[논문]모델기반 개발기법과 X-plane을 이용한 무인항공기 비행제어 프로그램 모의비행 검증

한동인; 김영식; 이창용; 이대우; 조겸래

doi:10.5139/jksas.2015.43.2.166

모델기반 개발기법과 X-plane을 이용한 무인항공기 비행제어 프로그램 모의비행 검증
A Study on Verify of UAV Flight Control Software Simulated Flight using Model-Based Development and X-Plane simulator 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.2, 2015년, pp.166 - 171

한동인 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) , 김영식 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) , 이창용 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) , 이대우 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) , 조겸래 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University)

초록
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본 논문에서는 무인항공기 비행제어 소프트웨어 개발에 있어 개발위험 감소 및 개발기간 단축을 위해 최근 다양한 분야에서 사용중인 모델기반 개발기법을 이용하여 OFP를 설계하였다. 또한 Simulink 내부의 Model Advisor기능을 활용하여 DO-178C 지침항목에 대한 검사를 수행하였다. 설계된 Simulink 비행제어 로직을 자동코드생성 기법을 이용하여 32비트 DSP 기반의 비행제어 시스템에 적용하였으며, 비행시험에 앞서 X-Plane 시뮬레이터를 이용하여 HILS 환경을 구축하고 다양한 기상 환경속에서 모의 비행시험을 수행함으로써 그 성능을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper shows the design of operational flight program(OFP) using model-based design(MBD) method which is used in various engineering fields to reduce time and flight risks for development. The verification of OFP for DO-178C guidelines carry out by a model advisor function of simulink. The flight control logic on simulink is converted into C-language by auto code generation tool from, then it is implemented on 32bit digital signal processor(DSP). The verifications of flight control algorithm on various weather conditions are performed by the HILS system with Flight simulator program, X-plane.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

또한, 프로그램 내부 Model Adviser를 사용하여 설계 모델의 DO-178C 지침항목에 대한 검사를 수행하였다.
본 논문에서는 MBD 기법으로 설계된 비행제어법칙을 자동코드생성 기법을 통해 OFP를 작성하고, 비행제어시스템에 탑재하였다. 그리고 비행성능을 평가하기 위하여, 실제 비행시험 이전에 위험을 줄이고자 모의 비행시험을 수행하여 운용 로직 및 알고리즘에 대한 성능을 평가한다. 모의 비행시험은 상용 비행 시뮬레이션 프로그램인 X-Plane과 MATLAB/Simulink를 이용하여 환경을 구성하고, 비행성능을 검증한다.
또한 다양한 기상환경 속에서의 비행제어 알고리즘의 성능을 검증하기 위하여, X-plane의 기 상환경에 대해 난수를 적용하여 10회 모의비행시험을 하였고, 이에 따른 중첩된 비행궤적은 Fig. 9와 같다.
이에 활주로 주변의 4개의 고정점을 목표점으로 설정하여, 8자 비행을 수행하되, 기상환 경에 대한 설정을 달리하며 모의비행 시험을 수행하였다. 또한 비행성능을 높이기 위하여, 직선 비행시 속도벡터를 기반으로 하여 시뮬레이션을 수행하고 결과를 비교하였다.
이에 본 논문에서는 모델기반 개발기법과 자동코드생성 기법을 이용하여 무인항공기용 OFP를 설계 및 작성하였다. 또한, 실제 비행시험에 앞서 비행시험 리스크를 줄이기 위하여 상용 시뮬레이션 프로그램 X-Plane을 이용하여 외란을 가지는 기상 조건하에 모의 비행시험을 수행하여 비행알고리즘 및 제어로직에 대해 사전 검증을 수행하였다.
그리고 비행성능을 평가하기 위하여, 실제 비행시험 이전에 위험을 줄이고자 모의 비행시험을 수행하여 운용 로직 및 알고리즘에 대한 성능을 평가한다. 모의 비행시험은 상용 비행 시뮬레이션 프로그램인 X-Plane과 MATLAB/Simulink를 이용하여 환경을 구성하고, 비행성능을 검증한다.
X-Plane은 미연방항공국(FAA) 으로부터 다양한 기종에 대해 인증을 받은 정교하고 사실성 높은 비행 시뮬레이션 프로그램으로, 다양한 비행체의 동역학 모델을 포함하고, 현 실적인 물리적 법칙이 적용되어 있어 무인항공기의 모의 비행시험에 널리 사용되고 있다[6]. 본 논몬에서는 X-Plane 프로그램을 이용하여 비행체의 정보를 비행제어시스템으로 전달하고, 비행제어시스템에서 출력되는 아날로그 제어값을 다시 변환하여 X-Plane으로 전달하도록 하였다. 이러한 구성은 모의비행 시험결과 이후 실제 비행시험 상황에서 추가적인 코드 수정없이 데이터 변환 보드를 센서 부품들로 교체하여 바로 비행시험 수행을 가능케 한다.
본 논문에서는 MBD 기법으로 설계된 비행제어법칙을 자동코드생성 기법을 통해 OFP를 작성하고, 비행제어시스템에 탑재하였다. 그리고 비행성능을 평가하기 위하여, 실제 비행시험 이전에 위험을 줄이고자 모의 비행시험을 수행하여 운용 로직 및 알고리즘에 대한 성능을 평가한다.
본 논문에서는 이러한 모델기반 개발기법을 지원하는 툴 중 널리 사용되는 Matlab/Simulink를 사용하여 무인항공기용 자동비행제어 프로그램을 작성하였다. 자동비행제어 프로그램은 주기적인 제어를 수행하기 위해 Timer기반 인터럽트 이벤트에서 외부루프 및 내부 자세안정화 루프의 제어를 수행하고, 각각의 센서 데이터들은 수신 인터럽트 이벤트에 의해 내부루프와는 별도로 수신 및 갱신한다.
이러한 자동코드생성 기법의 경우, 모델 형태로 구현된 제어법칙을 기능적인 검증만을 수행 후 탑재 소프트웨어에 반영할 수 있지만, 모델과 자동생성코드와의 일치성 및 소스코드 커버리지에 대한 검증에 대해서는 자체적인 검증이 필요하다[5]. 본 논문에서는 자동생성된 코드를 이용하여 모의 비행시험으로 로직 및 비행성능을 검증하기 때문에, 커버리지 및 일치성 검증을 따로 수행하지 않고, 모의 비행시험 결과로 대체한다.
무인항공기의 OFP가 보다 다양하고 복잡해짐에 따라 개발 효율을 높이고 고신뢰도를 가지 면서 협업이 가능한 개발 기법 및 검증 방법에 대해 많은 연구가 많이 진행되고 있다. 이에 본 논문에서는 모델기반 개발기법과 자동코드생성 기법을 이용하여 무인항공기용 OFP를 설계 및 작성하였다. 또한, 실제 비행시험에 앞서 비행시험 리스크를 줄이기 위하여 상용 시뮬레이션 프로그램 X-Plane을 이용하여 외란을 가지는 기상 조건하에 모의 비행시험을 수행하여 비행알고리즘 및 제어로직에 대해 사전 검증을 수행하였다.
X-Plane를 이용한 비행 시뮬레이션은 바람, 난류등의 기상환경에 대한 모사가 가능하다는 장점이 있다. 이에 활주로 주변의 4개의 고정점을 목표점으로 설정하여, 8자 비행을 수행하되, 기상환 경에 대한 설정을 달리하며 모의비행 시험을 수행하였다. 또한 비행성능을 높이기 위하여, 직선 비행시 속도벡터를 기반으로 하여 시뮬레이션을 수행하고 결과를 비교하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용한 자동비행제어 시스템은 TI사의 Floating-Point Unit을 탑재한 TMS320F 28335 32Bit 마이크로프로세서를 사용하였고, 이미 다양한 무인시스템 분야에서 사용되어 성능이 입증되었다. 또한 Matlab/Simulink에서 Auto Code Generation Tool을 지원하므로 설계된 모델을 C코드로 변환 및 출력파일을 생성하게 되고, 이는 DSP 전용 프로그램 도구인 CCS (5.

