모델추종 슬라이딩모드제어기법을 이용한 큐브위성의 구동기 고장에 대한 재형상 제어기 설계

박용곤종,임준규,강철우,박찬국 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

본 논문에서는 큐브위성에 대하여 구동기 고장에 강건한 제어기를 설계하기 위하여 모델추종 슬라이딩 모드 제어기 설계법칙을 유도하고 슬라이딩 모드 제어기와 비교 시뮬레이션 수행하였다. 기존의 모델추종제어법칙으로 오차방정식을 유도하고 그 오차를 이용하여 슬라이딩 평면을 구성하여 슬라이딩 모드 제어기를 설계하였다. 이러한 제어기를 설계함으로써 슬라이딩 모드 제어기와 모델추종제어기의 이점을 모두 얻을 수 있었다. 모델추종제어기를 사용함으로써 기준모델에서 만들어주는 자세 궤적을 추종하여 좋은 성능을 낼 수 있었고, 슬라이딩 모드 제어기를 사용하여 구동기 고장 상황에서도 안정할 수 있는 강건성을 확보하였다. In this paper, model following sliding mode control law is derived, and simulated to compare with sliding mode control. Model reference sliding mode control technique is applied to design a fault tolerant controller for a cube-sat actuator fault. The error equation derived by the model following controller is used as the sliding surface component to derive a sliding mode controller. The designed controller has the advantage of both model following controller and sliding mode controller. As the proposed controller uses model following control scheme, the system has good performance to track the attitude derived by reference model. And the proposed contoller makes the system to be stable even under the actuator failure by using sliding mode control scheme.

비행체 시간지연을 고려한 정밀경로추종 PID 제어기법

이인석(Ihnseok Rhee),박상혁(Sanghyuk Park),이경호(Kyoung-ho Lee) 한국항공우주학회 2011 韓國航空宇宙學會誌 Vol.39 No.7

무인항공기가 복잡한 지형이나 위험 지역에서 안전한 비행을 하기 위해서는 요구되는 경로를 정밀하게 추종할 수 있는 제어기법이 필요하다. 경로추종을 위해 사용되는 PID 제어기에서는 경로의 곡률을 앞먹임하여 추종성능을 개선할 수 있다. 한편 경로를 정밀 추종하기 위해서는 제어기의 이득을 크게 하는 것이 필요하나 비행체의 응답속도가 느린 경우 큰 경로 추종 이득을 사용할 경우 성능 저하 또는 불안정성이 발생할 수 있다. 여기서는 응답지연을 고려하여 앞먹임을 갖는 PID제어기의 설계방법을 고려하였다. 앞먹임에 필요한 경로정보를 간단히 얻기 위해 주어진 경로를 3차 스플라인 방법을 적용하여 3차 다항식으로 나타내었다. 설계한 제어기의 추종성능을 평가하기 위해 높은 고도에서 운용되는 느린 횡방향 동특성을 갖는 무인항공기에 대해 비선형 시뮬레이션을 수행하였다. 제어기에서는 횡방향 동특성을 1차 모델로 가정하여 반영하였다. 시뮬레이션을 통하여 동특성을 고려한 경우는 비행체가 주어진 경로를 매우 정밀하게 추종함을 확인하였다. In order to complete missions in a complicated terrain or highly dangerous area, an unmanned aerial vehicle(UAV) needs a fine controller to precisely follow the desired path. A PID controller used for the path following feeds forward path curvature information to the control input to improve the path following performance. High gain for PID controller is necessary to follow path tightly. However the high gain could cause instability or performance degradation when the vehicle has slow dynamics. We present PID controller design method which considers response delay of vehicle as well as path curvature. In order to obtain path curvature the desired path is described as a 3rd order polynomial by applying cubic spline interpolation. We apply the proposed controller to the path following of a UAV which is operated in high altitude and has very slow lateral dynamics. The lateral dynamics are modelled as a first order delayed system in the controller design. Nonlinear simulation shows the UAV with proposed controller follows an arbitrary path very tightly.

