KR101827955B1 - 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 장치 및 방법 - Google Patents

비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비행체의 트림과 관련된 변수들을 기초로 비행체의 대기 속도를 추정하는 데에 필요한 정보들을 산출하는 정보 산출 장치 및 방법을 제안한다. 본 발명에 따른 장치는 미리 정해진 지점에서의 비행체의 트림과 관련된 모델을 생성하는 트림 모델 생성부; 비행체의 트림과 관련된 모델에서 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 추출하는 변수 추출부; 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 기초로 비행체의 대기 속도를 추정하는 데에 이용될 필터에 대한 정보 및 미리 정해진 지점에서의 비행체에 대한 정보를 산출하는 필터 및 비행체 정보 산출부; 및 필터에 대한 정보 및 비행체에 대한 정보를 저장하는 필터 및 비행체 정보 저장부를 포함한다.

Description

비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 장치 및 방법 {Apparatus and method for computing information for estimating air speed of flight vehicle}
본 발명은 비행체의 대기 속도를 추정하기 위한 정보를 산출하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 무추력 비행체의 대기 속도를 추정하기 위한 정보를 산출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
추진 기관을 정지시킨 후 활공하는 유도 무기가 정밀하게 제어되기 위해서는 대기 속도(또는 바람 속도)를 센싱하거나 추정해야 한다.
대기 속도를 센싱하고자 하는 경우, 유도 무기에는 대기 속도를 센싱하기 위한 센서가 추가되어야 한다. 그러나 이와 같은 센서의 추가는 유도 무기를 생산하는 데에 추가적으로 비용이 발생시키는 문제점이 있다.
반면 대기 속도를 추정하고자 하는 경우, 대기 속도 추정 알고리즘은 유도 조종 보드에 추가될 수 있다. 그러나 유도 조종 알고리즘으로 인해 대기 속도 추정 알고리즘을 유도 조종 보드에 탑재하는 데에는 다음과 같은 문제점들이 있다.
첫째, 대기 속도 추정 알고리즘은 유도 조종 알고리즘으로 인해 유도 조종 보드의 메모리 공간 내에서 공간 제약이 있다.
둘째, 대기 속도 추정 알고리즘의 연산량이 특정 주기를 가지고 동작하는 유도 조종 알고리즘의 계산 주기에 영향을 미치지 말아야 한다.
따라서 유도 무기의 대기 속도 추정을 위해 대기 속도 추정 알고리즘을 구현하기 위해서는 대기 속도의 추정 성능 뿐만 아니라 상기한 문제점들도 함께 고려해야 할 필요가 있다.
한국공개특허 제2013-0103585호 (공개일 : 2013.09.23.)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 비행체의 트림(trim)과 관련된 변수들을 기초로 비행체의 대기 속도를 추정하는 데에 필요한 정보들을 산출하는 정보 산출 장치 및 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 비행체의 고도에 따라 선택된 필터를 이용하여 비행체의 대기 속도를 실시간으로 추정하는 대기 속도 추정 장치 및 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로서, 미리 정해진 지점에서의 비행체의 트림(trim)과 관련된 모델을 생성하는 트림 모델 생성부; 상기 비행체의 트림과 관련된 모델에서 상기 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 추출하는 변수 추출부; 상기 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 기초로 상기 비행체의 대기 속도를 추정하는 데에 이용될 필터에 대한 정보 및 상기 미리 정해진 지점에서의 상기 비행체에 대한 정보를 산출하는 필터 및 비행체 정보 산출부; 및 상기 필터에 대한 정보 및 상기 비행체에 대한 정보를 저장하는 필터 및 비행체 정보 저장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 장치를 제안한다.
