[논문]안정성증강 작동기를 이용한 Fly-By-Wire 헬리콥터 제어법칙 설계에 대한 연구

김응태; 최인호

doi:10.12985/ksaa.2015.23.1.067

안정성증강 작동기를 이용한 Fly-By-Wire 헬리콥터 제어법칙 설계에 대한 연구
A Study on Fly-By-Wire Helicopter Control Law Design using SAS Actuators 원문보기

한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, v.23 no.1, 2015년, pp.67 - 73

김응태 (한국항공우주연구원 항공제어전자팀) , 최인호 (한국항공우주연구원 항공제어전자팀)

Abstract ▼ AI-Helper

The previous limited authority system capable of implementing attitude command response type and translational command response type by operating SAS actuator has the problem of early saturation of SAS actuator since SAS actuator should compensate the mechanical linkage displacement caused by control sick movement. In this paper, a limited authority system where flight control computer receives the command from the control stick which is not connected to the mechanical linkage is described. In this system the compensation by the SAS actuator is not necessary and SAS actuator saturate later. SAS actuator saturation problem can be further relaxed by using the trim actuator. This new limited authority system is applied to BO-105 model, simulation is performed for the doublet input and pirouette maneuver is also simulated and analyzed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 기존의 한정된 권한 시스템과는 달리 기계식 링키지에 연결되지 않은 조종간으로부터 비행조종컴퓨터가 조종명령을 받음으로써 SAS 작동기가 조종간 변위에 의한 기계식 링키지 변위를 상쇄시킬 필요가 없어 포화가 늦게 발생되는 시스템에 대하여 기술하였고 헬리콥터 운동모델에 적용한 시뮬레이션을 통하여 제어시스템 성능을 분석하였다.

가설 설정

사이클릭 조종간 총 변위를 2인치로 가정하였고, 조종간 변위에 대한 자세각 명령 크기를 결정하는 조종간 명령 민감도는 피치각 명령의 경우 22.5도/인치, 롤각 명령의 경우 60도/인치로 가정하였다. 피치 및 롤 명령 모델의 댐핑계수는 ζ=0.

제안 방법

헬리콥터의 조종성은 비행시험을 통하여 입증이 되는 데, ADS-33E 에서는 임무 수행을 통하여 조종성을 확인할 수 있는 기동들로서 MTE(Mission Task Elements)를 정의하고 있다. ADS-33E 에서 요구하는 MTE 는 시야 상태와 헬리콥터 분류에 따라 다른 데, Utility 급 헬리콥터가 GVE(Good Visual Envirionment) 조건에서, 즉 괘청한 날씨 주간에 비행하는 경우에는 호버, 착륙, 호버링선회, Pirouette, 수직기동, Slalom 등 13개의 기동에 대한 요구조건을 제시한다. 여기에서는 그 중 Pirouette 기동에 대한 시뮬레이션 결과를 분석하였다.
기존의 한정된 권한시스템과의 비교 분석을 위해서 참고문헌[5]에서 시뮬레이션 분석에 사용된 동일한 BO-105 헬리콥터의 호버 조건에서 15% 권한을 가지는 SAS 작동기를 사용하여 제어기를 설계하였으며, Fig 3의 사이클릭 조종명령에 대한 헬리콥터 반응을 분석하였다.
이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 한정된 권한 제어시스템에 적용된[5] 오토트림을 이 시스템에도 적용할 수 있다. 본 논문에서는 Fig 2와 같이 작동기 변위가 정해진 값 이상으로 커지면, 기계식 링키지에 연결된 트림 작동기가 작동하여 SAS 작동기 변위를 줄일 수 있도록 설계하였다.
본 논문에서는 조종간 명령을 받는 비행조종 컴퓨터가 SAS 작동기를 구동하되 조종간 명령이 기계식 링키지를 통하여 주 작동기로 전달되지 않는 시스템이 고려되었으며 Fig 1에서 빗금친 박스 내부의 기계식 링키지와 기계식 링키지 변위 상쇄 명령을 제거한 구조를 갖는다. FBW 시스템처럼 기계식 링키지를 사용하지 않으며 FBW 용 주 작동기 대신 SAS 작동기를 사용하므로 이 시스템을 SAS 작동기 기반 FBW 시스템이라고 할 수 있는 데 SAS 작동기가 기계식 링키지에 의한 변위를 상쇄할 필요가 없기 때문에 기존의 한정된 권한 시스템에 비해 SAS 작동기 포화가 훨씬 늦게 일어나는 장점을 갖는다.
본 논문에서는 헬리콥터의 기계식 자동비행제어시스템에 사용되는 SAS 작동기를 이용하여 FBW 헬리콥터 제어법칙을 구현하는 시스템으로서 기계식 링키지에 연결되지 않은 조종간으로 조종하는 경우와 오토트림을 위해 기계식 링키지에 연결된 트림 작동기를 사용하는 시스템에 대해서 기술하고 시뮬레이션을 통하여 기존의 한정된 권한 시스템과 비교하였다.
ADS-33E 에서 요구하는 MTE 는 시야 상태와 헬리콥터 분류에 따라 다른 데, Utility 급 헬리콥터가 GVE(Good Visual Envirionment) 조건에서, 즉 괘청한 날씨 주간에 비행하는 경우에는 호버, 착륙, 호버링선회, Pirouette, 수직기동, Slalom 등 13개의 기동에 대한 요구조건을 제시한다. 여기에서는 그 중 Pirouette 기동에 대한 시뮬레이션 결과를 분석하였다. Pirouette 기동은 호버 조건에서 반경 100ft의 원둘레를 따라 비행하되 헬리콥터의 기수가 항상 원 중심을 향하도록 하는 기동으로서 Table 1에 ADS-33E 에 명시된 바람직한 성능을 명시하였다.
2knot를 유지해야 하며, 헬리콥터 기수가 항상 원 중심을 향하도록 하기 위해서는 요 각속도가 8 deg/sec이어야 한다. 조종사에 의해 Pirouette 기동이 수행되어야 하지만, 본 연구에서는 조종사에 의한 조종 환경이 구축되지 않았기 때문에, 대신 요구되는 요각속도 명령과 횡방향 지상속도 명령을 이용하였으며 고도를 유지하도록 고도 제어기를 이용하여 Pirouetter 기동을 구현하였다.