해상 부유 쓰레기 수거를 위한 무인 스키머 로봇의 경로 추종 제어 시스템 설계

김헌희,하윤수 한국마린엔지니어링학회 2019 한국마린엔지니어링학회지 Vol.43 No.9

Recently, marine pollution caused by floating trash has been considered a serious environmental problem globally. To overcome this problem, a trash collection and treatment system using unmanned skimmer robots can be considered. In this study, a method of designing a path-tracking control system, which is essential for automatic trash collection by using skimmer robots, was developed. The proposed control system comprises an inner loop for the speed control of the skimmer robot and an outer loop for path-tracking control. The speed control system controls the linear and angular velocities of the skimmer robot by controlling two different propellers, and two anti-windup PI controllers were designed for this purpose. For the sophisticated path-tracking control of the skimmer robot, an improved pure pursuit algorithm was designed to adjust the look-ahead distance and linear velocity reference automatically. The proposed method was evaluated through several simulations considering the velocity and other control parameters, as well as the path-tracking performance. 최근 해상 부유 쓰레기로 인한 해양 환경오염은 전 세계적으로 심각한 문제로 대두되고 있으며, 이를 위한 하나의대안으로 무인 스키머 로봇을 활용한 쓰레기 수거 시스템을 고려할 수 있다. 본 논문은 스키머 로봇의 자동적 쓰레기수거 작업을 위한 중요한 기능 중 하나인 경로 추종 제어 시스템의 설계 방법을 제안한다. 제안된 제어 시스템은 스키머 로봇의 속도 제어를 위한 내부 루프와 경로 추종 제어를 위한 외부 루프로 구성된다. 속도 제어 시스템은 로봇에 탑재된 두 대의 추진기를 제어하면서 스키머 로봇의 선속도 및 각속도의 제어를 수행하는데, 이를 위해 안티와인드업(anti-windup) PI 제어기가 설계된다. 또한 스키머 로봇의 정교한 경로 추종 제어를 위해, 견시거리 및 선속도 참조값을자동적으로 조정하며 경로를 추종하는 개선된 퓨어퍼슈트(pure pursuit) 알고리즘이 설계된다. 제안된 기법은 속도제어, 제어파라미터, 경로추종의 관점에서 수행된 몇몇의 시뮬레이션을 통해 평가된다.

단상유도전동기의 속도제어를 위한 적응제어이론의 적용

이형상,김정도,정동근,이택종 대한전자공학회 1992 전자공학회논문지 Vol.29 No.12

산업계에서 단상유도전동기가 가전제품에 사용될 때, 일반적으로 간단한 ON-OFF 제어기나 PID방법으로 제어되었다. 그러나 PID의 경우 속도가 변할 때마다 PID 계수를 구해주어야 하므로 짧은 개발 시간을 필요로 하는 산업계에서 중요한 문제가 된다. 그러므로 지금까지 단상유도전동기에 적응제어방식을 적용한 예는 거의 없다. 그래서 본 논문에서는 기준모델 추종적응제어방식을 단상유도전동기에 적용시키기 위한 방법을 새로이 제시하였다. In industry, when single-phase induction motor is applied to domestic goods, it is generally controlled by a simple ON-OFF or PID control method, But, it is problemed in Industry which need short development time, because PID method should find PID gain as velocity change. Therefore, we-need adaptive control method which have short development time and better effects. but, the example which adaptive control method has been applied to single-phase induction motor hardly existed. In this paper, we newly proposed method in order to control single-phase induction motor by MRAC(model reference adaptive control) method.

