[논문]수직이착륙 무인기 함상 착륙점의 상하 운동 추정

조암; 유창선; 강영신; 박범진

doi:10.20910/jase.2014.8.3.014

수직이착륙 무인기 함상 착륙점의 상하 운동 추정
Heave Motion Estimation of a Ship Deck for Shipboard Landing of a VTOL UAV 원문보기

When a helicopter lands on a ship deck in high sea states, one of main difficulties is the ship motion by sea wave, In case of a manned helicopter, a pilot lands a helicopter on the deck during quiescent period of ship motion, which is perceived from different visual cues around landing spot. The capability to predict this quiescent period is very important especially for shipboard recovery of VTOL UAV in harsh environments. This paper describes how to predict heave motion of a ship for shipboard landing of a VTOL UAV. For simulation, ship motion by sea wave was generated using a 4,000 ton class US destroyer model. Heave motion of ship deck was predicted by applying auto-regression method to generated time series data of ship motion.

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문제 정의

본 논문에서는 수직이착륙 무인기의 함상 자동이착륙을 위해 함정의 상하 운동을 예측하는 방법을 제시한다. 제원이 공개된 4000톤 급의 미 해군함 모델을 이용하여 파도에 의한 함정의 상하 운동을 모사하였고, 모사된 함정의 시계열 데이터 (time-series data)에 자동 회귀 기법을 적용하여 5초, 10초 후의 함정의 상하 운동을 예측하였다.

제안 방법

조종사의 시각적 판단에 의존할 수 없는 수직이착륙 무인기의 함상 착륙에서, 파도에 의한 함정의 움직임을 예측함으로써 착륙 시점을 결정하는 것은 매우 중요하다. 본 논문에서는 이를 위해 4000톤 급의 해군함 모델을 이용하여 파도에 의한 상하 운동을 모사하였고, 시계열 데이터에 자동 회귀 기법을 적용함으로써 해상 상태 5에서 5초 후의 함정의 상하 운동을 1m 내외로 예측하였다. 수직이착륙 무인기의 안전한 함상 착륙을 위해서는 본 논문에서 추정한 함정의 수직 운동뿐만 아니라 함정의 롤, 피치 운동 또한 중요하다.
8은 함정 운동을 측정하기 위해 사용되고 있는 센서의 예로 함상 착륙점 근처에 설치되어 있는 센서이다. 본 논문에서는 함상 착륙점 근처에 장착된 고정밀 GPS/INS 센서로부터 함정의 위치 정보를 획득할 수 있는 경우를 가정하고, 앞장에서 제시된 함정의 상하 운동 위치 데이터에 잡음을 추가하여 사용하였다. 함상 이착륙을 수행한 보잉의 Little bird 무인기, Schiebel 사의 S-100 무인기 등에서 이러한 시스템을 적용하고 있다.
녹색과 푸른색의 결과는 각각 MDL (Minimum description length)과 AIC (Akaike information criterion) 기법을 이용한 결과이며 [9], 나머지 결과들은 식 (8)에서 망각 상수가 1인 경우의 추정 결과이다. 실시간 구현 시, 모델 차수의 증가는 계산량 및 메모리 증가의 원인이 되므로, 위의 결과에서 차수 증가에 따른 모델 정확도 향상 정도를 고려하여 모델차수를 28차로 결정하였다.
유인 헬리콥터의 함상 착륙 단계에서, 조종사는 함정 위의 다양한 시각적 신호 (visual cue)를 이용하여, 함정의 자세, 비행체와 함정의 상대 거리 등을 인지하고 이로부터 함정의 움직임이 안정화되는 시점을 예측하여 착륙한다. 이러한 시각적 신호 이외에도 함상 착륙을 돕기 위해, 파도에 의한 함정의 움직임을 예측하여 착륙 시점을 알려주는 장비, 함상 착륙 유도 시스템, 착함시스템 등 다양한 장비들이 함상에서 사용되고 있다.
본 논문에서는 수직이착륙 무인기의 함상 자동이착륙을 위해 함정의 상하 운동을 예측하는 방법을 제시한다. 제원이 공개된 4000톤 급의 미 해군함 모델을 이용하여 파도에 의한 함정의 상하 운동을 모사하였고, 모사된 함정의 시계열 데이터 (time-series data)에 자동 회귀 기법을 적용하여 5초, 10초 후의 함정의 상하 운동을 예측하였다.

