초록 ▼

Ⅰ. 연구의 목적 및 필요성 초소형 항공기는 기존의 항공기와는 달리 개인이 휴대할 수 있고, 고급의 정보를 저렴한 비용으로 획득할 수 있는 획기적인 특성을 가지고 있다. 따라서 정보통신 기술과 결합되어 군사 및 민간 부분의 광범위한 분야에서 저 비용으로 고부가 가치를 지닌 정보 획득, 고급 고부가가치의 정보 전송, 정보 선택성 및 정밀도 등을 혁신적으로 향상시킬 수 있다. 초소형 항공기의 개발은 저 레이놀즈 수에서의 항공역학, 초경량 신소재, 다양한 MEMS 센서의 개발, 반도체, 통신, 기계, 항공, 재료 등 관련기술 분야

Ⅰ. 연구의 목적 및 필요성 초소형 항공기는 기존의 항공기와는 달리 개인이 휴대할 수 있고, 고급의 정보를 저렴한 비용으로 획득할 수 있는 획기적인 특성을 가지고 있다. 따라서 정보통신 기술과 결합되어 군사 및 민간 부분의 광범위한 분야에서 저 비용으로 고부가 가치를 지닌 정보 획득, 고급 고부가가치의 정보 전송, 정보 선택성 및 정밀도 등을 혁신적으로 향상시킬 수 있다. 초소형 항공기의 개발은 저 레이놀즈 수에서의 항공역학, 초경량 신소재, 다양한 MEMS 센서의 개발, 반도체, 통신, 기계, 항공, 재료 등 관련기술 분야 상호간 협력과 기술교류를 통하여, 단일 기술분야만의 독자적 기술개발로는 달성키 불가능한 획기적 개념의 연구 부산물을 유도하고 새로운 개념의 선도 기술을 축적 할 수 있는 매우 중요한 기술이다. 특히 초소형이면서 초경량의 비행체가 스스로의 동력원으로 중량을 공중에 유지하며 비행하고 강인한 무선통신 기술을 통한 제어, 운행 및 고속정보 전송의 임무를 수행하려는 목표는 운행 및 통신의 목적에 에너지 사용이 극히 효율적이며 초소형, 경량의 동력원과 전력원, 통신 시스템과 최적화된 비행체 구조 및 소재 등을 요구함으로써 관련 기술분야 전반에 걸쳐서 혁신적인 사고가 필요하다. 이처럼 초소형 비행체 개발기술은 공력설계기술, 동력계통기술, 제어계통기술, 원격탐사기술, 시스템 통합기술 등이 종합적으로 병진 개발되어 그 결과가 조화와 완성도를 이룰 때에만 성공할 수 있는 종합기술 분야이다. 초소형 항공기를 개발하기 위해서는 동력계통, 구조 재료, 센서 및 작동기, 무선 정보통신기술, 자율제어 항법 알고리듬 및 system구현을 초경량화, 초소형화, 초소화하는 극한 기술이 필요하다. 그 결과 관련된 기계/항공/재료/전자통신/화공 분야의 기존 기술을 한 단계 진보시킴으로써 지금 국가적으로 중점 사업으로 시행코저 하는 NT, BT, IT사업의 구체적인 활용분야를 제공함으로써 국가기술경쟁력 향상에 크게 기여할 수 있다. MAV는 무인 비행체로서 이를 공중에서 비행시키고 또한 주어진 임무를 수행키 위해서는 외부 환경의 변화를 효과적으로 감시하고 이에 대한 적절한 제어를 수행할 수 있어야만 성공적인 시스템을 개발할 수 있다. 이를 위해서 본 연구에서는 기존의 수학적 모델링에 근거한 고전적 제어 방법을 탈피하여 모델에 의존하지 않는 새로운 자율제어 기능을 개발코자 한다. 또한 개발된 자율제어 시스템을 chip상에 집적화 하기 위해 여러 가지 설계 및 제조공정 기술들을 개발한다. MAV 기술을 위하여 혁신적인 기술해결이 필요한 분야인 propulsion system이 전체 소요 전력의 약 90%를 소모하고 있고, 전체 중량에서 약 70%를 차지하는 것으로 나타나고 있는 점을 고려할 때, MAV 기술에서 차지하는 propulsion 및 power converter 시스템의 비중은 매우 크고, 따라서 원천적인 기술개발이 필요하다. 