KR102232860B1 - 비행체 자세제어 시스템 및 비행체 자세제어방법 - Google Patents

비행체 자세제어 시스템 및 비행체 자세제어방법 Download PDF

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Abstract

실시 예에 따른 비행체 자세제어 시스템은 본체, 상기 본체의 흔들림을 감소시키기 위해 자기 토크를 발생시켜 상기 흔들림을 조절하는 자기 토크 발생부 및 상기 자기 토크 발생부의 작동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 제어부는 자기 토크 발생부의 작동을 제어할 수 있다. 따라서 제어부는 자기 토크 발생부의 작동에 필요한 비행체의 희망 자세 명령을 생성하고, 자기 토크 발생부의 작동에 필요한 명령을 자기 토크 발생부에 보낼 수 있다. 자기 토크 발생부는 본체의 흔들림을 감소시키기 위해 자기 토크를 발생시켜 본체의 흔들림을 조절할 수 있다. 자기 토크 발생부는 제어부의 작동제어명령을 받아 작동할 수 있다.

Description

비행체 자세제어 시스템 및 비행체 자세제어방법{AIR VEHICLE ATTITUDE CONTROL SYSTEM AND AIR VEHICLE ATTITUDE CONTROL METHOD}
아래의 설명은 비행체 자세제어 시스템 및 비행체 자세제어방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 비행체의 자세 및 각속도와 지구자기장을 측정한 후 토크를 발생시켜 비행체의 자세를 교정해주는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
비행체란 추진장치를 갖추고 고정날개에서 생기는 양력을 이용해 비행하는 기계를 의미한다. 비행체의 비행원리는 날개에서 흐르는 공기의 꺾임 및 속도차이에 따른 양력을 이용하는 원리이다. 특히 헬리콥터 모양의 드론의 경우, 드론은 4개의 프로펠러를 이용해 양력을 얻어 공중에 뜰 수 있고 프로펠러의 회전으로 추력을 얻어 방향제어까지 가능하다.
프로펠러의 추력을 이용한 자세제어는 프로펠러가 회전하는 동안 원치 않는 병진운동이 발생하는 문제점을 유발할 수 있다. 원치 않은 병진운동으로 인해 비행체의 작동에 문제가 생길 수 있고 비행체의 작동에 문제가 생긴 경우 비행체의 작동 문제는 자칫 큰 사고로 이어질 수 있다. 그 중에서도, 비행체가 이륙 또는 착륙시에 텀블링이 발생하게 되면 비행체의 연착륙에 어려움이 있을 수 있다. 또한 비행체가 비행도중 병진운동과 같이 비행체의 흔들림이 발생하게 되면 호버링 및 자세안정화에 어려움이 생겨 안전한 비행이 힘들 수 있다. 따라서 비행체의 흔들림을 방지하고 비행자세를 안정화하기 위한 보조장치가 필요한 실정이다.
그리고 프로펠러는 비행체의 외부에 노출되어 비행체의 비행기능을 수행하는 장치이다. 비행체의 외부에 노출되어 비행기능을 수행하기 때문에 외부환경에 직접 영향을 받을 수 있다. 특히 눈, 비가 내리고 바람이 심하게 부는 날에는 프로펠러의 작동에 무리가 갈 수 있다. 또한, 비행체가 추락하거나 비행체가 외부 물체에 충돌하는 경우에는 프로펠러의 파손의 우려가 있다. 이런 외부적인 구조의 어려움을 보완하여 구조적으로 안정하고 비교적 간결한 구조로 비행체에 설계되어 비행체의 자세를 제어할 수 있는 장치가 필요한 실정이다.
이와 관련하여, 국내등록특허공보 10-2017-0143963호는 자세 제어방법 및 그를 적용한 드론에 대해 개시한다. 상기 특허발명은 가속도계로부터 현재의 추정 각속도를 계산하고 자이로스코프로부터 측정한 측정 각속도를 이용하여 현재의 추정 오일러 각을 계산한다. 계산한 추정 각속도, 현재의 추정 오일러 각 및 메모리에 기 저장된 정보를 토대로 드론의 자세와 변화 방향을 추정하고 특정화하여 드론의 자세를 정밀하게 제어할 수 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
실시 예의 목적은 현재 비행체의 자세 및 각속도를 측정하여 필요한 토크를 계산 및 명령하고, 명령을 통해 자세 교정에 필요한 자기 모멘트 및 자기토크를 발생시켜 자세를 안정시키는 비행체 자세제어 시스템 및 비행체 자세제어방법을 제공하는 것이다.
실시 예의 목적은 자기 토크 발생부를 지지부에 결합시켜 구조적으로 안전한 비행체 자세제어 시스템 및 비행체 자세제어방법을 제공하는 것이다.
