[논문]고정익 항공기의 자율 곡예비행

박상혁

doi:10.5139/jksas.2009.37.12.1217

고정익 항공기의 자율 곡예비행
Autonomous Aerobatic Flight for Fixed Wing Aircraft 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.37 no.12, 2009년, pp.1217 - 1224

초록
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고정익 항공기가 3차원의 복잡한 경로를 추종하기 위해 필요한 비교적 간단하며 효과적인 유도 제어 방법을 제시한다. 소개되는 방법은 비선형 경로 추종 유도 기법을 외부 루프로 사용한다. 외부 루프는 원하는 경로와 함께 항공기의 현재 위치와 속도를 바탕으로 비행 경로를 변화하기 위한 가속도 명령을 생성한다. 가속도 명령은 중력과 벡터적으로 결합되어 Specific Force Acceleration을 만든다. 이렇게 생성된 Specific Force Acceleration은 내부 루프를 위한 명령으로 쓰이는데, 이는 항공기가 가속도 자체보다는 Specific Force Acceleration을 더 직접적으로 제어할 수 있기 때문이다. 나아가 배면 비행이나 Slow Roll, Knife-Edge 등과 같은 옆미끄럼짐 기동을 하기 위해 필요한 롤 자세 제어 기법도 제시한다. 마지막으로 표준이 되는 여러 가지 곡예비행 경로들에 대한 시뮬레이션을 수행함으로써 제시된 기법의 성능을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

A simple and effective guidance and control scheme that enables autonomous three-dimensional path-following for a fixed wing aircraft is presented. The method utilizes the nonlinear path-following guidance law for the outer loop that creates steering acceleration command based on the desired flight path and the current position and velocity of the vehicle. The scheme considers the gravity in the guidance level, where it is subtracted from the acceleration command to form the specific force acceleration command which the aircraft is better suited to follow than the total acceleration command in the inner-loop. A roll attitude control scheme is also presented that enables inverted flight or sideslip maneuvers such as slow roll and knife-edge. A series of aerobatic maneuvers are demonstrated through simulations to show the potential of the proposed scheme.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 복잡한 3차원의 경로를 추종하기 위해 필요한 세련된 유도 제어 기법을 제시하고 있다. 여기에 소개된 방법은 복잡하지 않고 직관적으로 이해하기 쉬우며 또한 실시간 운용(real time operation)에도 적합할 것으로 기대된다.
이러한 비행 조건은 자동 비행 제어에 있어서 새로운 문제를 제기하는데, 그 이유는 현재 일반적으로 널리 쓰이는 제어 기법이 비행 조건의 변화가 충분히 작을 때 성립하는 선형화 된 식을 기반으로 설계되기 때문이다. 이에 본 연구에서는 고정익 항공기가 3차원의 복잡한 경로를 잘 추종하는 곡예비행을 위한 비교적 간단하면서도 효과적인 유도 제어 기법을 제시하고자 한다.

가설 설정

위의 운동방정식은 아래의 몇 가지 가정에 의해 더욱 더 간단해진다. 먼저, 제어기가 적분기를 포함한다고 가정하면 바이어스 항은 제어기 설계 단계에서는 무시할 수 있고, 항공기의 자세의 변화가 제어기의 Bandwidth에 비해 느리다고 가정하면 C_33g 항의 영향을 무시할 수 있다. 또한 첫 번째 식의 괄호 안에 해당하는 z축 방향의 공기력들 중 가장 중요한 받음각에 의한 성분만 고려하면

