[논문]무인기용 착륙장치 측력 모델링 및 지상활주 제어기 설계

조성봉; 안종민; 허기봉

doi:10.5139/jksas.2014.42.12.997

무인기용 착륙장치 측력 모델링 및 지상활주 제어기 설계
Side Force Modeling of Landing Gear and Ground Directional Controller Design for UAV 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.42 no.12, 2014년, pp.997 - 1003

조성봉 (Agency for Defense Development) , 안종민 (Agency for Defense Development) , 허기봉 (Agency for Defense Development)

초록
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무인항공기의 자동이착륙을 성공적으로 수행하기 위해서는 자동 지상활주 제어는 반드시 설계되어야 하는 중요한 부분이다. 이러한 지상활주 제어기를 설계하기 위해서는 정확하고 신뢰도 높은 착륙장치 모델은 반드시 필요하다. 본 연구에서는 착륙장치 모델링을 완성하기 위해서 특별히 착륙장치 측력 모델링을 수행하였다. 조향각 명령을 포함한 Cornering Angle을 계산하여 측력을 모델링하였다. 그리고 모델링된 착륙장치 모델을 포함한 비선형 6자유도 시뮬레이션 환경을 이용하여, 항공기의 바람벡터 방향인 Course Angle 오차를 해소하기 위한 전륜 조향(Nose Wheel Steering)과 러더 조향(Rudder Steering)을 동시에 이용하는 자동 지상활주 제어기를 설계하였다. 설계된 지상활주 제어기를 동일하게 적용하여, 착륙장치 모델을 포함한 시뮬레이션 결과와 실제 무인기를 이용한 자동 지상활주 시험 결과를 비교하였고, 이로써 착륙장치 측력 모델링과 지상활주 제어기의 정확성을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes modeling process to obtain precise landing gear model which is necessary to design a control law for ground auto-taxi, auto take-off/landing of UAV. In this paper, landing gear side force modeling is studied to complete a landing gear model of UAV. Side force modeling is performed by calculating cornering angle including steering angle. And ground directional controller is designed by using nose wheel steering and rudder steering at the same time to control course angle error. Accuracy of landing gear side force modeling and ground directional controller is proved by comparing of auto-taxi test results with simulation results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 전륜 조향과 러더 조향을 속도 조건에 따라 적절히 혼합하여 제어하는 자동 지상활주 제어기 설계에 대한 내용을 기술하고, 마지막으로 착륙장치 모델과 자동 지상활주 제어기를 이용한 시뮬레이션 결과와 실제 자동 활주시험 결과를 비교하고자 한다.
기본적인 비행 시뮬레이션을 위한 착륙장치의 수학적 모델링은 참고문헌[1]에 잘 설명되어 있다. 본 논문에서는 착륙장치 모델링 분야에서 관련 연구가 가장 미진하여 모델링 시 가장 어려움을 겪었던 분야이자, 착륙장치 자체에 대한 이해뿐만 아니라 비행체의 운동 특성에 대한 개념을 동시에 이해하고 있어야 모델링이 가능한 분야인 측력(Side Force)에 관한 모델링 내용을 중점적으로 기술하고자 한다.
본 연구에서는 무인기의 이착륙 및 지상활주를위한 제어법칙 설계를 위해서 반드시 필요한, 정확하고 신뢰도 높은 착륙장치 모델링을 완성하기 위해서 특히 중요한 착륙장치 측력 모델링을 수행하였다. 조향각 명령을 포함한 Cornering Angle을 계산하여 측력을 모델링하였다.
본 연구에서는 착륙장치의 수직력과 제동력은 알고 있다는 전제하에 측력을 모델링하고자 한다.
본 연구의 결과인 착륙장치 모델과 자동 지상 활주 제어기를 이용하여 구축한 시뮬레이션 환경에서의 시뮬레이션 결과와 실제 무인기를 이용하여 자동 지상활주 시험을 수행한 결과를 비교함으로써, 본 연구를 통한 착륙장치 측력 모델링의 정확성과 자동 지상활주 제어기의 적절성을 입증하고자 한다.
설계된 착륙장치 모델과 자동 지상활주 제어기를 포함한 HILS (Hardware in the Loop Simulation) 수행 및 자동 지상활주 시험을 통하여 철저한 검증을 통과한 신뢰성 높은 착륙장치 모델과 자동 지상활주 제어기를 완성하였다. 이러한 연구내용을 본 논문에서 기술하고자 한다.