실시 예에 따른 비행체 자세제어 시스템은 본체, 상기 본체의 흔들림을 감소시키기 위해 자기 토크를 발생시켜 상기 흔들림을 조절하는 자기 토크 발생부 및 상기 자기 토크 발생부의 작동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 비행체의 흔들림을 저감시키기 위해 상기 비행체의 자세 및 각속도를 교정해주는 토크를 계산하여 명령하는 토크 명령 생성부, 실제 지구자기장을 관측하거나 예측 지구자기장을 계산하여 지구자기장 값을 제공하는 지구자기장 계측부, 상기 토크명령 생성부에서 생성한 토크 명령과 상기 지구자기장 계측부에서 제공하는 지구자기장을 이용하여 자세제어에 필요한 자기모멘트 명령을 생성하는 자기모멘트 명령 생성부를 포함할 수 있다.
상기 토크 명령 생성부는, 상기 비행체의 자세제어를 위한 희망 자세 및 희망 각속도 명령을 생성하는 자세명령 생성부를 포함할 수 있다.
상기 토크 명령 생성부는 상기 자세명령 생성부에서 생성한 희망 자세 및 희망 각속도 명령을 토대로 상기 비행체의 자세 및 각속도를 교정해주는 토크를 계산하는 토크 계산부를 더 포함할 수 있다.
상기 토크계산부는, 상기 자세명령생성부에서 생성한 희망 자세 및 희망 각속도 값과 상기 토크계산부에서 계산한 토크값 사이의 오차를 계산하고 상기 오차값을 줄이기 위해 피드백(feedback) 방식으로 제어값을 계산하는 오차계산부를 더 포함할 수 있다.
상기 지구자기장 계측부는 상기 비행체 내부에 설치되어 있고, 실제 지구자기장을 감지하여 실제 지구자기장값을 제공하는 지구자기장 측정부를 포함할 수 있다.
상기 지구자기장 계측부는 지구 자기장 모델을 만들어 지구자기장값을 예측하는 지구자기장 모델부를 포함할 수 있다.
상기 자기모멘트 명령 생성부는 자기 쌍극자 모멘트가 일정한 자기장에 놓이면 돌림힘(torque)을 받는 법칙에 따라 자기모멘트값을 계산하고, 상기 계산한 자기모멘트값을 상기 자기 토크 발생부에 제공하는 자기모멘트 연산부를 포함할 수 있다.
상기 자기 토크 발생부는 자기모멘트를 발생시키기 위해 전류를 생성할 수 있는 전류전원부, 상기 전류전원부재에서 발생한 전류가 흘러갈 수 있는 통로를 제공하고, 상기 전류의 흐름을 통해 자기모멘트를 발생시키는 자기모멘트 발생부 및 상기 자기모멘트 발생부와 인접하여 상기 자기모멘트 발생부를 지지하는 지지부를 포함하고, 상기 자기모멘트 발생부에서 발생한 자기모멘트를 이용하여 상기 본체의 흔들림 조절에 필요한 자기 토크를 발생시킬 수 있다.
상기 자기모멘트 발생부는 상기 지지부를 감싸는 코일형태로 구성될 수 있다.
상기 지지부는, 상기 본체에 연결되어 있고 상기 자기모멘트 발생부에서 자기모멘트가 3차원적으로 발생할 수 있도록 제작되는 날개를 포함할 수 있다.
실시 예에 따른 비행체 자세제어 방법은 상기 비행체의 흔들림을 감지하고 상기 흔들림을 저감시키기 위한 상기 비행체의 희망 자세 및 희망 각속도값을 생성한 후, 상기 희망 자세 및 희망 각속도로 교정하기 위해 필요한 토크값을 명령하고 입력 받는 토크명령 입력단계, 상기 비행체에 영향을 주는 실제 지구자기장을 관측하거나 예측 지구자기장을 계산하여 지구자기장값을 생성하고 입력 받는 지구자기장 입력단계, 상기 토크명령 입력단계에서 입력 받은 토크명령과 상기 지구자기장 입력 단계에서 입력 받은 지구자기장값을 비교하여 자세제어에 필요한 자기모멘트를 계산하고 명령하는 자기모멘트 명령단계 및 상기 자기모멘트 명령단계에서 명령한 자기모멘트 명령을 입력 받아 상기 비행체의 자세를 교정해주는 자기토크를 생성하는 자기토크 생성단계를 포함할 수 있다.
상기 토크명령 입력단계는, 상기 비행체의 희망 자세 및 희망 각속도 명령을 생성하는 자세명령생성단계, 상기 자세명령생성단계에서 생성한 희망 자세 및 희망 각속도 명령을 토대로, 상기 비행체를 상기 희망 자세 및 희망 각속도로 교정하는 토크를 계산하는 토크계산단계를 포함할 수 있다.
상기 지구자기장 입력단계는 실제 지구자기장을 감지하여 실제 지구자기장값을 제공하는 장치 및 지구자기장 모델을 통해 지구자기장을 예측하여 예측 지구자기장값을 제공하는 장치 중 적어도 하나 이상에서 지구자기장값을 제공받을 수 있다.