이동로봇의 실시간 주행제어를 위한 제어시스템 설계 및 경로 추종제어 방법

고경철,조형석 대한기계학회 1993 대한기계학회논문집 Vol.17 No.6

본 논문에서는 새로운 이동로봇의 제어구조로서 범용 개인용 컴퓨터를 주축으 로 설계되는 이동로봇 제어시스템에 대해 기술하고자 한다. 이 제어시스템에서는 자율 이동로봇의 경로제어에 필수적인 경로계획기. 경로추종 제어 알고리즘, 자기 위 치 추정기 그리고 휠 제어기 등을 모듈별로 연결/구성하였으며, 본 연구실에서 연구용 으로 개발한 휠 구동 지능형 이동 로봇 LCAR-90의 시스템 묘사와 함께 제어 시스템의 하드웨어적 설계배경에 대해 기술하고, 제 3장에서는 제어시스템의 필수적인 요소중 하나인 이동로봇의 자기 위치 추정방법과 제어 시스템의 핵심부인 경로추종 제어에 관한 새로운 알고리즘을 적용한 결과에 대해 논의한다. 최종적으로 제 4장에서는 본 연구를 통해 얻은 결론을 기술하였다. Real-time mobile robot controllers usually have been designed focused on control theory without paying attention to the importance of system integration. This paper demonstrates that autonomous mobile robots require a real-time controller with a wide range of capabilities in addition to control theory. An architectural frame work supporting these capabilities has been designed in actual hardware environments. Individual modules such as a path planner, a path tracking controller, position estimators, wheel controllers and other cruical elements have been successfully integrated into the control system using this frame work. The overall performance of the system was investigated via a series of tracking experiments with a prototype mobile robot named LCAR deveoped in the laboratory. The context of the research involves the architecture, its implementation and experimental results.

정밀경로추종을 위한 PID 제어기법

이인석,박상혁,이경호 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.4

무인항공기가 복잡한 지형이나 위험 지역에서 안전한 비행을 하기 위해서는 요구되는 경로를 정밀하게 추종할 수 있는 제어기법이 필요하다. 경로추종을 위해 일반적으로 다뤄지는 PID 제어기는 설계가 쉬운 반면에 복잡한 궤적을 정밀하게 추종하는데 적합하지 않다고 알려져 있다. 하지만 본 연구에서는 PID 제어기에 경로정보의 앞먹임을 추가함으로써 정밀한 경로추종이 가능하게 하였다. 앞먹임에 필요한 경로정보를 간단히 얻기 위해 주어진 경로를 3차 스플라인 방법을 적용하여 3차 다항식으로 나타내었다. 또한 무인항공기의 동특성을 1차 모델로 가정하여 제어기에 반영함으로써 무인항공기의 응답지연으로 인한 성능저하를 감소하고자 하였다. 마지막으로 설계된 제어기를 무인항공기 비선형 모델에 적용하여 그 성능을 확인하였다. In order to complete missions in the complicated terrain or highly dangerous area, an unmanned aerial vehicle(UAV) needs a fine controller to precisely follow the desired path. APID controller is widely used for the path following because a controller design is easy. But it is known as an unsuitable controller to a sophisticated path following. In this paper, a PID controller feeding path informations forward is suggested for following desired path tightly. In order to obtain path information the desired path is described as 3rd order polynomial by applying cubic spline interpolation. Moreover, the dynamic of UAV is modelled as a first order delayed system which degrade the performance of the path following. PD controller is designed by considering the delay to alleviate the degradation. Finally, designed controller is applied to the nonlinear model of UAV for confirmation of performance.

유전자 알고리즘과 퍼지 논리 제어기를 이용한 지능 제어 방식

김주웅,이승형,엄기환 한국정보통신학회 2001 한국정보통신학회논문지 Vol.5 No.7

기존의 제어방식 보다 강인성이 우수한 퍼지 논리 제어방식에서 최적화되지 않은 제어규칙을 이용하여, 오프라인 상에서 소속함수 관계와 스케일링 팩터를 유전자알고리즘으로 최적화한 후, 온라인으로 퍼지제어기를 구성하는 제어방식을 제안하였다. 제안한 방식을 단일 링크 매니률레이터의 추종제어에 적용하여 기존 퍼지제어 방식과 비교 검토한 결과 퍼지제어규칙의 수도 감소하고 제어성능도 우수함을 확인하였다. In the fuzzy control method behaves more robustness than conventional control method, we propose a intelligent control method that membership functions and scaling factor of the fuzzy logic controller are optimized by genetic algorithm under off-line, and then fuzzy logic controller is constructed by the optimization parameters under on-line. In order to verify the usefulness of the proposed control method, we are applied to one link manipulator, and confirmed that the proposed control method is reduced the fuzzy rule base and is the better performance than the conventional fuzzy control method.

