KR20240020907A - 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론 및 그 제어 방법이 제시된다. 일 실시예에 따른 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론의 제어 방법은, 목표 틸팅 각도 산정부에서 공중 변형 드론의 목표 틸팅 각도를 결정하는 단계; 상기 목표 틸팅 각도 산정부에서 상기 목표 틸팅 각도를 상기 공중 변형 드론의 서보 모터로 공급하는 단계; 평형점 추정부에서 상기 서보 모터의 현재 틸팅 각도를 사용하여 상기 공중 변형 드론이 평형점을 유지하도록 하는 회전을 결정하는 단계; 상기 평형점 추정부에서 상기 평형점을 유지하도록 하는 회전을 관성-차체 프레임 변환부로 공급하는 단계; 상기 관성-차체 프레임 변환부에서 관성 프레임에서 표현되는 목표 힘을 목표 힘으로 변환하는 단계; 및 상기 관성-차체 프레임 변환부에서 변환된 상기 목표 힘을 제어 할당기로 공급하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론 및 그 제어 방법{Aerial Deformation Drone based on Quasi-Decoupling Controller for Wall-Perching and its Control Method}

아래의 실시예들은 공중 변형 드론 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 벽면에 근접하여 부착할 수 있는 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

최근 몇 년 동안 수많은 다양한 연구를 통해 로봇은 다양한 분야에서 많은 다양한 작업에서 인간의 대체로서 그 어느 때보다도 능력을 발휘하게 되었다. 로봇의 급속한 발전에도 불구하고 인간은 외부 벽과 직접 상호작용을 수반하는 지속적인 청소 및 점검이 필요한 대규모 구조물(예컨대, 고층 건물 및 교량)의 유지보수와 관련된 일부 응용 분야에서 여전히 잠재적 위험에 노출되어 있다. 일반적인 방법은 영구적인 곤돌라 시스템을 사용하는 것이다. 그러나 이는 고정된 위치에 설치하는 것을 고려할 때 비효율적이며 불연속적인 건물 표면에서는 무의미해진다.

이 과제를 해결하기 위해 여러 연구자들은 벽면 등반 로봇을 개발했다. 그러나 이러한 벽면 등반 로봇은 와이어 또는 벽면 부착 메커니즘에 의존하기 때문에 틈새와 장애물을 극복하는 데 어려움이 있고 접촉 표면의 상태에 쉽게 영향을 받으며 상대적으로 시간이 많이 소요된다. 반대로, 대규모 구조물에 대한 벽 상호 작용 작업에 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)를 사용하는 것은 인간이 하는 작업의 모범적인 대체이므로, 비용 효율적일 뿐만 아니라 극한 조건에서 인간이 하는 노동의 필요성을 제거한다. 따라서 이러한 이점들은 벽과 UAV와의 상호작용을 가능하게 하는 벽면 등반을 매력적인 연구 분야로 만든다.

벽면 등반 기능이 있는 멀티로터(multirotor) UAV에는 다양한 종류가 있다. 일부 멀티로터 UAV에는 이륙 팔과 조명 작동 후크 모양 발 및 능동 고무 바퀴와 같은 등반을 위한 추가 메커니즘이 장착되어 있다. 하지만, 그러한 등반 방법은 여전히 표면 상태에 의존한다. 다른 접근방식은 UAV에 벽면 등반 없이 표면과 직접 상호작용하도록 설계된 작동된 팔을 장착하는 것이다. 비행 중에 플랫폼은 충돌을 방지하기 위해 벽으로부터 어느 정도 거리를 두어야 한다. 이 경우, 엔드 이펙터가 벽과 상호 작용하여 벽면에서 UAV의 무게 중심(Center of Gravity, CoG)으로부터 가장 먼 지점에 도달해야 한다. 이로 인해 비행 안정성에 영향을 미치는 비대칭 질량 분포가 발생하며, 이가 본 실시예에서 분석된 초점이다.

또 다른 주목할 만한 접근법은 틸팅 프로펠러를 사용하는 완전 작동 멀티로터 시스템을 사용하는 것이다(비특허문헌 1). 틸팅 로터가 있는 쿼드로터의 모델링 및 시뮬레이션이 제시되었으며, 플랫폼은 실험적으로 테스트되었다. 완전히 작동되는 쿼드로터 설계가 제안되었고, 서보 모터만을 사용하는 헥사로터 기반 방법이 제공되었다. 기동성을 개선하면서도 이러한 접근 방식은 벽면 등반 작업에 필수적인 30 이상과 같은 큰 자세 변화 능력을 보여주지 않았다. 쿼드로터 및 헥사로터(비특허문헌 1)에 기초하여 각 로터를 서보 모터와 페어링하여 90˚ 자세 변화를 수행할 수 있는 접근 방식이 있었다. 이 UAV들은 틸팅 메커니즘이 없는 것보다 더 가까이 벽면에 접근할 수 있다; 그러나 그들은 프로펠러의 반경보다 더 가까이 벽면에 접근할 수 없다. 나아가 서보 모터의 역학 속도가 충분히 빠르다는 가정이 필요하며, 서보 모터의 각도가 한 가지 방식으로 구속되어서는 안 된다. 또한, 이미 일부 페이로드 제한이 있는 플랫폼은 로터와 짝을 이룬 서보 모터의 추가 중량을 견뎌야 한다.

M. Kamel et al., "The voliro omniorientational hexacopter: An agile and maneuverable tiltable-rotor aerial vehicle," IEEE Robot. Automat. Mag., vol. 25, no. 4, pp. 34-44, Dec. 2018. N. Trawny and S. I. Roumeliotis, "Indirect Kalman filter for 3D attitude estimation," Univ. Minnesota, Dept. Comp. Sci. Eng., Tech. Rep. 2005-002, vol. 2, 2005. B. Dario, M. Hehn, and R. D'Andrea, "Nonlinear quadrocopter attitude control," Dep. of Mechanical and Process Eng., Tech. Rep. ETH Zurich, 2013.

실시예들은 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론 및 그 제어 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 공중 변형 드론(및 틸트-멀티로터)이 벽면에 근접하여 부착하기 위해 로터 오프셋을 활용한 준-탈동조화(quasi-decoupling) 제어기를 포함한 기술을 제공한다.

