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.

변속 무인 수중 잠수정을 위한 강인 경로 추적 제어

최윤호(Yoon Ho Choi),김경주(Kyoung Joo Kim) 한국지능시스템학회 2010 한국지능시스템학회논문지 Vol.20 No.4

본 논문에서는 시간에 따라 종방향 속도가 변하는 무인 수중 잠수정의 경로 추적 제어기 설계 방법을 제안한다. 본 논문에서 제안한 경로 추적 제어기는 운동학적 제어기와 동역학적 제어기로 구성된다. 운동학적 제어기는 무인 수중 잠수정이 시간에 따라 속도가 변하는 기준 경로를 따라 가기 위해 종방향 속도와 yaw 각속도를 계산하고, 계산된 값이 동역학적 제어기의 기준 입력 값이 된다. 즉, 동역학적 제어기는 추진력과 회전력을 제어하여 무인 수중 잠수정의 종방향 속도와 yaw 각속도가 운동학적 제어기에서 계산한 값과 일치하도록 설계한다. 이 때 사용한 동역학적 제어기는 무인 잠수정의 옆 미끄럼 속도를 외란으로 가정하고, 종방향 속도와 yaw 각속도를 슬라이딩 모드 제어 기법을 이용하여 설계한다. 한편 설계된 제어기의 안정도 판별을 위해 Lyapunov 방법을 이용하여 제어기의 안정성을 보인다. 마지막으로, 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 설계된 제어기의 성능을 검증한다. In this paper, we propose a robust path tracking control method for autonomous underwater vehicle with variable speed. The proposed path tracking controller consists of a kinematic controller and a dynamic controller. First, the kinematic controller computes the surge speed and yaw rate to follow the reference path with variable speed. Then the dynamic controller controls the thrust force and yaw torque to move the AUV actually. In the dynamic control, we assume that the sway speed is a disturbance. In addition the dynamic controller is designed based on sliding mode conrol. We also demonstrate the stability of the proposed control method by Lyapunov stability theory. Finally, simulation results illustrate the performance of the proposed control method.

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.

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.

경로점을 가지는 해상풍력 석션버켓 기초의 기울기 제어 모형실험

김유석(Kim, You-Seok),이종필(Lee, Jong-Pil) 한국방재학회 2021 한국방재학회논문집 Vol.21 No.3

해상풍력단지개발에서 단일형 석션버켓 기초의 기울기 제어는 중요한 문제이다. 단일형 석션버켓 기초의 경우에는 내부에 격실을 마련하고 각 격실의 압력을 제어하는 것으로부터 기초의 기울기 제어가 가능하다. 단 각 격실의 압력은 미세하게 제어가 가능하여야 한다. 이에 대한 연구들이 수행되었으나 기울기 제어에 대한 방법론에 대해서는 구체적으로 언급이 되지 않고 있다. 본 연구에서는 3개의 내부격실을 둔 단일형 석션버켓 기초의 기울기 제어에 대한 모형실험을 실시하였다. 모형석션 기초의 기울기 제어를 위해서 격실내부압력을 각기 제어하여 실험을 수행하였다. 모형은 실제크기의 1:100으로 제작하였고 모래지반으로 수행하였다. 각 격실별로 부압 및 정압을 4가지로 조합하여 모형기초의 기울기 제어 실험을 수행하였다. 실험결과 시공 중 및 운용 중에 대해서 5°의 기울기 제어가 가능하였다. 운용중의 경우에는 부압만으로는 모형기초의 기울기 제어가 한계가 있어 정압을 조합하여 5°의 기울기 제어를 실현하였다. In offshore wind farms, tilting control based on a single-basket suction bucket foundation is a significant problem. In a single-basket suction bucket foundation, the tilting control of the foundation is possible by arranging the cells inside and controlling the pressure of each cell. However, the pressure of each cell must be finely controlled. Studies on this topic have been conducted, but no specific tilting control method has been developed. This paper presents experimental model results for tilting control obtained during the installation of a suction bucket foundation consisting of three internal cells. Tilting control was performed by independently controlling the internal pressure of each cell. A 1:100 scale model was used, and the ground condition was sandy. Four cases of tilting control tests for the model foundation were used with multiple combinations of internal positive, negative, or both pressures of each cell. It was found that the tilting control was within 5° during the installation and operation stages. There was a tilting control limit for operation based on the model with only negative pressure; therefore, 5° tilting control was achieved by combining the positive pressure.

무인 자율 주행을 위한 최단 시간 경로계획 알고리즘 설계

김동욱(Dongwook Kim),김학구(Hakgu Kim),이경수(Kyongsu Yi) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.5

본 논문은 무인 자율 주행을 위한 최소 시간 경로계획 알고리즘에 대해서 제안하였다. 최소 시간 경로계획 문제는 경로의 기하학적인 형상에 대한 고려뿐만이 아니라 차량 동역학까지 고려해야 하는 최적 문제이다. 경로계획은 후보 경로 생성 알고리즘과 속도 최적화 알고리즘으로 구성된다. 후보 경로 생성 알고리즘은 최단 거리 경로와 최고 속도 경로를 조합하여 후보경로를 생성한다. 속도 최적화 알고리즘은 차량의 주행성능 한계와 타이어 마찰 한계를 고려하여 각 후보 경로의 최고 속도를 계산한다. 이렇게 계산된 경로와 속도를 이용하여 각 후보 경로의 주행 시간을 계산하고 가장 작은 주행 시간의 경로를 최단시간 경로로 도출한다. 그리고 제안한 알고리즘은 CarSim 과 Matlab/Simulink 를 사용한 시뮬레이션을 통해 검증하였다. This paper presents a near-minimum time path planning algorithm for autonomous driving. The problem of near-minimum time path planning is an optimization problem in which it is necessary to take into account not only the geometry of the circuit but also the dynamics of the vehicle. The path planning algorithm consists of a candidate path generation and a velocity optimization algorithm. The candidate path generation algorithm calculates the compromises between the shortest path and the path that allows the highest speeds to be achieved. The velocity optimization algorithm calculates the lap time of each candidate considering the vehicle driving performance and tire friction limit. By using the calculated path and velocity of each candidate, we calculate the lap times and search for a near-minimum time path. The proposed algorithm was evaluated via computer simulation using CarSim and Matlab/Simulink.

