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문제 정의
- 본 논문에서는 비행로봇 개발을 위한 비행체의 설계, 제작 및 시험 과정을 설명하고 덕트의 추력과 자세 안정성 등 성능 향상에 적용한 기술의 결과를 정리한다. 덕티드-프롭 형상의 비행로봇 성능 개선을 위해 메인프롭 링키지 변경에 의한 롤축 안정성 영향, 작동기 변경에 따른 자세제어 성능, 측풍에 대한 덕트 유, 무 상태의 영향 및 조종면 영향을 확인할 수 있는 안전줄 시험 결과를 제시하였다.
- 외국에서 덕트형 무인기는 주로 군용으로 개발되었으며, 우리나라에서는 2012년 6월부터 산업통상자원부 로봇산업융합핵심기술개발사업의 지원을 받아 수직이착륙 비행로봇 시스템 개발이 시작되었다. 이동 가능한 도킹 스테이션을 기반으로 수직이착륙과 이동의 유연성을 갖추도록 개발되고 있으며 협소한 공간에서 운용의 안전성을 제공하면서 고속 비행이 가능한 소형 무인기를 목표로 한다. 20 kg급 틸트-덕트 수직이착륙 비행로봇(이하‘비행로봇’)은 1.
제안 방법
- 운동 모델 소프트웨어는 Matlab/Simulink를 이용하여 구성되었다(Fig 19). HILS 시험으로 비행 및 임무제어 소프트웨어의 조종간 모드, 롤/헤딩/속도/고도 유지 모드로 구성된 자동노브 모드, 자동 호버(정밀 위치 유지) 모드를 검증하였다. 속도/고도 유지 모드 HILS 시험 결과 속도를 호버 상태에서 20 kph씩 180 kph까지 증속 시키면서 고도 100 m를 유지하도록 명령을 인가 하였고(Fig.
- 추력은 비행체에 120 deg/sec2의 회전 가속도를 발생시킬 수 있다. 그러나 무게중심 옵셋에 의한 필요 추력은 회전익 정점 모드에 해당되는 것으로서 천이 비행의 트림을 위해 최대 1.5 kgf 이상의 추력이 발생되도록 설계하였으며 이때 약 250 W의 파워가 필요하여 테일프롭의 회전수는 8,000 rpm으로 설정하였다. 천이시 비행체 트림을 위한 후방프롭의 콜렉티브 피치, 요구 파워를 Table 2와 같이 제시하였다.
- 본 논문에서는 비행로봇 개발을 위한 비행체의 설계, 제작 및 시험 과정을 설명하고 덕트의 추력과 자세 안정성 등 성능 향상에 적용한 기술의 결과를 정리한다. 덕티드-프롭 형상의 비행로봇 성능 개선을 위해 메인프롭 링키지 변경에 의한 롤축 안정성 영향, 작동기 변경에 따른 자세제어 성능, 측풍에 대한 덕트 유, 무 상태의 영향 및 조종면 영향을 확인할 수 있는 안전줄 시험 결과를 제시하였다.
- 시뮬레이션과 안전줄 시험에서는 비행 시험에서 발생할 수 있는 시스템의 취약 부분, 공기적학적인 문제 및 동력계통의 문제점을 미리 파악하여 재설계를 할 수 있도록 자료를 정리하였다. 덕티드프롭 형상의 비행체 개발에서 성능 개선을 위한 주요 요소인 메인프롭 링키지, 작동기, 덕트 및 조종면의 성능에 대해 안전줄 시험으로 결과를 제시하였다.
- 5). 동력전달 계통의 효율성을 위해 중앙 밸트드라이브 방식을 적용하였고 엔진의 회전방향과 밸트드라이브의 회전방향을 일치시키기 위하여 엔진은 횡방향으로 장착된다. 엔진의 동력이 덕트를 관통하는 드라이브 샤프트를 통해 덕트의 파일런 기어박스(PGB)를 구동시킨다.
