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문제 정의
- 본고에서는 스마트무인기의 축소기를 개발하고 이를 활용한 틸트로터형 비행체의 자동제어 시스템 개발과 비행시험 수행 내 용 및 그 성 과를 기 술하고자 한다.
- 축소기의 개발은 국내에서 최초로 시도되는 틸트로터형 비행체에 대한 현실적인 이해도를 높이고 비행제어시스템의 검증과 실물기의 비행시험에 대비한 예비시험을 수행할 수 있는 건실한 소형 틸트로터 형 비 행체 를 확보함으로써 틸트로터 형 비행체의 자동이착륙을 포함한 자동제어 기술을 성공적으로 개발하는데 크게 기 여하였다.
제안 방법
- 가 연동된 제어 로직 검 증이 가능해 졌다. EP와 1P 간의 조종권 인수/인계를위한 비행시험을 통해 비행운용 및 비상상황에 대비한 조치 훈련이 이루어졌다. 모든 비행시험은사전에 준비된 비행시험계획에 따라 수행되어, EP에 의해 이륙 후 IP에 조종권이 넘겨지고 고도, 속도 및 헤딩 명령에 따라자세 및 틸트 각을 유지하는 비행과 점항법 비행 완료 후EP 에게 헤딩, 속도, 고도명령 권한이 인계되고 착륙이 완료되었다.
- 가장 기본적인 제어기로서 피치와 롤축에 자세 조종 안정성 증대장치가 그림 6과 같이 설계되었으며, 비상모드로서 피치, 롤 각속도 안정성 증대장치만으로도 수동조종이 가능하도록 개 발하였다.
- 고도 제어는 입력된 이착륙지점의 고도명령과 현재 비행체 고도의 오차 명령을 이용하여 구현되었으며, 목표 고도에 진입하기 직 전 고도율을 감속하여 과도응답을 소거 하도록 구현하였다. 특히 센서오차를 감안하여 목표 고도에 일정 이상의 여유를 두고, 일정 고도율로 하강 또는 상승하도록 설계 하였다.
- 로터 회전수를 일정하게 유지시키는 가버너 로직과 안정성 증대 장치(SAS)의 검증및 비행시험 준비성 점검을위하여 지상에서 비행과 유사한 조건을 모사할 수 있도록 4-자유도(roll, pitch, yaw, heave) 지 상시험 장치 (그림 10)를 제 작 활용하였다. 4- 자유도지상시험 장치를통해 전기적, 기계적 결함의 수정과제어 로직 변경/검증을 할 수 있었으나 지상치구의 관성모멘트 영향으로 비 행과 똑같은 모사는 불가능한 한계가 있었다.
- 이 비행체에 무인항공기로서 비행에 필요한 비 행제어 컴퓨터와 위성/관성 항법 센서 및 통신장비를탑재하고 점진적인 비행시험을 거치면서 틸트로터 항공기의 전 비행모드(회전익-천이- 고정익) 영역에 걸친 제어기의 개발과 비행시험을 수행하였다. 최종적인 자동비행시험의 테스트베드 역할을 하게 된 40% 축척의 비행체 제원을 풀스케일과 비교하면 표 1과 같다.
- 자동이륙 비행시험을 위해 자동 이륙을 위한 초기 값 설정 시험 과정이 있었고, 사고에 대비한 자동 귀환모드 및 엔진 킬 시험이 병행되었다. 반복적인 ‘자동 이륙~자동호버-자동착륙’ 시험으로 제어기의 검증에 자신감이 확인한 다음 ‘자동이륙—임무 비행~자동 호버—자동 착륙’ 의 전 비행영역 자동비행을 2008년 8월 성공적으로 수행함으로써 틸트로터형 비 행체의 자동제어 기능이 이착륙을포함한전 비행 영역에서 확인되었다.
