[논문]틸트로터 무인기 편대비행 시뮬레이션 연구

박범진; 강영신; 조암; 유창선

doi:10.5139/jksas.2018.46.12.1012

틸트로터 무인기 편대비행 시뮬레이션 연구
Simulation Study on Formation Flight of Tiltrotor UAVs 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.46 no.12, 2018년, pp.1012 - 1020

박범진 (Korea Aerospace Research Institute) , 강영신 (Korea Aerospace Research Institute) , 조암 (Korea Aerospace Research Institute) , 유창선 (Korea Aerospace Research Institute)

초록
AI-Helper

한국항공우주연구원에서 개발된 틸트로터 무인기의 임무비행 능력을 높이기 위하여, 무인기의 자율화 기술 5단계 수준의 편대비행에 대한 연구가 수행되었다. 편대비행은 선행기와 추종기로 구성된 중앙 집중형 방식이 적용되었다. 편대비행 제어기는 3대의 추종기를 이용한 수치 시뮬레이션과 1대의 추종기를 이용한 하드웨어 기반 시뮬레이션을 통해 검증되었다. 본 논문에서는 제어기 설계 방법, 하드웨어 기반 시뮬레이션 시험, 그리고 시뮬레이션을 통한 성능 검증에 대해서 기술하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to improve the capability of mission flight of tiltrotor UAV that has been developed by Korea Aerospace Research Institute, a simulation study on the formation flight of autonomous control 5 level has been performed. The formation flight is based on the centralized method with leader and follower airplanes. The formation flight controller was verified through numerical simulation with 3 followers and hardware-in-the loop simulation with 1 follower. This paper describes controller design methods, hardware-in-the-looped simulation test, and performance verification using simulation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

기존 자동비행제어 시스템의 변경을 최소화하기 위하여 편대비행 방식은 선도기와 추종기로 구성된 집중형 방식이 이용되었다. 본 논문에서는 집중형 방식의 편대비행 제어법칙 설계, 비행체 간 통신규약 정의, 하드웨어 기반 시뮬레이션 환경 구축, 그리고 시뮬레이션을 통한 편대비행 성능 검증 및 분석에 대해 기술하였다.
본 연구에서는 틸트로터 무인기 시스템을 활용하여 편대비행 기술에 대한 기초연구가 수행되었다.

제안 방법

13에 보였다. 감속 조건에서는 편대비행 모드 Off/On을 통해 상대항법 성능을 확인하였다. 선도기의 점항법 궤적 내에서 편대비행 모드가 해제되면 유지모드로 자동 전환되고 방위 노브에 설정된 명령 값에 의해 점항법 궤적에서 이탈하는 것을 확인할 수 있다.
3D 영상을 도시하기 위한 소프트웨어는 Direct 3D API를 이용하여 개발되었다. 객체 생성을 위한 CGrid, CCube, CCircle, 그리고 CRect와 같은 클래스가 먼저 개발되었고, 객체 생성 클래스를 이용하여 비행체, 궤적, 지면, 그리고 건물이 생성되었다.
편대비행 시스템은 무인기간 데이터 통신과 관제 시스템 구성 방식에 따라 다양한 형태로 구성 될 수 있다. 다양한 편대비행 시스템 구성에 대한 연구가 각각의 시스템에 대해서 성능 및 장단점 분석을 주파수 할당, 데이터 부하, 시간지연, 통신거리, 운용인력, 동시통제, 동기화, 그리고 고장취약성 등을 비교하여 수행되었다[4].
비행운용프로그램의 제어법칙 소프트웨어는 계층 구조로 설계되었다. 계층 구조는 함수 기반의 모듈로 관리된다.
틸트로터 무인기에 적용되는 편대비행 제어법칙 모드에 대한 검증을 위하여 저속 및 고속비행 모드에 대한 통합 시뮬레이션 시나리오가 구성하였다. 선도기는 자동이륙 후 반경 500 m 점항법 (Point Navigation, PN)을 수행하면서 추종기의 편대비행을 유도하였다. 선도기의 내부 조종사는 점항법 모드에서 속도 명령을 50 km/h 단위로 증속 및 감속을 시켰다.
선도기의 내부 조종사는 점항법 모드에서 속도 명령을 50 km/h 단위로 증속 및 감속을 시켰다. 추종기의 내부 조종사는 자동이륙 후 속도/고도/방위 유지모드로 전환하여 선도기의 비행 영역으로 진입시킨 후 각각의 속도 조건에서 편대비행 제어법칙 성능을 확인하였다. 틸트로터 무인기 편대비행 검증을 위한 시뮬레이션 시나리오는 Table 4에 보였다.
추종기의 속도와 방위 명령은 상대 위치 오차를 이용하여 선도기의 명령 정보를 보상하는 비례 제어기가 적용되었고, 고도 명령은 선도기의 명령 정보가 직접 이용되었다. 제어기는 다음과 같이 표현된다.
틸트로터 무인기에 적용되는 편대비행 제어법칙 모드에 대한 검증을 위하여 저속 및 고속비행 모드에 대한 통합 시뮬레이션 시나리오가 구성하였다. 선도기는 자동이륙 후 반경 500 m 점항법 (Point Navigation, PN)을 수행하면서 추종기의 편대비행을 유도하였다.