현재 영상 센서로 사용되는 기술은 CCD 영상 소자와 CMOS 영상 소자로 구분할 수 있다. CMOS 기술을 이용한 영상 소자는 CCD 기술을 이용한 영상 소자에 비하여 저가격과 다른 전자회로와 집적화의 용이성, 저전력 특징 등을 지니게 된다. 또한 단일칩으로 집적화된 CMOS 영상 센서는 CCD 영상 센서에 비하여, 전체 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있는 장점을 부가적으로 얻을 수 있다. 현재 CMOS 영상 소자를 이용하는 시스템으로, 주로 멀티미디어용 컴퓨터 카메라 등에 많이 이용되고 있으나, 이들 영상 시스템은 영상화소에 비하여, 영상 처리시간이 지연과 더불어 저전력과 경량화 측면에서, MAV 용 영상 시스템으로의 적용에 어려움이 있다. 특히, 영상 시스템의 무게를 줄이기 위해 CMOS영상센서와 제어칩이 함께 집적화 되어야하지만, 이를 위해서는 아날로그 회로와 디지털 회로의 집적화에 발생되는 문제점과 더불어, 발생되는 주변 잡음에 대한 영상센서의 성능을 개선키 위한 광센서에 대한 연구 등이 함께 이루어져야 한다. MAV 적용을 위해능을 증가시키며 픽셀 크기를 증가시키는 부문, 칩 크기의 감소로 감광 영역(photosensitive area)가 줄어드는 문제가 발생하며 이의 해결을 위해 감광도를 증가시키는 부문, 주변회로와 관련하여 잡음 특성을 줄이고 외부 시스템 회로를 집적화 시키는 부문과 관련한 연구가 반드시 수행되어야 한다. 초소형 비행체의 연구개발 당위성은 다음과 같이 요약할 수 있다. (1) 창조성 - 초소형 비행체는 미국에서 DARPA 의 지원하에 활발하게 연구중인 최첨단 기술이고, 새로운 개념정립, 새로운 과학기술 영역의 창조가 필요하다. (2) 기밀성 (stealth) - MAV 가 목표로 하는 크기는 15 cm 정도이며, 가장 작은 철새의 크기와 비슷하여 레이더나 육안으로 구별하는 것이 거의 불가능하다. (3) 기술적 난이도 및 신기술 창출 수준이 높다. Nano 구조 가공 기술, ULSI 기술, system on chip, MEMS, Motion detection, Ratina, 초소형 camera, 초소형 GPS, 초소형 센서 등이 필요하다. (4) 경제성 - 1,000 $/EA, 재사용 가능하다. (5) 파급효과 - 새로운 초소형 부품, 초정밀 가공, 전기, 전자, 재료, 센서, 항공, 화공 (전지) 분야의 발전을 가져옴. 미국의 우주 개발사업의 파급 효과가 일례이다. (6) 초소형 제어 시스템, 초소형 센서류, 초소형 부품류, 정밀가공, 영상 소자, 데이터 압축기술, 통신분야에 획기적인 영향을 미친다. Ⅱ. 연구의 목표 및 내용 최종 연구목표: Size < 15 cm, Weight <100 gram 규모의 고정익 초소형 비행체 제작 및 비행시험 1. 초소형 비행체 2차 시작품 제작. 풍동 시험장치를 활용한 고정익(크기 : 20cm) 초소형 비행체의 항공 역학적 특성 해석. 비행 시험 및 영상 송수신 시험. - 소형, 저전력 소모 저잡음 초고주파 증폭기 모듈개발 - 전자파 전파의 지향성 개선 및 수신단 감도 개선으로 송, 수신 모듈의 비행체 탑재시 운용 특성의 개선 - 발진기, mixer 회로 등 고지향성 위상배열 안테나 구성회로 설계 2. 