백승재
(School of Mechanical and Aerospace Eng. Gyeongsang National University)
,
강문혜
(Dept. of Aerospace and Software Eng. Gyeongsang National University)
,
최성환
(BrainsLab Co.,Ltd)
,
김병수
(Dept. of Aerospace and Software Eng. Gyeongsang National University)
,
문용호
(Dept. of Aerospace and Software Eng. Gyeongsang National University)
현재 항공기 시뮬레이터는 실제 항공기를 이용한 조종사 훈련에 비해 경제적, 시간적 및 공간적 비용 측면에서 상당한 이점을 가지고 있어서 많은 관심을 받고 있다. 항공기 시뮬레이터의 구성 요소 중 비행역학 모델은 실제 항공기의 비행을 모의하는데 중요한 역할을 한다. 따라서 자동화된 도구를 사용하여 비행역학 모델의 충실도를 검증하는 것은 중요한 의미를 지닌다. 본 논문에서는 항공기 시뮬레이터의 효율적인 개발을 위하여 비행역학 모델의 충실도를 자동 검증하는 소프트웨어를 개발한다. 충실도 검증 프로세스로부터 도출된 요구사항에 대하여 소프트웨어 구조 및 GUI를 설계한 다음 Window 기반 환경에서 C# 언어를 이용하여 소프트웨어를 구현한다. CTSW 기종에 대한 실험 결과는 개발된 소프트웨어가 기능 및 성능, 그리고 사용자 편의성 측면에서 효과적임을 보여준다.
현재 항공기 시뮬레이터는 실제 항공기를 이용한 조종사 훈련에 비해 경제적, 시간적 및 공간적 비용 측면에서 상당한 이점을 가지고 있어서 많은 관심을 받고 있다. 항공기 시뮬레이터의 구성 요소 중 비행역학 모델은 실제 항공기의 비행을 모의하는데 중요한 역할을 한다. 따라서 자동화된 도구를 사용하여 비행역학 모델의 충실도를 검증하는 것은 중요한 의미를 지닌다. 본 논문에서는 항공기 시뮬레이터의 효율적인 개발을 위하여 비행역학 모델의 충실도를 자동 검증하는 소프트웨어를 개발한다. 충실도 검증 프로세스로부터 도출된 요구사항에 대하여 소프트웨어 구조 및 GUI를 설계한 다음 Window 기반 환경에서 C# 언어를 이용하여 소프트웨어를 구현한다. CTSW 기종에 대한 실험 결과는 개발된 소프트웨어가 기능 및 성능, 그리고 사용자 편의성 측면에서 효과적임을 보여준다.
Currently, aircraft simulator has drawn a great attention because it has significant advantages of economic, temporal, and spatial costs compared with pilot training with real aircraft. Among the components of the aircraft simulator, flight dynamic model plays a key role in simulating the flight of ...
Currently, aircraft simulator has drawn a great attention because it has significant advantages of economic, temporal, and spatial costs compared with pilot training with real aircraft. Among the components of the aircraft simulator, flight dynamic model plays a key role in simulating the flight of an actual aircraft. Hence, it is important to verify the fidelity of flight dynamic model with an automated tool. In this paper, we develop a software to automatically verify the fidelity of the flight mechanics model for the efficient development of the aircraft simulator. After designing the software structure and GUI based on the requirements derived from the fidelity verification process, the software is implemented with C # language in Window-based environment. Experimental results on CTSW models show that the developed software is effective in terms of function, performance and user convenience.
Currently, aircraft simulator has drawn a great attention because it has significant advantages of economic, temporal, and spatial costs compared with pilot training with real aircraft. Among the components of the aircraft simulator, flight dynamic model plays a key role in simulating the flight of an actual aircraft. Hence, it is important to verify the fidelity of flight dynamic model with an automated tool. In this paper, we develop a software to automatically verify the fidelity of the flight mechanics model for the efficient development of the aircraft simulator. After designing the software structure and GUI based on the requirements derived from the fidelity verification process, the software is implemented with C # language in Window-based environment. Experimental results on CTSW models show that the developed software is effective in terms of function, performance and user convenience.
