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문제 정의
- 본 논문에서는 기존에 연구된 제어 알고리즘[4]에서 발생하는 채터링 현상을 보완하고, 높은 충격흡수 효율을 얻기 위해 스카이 훅 제어기법과 하중제어기법이결합된 하이브리드 제어기법을 제안하였다. 이를 위해 설계된 MR댐퍼가 적용된 착륙장치를 구성하고, 착륙장치의 운동방정식을 유도하였다.
- 본 연구에서는 기존의 하중제어기법을 보완한 하이브리드 제어기법을 제안하였다. 제안된 하이브리드 제어기법은 기존 하중제어기법에서 발생하는 채터링 현상을 제거하고, 높은 충격흡수효율을 얻을 수 있는 제어기법이다.
가설 설정
- Karnopp에 의해 처음 제안된 제어기법이다[16]. 상부질량의 상단에 위치한 고정된 점과 상부질량 사이에 가상의 댐퍼가 있다고 가정하고, 그 가상의 댐퍼로부터 감쇠력이 발생한다는 개념으로 상부질량의 운동을 최소화시키기 위한 제어기법이다. 스카이 훅 제어기법을 통해 계산되어진 감쇠력은 Eq.
- 제어기를 통해 출력된 제어신호는 다시 RecurDyn으로 입력되어 시뮬레이션이 수행된다. 스카이 훅 제어기법은 항공기 착륙장치 상부에 탑재된 가속도센서를 이용한다고 가정하였다. 가속도 센서를 통해 항공기의 수직방향의 가속도(Aircraft Vertical Acceleration)를 취득한 후, 적분을 통해 상부질량의 수직방향으로 속도데이터를 이용한다.
제안 방법
- MATLAB Simulink를 이용하여 제어기 설계를 수행하였으며, 설계한 인터페이스 회로는 Fig. 6과 같다. RecurDyn에서 해석한 결과 데이터를 실시간으로 MATLAB으로 전송하고, 전송받은 데이터는 Simulink의 제어기에 입력된다.
- 낙하 시뮬레이션을 수행하기 위해 다물체 동역학 소프트웨어인 RecurDyn을 이용하여 시뮬레이션 모델을 구성하였다. 기계적 움직임을 고려하여 조인트 조건을 부여하였으며, 수직낙하를 모사하기 위해 상부질량과 지면과의 병진(Translational) 조인트 조건을 부여하였다. 또한, 시뮬레이션 해석 시간을 단축하기 위해 접촉(Contact)조건 대신 축방향 힘(Axial Force) 조건을 부여하였다.
- 낮은 스트로크 속도에서도 일정 수준 이상의 감쇠력을 만들어내기 위한 알고리즘으로 하이브리드 제어기법을 제안하였다. 하이브리드 제어기법은 스카이 훅 제어기법과 하중 제어기법이 결합된 형태의 제어기법이다.
- 이를 위해 설계된 MR댐퍼가 적용된 착륙장치를 구성하고, 착륙장치의 운동방정식을 유도하였다. 다물체 동역학 해석 소프트웨어인 RecurDyn을 이용하여 시뮬레이션 모델을 구성한 후 하이브리드 제어기 설계를 수행하였다. 채터링 방지를 위해 효율적인 제어기법 스위칭과 입력설계(Input Shaping) 기법을 적용하여 낙하 시뮬레이션을 수행하였고, 각각의 결과를 비교하여 착륙 특성에 대해 성능평가를 수행하였다.
- 하중 제어기법에서 계산된 요구 제어감쇠력에 Sigmoid Function을 곱해줌으로써 보정된 요구 감쇠력이 계산되어지도록 하였다. 다음과 같이 계산되어진 총 제어 감쇠력은 MR유체 특성과 자기장해석을 통해얻어진 관계식(Interaction Equation)에 의해 제어 전류로 변환이 되어 MR 댐퍼 착륙장치에 인가되도록 제어기를 설계하였다.
- 현재까지 연구되어 공개된 문헌에 의하면 Maryland 대학에서 단일 MR댐퍼가 적용된 착륙장치의 낙하시험을 수행하였다. 또한 소형헬기의 착륙장치 시스템에 MR댐퍼 적용가능성을 확인하기 위해 소형헬기를 모방한 Iron-Bird를 제작하고, MR댐퍼가 적용된 4개의 착륙장치를 부착하여 낙하시험을 수행하였다[8]. Sheffield 대학교에서는 ADLAND(ADaptive LANDing gear for improved impact absorption) 프로젝트로, MR댐퍼가 적용된 착륙장치의 충격흡수 성능을 최적화 할 수 있는 수치 크기 결정 방법(Numerical Sizing Methodology)에 대해 연구를 수행하였다.
