KR20240063314A - 멀티콥터의 고장허용 제어장치 및 그 동작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멀티콥터의 고장허용 제어장치 및 그 동작방법에 관한 것으로, 일실시예에 따른 고장허용 제어장치는 멀티콥터에 구비된 복수의 액추에이터 각각의 상태를 모니터링하는 모니터링부와, 모니터링의 결과에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 고장 여부를 판단하는 고장 판단부와, 고장 여부의 판단 결과에 기초하여 가상 제어(virtual control) 값을 산출하는 제어값 산출부 및 산출된 가상 제어값에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 동작의 제어하는 액추에이터 제어부를 포함한다.

Description

멀티콥터의 고장허용 제어장치 및 그 동작방법{FAULT-TOLERANT CONTROL APPARATUS OF MULTICOPTER AND OPERATING METHOD THEREOF}

본 발명은 멀티콥터의 고장허용 제어장치 및 그 동작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적응형 고장허용제어 알고리즘을 이용하여 멀티콥터의 자세를 제어하는 기술적 사상에 관한 것이다.

최근 무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle; UAV)는 교통, 지도 제작, 구조, 산림 모니터링, 농업, 군사 등 다양한 영역에서 상당한 성과를 보이고 있다.

특히, 무인항공기 중 멀티콥터는 단순한 구조, 경제적 효율성, 민첩성 및 유지보수의 편의성 등의 장점으로 인해 다른 UAV 시스템 보다 널리 활용되고 있으며, 이에 따라 멀티콥터의 궤적 추적, 포메이션 제어, 물체 감지 및 추적, 고장허용 제어(FTC)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그러나, 멀티콥터는 공중에서 운용되는 특성 상 액추에이터의 고장 시 임무 수행에 치명적인 문제가 발생될 수 있고, 액추에이터 고장 시 기존에 탑재되어 있는 PID 제어기만으로는 안정적인 제어가 불가능하여 추락의 위험이 존재하며, 일반적으로는 모터의 고장진단을 위해서는 추가적인 센서를 필요로 하며 소형 멀티콥터에는 적합하지 않고 적제하중에 불이익이 존재한다.

이에, 멀티콥터의 고장에 대응하기 위한 다양한 제어 알고리즘이 개발되었으나, 기존 알고리즘들은 액추에이터의 부분적인 고장에만 대응할 수 있고, 기존 제어기에 통합되어 있지 않으며, 모터 추력 분배를 담당하는 할당 매트릭스(allocation matrix)의 추정 오류를 고려하지 못하는 등의 문제를 보이고 있다.

한국등록특허 제10-2125259호, "멀티콥터 구동 제어 장치 및 방법".

"Sliding Mode FTC With On-line Control Allocation", Halim Alwi and Christopher Edwards, 45th IEEE Conference on Decision & Control, December 13-15, 2006.

본 발명은 추가적인 센서 없이 멀티콥터 자체의 센서만으로 고장을 추정할 수 있는 멀티콥터의 고장허용 제어장치 및 그 동작방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 멀티콥터에 구비된 액추에이터의 고장 위치와 고장 정도에 기초하여 멀티콥터를 안정적인 자세(Roll, Pitch)로 제어할 수 있는 멀티콥터의 고장허용 제어장치 및 그 동작방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 최대 2개의 액추에이터가 손실되더라도 이에 대한 손상 복구가 가능하여 멀티콥터를 안정적인 자세로 제어할 수 있는 멀티콥터의 고장허용 제어장치 및 그 동작방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 고장 감지 및 고장 허용 제어를 단일 유닛으로 통합하여 시스템 마진을 개선할 수 있는 멀티콥터의 고장허용 제어장치 및 그 동작방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 고장허용 제어장치는 멀티콥터에 구비된 복수의 액추에이터 각각의 상태를 모니터링하는 모니터링부와, 모니터링의 결과에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 고장 여부를 판단하는 고장 판단부와, 고장 여부의 판단 결과에 기초하여 가상 제어(virtual control) 값을 산출하는 제어값 산출부 및 산출된 가상 제어값에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 동작의 제어하는 액추에이터 제어부를 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 고장 판단부는 모니터링의 결과에 기초하여 복수의 액추에이터 중 적어도 하나의 액추에이터의 고장 위치 및 고장 정도에 따른 복수의 액추에이터의 효과 수준을 나타내는 효과 매트릭스를 고장 여부의 판단 결과로 산출할 수 있다.

