Disturbance Robust Attitude Stabilization of Multirotors with Control Moment Gyros
Youyoung Yang 1,† ,SungSu Kim 1,† ,KwangHyun Lee 1,† and Henzeh Leeghim 2,*
1 MOASOFTCo.,Ltd, Seoul, 05770, Republic of Korea;
yyyang@moasoftware.co.kr (Y.Y.);sskim@moasoftware.co.kr (S.K.);khlee@moasoftware.co.kr (K.L.);
2 Department of Aerospace Engineering, Chosun University, Gwangju, 61452, Republic of Korea;
* Correspondence: h.leeghim@controla.re.kr;
† These authors contributed equally to this work.
초록
본 논문은 제어 모멘트 자이로(Control Moment Gyros, CMG)와 외란 강인 구동 법칙(Disturbance Robust Drive Law, DRDL)을 활용하여 다중 회전익 무인항공기(UAV)의 자세 안정성을 향상시키기 위한 새로운 제어 프레임워크를 제안한다.
다중 회전익 UAV는 경량 및 소형 구조로 인해 바람과 같은 외란에 매우 민감하며, 이러한 환경에서 로터 추력만으로 안정적인 자세 제어를 구현하기는 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 CMG를 활용하여 강인한 자세 제어를 제공하고, 빠른 종단 슬라이딩 모드 제어(Fast Terminal Sliding Mode Control, FTSMC)를 적용하여 유한 시간 내에 빠르고 정확한 수렴을 보장한다.
CMG의 토크 증폭 능력과 DRDL의 결합은 외란 환경에서도 특이점(singularity)을 효과적으로 회피하고 안정적인 제어 성능을 유지할 수 있게 한다.
시뮬레이션 결과, DRDL을 적용한 CMG 기반 헥사로터는 외부 외란에도 불구하고 목표 자세에 빠르게 수렴하며, 모터 속도 및 짐벌 움직임의 진동을 최소화하는 것으로 나타났다. 또한, 기존의 의사역행렬(pseudo-inverse) 제어 기법과 비교했을 때, 제안된 방법은 특이점 회피 및 외란 저감 측면에서 현저한 성능 향상을 보였다.
본 제어 프레임워크는 UAV의 안정성과 신뢰성을 향상시키며, 외란이 심한 환경에서도 고성능 제어를 실현할 수 있는 가능성을 보여준다.
Keywords
Control Moment Gyro; Disturbance Robust Drive Law; Fast Terminal Sliding Mode 15
Control; UAV Attitude Stabilization; Singularity Avoidance;
1.서론
무인항공기(UAV)는 일반적으로 고정익형과 회전익형으로 구분되며, 최근에는 회전익형 UAV의 한 형태인 멀티로터(Multi-rotor)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
멀티로터는 수직 이착륙(VTOL)이 가능하고, 각 로터의 추력을 제어해 제자리 비행이 가능하다는 장점이 있습니다.
이러한 특성으로 인해 감시, 정찰, 표적 복구, 피해 평가와 같은 군사 임무에 적합하며[1–3], 최근에는 항공 촬영, 환경 모니터링, 건물 점검, 재난 관리 등 민간 분야로도 활용 범위가 확대되고 있습니다[4,5].
그러나 멀티로터의 활용이 증가하면서 사고 발생 건수 역시 증가하고 있으며, 특히 비행 중 추락 사고가 빈번하게 발생하고 있습니다[6,7].
돌풍 환경에서의 비행 안정성 문제
드론 사고의 주요 원인 중 하나는 돌풍과 같은 환경적 요인이며, 이는 전체 사고의 약 30%를 차지합니다[8].
특히 착륙과 같은 중요한 비행 단계에서는 갑작스러운 풍속 변화가 드론의 자세 안정성에 큰 영향을 줄 수 있습니다.
상업용 멀티로터는 일반적으로 최대 10 m/s 수준의 풍속에서도 비행 안정성을 유지하도록 설계되어 있지만, 실제 비행 환경에서는 작은 풍속 변화만으로도 기체가 불안정해질 수 있습니다.
또한 멀티로터는 경량 비행체이기 때문에 돌풍과 같은 외란이 발생할 경우 로터 속도 제어만으로 자세 안정성을 유지하는 데 한계가 있습니다.
멀티로터 시스템의 수학적 모델 역시 실제 시스템을 완벽하게 표현하기 어렵기 때문에, 모델 불확실성으로 인해 제어 성능이 저하될 수 있습니다.
따라서 교란 환경에서도 안전하고 안정적인 비행을 유지하기 위해서는 외란과 모델 불확실성에 강인한 제어 기술이 필요합니다[9–11]….중략…
기존 비선형 제어기법의 한계
멀티로터의 비행 안정성을 확보하기 위해 다양한 비선형 제어기법이 활용되어 왔습니다.
대표적인 방법으로는 다음과 같은 기법들이 있습니다.
- Sliding Mode Control(SMC)
- Backstepping Control
- Neural Network Control
- Adaptive Control
Backstepping Control
백스테핑 제어는 비선형 시스템을 체계적으로 제어할 수 있다는 장점이 있습니다.