- 장주비행 전 ‘이륙—호버-—착륙’ 을반복하면서 전체 시스템의 이상 유무를 확인하고 틸트각 ‘90° —80° —吸0° ’, ‘90° >80° ― 70°-^80°—90°’ 와 같이 조심스럽게 틸트각을 변화/복원 시켜가며 문제 발생 시 즉시 착륙시켜 사고에 대비하였다. 이 과정에서 롤 축 발산에 의한 추락으로 비행체의 부분 파손이 있었고, 틸트각 20° 부근에서는 실속으로 인한 비 행체 망실 사고도 있었다.
- 제어법칙의 설계를 위한 틸트로터 항공기의 운동 모델은 NASA의 홈페이지에 공개된 일반 틸트로터 무인기 모델링 보고세6]를 참고하여 스마트무인기의 데이터에 맞도록 축소계수를 적용, 수정해서 개발하였다.
- 조종 안전성 증강장치 (SCAS) 기능을 구현하고 회전익에서 고정 익 으로 틸트각을 점진적 으로 변화시 켜 40% 축소기 에 적용된 제어 로직 을 검 증하는 시 험을 EP에 의한 수동조종으로 비 행하였다. 수동비행을 위해 휴대용 관제장비와 실시간 데이터 모니터링 및 저장장치를 통해 정량적인 제어기의 검증과 수정이 가능하였다.
- 축소기 개발은 실제 비행을 시켜야 할 새로운 항공기에 대한이해도를 높이는 개념파악의 1 단계, 비행제어 컴퓨터를 포함한 항공전자 장비를 탑재 한 상태로 비행이 가능한 수준의 비 행체 를 개 발하는 2 단계, 그리고 그 비 행 체에 독자 개 발한 비 행 제어 로직을 적용하여 무인항공기의 형태로 비행시험을 수행하는 3단계로 나누어 수행되었다.
- 특히 센서오차를 감안하여 목표 고도에 일정 이상의 여유를 두고, 일정 고도율로 하강 또는 상승하도록 설계 하였다.
- 2에 도시하였다. 하드웨어의 신뢰성을 높이기 위해서 동급의 타 무인비행체의 개발시험에서 성능이 검증된 하드웨어를 사용하는 것을 원칙으로 하였다. 자동이착륙을 위한 추가적인 정밀 센서는 장착되지 않았으며, 비행제어용단일 위성/관성 항법 센서 만을 사용하였다.
대상 데이터
- 하드웨어의 신뢰성을 높이기 위해서 동급의 타 무인비행체의 개발시험에서 성능이 검증된 하드웨어를 사용하는 것을 원칙으로 하였다. 자동이착륙을 위한 추가적인 정밀 센서는 장착되지 않았으며, 비행제어용단일 위성/관성 항법 센서 만을 사용하였다.
성능/효과
- 40% 축소기 자동비 행 단계 부터는 실물기 용 관제 장비 와 내부 조종사(IP)가 포함되어 스마트무인기 시스템 의 ‘비 행 체 -지 상관제’ 가 연동된 제어 로직 검 증이 가능해 졌다. EP와 1P 간의 조종권 인수/인계를위한 비행시험을 통해 비행운용 및 비상상황에 대비한 조치 훈련이 이루어졌다.
- 비행체의 배기구 냉각, 클러치 파손, 전기적 결함 등 우자유도 지상시험장치 시험에서는 드러나지 않았던 문제점들이 나타났으며, 이의 보완을 통해 보다 안전한 비행을 위한 준비가 되었다. 그 밖에도 제어로직 변경에 따른 검증의 부담감을 해 소하고, 조종성 향상, OFP (Operational Flight Program) 버그 수정, 인터페이스 문제 해결 등 비행시험 전에 경험할 수 있는 최선의 시험이었다.
- 있었다. 또한 비행시험의 초기단계에 개발하여 적용한 4.자유도 지상치구 시험과 안전줄 호버 시험이 제공해준 기대 이상의 성과는 실물기의 지상시험을 위한 소중한 경험을 제공해 주었다.