실시예들은 틸팅 로터가 틸팅 축에서 일정 거리만큼 오프셋(offset)되는 로터 오프셋을 적용함으로써, 드론이 벽면에 부착 시 물리적으로 프로펠러와 벽면은 충돌하지 않도록 하는 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론 및 그 제어 방법을 제공하는데 있다.

일 실시예에 따른 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론의 제어 방법은, 목표 틸팅 각도 산정부에서 공중 변형 드론의 목표 틸팅 각도를 결정하는 단계; 상기 목표 틸팅 각도 산정부에서 상기 목표 틸팅 각도를 상기 공중 변형 드론의 서보 모터로 공급하는 단계; 평형점 추정부에서 상기 서보 모터의 현재 틸팅 각도를 사용하여 상기 공중 변형 드론이 평형점을 유지하도록 하는 회전을 결정하는 단계; 상기 평형점 추정부에서 상기 평형점을 유지하도록 하는 회전을 관성-차체 프레임 변환부로 공급하는 단계; 상기 관성-차체 프레임 변환부에서 관성 프레임에서 표현되는 목표 힘을 목표 힘으로 변환하는 단계; 및 상기 관성-차체 프레임 변환부에서 변환된 상기 목표 힘을 제어 할당기로 공급하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 목표 틸팅 각도를 결정하는 단계는, 관성 프레임에서 표현되는 목표 힘 및 목표 회전을 사용하여 상기 목표 틸팅 각도를 결정할 수 있다.

상기 관성-차체 프레임 변환부에서 상기 평형점을 유지하도록 하는 회전을 사용하여 목표 사원수를 계산하는 단계; 및 상기 관성-차체 프레임 변환부에서 상기 목표 사원수를 자세 제어기로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 자세 제어기에서 현재 사원수를 사용하여 목표 각속도를 구하는 단계; 상기 자세 제어기에서 상기 목표 각속도를 속도 제어기로 공급하는 단계; 상기 속도 제어기에서 상기 목표 각속도를 이용하여 목표 모멘트를 구하는 단계; 및 상기 속도 제어기에서 상기 목표 모멘트를 상기 제어 할당기에 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제어 할당기에서 목표 힘, 목표 모멘트 및 상기 현재 틸팅 각도를 이용하여 로터의 목표 회전 속도를 구하는 단계; 및 상기 제어 할당기에서 상기 로터의 목표 회전 속도를 상기 공중 변형 드론에 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 공중 변형 드론의 로터를 틸팅 축에서 소정 거리만큼 오프셋(offset)되도록 로터 오프셋을 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 서보 모터는, 틸팅 축을 회전시켜 상기 틸팅 축에 부착된 복수 개의 로터가 동일한 각도로 회전할 수 있다.

다른 실시예에 따른 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기는, 공중 변형 드론의 목표 틸팅 각도를 결정하고, 상기 목표 틸팅 각도를 상기 공중 변형 드론의 서보 모터로 공급하는 목표 틸팅 각도 산정부; 상기 서보 모터의 현재 틸팅 각도를 사용하여 상기 공중 변형 드론이 평형점을 유지하도록 하는 회전을 결정하고, 상기 평형점을 유지하도록 하는 회전을 관성-차체 프레임 변환부로 공급하는 평형점 추정부; 및 관성 프레임에서 표현되는 목표 힘을 목표 힘으로 변환하고, 상기 관성-차체 프레임 변환부에서 변환된 상기 목표 힘을 제어 할당기로 공급하는 관성-차체 프레임 변환부를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 목표 틸팅 각도 산정부는, 관성 프레임에서 표현되는 목표 힘 및 목표 회전을 사용하여 상기 목표 틸팅 각도를 결정할 수 있다.

상기 관성-차체 프레임 변환부는, 상기 평형점을 유지하도록 하는 회전을 사용하여 목표 사원수를 계산하고, 상기 목표 사원수를 자세 제어기로 공급할 수 있다.

상기 자세 제어기는, 현재 사원수를 사용하여 목표 각속도를 구하고, 상기 목표 각속도를 속도 제어기로 공급하며, 상기 속도 제어기는, 상기 목표 각속도를 이용하여 목표 모멘트를 구하고, 상기 목표 모멘트를 상기 제어 할당기에 공급할 수 있다.

상기 제어 할당기는, 목표 힘, 목표 모멘트 및 상기 현재 틸팅 각도를 이용하여 로터의 목표 회전 속도를 구하고, 상기 로터의 목표 회전 속도를 상기 공중 변형 드론에 적용할 수 있다.

상기 공중 변형 드론의 로터를 틸팅 축에서 소정 거리만큼 오프셋(offset)되도록 로터 오프셋을 적용할 수 있다.

상기 서보 모터는, 틸팅 축을 회전시켜 상기 틸팅 축에 부착된 복수 개의 로터가 동일한 각도로 회전할 수 있다.

실시예들에 따르면 틸팅 로터가 틸팅 축에서 일정 거리만큼 오프셋(offset)되는 로터 오프셋을 적용함으로써, 드론이 벽면에 부착 시 물리적으로 프로펠러와 벽면은 충돌하지 않도록 하는 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론 및 그 제어 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기를 나타내는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 CAROS-Q 플랫폼을 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 CAROS-Q 플랫폼과 무게 중심과 벽면 사이의 최소 거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 CAROS-Q 플랫폼의 틸팅 메커니즘을 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 CAROS-Q 플랫폼을 포함한 전체 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 7은 일 실시예에 따른 CAROS-Q 플랫폼의 좌표 프레임을 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 CAROS-Q 플랫폼의 전체 제어를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