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문제 정의
본 논문에서는 AC 120-40C와 CFR Part60 규정에 기반하여 검증절차를 수립하고 소프트웨어 개발에 필요한 핵심 요구사항들을 정의하고, 고정익 항공기의 비행역학 모델에 대한 충실도를 자동 검증하는 소프트웨어를 개발하였다. 그리고 이를 바탕으로 소프트웨어 구조 및 GUI를 설계하고, C#언어를 이용하여 소프트웨어를 구현하였다.
그리고 이를 바탕으로 소프트웨어 구조 및 사용자 인터페이스 (GUI, Graphic User Interface)를 설계하고, Window 기반 환경에서 C#언어를 이용하여 소프트웨어를 구현한다. 본 논문에서는 CTSW 기종으로부터 얻어진 실제 비행데이터와 JSBSIM 기반으로 개발된 비행역학 모델[7-9]에서 생성된 시뮬레이션 데이터를 이용하여 소프트웨어의 기능 및 성능을 확인한다.
본 논문에서는 CTSW 항공기에 대한 비행역학 모델에 대하여 개발한 자동 검증 소프트웨어의 기능 및 성능에 대한 평가를 수행하였다. 실험에 사용된 비행역학 모델[7-9]은 항공우주 비행체의 비행역학을 모델링 하는데 사용되는 JSBSIM[12]에 기반하여 개발되었으며 앞에서 설명한 Script File에 의해 구동된다.
비행역학 모델의 충실도를 자동 검증하는 소프트 웨어를 개발하기 위해서는 기본적으로 소프트웨어에 서 수행되어야 하는 시험 관련 기능들과 소프트웨어 의 효율적인 활용을 위한 부가기능들이 결정되어야 한다. 본 논문에서는 Fig. 2의 테스트 프로세스를 바 탕으로 아래의 요구사항들을 도출하고 이를 만족하 는 소프트웨어를 개발하고자 한다.
본 논문에서는 Title 14 CFR Part 60과 AC 120- 40C 규정을 통합한 QTG 및 확인시험 절차를 기반으로 정의된 충실도 테스트 항목과 판정 기준[10,11]을 이용하여 비행역학 모델의 충실도를 자동 검증하는 소프트웨어를 개발하고자 한다. QTG는 Title 14 CFRPart 60과 AC 120-40C 규정의 검증 항목 중 성능과 비행성에 해당하는 택시(Taxi), 이륙(Take off), 엔진 (Engines), 동적 조종 시험(Dynamic Control Test), 종축 조종 시험(Longitudinal Control Tests) 등의 평가항목을 포함한다.
본 논문에서는 고정익 항공기의 비행역학 모델에 대한 충실도를 자동 검증하는 소프트웨어를 개발한다. 먼저, AC 120-40C와 CFR Part60 규정에 명시된 성능 과 비행성으로부터 지정검사교본(Qualification Test Guide, QTG)에 따른 검증 절차를 수립하고 소프트웨어 개발에 필요한 요구사항을 정의한다.
한편 시뮬레이션 데이터의 효율적인 자동 획득 기능을 검증하기 위해서 실제 비행데이터에 기반하여 생성된 스크립트 파일과 이를 이용 한 비행역할 모델이 정상적으로 구동되는지 확인하는 것이 필요하다. 이에 본 논문에서는 본 소프트웨어로 입력되는 실제 비행데이터, FM모듈에서 생성된 스크립트 파일, SS모듈에 의하여 구동된 비행역학 모델에서 출력되는 시뮬레이션 데이터간의 비교를 수행하였다. Fig.
제안 방법
FM은 전처리가 완료된 데이터를 저장하는 “txt” 파일과 QT결과 및 데이터 확인을 위해 차트를 이미지로 저장하는 “bmp” 파일을 생성하도록 구현하였다.
2에서 Data Plot 부는 손쉬운 전처리를 위해 실제 비행데이터 및 시뮬레이션 데이터를 그래프로 도시한다. PreProcessing(전처리)부는 입력된 실제 비행데이터와 시뮬레이션 데이터에 대하여 충실도 검증을 위한 비교 구간을 설정하고, Trim 값을 도출하는 작업을 수행한다. Script Generation부는 Pre-Processing부의 수행 결과를 바탕으로 비행역학 모델의 실행에 필요한 스크립트를 생성하고, 이를 비행역학 모델에 입력하여 시뮬레이션 데이터가 생성되도록 한다.