상기 자기토크 생성단계는 상기 자기모멘트 명령단계에서 입력 받은 자기모멘트 명령을 토대로 자기모멘트를 발생시킬 수 있는 전류를 발생시키는 전류발생단계, 상기 전류발생단계에서 발생한 전류에 의해 자기모멘트를 발생시키는 자기모멘트 발생단계 및 상기 자기모멘트 발생단계에서 발생한 자기모멘트를 이용하여 자기토크를 발생시키고, 발생한 자기토크를 통해 비행체의 자세를 교정해주는 자세교정단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 따른 비행체 자세제어 시스템 및 비행체 자세제어방법은 흔들리고 있는 비행체의 자세 교정에 필요한 자기 모멘트 및 자기 토크를 발생시킴으로써 비행체의 호버링을 유지시킬 수 있고, 비행체의 자세 안정화에 도움을 줄 수 있다.
실시 예에 따른 비행체 자세제어 시스템 및 비행체 자세제어방법은 토크 발생부를 구조적을 안전하게 구성함으로써 비행체가 추락하거나 비행체가 외부 물체에 충돌하여 생기는 파손을 방지할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 비행체 자세제어 시스템의 사용상태도이다.
도 2는 실시예에 따른 비행체 자세제어 시스템의 개략도이다.
도 3은 실시예에 따른 비행체 자세제어 시스템의 구체적인 블록도이다.
도 4는 실시예에 따른 자기토크 발생부의 모식도이다.
도 5는 자기모멘트의 물리법칙을 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 비행체 자세제어방법에 대한 순서도이다.
도 7은 토크 명령 입력단계에 대한 순서도이다.
도 8은 자기토크 생성단계에 대한 순서도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 실시예에 따른 비행체 자세제어 시스템의 사용상태도이고, 도 2는 실시예에 따른 비행체 자세제어 시스템의 개략도이고, 도 3은 실시예에 따른 비행체 자세제어 시스템의 구체적인 블록도이고, 도 4는 실시예에 따른 자기토크 발생부의 모식도이고, 도 5는 자기모멘트의 물리법칙을 설명하기 위한 설명도이다.
비행체는 지면에 떨어져 공중을 비행하는 기계로 정보수집, 군사작전, 물자수송 등 다양한 역할을 수행할 수 있다. 특히, 드론의 경우 복수개의 프로펠러를 이용해 무인으로 동작하는 비행체로, 사람이 직접 가기 어려운 곳으로 이동하고 이동한 장소의 정보를 수집하는 역할을 수행할 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 실시예에 따른 비행체 자세제어 시스템(1)은 비행체의 흔들림에 대응해 토크를 발생하여 비행체의 자세 및 각속도를 교정할 수 있다. 비행체는 본체(10), 제어부(11) 및 자기 토크 발생부(12)를 포함할 수 있다.
제어부(11)는 자기 토크 발생부(12)의 작동을 제어할 수 있다. 따라서 제어부(11)는 자기 토크 발생부(12)의 작동에 필요한 비행체 및 비행체 주변정보를 측정하고, 자기 토크 발생부(12)의 작동에 필요한 명령을 자기 토크 발생부(12)에 보낼 수 있다. 제어부(11)는 토크 명령 생성부(110), 지구자기장 계측부(111) 및 자기모멘트 명령 생성부(112)를 포함할 수 있다.
토크 명령 생성부(110)는 비행체의 흔들림을 저감시키기 위해 비행하고 있는 비행체의 자세 및 각속도를 교정해주는 토크를 계산하여 명령할 수 있다. 예를 들어, 토크 명령 생성부(110)는 현재 비행체의 자세 및 각속도에서 희망하는 자세 및 각속도로 교정하기 위해 필요한 토크값을 계산하고 명령할 수 있다. 토크 명령 생성부(110)는 자세명령생성부(1100) 및 토크 계산부(1101)를 포함할 수 있다.
자세명령생성부(1100)는 비행체의 자세제어를 위한 희망 자세 및 희망 각속도 명령을 생성할 수 있다. 자세명령생성부(1100)는 사전에 사용자에 의해 희망 자세 및 희망 각속도에 대한 기준값을 입력 받을 수 있다. 구체적으로, 비행기가 흔들리고 불안정한 자세를 견디고 있는 동안 사전에 입력 받은 희망 자세 및 희망 각속도에 대한 기준값을 기준으로 희망 자세 및 희망 각속도 값을 생성하여 명령할 수 있다.
토크 계산부(1101)는 자세명령생성부(1100)에서 생성한 희망 자세 및 희망 각속도 명령을 토대로 비행체의 자세 및 각속도를 교정해주는 토크를 계산할 수 있다. 예를 들어, 토크 계산부(1101)는 현재 비행체의 자세 및 각속도에 대해 희망 자세 및 희망 각속도로 변화하기 위해 움직여야 할 거리와 움직일 방향에 대해서 계산할 수 있다. 토크 계산부(1101)는 계산한 움직여야 할 거리 및 움직일 방향에 대해 자세 교정에 필요한 힘 및 움직임 각도를 계산할 수 있다. 최종적으로, 자세 교정에 필요한 힘 및 움직임 각도값을 기준으로 자세 교정에 필요한 토크를 계산할 수 있다.