일측에 따르면, 고장 판단부는 멀티콥터의 관성 모멘트와 고장 추정 오류 매트릭스 및 기 설정된 고장 추정 매트릭스에 기초한 연산을 통해 효과 매트릭스를 산출할 수 있다.

일측에 따르면, 고장 판단부는 복수의 액추에이터 각각에 대한 고장 상태를 '완전 고장', '부분 고장' 및 '정상' 중 어느 하나의 상태로 구분하고, 고장 상태의 구분 결과에 기초하여 효과 매트릭스를 산출할 수 있다.

일측에 따르면, 제어값 산출부는 산출된 효과 매트릭스에 기초하여 제어 입력값을 산출하고, 산출된 제어 입력값에 기초하여 가상 제어값을 산출할 수 있다.

일측에 따르면, 액추에이터 제어부는 산출된 가상 제어값에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 PWM(pulse width modulation) 제어값을 산출하고, 산출된 PWM 제어값에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 동작을 제어할 수 있다.

일측에 따르면, 멀티콥터는 시계 반대 방향으로 회전하는 세 개의 모터와, 시계 방향으로 회전하는 세 개의 모터를 포함하는 헥사콥터일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 고장허용 제어장치의 동작방법은 모니터링부에서, 멀티콥터에 구비된 복수의 액추에이터 각각의 상태를 모니터링하는 단계와, 고장 판단부에서, 모니터링의 결과에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 고장 여부를 판단하는 단계와, 제어값 산출부에서, 고장 여부의 판단 결과에 기초하여 가상 제어(virtual control) 값을 산출하는 단계 및 액추에이터 제어부에서, 산출된 가상 제어값에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 동작의 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 고장 여부를 판단하는 단계는 고장 판단부에서, 모니터링의 결과에 기초하여 복수의 액추에이터 중 적어도 하나의 액추에이터의 고장 위치 및 고장 정도에 따른 복수의 액추에이터의 효과 수준을 나타내는 효과 매트릭스를 고장 여부의 판단 결과로 산출할 수 있다.

일측에 따르면, 가상 제어값을 산출하는 단계는 제어값 산출부에서, 산출된 효과 매트릭스에 기초하여 제어 입력값을 산출하고, 산출된 제어 입력값에 기초하여 가상 제어값을 산출할 수 있다.

일실시예에 따르면, 본 발명은 추가적인 센서 없이 멀티콥터 자체의 센서만으로 고장을 추정할 수 있다.

일실시예에 따르면, 본 발명은 멀티콥터에 구비된 액추에이터의 고장 위치와 고장 정도에 기초하여 멀티콥터를 안정적인 자세(Roll, Pitch)로 제어할 수 있다.

일실시예에 따르면, 본 발명은 최대 2개의 액추에이터가 손실되더라도 이에 대한 손상 복구가 가능하여 멀티콥터를 안정적인 자세로 제어할 수 있다.

일실시예에 따르면, 본 발명은 고장 감지 및 고장 허용 제어를 단일 유닛으로 통합하여 시스템 마진을 개선할 수 있다.

도 1은 일실시예에 따른 고장허용 제어장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 고장허용 제어장치를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 멀티콥터의 2번 액추에이터의 50% 고장 상황에서의 일실시예에 따른 고장허용 제어장치의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 멀티콥터의 1번 액추에이터의 완전 고장 및 2번 액추에이터의 부분적 고장 상황에서의 일실시예에 따른 고장허용 제어장치의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 멀티콥터의 1번 및 4번 액추에이터의 완전 고장 상황에서의 일실시예에 따른 고장허용 제어장치의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 고장허용 제어장치의 동작방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 일실시예에 따른 고장허용 제어장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 고장허용 제어장치(100)는 추가적인 센서 없이 멀티콥터 자체의 센서만으로 고장을 추정할 수 있다.