가시형 경로 추종 노지 환경 계측시스템을 위한 모터제어 알고리즘 연구

강대원 ( Daewon Kang ),이정규 ( Jungkyu Lee ),상완규 ( Wankyu Sang ),이동훈 ( Donghoon Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

스마트 팜의 발전과 더불어 작물의 객체별 생육확인 및 환경조절이 요구되는 정밀농업 기술도 진보하고 있다. 작물 단위의 환경정보를 컨트롤하기 위해서는 그만큼 방대한 센서들이 필요하다. 농가의 경제적 부담을 줄이기 위해 적은 센서로 생육환경을 측정할 수 있는 계측시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 농업용 로봇을 활용한 계측시스템은 노지 환경에 따로 이정표를 설치하기가 어려워 자율주행에 어려움이 있다. 본 연구에서는 노지 작물을 이정표로 하여 경로를 생성하고 이를 추종하는 모터제어 알고리즘 기법에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구에서 사용한 보드는 Rasberry Pi(Raspberry Pi 4, Raspberry Pi, UK)로 WiFi 무선통신이 가능한 소형 SBC이다. 노지 작물을 확인하기 위해 FOV 160°인 렌즈를 부착한 카메라(OV2640, OmniVision, US)를 이용하여 촬영하였다. 계측시스템에 사용한 모터는 Dynamixel-XM 시리즈(XM430-W210-T, ROBOTIS, Korea)로 4륜 주행이 가능하도록 제작하였다. 모터는 TTL 통신을 기반으로 하여 속도 조절을 하며, 6가지 제어 모드(토크제어, 속도제어, 위치제어, 확장 위치제어, 전류기반 위치제어, PWM제어)를 제공한다. 모터를 제어하기 위해 호환되는 제어기(OpenCR 1.0, ROBOTIS, Korea)를 사용하였다. 포맥스를 이용하여 노지 환경 중 과수 환경을 가정하여 가상 환경 구축 후 연구를 진행하였다. 4륜 주행 장치의 양측 바퀴 속도 차에 따른 회전 반경을 데이터와, 배터리 잔량에 따른 모터 속도를 계산하였다. 후에 취득한 영상을 분석하여 과수의 위치를 특정하고, 특정한 위치를 통해 가상의 도로의 경계선 이미지를 제작하였다. 모터의 제어는 경계선 이미지 분석을 통해 도로 상 계측시스템 위치에 대해 계산, 특정 시나리오(경계선을 따라 이동, 양 경계선 중앙에서 이동)에 따라 선회반경 및 거리를 계산, 배터리 잔량에 따른 모터의 실제 속도를 계산, 최종적으로 계산된 결과를 통해 양측 모터의 속도를 제어하는 순서로 진행된다. 작물 재배지의 전반적인 환경 데이터 및 작물 위치별 생육 데이터 확보를 위해 개발된 알고리즘을 활용하여 안정적인 주행 및 계측시스템을 확보 할 수 있을 것으로 판단된다.