또한 본 발명은 미리 정해진 지점에서의 비행체의 트림(trim)과 관련된 모델을 생성하는 단계; 상기 비행체의 트림과 관련된 모델에서 상기 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 추출하는 단계; 상기 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 기초로 상기 비행체의 대기 속도를 추정하는 데에 이용될 필터에 대한 정보 및 상기 미리 정해진 지점에서의 상기 비행체에 대한 정보를 산출하는 단계; 및 상기 필터에 대한 정보 및 상기 비행체에 대한 정보를 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 방법을 제안한다.
또한 본 발명은 비행체의 고도를 기초로 복수개의 필터들 중에서 작동시킬 필터를 선택하는 필터 선택부; 및 상기 필터에 대한 정보, 상기 비행체의 고도와 관련하여 미리 산출된 상기 비행체에 대한 정보, 상기 비행체의 제어와 관련된 정보 및 상기 비행체의 항법 정보를 기초로 상기 비행체의 대기 속도를 추정하는 대기 속도 예측부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정 장치를 제안한다.
또한 본 발명은 비행체의 고도를 기초로 복수개의 필터들 중에서 작동시킬 필터를 선택하는 단계; 및 상기 필터에 대한 정보, 상기 비행체의 고도와 관련하여 미리 산출된 상기 비행체에 대한 정보, 상기 비행체의 제어와 관련된 정보 및 상기 비행체의 항법 정보를 기초로 상기 비행체의 대기 속도를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정 방법을 제안한다.
본 발명은 상기한 목적 달성을 위한 구성들을 통하여 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 유도 조종 보드에서 대기 속도 추정 필터가 차지하는 메모리 공간을 감소시킬 수 있다.
둘째, 유도 조종 보드에서 대기 속도를 추정하기 위해 요구되는 연산량을 감소시킬 수 있다.
셋째, 기존보다 적은 연산량으로 유사한 성능의 추정 성능을 확보하는 것이 가능해진다.
넷째, 대기 속도 추정 필터의 메모리 및 연산량 감소로 인해 유도 조종 보드에서 유도 조종 알고리즘 설계를 위한 메모리 공간 및 연산량을 추가로 확보하는 것이 가능해진다.
다섯째, 기존에 대비하여 저가의 프로세서를 탑재한 유도 조종 보드를 개발하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 대기 속도 추정 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 대기 속도 추정 장치를 구성하는 설계점 선정부의 설계점 선정 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
도 3은 대기 속도 추정 장치를 구성하는 대기 속도 추정부의 작동 원리를 설명하기 위한 참고도이다.
도 4는 대기 속도 추정 장치를 구성하는 트림 모델 산출부의 기능을 설명하기 위한 참고도이다.
도 5는 대기 속도 추정 장치를 구성하는 대기 속도 추정부의 기능을 설명하기 위한 참고도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기 속도의 추정을 위한 정보 산출 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기 속도의 추정을 위한 정보 산출 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기 속도 추정 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
대기 속도를 추정하는 방법으로 비선형 필터를 이용하는 방법, 복수개의 선형 필터들을 이용하는 방법 등이 있다.
비선형 필터를 이용하는 방법은 매우 많은 연산량과 메모리 공간을 요구한다. 따라서 이 방법은 유도 조종 알고리즘과 함께 유도 조종 보드에 탑재되는 것이 어렵다.
복수개의 선형 필터들을 이용하는 방법은 고도별/속도별 필터 그룹을 만들어 복수개의 선형 필터들을 동시에 동작시켜 확률적으로 대기 속도를 추정한다. 이 방법은 비선형 필터를 이용하는 방법에 비해 연산량을 감소시킬 수 있다. 그러나 이 방법은 복잡한 유도 조종 알고리즘을 구현하기 어려운 문제점이 있으며, 많은 메모리 공간을 요구하는 문제점도 있다.
본 발명은 정상 상태 강인 필터를 이용하여 무추력 비행체의 대기 속도를 추정하는 기술에 관한 것이다. 이하 도면들을 참조하여 본 발명을 자세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 대기 속도 추정 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 1에 따르면, 대기 속도 추정 장치(100)는 정상 상태 강인 필터(robust filter)를 이용하여 비행체의 대기 속도를 추정하는 것으로서, 설계점 선정부(110), 트림 모델 산출부(120), 행렬 정리부(130), 게인 및 필터 행렬 계산부(140), 및 대기 속도 추정부(150)를 포함한다.
