비인과, 객체지향적 언어 모델리카를 이용한 멀티콥터형 드론의 통합 비행 시뮬레이션 프로그램 Integrated Flight Simulation Program for Multicopter Drones by Using Acausal and Object-Oriented Language Modelica원문보기
멀티콥터형 소형 드론의 통합 비행 시뮬레이션 프로그램을 개발한 내용을 소개한다. 드론의 강체 동역학, 프로펠러 추력, 배터리 에너지 변화, 자세 및 경로 제어, 대기 상태 등을 통합적으로 시뮬레이션 하여 비행경로에 따라 드론의 상태를 분석할 수 있다. 프로그램 개발을 위하여 모델리카 언어를 선정하였는데, 모델리카는 비인과적, 객체지향적 특성을 갖추고 있어서, 프로그램 개발의 효율을 높일 수 있다. 수평 수직 이동이 포함된 가상 임무에 대하여, 시뮬레이션 결과를 이용하여 드론의 동적 거동을 분석하였다.
멀티콥터형 소형 드론의 통합 비행 시뮬레이션 프로그램을 개발한 내용을 소개한다. 드론의 강체 동역학, 프로펠러 추력, 배터리 에너지 변화, 자세 및 경로 제어, 대기 상태 등을 통합적으로 시뮬레이션 하여 비행경로에 따라 드론의 상태를 분석할 수 있다. 프로그램 개발을 위하여 모델리카 언어를 선정하였는데, 모델리카는 비인과적, 객체지향적 특성을 갖추고 있어서, 프로그램 개발의 효율을 높일 수 있다. 수평 수직 이동이 포함된 가상 임무에 대하여, 시뮬레이션 결과를 이용하여 드론의 동적 거동을 분석하였다.
An integrated flight simulation program for multicopter drones is presented. The program includes rigid body dynamics, propeller thrust, battery energy, control, and air. Using this program, users can monitor and analyze the states of drones along flight trajectories. As a programming language, Mode...
An integrated flight simulation program for multicopter drones is presented. The program includes rigid body dynamics, propeller thrust, battery energy, control, and air. Using this program, users can monitor and analyze the states of drones along flight trajectories. As a programming language, Modelica has been chosen, that specializes in simulation program development. Modelica enables users to develop simulation programs efficiently due to acausal and object oriented properties. For missions including horizontal and vertical maneuvers, many dynamical states of drones have been analyzed with simulation results.
An integrated flight simulation program for multicopter drones is presented. The program includes rigid body dynamics, propeller thrust, battery energy, control, and air. Using this program, users can monitor and analyze the states of drones along flight trajectories. As a programming language, Modelica has been chosen, that specializes in simulation program development. Modelica enables users to develop simulation programs efficiently due to acausal and object oriented properties. For missions including horizontal and vertical maneuvers, many dynamical states of drones have been analyzed with simulation results.
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문제 정의
멀터콥터 형상의 소형 드론의 통합 비행 시뮬레이션 프로그램을 개발한 내용을 소개하였다.소형 드론의 강체 동역학, 공기역학, 프로펠러의 추력, 배터리의 저장 에너지 상태와 소모 등을 통합적으로 시뮬레이션 할 수 있다.
가설 설정
드론은 전체적으로는 강체 운동을 하는 것으로 가정한다. 강체 동역학식은 다음과 같다[12].
시뮬레이션 프로그램을 테스트하기 위한 목적으로, 간단한 PID 제어기를 설정하였다. 상태에 대한 정보는 센서를 통하여 모두 측정할 수 있다고 가정하였으며, 측정 노이즈는 제외하였다.
제안 방법
과도한 자세 기울기 명령이 발생하면 멀티콥터의 안정성에 영향을 줄 수 있기 때문에, 상하한(포화 함수)을 설정하였다.
시뮬레이션 프로그램을 테스트하기 위한 목적으로, 간단한 PID 제어기를 설정하였다. 상태에 대한 정보는 센서를 통하여 모두 측정할 수 있다고 가정하였으며, 측정 노이즈는 제외하였다.
그리고 다물체 동역학 기법과 같이 구성 부품을 모델링함으로써 다양한 전공의 개발담당자가 쉽게 이해할 수 있기 때문에, 시스템의 설계 단계에서 개발담당자간의 의사소통과 교차 점검을 위한 통합 시뮬레이션 소프트웨어 개발에 적합하다. 이러한 이유로 모델리카를 개발도구로 선정하였다.
