[논문]무인항공기의 제어기술개발 동향

강영신; 박범진; 유창선

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20세기에 탄생한 동력비행기는 인간의 이동능력을 비약적으로 향상시켰다. 인류의 미개척지였던 항공분야의 발전은 지속적인 기술개발을 통해 더 빨리, 더 멀리, 더 높이 향하기 위해서 계속 나아가고 있다. 이러한와중에 최근에 괄목할 만한 성장을 이룬 컴퓨터와 소프트웨어 산업의 발전은 비행임무에 따라 위험성이 높거나, 사람이 하기 힘든 반복적이고 지루한 비행을 대신하기위한 로봇 비행체 즉, 무인항공기의 개발을 가능하게 하였다. 무인항공기의 탄생 초기에는 조종사의 희생을 줄이기 위해 군사 분야에서 주로 사용되었으나, 산림감시나 해안정찰, 기상관측, 재난관측, 조난자 수색 등 민수분야의 임무로 점차 활동영역이 넓혀지고 있다. 현재 무인항공기에 탑재된 인공지능의 수준은 안정된 비행이 가능하도록 하는 자동조종(autopilot)과 주어진 비행경로를 추종하기위한 항법유도(Navigation & Guidance)정도이며, 비행 중 발생하는 비상상황에 대처하기 위한 의사판단은 지상의 조종자에 의해 결정된다. 앞으로는 계획되지 않은 상황을 맞이했을 때 무인기 스스로 판단하여 경로를 변경하고, 동시에 여러 무인기들과 협력하여 임무를 수행함으로써 임무효율을 높이는 방향으로 인공지능의 수준이 향상될 것이다. 본 논문에서는 최근의 무인항공기 개발추세와 이들 무인기에 고려되고 있는 제어기에 대해 살펴보고, 향후 무인항공기에 적용될 자율비행 알고리듬과 제어기 시스템의 개발동향에 대해 고찰하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 최근의 무인기 개발에 적용된 제어기에 대해 살펴보고, 개발중인 스마트 무인기의 제어기 대해 간략하게 서술하였으며, 향후 무인기 항공기의 제어기 발전방향에 대해 고찰하였다.
본 논문에서는 최근의 무인항공기 개발추세와 이들 무인기에 고려되고 있는 제어기에 대해 살펴보았으며, 향후 무인항공기의 제어기에 적용될 자율비행알고리듬과 제어 시스템의 개발동향에 대해 고찰하였다.

제안 방법

만약 주변에 레이더 사이트와 그 레이더파의 전송출력이 감지되면 그림 22와 같이 레이더사이트를 우회하여 레이더 피탐 확률을 줄일 수 있는 비행경로를 재설정한다.
신경망 제어기의 경우 주로 자동조종(autopilot)제어기에 적용되어 왔으나, 최근 GIT(Geogia Institute of Technology)에서 항법유도를 위한 외부루프에도 적용하여 그림 18과 같이 야마하 헬기를 개조한 GTmax 헬리콥터로 비행시험을 수행하였다. 스마트무인기에 대해서도 이와 유사한 신경망 제어기를 설계하였으며, 그림 19에 제어기의 상세구조를 도시하였다.
스마트무인기에 적용된 비행특성 규격을 회전익과 고정익모드에 대해 각각 그림 14과 15에 도시하였다. 이러한 비행특성 규격을 만족시기위해 고전제어기(PID)를 기본 제어기로 채택하였다.
는 많은 시 간과 비용이 소요된다. 최 근에 미 해군은 고속비 행 이 가능하지만 안전성 이 검증되 지 않은 이글아이 대신, 속도는 느리지만 안전성이 입증된 파이어 스카웃을 선정하였다. 파이어 스카웃은 2 천만시간의 비행시간을 가진 상용 Schweizer Model 269D 유인 헬리콥터를 이용하여 무인화한 항공기 이다.
스마트무인기도 고전제어기법을 사용해서 그림 16과 제어기를 설계하고 있다. 회전익모드는 자세명령과 관성 속도명령을 이용하고, 천이모드는 최적 천이 경로선을 따르도록 설계되었다. 고정익모드에서는 가속도 명령을 사용한다.