또한, 고장허용 제어장치(100)는 멀티콥터에 구비된 액추에이터의 고장 위치와 고장 정도에 기초하여 멀티콥터를 안정적인 자세(Roll, Pitch)로 제어할 수 있다.

또한, 고장허용 제어장치(100)는 최대 2개의 액추에이터가 손실되더라도 이에 대한 손상 복구가 가능하여 멀티콥터를 안정적인 자세로 제어할 수 있다.

또한, 고장허용 제어장치(100)는 고장 감지 및 고장 허용 제어를 단일 유닛으로 통합하여 시스템 마진을 개선할 수 있다.

이를 위해, 고장허용 제어장치(100)는 모니터링부(110), 고장 판단부(120), 제어값 산출부(130) 및 액추에이터 제어부(140)를 포함할 수 있다.

일실시예에 따른 모니터링부(110)는 멀티콥터에 구비된 복수의 액추에이터 각각의 상태를 모니터링할 수 있다.

일측에 따르면, 고장허용 제어장치(100)는 멀티콥터 내에 구비될 수 있으며, 멀티콥터 내에서 적응형 고장허용제어 알고리즘으로 구현될 수도 있다.

또한, 모니터링부(110)는 멀티콥터에 구비된 복수의 센서로부터 수신하는 센싱 데이터에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 상태를 모니터링할 수 있다.

예를 들면, 멀티콥터는 시계 반대 방향으로 회전하는 세 개의 모터와, 시계 방향으로 회전하는 세 개의 모터를 포함하는 헥사콥터일 수 있다.

일실시예에 따른 고장 판단부(120)는 모니터링의 결과에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 고장 여부를 판단할 수 있다.

일측에 따르면, 고장 판단부(120)는 모니터링의 결과에 기초하여 복수의 액추에이터 중 적어도 하나의 액추에이터의 고장 위치 및 고장 정도에 따른 복수의 액추에이터의 효과 수준을 나타내는 효과 매트릭스를 고장 여부의 판단 결과로 산출할 수 있다.

예를 들면, 고장 판단부(120)는 멀티콥터의 관성 모멘트와 고장 추정 오류 매트릭스 및 기 설정된 고장 추정 매트릭스에 기초한 연산을 통해 효과 매트릭스를 산출할 수 있다.

일측에 따르면, 고장 판단부(120)는 복수의 액추에이터 각각에 대한 고장 상태를 '완전 고장', '부분 고장' 및 '정상' 중 어느 하나의 상태로 구분하고, 고장 상태의 구분 결과에 기초하여 효과 매트릭스를 산출할 수 있다.

일실시예에 따른 제어값 산출부(130)는 고장 여부의 판단 결과에 기초하여 가상 제어(virtual control) 값을 산출할 수 있다.

일측에 따르면, 제어값 산출부(130)는 고장 판단부(120)를 통해 산출된 효과 매트릭스에 기초하여 제어 입력값을 산출하고, 산출된 제어 입력값에 기초하여 가상 제어값을 산출할 수 있다.

일실시예에 따른 액추에이터 제어부(140)는 산출된 가상 제어값에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 동작의 제어할 수 있다.

일측에 따르면, 액추에이터 제어부(140)는 산출된 가상 제어값에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 PWM(pulse width modulation) 제어값을 산출하고, 산출된 PWM 제어값에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 동작을 제어할 수 있다.

일실시예에 따른 고장허용 제어장치(100)는 이후 실시예 도 2를 통해 보다 구체적을 설명하기로 한다.

도 2는 일실시예에 따른 고장허용 제어장치를 보다 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 일실시예에 따른 고장허용 제어장치는 멀티콥터에 구비된 복수의 액추에이터 각각의 상태를 모니터링하여 복수의 액추에이터 각각의 고장 여부를 판단하고, 고장 여부의 판단 결과에 기초하여 가상 제어(virtual control) 값을 산출하며, 산출된 가상 제어값에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 동작을 제어할 수 있다.