⦁QC : QTG의 평가 항목에 따라 허용오차 범위를 생성하고, 시뮬레이션 데이터가 허용오차 범위 내에 존재하는지를 판단한다.
Script Generation부는 Pre-Processing부의 수행 결과를 바탕으로 비행역학 모델의 실행에 필요한 스크립트를 생성하고, 이를 비행역학 모델에 입력하여 시뮬레이션 데이터가 생성되도록 한다. 그리고 QT(Qualification Test)부는 전처리가 완료된 실제 비행데이터와 시뮬레이션 데이터에 대한 비교 평가를 통하여 그 결과를 출력한다. 즉, 사용자가 선택한 QTG 항목에서 제시되는 허용오차를 기준으로 시뮬레이션 데이터가 실제 비행데이터로부터 허용오차 범위 내에 있는지를 검사함으로써 비행역학 모델의 충실도를 판단한다.
비교 결과 데이터가 동일함을 확인할 수 있었으며 이것은 본 소프트웨어에서 사용하는 입력 데이터에 오류가 없음을 보여준다. 그리고 본 소프트웨어에서 구현된 차트 도시 기능의 정확성을 확인하기 위해서 소프트웨어에서 시현된 차트를 엑셀 소프트웨어에 의하여 생성된 차트와 비교하였다.
본 논문에서는 AC 120-40C와 CFR Part60 규정에 기반하여 검증절차를 수립하고 소프트웨어 개발에 필요한 핵심 요구사항들을 정의하고, 고정익 항공기의 비행역학 모델에 대한 충실도를 자동 검증하는 소프트웨어를 개발하였다. 그리고 이를 바탕으로 소프트웨어 구조 및 GUI를 설계하고, C#언어를 이용하여 소프트웨어를 구현하였다. CTSW 기종에 대한 실험을 통하여 개발되어진 소프트웨어의 정확성, 효율성, 편의성을 확인할 수 있었다.
먼저, AC 120-40C와 CFR Part60 규정에 명시된 성능 과 비행성으로부터 지정검사교본(Qualification Test Guide, QTG)에 따른 검증 절차를 수립하고 소프트웨어 개발에 필요한 요구사항을 정의한다. 그리고 이를 바탕으로 소프트웨어 구조 및 사용자 인터페이스 (GUI, Graphic User Interface)를 설계하고, Window 기반 환경에서 C#언어를 이용하여 소프트웨어를 구현한다. 본 논문에서는 CTSW 기종으로부터 얻어진 실제 비행데이터와 JSBSIM 기반으로 개발된 비행역학 모델[7-9]에서 생성된 시뮬레이션 데이터를 이용하여 소프트웨어의 기능 및 성능을 확인한다.
두 차트의 크기 및 범위를 일치시켜 비교한 결과 서로 정확하게 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 QT 기능의 정확성 확인을 위하여 본 소프트웨어에서 생성된 QT 결과와 엑셀 소프트웨어에 의하여 얻어진 QT 결과를 서로 비교하였다. 엑셀 소프트웨어를 통한 QT는 엑셀 매크로 기능을 이용하여 허용오차 범위를 생성하고 시뮬레이션 데이터가 허용 오차 범위를 벗어나는지 확인하는 과정으로 수행되었다.
Simulation Data 모드에서는 Real Data 모드에서 생 성된 스크립트를 이용하여 비행역학 모델을 구동시켜 시뮬레이션 데이터를 획득한 후 획득된 데이터가 QT에 사용될 수 있도록 전처리 작업이 수행된다. 마지막으로 QT 모드는 선택된 평가 항목에 따라 허용오차 범위를 생성하여 pass/fail 여부를 판정하고 그 결과를 차트와 함께 이미지 파일로 저장한다. ButtonPanel에서는 ModeSelection 영역에서 선택된 특정 모드에서 수행되는 세부 기능들에 대한 버튼들이 제공되어 Fig.