토크 계산부(1101)는 비행체의 희망 자세 및 각속도 값과 토크 계산부에서 계산한 토크값 사이의 오차를 줄여주는 오차계산부를 더 포함할 수 있다. 오차계산부는 비행체의 희망 자세 및 각속도 값과 토크 계산부에서 계산한 토크값 사이의 오차를 계산하고, 오차값을 줄이기 위해 출력값과 입력값을 비교 수정하는 피드백(feedback) 방식으로 제어값을 계산할 수 있다. 예를 들어, 오차계산부는 PID제어기를 사용할 수 있다. 오차계산부는 PID 제어기를 사용하여 희망 자세 및 희망 각속도 값을 설정값으로 두고, 토크 계산부에서 계산한 토크값과 설정값을 끊임없이 비교하여 오차를 줄여갈 수 있다.
토크 명령 생성부(110)는 비행체의 현재 자세 및 각속도를 측정할 수 있는 측정부를 더 포함할 수 있다. 측정부는 자세측정센서 및 관성센서를 이용하여 현재 비행체 자세를 측정할 수 있다. 또한, 측정부는 각 축마다 각속도를 측정하는 장치를 설치하여 각속도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 회전체를 사용하는 자이로는 모멘트 방향에 세차 운동을 하는 특성을 이용해 회전에 대한 각속도를 측정할 수 있다. 자세명령생성부(1100)는 측정부에서 측정한 현재 비행기의 자세 및 각속도 정보를 토대로 희망 자세 및 희망 각속도 명령을 생성할 수도 있다.
지구자기장 계측부(111)는 지구자기장값을 자기모멘트 명령 생성부에 제공할 수 있다. 지구자기장 계측부(111)는 실제 지구자기장을 감지하여 실제 지구자기장값을 제공하는 지구자기장 측정부(1110)를 포함할 수 있다. 지구자기장 계측부(111)는 지구 자기장 모델을 만들어 지구자기장값을 예측하여 예측한 지구자기장값을 제공하는 지구자기장 모델부(1111)를 포함할 수 있다.
지구자기장 측정부(1110)는 비행체 내부에 설치되어 실제 지구자기장을 감지할 수 있다. 구체적으로, 지구자기장 측정부(1110)는 제어부와 같이 비행체 내에 설치되어, 비행체 주변 실제 지구자기장을 측정하여 즉각적으로 자기모멘트 명령 생성부에 지구자기장 값을 제공할 수 있다. 지구자기장 측정부(1110)는 자력계(magnetometer)를 사용하여 실제 지구자기장값을 측정할 수 있다. 예를 들어, 지구자기장 측정부(1110)는 강자성체의 자기 포화 특성을 이용한 자력계를 사용할 수 있다. 또는, 지구자기장 측정부(1110)는 자기 공명 현상을 이용하여 총 자기를 측정하는 자력계를 사용할 수 있다.
지구자기장 모델부(1111)는 지구 자기장 모델을 만들어 예측한 지구자기장 값을 제공할 수 있다. 지구자기장 모델은, 예를 들어, 지구 위치에 따른 자기장 데이터값, 기존의 측정데이터값 등을 데이터베이스에 축적할 수 있다. 또한 지구자기장 모델은 드론의 위치정보, 자세정보를 입력 받을 수 있다. 결과적으로, 지구자기장 모델은 데이터베이스에 축적한 지구자기장 정보를 토대로 알고리즘 프로그램을 이용하여 드론의 위치 및 자세에 따른 지구자기장값을 예측할 수 있다.
자기모멘트 명령 생성부(112)는 토크명령 생성부(110)에서 생성한 토크 명령과 지구자기장 계측부(111)에서 제공하는 지구자기장값을 이용하여 자세제어에 필요한 자기모멘트 명령을 생성할 수 있다. 구체적으로, 자기모멘트 명령 생성부(112)는 자기 쌍극자 모멘트에 관한 물리법칙에 따라 자기모멘트값을 계산하고, 계산한 자기모멘트값을 자기 토크 발생부(12)에 제공하는 연산부를 포함할 수 있다. 연산부는 자기 쌍극자 모멘트가 일정한 다른 자기장에 놓이면 돌림힘(torque)을 받는 물리법칙에 따라 자기모멘트값을 계산할 수 있다. 예를 들어, 자기모멘트 명령에 의해 발생한 자기모멘트는 외부 자기장, 즉 지구자기장에 놓이게 되면 지구자기장 방향을 향하여 정렬하고자 하는 성질을 가진다. 연산부는 자기모멘트 명령에 의해 발생한 자기모멘트가 정렬하면서 받는 돌림힘에 대해 계산할 수 있다.
자기 토크 발생부(12)는 본체의 흔들림을 감소시키기 위해 자기 토크를 발생시켜 본체의 흔들림을 조절할 수 있다. 자기 토크 발생부(12)는 제어부(11)의 작동제어명령을 받아 작동할 수 있다. 자기 토크 발생부(12)는 자기모멘트 명령 생성부(112)에서 생성한 자기모멘트 명령을 수신할 수 있다. 자기 토크 발생부(12)는 수신한 자기 모멘트 명령을 토대로 자기 모멘트를 발생시켜 본체의 흔들림 조절에 필요한 자기 토크를 발생시킬 수 있다. 자기 토크 발생부(12)는 전류전원부(120), 자기모멘트 발생부(121) 및 지지부(122)를 포함할 수 있다.