제안 방법

즉 A_cmdX는 엔진 출력을 조절하여 추종되며, 본 연구에서는 간단한 PI 제어기 형태를 이용하였다. A_cmdY을 추종하기위한 제어 입력은 방향타 (Rudder)이며, 피드백 항들은 Yaw Rate, Specific Force Acceleration의 y축 성분 AY, 그리고 AY와 A_cmdY의 오차에 대한 시간 적분 값들로 구성하였다. 마찬가지로 A_cmdZ을 추종하기위한 제어 입력은 승강타(Elevator)이며, 피드백 항들은 Pitch Rate, Specific Force Acceleration의 z축 성분 AZ, 그리고 AZ와 A_cmdZ의 오차에 대한 시간 적분 값들로 구성하였다.
Specific Force Acceleration의 y축 성분을 줄여 필요한 옆미끄러짐각을 최소로 하거나, 아니면 반대로 옆미끄러짐각을 능동적으로 이용하여 Slow-Roll이나 Knife-Edge와 같은 기동을 가능하게 하는 롤각의 기법도 본 연구에 포함된다.
4절에 걸쳐서는 먼저 외부 루프에 해당하는 유도를 기술하고 나중에 내부 루프에 해당하는 비행 제어를 서술하는 방식을 택하였다. 또 한 롤 각의 변화를 통한 배면 비행이나 옆미끄럼짐각을 이용한 기동을 하기 위한 롤 각의 기법도 소개하였다. 2.
A_cmdY을 추종하기위한 제어 입력은 방향타 (Rudder)이며, 피드백 항들은 Yaw Rate, Specific Force Acceleration의 y축 성분 AY, 그리고 AY와 A_cmdY의 오차에 대한 시간 적분 값들로 구성하였다. 마찬가지로 A_cmdZ을 추종하기위한 제어 입력은 승강타(Elevator)이며, 피드백 항들은 Pitch Rate, Specific Force Acceleration의 z축 성분 AZ, 그리고 AZ와 A_cmdZ의 오차에 대한 시간 적분 값들로 구성하였다.
위의 두 사실을 바탕으로, 본 연구에서 제시되는 방법은 외부 루프에 해당하는 비선형 경로 추종 유도 기법으로 가속도 명령을 만들고, 여기서 중력 가속도를 벡터적으로 뺀 후 Specific Force Acceleration 명령을 생성한다. 내부 루프는 이 Specific Force Acceleration을 비행체의 x,y,z축 성분으로 분리한 후 각각을 엔진 출력, 방향타, 승강타를 이용하여 추종하는 제어기로 구성된다.
먼저 비행기가 직선 경로를 따라 비행하게 되는데, 이 동안 앞서 설명된 e_Φ각을 0에서 180도로 증가시킴으로써 롤 각이 그만큼 바뀌고, 결과적으로 이 직선 경로 마지막 부근에서는 배면 비행의 형상이 이루어진다. 이어서 주 날개의 양력을 이용해 직경 90m의 원을 반 회전한 후 다시 처음의 반대 방향으로 직선 비행을 하도록 하였다. 마찬가지로 최대 경로 오차 약 5m 내를 유지하며 원하는 궤도를 잘 추종함을 그림에서 볼 수 있다.
제시되는 새로운 방법은 비선형 경로 추종 유도 제어 기법[4-6]의 우수한 성능과 다음의 두 사항들을 주시함으로써 그 동기가 되었다.
내부 루프의 주된 역할은 비행기 고정 좌표축 x,y,z 성분으로 분해된 Specific Force Acceleration 명령 성분을 각각 추종하는 것이다. 즉 A_cmdX는 엔진 출력을 조절하여 추종되며, 본 연구에서는 간단한 PI 제어기 형태를 이용하였다. A_cmdY을 추종하기위한 제어 입력은 방향타 (Rudder)이며, 피드백 항들은 Yaw Rate, Specific Force Acceleration의 y축 성분 AY, 그리고 AY와 A_cmdY의 오차에 대한 시간 적분 값들로 구성하였다.

대상 데이터

시뮬레이션을 위해 사용된 가상의 무인 항공기는 약 10kg의 이륙 중량을 가지며, 날개 길이 2.5m, 날개 면적 0.7m², 상반각 4도, Tail Volume 0.45 등의 특성을 갖는다. 공력 특성은 주로 Vortex Lattice Method을 이용하여 구했으며, 일반적인 6 자유도 강체 운동 방정식을 근간으로 하여 시뮬레이션을 구성하였다[7].

이론/모형

45 등의 특성을 갖는다. 공력 특성은 주로 Vortex Lattice Method을 이용하여 구했으며, 일반적인 6 자유도 강체 운동 방정식을 근간으로 하여 시뮬레이션을 구성하였다[7]. 또한 비행 자세에 제한이 없기 때문에 이를 위해 오일러각 대신 Quaternion을 이용하였다.
공력 특성은 주로 Vortex Lattice Method을 이용하여 구했으며, 일반적인 6 자유도 강체 운동 방정식을 근간으로 하여 시뮬레이션을 구성하였다[7]. 또한 비행 자세에 제한이 없기 때문에 이를 위해 오일러각 대신 Quaternion을 이용하였다.

