달착륙은 크게 궤도이탈 단계, 동력하강 단계로 구성되어지며, 동력하강단계는 Braking, Approach, Final landing phase의 세부 3단계로 나누어진다. 본 논문에서는 동력하강 세부 3단계의 최적경로를 통하여 달착륙선의 착륙 제어를 수행하기로 한다. 우선 Gauss pseudo-spectral 방법을 통하여 기준 궤적을 생성하였고, 고도와 각 방향의 속도오차를 이용하여 PID 제어기를 생성하였다. 마지막으로 Matlab의 Simulink를 이용하여 달착륙선의 착륙단계 시스템을 구성하고 이를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
달착륙은 크게 궤도이탈 단계, 동력하강 단계로 구성되어지며, 동력하강단계는 Braking, Approach, Final landing phase의 세부 3단계로 나누어진다. 본 논문에서는 동력하강 세부 3단계의 최적경로를 통하여 달착륙선의 착륙 제어를 수행하기로 한다. 우선 Gauss pseudo-spectral 방법을 통하여 기준 궤적을 생성하였고, 고도와 각 방향의 속도오차를 이용하여 PID 제어기를 생성하였다. 마지막으로 Matlab의 Simulink를 이용하여 달착륙선의 착륙단계 시스템을 구성하고 이를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
The moon landing is composed of the de-orbit descent phase, powered descent phase, and the powered descent phase is divide into 3-sub phase of the braking, approach, final landing phase. In this paper, the lunar lander perform landing control using 3-sub phase of optimal trajectory. First, generate ...
The moon landing is composed of the de-orbit descent phase, powered descent phase, and the powered descent phase is divide into 3-sub phase of the braking, approach, final landing phase. In this paper, the lunar lander perform landing control using 3-sub phase of optimal trajectory. First, generate the reference trajectory using gauss pseudo-spectral method. Thereafter generate PID controller using altitude and velocity error in each direction. Finally the lunar lander landing system constitute using the Simulink of Matlab, and perform simulation.
The moon landing is composed of the de-orbit descent phase, powered descent phase, and the powered descent phase is divide into 3-sub phase of the braking, approach, final landing phase. In this paper, the lunar lander perform landing control using 3-sub phase of optimal trajectory. First, generate the reference trajectory using gauss pseudo-spectral method. Thereafter generate PID controller using altitude and velocity error in each direction. Finally the lunar lander landing system constitute using the Simulink of Matlab, and perform simulation.
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문제 정의
본 논문에서는 동력하강 세부 3단계의 최적 경로 생성을 통한 제어를 수행하기로 한다. 우선 Gauss pseudo-spectral 방법을 통하여 연료 소모와 자세변화를 최소로 하는 최적의 궤적을 생성하였고, Matlab의 Simulink를 이용하여 달착륙선의 착륙단계 시스템을 구성함과 동시에 PID 제어기를 이용하여 목표한 지점에 연착륙 할 수 있도록 시뮬레이션을 수행하였다.
제안 방법
수직 방향속도의 경우, 마지막에 연착륙을 위해서 최종 속도를 -1m/s로 두었다. 경도, 위도 방향의 속도는 최종 도착 시의 속도이므로 0m/s를 주었고 나머지 속도는 free로 두어 최적 값을 찾도록 하였다.
달착륙선의 시뮬레이션을 위해서 Matlab의 Simulink를 이용하여 시스템을 구성하였다. 그림 5와 같이 크게 달착륙선의 3차원 공간 운동방정식과 연료 소모 부분을 계산하는 플랜트 부분, 최적화 연산을 통하여 경로를 생성해낸 결과를 이동 거리의 상태에 따라 최적화 된 상태값과 제어값을 내보내 주는 가이던스 부분, 최적화된 값과 현재 상태값과의 오차를 PID 제어를 통하여 제어값을 만들어주는 컨트롤 부분으로 나누었다. 그림 6과 7은 각각 컨트롤 블럭과 가이던스 블록을 Simulink 블록으로 나타낸 것이다.
기준경로 생성을 위하여 가정된 착륙 위치는 아폴로 15호가 착륙했던 위치 Hadley - Apennine (26.132E, 3.634N)로 설정하였으며, 달 착륙의 3단계(Braking phase, Approach phase, Final landing phase)에 대한 각각의 상태 구속조건을 설정하였다. 또한 단계별로 연료를 최소화 하고 자세변화를 최소화하는 목적함수와 제어값의 조건을 주어 최적 경로를 생성하였다[8].
그림 14와 같이 각각의 에러 값에 따라 크게 두 개의 제어기를 구성하였다. 대부분의 궤적을 차지하는 두 개의 Braking, Approach phase와 나머지 Final landing phase로 나누어 단계의 특성에 맞는 이득값을 적용하도록 한다.
본 논문에서는 Braking phase, Approach phase, Final landing phase의 최적 궤적을 바탕으로 제어값을 만들어내기 때문에 특성이 서로 다른 구간별로 PID제어기를 나눌 필요가 있다.
본 논문에서는 PID제어기를 사용하여 제어 시뮬레이션을 수행하였다. PID제어기는 외란과 급변화가 심한 입력에 대해서는 성능과 안정성이 떨어지는 단점들이 있다.
본 논문에서는 동력하강 세부 3단계의 최적 경로 생성을 통한 제어를 수행하기로 한다. 우선 Gauss pseudo-spectral 방법을 통하여 연료 소모와 자세변화를 최소로 하는 최적의 궤적을 생성하였고, Matlab의 Simulink를 이용하여 달착륙선의 착륙단계 시스템을 구성함과 동시에 PID 제어기를 이용하여 목표한 지점에 연착륙 할 수 있도록 시뮬레이션을 수행하였다.