대상 데이터

실용급 틸트로터 무인기에 탑재되는 비행제어 컴퓨터는 TI 사의 DSP 계열인 C2000 32비트 마이크로컨트롤러 기반으로 제작되었다. 비행운용 프로그램은 실시간 운영체제 없이 펌웨어 기반으로 개발되었다.
틸트로터 무인기 편대비행 시뮬레이션을 수행 하기 위하여 2대의 운동모델컴퓨터, 2대의 지상 관제컴퓨터, 2대의 비행제어컴퓨터, 2대의 통신모사장비, 그리고 1대의 3D 영상컴퓨터가 이용되었다. 전체 시스템 구성과 시험 환경은 Fig.

이론/모형

3D 영상을 도시하기 위한 소프트웨어는 Direct 3D API를 이용하여 개발되었다. 객체 생성을 위한 CGrid, CCube, CCircle, 그리고 CRect와 같은 클래스가 먼저 개발되었고, 객체 생성 클래스를 이용하여 비행체, 궤적, 지면, 그리고 건물이 생성되었다.
비행체 운동모델은 u,ω,ψ 상태변수로 구성된 단순화된 운동 모델이 이용되었다.
단일 비행체 운용을 위해 개발된 지상관제시스템의 운용소프트웨어는 편대비행 운용에 필요한 최소 기능이 추가되어 수정되었다. 편대비행 모드는 함상이착륙 연구에서 사용된 상대항법 모드가 이용되었다. 편대비행 정보는 추종기가 운용 되는 지상관제시스템의 방위계와 지도에 각각 도시되도록 구성되었다.
편대비행 방식은 기준 비행체를 추종하는 선도기-추종기(Leader-Follower) 방식이 이용되었다. 함상이착륙 연구를 통해 장착된 상대항법 보정용 통신링크를 활용하여 1:N 통신 기반 집중형 방식이 고려되었다.

성능/효과

궤적 이탈을 확인한 후 상대항법 모드로 전환시키면 ±5 m 내에서 설정 된 상대거리를 유지하는 것을 확인하였다.
사용자 인터페이스를 위하여 마우스 입력 기반의 확대, 축소, 그리고 회전 기능이 구현되었다. 비행체 자세 및 위치 정보는 UDP 통신을 통해 전송받는다.
감속 조건에서는 편대비행 모드 Off/On을 통해 상대항법 성능을 확인하였다. 선도기의 점항법 궤적 내에서 편대비행 모드가 해제되면 유지모드로 자동 전환되고 방위 노브에 설정된 명령 값에 의해 점항법 궤적에서 이탈하는 것을 확인할 수 있다. 궤적 이탈을 확인한 후 상대항법 모드로 전환시키면 ±5 m 내에서 설정 된 상대거리를 유지하는 것을 확인하였다.
시뮬레이션 연구에서는 MATLAB 기반 1:3 편대비행과 실시간 시뮬레이션 기반 1:1 편대비행이 수행되었고, 목표점에 대한 추종기의 위치 오차를 통해 편대비행 성능이 확인되었다.