예를 들면, 일실시예에 따른 멀티콥터는 도면부호 200과 같이, 시계 반대 방향으로 회전하는 세 개의 모터(1번, 3번, 5번 모터)와, 시계 방향으로 회전하는 세 개의 모터(2번, 4번, 6번 모터)를 포함하는 헥사콥터일 수 있다.

도면부호 200의 핵사콥터에 대한 차체 프레임(B)와 관성 프레임(E)은 헥사콥터의 동역학을 설명하는데 사용될 수 있다. 구체적으로 하기 수식1과 같이, 회전 변환 매트릭스(R)은 관성 프레임에서 차체 프레임으로의 변환에 사용될 수 있다.

[수식1]

여기서, s와 c는 각각 sin과 cos을 나타내며, , , 는 오일러 각도를 나타낸다.

또한, 뉴턴-오일러 공식에 따르면, 헥사콥터의 수학적 모델은 하기 수식2와 같이 표현될 수 있다.

[수식2]

여기서, 은 헥사콥터의 질량, 은 자세, 는 중력, 는 관성 벡터, 은 관성 프레임의 위치를 나타낸다.

한편, 헥사콥터의 번역 및 회전 운동은 하기 수식3과 같이 표현될 수 있다.

[수식3]

여기서, 는 각각 축에 대응되는 쿼드콥터의 관성 모멘트를 나타내고, 는 항력 계수를 나타내며, 는 가상 제어 입력을 나타낸다.

i번째 모터(또는 액추에이터)(여기서 i = 1, ... , 6)에 대응되는 스러스트 값()과 i번째 로터의 입력() 간의 관계는 하기 수식4와 같이 표현될 수 있다.

[수식4]

여기서, 는 모터의 대역폭, 는 i번째 로터의 입력 신호(즉, 펄스 폭 변조(PWM) 신호), 는 기 설정된 양의 상수를 의미하며, DC 모터의 시간 상수는 멀터콥터 보다 훨씬 작기 때문에 수식4는 하기 수식5와 같이 보다 단순하게 표현될 수 있다.

[수식5]

일측에 따르면, 가상 제어 입력()은 6개의 독립적인 로터로부터 생성된 추력에 의해 생성될 수 있으며, 가상 제어 입력() 각각은 하기와 수식6과 같이 표현될 수 있다.

[수식6]

여기서, 는 i번째 모터(또는 액추에이터)에 대응되는 스러스트 값을 나타내고, 는 i번째 모터(또는 액추에이터)에 대응되는 토크 값을 나타낸다.

한편, 멀티콥터에 구비된 액추에이터에 고장이 발생한 경우에 스러스트 값 ()과 토크 값()은 하기 수식과 같이 표현될 수 있다.

여기서, 는 추력 계수(thrust coefficient), 는 항력 계수(drag coefficient)이며, 는 공칭값(nominal values)에 대한 프로펠러 효과의 유계합(bounded variation)으로 으로 나타낼 수 있으며, 는 i번째 액추에이터의 고장을 표현하는 값을 나타낸다.

즉, 고장이 발생된 액추에이터에 의해 생성되는 실제 신호()는 하기 수식과 같으며, 일실시예에 따른 고장허용 제어장치는 멀티콥터에서 복수의 액추에이터 각각에 대응하여 구비된 센서를 이용하여 고장이 발생된 액추에이터에 의해 생성되는 실제 신호()를 모니터링할 수 있다.

여기서, 는 '정상' 상태의 액추에이터, 는 '부분 고장' 상태의 액추에이터, 는 '완전 고장' 상태의 액추에이터를 나타내며, 는 고장이 발생한 시간을 나타내며, '부분 고장'은 고장의 상태(즉, 정도)에 따라 의 범위 내에서 특정한 값을 나타낼 수 있다.

도면부호 200의 헥사콥터에 따른 상태 벡터()는 하기 수식7과 같이 표현될 수 있으며, 액추에이터에 대한 고장이 없는 경우 헥사콥터의 자세 시스템에 대한 비선형 형태는 하기 수식8과 같이 표현될 수 있다.

[수식7]

[수식8]

여기서, 는 i번째 액추에이터의 가상 제어값, 는 i번째 기체에 대한 중력 성분을 포함하는 행렬, 는 i번째 기체의 수직 방향 질량(mass)과 관성 모멘트(inertia moment)를 조합한 행렬, 는 i번째 액추에이터의 외란(disturbance) 값을 나타낸다.