무인항공기(UAV)는 다양한 분야에서 그 효과를 지속적으로 입증해 왔다. 그러나 UAV는 아직 건물 검사나 청소와 같은 수직 표면 점검 작업에 사용될 만큼 성숙하지 못했다. 이 문제를 완화하기 위해, 본 실시예에서는 호버링(hovering) 중에 비행 단계를 수평에서 수직 방향으로 또는 그 반대로 변경할 수 있는 틸팅(tilting) 메커니즘이 있는 동축 헥사로터(coaxial hexarotor)(Y6)에 대한 새로운 설계를 제안하여 벽면 부착(wall-perching) 및 벽면 등반(wall-climbing) 기동을 가능하게 한다. 또한, 틸팅 로터가 틸팅 축에서 일정 거리만큼 오프셋(offset)되는 로터 오프셋 설계가 채택되었다. 이 구성에서는 벽면과 플랫폼 사이의 필요한 거리가 줄어들어 안정성이 향상되고 전력 효율을 높일 수 있는 기회가 늘어난다. 그러나 로터 오프셋으로 인해 서보 모터가 느려지고 틸팅 각도가 단방향으로 제한된다. 이러한 조건은 기존의 제어 방식에 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 준-탈동조화(quasi-decoupling) 제어라는 새로운 제어 방법이 제안된다. 실시예들에 따르면 서보 모터의 느린 역학 및 각도 제약의 한계를 극복하여 좋은 성능을 얻을 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론의 제어 방법은, 목표 틸팅 각도 산정부에서 공중 변형 드론의 목표 틸팅 각도를 결정하는 단계(S110), 목표 틸팅 각도 산정부에서 목표 틸팅 각도를 공중 변형 드론의 서보 모터로 공급하는 단계(S120), 평형점 추정부에서 서보 모터의 현재 틸팅 각도를 사용하여 공중 변형 드론이 평형점을 유지하도록 하는 회전을 결정하는 단계(S130), 평형점 추정부에서 평형점을 유지하도록 하는 회전을 관성-차체 프레임 변환부로 공급하는 단계(S140), 관성-차체 프레임 변환부에서 관성 프레임에서 표현되는 목표 힘을 목표 힘으로 변환하는 단계(S150), 및 관성-차체 프레임 변환부에서 변환된 목표 힘을 제어 할당기로 공급하는 단계(S160)를 포함하여 이루어질 수 있다.

관성-차체 프레임 변환부에서 평형점을 유지하도록 하는 회전을 사용하여 목표 사원수를 계산하는 단계(S170), 및 관성-차체 프레임 변환부에서 목표 사원수를 자세 제어기로 공급하는 단계(S180)를 더 포함할 수 있다.

또한, 자세 제어기에서 현재 사원수를 사용하여 목표 각속도를 구하는 단계, 자세 제어기에서 목표 각속도를 속도 제어기로 공급하는 단계, 속도 제어기에서 목표 각속도를 이용하여 목표 모멘트를 구하는 단계, 및 속도 제어기에서 목표 모멘트를 제어 할당기에 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 제어 할당기에서 목표 힘, 목표 모멘트 및 현재 틸팅 각도를 이용하여 로터의 목표 회전 속도를 구하는 단계(S190), 및 제어 할당기에서 로터의 목표 회전 속도를 공중 변형 드론에 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 공중 변형 드론의 로터를 틸팅 축에서 소정 거리만큼 오프셋(offset)되도록 로터 오프셋을 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론의 제어 방법은 하나의 실시예를 나타내며, 상기 단계는 순차적으로 이루어지지 않을 수 있다. 아래에서 일 실시예에 따른 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론의 제어 방법을 보다 상세히 설명한다.

일 실시예에 따른 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론의 제어 방법은 일 실시예에 따른 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기를 예를 들어 설명할 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기를 나타내는 블록도이다.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기(200)는 목표 틸팅 각도 산정부(210), 평형점 추정부(220) 및 관성-차체 프레임 변환부(230)를 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 제어 할당기(240), 자세 제어기(250) 및 속도 제어기를 더 포함할 수 있다. 한편, 제어 할당기(240), 자세 제어기(250) 및 속도 제어기는 준-탈동조화 제어기(200)의 내부 또는 외부의 별도의 장치로 구성될 수 있다. 예를 들어, 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기(200) 기반의 공중 변형 드론은 준-탈동조화 제어기(200), 제어 할당기(240), 자세 제어기(250) 및 속도 제어기를 포함할 수 있다.

단계(S110)에서, 목표 틸팅 각도 산정부(210)는 공중 변형 드론(201)의 목표 틸팅 각도를 결정할 수 있다. 이 때, 목표 틸팅 각도 산정부(210)는 관성 프레임에서 표현되는 목표 힘 및 목표 회전을 사용하여 목표 틸팅 각도를 결정할 수 있다. 이후, 단계(S120)에서, 목표 틸팅 각도 산정부(210)는 목표 틸팅 각도를 공중 변형 드론(201)의 서보 모터로 공급할 수 있다.

단계(S130)에서, 평형점 추정부(220)는 서보 모터의 현재 틸팅 각도를 사용하여 공중 변형 드론(201)이 평형점을 유지하도록 하는 회전을 결정할 수 있다. 이후, 단계(S140)에서, 평형점 추정부(220)는 평형점을 유지하도록 하는 회전을 관성-차체 프레임 변환부(230)로 공급할 수 있다.

단계(S150)에서, 관성-차체 프레임 변환부(230)는 관성 프레임에서 표현되는 목표 힘을 목표 힘으로 변환할 수 있다. 이후, 단계(S160)에서, 관성-차체 프레임 변환부(230)는 변환된 목표 힘을 제어 할당기(240)로 공급할 수 있다.

단계(S170)에서, 관성-차체 프레임 변환부(230)는 평형점을 유지하도록 하는 회전을 사용하여 목표 사원수를 계산할 수 있다. 이후, 단계(S180)에서, 관성-차체 프레임 변환부(230)는 목표 사원수를 자세 제어기(250)로 공급할 수 있다.

자세 제어기(250)는 현재 사원수를 사용하여 목표 각속도를 구하고, 목표 각속도를 속도 제어기로 공급하며, 속도 제어기는, 목표 각속도를 이용하여 목표 모멘트를 구하고, 목표 모멘트를 제어 할당기(240)에 공급할 수 있다.

단계(S190)에서, 제어 할당기(240)는 목표 힘, 목표 모멘트 및 현재 틸팅 각도를 이용하여 로터의 목표 회전 속도를 구하고, 로터의 목표 회전 속도를 공중 변형 드론(201)에 적용할 수 있다.

특히, 공중 변형 드론(201)의 로터를 틸팅 축에서 소정 거리만큼 오프셋(offset)되도록 로터 오프셋을 적용할 수 있다. 그리고, 서보 모터는 틸팅 축을 회전시켜 틸팅 축에 부착된 복수 개의 로터가 동일한 각도로 회전할 수 있다.

아래에서 일 실시예에 따른 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기(200) 및 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기(200) 기반의 공중 변형 드론(201)의 제어 방법에 대해 보다 상세히 설명한다.