- 초기 접지 시 갑작스럽게 큰 감쇠력을 요구하는 기존의 하중제어기법과는 달리 하이브리드 제어기법은 초기에 스카이 훅 제어기법 만이 적용되기 때문에 갑작스럽게 큰 제어입력이 인가되는 것을 피함으로써 접지 초기 발생하는 채터링 현상을 방지할 수 있었다. 또한, 스카이 훅 제어기와 하중 제어기가 동시에 적용 시 발생할 수 있는 제어 입력의 불연속은 Sigmoid Function을 이용한 입력설계방법을 적용함으로써 제어 입력 불연속에 의한 채터링 현상을 개선하였다. 하이브리드 제어기법을 적용하여 낙하 시뮬레이션을 수행한 결과, 충격흡수 효율은 최고 93.
- 기계적 움직임을 고려하여 조인트 조건을 부여하였으며, 수직낙하를 모사하기 위해 상부질량과 지면과의 병진(Translational) 조인트 조건을 부여하였다. 또한, 시뮬레이션 해석 시간을 단축하기 위해 접촉(Contact)조건 대신 축방향 힘(Axial Force) 조건을 부여하였다. 낙하 시뮬레이션 조건으로는 연방 항공 규정 (Federal Aviation Regulations, FAR) Part 23.
- Sheffield 대학교에서는 ADLAND(ADaptive LANDing gear for improved impact absorption) 프로젝트로, MR댐퍼가 적용된 착륙장치의 충격흡수 성능을 최적화 할 수 있는 수치 크기 결정 방법(Numerical Sizing Methodology)에 대해 연구를 수행하였다. 또한, 이를 검증하기 위해 프로토 모델(Proto Model)을 설계 및 제작하여 낙하 시험을 수행하였다[9]. 한국항공대학교는 상용 MR댐퍼를 적용한 항공기 착륙장치를 설계하고 낙하 시험 장치를 구성하여 낙하 시험을 통해 상용 MR댐퍼를 적용된 항공기 착륙장치의 착륙특성을 분석하는 연구를 수행하였다[10].
- 본 논문에서 제안하는 하이브리드 제어기법을 설명하기에 앞서 하이브리드 제어기법의 기초가 되는 스카이 훅 제어기법을 우선적으로 적용하여 본 연구에서다루는 MR 착륙장치의 동특성을 파악한 후 하이브리드 제어기법을 설계하였다.
- 설계한 제어기법을 적용하여 낙하 시뮬레이션을 수행하였다. 제어기 적용 전과 후의 하중-변위 선도는 Fig.
- 본 논문에서는 기존에 연구된 제어 알고리즘[4]에서 발생하는 채터링 현상을 보완하고, 높은 충격흡수 효율을 얻기 위해 스카이 훅 제어기법과 하중제어기법이결합된 하이브리드 제어기법을 제안하였다. 이를 위해 설계된 MR댐퍼가 적용된 착륙장치를 구성하고, 착륙장치의 운동방정식을 유도하였다. 다물체 동역학 해석 소프트웨어인 RecurDyn을 이용하여 시뮬레이션 모델을 구성한 후 하이브리드 제어기 설계를 수행하였다.
- 인가되는 전류에 의해 형성되는 자기장의 세기의 관계를 구하기 위해 상용 소프트웨어인 ANSYS를 이용하여 자기장 해석을 수행하였다. 자기장 해석은 0A부터 1A까지 0.25A 단위로 수행하였으며, 사이 값에 해당하는 데이터에 대해서는 선형보간을 수행하여 나타내었다. 인가되는 전류의 세기 대비 MR댐퍼 코어(Core)부에 형성된 자기장의 세기의 관계는 Fig.
- 다물체 동역학 해석 소프트웨어인 RecurDyn을 이용하여 시뮬레이션 모델을 구성한 후 하이브리드 제어기 설계를 수행하였다. 채터링 방지를 위해 효율적인 제어기법 스위칭과 입력설계(Input Shaping) 기법을 적용하여 낙하 시뮬레이션을 수행하였고, 각각의 결과를 비교하여 착륙 특성에 대해 성능평가를 수행하였다.
