대해 미리 설정된 적분 기능을 수행하여 현재 루프(또는 현재 시점)에서의 변위값을 추출(또는 산출)한다.Then, the sensor unit 140 extracts (or calculates) the displacement value at the current loop (or at the present time point) by performing a preset integration function on the measured theta value in the measured current loop.

이러한 상기 추출된 변위값은 다음 단계(또는 다음 루프)에서 상기 위치 제어부(110)에 이전 루프에서 산출된 세타값으로 입력(또는 사용)된다.The extracted displacement value is input (or used) to the position control unit 110 in the next step (or the next loop) as theta value calculated in the previous loop.

일 예로, 상기 도 25에 도시된 바와 같이, 상기 센서부(140)는 상기 측정된 현재 루프에서의 세타값(2541)을 근거로 미리 설정된 적분 기능을 수행하여 현재 루프에서의 변위값(2551)을 추출하고, 상기 추출된 변위값(2551)을 상기 위치 제어부(110)에 전달한다.25, the sensor unit 140 performs a preset integration function based on the measured theta value 2541 in the current loop to calculate a displacement value 2551 in the current loop, And transfers the extracted displacement value 2551 to the position control unit 110. [

또한, 상기 센서부(140)는 상기 측정된 현재 루프에서의 싸이값, 파이값 등에 대해 적분 기능을 수행하여 현재 루프에서의 변위값을 추출하고, 상기 추출된 변위값을 상기 위치 제어부(110)에 전달할 수도 있다.In addition, the sensor unit 140 performs an integration function on the measured sipe value, the pie value, and the like in the current loop to extract a displacement value in the current loop, and outputs the extracted displacement value to the position control unit 110. [ .

이와 같이, 상기 센서부(140)는 상기 측정된 가속도를 상기 적분 기능을 수행하여 상기 현재 루프에서의 변위값을 추출하고, 상기 추출된 변위값을 상기 위치 제어부(110)에 제공할 수 있다(S2450).In this way, the sensor unit 140 may perform the integral function on the measured acceleration to extract a displacement value in the current loop, and provide the extracted displacement value to the position control unit 110 ( S2450).

본 발명의 실시예는 앞서 설명된 바와 같이, 모터가 네 개 장착된 쿼드로터를 기반으로 하여 9축 관성항법장치를 사용하여 비행체의 자세와 운동을 측정하며, 모듈화된 제어기를 제어하여 성능뿐만 아니라 효율성이 좋은 시스템을 구현하여, 쿼드로터의 안정성을 증가시키며, 이로 인해 더욱 쉽게 쿼드로터의 조정/제어가 가능하며, 특히 호버링의 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, the embodiment of the present invention measures a posture and a motion of a vehicle using a 9-axis inertial navigation device based on a quadrotor equipped with four motors, controls the modularized controller, By implementing an efficient system, it increases the stability of the quad rotor, which makes it easier to adjust / control the quad rotor, especially the performance of hovering.

전술된 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

본 발명은 모터가 네 개 장착된 쿼드로터를 기반으로 하여 9축 관성항법장치를 사용하여 비행체의 자세와 운동을 측정하며, 모듈화된 제어기를 제어하여 성능뿐만 아니라 효율성이 좋은 시스템을 구현함으로써, 쿼드로터의 안정성을 증가시키며, 이로 인해 더욱 쉽게 쿼드로터의 조정/제어가 가능하며, 특히 호버링의 성능을 향상시킬 수 있는 것으로, 쿼드로터 분야, UAV(unmanned aerial vehicle) 분야, 비행체 분야 등에서 광범위하게 이용될 수 있다.The present invention is based on a quadrotor equipped with four motors, measures the attitude and motion of a vehicle using a 9-axis inertial navigation system, and controls a modular controller to realize a system having a high efficiency as well as a performance, This makes it possible to adjust and control the quadrotor more easily, and in particular, to improve the performance of hovering. It can be widely used in the quadrotor field, the unmanned aerial vehicle (UAV) field, the aviation field, etc. .

Claims (5)