전류전원부(120)는 자기모멘트 명령 생성부(112)에서 생성한 자기 모멘트 명령을 받아 자기 모멘트를 발생시키기 위한 전류를 생성할 수 있다. 예를 들어, 전류전원부(120)는 자기모멘트 명령 수신부를 통해 자기모멘트 명령을 수신한 후 전류전원부(120)내 전위차를 발생시켜 전류를 생성할 수 있다. 전류전원부(120)는 생성한 전류를 자기모멘트 발생부(121)에 흘러 보낼 수 있다. 전류전원부(120)는 전위차에 따라 전류의 방향을 반대로 바꿀 수 있다.
자기모멘트 발생부(121)는 전류전원부(120)에서 발생한 전류가 흘러갈 수 있는 통로를 제공할 수 있다. 전류전원부(120)에서 발생한 전류는 통로를 통해 흘러서 전류의 흐름을 만들고, 전류의 흐름을 통해 자기모멘트 발생부(121)는 자기모멘트를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 전류가 오른나사가 방향으로 흐르는 경우 자기모멘트 발생부(121)는 오른나사의 진행방향을 따라 자기모멘트를 발생시킬 수 있다. 전류전원부(120)에서 전류의 방향을 바꿔서 전류가 오른나사의 반대방향으로 흐르는 경우에는 자기모멘트 발생부(121)는 오른나사의 반대방향을 따라 자기모멘트를 발생시킬 수 있다.
자기모멘트 발생부(121)는 지지부(122)를 감싸는 코일형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 솔레노이드의 원리를 이용하여 원통 모양의 지지부(122)에 코일형태로 도선을 감아 자기모멘트가 지지부(122) 내부를 관통하여 코일이 감기는 방향으로 형성될 수 있도록 자기모멘트 발생부(121)는 구성될 수 있다. 이때 단위길이당 코일의 감은 수를 더 늘릴수록, 코일에 흐르는 전류의 세기를 강하게 할수록 자기모멘트 발생부(121)는 더 강한 자기모멘트를 발생시킨다.
지지부(122)는 자기모멘트 발생부(121)와 인접하여 자기모멘트 발생부(121)가 필요한 형태로 작동할 수 있도록 지지할 수 있다. 예를 들어, 자기모멘트 발생부(121)가 코일의 형태로 구성되는 경우 지지부(122)는 코일이 감길 수 있는 철심의 형태로 구성되어 지지모멘트 발생부(121)를 지지할 수 있다.
지지부(112)는 본체에 연결되어 있고 자기모멘트 발생부에서 자기모멘트가 3차원적으로 발생할 수 있도록 제작되는 복수의 날개를 포함할 수 있다. 또한, 지지부(122)는 본체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 4개의 날개를 가진 드론의 경우, 지지부(122)는 본체를 기준으로 X축, Y축, Z축 방향으로 나란하게 각각 구성되어 3차원적으로 자기모멘트가 발생할 수 있도록 제작될 수 있다. 지지부(122)는 X축, Y축, Z축으로 나란하게 각각 구성됨으로써 제어부(11)의 작동에 의해 자기모멘트의 방향을 조절할 수 있다. 구체적으로, 비행체의 각 날개, 본체가 지지부(122)가 되어 코일은 각 날개와 본체에 감길 수 있다. 이때 각 날개에 감긴 코일의 나란한 방향은 XY축 평면을 이루는 방향이 되고, 본체에 감긴 코일의 방향은 Z축 방향과 평행할 수 있다. 따라서 각 날개와 본체에 감긴 코일에 전류를 흘러보내주면 X축, Y축, Z축 방향으로 자기모멘트가 생길 수 있고 결과적으로 3차원공간에 자기모멘트의 방향을 조절할 수 있다.
결과적으로 자기 토크 발생부(12)는 자기모멘트 발생부(112)에서 발생한 자기모멘트를 비행체에 작용하고 있는 지구자기장과 결합하여 자기모멘트가 받는 토크 물리법칙을 통해 비행체의 자세를 교정할 수 있는 토크를 발생할 수 있다.
이하에서는, 실시 예에 따른 비행체 자세제어방법에 대해 설명하도록 한다. 비행체 자세제어방법을 설명함에 있어서, 앞서 설명한 기재와 중복되는 내용은 생략하도록 한다. 특별한 언급이 없는 한, 앞서 설명한 기재의 표현과 동일한 표현은 같은 구성을 의미하는 것으로 이해할 수 있다.
도 6은 비행체 자세제어방법에 대한 순서도이고, 도 7은 토크 명령 입력단계에 대한 순서도이고, 도 8은 자기토크 생성단계에 대한 순서도이다.
도 6내지 도 8을 참조하면, 본체 및 본체에 연결되는 복수의 날개를 포함하는 비행체의 자세제어방법에 있어서, 실시예에 따른 비행체 자세제어방법(2)은 흔들리고 있는 비행체의 자세 및 각속도를 감지하여 비행체 자세제어에 필요한 토크명령과 자기모멘트 명령을 명령한 후 비행체 자세제어에 필요한 토크를 발생시킬 수 있다. 비행체 자세제어방법은 토크명령 입력단계(20), 지구자기장 입력단계(21), 자기모멘트 명령단계(22) 및 자기토크 생성단계(23)를 포함할 수 있다.