본 실시예에서는 준-탈동조화(quasi-decoupling) 제어기와 로터 오프셋을 채택한 Climbing AerialRObot 시스템을 의미하는 CAROS-Q를 제안한다. CAROS-Q는 앞서 언급한 기존 접근법의 한계를 극복한 새로운 틸팅 동축 헥사콥터이다. 여기서, 로터 오프셋은 벽면에 근접하여 부착하기 위해 회전 로터를 틸트 축 상에 두지 않고, 틸팅 로터가 틸팅 축에서 일정 거리만큼 오프셋(offset)되는 것이다. 이러한 로터 오프셋 덕분에 드론이 벽면에 부착 시 물리적으로 프로펠러와 벽면은 충돌하지 않는다. 그러나, 로터 오프셋 때문에 프로펠러의 추력이 틸트 구동기에 부하로 작용되어 제어 응답 속도가 현저하게 떨어진다. 본 실시예들은 제어 응답 속도가 떨어지는 구동기를 탑재한 공중 변형 드론(및 틸트-멀티로터)를 최적으로 제어할 수 있는 기술을 제공한다.

일 실시예에 따르면 벽면 접촉 메커니즘과 같은 추가 메커니즘이 설치되어야 하는 벽면 부착 및 벽면 등반 상황에 최적화된 틸팅 동축 헥사로터인 CAROS-Q를 제안한다. 일 실시예에 따른 CAROS-Q는 로터를 틸팅 축에서 일정 거리만큼 의도적으로 배치해 벽면 부착 및 벽면 등반을 하면서 안정성을 높이고 전력 효율을 높일 수 있는 기회를 높일 수 있다.

일 실시예에 따른 CAROS-Q는 최대 90㎜의 공중 피칭과 서보 모터만으로 벽면 등반이 가능한 틸팅 멀티로터의 첫 번째 성공 시도이다. CAROS-Q의 틸팅 메커니즘은 페이로드를 줄이고 제어의 이점을 제공하는 서보 모터에 의해서만 작동된다.

또한, 일 실시예에 따르면 서보 모터의 느린 역학과 각도 제약을 극복하는 준-탈동조화 제어라는 새로운 제어 방법을 제시한다. 로터 오프셋은 틸팅 속도를 늦추고 서보 모터의 각도를 제한한다. 로터 오프셋에 의한 이러한 제약 조건은 준-탈동조화 제어를 통해 해결되었다.

도 3은 일 실시예에 따른 CAROS-Q 플랫폼을 나타내는 도면이다.

(비특허문헌 1)에서 충분한 추력을 생성할 수 있는 능력과 더불어 로터 수에 비례하는 단순한 구조를 가지고 있기 때문에 기존의 헥사콥터를 사용한다. 이들의 고속 틸팅 메커니즘은 각 로터에 하나씩 6개의 서보 모터를 사용한다. 그러나 6개의 서보 모터가 멀티로터에 부담을 준다. 이러한 이유로 CAROS-Q는 틸팅 메커니즘에 단일 서보만을 사용하는 Y6 구성을 채택하고 있다. 이 설계의 장점은 총 추력의 3분의 2는 단일 서보 모터로만 제어가 가능하고, 단 하나의 서보 모터로 효율적인 제어가 가능하며, Y6 구성에서 자이로스코프 효과가 무시될 수 있다. 따라서 도 3에 도시된 바와 같이 틸팅 단일 축이 있는 Y6 구성 설계를 채택한다.

또한, 플랫폼을 벽면 접촉 모듈로 탑재하는 것이 첫 번째 설계 선택이 되었다. 그러나 기존의 멀티로터의 경우 수직 표면과 접촉하려면 엔드 이펙터가 수직 표면과 접촉해야 하기 때문에 기계식 팔이 프로펠러 반경을 지나 더 멀리 도달해야 한다. 따라서 팔이 장착된 멀티로터는 돌출된 팔로 인해 비대칭 질량 분포 조건에서도 안정적인 비행을 달성해야 한다.

안정적인 비행을 위해 다음과 같이 전면 프로펠러와 후면 프로펠러 사이의 추력 차이를 최소화해야 한다.

[수학식 1]

여기서, L은 플랫폼의 무게 중심(CoG)에서 벽면 접촉 모듈의 무게 중심(CoG)까지의 거리, T_front는 전면 프로펠러 쌍의 추력 벡터, T_rear는 후면 프로펠러 쌍의 추력 벡터, 는 L₂ norm이다. CAROS-Q 플랫폼의 전면과 후면은 도 3에 명시되어 있다. 계산을 단순화하기 위해, 인접한 프로펠러의 원형 경계가 서로 접선한다고 가정한다. 따라서 헥사로터의 힘과 모멘트 평형을 다음과 같이 계산할 수 있다.

[수학식 2]

여기서, 는 z축에 대한 힘, 는 y축에 대한 모멘트이며, 둘 다 차체 프레임에서 표현된다. 플랫폼의 질량 m_plat은 플랫폼의 질량, R_prop는 프로펠러 반지름, m_mod는 벽면 접촉 모듈의 질량, g 중력 벡터이다. [수학식 2]를 풀면 [수학식 1]을 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

[수학식 3]

L = 0일 때 [수학식 1]의 최소값을 획득할 수 있다. 그러나 회전하는 프로펠러의 필요 치수는 플랫폼의 구성에 따라 최소 L의 제약을 받는다. 즉, 플랫폼 전면부에 접점이 있는 경우 모듈이 플랫폼의 무게 중심(CoG)에서 최소 떨어져 있어야 한다. 이러한 불균형은 플랫폼에 원치 않는 토크를 나타내 플랫폼 상단에 장착된 모듈과는 달리 불안정성을 유발한다. 플랫폼의 안정성을 위협하는 팔을 뻗으려고 하는 대신 플랫폼 중앙에 접촉 메커니즘을 배치한다. 그런 다음, 실시예들에 따르면 벽면 고정 프로세스를 구현하여 접촉 작업 시 수직 벽면 등반을 수행할 수 있다.

설계에서 고려해야 할 또 다른 중요한 측면을 도 4에서 확인할 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 CAROS-Q 플랫폼과 무게 중심과 벽면 사이의 최소 거리를 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 벽면 등반 과정 동안 틸팅 로터로 인한 충돌을 방지하기 위해 프로펠러와 벽면 사이의 적절한 공간을 확보해야 한다. 그러다 보니 벽면 접촉 모듈이 플랫폼의 무게 중심(CoG)와 일정 거리에 위치해야 하기 때문에 안정성에 부정적인 영향을 미치게 된다. 최소 거리 D_min은 플랫폼 형태와 프로펠러 크기에 따라 결정된다. 도 4(a)는 조작기가 있는 일반적인 멀티로터의 경우를 나타내며, D_min은 프로펠러 직경과 거의 같다. [수학식 3]에 설명된 최적의 조건은 도 4(c)와 같이 로터 오프셋과 함께 틸팅 축을 사용하고 포즈 변경을 수행하여 달성할 수 있다.

