오늘날 무인기는 기술 발전을 통해 육해상의 다양한 분야에서 이용되고 있다. 한국항공우주연구원(KARI)에서는 육상용 수직이착륙기로 개발된 틸트로터 무인기를 해상에서 운용할 수 있도록 임무영역 확장을 고려하고 있다. 틸트로터 무인기의 효과적인 해상운용을 위해서는 함상이착륙이 필요하지만 해상은 지상에 비해 염분, 연무, 바람등 기상영향을 많이 받는다. 또한 지상과는 달리 선박 운동으로 인한 착륙지점의 운동이 발생하며, 자동 함상착륙을 어렵게 만든다. 이러한 무인기 함상이착륙을 위하여 본 논문에서는 파고에 따른 선박 운동을 모델링 하고, 무인기 시뮬레이터를 통해 시험평가한 결과를 제시하고 있다.
오늘날 무인기는 기술 발전을 통해 육해상의 다양한 분야에서 이용되고 있다. 한국항공우주연구원(KARI)에서는 육상용 수직이착륙기로 개발된 틸트로터 무인기를 해상에서 운용할 수 있도록 임무영역 확장을 고려하고 있다. 틸트로터 무인기의 효과적인 해상운용을 위해서는 함상이착륙이 필요하지만 해상은 지상에 비해 염분, 연무, 바람등 기상영향을 많이 받는다. 또한 지상과는 달리 선박 운동으로 인한 착륙지점의 운동이 발생하며, 자동 함상착륙을 어렵게 만든다. 이러한 무인기 함상이착륙을 위하여 본 논문에서는 파고에 따른 선박 운동을 모델링 하고, 무인기 시뮬레이터를 통해 시험평가한 결과를 제시하고 있다.
The mission of UAV has been expanded from a land to an ocean based on an enhancement of its technologies. Korea Aerospace Research Institute (KARI) also tries to expand the mission of tilt rotor UAV to an ocean, in which the shipboard landing of UAV is required. However the environment of an oceanic...
The mission of UAV has been expanded from a land to an ocean based on an enhancement of its technologies. Korea Aerospace Research Institute (KARI) also tries to expand the mission of tilt rotor UAV to an ocean, in which the shipboard landing of UAV is required. However the environment of an oceanic operation is severer than that of land due to salty, fogy, and windy condition. The landing point for automatic landing is not fixed due to movement of shipboard in roll, pitch, and heave. It makes the oceanic operation and landing of UAV difficult. In order to conduct an oceanic operation of tilt rotor UAV, this paper presents that the sea wave modeling according to the sea state is conducted and the shipboard landing of tilt rotor UAV under the sea wave is tested and evaluated through the flight simulator for UAV.
The mission of UAV has been expanded from a land to an ocean based on an enhancement of its technologies. Korea Aerospace Research Institute (KARI) also tries to expand the mission of tilt rotor UAV to an ocean, in which the shipboard landing of UAV is required. However the environment of an oceanic operation is severer than that of land due to salty, fogy, and windy condition. The landing point for automatic landing is not fixed due to movement of shipboard in roll, pitch, and heave. It makes the oceanic operation and landing of UAV difficult. In order to conduct an oceanic operation of tilt rotor UAV, this paper presents that the sea wave modeling according to the sea state is conducted and the shipboard landing of tilt rotor UAV under the sea wave is tested and evaluated through the flight simulator for UAV.
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문제 정의
무인기 함상이착륙을 위한 시스템과 제어기법을 평가하기 위해 기존의 비행시뮬레이션 환경에 선박 운동 모델링을 추가하였다. 본 논문에서는 틸트로터 무인기의 함상이착륙 연구를 위해서 해상상태에 따른 파고와 이에 따른 선박 운동을 각각 모델링하고, 틸트로터 무인기의 비선형 비행운동모델과 연동시켰으며, 시뮬레이션 환경통제장치, 지상관제, 비쥬얼 시스템으로 이루어진 무인기 시뮬레이터를 통해 함상이착륙을 모의시험한 결과를 제시하고 있다.
가설 설정
함상이착륙 제어기를 설계하기 위해서 Fig. 10과 같은 항공기와 선박의 상대위치를 가정하자. 선박과 비행체의 상대위치오차는 다음의 식 (13) 과 같다.
제안 방법
12는 선박 갑판위의 이착륙장에서 선박과 함께 움직이다가 이륙 후 우측으로 이탈한 후 선박의 우측 후방에서 접근하여 자동착륙 후 선박과 동일한 속도와 방향으로 정확하게 움직이고 있음을 보여주고 있다. 또한 함상 착륙의 요구조건인 착륙점 원형공산오차 (CEP : Circular Error Probability)를 판단하기 위해서 총 10회의 함상이착륙 시뮬레이션을 수행하였다. 함상이착륙 조건은 앞에서 언급한 선박속도 5m/s, 해상상태 0으로 설정하고 다양한 함상착륙조건을 부여하기 위해서 선박의 180도 후방과 좌/우 후방에서 각각 착륙 접근을 시도하였다.