토크명령 입력단계(20)는 비행체의 흔들림을 감지하고 비행체의 흔들림을 저감시키기 위한 비행체의 희망 자세 및 희망 각속도값을 생성할 수 있다. 토크명령 입력단계(20)는 생성한 희망 자세 및 희망 각속도값으로 교정하기 위해 필요한 토크값을 명령하고 입력 받을 수 있다. 토크명령 입력단계(20)는 자세명령 생성단계(200) 및 토크계산단계(201)를 포함할 수 있다.
자세명령 생성단계(200)는 비행체의 자세제어에 필요한 비행체의 희망 자세 및 희망 각속도 명령을 생성할 수 있다. 구체적으로, 자세명령 생성단계(200)는 사전에 비행체의 희망 자세 및 희망 각속도에 대한 기준값을 입력 받을 수 있다. 자세명령 생성단계(200)는 비행체가 흔들리는 동안 사전에 입력 받은 기준값을 기준으로 희망 자세 및 희망 각속도 값에 대한 명령을 생성할 수 있다.
토크계산단계(201)는 자세명령 생성단계(200)에서 생성한 희망 자세 및 희망 각속도 명령을 토대로 비행체를 희망 자세 및 희망 각속도로 교정하는 토크를 계산할 수 있다. 토크계산단계(201)는 현재 비행체가 희망 자세 및 희망 각속도로 변화하기 위해 움직여야 할 거리와 방향에 대해 계산할 수 있다.
또한 토크계산단계(201)는 토크계산의 오차를 줄이기 위해 출력값과 설정값 사이의 피드백 작용으로 오차를 줄이는 제어기를 사용할 수 있다. 예를 들어, 토크계산단계(201)는 PID제어기를 사용하여 희망 자세 및 희망 각속도 값을 설정값으로 두고 계산한 토크값과 설정값을 끊임없이 비교하여 오차를 줄여갈 수 있다.
토크명령 입력단계(20)는 현재 비행체의 자세 및 각속도를 측정할 수 있는 측정단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 비행체 내부에는 실시간으로 변위 및 회전각도를 측정할 수 있는 센서가 부착되어 있어 각 센서들은 비행체의 자세 및 각속도가 변화될 때마다 즉각적인 변화 정보를 감지할 수 있다. 각 센서들은 변위 및 회전각도 변화정보를 3차원 공간에서 X축, Y축, Z축에 따라 측정할 수 있다. 자세명령생성단계(200)는 측정단계에서 측정한 현재 비행체의 자세 및 각속도정보를 이용하여 자세제어에 필요한 희망 자세 및 희망 각속도 명령을 생성할 수 있다.
지구자기장 입력단계(21)는 비행체에 영향을 주는 실제 지구자기장을 관측하거나 예측 지구자기장 값을 계산하여 지구자기장값을 생성하고 입력 받을 수 있다. 지구자기장 입력단계(21)는 실제 지구자기장을 감지하여 실제 지구자기장값을 제공하는 장치 및 지구자기장 모델을 통해 지구자기장을 예측하여 예측 지구자기장값을 제공하는 장치 중 적어도 하나이상을 사용하여 지구자기장값을 제공받을 수 있다. 예를 들어, 지구자기장 입력단계(21)는 비행체 내부에 지구자기장 측정장치를 두어 실제 지구자기장을 측정할 수 있다. 또는, 지구자기장 입력단계(21)는 지구자기장 모델장치를 두어 지구자기장에 대한 데이터베이스를 토대로 지구자기장값을 예측할 수 있다.
자기모멘트 명령단계(22)는 토크명령 입력단계(20)에서 입력 받은 토크명령과 지구자기장 입력단계(21)에서 입력 받은 지구자기장값을 비교하여 자세제어에 필요한 자기모멘트를 계산하고 계산한 자기모멘트값을 명령할 수 있다. 구체적으로, 자기모멘트 명령단계(22)는 자기 쌍극자 모멘트에 관한 물리법칙에 따라 자기모멘트값을 계산할 수 있다. 구체적으로, 자기모멘트 명령단계(22)는 자기 쌍극자 모멘트가 일정한 다른 자기장에 놓이면 돌림힘(torque)을 받는 물리법칙에 따라 자기모멘트값을 계산할 수 있다. 예를 들어, 자기모멘트 명령에 의해 발생한 자기모멘트가 외부 자기장, 즉 지구자기장에 놓이게 되면 지구자기장 방향을 향하여 정렬하고자 하는 성질을 갖는다. 자기모멘트 명령단계는 자기모멘트 명령에 의해 발생한 자기모멘트가 정렬하면서 받을 돌림힘을 계산할 수 있다.