로터 오프셋(비특허문헌 1)이 없는 틸팅 멀티로터의 경우, D_min은 도 4(b)와 같이 프로펠러의 반지름과 동일하다. 이 거리는 도 4(c)와 같이 틸팅 축에 오프셋을 추가하여 더 줄일 수 있다. 프로펠러 크기에 영향을 받는 대신, D_min은 주로 벽면에 더 가까이 위치한 로터 h_rotor의 높이에 의존한다. 따라서 D_min은 크게 감소한다. 또한, 최소 거리인 D_min은 프로펠러 크기에 의존하지 않기 때문에 이러한 구성을 통해 프로펠러의 효율을 높일 수 있다.

그럼에도 불구하고 제안된 구성은 벽과 지면 효과 때문에 벽면 고정 및 벽면 등반 시 주의가 필요하다. 프로펠러가 벽체에 가까울 때 재순환 효과가 발생한다. 재순환 효과 때문에 벽면에 가까운 로터의 추력이 감소하고, 플랫폼이 벽을 향해 회전하면서 붙게 된다. 일부 실험 결과가 있지만 아직까지 이 효과에 대한 명확한 모델화는 없다. 로터가 벽으로부터 프로펠러 반경 0.3배 이상 떨어져 있을 경우 천장 효과가 무시될 수 있다고 판단하였다. 이것은 벽으로부터 최소한의 거리로 설정되었고 플랫폼 설계에 반영되었다.

도 5는 일 실시예에 따른 CAROS-Q 플랫폼의 틸팅 메커니즘을 나타내는 도면이다.

자세 추정을 위한 모션 캡처 마커, 벽면 고정 및 등반을 위한 벽면 접촉 모듈, 안전을 위한 보호대 등으로 인해 도면과 프로토타입의 외관이 조금씩 다르다.

CAROS-Q의 틸팅 메커니즘은 도 5(a)에 도시된 바와 같다. 중량과 복잡성을 줄이기 위해 매우 간단한 틸팅 메커니즘이 채택되었다. 서보 모터는 한쪽만 회전할 수 있기 때문에 idler와 서보 모터 힌지 프레임이 회전하지 않는 쪽에 부착돼 양쪽을 회전시킨다. 그런 다음, 2개의 로터가 있는 좌우 틸팅 팔이 각각 서보 모터의 양쪽에 연결된다. 이 간단한 메커니즘으로 CAROS-Q는 하나의 서보 모터만으로 4개의 로터를 회전시킬 수 있다.

틸팅 각도를 조절할 때 주의해야 한다. 도 5(b)에서 관찰한 바와 같이 틸팅 각도 는 벽면 등반이나 고정 시 프로펠러가 벽과 충돌하지 않도록 0 이상이어야 한다. 따라서 기울어짐 각도는 단방향으로 제한되며, 이 제약은 제어기에 중요한 문제가 된다. 마찬가지로, 틸팅 서보 모터는 회전자 오프셋으로부터 유도된 추가적인 토크 때문에 느린 역학을 나타내며, 이는 또 다른 과제가 된다.

도 6은 일 실시예에 따른 CAROS-Q 플랫폼을 포함한 전체 시스템의 개략도를 나타낸다.

도 6을 참조하면, 첫째, 모션 캡처 시스템은 무선 통신을 사용하여 포즈 측정값을 CAROS-Q의 온보드 컴퓨터로 전송한다. 그런 다음, 온보드 컴퓨터가 포즈 측정치를 Pixhawk의 상태 추정부로 전송한다. 확장된 칼만 필터(Extended Kalman Filter, EKF)를 사용하여 상태 추정부는 IMU와 모션 캡처 측정을 융합하여 선형 속도와 포즈를 추정한다. 추정된 값은 RC 수신기로부터 수신된 사용자 입력과 함께 비행 제어기에 전달된다. 그런 다음, 온보드 컴퓨터는 비행 제어기에서 서보 모터로 전송된 목표 틸팅 각도를 전송하고 서보 모터로부터 현재의 틸팅 각도를 수신한다. 또한, 비행 제어기에서 목표 로터 속도는 ESC 모듈로 공급되며, ESC 모듈이 로터를 제어한다.

도 7은 일 실시예에 따른 CAROS-Q 플랫폼의 좌표 프레임을 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, {I}는 글로벌 고정 프레임 또는 관성 프레임을 나타내며, {B}는 CAROS-Q의 무게 중심에 위치한 차체 프레임을 나타낸다. {A}는 차체 프레임의 y축에 대해 틸팅 각도 에 의해 회전된 프레임을 나타내며 틸팅 축의 중심에 위치한다.

플랫폼이 단단하고 순식간에 기울어지지 않는다는 가정하에 뉴턴-오일러 공식은 다음과 같이 쓸 수 있다.

[수학식 4]

여기서, m은 전체 플랫폼의 질량, I₃은 3x3 항등행렬, J()는 관성 텐서, v와 는 선형/각속도, F와 M은 각각 힘과 모멘트를 의미한다. 위 첨자 B는 값이 본문 프레임에서 표현된다는 것을 나타낸다. 차체가 고속으로 움직이지 않는다는 가정하에 추력이 로터 회전수의 제곱에 비례하는 것처럼 공기역학 모델을 작성할 수 있다.

로터 오프셋으로 인해 프로펠러에 의해 발생하는 토크가 차체의 y축을 따라 틸팅 축에 적용된다. 또한, 로터 오프셋은 틸팅 팔의 관성 모멘트를 증가시킨다. 결과적으로, 기울어진 팔을 가속할 때 신체에 가해지는 유도 토크인 _rot는 각운동량 보존 법칙 때문에 고려될 필요가 있다. 토크는 다음 방정식에서 모델링된 피드 포워드 입력으로 속도 제어기에서 보상할 수 있다.

