초록 ▼

본 연구는 자율비행 무인항공기의 자동 이착륙 과정에 적용할 수 있는 유도법칙의
개발과 시뮬레이션을 통한 검증 및 성능평가를 최종 목표로 한다. 이를 위하여 무인
항공기 비행 동역학 모듈, 자동비행 제어기, 센서 및 항법 모델링을 수행한 후, 자동
이착륙 유도 알고리즘과 결합하여 최종적인 시스템 수준의 성능 평가에 사용할 수
있는 종합 시뮬레이션 소프트웨어를 개발하고자 한다. 또한 무인항공기 제어 및 유
도 시스템의 평가를 위해 2대의 컴퓨터간의 무선 송수신을 통해 실제 시스템에 근접
한 시뮬레이터 개

본 연구는 자율비행 무인항공기의 자동 이착륙 과정에 적용할 수 있는 유도법칙의
개발과 시뮬레이션을 통한 검증 및 성능평가를 최종 목표로 한다. 이를 위하여 무인
항공기 비행 동역학 모듈, 자동비행 제어기, 센서 및 항법 모델링을 수행한 후, 자동
이착륙 유도 알고리즘과 결합하여 최종적인 시스템 수준의 성능 평가에 사용할 수
있는 종합 시뮬레이션 소프트웨어를 개발하고자 한다. 또한 무인항공기 제어 및 유
도 시스템의 평가를 위해 2대의 컴퓨터간의 무선 송수신을 통해 실제 시스템에 근접
한 시뮬레이터 개발을 기반으로 지상 제어 시스템을 구축함으로써 향후 실제 시스템
의 성능 테스트 베드로 활용할 계획이다.
본 연구의 1차년도 연구에서는 무인항공기 시스템 구축을 위하여 대상 항공기의
선정 및 동역학 모델링을 기반으로 주요 비행 제어 시스템을 설계하고 이를 통합하
여 비선형 시뮬레이션 소프트웨어를 작성하였다.
2차년도 연구에서는 자동 착륙 알고리즘 개발의 일환으로 비행 궤적 추종을 위한
유도법칙을 설계하였다. 또한 1차년도 연구를 통해 구축된 비선형 시뮬레이션 소프
트웨어와 유도법칙을 결합하고, 다양한 시뮬레이션을 수행하여 유도법칙에 대한 성
능을 검증하였다. 나아가 협소한 장소에서 운용할 수 있는 신개념의 고정익 수직 이
착륙/수평 비행 무인항공기에 관한 기초 연구를 수행하고, 본 연구에서 개발한 유도
법칙을 신개념 무인항공기의 전이비행 과정에 성공적으로 적용함으로써 이와 같은
신개념 무인항공기의 운용 가능성을 확인하였다. 그리고 초저가형 근거리 자율비행
무인항공기를 제안하고, 2대의 컴퓨터를 이용하여 무인기 및 지상 제어 시스템을 구
성한 후 실험을 수행하였다.
3차년도 연구에서는 2차년도 연구에서 제안된 비행 궤적 추종 유도법칙을 3차원
으로 확장하였다. 또한 다양한 비행 시나리오를 도출한 후, 유도법칙을 적용한 비선
형 시뮬레이션을 통해 확장된 유도법칙에 대한 성능 분석을 수행하였다. 그리고 2차
년도에 착수한 초저가형 근거리 자율비행 무인항공기 개발의 일환으로 초급 수준의
HILS(Hardware In the Loop Simulation) 시스템을 구성하고, 이를 이용하여 무인항공기 자동 착륙 과정에 대한 시뮬레이션을 통한 비행 특성 분석을 수행하였다.
본 연구에서 수행한 “무인항공기 자동 착륙 유도 알고리즘과 제어기 설계 및 시뮬
레이션에 관한 연구”는 무인항공기의 운용 중 가장 취약한 부분에 해당하는 연구 분
야이다. 본 연구 수행을 통해 무인항공기 자동 착륙을 위한 항법?유도?제어 시스
템 설계 및 해석 능력을 확보하였고, 무인항공기 시스템의 고정밀 모델링 및 이를
기반으로 한 시뮬레이션 Tool을 개발하였다. 이와 같은 항법?유도?제어 시스템 설
계 및 해석 능력과 시뮬레이션 능력을 통해 개발된 무인항공기는 지상제어 시스템과
연계되어 운용할 경우 외부의 도움이 없이 자율비행을 통한 자동 착륙이 가능하므로
무인항공기의 운용 및 활용 범위를 극대화시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본
연구의 자동 착륙 유도 알고리즘 및 유도 법칙은 무인항공기 뿐만 아니라 일반 항공
기의 착륙 유도 및 자동 착륙 과정에 적용하여 비행 특성을 용이하게 분석할 수 있
는 Tool로도 활용할 수 있을 것이다.