제안 방법

제동 제어는 속도 명령값과 현재 속도값의 차이에 따라 적절한 제동 명령(브레이크 압력, %)을 생성하여 지상활주 속도를 제어하도록 설계하였다. 과도한 제동명령에 의한 미끄러짐 방지를 위하여 제동명령 상한치를 항공기 활주 속도를 기준으로 가변적으로 적용하였다.
조향각 명령을 포함한 Cornering Angle을 계산하여 측력을 모델링하였다. 그리고 완성된 착륙장치 모델을 이용하여, 항공기의 바람벡터 방향인 Course Angle 오차를 해소하기 위한 전륜 조향(Nose Wheel Steering)과 러더 조향(Rudder Steering)을 동시에 이용하는 지상활주 제어기를 설계하였다. 설계된 지상활주 제어기를 동일하게 적용하는 조건에서, 본 연구를 통해 완성된 착륙장치 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과와 실제 무인기를 이용한 지상활주 시험결과를 비교하여 착륙장치 측력 모델링의 정확성과 지상활주 제어기의 성능을 입증하였다.
러더 조향은 전륜조향제어와 동일하게 비례제어구조로 설계되었다. 러더 조향은 주로 고속활주 영역에서 주요한 제어 수단이 되므로, 요 댐퍼(yaw damper)를 추가하여 러더 조향제어로 인한 진동이 감쇄되도록 설계하였다.
본 연구를 통해서 착륙장치(Landing Gear) 모델을 설계하였고, 이를 포함한 비선형 6자유도 시뮬레이션 환경을 이용하여 자동 지상활주 제어기를 설계하였다. 설계된 착륙장치 모델과 자동 지상활주 제어기를 포함한 HILS (Hardware in the Loop Simulation) 수행 및 자동 지상활주 시험을 통하여 철저한 검증을 통과한 신뢰성 높은 착륙장치 모델과 자동 지상활주 제어기를 완성하였다.
비례제어이득은 지상활주 속도에 의해 스케쥴링하였고, 전륜조향 명령이 함께 인가되는 속도구간에서는 전륜조향에 의한 영향을 고려하여 제어 이득을 설계하였다.
앞서의 과정을 통해 얻은 착륙장치 모델을 포함한 Aircraft Dynamics 모델을 이용하여 무인기의 지상활주를 위한 제어기를 설계하였다. 지상활주 조향 제어는 아래의 Fig.
외부로부터 임의로 주어지는 지상활주 경로를 추종하기 위한 Course angle 유도명령은 Fig. 7과 같이 NED좌표계에서 지난 항로점 좌표(#)와 현재 항로점 좌표(#)사이의 임의의 Waypoint Tracking Line과 NED 좌표계 기준축과의 상대각으로 나타낼 수 있는 현재 항로점 방향(λwpt)과 Waypoint Tracking Line과 항공기 사이의 경로 오차(Dy)를 이용하여 산출하였다.
무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)의 비행조종을 위한 비행제어법칙(Flight Control Law, CLAW)의 개발을 위해서는 항공기의 운동을 정확하게 모사할 수 있는 비행시뮬레이션 환경이 필수적이다. 이를 위하여 항공기 체계의 서브시스템을 구성하는 중력, 공력, 추력, 조종면 구동장치, 착륙장치와 같은 구성요소를 모사한 모델을 통합하여 비선형 6자유도(Degree of Freedom, DOF) 시뮬레이션 환경을 구축하여야 한다. 이러한 비선형 6자유도 시뮬레이션 환경을 구축하기 위해서는 서브시스템의 운동 특성을 정확히 모사해 줄 수 있는 모델의 확보가 가장 중요하다고 할 수 있다.
전륜조향은 비례제어구조로 설계되었으며, 지상활주 속도에 의해 비례제어이득을 스케줄링하여 활주 속도별 최적의 조향 성능이 유지될 수있도록 설계하였다.
원활한 지상활주가 이루어지기 위해서는 지상 활주 속도를 제어하기 위한 제동(Brake) 제어기도 설계가 되어야 한다. 제동 제어는 속도 명령값과 현재 속도값의 차이에 따라 적절한 제동 명령(브레이크 압력, %)을 생성하여 지상활주 속도를 제어하도록 설계하였다. 과도한 제동명령에 의한 미끄러짐 방지를 위하여 제동명령 상한치를 항공기 활주 속도를 기준으로 가변적으로 적용하였다.
본 연구에서는 무인기의 이착륙 및 지상활주를위한 제어법칙 설계를 위해서 반드시 필요한, 정확하고 신뢰도 높은 착륙장치 모델링을 완성하기 위해서 특히 중요한 착륙장치 측력 모델링을 수행하였다. 조향각 명령을 포함한 Cornering Angle을 계산하여 측력을 모델링하였다. 그리고 완성된 착륙장치 모델을 이용하여, 항공기의 바람벡터 방향인 Course Angle 오차를 해소하기 위한 전륜 조향(Nose Wheel Steering)과 러더 조향(Rudder Steering)을 동시에 이용하는 지상활주 제어기를 설계하였다.
앞서의 과정을 통해 얻은 착륙장치 모델을 포함한 Aircraft Dynamics 모델을 이용하여 무인기의 지상활주를 위한 제어기를 설계하였다. 지상활주 조향 제어는 아래의 Fig. 6과 같이 항공기의 바람벡터 방향인 Course Angle 오차를 해소하기 위해 전륜 조향(Nose Wheel Steering)과 러더 조향(Rudder Steering)을 속도 조건에 따라 동시에 이용하며, 지상활주 속도를 기준으로 러더와 전륜조향 간의 조종력 분배를 통해 저속에서 고속 활주까지 지상활주 제어가 이루어져야 하는 모든 속도 영역에서 조향 성능을 만족할 수 있도록 설계하였다.

