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문제 정의
- 본 논문에서는 무인항공기의 다양한 비행임무를 효과적으로 수행하기 위해서 각 주어진 경로점이 경유 경로점인 경우와 선회중심 경로점인 경우로 구분하여 각각의 비행경로 생성 및 유도 법칙을 달리하였다. 경유 경로점의 경우 smoothing path를 생성하여 기존 직선 경로에서 필연적으로 발생하는 오버슈트 현상을 제거하였으며, 선회중심 경로점에 대해서는 접선 회전 경로(tangent orbit path) 유도법칙을 적용하여 효과적인 임무를 수행하도록 차별화 하였다.
가설 설정
- 한편 β 피드백의 효과를 검증하기 위하여 북동풍(45°)으로 5m/s 의 바람이 부는 환경을 가정하였으며, 이 때 그림 13과 같이 비행체는 바람에 밀려 비행경로를 이탈하는 것을 확인 할 수 있다.
제안 방법
- 경유 경로점의 경우 ‘Smoothing Path’를 생성하여 기존 직선 경로에서 필연적으로 발생하는 오버슈트 현상을 제거하였으며, 특히 선회중심 경로점에 대해서는 선회궤적에 신속히 진입하기 위하여 ‘접선 회전 경로(tangent orbit path)’ 유도법칙을 제안하였다.
- 본 논문에서는 무인항공기의 다양한 비행임무를 효과적으로 수행하기 위해서 각 주어진 경로점이 경유 경로점인 경우와 선회중심 경로점인 경우로 구분하여 각각의 비행경로 생성 및 유도 법칙을 달리하였다. 경유 경로점의 경우 smoothing path를 생성하여 기존 직선 경로에서 필연적으로 발생하는 오버슈트 현상을 제거하였으며, 선회중심 경로점에 대해서는 접선 회전 경로(tangent orbit path) 유도법칙을 적용하여 효과적인 임무를 수행하도록 차별화 하였다.
- 본 논문에서 제안하는 실시간 비행경로 계획 및 생성과 유도제어 알고리즘을 실제 비행제어컴퓨터(FCC)에 탑재하여 그 성능을 검증하였다. 이때 GPS와 air data 센서 값을 실시간 컴퓨터 내에서 계산하여 출력하는 것 외는 모든 하드웨어를 실물로 구현하였다.
- 본 논문에서 최종적으로 제안 하는 β 피드백과 접선 회전경로 유도법칙을 바람 환경북 ( 동풍 5m/s)하에서 HILS를 수행하였다.
- 본 논문에서는 각 주어진 경로점을 ‘경유’ 경로점인 경우와 ‘선회중심’ 경로점인 경우로 구분하여 각각의 비행경로 생성 및 유도 법칙을 달리하였다.
- 본 논문에서는 그림 3과 같이 경로점 1, 2, 3, 4(경유 경로점)를 순차적으로 경유하고 경로점 5(선회 중심점)를 반경 200m로 선회 하는 비행임무를 설정하였다.
- 무인항공기의 다양한 비행임무를 효과적으로 수행하기 위해서는 각 임무에 따른 적절한 비행경로가 실시간으로 계획/생성돼야 한다. 본 논문에서는 주어진 경로점의 역할에 따른 비행경로를 차별적으로 계획하고 생성하는 모듈을 구성하였다. 즉, 주어진 경로점이 경유 경로점인 경우와 그 경로점이 지속적인 정찰임무를 위한 선회 중심점인 경우로 구분하여 각각의 적절한 비행경로를 계획하고 생성하는 알고리즘을 구현하였다.
- 그렇지 않을 경우에는 경로점 변경시 오버슈트하는 과도응답현상을 보이게 된다. 이러한 현상을 방지하기 위해서 현재 경로와 다음 경로 사이에 접하는 선회 원 경로를 생성(그림 4)하여 그 경로를 추종하도록 하였다. 이 때 선회 원 경로 생성 과정은 그림 4와 같다.
- HILS 결과와 순수 시뮬레이션 결과가 잘 일치하고 있으며, 이로 부터 실제 구현된 알고리즘이 외부 센서 등과 하드웨어 적으로 인터페이스되어 비행제어컴퓨터 내에서 오류 없이 작동됨을 확인하였다. 이와 같은 HILS 를 통하여 최종적으로 구현된 하드웨어와 소프트웨어를 통합적으로 시험하여 그 성능을 검증하였다.
- 한편 바람이 부는 외부 환경에 무인항공기가 노출 되었을 때 바람을 이기지 못하고 밀리는 상황을 방지하기 위하여 옆 미끄러짐 각(β)을 러더로 피드백하는 제어구조를 적용하였다. 이와 같이 구현된 비행경로 계획 및 생성 알고리즘과 유도제어법칙을 PC104기반의 비행제어 컴퓨터 하드웨어로 구현하였으며, 최종적으로 그 성능을 하드웨어와 소프트웨어를 통합하는 HILS를 통하여 검증하였다. 본 논문에서 사용한 무인항공기의 수학적 모델은 자체 제작한 무인 비행체(SURV, Sejong Un- manned Research Vehicle)를 대상으로 하였으며, 그 형상은 그림 1과 같다.
- 이와 같이 구현된 비행경로 계획 및 생성 알고리즘과 유도제어법칙을 하드웨어로 구현하여 실물 모의시험인 HILS 를 통하여 하드웨어와 소프트웨어를 통합적으로 검증하였다. 이와 같은 HILS를 통한 소프트웨어/하드웨어의 통합적 연구 개발은 향후 임베디드 시스템의 제품 개발에 있어 불확실성을 감소시키고 제품의 개발기간 단축 및 비용절감 효과를 가져다 줄 것이다.