이론/모형

5를 사용하였다. 되먹임 제어기 내의 PID 제어 이득은 ADS-33E의 조종성 규격을 기반으로 하는 설계 자동화 프로그램인 CONDUIT[6]을 이용하여 계산하였다.
따라서 SAS 작동기 기반 FBW 시스템에서는 SAS 작동기가 포화상태에 다다르지 않도록 하거나, 포화상태를 유지하는 시간을 최소화하는 것이 요구된다. 이를 위하여 기존의 한정된 권한시스템 성능 향상에 사용된 오토트림 시스템[5]을 도입하였다.

성능/효과

BO-105 호버조건에 대하여 시뮬레이션을 수행한 결과 기존의 한정된 권한 시스템은 조종명령 크기가 조종간 전체 작동 범위의 15% 만 되어도 SAS 작동기가 포화되었으나, 기계식 링키지에 연결되지 않은 조종간으로 조종하는 새로 제안된 시스템은 30% 크기의 조종명령에서도 자세명령 추정 성능이 양호하였고 40% 보다 큰 조종명령에서는 SAS 작동기가 포화되어 헬리콥터 조종이 불가능하였다. 오토 트림 기능을 추가한 경우에는 조종명령 크기가 80%인 경우에도 SAS 작동기 포화가 짧은 구간에서만 포화가 발생하고 자세 명령 추정 성능이 양호한 것이 확인되었다.
Pirouette 기동 시 SAS 작동기의 작동 변위는 포화 변위보다 훨씬 작은 것이 확인되었고, 그 결과 오토트림 도움 없이 Pirouette 기동을 완벽하게 구현하였다. 추후 연구에서는 다른 MTE 기동을 수행하는 경우에도 SAS 작동기 변위 크기를 확인하는 것이 필요하며 조종사가 수동으로 조종한 결과가 분석되어야 할 것이다.
SAS 작동기 기반 FBW 제어시스템이 기존의 한정된 권한 제어시스템보다 SAS 작동기 포화가 늦게 발생하며, 오토트림으로 SAS 작동기 포화 문제를 해결할 수 있으므로 기존 기계식 조종계통 기반 헬리콥터에 장착되어 있는 자동비행제어시스템을 이용함으로써 별도의 큰 개조나 어려움없이 Full Authority FBW 헬리콥터 수준의 조종성을 구현할 수 있다. 그러나 3중화로 구성된 Full Authority FBW 시스템과는 달리 일반 헬리콥터의 자동비행제어시스템은 2중화로 구성되어 있고 특히 트림 작동기는 단일화되어 있지 않으므로 비행 중 고장 발생을 대비하기 위하여 하나의 조종간은 기계식 링키지에 연결시켜 비상시 수동으로 조종할 수 있도록 하는 것이 요구된다.
BO-105 호버조건에 대하여 시뮬레이션을 수행한 결과 기존의 한정된 권한 시스템은 조종명령 크기가 조종간 전체 작동 범위의 15% 만 되어도 SAS 작동기가 포화되었으나, 기계식 링키지에 연결되지 않은 조종간으로 조종하는 새로 제안된 시스템은 30% 크기의 조종명령에서도 자세명령 추정 성능이 양호하였고 40% 보다 큰 조종명령에서는 SAS 작동기가 포화되어 헬리콥터 조종이 불가능하였다. 오토 트림 기능을 추가한 경우에는 조종명령 크기가 80%인 경우에도 SAS 작동기 포화가 짧은 구간에서만 포화가 발생하고 자세 명령 추정 성능이 양호한 것이 확인되었다. 시속 40km 의 전진비행 조건에서는 Hover 조건에 비행 작동기 포화가 더 늦게 발생되었다.
11에 나타내었다. 요 각속도와 y축 방향 지상 속도가 요구되는 값을 거의 일정하게 유지하는 것이 확인되었다.
위 결과로부터 오토트림을 사용하지 않는 SAS 작동기 기반 FBW 시스템은 호버 조건에서 보다 전진비행에서 SAS 작동기 포화가 늦게 일어나 자세각 명령 반응 성능이 더 우수하며, 오토트림을 사용하는 경우에는 호버 조건과 전진비행 조건에서 유사한 성능을 보여주는 것을 확인하였다.
시속 40km의 저속 비행조건에서 조종간 입력 크기가 10%, 30%, 50%인 경우에 대해 SAS 작동기 기반 FBW 시스템에 대한 롤 및 피치각 반응을 Fig 9에 나타내었다. 호버 조건 결과인 Fig. 5와 비교하면 호버 조건에서 조종명령 크기가 30% 인 경우에 비해 전진비행조건에서 조종명령 크기가 50% 로 더 큼에도 불구하고 피치와 롤 반응이 조종명령을 더 잘 따르는 것을 볼 수 있다.