또한, 수식8의 는 수식3에서 , , 및 에 대한 식을 분해하여 기존 제어입력 U를 대체하는 가상의 제어 값을 적용하기 위해 만든 식을 의미한다.

액추에이터의 고장 조건 하에서 상술한 자세 시스템은 하기 수식9와 같이 표현될 수 있다.

[수식9]

여기서, , , , 를 나타내고, 은 액추에이터의 효과 수준을 나타내는 효과 매트릭스, 는 제어 효과 매트릭스(control effectiveness matrix)을 나타내며, 제어 효과 매트릭스()는 하기 수식10과 같이 표현될 수 있다.

[수식10]

여기서, 는 추력 계수(thrust coefficient)로, 기 설정된 양의 상수를 나타낸다.

제어 효과 매트릭스()은 하기 수식11과 같이 분할될 수 있다.

[수식11]

여기서, 상수 매트릭스 은 하기 수식12와 같이 표현되고, 매트릭스 는 하기 수식 13과 같이 표현될 수 있다.

[수식12]

[수식13]

수식9의 자세 시스템은 상술한 수식10 내지 수식13에 기초하여 하기 수식14와 같이 재정의될 수 있다.

[수식14]

한편, 일실시예에 따른 고장허용 제어장치는 복수의 액추에이터 각각의 상태에 대한 모니터링 결과에 기초하여 효과 매트릭스()를 산출하고, 산출된 효과 매트릭스()에 기초하여 제어 입력값()을 산출하며, 산출된 제어 입력값()에 기초하여 가상 제어값()을 산출할 수 있다.

일측에 따르면, 고장허용 제어장치는 하기 수식15와 같이 쿼드콥터의 관성 모멘트()와 고장 추정 오류 매트릭스() 및 기 설정된 고장 추정 매트릭스()에 기초한 연산을 통해 효과 매트릭스()를 산출할 수 있다.

[수식15]

여기서, 고장 추정 오류 매트릭스()는 및 의 조건을 만족하며, 기 설정된 고장 추정 매트릭스()는 기 공지된 연구('Halim Alwi, Christopher Edwards'의 연구)를 통해 도출된 효과 이득(effectiveness gains) 을 대각 행렬로 표현한 결과일 수 있다.

일측에 따르면, 일실시예에 따른 고장허용 제어장치를 통해 산출되는 제어 입력값() 및 가상 제어값()은 각각 하기 수식16 및 수식17과 같이 표현될 수 있다.

[수식16]

[수식17]

수식14의 자세 시스템은 상술한 수식15 내지 수식17에 기초하여 하기 수식18과 같이 재정의될 수 있다.

[수식18]

여기서, , (여기서, 는 의 pseudo inverse)을 새로이 정의하면, 수식18의 자세 시스템은 하기 수식19와 같이 재정의될 수 있으며, 일실시예에 따른 고장허용 제어장치는 하기 수식19의 자세 시스템()에 기초하여 헥사콥터에 대한 고장허용 제어를 수행할 수 있다.

[수식19]

여기서, 는 기 설정된 스칼라 값을 나타내며, 핵사콥터 시스템은 와 같이 정의될 수 있다.

예를 들면, 일실시예에 따른 고장허용 제어장치는 6개의 액추에이터 중 2개의 액추에이터가 완전히 고장나고 하나의 액추에이터가 부분적 손상을 일으켰을 때 으로 설정되고 추정 오차 가 선택될 수 있으며, 으로 상술한 정의 조건 하에서 20%의 추정 오차를 산출할 수 있다.

또한, 를 desired attitude로 정의하고, 실제 attitude를 로 정의하면, 핵사콥터에 대한 추적 오류()와 슬라이딩 표면 식()은 하기 수식20과 같이 표현될 수 있다.

[수식20]

여기서, 는 기 설정된 양의 대각 행렬(diagonal positive matrix)일 수 있다.