이론/모형

모의비행의 경우, 상용 비행 시뮬레이션 소프트웨어와 비행제어시스템을 연동하여 비행시험를 수행한다. 본 연구에서는 미국 Laminar Research 사에서 개발한 X-Plane을 사용하여 모의비행 시험을 수행하였다. X-Plane은 미연방항공국(FAA) 으로부터 다양한 기종에 대해 인증을 받은 정교하고 사실성 높은 비행 시뮬레이션 프로그램으로, 다양한 비행체의 동역학 모델을 포함하고, 현 실적인 물리적 법칙이 적용되어 있어 무인항공기의 모의 비행시험에 널리 사용되고 있다[6].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모의비행은 어떻게 비행시험을 수행하는가?	모의비행의 경우, 상용 비행 시뮬레이션 소프트웨어와 비행제어시스템을 연동하여 비행시험를 수행한다. 본 연구에서는 미국 Laminar Research 사에서 개발한 X-Plane을 사용하여 모의비행 시험을 수행하였다.
	자동코드생성 기법을 이용하면 어떤 이점을 얻을 수 있는가?	특히, 모델 기반 설계 기법(MBD)은 설계와 동시에 시뮬레이션 기능을 통하여 설계된 제어법칙의 요구기능 만족여부를 확인하므로 기존의 개발방식에 비하여 시간절약이 가능하기에 이미 다양한 분야에서 연구되어졌다[1]. 또한, 자동코드생성 기법을 이용하여 탑재프로그램에 적합한 형태로 제공 가능하므로 개발 위험을 줄일 수 있다. 이는 Lockheed Martin사의 JSF 비행제어 시스템 개발 과정에서도 사용될 만큼 신뢰도를 입증 받았으나, 코드구현을 위한 모델(SBM : System Build Model)과 자동생성 코드사이의 검증 및 적합성 평가가 추가적으로 필요하며, 최근 국내 대학 및 연구소에서 다양한 연구를 통해 자동코드생성 기 법에 대한 신뢰도와 일치성에 대한 검증이 이루어졌다[2].

참고문헌 (6)

Tom Erkkinen, "Simulink Capabilities for Embedded Code Generation", The Mathworks, June 3, 2003
Seong-jun Ahn, Chong-sup Kim, In-je Cho and Jin-goo Heo, "A Development and Verification Process of Auto Generated Code for Fly-By-Wire Helicopter Control Law," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.41 No.6, 2013, pp.488-494

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Jungho Moon, Sungsik Shin, Seungkie Choi, Shinje Cho and Eunjung Rho, "Development of UAV Flight Control Software using Model-Based Development(MBD) Technology," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.38 No.12, 2011, pp.1217-1222
Youn Won-Keun, Yi Baeck-Jun, "Development Trend of Software Certification Technology for the Safety of Avionic System," Current Industrial and Technological Trends in Aerospace, Vol.11 No.2, 2013, pp.189-196

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Sangook Cho and Keeyoung Choi, "A Study on Validation of OFP for UAV using Auto Code Generation," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.37 No.4, 2009, pp.359-366

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Sangwoo Moon, Eun-Mi Oh, Dong-Il You, and David Hyunchul Shim, "Implementation of a X-Plane and MATLAB/Simulink based Simulation System for Multiple UAVs," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol.19 No.5, 2013, pp.442-449

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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