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편대 유도 법칙 및 초소형 비행체의 자동 편대 비행 구현
Leader - Follower based Formation Guidance Law and Autonomous Formation Flight Test of Multiple MAVs 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.39 no.2, 2011년, pp.121 - 127  

유동일 (KAIST 항공우주공학과 대학원) ,  심현철 (KAIST 항공우주공학과)

초록
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본 논문에서는 초소형 비행체의 자동 편대 비행을 위한 유도 법칙과 비행 시험 결과를 기술하였다. 초소형 비행체는 탑재 중량과 비행시간 등의 제한으로 인해 짧은 시간 안에 복수의 비행체가 임무를 분담하거나 협력하여 동시에 수행하는 것이 효율적이며 편대 비행은 이러한 임무 하중을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 제안된 편대 유도 법칙은 Leader-Follower 편대 비행의 기하학적 관계 기반으로 비선형 모델 역변환 기법을 이용하여 설계하였다. 편대 유도 법칙에 필요한 비행체의 상태 정보는 비행체 간 고속의 데이터 통신 시스템을 구성하고 지상국을 통해 송수신하도록 하였다. 본 연구에서 제안된 비행체간 통신 기반의 편대 유도 기법은 센서의 측정 잡음에 대한 강건한 성능을 확인하기 위해 실제 비행 데이터 기반 시뮬레이션을 수행하였고 다수의 초소형 비행체를 이용한 편대 비행 시험을 통해 유도 법칙의 타당성을 검증하고 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents an autonomous formation flight algorithm for micro aerial vehicles (MAVs) and its flight test results. Since MAVs have severe limits on the payload and flight time, formation of MAVs can help alleviate the mission load of each MAV by sharing the tasks or coverage areas. The propo...

주제어

#자동 편대 비행   #초소형 비행체   #편대 유도 법칙   #모델 역변환  

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

문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 이미 기존의 사용 중인 지상국 명령 송수신 및 데이터 획득을 위한 MAV의 통신 모뎀을 이용하여 비행체간 내부 통신 시스템을 구성하였다. 또한, Leader - Follower 방식을 이용해 편대 비행 유도 법칙을 제안하고 이에 대한 실험적인 검증을 목적으로 하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 이미 기존의 사용 중인 지상국 명령 송수신 및 데이터 획득을 위한 MAV의 통신 모뎀을 이용하여 비행체간 내부 통신 시스템을 구성하였다. 또한, Leader - Follower 방식을 이용해 편대 비행 유도 법칙을 제안하고 이에 대한 실험적인 검증을 목적으로 하였다.
  • 본 논문에서는 다수의 MAV 운용에 필요한 편대 비행 유도 법칙을 제안하고 이를 검증하기 위해 실제 비행 데이터 기반의 시뮬레이션을 수행하고 통신 시스템을 구축하여 자동 편대 비행시험을 수행하고 이에 대한 결과를 서술하였다.

가설 설정

  • 본 시뮬레이션에서는 10Hz로 샘플링된 Leader의 실제 비행 데이터를 이용해 속도, 고도, 위치 및 가속도 정보 등을 Follower에 전송한다고 가정하고 시뮬레이션을 수행하였다. Leader의 비행 데이터에는 GPS/INS (Global Positioning System aided Inertial Navigation System)기반의 항법 시스템으로 인해 GPS에 의한 항법 해 보정 시마다 발생하는 불연속적인 항법 데이터 특성을 포함할 뿐만 아니라 측정 센서의 잡음이 포함되어 있다.
  • 본 연구에서 사용된 MAV는 관성항법장치로부터 가속도, 각 속도, 속도, 위치, 자세 등의 항법 해를 실시간으로 지상국으로 전송이 가능하므로 위의 기하학에서 정의한 모든 데이터 획득이 가능하다. 편대 유도 법칙을 위한 기본 비행체 운동 방정식은 다음 식 (1)과 같이 3차원 질점 모델로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
항공기 편대 비행이 가진 장점은 무엇인가? 항공기 편대 비행은 Leader의 날개 끝 와류에 의한 Follower의 항력 감소로 비행 효율이 향상 되는 공력적인 이점[1-2]뿐만 아니라 독립적으로 비행할 때보다 상대적으로 낮은 레이더 반사면을 가지며 임무 수행의 집중도와 효율성, 생존성 등을 향상시키는 장점이 있어 이에 관한 다양한 분야에서 활발한 연구가 수행되었다.
MAV에 탑재되는 센서와 컴퓨터의 특징은 무엇인가? 일반적으로 MAV는 탑재 중량이 적을 뿐만 아니라 비행시간의 제한 등으로 인해 가볍고 작은 저가형 센서와 컴퓨터가 탑재된다. 이러한 제약과 더불어, 아직까지 정찰 및 탐색을 위한 초소형, 고정밀, 고성능의 센서가 보편적이지 않은 실정이다.
초소형 비행체의 운용에 있어 임무 장비의 제한이 크며 임무 수행 범위가 한정적인 까닭은 무엇인가? 이러한 제약과 더불어, 아직까지 정찰 및 탐색을 위한 초소형, 고정밀, 고성능의 센서가 보편적이지 않은 실정이다. 이러한 이유로, 1대의 MAV를 단독으로 운용 시에는 낮은 탑재 중량으로 인해 임무 장비의 제한이 크며 임무 수행의 범위가 한정적이다. 따라서 제한된 짧은 시간 내에 높은 신뢰도의 정보를 수집을 위해서는 다수의 MAV가 동시에 투입하는 것이 효율적이며 MAV의 자동 편대 비행 기술은 임무 수행 측면에서 볼 때 임무 성공 확률을 높이고, 최신의 정보를 짧은 시간 내에 수집이 가능하게 한다.
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참고문헌 (8)

  1. Weimerskirch, H., Martin, J., Clerquin, Y., Alexandre, P., and Jiraskova, S., "Energy savings in flight formation", Nature, Vol. 143, 2001. 

  2. Gingrass, R. D., "Experimental Investigation of a Multi-Aircraft Formation", AIAA Paper 99-3143, 1999. 

  3. Lavretsky, E., "F/A-18 Autonomous Formation Flight Control System Design", AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, AIAA paper 2002-4757, 2002. 

  4. Gu, Y., Seansor, B. Campa, G., and Napolitano, M. R., "Design and Flight Testing Evaluation of Formation Control Law", IEEE Transactions on Control System Technology, Vol. 14, No. 6, Nov. 2006. 

    상세보기 crossref

  5. Johnson, E. N., Calise, A. J., Sattigeri, R., and Watanabe, Y., "Approaches to Vision-Based Formation Flight Control", Proceeding of IEEE Conference on Decision and Control, Dec. 2004. 

  6. Ryoo, C. K., Kim, Y. H., and Tahk, M. J., "Optimal UAV formation guidance laws with timing constraint", International Journal of Systems Science, Vol. 37, 2006. 

    상세보기

  7. Khaili, H. K., Nonlinear System, Prentice hall inc. New Jersey, 3rd edition, 2002. 

  8. You, D. I. and Shim, H. C., "Development of Autonomous Micro Aerial Vehicle Systems", 2009 APISAT, Japan, Nov. 2009. 

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