설계점 선정부(110), 트림 모델 산출부(120), 행렬 정리부(130), 및 게인 및 필터 행렬 계산부(140)는 대기 속도 추정 장치(100)가 알고리즘 형태로 GNC(Guidance Navigation Control unit), FCU(Flight Control Unit) 등의 비행체의 유도 조종 보드에 탑재되기 전에 지상에서 오프라인으로 계산하는 부분들이다.
반면 대기 속도 추정부(150)는 설계점 선정부(110), 트림 모델 산출부(120), 행렬 정리부(130), 및 게인 및 필터 행렬 계산부(140)에 의해 계산된 이득 및 행렬이 유도 조종 보드에 탑재되면 이를 토대로 비행체가 비행중일 때 온라인으로 실시간으로 동작하는 부분이다.
설계점 선정부(110)는 정상 상태 강인 필터의 설계점을 선정하는 기능을 수행한다.
설계점 선정부(110)는 무추력 비행체(또는 무추력 유도 무기)의 전체 운용 영역을 고려하여 설계점을 선정할 수 있다. 무추력 비행체의 운용 영역은 비행체의 고도, 비행체의 속도 등에 의해 결정될 수 있으며, 일례로 도 2에 도시된 바와 같은 영역을 가질 수 있다. 비행체의 속도는 대기 속도를 기준으로 산출될 수 있다.
트림 모델 산출부(120)는 무추력 비행체의 공력 데이터를 기초로 설계점과 관련된 행렬 형태의 트림 모델(trim model)을 산출하는 기능을 수행한다.
트림 모델은 풍동 시험(wind tunnel test), 컴퓨터 유체 역학(CFD; Computational Fluid Dynamics) 등으로 획득한 비행체의 공력 데이터를 기초로 설계점(ex. 고도 10km, 속도 200m/s 등)에서 비행체에 작용하는 합모멘트가 0이 되도록 하거나 합력과 합모멘트가 모두 0이 되도록 하는 비행체의 위치, 속도, 자세, 받음각, 조종 날개 구동각 등을 계산하는 것을 말한다.
본 발명에서 트림 모델 산출부(120)는 유도 무기의 선형 제어기를 설계할 때에 사용하는 방법과 동일한 방법으로 트림 모델을 산출할 수 있다. 일례로, 트림 모델 산출부(120)는 매트랩 콘트롤 툴 박스(Matlab control toolbox) 등 선형 제어기 설계시 프로그램에서 제공하는 툴(tool)을 사용하거나 기존에 알려진 방법들을 이용하여 코딩하여 트림 모델을 산출할 수 있다.
행렬 정리부(130)는 트림 모델에서 정의된 행렬들 중에서 필요 부분들을 추출하고 나머지 부분들을 제거하여 트림 모델에서 정의된 행렬들을 정리하는 기능을 수행한다.
트림 모델 산출부(120)에 의해 산출되는 트림 모델은 위치, 속도, 자세, 각속도, 받음각 등 여러 변수들로 이루어진 행렬곱 형태로 구해진다. 행렬 정리부(130)는 이러한 행렬곱 형태로부터 대기 속도 추정 알고리즘에 필요한 변수들과 관련된 행렬 부분만을 추출하여 트림 모델에서 정의된 행렬들을 정리한다.
게인 및 필터 행렬 계산부(140)는 행렬 정리부(130)에 의해 추출된 행렬 부분들을 기초로 정상 상태 강인 필터의 게인값과 행렬을 계산하는 기능을 수행한다.
게인 및 필터 행렬 계산부(140)는 행렬 정리부(130)에서 구한 행렬들을 가지고 정상 상태의 강인 필터의 게인(행렬 형태)과 유도 조종 보드의 메모리 공간에 저장해서 비행시 대기 속도를 추정하는 데에 사용하는 행렬을 계산한다.
