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스마트 무인기 자율지능 비행제어 기술개발에 관한 연구
A Study on Development on Autonomous Intelligent Flight Control System for Smart UAV 원문보기

보고서 정보
주관연구기관 서울대학교
Seoul National University
연구책임자 김유단
참여연구자 탁민제 , 방효충 , 김병수 , 김현진 , 신호현 , 박세욱 , 신종호 , 오현동 , 이일형 , 원대연 , 강태화 , 김부민 , 박종호
보고서유형2단계보고서
발행국가대한민국
언어 한국어
발행년월2009-05
주관부처 지식경제부
사업 관리 기관 한국과학재단
Korea Science and Engineering Foundtion
등록번호 TRKO200900074568
사업명 스마트 무인기 기술개발사업
DB 구축일자 2013-04-18
키워드 자율지능 비행제어 기술.충돌회피 기술.고장진단 및 재형상 제어.슬라이딩 모드 제어기.복합 가설 칼만필터.지능형 적응제어 기술.신경회로망.자동착륙 및 유도제어.self intelligence flight control.collision avoidance.fault diagnosis and reconfigurable control.sliding mode control.multi-hypothesis kalman filter.intelligent adaptive control.neural network.auto landing and guidance.

초록

본 연구에서는 스마트 무인기의 자율지능 비행제어 기술의 개발을 위해서 충돌회피, 고장진단 및 재형상 제어, 지능형 적응제어, 자동착륙 및 유도제어 분야에 대한 연구를 수행하였다. 충돌회피 부분에서는 ADS-B 개념을 적용한 알고리즘을 제안하여 신뢰성이 높은 무인항공기 운용을 가능하게 하였다. 고장진단 및 재형상 제어 부분에서는 슬라이딩 모드 제어기와 복합 가설 칼만필터를 이용한 고장진단 및 재형상 제어 알고리즘을 제안하여 무인기의 조종면 고장과 구동기 저하 등의 고장에 대해서 고장을 감지하고 재형상 제어를 수행할 수 있게 하였다.

Abstract

- Collision Avoidance Technology
In this research, by performing the literature survey of various collision avoidance methodologies, it offers new techniques using information and probabilistic approach from ADS-B sensor which can be applied to collision avoidance of Smart UAV. Also collision avo