[수학식 5]

여기서, k_m와 I_m은 각각 틸팅 서보 모터의 운동 상수 및 인가 전류, 는 차체의 y축의 단위 벡터, T_i는 i 번째 로터의 추력 벡터, r_i는 무게 중심(CoG)에서 i 번째 로터까지의 벡터, m_arm은 팔 부분의 질량, r_arm은 틸팅 축에서 틸팅 로터까지의 벡터이다.

대부분의 멀티로터의 무게 중심(CoG)은 플랫폼의 기하학적 중심에 위치하지만 CAROS-Q의 무게 중심(CoG)은 틸팅 각도 에 의존한다. 마찬가지로, 총 관성 텐서 J()도 그것에 의존한다. 각 부분의 무게 중심(CoG)을 참조하여 관성 텐서를 계산한 후, 총 관성 텐서는 다음과 같이 평행 축 정리를 사용하여 계산할 수 있다.

[수학식 6]

여기서, J_body는 자체 무게 중심(CoG)에 대한 차체의 관성 텐서, J_rot,_i()는 자체 무게 중심(CoG)에 대한 i 번째 로터의 관성 텐서이며, m_rot는 각 로터의 질량, m_body, h_body, w_body, l_body, r_body는 각각 차체 부분의 질량, 높이, 폭, 길이, 반지름이고, r_rot,i는 관성 프레임에서 무게 중심(CoG)로의 i 번째 로터의 위치 벡터, R_y는 차체 y축에 대한 회전 행렬이며, 는 교대행렬이다.

이 모델링을 기반으로 차체 프레임에서 힘을 분석하고 다음과 같은 관계를 설정한다.

[수학식 7]

[수학식 8]

여기서, 는 {A}에서 {B}까지의 회전 행렬이다. 차체 프레임에서 힘, 모멘트, 틸팅 각도 및 로터의 회전 속도 사이의 매핑은 다음과 같이 행렬 형태로 표현할 수 있다.

[수학식 9]

여기서, _i는 i 번째 로터의 속도, 는 리프트 계수, K는 항력 계수, 는 는 , = , 는 에 대한 배분(allocation) 행렬이다. 도 3에 도시된 바와 같이, l₀은 틸팅 축과 로터 사이의 거리, l₁은 틸팅 로터 사이의 거리 및 l₂는 틸팅 축과 고정 로터 사이의 거리이다. 또한, p_0,x와 p_0,z는 틸팅 각도가 0일 때 각각 무게 중심(CoG)의 x와 z 좌표 위치이다. 는 2x1의 힘 벡터이다.

[수학식 10]

도 8은 일 실시예에 따른 CAROS-Q 플랫폼의 전체 제어를 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 관성 프레임(inertial frame)을 나타내는 위 첨자가 있는 관성 프레임에서 표현되는 목표 위치 는 및 와 함께 위치 제어기에 공급되며, 여기서, 는 추정된 현재 값(estimated current Value)을 나타낸다. 그 후, 가 계산되어 준-탈동조화 제어기(810)로 넘어간다. 이러한 준-탈동조화 제어기(810)는 또한 와 목표 피치 _des, yaw _des를 취한다. 그런 다음, 목표 틸팅 각도 _des, , 목표 사원수 q_des를 출력한다. 각 출력은 상기 순서에 따라 각각 CAROS-Q 플랫폼(850), 제어 할당기(840), 자세 제어기(820)로 전송된다. q_des를 사용하는 경우, 자세 제어기(820)는 를 사용하여 목표 각속도 를 출력한다. 그리고 나서, 는 , I_m과 합쳐져 목표 모멘트 가 된다. I_m은 피드-포워드 토크 보상 기간을 계산하는 데 사용된다. , 는 제어 할당기(840)로 공급되어 목표 로터 회전 속도 _des를 생성한다. 종속 할당 행렬 A( )가 있는 최소 제곱법은 _des를 계산하는 데 사용된다.

위치 제어기

위치 제어기는 다음과 같은 중력 보상 항을 가진 PID 제어기로 구성된다.

[수학식 11]

여기서, 이고 는 각각 위치 제어기의 비례, 미분, 적분 이득이다.

준-탈동조화 제어기

플랫폼은 자세를 유지하면서 방향을 잡아야 한다. 따라서 디커플 시스템이 절실하다는 의미이다. 기존의 틸팅 멀티로터 제어기는 제어기에서 F_des와 M_des를 거쳐 목표 서보 모터 각도 벡터 _des 및 _des를 생성하여 원래 결합된 x 위치와 피치 축 또는 y 위치와 롤 축을 분리한다. 일반적으로 _des는 여러 서보 모터를 사용하면 벡터가 되지만, 일반성을 잃지 않고 CAROS-Q에 하나의 서보 모터가 있기 때문에 스칼라 표현을 사용할 것이다. 따라서, 틸팅 서보 모터의 응답 시간과 각도 제약은 기존의 접근 방식으로 틸팅 멀티로터를 제어하는 데 중요한 요소이다(비특허문헌 1). 그러나 제안된 플랫폼의 경우, 로터보다 불가피하게 느린 서보 모터는 로터 오프셋으로 인한 추가적인 토크 때문에 더욱 느려진다. 또한, 로터 오프셋은 벽면 등반 또는 고정 단계에서 충돌을 방지하기 위해 서보 모터 각도를 제한한다. 따라서 기존의 탈동조화 방식을 CAROS-Q에 직접 적용할 수 없다.

이러한 이유로, 실시예들은 앞에서 언급한 문제를 동시에 해결하는 준-탈동조화이라고 불리는 방법을 제안한다. 제안된 제어 방법은 틸팅 서보 모터의 응답 시간과 각도 제약에 관계없이 위치를 유지하면서 방향 전환이 가능하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 준-탈동조화 제어기는 3단계 프로세스를 거친다. 첫째, _des 산정부(210)는 와 를 사용하여 적절한 _des를 결정한다. 그런 다음, _des가 서보 모터에 공급된다. 둘째로, 서보 모터의 를 사용하여 평형점(equilibrium point) 추정부(220)는 플랫폼(201)이 평형점을 유지하도록 하는 목표 회전인 를 결정한다. F^I = mg 및 M^B = 0이다. 그런 다음, 는 관성-차체 프레임 변환부(inertial to body frame converter)(230)에 공급된다. 마지막으로, 관성-차체 프레임 변환부(230)는 q_des를 계산하고 를 로 변환한다. 그런 다음, q_des와 는 각각 자세 제어기(250)와 제어 할당기(240)에 공급된다.