후속연구

Pirouette 기동 시 SAS 작동기의 작동 변위는 포화 변위보다 훨씬 작은 것이 확인되었고, 그 결과 오토트림 도움 없이 Pirouette 기동을 완벽하게 구현하였다. 추후 연구에서는 다른 MTE 기동을 수행하는 경우에도 SAS 작동기 변위 크기를 확인하는 것이 필요하며 조종사가 수동으로 조종한 결과가 분석되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	변화율명령(RC: Rate Command) 타입의 조종시스템의 단점은?	헬리콥터 조종사가 사이클릭 조종간을 움직이면 기계식 링키지를 통하여 로터 블레이드 피치각이 변하고 조종간에 가하는 조종명령 크기에 따라 롤 및 피치 자세변화율이 변하게 되며, 콜렉티브 명령에 따라 히브(Heave) 변화율이, 페달명령에 따라서는 요각속도가 변하게 된다. 이러한 변화율명령(RC: Rate Command) 타입의 조종시스템은 시야가 좋지 않으면 조종이 어렵기 때문에 어둡거나 모래 바람에 의하여 시야를 방해받는 사막 비행 중에 사고 발생 우려가 높다.
	전자식비행제어(FBW: Fly-By-Wire) 헬리콥터는 조종간 조작에 따라 무엇을 만족시킬 수 있는가?	전자식비행제어(FBW: Fly-By-Wire) 헬리콥터는 기계식 링키지 없이 비행조종컴퓨터가 조종간 명령 데이터를 읽어들이고 FBW용 주작동기를 직접 제어함으로써 조종성을 향상시킬 수 있다. FBW 헬리콥터는 조종간 조작에 따라 롤 또는 피치 자세각이 변하는 자세명령(AC: Attitude Command) 반응 타입이나 지상속도가 변하는 지상속도명령(TRC: Translational Rate Command) 반응 타입을 구현하여 조종성을 향상시킴으로써 헬리콥터 국제조종규격인 ADS-33E[1]에서 요구하는 Level 1를 만족할 수 있다[2].
	히브(Heave) 변화율은 무엇에 따라 변하는가?	헬리콥터 조종사가 사이클릭 조종간을 움직이면 기계식 링키지를 통하여 로터 블레이드 피치각이 변하고 조종간에 가하는 조종명령 크기에 따라 롤 및 피치 자세변화율이 변하게 되며, 콜렉티브 명령에 따라 히브(Heave) 변화율이, 페달명령에 따라서는 요각속도가 변하게 된다. 이러한 변화율명령(RC: Rate Command) 타입의 조종시스템은 시야가 좋지 않으면 조종이 어렵기 때문에 어둡거나 모래 바람에 의하여 시야를 방해받는 사막 비행 중에 사고 발생 우려가 높다.

참고문헌 (6)

Aeronautical Design Standard Performance Specification Handling Qualities Requirements for Military Rotorcraft, United States Army Aviation and Missile Command, Aviation Engineering Directorate, Redstone Arsenal, Alabama, Mar. 21, 2000.
김응태, 유혁, 이장호, 이석천, 강영신, "헬리콥터 Fly-By-Wire 시스템 비행제어특성 및 자동제어기 구조", 한국항공우주학회 추계학술대회 논문집, Nov. 2011.
J. W. Harding, S. J. Moody, G. J. Jeram, M. H. Mansur and M. B. Tischler, "Development of Modern Control Laws for the AH-64D in Hover/Low Speed Flight", American Helicopter Society 62nd Annual Forum, Phoenix, Arizona, May 9-11, 2006.
김응태, 최인호, 이장호, 이석천, 강영신, 현정욱, "기계식 자동비행제어시스템을 이용한 헬리콥터 자세명령반응타입 제어법칙 설계" 한국항공우주학회 추계학술대회 논문집, Nov. 2012.
김응태, 최인호, 현정욱, "안정성증강 작동기와 트림 작동기를 이용한 헬리콥터 자세명령반응타입 제어시스템 설계", 한국항공운학학회지, 제21권 4호, Dec. 2013.
M.B. Tischler, et. al., "CONDUIT - A New Multidisciplinary Integration Environ ment for Flight Control Development," NASA TM 112203, USAATCOM TR 97-A-009, 1999.

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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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