또한, 외란이 으로 제한 된다고 가정하면, 수식19으로부터 고장 허용 제어에 대한 control law에 따른 가상 제어값()을 하기 수식21와 같이 정의할 수 있다.

[수식21]

여기서, , 는 양의 이득값(positive gain)을 나타내며, 및 는 각각 수식21에서의 양의 이득값을 나타낸다.

한편, 일실시예에 따른 고장허용 제어장치는 산출된 가상 제어값()에 기초하여 복수의 액추에이터 각각에 동작을 제어할 수 있다.

구체적으로, Saturation을 고려한 자세 시스템은 하기 수식22와 같이 재정의될 수 있으며, 여기서 saturation 함수는 하기 수식23과 같이 표현될 수 있다.

[수식22]

[수식23]

여기서, 및 는 가상 제어값의 상한 및 하한을 나타내며, 및 는 하기 수식24와 같이 표현될 수 있다.

[수식24]

여기서, 는 액추에이터의 입력 신호로 인가되는 PWM 신호의 최대 값을 나타내며, 이는 Lyapunov theory를 통해 검증될 수 있다.

도 3a 내지 도 3d는 멀티콥터의 2번 액추에이터의 50% 고장 상황에서의 일실시예에 따른 고장허용 제어장치의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이고, 도 4a 내지 도 4c는 멀티콥터의 1번 액추에이터의 완전 고장 및 2번 액추에이터의 부분적 고장 상황에서의 일실시예에 따른 고장허용 제어장치의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이며, 도 5a 내지 도 5c는 멀티콥터의 1번 및 4번 액추에이터의 완전 고장 상황에서의 일실시예에 따른 고장허용 제어장치의 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.

도 3a 내지 도 5c에서의 시뮬레이션은 단일, 2개의 액추에이터의 고장 하에서 일실시예에 따른 고장허용 제어장치(Proposed FTC)의 멀티콥터의 제어 성능을 확인하였으며, 이를 위해 기 공지된 Adaptive SMC(ASMC)의 제어 성능과 비교하였다.

또한, 시뮬레이션을 위한 파라미터는 하기 표1과 같이 DJI F550을 기준으로 설계하였으며, 고장허용 제어장치(Proposed FTC) 및 ASMC의 설계를 위한 파라미터는 와, 으로 설정되었다.

도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 도면부호 310은 2번 액추에이터의 50% 고장 상황에서의 고장허용 제어장치(Proposed FTC) 및 ASMC의 위치 반응의 시뮬레이션 결과를 도시하고, 도면부호 320은 2번 액추에이터의 50% 고장 상황에서의 고장허용 제어장치(Proposed FTC) 및 ASMC의 자세 반응의 시뮬레이션 결과를 도시한다.

또한, 도면부호 330은 2번 액추에이터의 50% 고장 상황에서의 ASMC의 모터 명령의 시뮬레이션 결과를 도시하고, 도면부호 340은 2번 액추에이터의 50% 고장 상황에서의 고장허용 제어장치(Proposed FTC)의 모터 명령의 시뮬레이션 결과를 도시한다.

도면부호 310 내지 340에 따르면, [0,0,1](m)에서 호버링 중인 헥사콥터에 50초 경 2번 액추에이터에 50%의 제어 손실을 주는 상황을 시뮬레이션 하였으며, 고장허용 제어장치(Proposed FTC)는 고장이 발생되었을 때 ASMC에 비해 보상이 매우 빠른 것으로 확인되었다.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 도면부호 410은 1번 액추에이터의 완전 고장과 2번 액추에이터의 부분적 고장 상황에서의 고장허용 제어장치(Proposed FTC)의 위치 반응의 시뮬레이션 결과를 도시하고, 도면부호 420은 1번 액추에이터의 완전 고장과 2번 액추에이터의 부분적 고장 상황에서의 고장허용 제어장치(Proposed FTC)의 자세 반응의 시뮬레이션 결과를 도시한다.

또한, 도면부호 430은 1번 액추에이터의 완전 고장과 2번 액추에이터의 부분적 고장 상황에서의 고장허용 제어장치(Proposed FTC)의 모터 명령의 시뮬레이션 결과를 도시한다.

