[논문]SIMULINK를 이용한 소형 항공기용 자동비행시스템 시뮬레이터 구현

이동규; 채동한; 이상철; 오화석

SIMULINK를 이용한 소형 항공기용 자동비행시스템 시뮬레이터 구현
Implementation of the small aircraft simulator with autopilot system using SIMULINK 원문보기

In modern aircraft, an autopilot system is getting more important. There are not many autopilot systems applied to small aircraft. Also the autopilot system in large or medium aircraft is difficult to apply to small aircraft directly. It is necessary to make a new autopilot system for small aircraft. In this paper, we implement the small aircraft simulator with autopilot system using SIMULINK. The various modes of autopilot - such as altitude select/hold, attitude hold, heading hold, etc. - are implemented to the flight simulator and tested. We also implement the VOR mode for aircraft guidance.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 SIMULINK[2]를 활용하여 소형 항공기에 적합한 자동비행시스템을 구현하였다. 또한 항공기가 다수의 경로점을 경유하여 목표 위치에 도달할 수 있는 시스템을 구현하고 이에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 VOR 기능을 활용하여 경로비행이 가능하도록 하였다. 다수의 VOR 기지국을 지정하였을 경우 최초의 기지국은 사용자가 기지국의 개략적 위치를 생각하여 입력한 Heading 데이터 값을 따라 이동하게 하였고, 입력된 좌표 데이터를 순차적으로 따라간 후, 최종 기지국을 통과하게 되면 초기에 지정된 Heading 방향으로 이동하도록 하였다.

제안 방법

[Fig 3]은 본 프로그램에서 가능한 6가지의 모드(그림의 좌측)와 각 모드에서 지정할 수 있는 5가지 값(그림의 우측)을 선택할 수 있는 제어 패널이다. 2개 이하의 모드를 지정해주고 일정 시간동안 시뮬레이션 하는 종래의 방식을 개선하여, 프로그램이 구동되는 동안에도 원하는 자동비행 모드를 선택할 수 있도록 스위치를 제작하였다.
또한 출력부는 실제 Beaver와 동일한 계기 모습으로 나타내었고, VOR 모드에서 기지국 순번, 범위 진입 여부, Cone of Silence 진입 여부, To/From 상태를 확인할 수 있도록 구성하였다.
4]는 항공기의 요각과 3개의 좌표점, 현재 VOR 기지국과 앞으로 찾아갈 VOR 기지국의 좌표값을 이용하여 항공기가 나아갈 방향을 찾아주는 역할을 한다. 또한 항공기가 VOR 범위에 들어왔는지의 여부와 들어왔을 경우의 진행 방향, Cone of Silence에서 항공기가 VOR 기지국을 통과했는지의 여부를 판단한다. Course Datum(CD)값은 VOR 범위 내에서 좌표계의 정북 방향(X_E축)을 기준으로 VOR을 향해 항공기가 진행해야 할 값이다.
본 논문에서는 SIMULINK[2]를 활용하여 소형 항공기에 적합한 자동비행시스템을 구현하였다. 또한 항공기가 다수의 경로점을 경유하여 목표 위치에 도달할 수 있는 시스템을 구현하고 이에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이 시스템은 VOR 시스템을 기반으로 하여 구현하였으며, 이미 광범위하게 사용되고 있기 때문에 활용 가능성이 높다.
이러한 기능이 가능하도록 하기 위해서는 전파 송 · 수신에 대한 모델링이 필요하다. 모델링을 단순화하기 위하여 항공기와 VOR 기지국 사이의 거리를 이용하였다. 또한 시뮬레이션을 수행함에 있어 실제 VOR의 범위를 그대로 적용할 경우 시뮬레이션 시간이 매우 길어지게 된다.
본 논문에서는 SIMULINK를 이용하여 소형 항공기용 자동 비행 시스템을 구현하고 시뮬레이션을 수행하였다. 구현된 출력 화면은 실제 항공기와 동일한 형태로 항공기의 비행 상황을 확인할 수 있다.
4는 실시간 시뮬레이션이 불가능하다. 실시간 시뮬레이션이 가능하도록 이를 재구성하고 추가 Coding을 수행하였다.
그러므로 이러한 조건이 만족되지 못할 경우에는 항공기가 편향되거나 불안정한 모습을 보이게 된다. 이를 보상하기 위하여 4000ft, 45m/s에서의 Trim값을 활용하여 다른 고도에서의 Trim값을 선형보간 하여 사용하였다.
항공기의 위치는 2가지의 Graph로 표현되며 지구고정 좌표계를 기준으로 한 x-y graph와, 시간에 따른 고도의 변화를 나타내는 t-H graph로 구성하였다.