- 8). 모니터링과 동시에 외부 조종기 명령을 통해 엔진 스로틀과 메인프롭 조종을 미세하세 조절해가며 메인프롭 회전수 4,300 rpm에서 최대정지추력이 발생하는 엔진 스로틀과 메인프롭 콜렉티브 피치 관계를 설정하였다. 메인 프롭 회전수 4,300 rpm에서 최대 콜렉티브 값은 약 17.
- 두 개의 덕티드-프롭 형상인 비행로봇에서 모멘텀 항력은 Y축 베인의 변위를 통해 제어가 가능하고 피칭 모멘트는 테일 프롭에서 발생하는 추력을 이용하여 제어하게 된다. 모멘텀 항력은 Y축 베인 이외에도 자세 숙임과 덕트의 틸트를 이용할 수 있으나 덕트에서 발생하는 피칭 모멘트는 후방 프롭으로만 제어가 가능하기 때문에 덕트가 장착된 형상과 미장착된 형상에 대해 안전줄을 이용하여 자세제어 성능을 확인하였다. 덕트가 장착된 시험에서는 외란이미미한 조건에서 피치 각이 2 deg이내로 안정적인 조종이 가능하며 후방프롭 RPM도 거버너에 의해 2% 정도의 오차를 유지한다(Fig.
- 덕트는 약 9 %의 추가 추력(2 kg)을 발생하였다. 비행로봇의 주요 운용은 덕트가 틸트되는 고정익 형태이기 때문에 비행체 설계시 덕트의 형상을 고정익 모드에서 항력이 최소가 되도록 최적화하였다. 따라서 덕트의 회전익 모드에서 추력 증가 비율이 낮은 단점을 갖는다.
- 설계된 형상의 메인프롭 회전수 및 운용 콜렉티브 피치는 Fig. 2와 같이 총중량 23 kg에 대해 메인프롭의 회전수를 변화시켜가면서 필요마력이 최소가 되는 점을 설정하였다. 추력 23 kgf을 발생시키기 위해 메인프롭 회전수 4,300 rpm에서 5.
- 설계된 결과는 시험을 통해 유사한 성능임을 검증하였다. 시뮬레이션과 안전줄 시험에서는 비행 시험에서 발생할 수 있는 시스템의 취약 부분, 공기적학적인 문제 및 동력계통의 문제점을 미리 파악하여 재설계를 할 수 있도록 자료를 정리하였다. 덕티드프롭 형상의 비행체 개발에서 성능 개선을 위한 주요 요소인 메인프롭 링키지, 작동기, 덕트 및 조종면의 성능에 대해 안전줄 시험으로 결과를 제시하였다.
- 이를 위해 도르래의 반대편에 300 g의 무게추를 달아 줄을 당기지만 비행체에는 영향을 주지 않도록 구성된다. 안전줄 시험에서는 메인프롭 링키지 변경에 의한 롤축 안정성 영향, 메인프롭 작동기 설정 변경에 따른 자세제어 성능, 외풍에 대한 덕트 유, 무의 영향 및 Y축 베인 형상 변경의 시험이 이루어졌다.
- 비행로봇의 전산유동해석에서는 5 m/s의 외란에 대하여 모멘텀 항력의 증가와 노즈-업 피칭 모멘트가 발생하여 호버에 어려움이 발생할 것으로 예측된다. 외란에 대한 비행체의 회전익 모드 특성을 확인하기 위해 외부 바람의 영향이 없는 건물 내에서 안전줄 시험을 통해 자세제어 성능을 확인한 후 외란의 영향이 있는 실외에서 시험이 진행되었다. 실내시험 결과는 예상대로롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 자세 제어가 안정적이었다.
- 동체 형상은 중앙에 가솔린 엔진과 연료를 채울 수 있는 공간을 확보하였고 메인프롭(Main Prop)의 직경은 560 mm, 동체 길이 1500 mm로 설계되었다. 착륙장치는 도킹스테이션과의 이, 착륙을 고려하여 스키드 형태로 설계하였다. 동체 중앙부에는 엔진의 흡입 및 냉각을 위한 양측의 흡입구(Bifurcated Intake) 형상으로 설계하였으며 고정익 모드인 틸트 0°에서 덕트의 하면과 지면 사이의 간격이 10 mm이상 확보된다.
