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무인 항공기의 자동 착륙 접근 알고리즘 설계 및 비행시험
Design and Flight Test of Autonomous Landing Approach Algorithm for UAV 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.41 no.6, 2013년, pp.458 - 464  

정민정 (Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Graduate School at Korea Aerospace University) ,  류한석 (Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Graduate School at Korea Aerospace University) ,  박상혁 (Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)

초록
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본 논문에서는 무인 항공기의 활주로 자동 접근 알고리즘에 대해 기술하였다. 본 연구에서 자동 접근의 주요 목적은 야간에 항공기의 안전한 착륙을 돕기 위함이다. 자동 접근 기능을 사용하게 되면 항공기가 어느 위치에 있던 초기 위치를 기준으로 경로 명령이 생성된다. 경로 명령은 최단거리를 가지는 원호-직선-원호로 구성되어있다. 경로 명령을 통해 생성된 경로를 따라 이동한 다음 활주로에 접근하도록 알고리즘을 설계하였다. 항공기의 다양한 초기 위치에 대한 경로 생성 알고리즘의 시뮬레이션을 통해 1차 검증을 하였으며 이를 기반으로 실제 비행시험을 수행하여 본 연구에서 제안한 알고리즘의 타당성을 실증적으로 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents an algorithm for autonomous landing approach of a unmanned aerial vehicle. The main purpose of the autonomous landing approach in this study is to help a safe landing at night. From any initial position of the aircraft when this function is engaged, a flight path command is gener...

주제어

#무인 항공기   #자동 착륙 접근  

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

제안 방법

  • 서론에서 말한 바와 같이 자동 착륙 접근 알고리즘은 Dubins Path를 기반으로 설계하였다. Dubins Path는 목표 지점의 위치와 방향을 기준으로 가상의 원 두 개가 좌우로 생성되나 본 연구에서는 두 개가 아닌 하나의 원만을 고려하도록 하였다. 이는 비행 시험 금지구역을 고려하였기 때문이다.
  • 기존의 비행 시험에서는 착륙을 수동 비행으로 실시하였으나 향후 24시간 이상 비행하기 위해서는 야간 비행이 불가피하므로, 어두운 야간에 착륙을 용이하게 하기 위해 자동 착륙 접근 알고리즘을 개발하게 되었다. 개발된 자동 착륙 접근 알고리즘은 자동으로 항공기를 활주로의 착륙 지점 근처까지 유도하며, 마지막 플래어(flare) 와 터치다운(touch-down)은 장착된 GPS 센서의고도 오차 때문에 수동으로 전환하여 실시하도록 하였다.
  • 국내에서는 본 저자가 속한 한국항공대에서 2011년 9월 25일 그리고 겨울철인 2012년 1월14일에 각각 12시간 연속 비행에 성공한 바가 있다[3]. 기존의 비행 시험에서는 착륙을 수동 비행으로 실시하였으나 향후 24시간 이상 비행하기 위해서는 야간 비행이 불가피하므로, 어두운 야간에 착륙을 용이하게 하기 위해 자동 착륙 접근 알고리즘을 개발하게 되었다. 개발된 자동 착륙 접근 알고리즘은 자동으로 항공기를 활주로의 착륙 지점 근처까지 유도하며, 마지막 플래어(flare) 와 터치다운(touch-down)은 장착된 GPS 센서의고도 오차 때문에 수동으로 전환하여 실시하도록 하였다.
  • 우선 비행 시험에 앞서 제어에 필요한 공력 특성은 주로 Vortex Lattice Method을 이용하여 구했다. 또한, 일반적인 6자 유도 강체 운동방정식을 근간으로 구성한 HILSIM (HardwareIn-the-Loop SIMulation)을 통한 1차 검증으로부터 신뢰도를 높인 후에 비행 시험을 수행하였다[6].
  • 또한 에일러론이 없는 러더·엘리베이터의 조종면만 가진 기체이므로 러더가 에일러론을 대신하여 롤 각을 추종하도록 루프를 닫았다. 엘리베이터는 휴고이드 모드를 감쇠하고 속도 trim을 세팅할 수 있도록 설계하였다. 그리고 프로펠러의 추력을 이용하여 고도를 제어하도록 설계한 것이 본 연구에 사용된 기체의 특징이다.

