조종성 요구조건을 반영한 무인 복합형 회전익기 자율비행 제어법칙 설계 :A Design of Autonomous Flight Control Law of Unmanned Compound Rotorcraft Based on Handling Qualities Requirements

강상호

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자료유형: 학위논문

저자정보: 강상호 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 김창주

발행연도: 2019

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이용수7

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2019

조종성 요구조건을 반영한 무인 복합형 회전익기 자율비행 제어법칙 설계

강상호 항공우주정보시스템공학과 2019.01 학위논문

2018

CONDUIT을 이용한 무인 복합형 회전익기의 자율비행 제어기 설계

강상호 , 이성한 , 김창주 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2018.11 학술대회자료

2017

CONDUIT을 이용한 무인 회전익기 비행 제어기 설계

강상호 , 이도현 , 허성욱 외 2명 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2017.11 학술대회자료

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본 논문에서는 무인 복합형 항공기에 적용할 자율 비행제어 시스템의 내부루프 제어기를 설계하였다. 항공기 비행동역학 모델 개발은 Gen-ATLAS를 이용하였다. 회전익의 경우 각 축의 강한 연계효과로 인한 비선형성을 많이 포함하기 때문에 모델 불확실성에 강건한 모델 추종 제어기법을 사용하였으며 역 변환 모델은 선형 상태 방정식으로부터 유도하였다. 내부루프 제어기는 추종제어를 통해 생성된 궤도를 항공기의 속도나 자세각 제어를 통해 추적하도록 설계하였으며 회전익 비행 모드의 제자리 비행 및 저속영역, 전진비행 영역, 그리고 고정익 비행 모드의 고속 비행 영역을 포함하는 전체 영역에서 운용이 가능하도록 하였다. 또한 각 비행 모드는 자동비행모드와 수동비행모드로 나누어지며 사용자의 목적에 따라 자유롭게 전환이 가능하다. 각 개별 비행영역과 비행모드에 따라 채택된 조종응답특성은 비행영역이 전환됨에 따라 자동으로 전환하도록 설계하였다. 전환시에는 비행상태와 역변환 모델을 통해 계산된 바람직한 조종 입력값(desired command input)에 불연속이 없도록 무충돌 전환 알고리즘(Bump-less transfer algorithm)을 개발하여 적용하였다. 제어기 설계를 위한 무인 항공기의 조종성 요구조건은 아직 마련 된 바가 없기 때문에 본 논문에서는 무인 항공기에 적용할 적절한 조종성 요구조건에 대한 연구를 수행하였고 이에 대해 적절한 대안을 제시하였다. 또한 CONDUIT을 활용하여 개발한 비행제어기와 이를 적용 및 개발한 무인 복합형 항공기의 조종성(HQR: Handling Quality Rating)이 Level 1을 만족하도록 설계계수(design parameter)를 최적화하여 조종성 요구조건의 충족 여부를 확인하였고 시뮬레이션을 통해 제어기의 성능을 검증하였다.

#CONDUIT #Autonomous flight control system #Handling qualities requirements #Unmanned compound aircraft

제1장서론 1
제1절 연구배경 1
제2절 연구내용 6
제2장 모델링 및 트림해석 9
제1절 복합형 회전익기 모델링 9
1. 힘과 모멘트 방정식 9
2. Control Strategy and Pusher collective pitch angle scheduling 11
3. 요소별 모델링 13
제2절 트림 kinematics 28
1. 직선비행 트림 조건식 29
2. 선회비행 트림 조건식 30
제3절 트림 해법(Quasi-Newton Method) 32
제4절 트림해석 결과 34
1. 전진속도에 따른 직선 비행 35
2. 옆미끄러짐각을 가지는 직선 비행 40
3. 상승각을 가지는 직선비행 46
4. Level turn left 비행 52
5. Level turn right 비행 57
6. Helical turn 비행 63
제5절 상태 방정식(State Equation) 69
제6절 안정성 해석 72
1. 동안정성 72
2. 안정미계수와 조종미계수 82
제3장 무인항공기 조종성 요구조건 91
제1절 유인항공기 조종성 요구조건 91
제2절 무인항공기 조종성 요구조건 연구 동향 94
제3절 무인항공기 조종성 요구조건 대안 101
제4절 무인항공기 조종성 요구조건 적용 사례 104
제5절 무인항공기 조종성 요구조건 선정 109
제4장 비행제어법칙 설계 112
제1절 자율 비행제어 시스템 112
1. Flight-Test Hardware 112
2. Mission Software 113
3. Autonomous Flight Control Software 119
제2절 내부루프 설계 128
1. 조종응답 특성 128
2. 내부루프 구성요소 및 제어로직 131
3. 내부루프 제어로직 137
4. 내부루프 제어기 구조 142
제5장 비행제어법칙 최적화 149
제1절 CONDUIT 개요 149
제2절 설계변수 초기값 150
1. Revised plant model 151
2. Revised controller 154
제3절 설계변수 최적화 결과 163
제4절 응답특성 평가 166
제6장 시뮬레이션 환경 및 검증 168
제1절 시뮬레이션 환경 168
1. 제어 이득값 Interpolation 168
2. 자동비행제어 모드의 engage 조건 172
3. 무충돌 전환 알고리즘(Bumpless transfer algorithm) 174
4. 오토 트리머(Auto-trimmer) 189
제2절 시뮬레이션 환경 결과 194
1. 수동조종비행 모드 194
2. 자동조종비행 모드 199
3. 자동비행조종 모드, 오토 트리머 203
제7장 결론 207
참고문헌 209
부록 216
ABSTRACT 260

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