목차 Contents

  • 제 1 장. 연구개발과제의 개요 ...34
  • 제 2 장. 국내외 기술개발 현황 ...38
  • 제 3 장. 연구개발수행 내용 및 결과 ...50
  • 1 절. 무인기 충돌회피 기술 ...50
  • 1. 충돌회피 알고리즘 연구 ...50
  • 가. 충돌회피 기술을 위한 연구 ...50
  • 나. 충돌감지 및 충돌회피 모델 제시 ...52
  • 2. 실시간 충돌 감지 및 회피 알고리즘 ...52
  • 가. 충돌회피 기법 특성 ...52
  • 나. ADS-B ...53
  • 다. 시스템 모델 ...54
  • 라. 시뮬레이션 결과 ...64
  • 3. PILS를 이용한 충돌회피 알고리즘 검증 ...72
  • 가. PILS용 지상통제시스템 개발 ...72
  • 나. PILS 시스템 구성 ...76
  • 다. PILS 테스트 결과 ...78
  • 2 절. 다중화 시스템 고장여유 기술 ...83
  • 1. 비모델 기반 고장진단 및 재형상 제어 ...83
  • 1.1 고장상황 모델링 ...84
  • 1.2 모델추종 기법 기반 재형상 기법 ...93
  • 2. 모델 기반 고장진단 및 재형상 기법 ...103
  • 2.1 복합 가설 칼만필터 ...103
  • 2.2 재형상 제어 ...108
  • 2.3 PILS 시뮬레이션 ...120
  • 3 절. 지능형 적응제어 기술 ...126
  • 1. 신경회로망 내부루프 제어기 설계 ...126
  • 1.1 틸터로터 항공기 운동모드 분석 ...126
  • 1.2 Control Mixer 분석 ...129
  • 1.3 신경회로망 기반의 적응제어 기법 ...133
  • 1.4 스마트무인기의 SCAS 설계 ...139
  • 2. SCAS 시뮬레이션 결과 및 성능평가 ...141
  • 3. 40% 축소기 모델 모드 통합형 궤적추종 제어기 설계 ...145
  • 3.1 모드 통합형 궤적추종 제어기 설계 ...145
  • 3.2 자동착륙 시나리오 ...151
  • 3.3 자동착륙 시뮬레이션 결과 및 평가 ...153
  • 4. PILS 수행 ...158
  • 4.1 설계된 SCAS 제어기의 C 코딩 ...158
  • 4.2 코딩 결과 검증 ...161
  • 4.3 PILS 수행 결과 ...166
  • 4 절. 무인기 자동착륙 및 유도제어 기술 ...168
  • 1. 자동착륙 시나리오 ...168
  • 2. 자동착륙 제어기 설계 ...169
  • 가. 자동착륙 명령 생성 ...169
  • 나. 제어 입력 구성 ...171
  • 다. 종방향 제어 시스템 ...172
  • 라. 횡방향 제어 시스템 ...172
  • 마. 매트랩 함수의 C 코드 변환 ...173
  • 바. 공진화 기법을 이용한 제어이득 최적화 ...174
  • 3. PILS 실험결과 ...178
  • 가. 자동착륙 연구 기술 ...178
  • 나. 유도제어(속도 및 고도유지) 기술 ...186
  • 제 4 장. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...192
  • 제 5 장. 연구개발결과의 활용계획 ...194
  • 제 6 장 참고 문헌 ...196
  • 표 1-1 기술별 연구개발 최종목표 ...34
  • 표 2-1 탐지 센서에 따른 장단점과 예 ...40
  • 표 2-2 다중화 시스템 고장여유 기술 분류 ...44
  • 표 3-1 충돌위험 수준(Threat level) ...60
  • 표 3-2 충돌위협에 따른 회피기동 옵션 ...61
  • 표 3-2 수평면 조우 상황 분류 ...65
  • 표 3-4 수직면 조우 상황 분류 ...65
  • 표 3-5 페루프 시스템의 고유치 ...99
  • 표 3-6 40% 축소기 모델(ver.2.7) 시뮬레이션 결과 ...141
  • 표 3-7 100% 모델(ver.2.7) 시뮬레이션 결과 ...143
  • 표 3-8 각 모드별 스마트무인기 조종 방식 ...145
  • 표 3-9 프로그램 구조 ...158
  • 표 3-10 자동 착륙 과정에 따른 속도와 고도 ...169
  • 표 3-11 자동 착륙 과정에 따른 속도 및 고도, 요각의 유도식 ...170
  • 표 3-12 스마트무인기의 조종입력 ...171
  • 표 3-13 비행 모드에 따른 제어입력 ...171
  • 표 3-14 자동착륙을 위한 종방향 제어기의 제어이득 ...178
  • 표 3-15 속도 및 고도 유지를 위한 종방향 제어기의 제어이득 ...186
  • 표 3-16 속도 및 고도 변화율 구속조건 ...187
  • 표 4-1 연구 목표 달성도 ...192