본 논문에서는 고정익 항공기의 비행역학 모델에 대한 충실도를 자동 검증하는 소프트웨어를 개발한다. 먼저, AC 120-40C와 CFR Part60 규정에 명시된 성능 과 비행성으로부터 지정검사교본(Qualification Test Guide, QTG)에 따른 검증 절차를 수립하고 소프트웨어 개발에 필요한 요구사항을 정의한다. 그리고 이를 바탕으로 소프트웨어 구조 및 사용자 인터페이스 (GUI, Graphic User Interface)를 설계하고, Window 기반 환경에서 C#언어를 이용하여 소프트웨어를 구현한다.
본 논문에서 개발한 검증 소프트웨어의 GUI가 제대로 동작하는지 확인하기 위해서 기능별 해당 이벤트를 실행시켜 실험을 수행하였다. Fig.
본 소프트웨어의 실행 속도를 살펴보기 위하여 전처리 전의 차트도시 시간(Load&Plot), QT 수행시간 (QT), 그리고 총 수행시간(Total)을 조사하였다.
항공기 시뮬레이터의 평가를 위한 시험은 정량적 시험인 확인 시험(Validation Test)과 정성적 시험인 기능 및 주관적 시험(Functions and Subjective Test)으로 분류할 수 있다[5]. 비행역학 모델의 충실도를 객관적으로 검증하는 확인 시험은 Fig. 1에 제시된 바와 같이 항공기의 움직임에 의해 획득된 실제 비행데이터를 비행역학 모델에 입력하여 시뮬레이션 데이터를 획득하고, FAA의 Title 14 CFR Part 60과 AC 120-40C 규정을 토대로 시뮬레이션 데이터와 실제 비행데이터를 비교 평가하는 과정을 통하여 수행된다.
그리고 본 논문에서 개발할 소프트웨어가 높은 수준의 그래픽 디자인과 애니메이션 효과를 필요로 하지 않기 때문에 Winform으로도 GUI 구현이 용이하다. 사용자로부터의 입력을 받기 위해 버튼, 체크박스, 그리고 체크박스 리스트 등이 사용되었으며 Visual Studio에서 지원하는 기본 오브젝트인 MS Chart에서 지원하는 이벤트를 활용하여 비행데이터의 범위를 마우스로 설정할 수 있도록 구현하였다.
또한 QT 기능의 정확성 확인을 위하여 본 소프트웨어에서 생성된 QT 결과와 엑셀 소프트웨어에 의하여 얻어진 QT 결과를 서로 비교하였다. 엑셀 소프트웨어를 통한 QT는 엑셀 매크로 기능을 이용하여 허용오차 범위를 생성하고 시뮬레이션 데이터가 허용 오차 범위를 벗어나는지 확인하는 과정으로 수행되었다. Fig.
그리고 QT(Qualification Test)부는 전처리가 완료된 실제 비행데이터와 시뮬레이션 데이터에 대한 비교 평가를 통하여 그 결과를 출력한다. 즉, 사용자가 선택한 QTG 항목에서 제시되는 허용오차를 기준으로 시뮬레이션 데이터가 실제 비행데이터로부터 허용오차 범위 내에 있는지를 검사함으로써 비행역학 모델의 충실도를 판단한다. 마지막으로 출력부는 pass/fail 판정을 표시하고 차트 형태로 QT 결과를 출력한다.
대상 데이터
5는 Level flight acceleration(가속) 항목에 대하여 실제 비행데이터의 전처리 수행 전 차트들을 500~720 시간구간 범위에서 도시한 것이다. 각 차트 항목은 FAA에서 지정한 CFR Part60과 AC120-40을 기준으로 선별된 것이다. 우측 2번째 차트에서 보여주는 바와 같이 각 각의 차트에서는 마우스로 전처리 범위를 지정하고, 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하면 하부메뉴를 손쉽게 이용할 수 있다.
본 논문에서 개발하는 검증 소프트웨어는 Fig. 3과 같이 GUI부와 Engine부로 구성된다. GUI부는 Visual Studio 2017에서 제공하는 C#기반 Winform프레임워크를 사용하여 구현하였다.