Abstract ▼

The final goal of this research is to develop a guidance law that can be applied to the automatic landing of autonomous unmanned aerial vehicles(AUAV). For this purpose, a series of software simulation capabilities will be necessary. This includes nonlinear flight dynamics module, sensor, navigation

The final goal of this research is to develop a guidance law that can be applied to the automatic landing of autonomous unmanned aerial vehicles(AUAV). For this purpose, a series of software simulation capabilities will be necessary. This includes nonlinear flight dynamics module, sensor, navigation system, and flight control systems. These system, when be integrated with the guidance law for
auto-landing, will be effectively used for evaluating the performance of a majority of other AUAV's. Along with purely software approach, hardware-in-the-loop simulation environment will be setup. Two computers will communicate with each other via RF module. One computer will play a role of AUAV and the other is the ground control and monitoring station.(GCS)
During the first year of this research effort, a generic and integrated non-linear simulation environment to simulate the motion of a broad class of aircraft including UAV's has been developed. With a view to developing a guidance law for auto-landing of AUAV, a rather general algorithm for flight trajectory control has been developed during the second year of this research. And a new conceptual UAV, a fixed-wing VTOL UAV, is proposed. Simulation result,which is applied to transition maneuver of a VTOL UAV, shows that the possibility of operating of the proposed guidance law and a new conceptual UAV. As for the ground control station, a system architecture and lay-out was
designed. A preliminary experiment to test the functionality and integrity of two computers, RF module and software was performed during this period.
In the third year, trajectory-tracking guidance law was expanded so as to apply to three-dimensional flight simulation. And various simulations were performed to evaluate performance of guidance law. Also, real-time simulation of UAV auto-landing was performed and compared with the simulation result of non real-time system using HILS(Hardware In the Loop Simulation) system.
The design of the automatic landing guidance law and controller is the most vulnerable part of the UAV study. We developed the new guidance law and controller using our abilities of analysis and design of navigation, guidance, and control systems. We also developed an UAV simulation tool. When the UAV that is developed using the tool is operated with the Ground Control System, it is available to make a landing without any help. If the guidance law and the simulation tool are applied to a general aircraft, analyzing its flight characteristics can also be achieved easily.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문...4
• 2. 영문요약문...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• 1. 서론...6
• 2. 연구방법 및 이론...8
• 2.1 무인항공기 시스템 모델링 및 시뮬레이션 모델 구성...9
• 2.2 3차원 비행궤적 추종을 위한 유도법칙 설계...12
• 2.3 통합 비선형 시뮬레이션 소프트웨어 구축...13
• 2.4 초저가형 근거리 자율비행 무인항공기 제안...14
• 2.5 무인항공기 HILS 시스템을 위한 통신 방식...15
• 2.6 무인항공기 HILS 시스템 구성...16
• 3. 결과 및 고찰...19
• 3.1 무인항공기 자동 착륙 과정 시뮬레이션...19
• 3.2 수직 이착륙/수평 비행 무인항공기의 전이비행 과정 시뮬레이션...21
• 3.3 Helix Trajectory Tracking 시뮬레이션...21
• 3.4 무인항공기의 감시(Reconnaissance) 및 정찰(Surveillance) 비행 시뮬레이션...22
• 3.5 무인항공기 HILS 시스템을 이용한 자동 착륙 과정 시뮬레이션...23
• 4. 결론...26
• 5. 인용문헌...28