기존 방법과 제안된 방법의 차이는 다음 식에 나타나 있다. 기존의 틸팅 멀티로터 할당 방법은 다음과 같다.

[수학식 13]

여기서, 는 서보 모터의 예상 각도를 나타낸다. 제안된 방법의 경우, _des와 _des는 서로 독립적이다. 이와 같이, 준-탈동조화를 사용하면 제어기의 성능은 서보 모터의 응답 시간 및 각도 제약과 무관해진다.

요약하면, 기존 방식이 서보 모터와 로터를 동시에 사용해 목표 힘과 모멘트 입력을 따라 플랫폼을 제어하는 반면, 제안된 방법은 로터만 사용한다. 결과적으로 느린 서보 모터 역학과 각도 제약에도 불구하고 위치를 변경하지 않고 방향을 조정할 수 있어 기존 방식의 한계를 극복했다. 이후, 위치와 yaw는 새로운 평형점에서 기존의 4-DOF 멀티로터 제어기를 사용하여 제어할 수 있다.

제안된 플랫폼에 대해 x 위치와 피치 축을 준-분리하는 준-탈동조화 방법이 구현되었다. 제안된 플랫폼의 경우, 탈동조화 축과 서보 모터의 수는 동일하다. 그러므로, 주어진 바람직한 태도를 위해, 플랫폼이 물리적으로 이용 가능한 경우 평형점을 유지하도록 하는 고유한 솔루션이 항상 존재한다. 따라서 비선형 최소 제곱 최적화와 같이 많은 계산 없이도 솔루션을 계산할 수 있다. 또한, CAROS-Q는 단일 틸팅 축을 가지고 있기 때문에 벡터 _des와 는 각각 1Х1 벡터 [ _1,des]와 [ 1]로 단순화할 수 있다. 또한, 와 는 각각 R_z( _des)R_y( _des)와 R_y( _eq)가 된다.

이 방법을 구현하기 위해서는 _1,des와 플랫폼 구성에 적합한 _des의 관계를 얻을 필요가 있다. 플랫폼이 평형점에 있다고 가정하면 (F^I = mg, M^B = 0), [수학식 4] 및 [수학식 9]는 , 에 관한 비선형 시스템 방정식으로 구성할 수 있다. 이 관계는 다음의 비선형 시스템을 해결함으로써 얻을 수 있다.

[수학식 14]

여기서, 이다.

[수학식 14]가 해결되면 _1,des를 얻을 수 있으며, 이를 통해 플랫폼이 _des에 대해 제자리 비행할 수 있다. 이 관계는 _eq 및 ₁에서도 유효하다. 위에서 구한 식과 회전 행렬의 관계를 이용하여 준-탈동조화 제어기의 출력을 다음과 같이 구한다.

[수학식 15]

여기서, 는 관성 프레임에서 차체 프레임, q_des = (q_r, q_j, q_j, q_k)까지의 회전 행렬이며, (비특허문헌 2)에서 설명한 바와 같이 회전 행렬에서 얻을 수 있다. 는 의 단위 벡터이며, R_thr은 단위 벡터 를 단위 벡터 로 회전하는 회전 행렬이다. 마지막으로 [수학식 14]로부터 목표 출력 힘 는 다음과 같이 구할 수 있다.

[수학식 16]

[수학식 10]에서 표현된 바와 같이, CAROS-Q의 할당 행렬은 4x6 행렬을 갖는 일반적인 헥사로터와 달리 5x6 행렬이다. 따라서 는 와 로만 표현되어야 하며, 이는 를 2x1 벡터가 되게 한다.

자세 제어기

다음의 자세 제어 방법은 (비특허문헌 3)에 기초한다. 자세 제어기는 다음과 같이 사원수(quaternion) 오류 q_err을 사용한다.

[수학식 17]

여기서, 는 사원수 q의 공액이고, 는 해밀턴 곱이다. 제어기에서 는 다음과 같이 계산할 수 있다.

[수학식 18]

여기서, K_q는 튜닝 파라미터이고, 는 부호 함수이며, q_w,err 및 q_v,err은 각각 q_err의 스칼라 및 벡터 부분이다.

속도 제어기

속도 제어기는 다음과 같이 피드 포워드(feedforward) 토크 보상 조건을 가진 PD 제어기로 구성되어 있다.

[수학식 19]

여기서, 이고, 및 은 각각 속도 제어기의 비례, 미분 이득이다.

제어 할당기

제어 할당 작업은 주어진 입력 및 에 해당하는 로터 속도를 계산하는 것이다. 시스템이 완전히 결정되면, 즉 시스템 행렬이 전체 순위를 갖는다는 의미이며, 로터 속도는 역행렬을 사용하여 결정된다. 그러나 시스템이 결정되지 않은 경우, 의사 역행렬(pseudoinverse)을 사용하여 입력에 대한 최소 표준 솔루션을 찾을 수 있다. 따라서 준-탈동조화 제어기로부터 를 받은 후, 정적 할당 행렬이 계산되고 다음과 같이 최소 제곱 솔루션을 구한다.

[수학식 20]

는 주어진 로부터 계산된 의사 역행렬이다. 시스템이 6개의 미지수와 5개의 방정식으로 결정되지 않기 때문에, 의사 역행렬은 최소 제곱 솔루션을 제공한다.

이상과 같이, 실시예들에 따르면 건물의 외벽 또는 태양광 패널을 청소하는데 활용될 수 있다. 무거운 물건을 싣지 못하는 드론의 특성 상, 다소 무거운 청소 모듈을 드론의 프로펠러보다 바깥에 탑재하면 무게 중심의 위치가 매우 크게 변하여 제어 안정성이 떨어진다. 그러나 실시예들에 따른 로터 오프셋을 활용한 공중 변형 드론은 준-탈동조화 제어기를 이용함으로써, 청소 모듈을 드론 중앙에 설치하고 비행 및 자세 전환이 가능하다.

또한, 실시예들에 따르면 대형 교량 또는 건축물의 검사 진단(structural health monitoring)에도 활용될 수 있다. 벽면과 드론의 프로펠러가 충돌하는 사고 발생의 경우를 배제할 수 없다. 또한 충돌 없이 부착하더라도, 일반적인 틸트-멀티로터는 벽면에 지속적이며 안정적인 접촉이 어려워 비파괴 검사에 제한적이다. 반면, 실시예들에 따르면 이러한 단점을 극복할 수 있다.