저자는 멀티콥터 드론의 성능해석을 위한 통합 시뮬레이션 프로그램의 필요성을 파악하였고,적합한 프로그램을 개발하였다. 특히, 모델리카(Modelica)라는 프로그래밍 언어를 선택하였는데,모델리카는 시간에 따라 변화하는 물리 현상을 시뮬레이션하기 위한 목적으로 개발한 언어이다[6].
성능/효과
시뮬레이션을 이용한다면, 드론을 설계할 때와 임무계획을 할 때, 다양한 옵션을 정량적인 방법으로 비교를 함으로써, 개발자나 운용자의 평가 및 판단에 필요한 데이터를 제공할 수 있다. 본 논문에서 개발한 통합시뮬레이션 프로그램은, 이러한 측면에서, 매우 유용한 도구라고 사료된다.
후속연구
그러나 현재 단계에서 여러 가지 부품의 실제 데이터가 부족해서, 본 논문에서는 시뮬레이션의 타당성을 검증할 수 있는 실제 실험결과는 제시하지 못하였다. 그래서 추후 연구계획은, 시뮬레이션 결과의 타당성과 정확도를 높이기 위하여,실험을 통해서 하드웨어에 대한 데이터(동체 공력계수, 프로펠러 추력/항력계수, 배터리 특성 등)를 확보하고 소형 드론 비행실험을 통하여 검증하는 것이다.
그러나 현재 단계에서 여러 가지 부품의 실제 데이터가 부족해서, 본 논문에서는 시뮬레이션의 타당성을 검증할 수 있는 실제 실험결과는 제시하지 못하였다. 그래서 추후 연구계획은, 시뮬레이션 결과의 타당성과 정확도를 높이기 위하여,실험을 통해서 하드웨어에 대한 데이터(동체 공력계수, 프로펠러 추력/항력계수, 배터리 특성 등)를 확보하고 소형 드론 비행실험을 통하여 검증하는 것이다.
소형 드론의 강체 동역학, 공기역학, 프로펠러의 추력, 배터리의 저장 에너지 상태와 소모 등을 통합적으로 시뮬레이션 할 수 있다. 시뮬레이션을 이용한다면, 드론을 설계할 때와 임무계획을 할 때, 다양한 옵션을 정량적인 방법으로 비교를 함으로써, 개발자나 운용자의 평가 및 판단에 필요한 데이터를 제공할 수 있다. 본 논문에서 개발한 통합시뮬레이션 프로그램은, 이러한 측면에서, 매우 유용한 도구라고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하이브리드 방식의 특징은?
최근 한국항공우주연구원에서 공모한 ‘공공혁신조달 연계 소형무인기 기술개발 지원사업(2016년 공고)’을 살펴보면[1] 6개중 4개는 다중로터 방식을 요구하고 있는데, 실종자 수색, 시설물 관리, 기상 관측 등에 적합하다고 판단하는 것이다. 하이브리드 방식도 다중로터에 전진 추력 혹은 틸팅 방식을 접목한 것이 많이 사용되고 있다.
드론이 고도를 변경하면서 기동을 하는 경우 배터리 소모의 특성은?
예를 들면, 드론이 고도를 변경하면서 기동을 하는 경우에, 고도상승에 따라 밀도가 낮아지기 때문에 필요한 추력을 위해서 프로펠러의 속도가 증가해야 한다. 밀도가 낮아지면 프로펠러의 회전 저항이 줄어들지만, 각속도 증가에 따라 동력이 더 소모되면서 배터리의 에너지는 더 빨리 줄어든다. 또한 주변 대기온도는 배터리의 성능에 영향을 주어,배터리 사용시간이 더욱 줄어든다.
멀티콥터방식의 드론은 무엇이 우수한가
멀티콥터(multicopter) 방식의 소형 드론은 안정성과 조종성이 우수하여, 단·근거리 임무에 가장 적합한 형상으로 평가받고 있다. 최근 한국항공우주연구원에서 공모한 ‘공공혁신조달 연계 소형무인기 기술개발 지원사업(2016년 공고)’을 살펴보면[1] 6개중 4개는 다중로터 방식을 요구하고 있는데, 실종자 수색, 시설물 관리, 기상 관측 등에 적합하다고 판단하는 것이다.
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