성능/효과

1) 고정익 비행기에 작용하는 힘은 공기력, 추력, 그리고 중력으로 구분할 수 있다. 이들 중 공기력과 추력은 비행기에 일반적으로 장착된 제어 도구들로써 조절될 수 있다.
또한 Specific Force Acceleration의 비행기 고정 좌표축 x,y,z 성분은 고정 장착된 (Strapdown) 3축 가속도계 (Accelerometer)의 출력이기도 하기 때문에 피드백 제어를 위해 그 값들을 비교적 쉽게 얻을 수 있다. 2) Specific Force Acceleration에 포함되지 않은 나머지 힘인 중력에 의한 가속도 성분은 비행기에 장착된 조종 도구들로 제어될 수 없다. 그러나 중력 가속도는 그 크기와 방향이 우리에게 잘 알려져 있다.

후속연구

본 연구는 1) 도심이나 복잡한 지형에서의 무인 비행기의 운용, 2) 무인 전투 비행기, 3) 충돌 회피, 4) 무인 비행기뿐만 아닌 일반 비행기의 Upset Recovery 등과 같은 분야에 응용될 수 있으리라 기대된다.
앞으로 더 진행되어야할 세부 연구 분야로는 바람에 의한 영향 분석, 다양한 곡예비행을 위한 항공기 조건의 예측과 해석 그리고 실제 비행 실험을 통한 검증 등이 있다.
본 연구는 복잡한 3차원의 경로를 추종하기 위해 필요한 세련된 유도 제어 기법을 제시하고 있다. 여기에 소개된 방법은 복잡하지 않고 직관적으로 이해하기 쉬우며 또한 실시간 운용(real time operation)에도 적합할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 상용중인 무인 항공기들의 주된 임무는 무엇인가?	현재 상용중인 무인 항공기들의 주된 임무는 정찰, 수색, 감시 등으로 비행체는 주로 완만한 경로를 따라 비행하게 되고, 비행기의 피치 및 롤 각도의 범위가 한정된 운동을 하게 된다. 그러나 미래의 무인 비행기들은 복잡한 도심 사이를 비행하게 되며, 또 무인 전투 비행기의 등장과 함께 비행자세 한정에 구애받지 않고 복잡한 3차원의 경로를 따라 비행할 것으로 기대된다.
	고정익 비행기에 작용하는 힘은 어떻게 구분되는가?	1) 고정익 비행기에 작용하는 힘은 공기력, 추력, 그리고 중력으로 구분할 수 있다. 이들 중 공기력과 추력은 비행기에 일반적으로 장착된 제어 도구들로써 조절될 수 있다.

참고문헌 (8)

Gavrilets, V., “Autonomous aerobatic maneuvering of miniature helicopters”, Ph. D Thesis, MIT, 2003.
Gerig, M., "Modeling, Guidance, and Control of Aerobatic Maneuvers of an Autonomous Helicopter", Doctor of Science Thesis, ETH Zurich, 2008.
Peddle, I., "Acceleration Based Manoeuvre Flight Control System for Unmanned Aerial Vehicles", Ph. D Thesis, Stellenbosch University, 2008.
Park, S., Deyst, J., and How, P., "Performance and Lyapunov Stability of a Nonlinear Path-Following Guidance Method", Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 30, No. 6, November-December 2007.

상세보기
Park, S., Deyst, J., and How, P., "A New Nonlinear Guidance Logic for Trajectory Tracking", AIAA Guidance Control and Navigation Conference 2004.
Deyst, J., How, P., and Park S., "Lyapunov Stability of a Nonlinear Guidance Law for UAVs", AIAA Guidance Control and Navigation Conference 2005.
Lewis, F. and Stevens, B. "Aircraft Control and Simulation", Wiley-Interscience Publication, 1992.
Nelson, R., "Flight Stability and Automatic Control", McGraw-Hill

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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