자율제어 시스템을 개발하고, 개발된 자율제어 시스템을 chip상에 집적화 하기 위해 여러 가지 설계 및 제조공정 기술 개발. MAV용 자율제어시스템의 SOC를 이용한 구현. (1) 자율제어시스템의 1차 성능평가 및 수정 보완 -비행실험을 통한 Behavior-based 자율제어구조 성능 실험 및 보완 -자율제어 구조를 위한 실험용 글라이더 타입 비행체 제작 -학습기능을 적용한 자율제어 알고리즘 개발 -자율제어기의 System-On-Chip 구현 (2) 신경회로망용 SOC의 제조 공정 확립 및 특성 평가 - retina센서chip특성평가 3. MAV에 탑재시키기 위하여 power density가 높은 전동기, driver, power converter 를 개발하는 것을 목표로 함. - MAV 탑재용 3상 BLDC motor 및 driver 개발(power density 300mW/g이상) - MAV 탑재용 power converter 개발(power density 100W/in3 이상) 4. CMOS 픽셀 어레이 제조 기술 개발 연구는 크게 3가지 분야로 첫 번째로 광센서 부문과, 둘째 senosr chip을 설계하기 위한 영상센서 칩 부문, 마지막으로 카메라 시스템을 구성키 위한 영상센서 시스템 부문으로 진행되었음. Ⅲ. 연구의 결과 및 향후 추진계획 1. 비행체 제작 과제에서는(1) 비행체 제작 부문에서는 19 cm 크기의 비행체 설계한 후 비행체를 제작하였고 KIST 잔디밭 상공에서 비행시험을 성공적으로 수행하였다. (2) 풍동장치를 활용한 초소형 비행체의 공력특성 측정 및 해석에서는 저속 카메라로 유동가시화 사진을 촬영하였고, wingtip 에서의 vortex의 형성을 보여준다. MAV 의 공력 특성 평가로는 -유속: 15m/s, axial chord 기준 Re= , 최대 양력 계수 값은 약 1.305 이고 22도에서 실속이 일어난다. 최대 L/D 는 받음각 6도일 때 약 5.57로 측정되? 일 때 약 1.83N(∼187g)으로 측정되었다 설계 제작 기술, FET 고정 주파수형 발진기 설계, 전압 조정형 발진기 설계제작, 초소형 송수신기 제작 및 비행체 탑재 시험운용. 2. MAV 용 자율제어 시스템 개발과제에서는 (1) Behavior-based control algorithm을 이용한 MAV용 자율제어방법 개발 및 실험, (2) MAV 탑재를 위한 SOC 구현, (3) 자율비행 제어를 위한 3-dim gyro sensor 개발 및 SOC와의 integration, (4) 비행체 탑재를 통한 자율제어 비행성능 평가, (5) retina 센서 chip 설계 및 제작, 특성평가 3. MAV 용 동력 시스템개발과제에서는 (1) BLDC 전동기, Power density를 높이는 소형 고출력화를 위하여 네오디움자석을 사용하였고 고속회전에 따른 철손을 줄이기 위하여 철심재료로 아모포스를 사용함으로써 효율 90%이상의 BLDC 전동기를 설계하였다. 5W급 8극 3상 BLDC 전동기를 제작하였다. 4. MAV 탑재용 관측 시스템 개발과제에서는 (1) 광센서 부문과, (2) senosr chip을 설계하기 위한 영상센서 칩 부문, (3) 카메라 시스템을 구성키 위한 영상센서 시스템 부문으로 진행되었다. 1.5um 표준 CMOS 공정을 이용하여 16×16의 광다이오드센서 어레이와 4×4 MOSFET형 광센서 어레이를 제작하여 평가하였다. 