  • 표 4-2 연구 개발결과의 활용도 ...193
  • 그림 1-1 ADS-B 기술 구성도 ...35
  • 그림 1-2 고장진단 및 재형상제어를 통한 고장여유 기술 체계도 ...35
  • 그림 1-3 신경회로망 기반의 지능형 적응제어시스템 구조 ...36
  • 그림 2-1 Kiruna 공항에서 이륙한 Eagle 무인기 ...41
  • 그림 2-2 ADS-B 장치를 장착한 ...41
  • 그림 2-3 Proteus에 장착된 Amphitech사의 OASys 레이더 ...43
  • 그림 2-4 AS350 B3에 장착된 Amphitech사의 OASys 레이더 ...43
  • 그림 2-6 적응기법 이용 고장검출 및 분리 ...46
  • 그림 2-7 고장허용 제어기법 ...47
  • 그림 2-8 고장적응 제어기법의 블럭선도 ...47
  • 그림 3-1 ADS-B 운용 개념도 ...54
  • 그림 3-2 항공기의 좌표계 ...54
  • 그림 3-3 Conflict의 정의 ...57
  • 그림 3-4 충돌 감지, 충돌회피 및 유도 알고리즘 흐름도 ...58
  • 그림 3-5 Monte Carlo simulation 정확도 ...59
  • 그림 3-6 시간 간격에 대한 비행경로 적분 [3-10] ...59
  • 그림 3-7 보호 구역과 항공기의 예상 경로 교차(상대 좌표) ...60
  • 그림 3-8 3차원 유도 기하 ...62
  • 그림 3-9 수평면 유도 기하 ...62
  • 그림 3-10 수직면 유도 기하 ...63
  • 그림 3-11 비행경로 ...66
  • 그림 3-12 상대 거리 ...66
  • 그림 3-13 충돌 확률 ...66
  • 그림 3-14 제어 명령 ...66
  • 그림 3-15 비행경로 ...67
  • 그림 3-16 상대 거리 ...67
  • 그림 3-17 충돌 확률 ...67
  • 그림 3-18 제어 명령 ...67
  • 그림 3-19 비행경로 ...68
  • 그림 3-20 상대 거리 ...68
  • 그림 3-21 충돌 확률 ...68
  • 그림 3-22 제어 명령 ...68
  • 그림 3-23 비행경로 ...69
  • 그림 3-24 상대 거리 ...69
  • 그림 3-25 충돌 확률 ...69
  • 그림 3-26 제어 명령 ...69
  • 그림 3-27 비행경로 ...70
  • 그림 3-28 상대 거리 ...70
  • 그림 3-29 충돌 확률 ...70
  • 그림 3-30 제어 명령 ...70
  • 그림 3-31 비행경로 ...71
  • 그림 3-32 상대 거리 ...71
  • 그림 3-33 충돌 확률 ...71
  • 그림 3-34 상대 거리 ...71
  • 그림 3-35 지상통제 시스템 ...72
  • 그림 3-36 비행 조종 영역 및 기타버튼 ...73
  • 그림 3-37 충돌회피장치 및 엔진제어 ...73
  • 그림 3-38 통신 및 COM/조이스틱 ...74
  • 그림 3-39 저속주기 데이터 ...74
  • 그림 3-40 메시지 영역 데이터 ...75
  • 그림 3-41 비행계기 및 노브 ...76
  • 그림 3-42 평면지도 및 천이경로 ...76
  • 그림 3-43 PILS 시스템 구성도 ...77
  • 그림 3-44 DSP와 확장보드 ...77
  • 그림 3-45 적기 생성 프로그램 ...78
  • 그림 3-46 비행경로 ...79
  • 그림 3-47 상대 거리 ...79
  • 그림 3-48 충돌 확률 ...79
  • 그림 3-49 제어 명령 ...79
  • 그림 3-50 비행경로 ...80
  • 그림 3-51 상대 거리 ...80
  • 그림 3-52 충돌 확률 ...80
  • 그림 3-53 제어 명령 ...80
  • 그림 3-54 비행경로 ...81
  • 그림 3-55 상대 거리 ...81
  • 그림 3-56 충돌 착률 ...81
  • 그림 3-57 제어 명령 ...81
  • 그림 3-58 비행경로 ...82
  • 그림 3-59 상대 거리 ...82
  • 그림 3-60 충돌 확률 ...82
  • 그림 3-61 제어 명령 ...82
  • 그림 3-62 고정익 모드 Control Mixer의 Matlab simulink ...86
  • 그림 3-63 고장이 발생하지 않은 경우 롤각 변화 ...89
  • 그림 3-64 고장이 발생하지 않은 경우 고도 변화 ...89
  • 그림 3-65 LQR 제어기를 사용한 선형 모델의 롤각 시간반응 ...91
  • 그림 3-66 LQR 제어기를 사용한 선형 모델의 조종면 변위 ...91
  • 그림 3-67 LQR 제어기를 사용한 비선형 모델의 롤각 시간반응 ...92