접근 각도 개념을 이용한 과소 작동기 무인 잠수정의 경로 추적 제어기 설계

김경주(Kyoung Joo Kim),최윤호(Yoon Ho Choi),박진배(Jin Bae Park) 한국지능시스템학회 2012 한국지능시스템학회논문지 Vol.22 No.2

본 논문에서는 접근 각도 개념을 이용하여 과소작동기 형태의 무인 수중 잠수정의 경로 추적 제어기 설계 방법을 제안한다. 과소 작동기 형태를 가지는 무인 수중 잡수정은 종 방향 추진력과 회전력에 의해 속도와 방향을 조절하나, 횡 방향 추진기가 없기 때문에 횡 방향에 대한 움직임을 제어 할 수 없다. 이러한 무인 수중 잠수정의 과소 작동기 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 기준 경로에 대한 접근 각도 개념을 제안하고, 제안한 접근 각도를 이용하여 경로 추적 제어기를 설계한다. 이를 위해 동체 고정 좌표계에서 새로운 오차 방정식을 구하고, 리아푸노프 방법을 기반으로 경로 추적 제어기를 설계한다. 본 논문에서는 컴퓨터 시뮬레이션 통해 제안한 방법에 의해 설계된 제어기의 성능을 검증한다. In this paper, we propose a method for designing the path tracking controller using an approach angle concept for an underactuated autonomous underwater vehicle (AUV). The AUV is controlled by the surge speed and yaw rate: there is no side thruster. To solve this underactuated AUV problem in the path tracking, we introduce an approach angle concept which makes the AUV converge to the reference path. And we design the path tracking controller using the proposed approach angle. To design the path tracking controller, we obtain the new vehicle"s error dynamics in the body-fixed frame, and then design the path tracking controller based on Lypunov direct method. Finally, some simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed controller.

각속도 제한을 고려한 무인기의 Dubins 경로 생성 및 추적

양유영(You-young Yang),장석호(Seok-ho Jang),이현재(Henzeh Leeghim) 한국항공우주학회 2021 韓國航空宇宙學會誌 Vol.49 No.2

본 논문에서는 초기지점과 최종지점이 주어졌을 때 2차원 평면에서 무인기의 경로 생성 및 추적 문제에 대해 제안한다. Dubins 곡선을 이용한 경로 생성 알고리즘은 계산 속도가 빨라 무인기에 실시간으로 적용 가능하다는 장점이 있다. 경로 추적 알고리즘은 가시거리 유도 알고리즘과 유사한 알고리즘으로 효율적으로 방향각을 제어하기 위해 전방주시거리 개념과 관련된 이득 값을 추가하였다. 무인기의 경우 최대 곡률이 제한된다. 정밀한 제어를 위해 쿼드로터 모델을 사용하였다. 각속도 제한을 고려한 슬라이딩 모드 제어기를 통해 최대 곡률을 벗어나지 않고 경로를 추종하는 시뮬레이션을 진행하였다. 제약조건이 없는 제어기와 제약조건이 있는 제어기를 비교하여 경로 생성 및 추적 성능을 검증하였다. In this paper, we propose a path generation and tracking algorithm of an unmanned air vehicle in a two-dimensional plane given the initial and final points. The path generation algorithm using the Dubins curve proposed in this work has the advantage that it can be applied in real time to an unmanned air vehicle. The path tracking algorithm is an algorithm similar to the line-of-sight induction algorithm. In order to efficiently control the direction angle, a gain related to the look ahead distance concept is introduced. Most of UAVs have the limited maximum curvature due to the structural constraints. A numerical simulation is conducted to follow the path generated by the sliding mode controller considering the angular velocity limit. The path generation and tracking performance is verified by comparing the suggested controller with conventional control techniques

속도제어-정용량 펌프를 사용하는 실린더-부하계의 에너지절약-부하감지형 경로제어

조승호(S. H. Cho) 유공압건설기계학회 2009 드라이브·컨트롤 Vol.6 No.3

This paper deals with the issue of robust position tracking control and energy-saving control for a valve-controlled cylinder system using speed-controlled fixed displacement pump. The whole feedback control system is composed of a pair of interconnected subsystems, that is, valve-controlled cylinder system and load-sensing control system. From experiments it is shown that position tracking control in the load sensing control system can accomplish significant reduction in input energy to pump comparing to a conventional valve-controlled cylinder system, while exhibiting the same position tracking control accuracy.

속도제어-정용량 펌프를 사용하는 실린더-부하계의 에너지절약-부하감지형 경로제어

조승호 사단법인 유공압건설기계학회 2009 드라이브·컨트롤 Vol.6 No.3

This paper deals with the issue of robust position tracking control and energy-saving control for a valve-controlled cylinder system using speed-controlled fixed displacement pump. The whole feedback control system is composed of a pair of interconnected subsystems, that is, valve-controlled cylinder system and load-sensing control system. From experiments it is shown that position tracking control in the load sensing control system can accomplish significant reduction in input energy to pump comparing to a conventional valve-controlled cylinder system, while exhibiting the same position tracking control accuracy.