대상 데이터

  • 본 연구에 사용된 기체는 Fig. 6과 같고 윙스팬 3.6m 날개면적 0.8 ㎡, 루트코드 0.25m, 팁코드 0.2m이고 항공기의 하중은 3.0kg 등의 특징을 갖는다. 또한 에일러론이 없는 러더·엘리베이터의 조종면만 가진 기체이므로 러더가 에일러론을 대신하여 롤 각을 추종하도록 루프를 닫았다.

이론/모형

  • 그리고 프로펠러의 추력을 이용하여 고도를 제어하도록 설계한 것이 본 연구에 사용된 기체의 특징이다. 경로 추종을 위해서는 비선형 경로 추종 유도 (Nonlinear Path-Following Guidance) 방식을 외부루프로 이용하였다[7].
  • 서론에서 말한 바와 같이 자동 착륙 접근 알고리즘은 Dubins Path를 기반으로 설계하였다. Dubins Path는 목표 지점의 위치와 방향을 기준으로 가상의 원 두 개가 좌우로 생성되나 본 연구에서는 두 개가 아닌 하나의 원만을 고려하도록 하였다.
  • 우선 비행 시험에 앞서 제어에 필요한 공력 특성은 주로 Vortex Lattice Method을 이용하여 구했다. 또한, 일반적인 6자 유도 강체 운동방정식을 근간으로 구성한 HILSIM (HardwareIn-the-Loop SIMulation)을 통한 1차 검증으로부터 신뢰도를 높인 후에 비행 시험을 수행하였다[6].
  • 자동 접근의 경로생성은 Dubins Path를 기반으로 설계하였으며 원호-직선-원호로 구성하였다[4]. 즉 임의의 지점으로부터 경로명령생성이 이루어지면 출발 지점에서 원호를 따라 선회하다, 다음으로 직선을 따라가며, 이후 최종 원호를 따라 선회하게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
무인기는 어디에 사용되는가? 현대에 들어 무인기는 광고용, 통신 중계용, 항공촬영용 등의 민수용 용도뿐만 아니라 정찰․감시 등의 군사적 용도 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 특히 저렴한 비용으로 감시, 정찰, 수색 등의 임무를 가지는 태양광 무인기의 연구가 활발히 이루어지고 있으며 국내에서도 이러한 추세에 맞추어 대학과 연구소를 중심으로 연구가 진행되고 있다[1].
무인항공기 자동 접근의 주요 목적은 무엇인가? 자동 접근의 주요 목적은 야간에도 안전하게 착륙을 돕는 것이다. 이 알고리즘은 항공기의 초기 위치에서 비행경로 명령을 생성하여 활주로의 한 쪽 끝으로 가도록 유도한다.
Dubins Path기반 원호-직선-원호 자동접근 경로 생성의 진행 방식은 어떠한가? 자동 접근의 경로생성은 Dubins Path를 기반으로 설계하였으며 원호-직선-원호로 구성하였다[4]. 즉 임의의 지점으로부터 경로명령생성이 이루어지면 출발 지점에서 원호를 따라 선회하다, 다음으로 직선을 따라가며, 이후 최종 원호를 따라 선회하게 된다. 마지막으로 활주로를 따라 직선 비행을 한 후 수동 모드로 전환된다[5].
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참고문헌 (7)

  1. Sugjoon Yoon, "Control System of UAV", Journal of the Institute of Control, Automation, and Sytems Engineering, Vol. 5, No. 6, 1999 

  2. Andree NOTH, "Design of Solar Powered Airplanes for Continuous Flight", PhD Thesis, Autonomous Systems Lab, ETH Zurich, Switzerland, December 2008. 

  3. Minjeong Jeong, Sanghyuk Park, "Guidance and Control of Long-Endurance Solar Powered UAV", The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences Spring Conference, Hiwon Resort Convention Center, Jungsun, Gangwon-do, April 2012. 

  4. Randal W. Beard, Timothy W. McLain, "Small Unmanned Aircraft", Princeton Publication, 2012 

  5. Minjeong Jeong, Han-seok Ryu and Sanghyuk Park, "The Autonomous Landing Approach Algorithm and Ground Control System for flight experiment after dusk", The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences Spring Conference, Hiwon Resort Convention Center, Jungsun, Gangwon-do, April 2013. 

  6. Lewis, F. and Stevens, B. "Aircraft Control and Simulation", Wiley-Interscience Pulblication, 1992. 

  7. 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. 

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