대상 데이터

자료 : www.fas.org/i rp/program/col lect/global_hawk. htm

성능/효과

첫째 이륙과 순항시 피치 자세가 90°로 변경되므로, 연료장치와 윤활시스템의 설계가 복잡해진다. 둘째 지상에서 균형을 잡기위해 꼬리부분이 커질 수밖에 없고, 지상에서 모든 하중을 꼬리 부분이 지탱해야 하기 때문에 꼬리부분이 매우 무거워진다. 크고 무거운 꼬리는 순항비행시 항력의 증가에만 기여할 뿐이다.
나타낸 선도이다. 초기단계의 무인기인 파이오니어 (Pioneer), 헌터(Hunter), 그리고, 샤도우(Shadow) 는 유인기에 비해 사고율이 아주 높은 편이었으며, 최근에 개발된 글로벌 호크나 프레데터는 유인기와 비슷한 사고율로 낮아졌음을 확인할 수 있다. 가장 많은 무인기 운용경험을 가진 이스라엘과 미국의 무인기 시스템의 손실원인을 그림 27에 나타내었다.

후속연구

이러한 틸트로터 항공기의 개발 성공에 힘입어 틸트로터의 단점을 개선하여 보다 큰 탑재량과 비행안전성을 갖춘 QTR(Quad-Tilt- Rotor) 개념기가 등장하였다(그림 5). QTRe그동안 회전익기의 약점인 탑재량부족을 크게 해소하여 보다 편리한 항공수송시대를 열 것으로 기대된다. 머지않은 장래에 QTR 개념을 적용해서 UGV (Unmanned Ground Vehicle)를 수송할 수 있는 무인항공기가 개발될 것이다.
물론 기술유출을 막기 위해서 글로벌 호크의 판매를 거부하는 미국의 입장을 탓할 수만 없다. 결국 막대한 자금을 투자해서 필요한 기술과 무인기를 스스로 개발할 수밖에 없고, 앞으로는 이러한 기술장벽이 더욱 높아질 것이다.
조종사의 인명손실을 줄일 수 있는 군용기로서 뿐만 아니라, 여기서 발전된 자율비행기술을 통해 유인 교통시스템에서의 자동화 수준을 크게 향상 시 킬 것이다. 따라서 그리 멀지않은 장래에는 조종사가 없는 무인 여객기와 운전자를 대신해서 사람들을 운송할 수 있는 무인 자동차가 개발될 것 이다.
상황에 대해 스스로 판단할 수 있게 된다. 또한 손실된 무인기의 임무를 편대내의 다른 무인기가 분담하여 임무를 완수하는 수준으로 발전하게 될 것이다.
또한 유인기로서 검증된 플랫폼의 사용으로 인해 안전과 성능면에서 경쟁력이 있으며, 무인기의 새로운 신규시장으로 떠오를 가능성이 높다고 판단된다. 무인화된 유인기는 유인기로서의 다양한 운용 경험을 바탕으로 기존의 무인기에 비해 임무성공 확률을 높일 수 있을 것이다.
QTRe그동안 회전익기의 약점인 탑재량부족을 크게 해소하여 보다 편리한 항공수송시대를 열 것으로 기대된다. 머지않은 장래에 QTR 개념을 적용해서 UGV (Unmanned Ground Vehicle)를 수송할 수 있는 무인항공기가 개발될 것이다.
판단된다. 무인화된 유인기는 유인기로서의 다양한 운용 경험을 바탕으로 기존의 무인기에 비해 임무성공 확률을 높일 수 있을 것이다.
앞으로 무인기의 제어기설계에 대한 요구 조건은 세세한 비행특성 규격의 제시보다는 “임무를 보다 효과적으로 수행할 수 있는 비행이 가능”하도록 하는 다소 모호한 상위수준의 설계요구조건만 부여될 것으로 판단된다. 제어기 그 자체뿐만 아니라 제어기 설계방법에서도 자율적인 제어기 개발이 가능한 시대로 접어들고 있다.
이를 통해 실시간 항공교통 통제와 비행안전을 향상시킬수 있어 앞으로 항공교통 통제기술의 표준으로 자리 잡을 것으로 기대된다. 유인기 뿐만 아니라, 무인기 분야에서도 ADS-B를 이용한 충돌회피 연구개발이 진행되고 있다.
이미 유인항공기 분야에서의 기술개발이 타 산업 분야 발달에 근 기여를 했던 바와 같이 무인항공기 분야의 기술발전이 로봇산업분야를 포함하여 통신, 무인수송, 유인 교통 시스템 등 다양한 분야의 발전에도 기여할 것이다.

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