도면부호 410 내지 430에 따르면, 호버링 중인 헥사콥터에 50초 경 1번 액추에이터의 완전 손상과 100초 경 2번 액추에이터의 부분적 제어 손실을 제어 손실을 주는 상황을 시뮬레이션 하였으며, 일실시예에 따른 고장허용 제어장치(Proposed FTC)는 1번 액추에이터의 완전 손상을 보상하기 위해 4번 액추에이터의 PWM을 0으로 줄이고 다른 액추에이터로 보상을 진행하였으며, 2번 액추에이터의 부분적 손상을 보상하기 위해 3, 6번 액추에이터의 PWM을 0.03으로 증가시키고 5번 액추에이터의 PWM을 0.015로 감소시켜 헥사콥터의 자세를 용이하게 제어하는 것을 확인할 수 있다.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 도면부호 510은 1번 및 4번 액추에이터의 완전 고장 상황에서의 고장허용 제어장치(Proposed FTC)의 위치 반응의 시뮬레이션 결과를 도시하고, 도면부호 520은 1번 및 4번 액추에이터의 완전 고장 상황에서의 고장허용 제어장치(Proposed FTC)의 자세 반응의 시뮬레이션 결과를 도시한다.

또한, 도면부호 530은 1번 및 4번 액추에이터의 완전 고장 상황에서의 고장허용 제어장치(Proposed FTC)의 모터 명령의 시뮬레이션 결과를 도시한다.

도면부호 510 내지 530에 따르면, 호버링 중인 헥사콥터에 50초 경 1, 4번 액추에이터의 완전 손상 상황을 시뮬레이션 하였으며, 고장허용 제어장치(Proposed FTC)는 완전 손상을 보상하기 위해 나머지 액추에이터의 PWM을 증가시켰으며, Controllability에 따라 2개의 액추에이터가 완전 손상 되는 경우에는 서로 반대쪽에 위치하는 액추에이터의 손상을 고려하는 것을 확인할 수 있었다.

도 6은 일실시예에 따른 고장허용 제어장치의 동작방법을 설명하기 위한 도면이다.

다시 말해, 도 6은 도 1 내지 도 5c를 통해 설명한 고장허용 제어장치의 동작방법을 설명하는 도면으로, 이하에서 도 6을 통해 설명하는 내용 중 도 1 내지 도 5c를 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 6을 참조하면, 610 단계에서 동작방법은 모니터링부에서, 멀티콥터에 구비된 복수의 액추에이터 각각의 상태를 모니터링할 수 있다.

다음으로, 620 단계에서 동작방법은 고장 판단부에서, 모니터링의 결과에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 고장 여부를 판단할 수 있다.

일측에 따르면, 620 단계에서 동작방법은 고장 판단부에서, 모니터링의 결과에 기초하여 복수의 액추에이터 중 적어도 하나의 액추에이터의 고장 위치 및 고장 정도에 따른 복수의 액추에이터의 효과 수준을 나타내는 효과 매트릭스를 고장 여부의 판단 결과로 산출할 수 있다.

다음으로, 630 단계에서 동작방법은 제어값 산출부에서, 고장 여부의 판단 결과에 기초하여 가상 제어(virtual control) 값을 산출할 수 있다.

일측에 따르면, 630 단계에서 동작방법은 제어값 산출부에서, 산출된 효과 매트릭스에 기초하여 제어 입력값을 산출하고, 산출된 제어 입력값에 기초하여 가상 제어값을 산출할 수 있다.

다음으로, 640 단계에서 동작방법은 액추에이터 제어부에서, 산출된 가상 제어값에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 동작의 제어할 수 있다.

결국, 본 발명을 이용하면, 추가적인 센서 없이 멀티콥터 자체의 센서만으로 고장을 추정할 수 있다.

또한, 본 발명을 이용하면, 멀티콥터에 구비된 액추에이터의 고장 위치와 고장 정도에 기초하여 멀티콥터를 안정적인 자세(Roll, Pitch)로 제어할 수 있다.

또한, 본 발명을 이용하면, 최대 2개의 액추에이터가 손실되더라도 이에 대한 손상 복구가 가능하여 멀티콥터를 안정적인 자세로 제어할 수 있다.