무인기의 함상이착륙 기능을 구현하기 위하여 해상상태에 따른 파고를 모델링하고 파고에 의한 선박운동을 모델링하였다. 또한 함상이착륙을 모사하기 위하여 무인기 시뮬레이터에서 선박의 위치를 비행제어컴퓨터로 전송하여 착륙지점을 실시간을 갱신할 수 있도록 하였다. 이동 중인 선박의 착륙지점을 갱신하고 자동착륙 모드로 시뮬레이션한 결과 목표한 착륙위치 오차 범위 내에서 착륙가능함을 확인할 수 있었으며 해상상태 3에서 접근착륙을 시뮬레이션 한 결과 이륙후 자동착륙 명령에 따라 접근 착륙함을 확인할 수 있었지만 착륙 후 항공기와 선박간 운동의 통합이 요구되었다.
수직이착륙 무인기의 함상이착륙을 위한 연구는 ULB의 DGPS 시험, 항공기 탑재 센서연구, 또한 함상착륙을 위한 자동제어기 설계 분야에서 발견 되고 있다[6][12][13]. 무인기 함상이착륙을 위한 시스템과 제어기법을 평가하기 위해 기존의 비행시뮬레이션 환경에 선박 운동 모델링을 추가하였다. 본 논문에서는 틸트로터 무인기의 함상이착륙 연구를 위해서 해상상태에 따른 파고와 이에 따른 선박 운동을 각각 모델링하고, 틸트로터 무인기의 비선형 비행운동모델과 연동시켰으며, 시뮬레이션 환경통제장치, 지상관제, 비쥬얼 시스템으로 이루어진 무인기 시뮬레이터를 통해 함상이착륙을 모의시험한 결과를 제시하고 있다.
무인기 해상운용은 선박의 운동, 협소한 착륙 환경, 염무 등으로 인해 육상에서 보다 운용이 어려우며 이러한 조건에서 함상이착륙이 요구된다. 무인기의 함상이착륙 기능을 구현하기 위하여 해상상태에 따른 파고를 모델링하고 파고에 의한 선박운동을 모델링하였다. 또한 함상이착륙을 모사하기 위하여 무인기 시뮬레이터에서 선박의 위치를 비행제어컴퓨터로 전송하여 착륙지점을 실시간을 갱신할 수 있도록 하였다.
9에서 보는 바와 같이 무인기 시뮬레이터는 비행시험을 모사할 수 있는 3D 그래픽, 시뮬레이션 환경을 통제하는 통제장치, 항공기에 탑재되는 비행제어컴퓨터, 내부조종사용 지상관 제장비로 구성되어있다. 이 장비들의 상호 네트워크 연결을 통해 HILS(Hardware-In-the-Loop)시험을 수행할 수 있도록 개발되었다. 함상이착륙 시뮬레이션을 위해서 기존의 무인기 시뮬레이터에 선박의 운동 모델을 추가하였다.
함상이착륙은 육상과 달리 선박의 운동으로 인하여 자동착륙점이 매시간 변하게 되므로 이를 실시간으로 반영해 주어야 한다. 함상의 갑판위치는 다음의 SBC (Ship Body Coordinate) 프레임을 통해 선박의 위치로부터 함상의 갑판의 위치를 계산하였다.
이 장비들의 상호 네트워크 연결을 통해 HILS(Hardware-In-the-Loop)시험을 수행할 수 있도록 개발되었다. 함상이착륙 시뮬레이션을 위해서 기존의 무인기 시뮬레이터에 선박의 운동 모델을 추가하였다. 통제장치에서 설정된 해상상태에 따라 파도가 정의되면, 이에 따른 선박의 운동정보가 계산되어 비행제어컴퓨터로 전송된다.
또한 함상 착륙의 요구조건인 착륙점 원형공산오차 (CEP : Circular Error Probability)를 판단하기 위해서 총 10회의 함상이착륙 시뮬레이션을 수행하였다. 함상이착륙 조건은 앞에서 언급한 선박속도 5m/s, 해상상태 0으로 설정하고 다양한 함상착륙조건을 부여하기 위해서 선박의 180도 후방과 좌/우 후방에서 각각 착륙 접근을 시도하였다. Fig.
함상자동이착륙에 대한 시뮬레이션은 5m/sec의 일정한 속도로 직선운동을 하는 4000톤급 규모의 선박에 대하여 해상상태 0인 조건에서 이루어졌다. 성능검증을 위해서 Table 3과 같은 성능 요구조건을 설정하였다.
파고에 의한 선박운동을 모사하는 방법은 수학적 모델을 이용하거나 함정에서의 실제 측정값을 이용하는 방법이 있다. 해상에서의 실제 측정 값을 이용하는 방법은 시뮬레이션 환경 구현시 계산량이 적으며, 실제 환경을 가장 잘 모사할 수 있어 유인기 함상이착륙을 모사할 때 사용되는 경우가 있으나, 다양한 해상환경, 함정 속도, 파도 입사각 등을 모사하기 위해서는 매우 큰 데이터베이스를 확보해야 하므로 수학적 모델을 통해 선박운동을 모사하였다.
