작업용 로봇팔을 장착한 무인기 시스템 연구

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 작업성을 고려해 제어성능의 정확성과 동일성을 만족시키는 무인기의 제어시스템에 대해 제안한다. 무인기에게 요구되는 작업의 종류 및 운용환경은 다양하며 개별 용도에 따라 시스템을 구성하는 것은 굉장히 비효율적이다. 그러므로 다양한 작업환경에 대해 대응할 수 있도록 작업용 무인기 시스템을 플랫폼과 장비모듈로 나누어 독립적으로 설계하였다. 작업용 무인기 시스템에서 플랫폼은 작업에 상관없이 외란을 상쇄시키며, 명령받은 위치와 자세를 추종해야 한다. 장비는 현재 운용 중인 플랫폼에 상관없이 작업 시나리오에 따라 임무를 수행하면 된다. 이처럼 플랫폼과 장비의 제어를 독립적으로 구성할 경우 높은 작업성을 보장할 수 있다. 이를 위해 플랫폼의 제어에서는 적응제어기법을 적용하였으며, 장비의 제어에서는 역기구학을 통해 위치제어를 수행하였다.
작업 중 반력으로 인하여 비행체의 선형모델이 달라지므로 고전제어기법을 이용해서는 정밀한 작업을 수행하는데 한계가 있다. 작업장비가 고정된 형태의 경우 수학적 계산을 통해 변화량 계산할 수 있으나, 로봇팔과 같이 가변적인 형태일 때는 모든 경우에 대해 이를 계산할 수 없다. 그러므로 본 논문에서는 플랫폼의 제어에 적응제어기법을 적용함으로써 비행체에 영향을 미칠 수 있는 임의의 오차들을 보상하고 동일한 제어성능을 보장하였다.
작업용 무인기 시스템의 성능을 검증하기 위해 고층 건축물에서 운용되는 작업을 바탕으로 각 모듈의 기능 요구조건을 정의하였다. 도출된 제원을 통해 플랫폼과 로봇팔은 독립적으로 모델링이 되었으며, 두 구성요소를 결합시키기 위하여 작업용 무인기의 통합 시뮬레이터를 개발하였다. 급 플랫폼과 급 로봇팔은 통합 시뮬레이터 환경에서 다양한 테스트 케이스들에 대해 검증되었다. 최종적으로 기능검증을 완료한 작업용 무인기 시스템은 최종적으로 송전탑에서 수행되는 작업을 시뮬레이션 함으로써 성능을 평가하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 개 요 1
• 1.1. 연구배경 1
• 1.2. 연구동향 4
• 1.3. 연구내용 및 의의 9
• 1.4. 논문의 구성 10
• 2. L1 적응제어를 이용한 쿼드로터 제어기 설계 12
• 2.1. 적응제어 배경이론[12] 13
• 2.2. 쿼드로터 자세제어기 설계 19
• 2.2.1. 쿼드로터 피치제어 모델링 19
• 2.2.2. 작업성을 고려한 제어성능 분석 21
• 가. 무게변화에 따른 제어기 성능분석 23
• 나. 관성량 변화에 따른 제어기 성능분석 24
• 다. 무게중심 변화에 따른 제어기 성능분석 24
• 2.2.3. L1 적응제어기 설계 25
• 가. L1 적응제어기 구성 26
• 나. C(s)의 차단주파수 결정 27
• 다. 시간지연에 대한 안정성 확인 30
• 2.3. 시뮬레이션 및 검증 32
• 2.3.1. L1 적응제어기 단위시험 33
• 2.3.2. 쿼드로터 선형모델에 대한 L1 적응제어기 검증 41
• 2.3.3. 쿼드로터 6자유도 모델에 대한 L1 적응제어기 검증 44
• 3. 작업용 비행체 및 장비 모델링 48
• 3.1. 비행체 모델링 49
• 3.1.1. 송전탑 작업을 위한 쿼드로터 요구조건 정의 49
• 3.1.2. 작업용 쿼드로터 모델링 52
• 가. 단일로터 모델링[27] 53
• 나. 쿼드로터 플랫폼 모델링 57
• 3.2. 자동비행 알고리듬 설계 61
• 3.2.1. Roll, Pitch 제어기 설계 62
• 3.2.2. Yaw 제어기 설계 65
• 3.2.3. 고도 제어기 설계 66
• 3.2.4. 위치 제어기 설계 68
• 3.3. Manipulator Robot 모델링[28] 69
• 3.3.1. 배전선로 작업용 머니퓰레이터 제원분석[28] 71
• 3.3.2. 85kgf 및 210kgf급 머니퓰레이터 모델링 73
• 3.3.3. 머니퓰레이터 위치제어기 설계 77
• 3.4. 작업용 비행체 시스템 오차분석 81
• 3.5. 통합 시뮬레이션 수행 83
• 3.5.1. Case 1 : x축 대칭형 외란(85kgf급 머니퓰레이터) 88
• 3.5.2. Case 2 : x축 비대칭형 외란(85kgf급 머니퓰레이터) 92
• 3.5.3. Case 3 : x축 대칭형 외란(210kgf급 머니퓰레이터) 95
• 3.5.4. Case 4 : x축 비대칭형 외란(210kgf급 머니퓰레이터) 98
• 3.5.5. Case 5 : 이륙 시 위치제어(210kgf급 머니퓰레이터) 101
• 3.5.6. Case 6 :최대부하 시 제자리비행(210kgf급 머니퓰레이터) 104
• 4. 무인기를 이용한 송전탑 작업 시뮬레이션 108
• 4.1. 작업용 무인기 시스템 구성 108
• 4.2. 시뮬레이션 및 검증 111
• 4.2.1. 작업 시나리오 정의 111
• 4.2.2. 시뮬레이션 및 분석 114
• 가. 100m 상승비행 구간 : 구간 ① 114
• 나. 100m 전진비행 구간 : 구간 ② 117
• 다. 작업수행 구간 : 구간 ③ 120
• 5. 결 론 124
• 참고 문헌 126