또한, 실시예들에 따르면 하나의 제어기를 통해 다른 두 종류의 구동기를 제어할 필요가 없고, 하나의 구동기의 설정점(setpoint)을 사용자가 입력으로 제공할 수 있는 분야에는 응용 가능하다.

또한, SHM 분야에서 기존에는 크고 무거운 고해상도 카메라를 짐벌(gimbal)에 탑재한 중/대형 드론이 활용되었으나, 실시예들에 따르면 작고 가벼운 저해상도 카메라를 탑재한 소형 드론으로도 이를 대체할 수 있다.

또한, 실시예들에 따르면 벽면에 안정적이고 지속적인 접촉이 가능하므로 비파괴검사 등에 활용 가능하다.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 제어기, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 제어기를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 목표 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

1. 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기 기반의 공중 변형 드론의 제어 방법에 있어서,
   목표 틸팅 각도 산정부에서 공중 변형 드론의 목표 틸팅 각도를 결정하는 단계;
   상기 목표 틸팅 각도 산정부에서 상기 목표 틸팅 각도를 상기 공중 변형 드론의 서보 모터로 공급하는 단계;
   평형점 추정부에서 상기 서보 모터의 현재 틸팅 각도를 사용하여 상기 공중 변형 드론이 평형점을 유지하도록 하는 회전을 결정하는 단계;
   상기 평형점 추정부에서 상기 평형점을 유지하도록 하는 회전을 관성-차체 프레임 변환부로 공급하는 단계;
   상기 관성-차체 프레임 변환부에서 관성 프레임에서 표현되는 목표 힘을 목표 힘으로 변환하는 단계; 및
   상기 관성-차체 프레임 변환부에서 변환된 상기 목표 힘을 제어 할당기로 공급하는 단계
   를 포함하는, 제어 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 목표 틸팅 각도를 결정하는 단계는,
   관성 프레임에서 표현되는 목표 힘 및 목표 회전을 사용하여 상기 목표 틸팅 각도를 결정하는 것
   을 특징으로 하는, 제어 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 관성-차체 프레임 변환부에서 상기 평형점을 유지하도록 하는 회전을 사용하여 목표 사원수를 계산하는 단계; 및
   상기 관성-차체 프레임 변환부에서 상기 목표 사원수를 자세 제어기로 공급하는 단계
   를 더 포함하는, 제어 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 자세 제어기에서 현재 사원수를 사용하여 목표 각속도를 구하는 단계;
   상기 자세 제어기에서 상기 목표 각속도를 속도 제어기로 공급하는 단계;
   상기 속도 제어기에서 상기 목표 각속도를 이용하여 목표 모멘트를 구하는 단계; 및
   상기 속도 제어기에서 상기 목표 모멘트를 상기 제어 할당기에 공급하는 단계
   를 더 포함하는, 제어 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제어 할당기에서 목표 힘, 목표 모멘트 및 상기 현재 틸팅 각도를 이용하여 로터의 목표 회전 속도를 구하는 단계; 및
   상기 제어 할당기에서 상기 로터의 목표 회전 속도를 상기 공중 변형 드론에 적용하는 단계
   를 더 포함하는, 제어 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 공중 변형 드론의 로터를 틸팅 축에서 소정 거리만큼 오프셋(offset)되도록 로터 오프셋을 적용하는 단계
   를 더 포함하는, 제어 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 서보 모터는,
   틸팅 축을 회전시켜 상기 틸팅 축에 부착된 복수 개의 로터가 동일한 각도로 회전하는 것
   을 특징으로 하는, 제어 방법.
8. 벽면 부착을 위한 준-탈동조화 제어기에 있어서,
   공중 변형 드론의 목표 틸팅 각도를 결정하고, 상기 목표 틸팅 각도를 상기 공중 변형 드론의 서보 모터로 공급하는 목표 틸팅 각도 산정부;
   상기 서보 모터의 현재 틸팅 각도를 사용하여 상기 공중 변형 드론이 평형점을 유지하도록 하는 회전을 결정하고, 상기 평형점을 유지하도록 하는 회전을 관성-차체 프레임 변환부로 공급하는 평형점 추정부; 및
   관성 프레임에서 표현되는 목표 힘을 목표 힘으로 변환하고, 상기 관성-차체 프레임 변환부에서 변환된 상기 목표 힘을 제어 할당기로 공급하는 관성-차체 프레임 변환부
   를 포함하는, 준-탈동조화 제어기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 목표 틸팅 각도 산정부는,
   관성 프레임에서 표현되는 목표 힘 및 목표 회전을 사용하여 상기 목표 틸팅 각도를 결정하는 것
   을 특징으로 하는, 준-탈동조화 제어기.
10. 제8항에 있어서,
    상기 관성-차체 프레임 변환부는,
    상기 평형점을 유지하도록 하는 회전을 사용하여 목표 사원수를 계산하고, 상기 목표 사원수를 자세 제어기로 공급하는 것
    을 특징으로 하는, 준-탈동조화 제어기.
11. 제10항에 있어서,
    상기 자세 제어기는,
    현재 사원수를 사용하여 목표 각속도를 구하고, 상기 목표 각속도를 속도 제어기로 공급하며,
    상기 속도 제어기는,
    상기 목표 각속도를 이용하여 목표 모멘트를 구하고, 상기 목표 모멘트를 상기 제어 할당기에 공급하는 것
    을 특징으로 하는, 준-탈동조화 제어기.
12. 제8항에 있어서,
    상기 제어 할당기는,
    목표 힘, 목표 모멘트 및 상기 현재 틸팅 각도를 이용하여 로터의 목표 회전 속도를 구하고, 상기 로터의 목표 회전 속도를 상기 공중 변형 드론에 적용하는 것
    을 특징으로 하는, 준-탈동조화 제어기.
13. 제8항에 있어서,
    상기 공중 변형 드론의 로터를 틸팅 축에서 소정 거리만큼 오프셋(offset)되도록 로터 오프셋을 적용하는 것
    을 특징으로 하는, 준-탈동조화 제어기.
14. 제8항에 있어서,
    상기 서보 모터는,
    틸팅 축을 회전시켜 상기 틸팅 축에 부착된 복수 개의 로터가 동일한 각도로 회전하는 것
    을 특징으로 하는, 준-탈동조화 제어기.

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