또한, 본 발명을 이용하면, 고장 감지 및 고장 허용 제어를 단일 유닛으로 통합하여 시스템 마진을 개선할 수 있다.

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, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate 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 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 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 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.

100: 고장허용 제어장치 110: 모니터링부
120: 고장 판단부 130: 제어값 산출부
140: 액추에이터 제어부

Claims (10)

1. 멀티콥터에 구비된 복수의 액추에이터 각각의 상태를 모니터링하는 모니터링부;
   상기 모니터링의 결과에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 고장 여부를 판단하는 고장 판단부;
   상기 고장 여부의 판단 결과에 기초하여 가상 제어(virtual control) 값을 산출하는 제어값 산출부 및
   상기 산출된 가상 제어값에 기초하여 상기 복수의 액추에이터 각각의 동작의 제어하는 액추에이터 제어부
   를 포함하는 고장허용 제어장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고장 판단부는,
   상기 모니터링의 결과에 기초하여 상기 복수의 액추에이터 중 적어도 하나의 액추에이터의 고장 위치 및 고장 정도에 따른 상기 복수의 액추에이터의 효과 수준을 나타내는 효과 매트릭스를 상기 고장 여부의 판단 결과로 산출하는
   고장허용 제어장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 고장 판단부는,
   상기 멀티콥터의 관성 모멘트와 고장 추정 오류 매트릭스 및 기 설정된 고장 추정 매트릭스에 기초한 연산을 통해 상기 효과 매트릭스를 산출하는
   고장허용 제어장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 고장 판단부는,
   상기 복수의 액추에이터 각각에 대한 고장 상태를 '완전 고장', '부분 고장' 및 '정상' 중 어느 하나의 상태로 구분하고, 상기 고장 상태의 구분 결과에 기초하여 상기 효과 매트릭스를 산출하는
   고장허용 제어장치.
5. 제2항에 있어서,
   상기 제어값 산출부는,
   상기 산출된 효과 매트릭스에 기초하여 제어 입력값을 산출하고, 상기 산출된 제어 입력값에 기초하여 가상 제어값을 산출하는
   고장허용 제어장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 액추에이터 제어부는,
   상기 산출된 가상 제어값에 기초하여 상기 복수의 액추에이터 각각의 PWM(pulse width modulation) 제어값을 산출하고, 상기 산출된 PWM 제어값에 기초하여 상기 복수의 액추에이터 각각의 동작을 제어하는
   고장허용 제어장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 멀티콥터는,
   시계 반대 방향으로 회전하는 세 개의 모터와, 시계 방향으로 회전하는 세 개의 모터를 포함하는 헥사콥터인
   고장허용 제어장치.
8. 모니터링부에서, 멀티콥터에 구비된 복수의 액추에이터 각각의 상태를 모니터링하는 단계;
   고장 판단부에서, 상기 모니터링의 결과에 기초하여 복수의 액추에이터 각각의 고장 여부를 판단하는 단계;
   제어값 산출부에서, 상기 고장 여부의 판단 결과에 기초하여 가상 제어(virtual control) 값을 산출하는 단계 및
   액추에이터 제어부에서, 상기 산출된 가상 제어값에 기초하여 상기 복수의 액추에이터 각각의 동작의 제어하는 단계
   를 포함하는 고장허용 제어장치의 동작방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 고장 여부를 판단하는 단계는,
   상기 고장 판단부에서, 상기 모니터링의 결과에 기초하여 상기 복수의 액추에이터 중 적어도 하나의 액추에이터의 고장 위치 및 고장 정도에 따른 상기 복수의 액추에이터의 효과 수준을 나타내는 효과 매트릭스를 상기 고장 여부의 판단 결과로 산출하는
   고장허용 제어장치의 동작방법.
10. 제9항에 있어서,
    가상 제어값을 산출하는 단계는,
    상기 제어값 산출부에서, 상기 산출된 효과 매트릭스에 기초하여 제어 입력값을 산출하고, 상기 산출된 제어 입력값에 기초하여 가상 제어값을 산출하는
    고장허용 제어장치의 동작방법.