  • 그림 3-68 LQR 제어기를 사용한 비선형 모델의 조종면 변위 ...92
  • 그림 3-69 일반적인 모델추종기법 알고리듬 ...93
  • 그림 3-70 일반적인 모델 추종 기법을 이용한 선형 모델의 롤각 시간반응 ...94
  • 그림 3-71 스마트 무인기의 모델추종 기법을 기반한 재형상 제어 시스템 ...100
  • 그림 3-72 재형상 제어기를 사용한 선형 모델의 롤각 시간반응 ...100
  • 그림 3-73 재형상 제어기를 사용한 선형 모델의 조종면 변위 ...101
  • 그림 3-74 재형상 제어기를 사용한 비선형 모델의 롤각 시간반응 ...101
  • 그림 3-75 재형상 제어기를 사용한 비선형 모델의 조종면 변위 ...102
  • 그림 3-75 칼만필터 계산과정 ...105
  • 그림 3-77 정상상태에서의 상태변수 값 ...109
  • 그림 3-78 정상 상태에서의 log-likelihood function의 값 ...109
  • 그림 3-79 정상 상태에서의 고장 모드 선언값 ...110
  • 그림 3-80 정상 상태에서의 제어입력 값 ...110
  • 그림 3-81 Collective Stick 효율저하 시의 상태변수 값(재형상 제어를 하지 않은 경우) ...111
  • 그림 3-82 Collective Stick 효율저하 시의 log-likelitood function 값 ...112
  • 그림 3-83 Collective Stick 효율저하 시의 고장 모드 선언값 ...112
  • 그림 3-84 Collective Stick 효율저하 시의 제어입력 값 ...113
  • 그림 3-85 Collective Stick 효율저하 시의 상태변수 값 (재형상 제어를 한 경우) ...113
  • 그림 3-86 Collective Stick 효율저하 시의 log-likelihood function 값 ...114
  • 그림 3-87 Collective Stick 효율저하 시의 고장 모드 선언값 ...114
  • 그림 3-88 Collective Stick 효율저하 시의 제어입력 값 ...115
  • 그림 3-89 Longitudinal Stick 효율저하 시의 상태변수 값 ...116
  • 그림 3-90 Longitudinal Stick 효율저하 시의 log-likelihood function 값 ...116
  • 그림 3-91 Longitudinal Stick 효율저하 시의 고장 모드 선언값 ...117
  • 그림 3-92 Longitudinal Stick 효율저하 시의 제어입력 값 ...117
  • 그림 3-93 Longitudinal Stick 효율저하 시의 상태변수 값 ...118
  • 그림 3-94 Longitudinal Stick 효율저하 시의 log-likelihood function 값 ...118
  • 그림 3-95 Longitudinal Stick 효율저하 시의 고장 모드 선언값 ...119
  • 그림 3-96 Longitudinal Stick 효율저하 시의 제어입력 값 ...119
  • 그림 3-97 PILS 시스템 구성도 ...120
  • 그림 3-98 Collective Stick 효율 감소시 상태변수 값 비교 ...122
  • 그림 3-99 Collective Stick 효율 감소시 고장 모드 선언값 비교 ...122
  • 그림 3-100 Collective Stick 효율 감소시 상태변수 값 비교 ...123
  • 그림 3-101 Collective Stick 효율 감소시 고장 모드 선언값 비교 ...123
  • 그림 3-102 Longitudinal Stick 효율 감소시 상태변수 값 비교 ...124
  • 그림 3-103 Longitudinal Stick 효율 감소시 고장 모드 선언값 비교 ...124
  • 그림 3-104 Longitudinal Stick 효율 감소시 상태변수 값 비교 ...125
  • 그림 3-105 Longitudinal Stick 효율 감소시 고장 모드 선언값 비교 ...125
  • 그림 3-106 TR301 최종모델 Open-loop Mode ...126
  • 그림 3-107 TRS4 모델 종축 Open-loop Mode ...127
  • 그림 3-108 TRS4 모델 횡방향축 Open-loop Mode ...127
  • 그림 3-109 TRS5 최종모델 Open-loop Mode ...128
  • 그림 3-110 TRS5 40S 최종모델 Open-loop Mode ...128
  • 그림 3-111 Control Mixer의 입/출력 ...129