그러나 시스템의 비선형 특성을 정확하게 파악해야 하며, 출력 변화가 급격하게 발생할 수 있다는 한계가 있습니다[12].
Neural Network Control
신경망 제어는 모델 변수와 가중치를 조정하여 제어 성능을 최적화할 수 있습니다.
하지만 신경망 구조가 복잡해질수록 계산 부담이 증가하고, 결과적으로 제어 속도가 느려질 수 있습니다[13].
Adaptive Control
적응형 제어는 시스템 변화에 대응할 수 있다는 장점이 있지만, 복잡한 비선형 모델을 처리할 경우 높은 계산량이 요구됩니다.
이로 인해 실시간 제어가 중요한 UAV 시스템에 적용하는 데 한계가 발생할 수 있습니다.
Sliding Mode Control의 장점과 한계
이러한 기존 제어기법들은 비선형 동역학과 다양한 환경 요인을 처리하는 데 한계가 있으며, 특히 외란과 모델 불확실성이 동시에 존재하는 환경에서는 빠르고 정확한 대응이 어려울 수 있습니다.
이에 비해 Sliding Mode Control(SMC)은 외란과 모델 불확실성에 대해 강인한 특성을 가지고 있습니다.
SMC는 시스템 상태 변수를 이용해 슬라이딩 표면을 정의함으로써, 비선형 시스템의 동역학을 직접 제어할 수 있습니다[14].
하지만 SMC에도 두 가지 주요 한계가 존재합니다.
- 채터링(Chattering)
고주파 진동이 발생하여 시스템 안정성과 액추에이터 성능에 영향을 줄 수 있습니다. - 느린 수렴 속도
상태 오차가 0으로 수렴하는 과정이 상대적으로 느릴 수 있습니다[15,16].
이러한 문제를 개선하기 위해 채터링을 감소시키는 다양한 도달 법칙(Reaching Law)이 제안되어 왔습니다.
본 연구에서는 특히 Fast Terminal Sliding Mode Control(FTSMC)을 적용하여 유한 시간 내에 상태 오차가 수렴하도록 설계했습니다[17–20].
로터 속도 제어만으로는 부족한 자세 안정성
그러나 외란이 존재하는 상황에서는 FTSMC와 같은 제어 알고리즘을 사용하더라도 로터 속도 제어만으로 충분한 자세 안정성을 확보하기 어려울 수 있습니다.
이를 해결하기 위해 본 연구에서는 Control Moment Gyroscope(CMG)를 추가적인 자세 제어 액추에이터로 활용합니다.
CMG는 자이로스코프 효과를 이용하여 큰 제어 토크를 발생시키는 장치입니다.
기존에는 주로 고기동 우주선의 자세 제어에 사용되어 왔지만, 최근에는 멀티로터의 비행 안정성을 향상시키기 위한 방법으로도 연구되고 있습니다[21–25].
Control Moment Gyroscope(CMG)
CMG는 기본적으로 플라이휠(Flywheel)과 짐벌(Gimbal)로 구성됩니다.
CMG는 제어 방식에 따라 크게 두 가지로 구분할 수 있습니다.
Variable Speed CMG(VSCMG)
- 플라이휠 속도 제어
- 짐벌 각도 제어
두 요소를 함께 조절하여 제어 토크를 생성합니다.
Constant Speed CMG(CSCMG)
플라이휠의 회전 속도는 일정하게 유지하고 짐벌 각도만 조절하여 제어 토크를 생성합니다.
CMG의 특이점 문제
CMG는 높은 제어 성능을 제공하지만, 특정 조건에서는 원하는 방향으로 제어 토크를 생성할 수 없는 기하학적 특이점(Singularity) 문제가 발생할 수 있습니다[26,27].
이러한 특이점은 CMG의 짐벌과 장착 구조의 기하학적 정렬 관계에 의해 발생합니다.
특히 피라미드 형태의 CMG 배열에서는 이러한 특이점을 완전히 회피하기 어려운 것으로 알려져 있습니다[28–31].
본 연구의 CMG 구성
본 연구에서는 멀티로터의 X축 방향에 두 개의 CSCMG를 나란히 배치하여 롤(Roll)과 피치(Pitch) 운동을 제어합니다.
멀티로터는 Z축 방향의 관성모멘트가 상대적으로 크기 때문에 외란에 대한 민감도가 낮다고 판단하여 Yaw 제어는 CMG 제어 대상에서 제외했습니다.
하지만 CMG를 사용한다고 해서 모든 축에 균일한 각운동량을 제공할 수 있는 것은 아닙니다.
각 축에서 사용할 수 있는 최대 각운동량은 초기 짐벌 각도와 밀접한 관계가 있습니다.
특히 멀티로터가 호버링 상태에서 초기 짐벌 각도로 복원되지 못할 경우 CMG 특이점이 발생할 가능성이 있습니다.
특이점 회피를 위한 제어 전략
이 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 최적 각운동량 벡터 복원 법칙을 제안합니다.
이를 통해 CMG의 짐벌 각도를 초기 상태로 복원하여 특이점 발생 가능성을 낮추고, 장시간 CMG를 운용할 수 있도록 합니다.