대기 속도 추정부(150)는 게인 및 필터 행렬 계산부(140)의 계산 결과와 항법 시스템에 의해 획득된 정보를 기초로 대기 속도를 추정하는 기능을 수행한다.
도 3은 대기 속도 추정 장치를 구성하는 대기 속도 추정부의 작동 원리를 설명하기 위한 참고도이다.
게인 및 필터 행렬 계산부(140)는 계산 결과로 정상 상태 강인 필터(210)의 게인과 대기 속도를 추정할 때에 이용될 행렬을 유도 조종 보드의 메모리 공간에 저장한다. 대기 속도 추정부(150)는 이렇게 게인 및 필터 행렬 계산부(140)에 의해 유도 조종 보드의 메모리 공간에 저장된 게인과 행렬을 조종 날개 제어 입력(220)으로 획득하여 대기 속도를 추정하는 데에 이용한다.
항법 시스템(GPS/INS; 230)은 비행체의 고도, 자세, 각속도 등을 획득하여 대기 속도 추정부(150)로 전송한다. 대기 속도 추정부(150)는 이렇게 항법 시스템(230)으로부터 제공받은 정보와 조종 날개 제어 입력(220)를 함께 이용하여 대기 속도를 추정한다.
한편 도 3에 도시되어 있는 기호들은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112017108572476-pat00001
: 항법 좌표계(ned-frame)에서 표현된 대기 속도
Figure 112017108572476-pat00002
: 항법 좌표계에서 표현된 지면 속도
Figure 112017108572476-pat00003
: 항법 좌표계에서 표현된 바람 속도
Figure 112017108572476-pat00004
: 비행체의 자세 중 피치
Figure 112017108572476-pat00005
: 비행체의 각속도 중 피치 각속도
Cb n : 동체 좌표계에서 항법 좌표계로의 변환 행렬
이상 도 1의 대기 속도 추정 장치(100)를 구성하는 각 내부 구성에 대하여 개략적으로 정의하였다. 이하에서는 도면들과 수학식들을 참조하여 각 내부 구성의 기능에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
(1) 설계점 선정부(110) : 설계점 선정부(110) → (설계 고도, 설계 속력) → 트림 모델 산출부(120)
다중 모델 선형 필터, 강인 필터 등 선형 필터의 경우 전 운용 영역에서 설계한 필터가 적절한 결과를 도출하기 위해 1개의 필터를 설계해서는 적절한 해를 얻을 수 없어서 여러 설계 포인트에 대해서 설계를 진행한다. 비선형 필터는 이와 같은 과정을 필요로 하지 않지만, 연산량이 선형 필터에 대비하여 수배 ~ 수십배 증가하는 문제점이 있다.
본 발명에서는 강인 필터를 이용하여 대기 속도를 추정한다. 다중 모델 선형 필터를 이용하는 경우, 고도를 기준으로 설계 단위(cluster)를 나누고 그 안에서 속력을 기준으로 설계점을 나누어서 사용할 수 있다. 고도를 기준으로 설계점을 나누어서 사용하는 경우, 설계점에서의 고도와 실제의 고도 사이에 차이가 발생하면서 설계점에서 추정하는 속도와 실제의 속도 사이에 차이값도 커진다. 요구되는 오차 범위를 벗어나게 되면 이를 기준으로 적절하게 클러스터를 나눌 수 있다.
본 발명에서는 강인 필터를 이용하여 각 클러스터마다 1개의 필터만 설계하여 전 운용 영역을 커버한다. 연산량과 유도 조종 보드 내 요구 메모리 공간은 서로 밀접하게 연관되어 있다. 비행체가 비행중 실시간 연산시에는 클러스터에 속한 필터들이 동시에 작동하는데, 클러스터에 속한 필터의 수가 적을수록 연산량과 요구 메모리 공간은 작아진다. 본 발명에서는 이 점을 참작하여 각 클러스터당 1개의 필터만 설계하기로 한다.