- 제안된 하이브리드 제어기법은 기존 하중제어기법에서 발생하는 채터링 현상을 제거하고, 높은 충격흡수효율을 얻을 수 있는 제어기법이다. 하이브리드 제어기법은 스카이 훅 제어기법과 하중 제어기법을 결합한 형태로 제어 조건문에 따라 두 감쇠력 제어 알고리즘이 동시에 적용되도록 제어기를 설계하였다. 초기 접지 시 갑작스럽게 큰 감쇠력을 요구하는 기존의 하중제어기법과는 달리 하이브리드 제어기법은 초기에 스카이 훅 제어기법 만이 적용되기 때문에 갑작스럽게 큰 제어입력이 인가되는 것을 피함으로써 접지 초기 발생하는 채터링 현상을 방지할 수 있었다.
- Sigmoid Function의 a는 곡선이 증가하는 기울기를 결정하는 변수이며, c는 곡선의 변곡점의 위치를 결정하는 변수이다. 하중 제어기법에서 계산된 요구 제어감쇠력에 Sigmoid Function을 곱해줌으로써 보정된 요구 감쇠력이 계산되어지도록 하였다. 다음과 같이 계산되어진 총 제어 감쇠력은 MR유체 특성과 자기장해석을 통해얻어진 관계식(Interaction Equation)에 의해 제어 전류로 변환이 되어 MR 댐퍼 착륙장치에 인가되도록 제어기를 설계하였다.
대상 데이터
- 설계된 MR댐퍼는 인가하는 전류의 세기에 따라 감쇠력 제어가 가능하도록 설계되어져 있다. MR댐퍼를 작동하기 위한 전력 공급원은 비상시에도 반드시 항공기는 착륙이 가능해야하므로 항공기의 전력공급원인 배터리(Battery), 보조동력장치(APU), 엔진 중 배터리로부터 전력을 공급받는 것으로 설정하였다.
- 본 연구에 사용된 MR 유체는 MRF-140CG로 기존의 MIL-H-5606을 만족하는 항공기 착륙장치용 유체와 비교하여 유체 특성을 Table 2에 나타내었다[14]. MRF-140CG는 자기장의 세기에 따라 유체의 항복응력이 변하며, Fig.
- 본 연구에서 활용한 MR 댐퍼의 형상은 Fig. 1과 같이 나타낼 수 있다[13]. 하부 스트럿(Lower Strut)은가스 챔버, 플로팅 피스톤(Floating Pistion), 코일(Coil), 릴리프 밸브(Relief Valve)로 구성되어있으며, 스트럿의 운동방향에 따라 릴리프 밸브의 개폐를 결정하여 유로의 면적을 조절하도록 설계되어 있다.
데이터처리
- 인가되는 전류에 의해 형성되는 자기장의 세기의 관계를 구하기 위해 상용 소프트웨어인 ANSYS를 이용하여 자기장 해석을 수행하였다. 자기장 해석은 0A부터 1A까지 0.
이론/모형
- 또한, 시뮬레이션 해석 시간을 단축하기 위해 접촉(Contact)조건 대신 축방향 힘(Axial Force) 조건을 부여하였다. 낙하 시뮬레이션 조건으로는 연방 항공 규정 (Federal Aviation Regulations, FAR) Part 23.725를 고려하여 하강속도(Sink Speed)가 3m/s 가 되도록 낙하높이를 설정하였다[15]. Fig.
- 낙하 시뮬레이션을 수행하기 위해 다물체 동역학 소프트웨어인 RecurDyn을 이용하여 시뮬레이션 모델을 구성하였다. 기계적 움직임을 고려하여 조인트 조건을 부여하였으며, 수직낙하를 모사하기 위해 상부질량과 지면과의 병진(Translational) 조인트 조건을 부여하였다.
- 정점에서의 스트럿하중을 기준하중 Fcom 으로 설정하고, 기준하중과 예측한 내력의 차이만큼을 추가적인 요구 감쇠력(Desired Damping Force)을 스카이훅 제어 감쇠력에 더해져 최종 제어감쇠력(Total Controlled Damping Force)으로 스트럿에 작용하게 된다. 두 종류의 제어 감쇠력이 더해질 때, 제어 감쇠력의 불연속성에 의한 채터링 현상을 개선하기 위해 Sigmoid Function을 이용한 입력설계 방법(Input Shaping Method)을 적용하였다. Sigmoid Function은 Eq.