자기토크 생성단계(23)는 자기모멘트 명령단계(22)에서 명령한 자기모멘트 명령을 입력 받아 비행체의 자세를 교정해주는 자기 토크를 생성할 수 있다. 구체적으로, 자기토크 생성단계(23)는 입력 받은 자기모멘트 명령을 토대로 자기모멘트를 발생시킬 수 있고, 발생한 자기모멘트를 지구자기장과 결합해 자기모멘트가 외부자기장에 놓이는 경우 토크를 받는 물리법칙을 이용해 비행체의 자세를 교정해주는 자기 토크를 생성할 수 있다. 자기토크 생성단계(23)는 전류발생단계(230), 자기모멘트 발생단계(231) 및 자세교정단계(232)를 포함할 수 있다.
전류발생단계(230)는 자기모멘트 명령단계(22)에서 입력 받은 자기모멘트 명령을 토대로 자기모멘트를 발생시킬 수 있는 전류를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 전류발생단계(230)는 비행체 내부에 자기모멘트 명령을 수신할 수 있는 전류전원장치를 두어, 전류전원장치내 전위차를 발생시켜 전류를 생성할 수 있다. 전류발생단계(230)는 전위차에 따라 전류의 방향을 반대로 바꿀 수 있다.
자기모멘트 발생단계(231)는 전류발생단계(230)에서 발생한 전류에 의해 자기모멘트를 발생시킬 수 있다. 자기모멘트 발생단계(231)는 전류의 방향에 따라 자기모멘트의 방향을 설정할 수 있다. 예를 들어, 전류가 오른나사 방향으로 자기모멘트 발생장치에 흐르는 경우 자기모멘트 발생단계(231)는 자기모멘트를 오른나사의 진행방향으로 자기모멘트를 발생시킬 수 있다. 반대로, 전류가 오른나사의 반대방향으로 흐르는 경우에는 자기모멘트 발생단계(231)는 자기모멘트를 오른나사의 반대방향으로 자기모멘트를 발생시킬 수 있다.
자기모멘트 발생단계(231)에서 비행체의 본체 및 복수의 날개를 감싸고 상기 전류발생단계에서 발생한 전류가 흐르는 코일을 통해 자기모멘트가 3차원적으로 발생될 수 있다. 예를 들어, 코일로 감싸는 방향은 본체를 기준으로 X축, Y축, Z축 방향에 나란하게 구성될 수 있고, 자기모멘트 발생단계(231)는 나란하게 구성된 코일을 이용하여 3차원적으로 자기모멘트를 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 비행체의 각 날개와 본체에 코일이 감기고 각 날개에 감긴 코일과 나란한 방향들은 XY평면을 이루고, 본체에 감긴 코일과 나란한 방향은 Z축방향과 평행할 수 있다. 각 날개와 본체에 감긴 코일에 전류를 흘러 보내면 X축, Y축, Z축 방향으로 자기모멘트가 생길 수 있고 결과적으로 3차원공간에 자기모멘트의 방향을 조절할 수 있다.
자세교정단계(232)는 자기모멘트 발생단계에서 발생한 자기모멘트를 이용하여 자기토크를 발생시키고, 발생한 자기토크를 통해 비행체의 자세를 교정할 수 있다. 즉, 자세교정단계(232)는 자기모멘트 발생단계(231)에서 발생한 자기모멘트와 비행체에 작용하고 있는 실제 지구자기장을 결합하여 자기모멘트가 받는 토크 물리법칙을 통해 비행체의 자세를 교정할 수 있는 토크를 발생시킬 수 있다.
결과적으로, 실시예에 따른 비행체 자세제어 시스템(1) 및 비행체 자세제어방법(2)은 제어부(11)의 비행체의 자세측정 및 자기모멘트 명령을 통해 자기 토크 발생부(12)에서 발생한 자기 토크로 비행체 본체(10)의 흔들림을 방지하고 자세를 교정할 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
1: 비행체 자세제어 시스템
2: 비행체 자세제어방법
10: 본체
11: 제어부
12: 자기 토크 발생부
110: 토크명령 생성부
111: 지구자기장 계측부
112: 자기모멘트 명령 생성부
120: 전류전원부
121: 자기모멘트 발생부
122: 지지부

Claims (15)

  1. 본체;
    상기 본체의 흔들림을 감소시키기 위해 자기 토크를 발생시켜 상기 흔들림을 조절하는 자기 토크 발생부; 및
    상기 자기 토크 발생부의 작동을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 자기 토크 발생부는,
    자기모멘트를 발생시키기 위해 전류를 생성할 수 있는 전류전원부;
    상기 전류전원부에서 발생한 전류가 흘러갈 수 있는 통로를 제공하고, 상기 전류의 흐름을 통해 자기모멘트를 발생시키는 자기모멘트 발생부; 및
    상기 자기모멘트 발생부와 인접하여 상기 자기모멘트 발생부를 지지하는 지지부를 포함하고,
    상기 지지부는 상기 본체 및 상기 본체에 연결되는 복수의 날개를 포함하여, 상기 자기모멘트 발생부는 상기 지지부를 감싸는 코일 형태로 구성되어 자기 모멘트를 3차원적으로 발생시키며,
    상기 자기 토크 발생부는 상기 자기모멘트 발생부에서 발생한 자기모멘트를 이용하여 상기 본체의 흔들림 조절에 필요한 자기 토크를 발생시키는, 비행체 자세제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비행체의 흔들림을 저감시키기 위해 상기 비행체의 자세 및 각속도를 교정해주는 토크를 계산하여 명령하는 토크 명령 생성부;
    실제 지구자기장을 관측하거나 예측 지구자기장을 계산하여 지구자기장 값을 제공하는 지구자기장 계측부;