  • 그림 3-112 Control Mixer를 포함한 스마트무인기 조종시스템 ...129
  • 그림 3-113 Cyclic Pitch Block ...130
  • 그림 3-114 Collective & Lateral Cyclic Pitch Block ...131
  • 그림 3-115 Conversion Corridor block ...132
  • 그림 3-116 Dynamic Model Inversion ...134
  • 그림 3-117 Adaptive Control Architecture ...135
  • 그림 3-118 PCH를 포함하는 SCAS 구조 ...138
  • 그림 3-119 신경회로망의 구조 ...140
  • 그림 3-120 40% 축소기 모델 (DMI 모델 : 회적인 모드) ...142
  • 그림 3-121 100% 모델 (DMI 조건 : 회전익 모드) ...144
  • 그림 3-122 스마트무인기 궤적추종 적응제어기 ...150
  • 그림 3-123 스마트무인기 Conversion Corridor ...151
  • 그림 3-124 스마트무인기 자동착륙 시나리오 ...152
  • 그림 3-125 북쪽 방향 속도(Ue) ...153
  • 그림 3-126 동쪽 방향 속도(Ve) ...154
  • 그림 3-127 고도(H) ...154
  • 그림 3-128 내부루프의 명령추종 성능 ...155
  • 그림 3-129 자동착륙 시 상태변수의 응답특성 ...156
  • 그림 3-130 자동착륙 궤적(신경회로망 작동 전) ...157
  • 그림 3-131 자동착륙 궤적(신경회로망 작동) ...157
  • 그림 3-132 헤딩명령의 ${\pm}\infty$ 형태로 누적 방식 ...159
  • 그림 3-133 스틱입력에 따른 요 명령 생성 방식 ...159
  • 그림 3-134 시뮬링크 블록과 비교 ...161
  • 그림 3-135 Command Generator Block ...162
  • 그림 3-136 Command Generator 결과 비교 ...162
  • 그림 3-137 Neural Network Block 추가 ...163
  • 그림 3-138 Neural Network Block 추가 결과 비교 ...163
  • 그림 3-139 DMI Block 추가 ...164
  • 그림 3-140 DMI Block 추가 결과 비교 ...164
  • 그림 3-141 PCH Block 추가 ...165
  • 그림 3-142 시뮬링크 수정 후 결과 비교 ...165
  • 그림 3-143 시뮬레이션 결과 ...166
  • 그림 3-144 PILS 결과 ...166
  • 그림 3-145 시뮬레이션 결과 ...167
  • 그림 3-146 PILS 결과 ...167
  • 그림 3-147 시뮬레이션 결과 ...167
  • 그림 3-148 PILS 결과 ...167
  • 그림 3-149 자동 착륙 시나리오 ...168
  • 그림 3-150 3차원 자동 착륙 시나리오 ...170
  • 그림 3-151 종방향 제어 시스템 ...172
  • 그림 3-152 횡방향 제어 시스템 ...173
  • 그림 3-153 안장점 문제에 대한 공진화 알고리듬(CEALM)의 순서도 ...177
  • 그림 3-154 스마트 무인기의 비선형 시뮬레이터 ...178
  • 그림 3-155 자동착륙 궤적 결과 ...179
  • 그림 3-156 속도 대 틸팅각 변화 ...180
  • 그림 3-157 오일러 각 응답 ...180
  • 그림 3-158 각속도 응답 ...181
  • 그림 3-159 종방향 제어입력 ...181
  • 그림 3-160 횡방향 제어 입력 ...182
  • 그림 3-161 자동착륙 속도 궤적 ...183
  • 그림 3-162 자동착륙 고도 궤적 ...184
  • 그림 3-163 속도 대 틸팅 각 변화 ...184
  • 그림 3-164 오일러 각 응답 ...185
  • 그림 3-165 각속도 응답 ...185
  • 그림 3-166 종방향 제어입력 ...186
  • 그림 3-167 속도 및 고도 변화율 구속조건을 고려한 시뮬링크 ...187
  • 그림 3-168 속도 유지 결과 ...188
  • 그림 3-169 고도 유지 결과 ...188
  • 그림 3-170 속도 대 틸팅 각 변화 ...189
  • 그림 3-171 오일러 각 응답 ...189
  • 그림 3-172 각속도 응답 ...190
  • 그림 3-173 종방향 제어입력 ...190

연구자의 다른 보고서 :

참고문헌 (25)

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