Control of Airship using Nonlinear MPC and Nonlinear Disturbance Observer

Abstract

본논문에서는비행선의동역학모델링을유도하고,비선형모델예측제어기(NMPC) 와 비선형 외란 관측기(DOB) 를 활용하여 비행선의 제어 알고리즘을 제시한다. 본 논문 에서는 공기 역학적 힘으로 인한 추가 질량 및 양력-항력과 같은 공기역학적 효과를 통 합하여 향상된 비선형 동역학 모델을 개발하고 제안된 비선형 모델 예측 제어기와 외란 관측 제어 방식을 실험정으로 검증하였다. 개선된 동적 모델은 기존의 선형 모델에 비해 비행선거동을더정확하게표현하며,임의의방향에서발생하는바람의영향을고려할수 있도록모델링되었다.비선형모델예측제어기의경우비행선의비선형성과액추에이터 의 제약조건을 고려할 수 있도록 설계되었으며, 외란 관측기는 돌풍이나 부력 불일치와 같이 시간에 따라 변하지 않는 교란과 모델링 불확실성을 효과적으로 보상할 수 있도록 설계되었다.제안된제어시스템을검증하기위해시뮬레이션과하드웨어실험을수행한 후최종적으로실제비행테스트가수행되었으며,실험을통해비행선동역학의타당성과 제안한제어알고리즘의성능을확인하였다. ©2025 이종 원 ALL RIGHTS RESERVED|This study presents a control strategy for addressing the nonlinear dynamics and envi- ronmental disturbances of airships using Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) and a Nonlinear Disturbance Observer (DOB). The main contributions include developing an enhanced nonlinear dynamic model incorporating aerodynamic effects, such as added mass and lift-drag forces, and validating the proposed NMPC and DOB control approach experi- mentally. The improved dynamic model provides a more accurate representation of airship behavior compared to traditional linear models, capturing the complexity of aerodynamic effects, including wind impacts from arbitrary directions. The NMPC is designed to manage the nonlinearity and actuator constraints, while the DOB effectively compensates for distur- bances and model uncertainties, which are nearly constant in the world frame, such as wind gusts and buoyancy mismatches. To validate the proposed control system, Simulation in the Loop (SITL) and Hardware in the Loop (HITL) experiments were conducted, and finally real flight test was conducted. The experiment shows the validity of the derived airship dynamics and the performance of the proposed control algorithm. ©2025 Jongwon Lee ALL RIGHTS RESERVED