    상기 토크명령 생성부에서 생성한 토크 명령과 상기 지구자기장 계측부에서 제공하는 지구자기장 값을 이용하여 자세제어에 필요한 자기모멘트 명령을 생성하는 자기모멘트 명령 생성부를 포함하는 비행체 자세제어시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 토크 명령 생성부는,
    상기 비행체의 자세제어를 위한 희망 자세 및 희망 각속도 명령을 생성하는 자세명령 생성부를 포함하는, 비행체 자세제어시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 토크 명령 생성부는
    상기 자세명령 생성부에서 생성한 희망 자세 및 희망 각속도 명령을 토대로 상기 비행체의 자세 및 각속도를 교정해주는 토크를 계산하는 토크 계산부를 더 포함하는, 비행체 자세제어시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 토크계산부는,
    상기 자세명령생성부에서 생성한 희망 자세 및 희망 각속도 값과 상기 토크계산부에서 계산한 토크값 사이의 오차를 계산하고 상기 오차값을 줄이기 위해 피드백(feedback) 방식으로 제어값을 계산하는 오차계산부를 더 포함하는, 비행체 자세제어 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 지구자기장 계측부는,
    상기 비행체 내부에 설치되어 있고, 실제 지구자기장을 감지하여 실제 지구자기장값을 제공하는 지구자기장 측정부를 포함하는, 비행체 자세제어 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 지구자기장 계측부는,
    지구 자기장 모델을 만들어 지구자기장값을 예측하는 지구자기장 모델부를 포함하는, 비행체 자세제어 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 자기모멘트 명령 생성부는,
    자기 쌍극자 모멘트가 일정한 자기장에 놓이면 돌림힘(torque)을 받는 법칙에 따라 자기모멘트값을 계산하고, 상기 계산한 자기모멘트값을 상기 자기 토크 발생부에 제공하는 자기모멘트 연산부를 포함하는, 비행체 자세제어 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 본체 및 본체에 연결되는 복수의 날개를 포함하는 비행체의 자세제어방법에 있어서,
    상기 비행체의 흔들림을 감지하고 상기 흔들림을 저감시키기 위한 상기 비행체의 희망 자세 및 희망 각속도값을 생성한 후, 상기 희망 자세 및 희망 각속도로 교정하기 위해 필요한 토크값을 명령하고 입력 받는 토크명령 입력단계;
    상기 비행체에 영향을 주는 실제 지구자기장을 관측하거나 예측 지구자기장을 계산하여 지구자기장값을 생성하고 입력 받는 지구자기장 입력단계;
    상기 토크명령 입력단계에서 입력 받은 토크명령과 상기 지구자기장 입력 단계에서 입력 받은 지구자기장값을 비교하여 자세제어에 필요한 자기모멘트를 계산하고 명령하는 자기모멘트 명령단계; 및
    상기 자기모멘트 명령단계에서 명령한 자기모멘트 명령을 입력 받아 상기 비행체의 자세를 교정해주는 자기토크를 생성하는 자기토크 생성단계를 포함하고,
    상기 자기토크 생성단계는,
    상기 자기모멘트 명령단계에서 입력 받은 자기모멘트 명령을 토대로 자기모멘트를 발생시킬 수 있는 전류를 발생시키는 전류발생단계;
    상기 전류발생단계에서 발생한 전류에 의해 자기모멘트를 발생시키는 자기모멘트 발생단계; 및
    상기 자기모멘트 발생단계에서 발생한 자기모멘트를 이용하여 자기토크를 발생시키고, 발생한 자기토크를 통해 비행체의 자세를 교정해주는 자세교정단계를 포함하며,
    상기 자기모멘트 발생단계에서, 상기 본체 및 복수의 날개를 감싸는 코일을 통해 자기모멘트가 3차원적으로 발생되는, 비행체 자세제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 토크명령 입력단계는,
    상기 비행체의 희망 자세 및 희망 각속도 명령을 생성하는 자세명령생성단계; 및
    상기 자세명령생성단계에서 생성한 희망 자세 및 희망 각속도 명령을 토대로, 상기 비행체를 상기 희망 자세 및 희망 각속도로 교정하는 토크를 계산하는 토크계산단계를 포함하는, 비행체 자세제어방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 지구자기장 입력단계는,
    실제 지구자기장을 감지하여 실제 지구자기장값을 제공하는 장치 및 지구자기장 모델을 통해 지구자기장을 예측하여 예측 지구자기장값을 제공하는 장치 중 적어도 하나 이상에서 지구자기장값을 제공받는, 비행체 자세제어방법.
  15. 삭제
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JPH09511471A (ja) * 1994-03-30 1997-11-18 サーントル ナショナル デチュード スパシアル 磁気的および空力的モーメントの発生装置を装備した人工衛星およびそのような衛星の制御方法
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