- EP와 1P 간의 조종권 인수/인계를위한 비행시험을 통해 비행운용 및 비상상황에 대비한 조치 훈련이 이루어졌다. 모든 비행시험은사전에 준비된 비행시험계획에 따라 수행되어, EP에 의해 이륙 후 IP에 조종권이 넘겨지고 고도, 속도 및 헤딩 명령에 따라자세 및 틸트 각을 유지하는 비행과 점항법 비행 완료 후EP 에게 헤딩, 속도, 고도명령 권한이 인계되고 착륙이 완료되었다.IP에 의한자동 (계기) 비행을통해 관제프로그램을 원활히 운용하기 위한 수정사항이 축소기 와 실물기 에 동시 적용되었다.
- 본 축소형 틸트로터 무인항공기의 개발과정 은 틸트로터형 비행체에 대한 현실적인 이해도를 높이는데 큰 기여를 하였고, 비행제어시스템의 검증과 실물기 의 비행시험에 대비한 예비시험에 매우 유용하고 값진 기회를 제공해 주었으며, 틸트로터형 항공기에 대한 비행제어 실험용 비행 플랫폼을 확보할 수 있게 되었다.
- 비행제어 분야의 기술적인 성과로는 이륙, 천이비행, 착륙에 대한 자동비행 제어로직을 개발하였고 비행을 통한 검증을 수행하였으며, 그 결과를실물기에 적용할 수 있는 개선안을 도출하는 성과가 있었다. 또한 비행시험의 초기단계에 개발하여 적용한 4.
- 세계적으로 흔하지 않은 틸트로터형 항공기를 대상으로 수행한 본 연구개발과정을 통해 비교적 저렴한 비용으로 실제 비행 연구에 활용할 수 있는 비행체, 이 비행체의 천이과정을 포함한 전 비행영 역에 걸친 복잡한 제어기, 그리고 비행시험을 통한 입증과정에서 축적된 경험과 시행착오의 기록물 등의 다양한 성과가 창출되었다. 이 기술적 자산은 제도의 범위 안에서 동 분야에 학문적, 기술적 흥미를 가진 이들에게 널리 공유되고 계승 발전되기를 기대 한다.
- 수동비행을 위해 휴대용 관제장비와 실시간 데이터 모니터링 및 저장장치를 통해 정량적인 제어기의 검증과 수정이 가능하였다.
- 안전줄 호버 시험은 외부조종人W)의 비행시험 적응력을 향상시켜 비행시험 진척에 큰 도움을 받았고, 비행시험 중 발생할 수 있는 문제점들을 미리 파악할 수 있게 함으로써 시 간과 비용을 아낄 수 있었다. 비행체의 배기구 냉각, 클러치 파손, 전기적 결함 등 우자유도 지상시험장치 시험에서는 드러나지 않았던 문제점들이 나타났으며, 이의 보완을 통해 보다 안전한 비행을 위한 준비가 되었다.
- 완전히 개 량된 로터 허브와 조종계 통 및 기 계시스템을 보유하고 실물기와 부품별 형상개념 유사성을 유지하였으며, 핵심부품인 로터의 짐 발 허 브(Gimbal Hub) 개념을 구현하였다. 또한 시스템을 경 량화 시켰으며 추후 실용화를 고려하여 정비성 향상에 많은 노력을들였다.
- 검증 및 비상시의 안전을 확보하기 위한 목적으로 고안되었다. 우자유도 지상시험 장치에서 수행된 로터 가버너로직, SAS 검증 및 엔진 킬 등의 필수 기능들을 확인하였고, 이후 수동/자동 비 행시험 전에 필수적 인 검증 절차가 되었는데, 그 유용성은지대하였지만 시험 장치 구성에는 거의 비용이 들지 않았다.
- 이를 통해 조종사의 경험 축적, 틸트로터 비행체에 대한 자신감 확인 및 비 행시험 요원들의 비 행 현장감을 훈련시킬수 있었다.
- 축소기의 개발 시 실물기의 관제시스템과 인터페이스를 동일하게 설계하였기 때문에 축소기의 비행시험을 통해 실물기 관제시스템을 미리 검증하는 효과도 있었다.
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