무인항공기제어실험

목차

1. 무인항공기란 무엇인가?
2. 실험의 목적 및 요지
3. 실험에 관한 사전 조사 및 지식(항공기 자세측정방법)
4. 무인항공기의 내부시스템 구성
5. 실험 장비
6. 제어 이론
7. 실험 결과
8. 결론 및 소감

본문내용

이라 해보자. 와 는 각각 비례와 미분 상수인데 먼저 =0인 경우를 생각해 보자, 그러면 인 경우 가 되어 가 음수로 놓으면 항공기의 Pitch가 증가하는 방향으로 피치운동을 하게 할 수 있다. 그러나 만 사용할 경우 오르락내리락 진동만 하게 되어 효과적으로 제어하지 못하게 되는데 여기에 댐핑효과를 주어 쉽게 제어를 할 수 있으며 이것이 바로 PD제어이다. PD제어기는 감쇠가 적은 경우나 원래 불안정한 시스템에는 효과가 적지만, 적절하게 설계된 제어시스템의 성능에는 감쇠를 개선하고 최대오버슈트를 감소시키며, 상승시간과 정정시간을 감소시킨다. 또, 고주파수에서 잡음을 증폭시킬 수 있다. 그리고 BW를 증가시키며, GM과 PM 및 Mr을 개선한다. 그림 4은 PD제어를 갖는 시스템의 단위계단응답을 시간에 따라 나타낸 결과 이다.
(그림 3. PD Control Block Box Diagram)
(그림 4. PD제어기를 갖는 시스템의 단위계단응답)
7. 실험 결과
우리의 실험이 실제 비행과정과는 차이가 있기 때문에 그 차이를 먼저 언급하겠다. 실제 무인항공기의 비행과정은 우리가 목표로 하는 지점에 빠르고 안전하게 도착하기 위해서 사전에 설정한 것들을 만족시키며 자동제어 된다. 그러나 실제 환경에서는 많은 외부 교란 등이 있을 수 있다. 예를 들어 바람의 영향으로 항공기의 pitch가 setting된 값에서 많은 차이를 보이면 이것을 보완하기 위해서 PD제어기가 제어를 하게 되고 이에 따라 setting된 pitch로 수렴하게 되는 것을 볼 수 있다.
그러나 우리가 하는 비행제어실험은 환경여건 상의 어려움으로 실내에서 조교님의 외력으로 사전에 setting된 값에서 pitch, roll을 변동시켜서 이것이 어떤 형태로 제어가 되고 setting된 값으로 수렴을 하게 되는지를 탐구 할 수 있었다.
MATLAB GRAPH SOURCE
Pitch_1=Pitch(21354:22389);
Pitch_2=Pitch(24616:25672);
Pitch_3=Pitch(26969:27963);
Runtime_1=Runtime(21354:22389);
Runtime_2=Runtime(24616:25672);
Runtime_3=Runtime(26969:27963);
figure(1)
plot(Runtime_1, Pitch_1,'r');
title('Time-Pitch Graph')
xlabel('Time')
ylabel('Pitch')
hold on;
figure(2)
plot(Runtime_2, Pitch_2, 'b');
title('Time-Pitch Graph')
xlabel('Time')
ylabel('Pitch')
hold on;
figure(3)
plot(Runtime_3, Pitch_3, 'g');
title('Time-Pitch Graph')
xlabel('Time')
ylabel('Pitch')
hold on;
※ Roll또한 위와 동일하고 (35164:36010),(38122:38955),(40114:41120)의 구간임.
① 시간에 따른 pitch의 변화
1) P제어 P=0.7, D=0
다음 그래프를 살펴보면 약429.65s에서부터 조교님의 외력작용으로 pitch값이 급격히 변하는 것을 알 수 있다. 그 이후 부터 제어가 진행되고 수렴하면서 약간의 진폭으로 진동하는 것을 볼 수 있는데 이것은 D제어를 이용하지 않았기 때문에 감쇠효과가 없어 진폭을 줄여주지 못한 것으로 예상하였다.
2) D제어 P=0, D=0.15
D제어를 하는 이 그래프를 보면 처음 외부교란이 발생(495.29s), 제어가 되는 시점부터 안정이 되는 시점까지 걸리는 시간이 P제어를 이용할 때 보다 약간의 시간이 더 걸린것 을 확인 할 수 있었다. 또한 P제어 보다 안정되는 초기 부분에서 상대적으로 더 불안정한 모습을 보였다.
3) PD제어 P=0.7, D=0.15
PD제어는 P제어와 비슷한 거동을 하는 것을 확인 할 수 있었고 미비하지만 P제어 보다 안정적인 수렴값을 볼 수 있었다.
② 시간에 따른 Roll의 변화
1) P제어 P=0.55, D=0
시간에 따른 roll변화에서 P제어의 거동은 외부교란에 따라 설정된 값으로 큰 진폭으로 진동하다가 점차 안정이 되어 가는 모양으로 수렴하였고 수렴하는 동안에도 안정적으로 수렴하지 못하고 약간의 진동을 계속 보였다.
2) D제어 P=0, D=0.07
D제어에서는 P제어보다 수렴하는 시간이 오래 걸렸고 안정되고 수렴된 후에는 P제어보다 오히려 진동이 적은 것을 확인 할 수 있었다.
3) PD제어 P=0.55, D=0.07
PD제어에서는 P제어, D제어와 비슷한 시간으로 수렴하는 것을 보았고, 안정되어 수렴한 이후에는 P제어, D제어보다 더 안정되어 진동이 거의 보이지 않았다.
8. 결론 및 소감
우리가 실험 전에 공부한 PD제어의 이론 중 이것의 장단점을 다시 짧게 언급해보면 비례제어(P제어)는 PID제어에서 반드시 사용하는 기본적인 제어이며 이 제어만 사용할 경우 정상상태오차가 발생한다는 것이고 미분제어(D제어)는 잘 활용하면 안정성과 응답속도를 빠르게 하는데 시스템에 잡음성분이 있을 경우 제어입력에 나쁜 영향을 미치는 단점을 숙지하였다.
이것을 염두에 두고 실험 결과를 분석 해본 결과, 시간에 대한 pitch변화에서 D제어의 결과를 보면 이론과 달리 P제어보다 시간이 더 걸린 것을 확인했고, 잡음의 영향으로 제어가 안정된 후 약간의 진동이 발생하며 P제어보다 불안정한 모습을 보였다는 것을 예상 할 수 있었다.
시간에 대한 pitch변화에서 PD제어는 P제어와 비슷한 거동을 하면서도 안정된 수렴값을 가지는 것을 확인하였다.
또한 시간에 대한 roll변화에서도 PD제어는 P제어만 할때, D제어만 할 때 보다 안정된 수렴값을 가지는 것을 확인 할 수 있었다.
비행제어에 대한 논리를 알지 못했을 때에는 각종 매체에서 나오는 무인항공기 기술이 그다지 어려운 기술이 아니다 라는 생각을 많이 하였지만 이번 실험을 통해서 조종사 없이 비행체를 제어한다는 것이 얼마나 위험하고도 어려운 것인지 체험하였고 외란에 대한 반응속도가 매우 중요하다는 것을 깨달았다.

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