성능/효과

그리고 완성된 착륙장치 모델을 이용하여, 항공기의 바람벡터 방향인 Course Angle 오차를 해소하기 위한 전륜 조향(Nose Wheel Steering)과 러더 조향(Rudder Steering)을 동시에 이용하는 지상활주 제어기를 설계하였다. 설계된 지상활주 제어기를 동일하게 적용하는 조건에서, 본 연구를 통해 완성된 착륙장치 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과와 실제 무인기를 이용한 지상활주 시험결과를 비교하여 착륙장치 측력 모델링의 정확성과 지상활주 제어기의 성능을 입증하였다.
본 연구를 통해서 착륙장치(Landing Gear) 모델을 설계하였고, 이를 포함한 비선형 6자유도 시뮬레이션 환경을 이용하여 자동 지상활주 제어기를 설계하였다. 설계된 착륙장치 모델과 자동 지상활주 제어기를 포함한 HILS (Hardware in the Loop Simulation) 수행 및 자동 지상활주 시험을 통하여 철저한 검증을 통과한 신뢰성 높은 착륙장치 모델과 자동 지상활주 제어기를 완성하였다. 이러한 연구내용을 본 논문에서 기술하고자 한다.
자동 지상활주 시험 결과와 착륙장치 모델을 이용한 비선형 시뮬레이션 결과를 비교해 보면 두 경우 모두 시험의 시나리오대로 잘 추종하는 것을 볼 수 있고, 두 경우의 궤적 차이도 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 그리고 방향축 control surface와 yaw rate에 대한 비교 결과인 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공기의 이착륙 단계는 어떠한 영역인가?	항공기의 이착륙 단계는 비행 전영역중에서 가장 위험하고 어려운 영역으로, 특히 무인항공기의 자동 지상활주를 포함한 자동이착륙은 국내에서는 시도된 적이 없는 분야이다. 이러한 자동 지상활주, 자동이착륙을 성공하기 위해서는 이착륙시의 운동특성을 정확히 모사해 줄 수 있는 착륙장치 모델이 우선 확보되어야 한다.
	비선형 6자유도 시뮬레이션 환경을 구축하기 위해서 가장 중요한 것은?	이를 위하여 항공기 체계의 서브시스템을 구성하는 중력, 공력, 추력, 조종면구동장치, 착륙장치와 같은 구성요소를 모사한 모델을 통합하여 비선형 6자유도(Degree of Freedom, DOF) 시뮬레이션 환경을 구축하여야 한다. 이러한 비선형 6자유도 시뮬레이션 환경을 구축하기 위해서는 서브시스템의 운동 특성을 정확히 모사해 줄 수 있는 모델의 확보가 가장 중요하다고 할 수 있다.
	무인항공기의 자동 지상활주를 포함한 자동이착륙을 성공하기 위해 필요한 것은?	항공기의 이착륙 단계는 비행 전영역중에서 가장 위험하고 어려운 영역으로, 특히 무인항공기의 자동 지상활주를 포함한 자동이착륙은 국내에서는 시도된 적이 없는 분야이다. 이러한 자동 지상활주, 자동이착륙을 성공하기 위해서는 이착륙시의 운동특성을 정확히 모사해 줄 수 있는 착륙장치 모델이 우선 확보되어야 한다. 하지만 지금까지 자동이착륙 제어, 자동 지상활주 제어까지 가능한 정도의 신뢰도 높은 착륙장치 모델은 국내에서 모델링된 적이 없을 정도로 관련 연구가 미진한 분야이다.

참고문헌 (5)

Carl Banks, 2000, A Discussion of Methods of Real-time Airplane Flight Simulation, A paper in Aerospace Engineering, The Pennsylvania State University.
Ladislao Pazmany, 1986, Landing Gear Design for Light Aircraft, Vol. 1, Pazmany Aircraft Corp.
Abzug M. J., 1999, "Directional Stability and Control During Landing Rollout," Journal of Aircraft, Vol. 36, No. 3, pp. 584-590.

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Stevens J. E., 1959, "Relaxation Characteristics of Pneumatic Tires," Journal of the Aerospace Sciences, Vol. 26, No. 6, pp. 343-350.

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Stevens J. E., 1961, "Shimmy of a Nose Gear with Dual Co-Rotating Wheels," Journal of the Aerospace Sciences, Vol. 28, No. 8, pp. 622-630.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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