대상 데이터

본 논문의 시뮬레이터 구성을 위하여 The De Havilland사(社)에서 제작된 DHC-2 'Beaver'(이하 Beaver) 항공기 동특성을 SIMULINK로 모델링한 FDC 1.4를 활용하였다[3, 4].
본 논문의 시뮬레이터에는 총 6가지의 자동비행모드가 구현되었다. 항공기의 피치각 변화와 연관되는 Pitch Attitude Hold(PAH), Altitude Hold(ALH), Altitude Select(ALS) 모드와 롤각과 요각을 제어하는 Roll Attitude Hold(RAH), Heading Hold(HH) 모드, 마지막으로 VOR 모드이다.

이론/모형

출력부 계기들은 Global Majic 사에서 제작한 각종 항공 계기와 게이지를 활용하였다[6]. 이는 SIMULINK 상에서 Blockset 형식으로 제공이 되며 Active X를 기반으로 제작되어 있다.

성능/효과

10]을 통하여 확인할 수 있다. 그러나 선형보간 으로 얻은 Trim값은 정확한 값이 아니므로 동일 Roll값이지만 항공기의 고도가 일정하지 못하여 선회 반경이 모두 다르게 나타났다. 특히 RAH 모드만 실행했을 경우 다른 2가지 시험과 비교해서 시간에 따른 고도의 하강과 항공기의 진동이 심하다.
구현된 출력 화면은 실제 항공기와 동일한 형태로 항공기의 비행 상황을 확인할 수 있다. 또한 각각의 모드에서 요구하는 제어 기능을 수행하는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

그러나 단일 모드로 사용하였을 경우 부정확한 Trim값 등에 의해 정확한 제어를 수행하지 못하는 경우가 있었고, 항공기의 불안정이나 원거리 선회 등 개선해야할 문제점을 확인할 수 있었다. 차후 이러한 문제점을 보완하고 이 · 착륙에 대한 제어 알고리즘을 추가하는 연구가 필요하다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

FDC 1.4의 단점은 무엇인가?

FDC 1.4는 실시간 시뮬레이션이 불가능하다. 실시간 시뮬레이션이 가능하도록 이를 재구성하고 추가 Coding을 수행하였다.

본 논문의 시뮬레이터에 구현된 자동비행모드에는 무엇이 있는가?

본 논문의 시뮬레이터에는 총 6가지의 자동비행모드가 구현되었다. 항공기의 피치각 변화와 연관되는 Pitch Attitude Hold(PAH), Altitude Hold(ALH), Altitude Select(ALS) 모드와 롤각과 요각을 제어하는 Roll Attitude Hold(RAH), Heading Hold(HH) 모드, 마지막으로 VOR 모드이다.

중, 대형기의 자동비행시스템의 문제점은 무엇인가?

또한 중, 대형기 이상에서 주로 사용되던 자동비행시스템이 점차 소형기에까지 그 적용이 확대되고 있는 상황이다. 그러나 중․대형기의 자동비행시스템은 그 구성과 성능을 소형 항공기에 바로 적용하기에는 무리가 있으며, 이러한 이유로 소형 항공기를 위한 자동비행시스템 개발이 필요하다.

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