- 비행로봇의 지상시험에서 최대정지추력은 23 kgf 이지만 비행에서는 덕트 활용의 주요 목적인 추력의 추가 생성이 예상된다. 최대이륙중량 조건에서의 이륙과 임무장비 탑재를 고려하여 균형추와 촬영용 카메라를 탑재한 후 안전줄 시험을 중량별로 단계적으로 수행하였다. 균형추 1.
대상 데이터
- 기체구조는 카본 복합재와 발사를 이용하여 제작되었으며, 중앙 밸트드라이브 및 파일런 기어박스를 포함하는 동력계통은 알미늄 가공품으로 조립되었다. Table 3과 같이 연료를 제외한 비행체 총 중량 중 동력계통이 차지하는 비중은 약 50% 정도이다.
- 비행로봇은 추력과 양력을 담당하는 두 개의 덕티드-프롭, 동체, 테일프롭 그리고 수평 및 수직미익으로 구성된다. 동체 형상은 중앙에 가솔린 엔진과 연료를 채울 수 있는 공간을 확보하였고 메인프롭(Main Prop)의 직경은 560 mm, 동체 길이 1500 mm로 설계되었다. 착륙장치는 도킹스테이션과의 이, 착륙을 고려하여 스키드 형태로 설계하였다.
- 드라이브장치의 주요 요소는 주 구동축, 엔진, 주 구동축을 연결해주는 밸트드라이브, 양쪽 덕티드-프롭 내부의 기어박스, 메인프롭 구동축 및 틸트 전환 장치로 구성된다(Fig. 5). 동력전달 계통의 효율성을 위해 중앙 밸트드라이브 방식을 적용하였고 엔진의 회전방향과 밸트드라이브의 회전방향을 일치시키기 위하여 엔진은 횡방향으로 장착된다.
데이터처리
- 20 kg급 틸트-덕트 수직이착륙 비행로봇의 설계와 제작을 통해 호버 시험을 수행하고 성능해석 결과와 비교하였다. 설계된 결과는 시험을 통해 유사한 성능임을 검증하였다.
이론/모형
- 비행로봇은 메인프롭의 일정한 회전속도를 유지하기 위해 로터 거버닝 기술을 이용한다. 수직이착륙과 비행을 담당하는 두 개의 덕티드-프롭을 제어하는 메인프롭의 거버너를 설계하기 위한 기본 데이터는 엔진 스로틀과 메인프롭의 콜렉티브 피치간의 설정이 최대정지추력 조건에서 결정된다.
- 운동 모델 소프트웨어는 Matlab/Simulink를 이용하여 구성되었다(Fig 19). HILS 시험으로 비행 및 임무제어 소프트웨어의 조종간 모드, 롤/헤딩/속도/고도 유지 모드로 구성된 자동노브 모드, 자동 호버(정밀 위치 유지) 모드를 검증하였다.
성능/효과
- 이는 덕트가 있을 때 1 m/s 내외의 풍속 결과와 유사한 수준으로 덕트가 없거나 면적이 줄어들 경우 피치축 제어에 요구되는 후방 프롭의 조종력은 더 작아지도록 할 수 있음을 예상할 수 있고 결국 배터리 사용 시간을 늘려 체공시간 증가에 도움이 된다. 다만 덕트의 면적이 줄어들 경우 회전익 비행에서 수직방향의 추력 감소가 예상되며 고정익 비행을 위한 양력 감소는 Y축 베인의 면적을 늘려 보상해 주도록 베인의 면적을 100% 증가하였다. Y-베인 면적의 증가는 고정익 모드에서 양력 증가와 회전익 모드에서 전진 방향으로의 추진력 증가의 장점과 함께 피치-업 모멘트를 증가시켜 후방프롭의 조종력을 반감시키는 단점이 있다.