대상 데이터

선박응답진폭함수는 함정의 형상 및 하중 특성, 함정의 속도, 파도 입사각의 함수이며 일반적으로 테이블의 형태로 주어진다. 본 논문에서는 제원이 공개된 4000톤급의 미 해군함 USS Joseph Hewes의 RAO를 이용하였다 [7].

이론/모형

파도의 파워스펙트럼밀도 함수는 북대서양, 연근해, 대양 등을 모사하는 다양한 모델들이 제시되어 있다. 본 논문에서는 대양을 표현하는 데 가장 많이 사용되고 있는 아래 식의 Bretschneider 스펙트럼을 사용하였다.
시계열 데이터를 이용하여 함정 운동을 예측하는 방법은 크게 주파수 영역과 시간 영역에서 적용하는 방법으로 나뉜다 [4-6]. 본 논문에서는 함상 착륙점 상하 운동 예측을 위해, 함상 착륙점의 시계열 데이터에 시간 영역에서의 분석 기법인 자동 회귀 (Auto Regression: AR) 모델을 적용하였다.
본 논문에서는 함정 상하 운동을 예측하기 위해, 상하 운동 위치 데이터에 자동 회귀 기법을 이용한다.

후속연구

함상 운동 예측치의 요구 조건은 함정에 착륙하기 위한 무인기의 접근 절차 및 무인기 성능에 따라 완화되거나 강화될 수 있다. 따라서 실제 적용을 위해서는 향후 이러한 조건들을 고려하여 함상 운동 예측치의 요구 조건을 구체화하고, 함정의 수직 운동뿐만 아니라 자세 변화까지 고려할 필요가 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

파도에 의한 함정의 움직임을 예측함으로써 착륙 시점을 결정을 위해 논문에서 한 연구는?

조종사의 시각적 판단에 의존할 수 없는 수직이착륙 무인기의 함상 착륙에서, 파도에 의한 함정의 움직임을 예측함으로써 착륙 시점을 결정하는 것은 매우 중요하다. 본 논문에서는 이를 위해 4000톤 급의 해군함 모델을 이용하여 파도에 의한 상하 운동을 모사하였고, 시계열 데이터에 자동 회귀 기법을 적용함으로써 해상 상태 5에서 5초 후의 함정의 상하 운동을 1m 내외로 예측하였다. 수직이착륙 무인기의 안전한 함상 착륙을 위해서는 본 논문에서 추정한 함정의 수직 운동뿐만 아니라 함정의 롤, 피치 운동 또한 중요하다.

수직이착륙 항공기의 함상이착륙에게 영향을 줄 수 있는 것은?

수직이착륙 항공기의 함상운용 제한조건(SHOL: Ship Helicopter Operating Limit)은 함상이착륙 단계에서 결정된다. 수직이착륙 항공기의 함상이착륙은 육상과 달리 파도에 의한 함정의 운동(Fig. 1), 바람에 의한 착륙장 주위의 와류, 함정의 배기 가스 등 많은 외부 요인에 의해 영향을 받는다. 함상이착륙은 수직이착륙 항공기의 해상에서의 활용성을 높이기 위한 가장 중요한 요소이다.

수직이착륙 항공기의 함상운용 제한조건은 어디서 결정되는가?

수직이착륙 항공기의 함상운용 제한조건(SHOL: Ship Helicopter Operating Limit)은 함상이착륙 단계에서 결정된다. 수직이착륙 항공기의 함상이착륙은 육상과 달리 파도에 의한 함정의 운동(Fig.

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