대상 데이터
함상이착륙 시뮬레이션을 수행하기 위하여 항공우주연구원의 무인기 시뮬레이터가 이용되었다. Fig.
성능/효과
해상상태 3에서도 항공기가 이륙 후 자동착륙 명령에 따라 선박을 따라가서 접근착륙을 수행한 결과를 보여주고 있다. 또한 해상상태에 따른 함상이착륙을 완전히 시뮬레이션하기 위해서는 함상접근착륙시 항공기가 1~2m의 결심고도에서 호버링 후 선박의 수평자세가 되는 정점에서 착륙을 결행하고 착륙 후 선박에 고정시키는 절차의 구현과 항공기와 선박간 운동의 통합이 요구됨을 확인하였다.
또한 함상이착륙을 모사하기 위하여 무인기 시뮬레이터에서 선박의 위치를 비행제어컴퓨터로 전송하여 착륙지점을 실시간을 갱신할 수 있도록 하였다. 이동 중인 선박의 착륙지점을 갱신하고 자동착륙 모드로 시뮬레이션한 결과 목표한 착륙위치 오차 범위 내에서 착륙가능함을 확인할 수 있었으며 해상상태 3에서 접근착륙을 시뮬레이션 한 결과 이륙후 자동착륙 명령에 따라 접근 착륙함을 확인할 수 있었지만 착륙 후 항공기와 선박간 운동의 통합이 요구되었다. 파고에 의한 선박운동 모델링과 선박 착륙지점 갱신을 기반으로 다양한 해상 상태와 접근절차에 따른 함상이착륙 모의시험평가를 수행할 예정이다.
5(a)와 (b)와 같다. 함정이 파도를 향해 나아갈 때, 함정의 전진 속도로 인해 함정에서 관측된 파도의 스펙트럼은 고주파수 쪽으로 이동함을 확인할 수 있으며 파고 진폭은 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
후속연구
이동 중인 선박의 착륙지점을 갱신하고 자동착륙 모드로 시뮬레이션한 결과 목표한 착륙위치 오차 범위 내에서 착륙가능함을 확인할 수 있었으며 해상상태 3에서 접근착륙을 시뮬레이션 한 결과 이륙후 자동착륙 명령에 따라 접근 착륙함을 확인할 수 있었지만 착륙 후 항공기와 선박간 운동의 통합이 요구되었다. 파고에 의한 선박운동 모델링과 선박 착륙지점 갱신을 기반으로 다양한 해상 상태와 접근절차에 따른 함상이착륙 모의시험평가를 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
헬리콥터의 함상운용을 처음 시도했던 때는 언제인가?
헬리콥터 기술의 발전과 더불어 오늘날에는 함상에서 헬리콥터를 운용하는 것이 당연한 것으로 인식되고 있다. 그렇지만 1943년 5월 미육군이 시콜스키 XR-4를 구축함에 착륙시키면서 헬리콥터 함상운용을 최초로 시도하기까지 수직이착륙 항공기인 헬리콥터를 함상에서 운용한다는 것은 커다란 도전이었다. 해상에서 항공기를 운용하기 위해서는 육상보다 심한 바람, 파도와 배의 이동에 의한 착륙장 운동, 염분에 의한 장비의 부식이 고려되어야 하며, 안전한 운용을 위한 운용절차가 요구된다.
해상에서 항공기를 운용하기 위해 고려해야 하는 요소로 무엇이 있는가?
그렇지만 1943년 5월 미육군이 시콜스키 XR-4를 구축함에 착륙시키면서 헬리콥터 함상운용을 최초로 시도하기까지 수직이착륙 항공기인 헬리콥터를 함상에서 운용한다는 것은 커다란 도전이었다. 해상에서 항공기를 운용하기 위해서는 육상보다 심한 바람, 파도와 배의 이동에 의한 착륙장 운동, 염분에 의한 장비의 부식이 고려되어야 하며, 안전한 운용을 위한 운용절차가 요구된다. 넓게 포장된 활주로에서 관제사의 유도에 따라 정립된 접근착륙절차로 이착륙이 이루어지는 육상에 비해 해상에서는 제한된 공간과 자체 운동이 있는 이착륙장에 착륙해야 한다.
스마트무인기를 함삼 운용으로 확장하기 위해 고려되어야 하는 것은 무엇인가?
스마트무인기는 육상 운용으로 개발되어 비행시험을 통해 자동이착륙 성능이 검증되었다. 이를 함상 운용으로 확장하려면 배의 이동에 따른 자동착륙 지점의 위치 운동을 실시간으로 갱신해주어야 하고 함상착륙장 주변의 선박 구조물의 간섭에 의한 후류의 영향도 새롭게 모델링되어야한다[10]. 따라서 헬리콥터의 함상운용을 위해서 항공기와 선박간의 운동, 바람 및 후류 간섭에 따른 함상착륙의 운용 한계에 대한 연구들이 이루어져 왔다[10][11].
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