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문제 정의
- 또 각 상황에 대한 정량적인 한계치와 경계치에 대한 연구를 수행함과 동시에 플래그를 통한 보다 더 객관적으로 상황을 판단하는 연구를 진행할 계획이다. 궁극적으로는 항공기의 자율 운용을 위한 기초연구로 발전시키는 것을 목적으로 한다.
- 만약 νk 값이 0으로부터 증가하거나 감소하는 변화를 보인다면, 실제 출력값과 확장칼만필터의 측정값이 일치하지 않다는 의미이므로 현재 항공기의 예측되는 상태가 점진적으로 비정상 비행상황으로 진입하고 있다고 판단할 수 있게 된다. 따라서 최종적으로는 비정상 비행상황을 실시간 판단하고 이를 벗어나 정상 상태를 회복하는 것을 목적으로 한다.
- 분기분석법은 복잡한 비선형모델의 해 (상태변수) 간의 관계를 받음각 등과 같은 파라미터 변화에 대한 수학적 해석이 수반되는 기법으로 오프라인 해석 결과를 온라인에 적용하기 쉽지 않으며, 모델링 오차 등으로 분기가 일어나는 지점의 판단이 쉽지 않은 단점이 있다. 따라서, 확장칼만필터의 수행 결과인 추정값과 실제 측정값을 연산하여 무인기 스스로 현재 기체가 비정상 비행상황에 진입했는지 여부를 판단하는 것과, 확장칼만필터의 시간 업데이트 과정을 반복적으로 수행하여 특정 수 초 후에 항공기가 비정상 비행에 진입하기 전 이를 미리 예측하여 수 초 후 맞닥뜨릴 비정상 비행상황을 현재 시간에 앞서 방지하는 기법을 개발하는 것을 목표로 한다.
- 본 논문에서는 앞서 언급된 연구들에서 사용한 분기분석법(Bifurcation method)이 아닌, 확장 칼만필터(Extended Kalman Filter) 방법을 바탕으로 상태변수 값을 실시간 모니터링하는 방법을 주안점으로 하는 비정상 비행상황 대처법을 연구한다. 분기분석법은 복잡한 비선형모델의 해 (상태변수) 간의 관계를 받음각 등과 같은 파라미터 변화에 대한 수학적 해석이 수반되는 기법으로 오프라인 해석 결과를 온라인에 적용하기 쉽지 않으며, 모델링 오차 등으로 분기가 일어나는 지점의 판단이 쉽지 않은 단점이 있다.
- 본 연구 이후, 더 다양한 비정상 비행상황에 대한 시뮬레이션 적용과 더불어 각 상황에 대응할 수 있는 회복절차를 적용하여 비정상 비행상황의 종류에 무관하게 각 상황을 판단하여 회복하거나 예측하여 방지하는 방법을 연구한다.
- 판단 기법의 목표는 Fig. 3의 칼만필터 알고리즘 III 단계의 결과인 # , νk의 변화 추이를 바탕으로, 현재 기체의 상태가 비정상 비행상황으로 변화하고 있는지를 판단하는 것이다.
- 확장칼만필터를 이용한 비정상 비행 방지의 개념은 아래 Fig. 7과 같이 Fig. 3에서 언급한 확장 칼만필터 알고리즘의 I 단계, 즉 시간 업데이트를 반복 수행하여 수 초 후에 기체가 나타낼 상태변수 값을 현재 시점에서 얻음으로써 수 초 후 기체가 비정상 비행상황에 들어설 것인지를 판단하는 것이 목적이다. 확장칼만필터를 이용한 수초 간의 예측 실행 시 제어입력 또한 그 예측을 위한 미래 시간에서 계산되어야 하며, 이를 위하여 항공기의 제어를 위해서 앞서 설계된 비선형 제어기법인 백스텝핑 제어기의 구조를 사용한다.
- 확장칼만필터를 이용한 비정상 비행상황 판단과 방지에 관한 연구를 진행하였다. 일반적인 확장칼만필터 알고리즘을 구성하고, F-18 HARV의 시스템 모델을 적용하였으며 노이즈 요소인 Q, R, σw , σv 을 설정하였다.
가설 설정
- 마찬가지로 측정치(Measurements) 역시 V, α, β, p, q, r, Φ, Θ 로 정한다. 본 연구는 센서의 고장이 없고 redundancy management 등의 센서 고장에 대한 대처가 되어 있는 상태를 가정한다. 시스템 노이즈와 측정치 노이즈는 다음과 같다.
- 비정상 비행상황에 대한 시뮬레이션은 임박실속(Imminent Stall)에 이은 스핀(Spin)상황을 가정하는 것으로 한다.
- Figure 5에서 점선은 항공기의 현재 상태변수를 의미하며 실선은 확장칼만필터의 예측값을 의미한다. 시뮬레이션에서 정상상태 비행을 하는 것으로 가정된 항공기는, 점선의 그래프에서 확인할 수 있듯이 약 75초부터 임박실속상황에 들어서고, 이후 스핀 상황으로 돌입한다. 그러나 확장칼만필터 알고리즘을 이용해 비정상 비행상황을 판단하는 기법이 적용된 실선의 경우, 최초로 비정상 비행상황이 감지되는 75초에 정상상태를 회복하기 위해 속도를 증가시키고 각 상태변수를 0점으로 되돌리려는 회복기동을 수행하여 항공기가 스핀 상황에 들어서기 전에 정상상태를 회복한다.
- 시뮬레이션은 비정상 비행상황 판단 기법과 같이 점진적으로 임박실속 상황에 진입하며 실속에 빠진 후 스핀 상태로 변환되는 상황을 가정한다. Fig.
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