후속연구

본 연구를 통해 개발된 편대비행 기초기술은 앞으로 틸트로터 무인기 편대비행을 이용한 광역 감시체계 구축 및 틸트로터 무인기 복수운용을 통한 상시감시체계 구축과 같은 자율화 기술 수준이 높은 후속 연구와 틸트로터 비행체를 이용한 편대비행 연구 시 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	틸트로터 무인기의 장점은?	틸트로터 무인기는 회전익 비행과 고정익 비행이 모두 가능한 비행체 형상을 가지고 있다. 회전익 모드에서 수직이착륙이 가능하고 고정익 모드에서 고속 비행이 가능하기 때문에 다양한 임무를 수행할 수 있는 장점이 있다. 한국항공우주 연구원에서는 2002년부터 현재까지 틸트로터 비행체에 대한 지속적인 연구가 수행되고 있다.
	편대비행 기술에서 집중형 방식이란?	편대비행 기술은 일반적으로 집중형 방식과 분산형 방식으로 구분된다. 집중형은 선도기를 중심으로 추종기들의 편대비행이 수행되는 방식이고, 분산형은 무인기들이 서로의 정보를 활용하여 독립적인 의사결정에 의한 편대비행이 수행되는 방식이다. 선도기와 추종기로 구성된 집중형 방식은 초소형 비행체를 기반으로 하여 유도법칙 설계 및 비행시험에 대한 연구가 수행되었다[5].
	편대비행의 장점은?	최근에는 단일 무인기의 성능을 보완하고 유인기와 협업을 수행하기 위한 목적으로 무인기 편대비행에 대한 연구가 진행되고 있다. 편대비행을 통해 연료절감, 항공교통관제 효율증대, 그리고 협력기반 임무할당이 가능한 장점이 있다.

참고문헌 (11)

Park, B. J., Kang, Y. S., Yoo, C. S., and Cho, A., "Development of Operational Flight Program for Smart-UAV," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 41, No. 10, Oct. 2013, pp.805-812.

원문보기 상세보기
Park, B. J., Kang, Y. S., Yoo, C. S., and Cho, A., "Development of FCC Redundnacy System for Tiltrotor UAV," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 45, No. 2, Feb. 2017, pp.805-812.
The Office of the Secretary of Defense, " Unmanned Aerial Vehicles Roadmap 2002 -2027," Washington DC, Mar. 2003.
Kim, S. H., Cho, S. O., Kim, S. S., Ryoo, C. K., and Choi, K., Y., "Development of Operation System for Network of Mutiple UAVs," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 39, No. 11, Nov. 2011, pp.1042-1051.

원문보기 상세보기
Yoo, D. I., and Shim, H. C., "Leader-Follower based Formation Guidance Law and Autonomous Formation Flight Test of Multiple MAVs," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 39, No. 2, Feb. 2011, pp. 121-127.

원문보기 상세보기
Kim, S. K., and Kim, Y. D., "Behavioral Decentralized Optimum Controller Design for UAV Formation Flight," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 36, No. 6, Jun. 2008, pp.565-573.

원문보기 상세보기
Shin, J. H., Kim, S., K., and Suk, J. Y., "Development of Robust Flocking Control Law for Multiple UAVs Using Behavioral Decentralized Method," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 43, No. 10, Oct. 2015, pp. 859-867.

원문보기 상세보기
Kang, Y. S., Park, B. J., Cho, A., and Yoo, C. S., "Control Law Design for a Tilt-rotor Unmanned Aerial Vehicle with a Nacelle Mounted WE (Wing Extension)", Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol. 20, No. 11, 2014, pp.1103-1111.

원문보기 상세보기
Korea Aerospace Research Institute, "Test & Evaluation Study on the Practical Tiltrotor UAV," Final Report, Jul. 2012.
Korea Aerospace Research Institute, "Core Technology Development for Oceanic Operation of Unmanned Tilt Rotor Flying Robot," Final Report, May. 2016.
Korea Aerospace Research Institute, "Technology Development for Shipboard Operation of 200kg Class Tilt-Rotor UAV," Final Report, Nov. 2017.

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증