- 그러나 풍속 3 m/s이상에서는 바람에 밀리면서 안전줄 길이를 벗어나는 지점부터는 줄이 당기는 효과로 인해 과도한 피치-업 결과를 나타내 추가적인 시험은 불가능하다. 덕트를 제거한 후 5~6 m/s의 풍속조건에서의 안전줄 시험 결과(Fig. 18) 피치 각 5 deg정도에서 정점 유지가 가능하고 이때 후방프롭 피치 각은 20 deg정도이다. 이는 덕트가 있을 때 1 m/s 내외의 풍속 결과와 유사한 수준으로 덕트가 없거나 면적이 줄어들 경우 피치축 제어에 요구되는 후방 프롭의 조종력은 더 작아지도록 할 수 있음을 예상할 수 있고 결국 배터리 사용 시간을 늘려 체공시간 증가에 도움이 된다.
- 원인은 ‘작동기-링키지-메인프롭’ 간의 기구적인 제작이 조종 명령의 작은 변화에 메인프롭이 정밀하게 반응하지 못하기 때문으로 링키지 길이를 30% 증가시켜 작동기의 움직임 영역을 2 배로 향상시켰다. 링키지 개선 전에는 롤 축 각속도가 20 deg/s에 근접하고 있지만(Fig. 12) 개선 후의 안전줄 시험 결과에서는 롤 축의 각속도가 10 deg/s 이내로 2 배 수준으로 개선되었음을 확인할 수 있다(Fig. 13). 비행로봇에 장착된 작동기는 선형작동기를 채택하고 있으며 운용 범위에서 메인프롭의 콜렉티브 피치를 무부하 상태로 ±3% 가진했을 때 작동기 반응이 3 dB 줄어드는 주기는 4 Hz 이상이다.
- 비행로봇은 중앙동체의 지지부에 안전줄을 연결하여 시험을 수행할 수 있도록 제작되어 있다. 비행체가 줄에 매달린 상태로 제한된 반경 안에서 비행제어 시스템의 안정성과 비행체 구성품의 성능 확인이 가능하다. 안전줄의 작동 요구조건은 비행로봇이 수직이착륙 할 때 안전줄이 메인프롭으로 빨려 들어가지 않도록 수직으로 움직여야 한다.
- 20 kg급 틸트-덕트 수직이착륙 비행로봇의 설계와 제작을 통해 호버 시험을 수행하고 성능해석 결과와 비교하였다. 설계된 결과는 시험을 통해 유사한 성능임을 검증하였다. 시뮬레이션과 안전줄 시험에서는 비행 시험에서 발생할 수 있는 시스템의 취약 부분, 공기적학적인 문제 및 동력계통의 문제점을 미리 파악하여 재설계를 할 수 있도록 자료를 정리하였다.
- HILS 시험으로 비행 및 임무제어 소프트웨어의 조종간 모드, 롤/헤딩/속도/고도 유지 모드로 구성된 자동노브 모드, 자동 호버(정밀 위치 유지) 모드를 검증하였다. 속도/고도 유지 모드 HILS 시험 결과 속도를 호버 상태에서 20 kph씩 180 kph까지 증속 시키면서 고도 100 m를 유지하도록 명령을 인가 하였고(Fig. 20) 속도 180 kph 구간에서 수렴 시간이 30 초 정도로 과도하게 긴 것 이외에는 전구간에서 고도 오차는 20 m 이내로, 속도 오차는 3~5 kph 이내로 유지되었다.
- 외란에 대한 비행체의 회전익 모드 특성을 확인하기 위해 외부 바람의 영향이 없는 건물 내에서 안전줄 시험을 통해 자세제어 성능을 확인한 후 외란의 영향이 있는 실외에서 시험이 진행되었다. 실내시험 결과는 예상대로롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 자세 제어가 안정적이었다. 풍속 2 m/s의 실외 시험에서 롤 자세는 5 deg이내에서 안정적으로 자세를 유지하지만(Fig.
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