영상센서시스템의 출력단과 무선전송시스템을 연결하여 시스템의 중량이 약 20g 내외로서 2년 차의 연구결과에 비해 소형화 및 경량화를 이룰 수 있었다. 향후 추진 계획으로는 (1) 초소형 비행체의 크기를 15 cm 이하로 축소하고, 풍동 시험 등을 통하여 최적의 비행체를 설계할 계획이다. 또한 모터를 사용한 초소형 비행체를 제작하여, 비행시험을 하고 항공 역학적인 특성을 조사할 예정이다. 초소형 송·수신기를 제작하고 비행체에 탑재하여 최적화할 예정이다. (2) 반사적인 자율제어 비행은 독창적인 아이디어로이 분야의 세계적인 기술우위를 확보하였으며, 이를 비행체 뿐만 아니라 여타 로봇, 산업기기의 제어에도 적용하여 활용할 수 있다. (3) One chip상에 집적화 하기 위해 여러 가지 설계 및 제조공정 기술들이 함께 개발되었고 최근 각광 받는 기술인 SOC(System On Chip)기술을 습득하여 광범위한 분야에 응용할 수 있다. (4) 초소형 전동기 및 제어기술의 응용 연관 과제의 도출 노력하며, 센서리스 제어형 브러시리스 직류motor의 military application 과제 도출 노력한다. (5) 앞으로의 추진 계획은 3차년도에 제작된 0.35um공정을 이용한 영상센서의 패키징 공정이 끝나는데로 측정을 마쳐야하며, 이를 영상센서 칩 설계에 반영하여 4차년도에는 quater-VGA급 센서칩을 0.35μm의 표준 CMOS공정에 의하여 설계하여 기본적인 영상을 획득할 수 있는 칩으로 개발할 예정이다. 영상센서시스템의 개발은 3차년도에 문제로 대두되었던 PCB 무게를 줄이는 방안을 모색하여 보다 경량화된 CMOS 영상센서 시스템을 구현하는 것이다.

목차 Contents

• 제 1 장 초소형 비행체 개발...11
• 제1절 초소형 비행체 개발연구의 개요...12
• 제2절 초소형 비행체에 탑제할 송수신용 안테나...14
• 제3절 초소형 비행체와 지상국간 통신모듈개발...16
• 제 2 장 초소형 비행체의 항공역학적 특성 분석...45
• 제1절 서론...46
• 제2절 실험장치 및 방법...59
• 제3절 실험결과 및 고찰...70
• 제4절 결론...92
• 제 3 장 자율제어...99
• 제1절 서 론...100
• 제2절 초소형 비행체의 자율제어를 위한 behavior-based control algorithm의 설계...101
• 제3절 Behavior-based controller의 구현 및 실험...102
• 제4절 자율비행 controller 구현...107
• 제5절 초소형 비행체의 항공운항 학습 알고리즘...110
• 제 4 장 자율제어시스템 시험용 항공기시스템 설계연구 기술 개발...118
• 제1절 서 론...119
• 제2절 연구목표 및 수행방법...121
• 제3절 항공기 설계결과...123
• 제4절 비행체 모델링 및 동특성 해석...132
• 제5절 자동조정 장치 설계...140
• 제6절 항공기 제작 및 비행 시험...149
• 제7절 결론...151
• 제 5 장 MAV 동력 System...152
• 제1절 서 론...153
• 제2절 MAV용 추진전동기...155
• 제3절 브러시리스 직류전동기의 제어...168
• 제4절 전원 컨버터...194
• 제5절 결 론...231
• 제 6 장 MAV 탑재용 관측 System 개발...234
• 제1절 서 론...235
• 제2절 광센서...236
• 제3절 영상센서 칩...247
• 제4절 영상 카메라 시스템...274