- 본 논문에서는 주어진 경로점의 역할에 따른 비행경로를 차별적으로 계획하고 생성하는 모듈을 구성하였다. 즉, 주어진 경로점이 경유 경로점인 경우와 그 경로점이 지속적인 정찰임무를 위한 선회 중심점인 경우로 구분하여 각각의 적절한 비행경로를 계획하고 생성하는 알고리즘을 구현하였다.
- 최적의 선회 원 경로를 결정하기 위해서는 대상 항공기의 동역학 특성을 기반으로 바람의 속도와 방향을 고려하여 반지름 R을 실시간 결정하여야 하나, 본 논문에서는 모든 조건에서 일정 반지름(R=150m)으로 설정하였다.
- 한편 바람이 부는 외부 환경에 무인항공기가 노출 되었을 때 바람을 이기지 못하고 밀리는 상황에서 β를 피드백 하여 항공기가 바람이 불어오는 방향으로 바라보게 하고 다시 방위각 오차를 β 명령으로 변환하는 구조를 적용하였다. 이를 통하여 일정량의 바람의 영향을 보상할 수 있음을 확인하였다.
- 한편 바람이 부는 외부 환경에 무인항공기가 노출 되었을 때 바람을 이기지 못하고 밀리는 상황을 방지하기 위하여 옆 미끄러짐 각(β)을 러더로 피드백하는 제어구조를 적용하였다.
대상 데이터
- 그림1. 대상무인항공기플랫폼형상.
- 이와 같이 구현된 비행경로 계획 및 생성 알고리즘과 유도제어법칙을 PC104기반의 비행제어 컴퓨터 하드웨어로 구현하였으며, 최종적으로 그 성능을 하드웨어와 소프트웨어를 통합하는 HILS를 통하여 검증하였다. 본 논문에서 사용한 무인항공기의 수학적 모델은 자체 제작한 무인 비행체(SURV, Sejong Un- manned Research Vehicle)를 대상으로 하였으며, 그 형상은 그림 1과 같다.
- 무인항공기의 비행경로 계획 및 생성 알고리즘과 유도제어법칙을 검증하기 위한 시뮬레이터를 그림 10과 같이 Matlab/Simulink를 이용하여 구현하였다. 본 논문의 시뮬레이션을 위한 비행상태는 속도 100km/h, 고도 200m를 기준으로 하였다.
이론/모형
- 무인항공기의 비행경로 계획 및 생성 알고리즘과 유도제어법칙을 검증하기 위한 시뮬레이터를 그림 10과 같이 Matlab/Simulink를 이용하여 구현하였다. 본 논문의 시뮬레이션을 위한 비행상태는 속도 100km/h, 고도 200m를 기준으로 하였다.
- 본 논문에서는 이런 선회 비행을 수행하기 위해서 ‘접선 회전경로 유도법칙’을 사용하였다.
- 이 때 만들어진 경로를 바탕으로 ‘Planner’에서 선택한 유도제어 법칙을 이용하여 비행체의 방위각 명령을 생성하고, 제어기는 이 명령을 추종하도록 비행체를 동작시킨다.
- SURV의 종축 및 횡/방향축의 제어법칙은 안정성 및 조 종성 향상을 위하여 그림 5와 6과 같이 구현하였다[6]. 이때 각 제어이득은 고전적 제어기법인 근 궤적 선도를 사용하여 구하였다.
성능/효과
- 그림 18은 비행경로 계획 및 생성 모듈과 유도법칙 모듈에서 생성된 방위각을 추종하는 결과이며, 그림 19는 전체 비행궤적의 추종 성능을 보여준다. HILS 결과와 순수 시뮬레이션 결과가 잘 일치하고 있으며, 이로 부터 실제 구현된 알고리즘이 외부 센서 등과 하드웨어 적으로 인터페이스되어 비행제어컴퓨터 내에서 오류 없이 작동됨을 확인하였다. 이와 같은 HILS 를 통하여 최종적으로 구현된 하드웨어와 소프트웨어를 통합적으로 시험하여 그 성능을 검증하였다.
- 그림 12는 오버슈트 현상을 제거하기 위해 smoothing path를 생성하고 접선회전 경로법을 적용한 결과이다. 본 논문에서 제안하는 궤적생성 알고리즘 및 유도법칙을 통하여 보다 유연한 비행궤적 추종 성능을 얻을 수있음을 확인 할 수 있었다.
- 한편 바람이 부는 외부 환경에 무인항공기가 노출 되었을 때 바람을 이기지 못하고 밀리는 상황에서 β를 피드백 하여 항공기가 바람이 불어오는 방향으로 바라보게 하고 다시 방위각 오차를 β 명령으로 변환하는 구조를 적용하였다. 이를 통하여 일정량의 바람의 영향을 보상할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 이와 같이 구현된 비행경로 계획 및 생성 알고리즘과 유도제어법칙을 하드웨어로 구현하여 실물 모의시험인 HILS 를 통하여 하드웨어와 소프트웨어를 통합적으로 검증하였다. 이와 같은 HILS를 통한 소프트웨어/하드웨어의 통합적 연구 개발은 향후 임베디드 시스템의 제품 개발에 있어 불확실성을 감소시키고 제품의 개발기간 단축 및 비용절감 효과를 가져다 줄 것이다.
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