본 논문에서 구현한 자동 검증 소프트웨어 평가를 위하여 실제 CTSW 항공기에서 획득된 비행데이터를 시험 데이터로 사용한다. 획득된 비행데이터는 76개의 항목 중 시뮬레이션 평가항목으로 많이 사용되는 수평 가속, 수평 감속, 중립 하강, 단주기 운동, 장주기 운동, 롤 응답 등의 12개 항목에 대하여 고도와 속도를 달리해서 실험을 진행하였으며, Table 1은 각 항목당 실험한 고도와 속도 조건을 나타낸 것이다.
본 논문에서 구현한 자동 검증 소프트웨어 평가를 위하여 실제 CTSW 항공기에서 획득된 비행데이터를 시험 데이터로 사용한다. 획득된 비행데이터는 76개의 항목 중 시뮬레이션 평가항목으로 많이 사용되는 수평 가속, 수평 감속, 중립 하강, 단주기 운동, 장주기 운동, 롤 응답 등의 12개 항목에 대하여 고도와 속도를 달리해서 실험을 진행하였으며, Table 1은 각 항목당 실험한 고도와 속도 조건을 나타낸 것이다.
이론/모형
본 논문에서는 CTSW 항공기에 대한 비행역학 모델에 대하여 개발한 자동 검증 소프트웨어의 기능 및 성능에 대한 평가를 수행하였다. 실험에 사용된 비행역학 모델[7-9]은 항공우주 비행체의 비행역학을 모델링 하는데 사용되는 JSBSIM[12]에 기반하여 개발되었으며 앞에서 설명한 Script File에 의해 구동된다. Script File은 시뮬레이션 데이터 생성에 필요한 Trim 값과 시간에 따른 실제 항공기의 Elevator Angle, Aileron Angle, Rudder Angle 데이터를 포함한다.
성능/효과
그리고 이를 바탕으로 소프트웨어 구조 및 GUI를 설계하고, C#언어를 이용하여 소프트웨어를 구현하였다. CTSW 기종에 대한 실험을 통하여 개발되어진 소프트웨어의 정확성, 효율성, 편의성을 확인할 수 있었다. 향후 추가 연구를 통하여 다양한 기종의 비행역학 모델에 대한 충실도를 효과적으로 검증할 수 있는 소프트웨어 플랫폼을 구축할 예정이다.
Winform은 WPF와 비교해서 그래픽적 표현에서 한계를 지니고 있지만 GUI 개발에 필요한 다양한 오픈소스를 제공하고 있다. 그리고 본 논문에서 개발할 소프트웨어가 높은 수준의 그래픽 디자인과 애니메이션 효과를 필요로 하지 않기 때문에 Winform으로도 GUI 구현이 용이하다. 사용자로부터의 입력을 받기 위해 버튼, 체크박스, 그리고 체크박스 리스트 등이 사용되었으며 Visual Studio에서 지원하는 기본 오브젝트인 MS Chart에서 지원하는 이벤트를 활용하여 비행데이터의 범위를 마우스로 설정할 수 있도록 구현하였다.
Figure 11의 (a)는 본 소프트웨어를 통해 도시된 차트이며, (b)는 엑셀 프로그램을 통해 도시한 차트이다. 두 차트의 크기 및 범위를 일치시켜 비교한 결과 서로 정확하게 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 QT 기능의 정확성 확인을 위하여 본 소프트웨어에서 생성된 QT 결과와 엑셀 소프트웨어에 의하여 얻어진 QT 결과를 서로 비교하였다.
12는 Roll Response 항목에 대한 실제 비행데이터, FM모듈의 스크립트 파일, 그리고 비행역학 모델에서 생성된 시뮬레이션 데이터가 모두 일치함을 보여준다. 또한 파일 비교 프로그램 WinMerge 을 통해 모든 실험 데이터가 오차없이 동일하게 생성되는 것을 확인하였다. 이러한 사실로부터 본 소프트웨어에서 시뮬레이션 데이터가 자동 획득됨을 알 수 있다.