위치 제어 기능과 자세 제어 기능이 모듈화된 쿼드 로터 자세 제어 시스템에 있어서,
X축, Y축 및 Z축을 기준으로 각각 참조값 및 이전 변위값을 수신하고, 상기 수신된 참조값 및 이전 변위값에 대한 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 위치 제어를 위한 세타 참조값과 이전 루프에서의 세타값, 싸이 참조값과 이전 루프에서의 싸이값 및 파이 참조값과 이전 루프에서의 파이값을 각각 출력하는 위치 제어부;
상기 위치 제어부로부터 출력된 세타 참조값과 이전 루프에서의 세타값, 싸이 참조값과 이전 루프에서의 싸이값 및 파이 참조값과 이전 루프에서의 파이값에 대한 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 자세 제어를 위한 제어 신호를 출력하는 자세 제어부;
상기 자세 제어부로부터 출력되는 제어 신호를 근거로 상기 쿼드 로터의 자세 및 위치 제어를 위한 현재 루프에서의 세타값, 현재 루프에서의 싸이값 및 현재 루프에서의 파이값을 각각 출력하는 쿼드 로터 제어부; 및
상기 쿼드 로터 제어부로부터 출력되는 노이즈 성분이 포함된 현재 루프에서의 세타값, 현재 루프에서의 싸이값 및 현재 루프에서의 파이값을 측정하는 센서부를 포함하는 쿼드 로터 자세 제어 시스템.
In a quadrotor attitude control system in which the position control function and the attitude control function are modularized,
A reference value and a previous displacement value on the basis of the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis, respectively, and a set of theta reference values for the position control of the quadrotor through the PID control function for the received reference value and the previous displacement value, A position control unit for outputting a sine value, a pie reference value, and a pie value in the previous loop, respectively, in the previous loop;
A control for attitude control of the quadrotor through the PID control function for theta reference value output from the position control unit, theta value in the previous loop, the sipe reference value, the sipe value and the pie reference value in the previous loop, A posture control unit for outputting a signal;
A quadrotor control unit for outputting a set value in a current loop, a sigh value in a current loop, and a pie value in a current loop for attitude and position control of the quadrotor, based on a control signal output from the attitude control unit; And
And a sensor unit for measuring theta value in the current loop including the noise component output from the quad rotor control unit, the sipe value in the current loop, and the pie value in the current loop.
제 1 항에 있어서,
상기 센서부는,
상기 측정된 현재 루프에서의 세타값, 현재 루프에서의 싸이값 및 현재 루프에서의 파이값에 대해 미리 설정된 적분 기능을 각각 수행하여 현재 루프에서의 변위값을 각각 추출하고, 상기 추출된 현재 루프에서의 변위값을 상기 위치 제어부의 입력값으로 전달하는 것을 특징으로 하는 쿼드 로터 자세 제어 시스템.
The method according to claim 1,
The sensor unit includes:
And performing a predetermined integration function on the measured theta value in the current loop, the sity value in the current loop, and the pie value in the current loop to extract the displacement values in the current loop, respectively, And transmits the displacement value of the quad rotor position control unit to the position control unit.
위치 제어 기능과 자세 제어 기능이 모듈화된 쿼드 로터 자세 제어 시스템의 제어 방법에 있어서,
위치 제어부를 통해, X축, Y축 및 Z축을 기준으로 각각 참조값 및 이전 변위값을 수신하는 단계;
상기 위치 제어부를 통해, 상기 수신된 참조값 및 이전 변위값에 대한 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 위치 제어를 위한 세타 참조값과 이전 루프에서의 세타값, 싸이 참조값과 이전 루프에서의 싸이값 및 파이 참조값과 이전 루프에서의 파이값을 각각 출력하는 단계;
자세 제어부를 통해, 상기 위치 제어부로부터 출력된 세타 참조값과 이전 루프에서의 세타값, 싸이 참조값과 이전 루프에서의 싸이값 및 파이 참조값과 이전 루프에서의 파이값에 대한 PID 제어 기능을 통해 쿼드 로터의 자세 제어를 위한 제어 신호를 출력하는 단계;
쿼드 로터 제어부를 통해, 상기 자세 제어부로부터 출력되는 제어 신호를 근거로 상기 쿼드 로터의 자세 및 위치 제어를 위한 현재 루프에서의 세타값, 현재 루프에서의 싸이값 및 현재 루프에서의 파이값을 각각 출력하는 단계;
센서부를 통해, 상기 쿼드 로터 제어부로부터 출력되는 노이즈 성분이 포함된 가속도를 측정하는 단계; 및
상기 센서부를 통해, 상기 측정된 가속도를 근거로 현재 루프에서의 변위값을 각각 추출하고, 상기 추출된 현재 루프에서의 변위값을 상기 위치 제어부의 입력값으로 전달하는 단계를 포함하는 쿼드 로터 자세 제어 시스템의 제어 방법.
A control method of a quadrotor attitude control system in which a position control function and an attitude control function are modularized,
Receiving a reference value and a previous displacement value with respect to the X axis, the Y axis, and the Z axis, respectively, through the position control unit;
The position control unit controls the PID control function for the received reference value and the previous displacement value to determine the setta reference value for the position control of the quadrotor, the theta value in the previous loop, the sipe reference value, the sipe value in the previous loop, And a pie value in a previous loop, respectively;
The PID control function of theta reference value outputted from the position control unit, theta value in the previous loop, the sipe reference value, the sipe value in the previous loop, the pie reference value and the pi value in the previous loop, Outputting a control signal for attitude control;
A set value in the current loop, a sigh value in the current loop, and a pi value in the current loop for attitude and position control of the quadrotor are output through the quad-rotor control unit, respectively, based on the control signal output from the attitude control unit ;
Measuring acceleration including a noise component output from the quad rotor control unit through a sensor unit; And
And a step of extracting a displacement value in a current loop based on the measured acceleration through the sensor unit and transmitting a displacement value in the extracted current loop to an input value of the position control unit, Method of controlling the system.
제 3 항에 있어서,
상기 가속도를 측정하는 단계는,
상기 쿼드 로터 제어부로부터 출력되는 노이즈 성분이 포함된 현재 루프에서의 세타값, 현재 루프에서의 싸이값 및 현재 루프에서의 파이값을 측정하는 것을 특징으로 하는 쿼드 로터 자세 제어 시스템의 제어 방법.
The method of claim 3,
Wherein the measuring the acceleration comprises:
Wherein a set value in a current loop including a noise component output from the quad rotor control unit, a sigh value in a current loop, and a pie value in a current loop are measured.
제 4 항에 있어서,
상기 측정된 가속도를 근거로 현재 루프에서의 변위값을 각각 추출하는 단계는,
상기 측정된 현재 루프에서의 세타값, 현재 루프에서의 싸이값 및 현재 루프에서의 파이값에 대해 미리 설정된 적분 기능을 각각 수행하여 현재 루프에서의 변위값을 각각 추출하는 것을 특징으로 하는 쿼드 로터 자세 제어 시스템의 제어 방법.
5. The method of claim 4,
The step of extracting the displacement values in the current loop based on the measured acceleration,
Wherein the quadrotor attitude is obtained by performing a predetermined integration function on the measured theta value in the current loop, the sity value in the current loop, and the pie value in the current loop, Control method of a control system.
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