GPS 차단 비관성 환경에서 차량 탑재형 드론의 제어와 상태 추정

초록

본 논문은 GPS와 IMU가 신뢰할 수 없는 이동 플랫폼(예: 트럭, 엘리베이터) 위에 탑재된 쿼드로터의 3차원 궤적 추적을 위해 외부 위치 측정만을 이용한 EKF‑UI(Unknown‑Input) 기반 상태 추정기와 cascaded PID 제어기를 제안한다. 실험은 고정밀 모션 캡처 시스템을 이용해 비관성 가속을 가하는 이동 카트베드에서 수행했으며, 기존 EKF 대비 추정 정확도와 제어 안정성이 크게 향상됨을 보였다.

상세 분석

이 연구는 GPS‑denied 상황에서 비관성 플랫폼 위에 탑재된 UAV가 직면하는 핵심 문제, 즉 IMU가 플랫폼 가속을 자체 가속으로 오인하는 현상을 명확히 짚어낸다. 기존 EKF는 외부 가속을 백색 잡음으로 모델링하기 때문에 구조적인 편향을 보정하지 못하고, 결과적으로 위치 드리프트와 제어 불안정을 초래한다. 논문은 이를 극복하기 위해 ‘Unknown Input’ 형태로 플랫폼 가속을 상태 벡터에 포함시킨 EKF‑UI를 설계하였다.

수학적 모델링은 먼저 전통적인 뉴턴‑오일러 기반 12자유도 식을 제시하고, 이를 비관성 프레임으로 변환해 플랫폼 가속 aₓ, a_y, a_z 를 명시적으로 빼는 관계식(4)를 도출한다. 이후 전체 시스템을 9차원 확장 상태 ζ=