성능/효과
- 낙하 시뮬레이션을 수행한 결과, 하이브리드 제어기법 적용 시 제어 알고리즘을 적용하지 않았을 때 대비 최대 스트럿 하중과 스트럿 변위는 각각 1.21 kN , 9.4 mm가 감소하였다. 충격흡수 효율은 12.
- 5% 증가한 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 채터링 현상 관점에서 보면 기존의 알고리즘[4]과는 달리 접지 초기 스카이 훅 제어기법 만이 적용되도록 하여 갑작스럽게 큰 제어입력이 인가되는 것을 피함으로써 채터링 현상을 방지할 수 있었다. 스카이 훅 제어기와 하중 제어기가 동시에 적용 시 발생할 수 있는 제어입력의 불연속은 Sigmoid Function을 이용한 입력설계방법을 적용함으로써 채터링 현상 문제를 개선하였다.
- 6% 향상됨을 확인할 수 있다. 스카이 훅 제어기법과 비교해보면 최대 스트럿 하중은 0.38 kN 소폭 증가하였으나, 최대 스트럿 변위가 7.6 mm 감소하여, 충격흡수 효율은 8.5% 증가한 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 채터링 현상 관점에서 보면 기존의 알고리즘[4]과는 달리 접지 초기 스카이 훅 제어기법 만이 적용되도록 하여 갑작스럽게 큰 제어입력이 인가되는 것을 피함으로써 채터링 현상을 방지할 수 있었다.
- 따라서, Csky 를 키울수록 효율이 감소하는 경향을 갖는다. 이를 정리해보면, 첫 번째 정점과 두 번째 정점이 동일한 값을 가질 때 최적의 충격흡수 효율을 갖으며, 이 때의 스카이훅 감쇠계수는 약 300에서 형성됨을 알 수 있다.
- 하이브리드 제어기법은 스카이 훅 제어기법과 하중 제어기법을 결합한 형태로 제어 조건문에 따라 두 감쇠력 제어 알고리즘이 동시에 적용되도록 제어기를 설계하였다. 초기 접지 시 갑작스럽게 큰 감쇠력을 요구하는 기존의 하중제어기법과는 달리 하이브리드 제어기법은 초기에 스카이 훅 제어기법 만이 적용되기 때문에 갑작스럽게 큰 제어입력이 인가되는 것을 피함으로써 접지 초기 발생하는 채터링 현상을 방지할 수 있었다. 또한, 스카이 훅 제어기와 하중 제어기가 동시에 적용 시 발생할 수 있는 제어 입력의 불연속은 Sigmoid Function을 이용한 입력설계방법을 적용함으로써 제어 입력 불연속에 의한 채터링 현상을 개선하였다.
- 4 mm가 감소하였다. 충격흡수 효율은 12.6% 향상됨을 확인할 수 있다. 스카이 훅 제어기법과 비교해보면 최대 스트럿 하중은 0.
- 또한, 스카이 훅 제어기와 하중 제어기가 동시에 적용 시 발생할 수 있는 제어 입력의 불연속은 Sigmoid Function을 이용한 입력설계방법을 적용함으로써 제어 입력 불연속에 의한 채터링 현상을 개선하였다. 하이브리드 제어기법을 적용하여 낙하 시뮬레이션을 수행한 결과, 충격흡수 효율은 최고 93.5%, 최대 스트럿 하중은 24.45 kN, 최대 스트로크는 210.1 mm의 성능을 나타내었으며, 제어 알고리즘을 적용하지 않았을 때와 비교해보면 최대 스트럿 하중과 스트럿 변위는 각각 1.21 kN, 9.4 mm가 감소하였고 이에 따라, 충격흡수 효율은 12.6% 향상됨을 확인하였다.
후속연구
- 착륙 시 가속도 센서와 변위센서를 통해 실시간으로 항공기의 수직방향 가속도와 스트로크의 데이터를 측정하여 하이브리드 제어기를 통해 감쇠력 제어를 한다면 기존의 수동형 착륙장치 대비 우수한 착륙성능을 기대할 수 있다.
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