Figure 10은 외부 파일의 데이터가 소프트웨어 내 부로 정상적으로 전송되는지 확인하기 위해서 Visual Studio에서 제공하는 DataGridView 기능을 이용하여 외부 파일의 데이터와 FM 모듈 내의 데이터를 비교한 것이다. 비교 결과 데이터가 동일함을 확인할 수 있었으며 이것은 본 소프트웨어에서 사용하는 입력 데이터에 오류가 없음을 보여준다. 그리고 본 소프트웨어에서 구현된 차트 도시 기능의 정확성을 확인하기 위해서 소프트웨어에서 시현된 차트를 엑셀 소프트웨어에 의하여 생성된 차트와 비교하였다.
또한 파일 비교 프로그램 WinMerge 을 통해 모든 실험 데이터가 오차없이 동일하게 생성되는 것을 확인하였다. 이러한 사실로부터 본 소프트웨어에서 시뮬레이션 데이터가 자동 획득됨을 알 수 있다.
후속연구
CTSW 기종에 대한 실험을 통하여 개발되어진 소프트웨어의 정확성, 효율성, 편의성을 확인할 수 있었다. 향후 추가 연구를 통하여 다양한 기종의 비행역학 모델에 대한 충실도를 효과적으로 검증할 수 있는 소프트웨어 플랫폼을 구축할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 실험에서 비행역학 모델의 충실도를 자동 검증하는 소프트웨어를 위해 이용되는 것은 무엇인가?
본 논문에서는 Title 14 CFR Part 60과 AC 120- 40C 규정을 통합한 QTG 및 확인시험 절차를 기반으로 정의된 충실도 테스트 항목과 판정 기준[10,11]을 이용하여 비행역학 모델의 충실도를 자동 검증하는 소프트웨어를 개발하고자 한다. QTG는 Title 14 CFRPart 60과 AC 120-40C 규정의 검증 항목 중 성능과 비행성에 해당하는 택시(Taxi), 이륙(Take off), 엔진 (Engines), 동적 조종 시험(Dynamic Control Test), 종축 조종 시험(Longitudinal Control Tests) 등의 평가항목을 포함한다.
항공기 시뮬레이터의 평가를 위한 시험 2가지는 어떻게 분류되는가?
항공기 시뮬레이터의 평가를 위한 시험은 정량적 시험인 확인 시험(Validation Test)과 정성적 시험인 기능 및 주관적 시험(Functions and Subjective Test)으로 분류할 수 있다[5]. 비행역학 모델의 충실도를 객관적으로 검증하는 확인 시험은 Fig.
본 논문에서 개발하려는 소프트웨어의 요구사항은 무엇인가?
⦁ 시뮬레이션 데이터의 효율적인 자동 획득
⦁ 편리한 전처리를 위한 비행데이터 시각화
⦁ 다양한 평가 항목들에 대한 자동 검증 수행
⦁ 효과적인 분석을 위한 검증 결과의 차트 도시
⦁ 사용자 편의성을 고려한 GUI 제공
⦁ 확장성을 고려한 모듈화된 소프트웨어 구조
참고문헌 (12)
https://www.law.cornell.edu/cfr/text/14/part-60
https://www.faa.gov/about/initiatives/nsp/ac/
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Park, J. S., Oh, H. J., Choi, K. Y. and Lee, H. T., "The Research to Verify Reliability of an Aircraft Model for the Next Generation System Simulator by using BADA," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Fall Conference, November 2014, pp. 1735-1738.
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Santhanam, U., "Automation Software Module Testing for FAA Certification," Proceeding of ACM SIGAda Ada Letters, Vol. XXI, No. 4, 2001, pp. 31-38.
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Kim, S. W., Kang, H. H., Bae, K. W., Lee, D. W. and Kim, B. S., "Study on the Tuning of Simulator Flight Model for Light Sport Aircraft," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Fall Conference, November 2018, pp. 913-914.
Kim, S. W., "Study on Verification of Simulator Flight Model for Small Airplane Through Flight Test," un published master graduate school dissertation, Department of Aerospace Engineering Graduate School, Gyeongsang National University, Jinju, 2018.
Beak, S. J., "Development of Software for Automatic Verification of Flight Dynamic Model," un published master graduate school dissertation, Department of Aerospace Engineering Graduate School, Gyeongsang National University, Jinju, 2019.
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