또한 외란 환경에서 CMG가 요구되는 제어 토크를 안정적으로 생성할 수 있도록 Disturbance Robust Drive Law(DRDL)을 적용합니다[21,32–36].
제안하는 UAV 자세 제어 시스템
본 연구에서는 헥사로터(Hexarotor)를 기반으로 새로운 UAV 자세 제어 방법을 제안합니다.
제안하는 제어 시스템은 크게 두 가지 요소로 구성됩니다.
1. Fast Terminal Sliding Mode Control
FTSMC를 적용하여 외란과 모델 불확실성이 존재하는 상황에서도 강인한 자세 제어 성능을 확보합니다.
또한 상태 오차가 유한 시간 내에 수렴하도록 설계하였으며, 시스템 안정성은 Lyapunov 이론을 통해 검증합니다.
2. Control Moment Gyroscope
CMG를 추가 자세 제어 액추에이터로 사용하여 로터 속도 제어만으로 부족한 제어 토크를 보완합니다.
특히 DRDL을 이용하여 CMG의 특이점 문제를 관리하고, 지속적인 자세 제어 성능을 확보합니다.
시뮬레이션 검증
제안된 제어 시스템의 성능을 검증하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행합니다.
시뮬레이션에서는 다음 두 조건을 비교합니다.
- CMG가 없는 헥사로터
- CMG가 적용된 헥사로터
이를 통해 외란이 존재하는 환경에서 CMG가 멀티로터의 자세 안정성 향상에 미치는 영향을 분석합니다.
연구의 주요 기여
본 연구의 핵심은 기존 제어 알고리즘 간의 단순한 성능 비교에 있지 않습니다.
기존 UAV 시스템에 CMG라는 새로운 자세 제어 액추에이터를 통합하여, 외란 환경에서도 안정적인 비행을 유지할 수 있는 새로운 제어 프레임워크를 제안했다는 점에 의미가 있습니다.
특히 제안된 스티어링 로직은 CMG의 짐벌 각도를 초기 상태로 복원함으로써 CMG 특이점 발생을 효과적으로 방지하고, 장시간 운용에서도 높은 제어 가능성을 유지하도록 설계되었습니다.
결과적으로 본 연구는 기존 연구에서 충분히 다뤄지지 않았던 CMG 기반 멀티로터 자세 안정화와 특이점 회피 문제를 동시에 해결하기 위한 실용적인 제어 시스템을 제시합니다.
…중략…
7.결론
이 연구는 제어 모멘트 자이로스(CMG)를 이용한 다중 로터의 자세 안정화 프레임워크와 향상된 제어 전략인 교란 강건 구동 법칙(DRL)을 제안했습니다. 이는 바람 돌풍과 같은 외부 교란으로 인해 발생하는 문제를 해결하는 데 중점을 두었으며, 이는 경량 무인 항공기의 비행 안정성을 저하시킬 수 있습니다.
태도 안정화를 위해 고속 터미널 슬라이딩 모드 제어(FTSMC)를 사용함으로써 유한 시간 수렴을 보장하고, 방해가 있는 상황에서도 시스템 응답을 개선할 수 있었습니다. 이 접근 방식은 DRDL의 적용과 함께 특이점과 같은 문제를 완화하고 견고한 제어 성능을 보장하는 것을 목표로 했습니다.
CMG는 최소한의 입력으로 큰 토크를 생성할 수 있는 능력을 보여주었으며, 이를 통해 특히 다중 자세 명령에서 안정성과 제어를 향상시킬 수 있었습니다.
DRDL과 결합했을 때, 이 시스템은 교란된 환경에서 우수한 특이점 회피와 견고한 동작을 보였습니다. 교란과 특이점을 처리하는 데 한계를 보였던 의사 역구동 법칙과 달리, DRDL 방식은 UAV가 짐벌 각도를 더 효과적으로 유지하여 일반적으로 외부 간섭으로 인해 다시 발생하는 드리프트를 피할 수 있게 해주었습니다.
또한, DRDL은 채터링을 성공적으로 최소화하여 모터가 과도한 진동 없이 효율적으로 작동하도록 보장했습니다.
결론적으로, 이 연구는 CMG와 DRDL을 통합하는 것이 어려운 환경 조건에서 멀티로터 시스템의 견고성과 안정성을 크게 향상시킨다는 것을 확인했습니다.
토크 증폭을 위해 CMG를 사용하고, 신속한 응답을 위해 FTSMC를 사용하며, 특이점 회피를 위해 DRDL을 사용하는 결합된 접근 방식은 UAV 자세 제어를 위한 신뢰할 수 있고 고성능의 솔루션을 제공합니다. 향후 연구에서는 이러한 방법들의 통합을 더욱 최적화하여 더 복잡하고 다양한 교란 시나리오에서 UAV 비행 능력을 향상시킬 수 있을 것입니다.
UAV 비행 능력 향상을 위한 CMG & DRL 관련 문의
- 대표 문의: 02-420-3203
- 홈페이지: https://moasoftware.co.kr/contact-us/