단계에 따라 제어값의 특성과 상태변화가 서로 다르기 때문에 하나의 이득값으로 모든 구간의 경로 추종을 만족하지 못했다. 이를 보완하기 위해서 단계에 따라서 다른 이득값을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
1에서 설계한 제어시스템을 통하여 제어 시뮬레이션을 수행하였다. 제어 시뮬레이션은 횡방향과 종방향의 PID제어기를 이용하여 수행하였고 최적 궤적을 가장 잘 추종하는 표 3의 PID게인 값을 사용하여 시뮬레이션 하였다.
추력 제어값의 경우 아폴로 착륙선 및 타 착륙선의 값과 비교하여 Braking phase에서는 전체추력의 100%∼80%, Approach phase에서는 최소 30%까지, 마지막 착륙에서는 30%∼0%의 추력을 내도록 범위를 지정하였고, 지면과의 추력각도 β는 각도를 -180°에서 시작하여 마지막 지면에 도달했을 때 -90°에서 착륙이 종료 되도록 하였다.
대상 데이터
달착륙선의 경로 추종의 제어에 PID 제어기를 사용하였다. PID제어기는 구조가 간단하고 제어 성능이 우수하고 제어이득 조정이 비교적 쉽기 때문에 적용대상이 단일입출력 시스템에 한정되는 제약에도 불구하고 많이 사용되고 있다.
이론/모형
달착륙선의 시뮬레이션을 위해서 Matlab의 Simulink를 이용하여 시스템을 구성하였다. 그림 5와 같이 크게 달착륙선의 3차원 공간 운동방정식과 연료 소모 부분을 계산하는 플랜트 부분, 최적화 연산을 통하여 경로를 생성해낸 결과를 이동 거리의 상태에 따라 최적화 된 상태값과 제어값을 내보내 주는 가이던스 부분, 최적화된 값과 현재 상태값과의 오차를 PID 제어를 통하여 제어값을 만들어주는 컨트롤 부분으로 나누었다.
동력 하강단계에 대한 착륙 기준경로의 생성은 Gauss pseudo-spectra 방법을 이용하여 각각의 단계에 대한 최적화 궤적을 도출하였다.
본 논문에서는 달착륙선이 착륙을 하기 위한 궤적 및 여러 가지 상태변수들을 제어변수와 같이 운동방정식을 통하여 근사화하기 위해서 직접적인 접근방법인 Gauss pseudo-spectral method 을 이용하였다.
본 논문은 달 착륙 단계 중에서 동력하강단계에 대하여 gauss pseudo-spectral method를 사용하여 최적 궤적을 생성하였고, 생성된 제어값과 상태값을 이용하여 PID 제어를 통해 착륙 제어 시뮬레이션을 수행하였다.
위의 식을 이용한 Matlab tool인 GPOCS(Gauss Pseudo spectral Optimal Control Software)를 이용하여 최적 경로 생성문제를 해결하였다[9].
성능/효과
시스템을 구성하여 시뮬레이션 결과와 최적경로 결과를 비교한 결과, 최종 착륙지점에 대한 속도와 위치에 있어서 미소한 오차가 있었지만 연착륙 하면서, 경로를 잘 추종한 것으로 나타났다.
후속연구
그리고 다른 행성으로 가기 위한 전초기지 역할 또한 수행 할 수 있다. 그리고 우주자원을 확보하고, 우주기술개발을 통한 산업화 및 기술파급 효과도 얻을 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 달 탐사를 통해 국민에게 우주개발 비전을 제시하고, 자긍심을 고양하는 무형의 가치도 있다.
또한 불확실한 환경에 대처 할 수 있는 자기 적응능력과 자기 판단력이 없기 때문에 PID제어기를 대처할 수 있는 지능형 제어방법에 대한 연구가 활성화 되고 있다. 추후 이러한 달착륙선의 하강 단계뿐만 아니라 상승 단계에 대해서도 생성된 궤적을 통해 단계마다 다른 특성을 고려하는 유도제어 알고리즘및 제어를 수행하는 연구와 환경에 능동적으로 대처할 수 있는 장점으로 향상된 제어성능을 기대할 수 있고 PID제어기를 대처 할 수 있는 뉴로-퍼지 방법을 이용한 지능형 제어가 진행되어야할 필요가 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
1974년 러시아의 루나 24 계획을 끝으로 중단되었던 달 탐사 프로젝트는 무엇을 목적으로 다시 시작되었는가?
1974년 러시아의 루나 24 계획을 끝으로 중단되었던 달 탐사 프로젝트는 1990년대 이후 달 자원의 확보와 우주개발을 위한 과학적 목적으로 다시 시작 되었다. 미국, 러시아, 중국, 인도, 유럽, 일본도 달 탐사 계획을 발표하였으며 달 탐사임무를 수행할 달착륙선의 개발을 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
달착륙은 무슨 단계로 구성되는가?
달착륙은 크게 궤도이탈 단계, 동력하강 단계로 구성되어지며, 동력하강단계는 Braking, Approach, Final landing phase의 세부 3단계로 나누어진다. 본 논문에서는 동력하강 세부 3단계의 최적경로를 통하여 달착륙선의 착륙 제어를 수행하기로 한다.
달착륙선의 착륙 제어를 수행하기 위해 무엇을 이용하여 달착륙선의 착륙단계 시스템을 구현하고 시뮬레이션을 수행하였는가?
우선 Gauss pseudo-spectral 방법을 통하여 기준 궤적을 생성하였고, 고도와 각 방향의 속도오차를 이용하여 PID 제어기를 생성하였다. 마지막으로 Matlab의 Simulink를 이용하여 달착륙선의 착륙단계 시스템을 구성하고 이를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
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