비선형 모델 예측 제어 기반 쿼드콥터 경로 추종 제어 성능 향상 및 MATLAB/Simulink 시뮬레이션 (Performance Improvement of Quadcopter Path-Following Control Based on Nonlinear Model Predictive Control and MATLAB/SIMULINK Simulation)

서지정보

· 발행기관 : 한국정보전자통신기술학회
· 수록지 정보 : 한국정보전자통신기술학회 논문지 / 17권 / 6호 / 584 ~ 592페이지
· 저자명 : 성하연, 구범수, 명정훈, 정구민

초록

본 연구에서는 비선형 모델 예측 제어(NMPC)를 기반으로 쿼드콥터의 경로 추종 성능과 외란 대응 능력을 향상시키기 위한 제어기를 제안한다. NMPC는 비선형 동역학 모델을 활용하여 시스템의 상태와 제어 입력을 예측하고, 비용 함수를 최소화하는 최적화 과정을 통해 실시간으로 최적의 제어 신호를 생성한다. 제어기 설계는 참조 경로를 추종하기 위한 상태 오차와 제어 입력 오차를 동시에 최소화하도록 비용 함수를 구성하였으며, 비선형 제약 조건을 포함하여 안정성과 성능을 극대화하였다. MATLAB/Simulink 환경에서 NMPC, PID, MPC 제어기를 비교 실험하였으며, NMPC는 비선형 시스템 환경에서 PID와 MPC 대비 우수한 경로 추종 성능과 외란 대응 능력을 보였다. 특히, 평균 제곱 오차(MSE)를 기반으로 정량적 평가를 수행한 결과, NMPC는 가장 낮은 오차를 기록하며 높은 안정성과 정밀도를 입증하였다. 본 연구는 NMPC가 쿼드콥터와 같은 비선형 시스템의 경로 추종 및 외란 대응 제어에 효과적임을 보여준다.

영어초록

In this paper, we propose Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) based quadcopter controller to enhance path-following performance and disturbance-rejection capability. NMPC utilizes a nonlinear dynamic model to predict system states and control inputs, generating optimal control signals in real time through an optimization process that minimizes a cost function. The prposed controller is designed to minimize both state and control input errors for tracking the reference trajectory, while incorporating nonlinear constraints to maximize stability and performance. Comparative experiments were conducted in the MATLAB/Simulink environment with NMPC, PID, and MPC controllers. The results demonstrated that NMPC outperforms PID and MPC in terms of path-following performance and disturbance rejection in a nonlinear system environment. Also, quantitative evaluation based on Mean Squared Error (MSE) showed that NMPC achieved the lowest error, proving its high stability and precision. Simulation results shows that we can obatin efficient path-following and disturbance-rejection performance in nonlinear systems such as quadcopters through NMPC.

참고자료

· 없음