UAV 제어 과제를 하게 되었다
지금까지는 자율주행 자동차와 모바일 로봇만 다뤘는데 드론은 처음이다!
따라서 제어 시스템을 정리를 하면서 공부하고 구현할 예정이다
매트랩 코리아 강의를 바탕으로 정리한다
나의 모든 글은 상업적 목적이 절대 없으며 철저한 개인 공부임을 밝힌다

드론의 종류

드론에는 아래와 같이 여러 종류가 있다

• Quadcopter
• Hexacopter
• Octocopter
• Helicopter

드론의 기본 센서

드론은 기본적으로 아래의 센서로 구성되어 있다

• Ultrasonar
  • 지면과의 거리 측정
• Camera
  • Optical flow를 통한 drone motion 추정

• Pressure
  • Altitude 측정 -> 지면과 공중의 공기압이 다른 것을 이용

• IMU(Inertial Measurement Unit)
  • Acceleration
  • Angular rate

드론 제어의 개요

기본 적인 Control block diagram을 따른다

Quadcopter를 기준으로 모터 4개의 forces & torques를 입력 받음
On-board sensor로부터 system state에 대한 추정치를 측정
Feedback 되어서 Controller에 Guidance와 함께 인가

드론의 자유도

드론은 기본적으로 Underactuated system

드론 제어의 기초를 알아보자!!!

모터에 장착된 프로펠러가 회전을 하면 아래쪽으로 힘이 작용한다
이 때 reactive force가 사진과 같이 위로 작용해서 막대기가 상승하게 된다
이 힘이 중력과 같다면 제자리에서 Hovering 한다

하지만 힘이 막대기 끝에 있다면?
힘의 방향이 달라서 토크가 발생하여 막대기가 회전하게 된다
이 때 위쪽 방향의 힘 < 중력 방향의 힘 이기 때문에 막대기는 곧 오른쪽 아래로 추락한다

따라서 막대기 끝에도 똑같은 힘을 주어서, 반대 방향의 토크를 만들어 내어 상쇄시킨다

막대기 1개는 2차원에서 잘 작동하지만 이를 3차원으로 확장시키기 위하여 막대기를 2대를 이용한다

드론의 Yaw 동작

기본 생김새는 이렇다.
각 프로펠러의 회전 방향이 서로 막대기 두개를 겹쳐서 X 자 프레임을 만든다

이 때 대각선에 있는 초록색의 힘을 크게하고, 빨간색을 작게하면?
위쪽 방향으로의 Total force=gravity force와 같게 되어 호버링 한다
하지만 수평 방향으로는 녹색의 힘이 더 크기 때문에 yaw 각도로 운동한다

드론의 Roll

왼쪽 두개의 프로펠러의 방향을 같게하고 힘을 키운다
이 때 나머지 프로펠러는 방향을 반대, 힘을 줄인다
이도 마찬가지로 토크가 발생하여 roll 각도로 운동한다

드론의 Pitch

앞쪽 두개의 프로펠러의 방향을 같게하고 힘을 키운다
이 때 나머지 프로펠러는 방향을 반대, 힘을 줄인다
이도 마찬가지로 토크가 발생하여 pitch 각도로 운동한다

이 때 Roll과 Pitch는 Yaw와는 독립적인 동작을 한다
왜냐하면 사진에서 보이듯이 Yaw torque들이 서로 반대방향으로 만들어져 상쇄되기 때문

드론의 상승

드론이 상승하려면 어떻게 해야할까?
드론의 총 무게를 들어올리는 추력(Thrust) 이상을 내면 된다

말이 좀 공학스럽지 못한데, Force of gravity 보다 큰 Thrust force가 작용하면 드론은 상승하게된다

이는 각 모터가 그 추력의 1/4의 힘만 내면 된다는 것을 의미!!

Motor Mixing Algorithm

하지만 생각해보자…
드론이 roll, pitch 운동을 할 때는 각도가 기울어져서 직전 상태가 호버링 상태였다면 추락하게 된다

따라서 드론이 roll, pitch 성분으로 운동할 때는 그에 해당하는 추력이 더 필요하게 된다