Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences (한국항공우주학회지)

The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences (한국항공우주학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Research on the Design of Helicopter Nonlinear Optimal Controller using SDRE Technique

SDRE 기법을 이용한 헬리콥터 비선형 최적제어기 설계 연구

  • 양창덕 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과 대학원) ;
  • 김민재 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과 대학원) ;
  • 이정환 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과 대학원) ;
  • 홍지승 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과 대학원) ;
  • 김창주 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과)
  • Published : 2008.12.31
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

This paper deals with the State-Dependent Riccati Equation (SDRE) technique for the design of helicopter nonlinear flight controllers. Since the SDRE controller requires a linear system-like structure for nonlinear motion equations, a state-dependent coefficient (SDC) factorization technique is developed in order to derive the conforming structure from a general nonlinear helicopter dynamic model. Also on-line numerical methods of solving the algebraic Riccati equation are investigated to improve the numerical efficiency in designing the SDRE controllers. The proposed method is applied to trajectory tracking problems of the helicopter and computational tips for a real time application are proposed using a high fidelity rotorcraft mathematical model.

본 논문은 헬리콥터 비선형 제어기 설계를 위한 State-Dependent Riccati Equation (SDRE) 기법을 다루었다. SDRE 제어기법은 비선형 운동방정식에 대해 선형 시스템과 같은 구조를 갖는 방정식을 필요하기 때문에 State-Dependent Coefficient (SDC) factorization 기법을 개발하여 비선형 운동방정식으로부터 이러한 구조의 방정식을 유도하였다. SDRE제어기를 온라인상에서 설계하는데 필요한 대수 Riccati 방정식의 효율적인 수치해법을 연구하였다. 본 연구에서 제안된 수치기법을 헬리콥터의 경로추종문제로 적용하였으며, 고 신뢰도의 헬리콥터 수학적 모델을 적용하여 실시간으로 SDRE 제어기를 설계할 수 있는 방안을 제안하였다.

Keywords

References

  1. James R. Cloutier, "State-Dependent Riccati Equation Techniques: An Overview", Proceeding of the American Control Conference, New Mexico, 1997, pp. 932-936
  2. James R. Cloutier and Donald T. Stansbery, "The capabilities and Art of State-Dependent Riccati Equation-Based Design", Proceeding of the American Control Conference, Anchorage, 2002, pp. 86-91
  3. Chang-Joo Kim, Sang Kyung Sung,, Chang Deok Yang, and Yung Hoon Yu, "Rotorcraft Trajectory Tracking Using the State-Dependent Riccati Equation Controller", Transaction of The Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.51, No.173. 2008
  4. Arthur E. Bryson, Jr. Yu-Chi Ho, Applied Optimal Control, A Hemisphere, New York, 1975
  5. A. Bogdanov and E. A. Wan, "SDRE Control with Nonlinear Feedforward Compensation for a Small Unmanned Helicopter", Proceedings of 2nd AIAA "Unmanned Unlimited Systems" Technologies and Operation Conference, 2003
  6. H. T. Banks and K. Ito, "A Numerical Algorithm for Optimal Feedback Gains in High Dimensional LQR Problems", NASA CR178207, 1985
  7. D. Kleinman,"On an Iterative Technique for Riccati Equation Computations", IEEE Transactions on Automatic Control, Vol.13, 1968, pp. 114-115 https://doi.org/10.1109/TAC.1968.1098829
  8. 김창주, "헬리콥터 비행 시뮬레이션을 위한 로터운동방정식 유도", 한국항공우주학회지, 30권3호, 2002, pp. 8-16
  9. 김창주, "DAE해법과 PPTA를 이용한 헬리콥터 트림해석 및 비행 시뮬레이션", 한국항공우주학회지, 31권 1호, 2003, pp. 42-48
  10. C.-J. Kim, S. K. Sung, S. H. Park and S. N. Jung, "Selection of Rotorcraft Models for Application to Optimal Control Problems", Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol.31, No.5, 2008, pp. 1386-1399 https://doi.org/10.2514/1.33212
  11. R. A. Hess and C. Gao, "A Generalized Algorithm for Inverse Simulation Applied to Helicopter Maneuvering Flight", Journal of American Helicopter Society, Vol.38, No.3, 1993, pp. 3-15 https://doi.org/10.4050/JAHS.38.15
  12. 김창주, "Indirect Method를 이용한 헬리콥터 기동비행 해석-Part I. 최적제어 문제의 정식화와 수치해법", 한국항공우주학회지, 36권 1호, 2008, pp. 22-38 https://doi.org/10.5139/JKSAS.2008.36.1.022
  13. 김창주, "Indirect Method를 이용한 헬리콥터 기동비행 해석-Part II. High Fidelity 헬리콥터 모델링의 사용 가능성", 한국항공우주학회지, 36권 1호, 2008, pp. 22-38 https://doi.org/10.5139/JKSAS.2008.36.1.031
  14. G. Thomson and R. Bradley, "Mathematical Definition of Helicopter Maneuvers", Journal of the American Helicopter Society, Vol.42, October, 1997, pp. 307-309 https://doi.org/10.4050/JAHS.42.307
  15. E. Frazzoli, M. Dahleh and E. Feron, "A Hybrid Control Architecture for Aggressive Maneuvering of Autonomous Helicopters", IEEE Conference on Decision & Control, Phoenix, Arizona, USA, December, 1990
  16. ADS-33E-PRF, Aeronautical Design Standard Performance Specification Handling Qualities Requirements for Military Rotorcraft, United States Army Aviation
  17. Chang Deok Yang, Jeong Hwan Lee, and Chang-Joo Kim, "Validation of Rotorcraft Trajectory Tracking Controller Using State-Dependent Riccati Equation Technique", 34th European Rotorcraft Forum, Liverpool, 2008

Cited by

  1. Design of Nonlinear Unknown Input Observer by SDRE Method and Fault Detection of Reaction Wheels vol.41, pp.4, 2013, https://doi.org/10.5139/JKSAS.2013.41.4.284