고정된 최종시간 조건 및 추종제어 문제에 적용 가능한 수정 Φ-D 준 최적제어 알고리즘

조동현 ( Cho Dong Hyun ),이상현 ( Lee Sang Hyun ),김승필 ( Kim Seung Pil ) 공군사관학교 2017 空士論文集 Vol.68 No.1

본 논문은 시불변 시스템 뿐 아니라 고정된 최종시간이 구속조건으로 주어진 최적제어 문제와 추종제어 문제에도 적용가능 한 수정된 Φ-D 알고리즘을 제시하였다. 기존의 Φ-D 알고리즘이 대수방정식 형태의 Riccati 공식 및 Lyapunov 함수를 푸는 것이었다면, 수정된 Φ-D 알고리즘은 미분방정식 형태로 표현된 보조 상태변수를 멱급수 전개하여 푸는 방식이다. 수정된 Φ-D 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 일반적인 형태의 고정된 시간영역 조건이 구속조건으로 주어진 비선형 최적제어 문제와 지구-화성 간 궤도전이 추종제어 문제에 수정된 Φ-D 알고리즘을 적용하여 시뮬레이션을 수행함으로써 성능을 검증하였다. 성능 검증결과 수정된 Φ-D 알고리즘 상의 제어 상수행렬인 D, T 행렬의 멱급수의 차수를 올려줌으로써 수렴한 준 최적해의 정확성을 향상시킬 수 있고, 기존의 시불변 시스템 뿐 아니라 다양한 조건(고정된 최종시간 구속조건, 추종제어 최적제어)의 최적제어 문제에 적용가능 함을 확인하였다. This paper presents a modified Φ-D algorithm that can be applied not only to the time invariant system but also to the optimal control problem given the fixed final time constraint and the regulation control problem. If the existing algorithm was to solve the Riccati formula and the Lyapunov function of the algebraic equation form, the modified algorithm is a method of solving the auxiliary state variables expressed in the form of differential equations by power series expansion. In order to verify the performance of the Φ-D modified algorithm, a nonlinear optimal control problem, which is given by a fixed final time condition as a constraint and the control problem of the Earth to Mars orbit transfer, are applied. As a result of the performance verification, it is possible to improve the accuracy of the converged suboptimal solution by raising the order of the power series. Also, it is confirmed that it is applicable not only to the existing time invariant system but also to the optimal control problem of various conditions.

CONDUIT을 이용한 FBW 헬리콥터 제어법칙 설계 및 최적화

이장호,김응태,현정욱,이석천,강영신,유혁 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.4

헬리콥터 조종성 국제규격인 ADS-33E의 Level 1을 만족하기 위해서 Fly-By-Wire 제어시스템 적용이 필요하다. ADS-33E의 요구 조건에 대한 정량적 평가를 위하여 시간영역과 주파수영역 해석에 많은 시간이 소요되며, 상호연성이 심한 헬리콥터 시스템에 대하여 조종성과 성능 요구조건을 만족시키는 제어시스템 파라미터를 수작업을 통해 얻는 과정은 매우 복잡하고 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 다변수 최적화 툴인 CONDUIT(Control Designer's Unified Interface)을 이용함으로써 짧은 시간에 최적화된 제어이득을 계산할 수 있다. 본 연구에서는 Fly-By-Wire 제어시스템의 설계 대상 항공기로 BO-105를 선택하였으며, ADS-33E 요구조건을 만족하기 위하여 모델추종 제어기를 적용하였다. CONDUIT을 이용하여 최적화된 제어 이득을 구하였으며 초기 제어이득과 최적화 이득에 대한 제어시스템의 성능을 해석하고 분석 비교하였다. Fly-By-Wire system is essential for a helicopter to satisfy level 1 of ADS-33E which is the rotorcraft design standard for handling qualities requirements. The evaluation against ADS-33E requirements is a time consuming effort, involving extensive analyses in both the time and frequency domains and manual tuning of control gains of the severely coupled helicopter to meet handling qualities and performance specifications is cumbersome and complicated. To solve this problem, Control Designer's Unified Interface (CONDUIT) software may be used to solve for the optimized control gains satisfying design requirements. In the research, BO-105 is selected and model following controller for Fly-By-Wire system is adopted. The optimized control gains are obtained by utilizing CONDUIT. The performances of the control system are analyzed and compared with initial gain values and optimized ones.