한편 본 발명에서는 속도를 기준으로 설계점을 나누어서 사용하는 것도 가능하다. 무추력 비행체는 사거리의 최대화를 위해 각 고도별로 최적의 활강 속도가 존재한다. 본 발명에서는 이 활강 속도를 이용하여 설계점을 나누어서 사용할 수 있다. 예컨대, 10km 고도에서 무추력 비행체의 최적 활강 속도가 200m/s라면, 고도 10km 설계점에서 속도 200m/s를 기준으로 필터를 설계할 수 있다.
(2) 트림 모델 산출부(120) : 트림 모델 산출부(120) → (A, B, C, x, y, u) → 행렬 정리부(130)
도 4는 대기 속도 추정 장치를 구성하는 트림 모델 산출부의 기능을 설명하기 위한 참고도이다.
트림 모델 산출부(120)는 무추력 비행체(300)의 공력 데이터로부터 합모멘트가 0이 되거나 합력과 합모멘트가 0이 되는 트림 모델을 계산한다. 이를 위해 트림 모델 산출부(120)는 다음 수학식 1을 이용하여 트림 모델을 계산할 수 있다.
Figure 112017108572476-pat00006
수학식 1은 상태 변수 x와 출력 변수 y의 관계식을 나타낸 것이다. 수학식 1에서 u는 제어 입력을 의미하며, A, B 및 C는 행렬을 의미한다. 또한 ­x는 x의 미분치를 의미한다.
트림 모델 산출부(120)는 수학식 1에서 각 행렬(A, B, C)과 트림 조건이 충족된 상황에서의 x, y 및 u의 값을 구함으로써 트림 모델을 산출할 수 있다. 수학식 1의 상태 변수(x), 출력 변수(y) 및 제어 입력(u)은 각각 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112017108572476-pat00007
상기에서 Xn은 항법 좌표계(ned-frame)에서 표현된 n 방향 위치를 의미한다. n 방향은 북쪽 방향을 의미한다. Ye는 항법 좌표계에서 표현된 e 방향 위치를 의미한다. e 방향은 동쪽 방향을 의미한다. Zd는 항법 좌표계에서 표현된 d 방향 위치를 의미한다. d 방향은 지구 중심 방향을 의미한다.
ua는 동체 좌표계에서 표현된 x 방향 속도를 의미한다. x 방향은 동체 축 방향(기수 및 진행 방향)을 의미한다. wa는 동체 좌표계에서 표현된 z 방향 속도를 의미한다. z 방향은 동체 밑 방향을 의미한다. va는 동체 좌표계에서 표현된 y 방향 속도를 의미한다. y 방향은 x 및 z의 오른손 법칙에 의해 정해지는 방향을 의미한다.
φ는 롤 각을 의미한다. θ는 피치 각을 의미하며, ψ는 요 각을 의미한다. 또한 p는 롤 각속도를 의미한다. q는 피치 각속도를 의미하며, r는 요 각속도를 의미한다.
Figure 112017108572476-pat00008
상기에서 Ax는 동체 좌표계에서 표현된 x축 가속도를 의미한다. Ay는 동체 좌표계에서 표현된 y축 가속도를 의미하며, Az는 동체 좌표계에서 표현된 z축 가속도를 의미한다.
VT는 대기 속력을 의미하며, M은 마크 넘버를 의미한다. 마크 넘버는 마하수를 의미하며, 비행체의 속도를 음속 기준으로 나타낸 것이다. 즉 마하수 1은 음속과 동일한 속도를 가진다는 것을 의미한다. 또한 α는 받음각을 의미하며, β는 옆미끄럼각을 의미하고, γ는 비행 경로각을 의미한다.
Figure 112017108572476-pat00009
상기에서 elevator는 비행체의 양측 엘리베이터(elevator; 310a, 310b)의 구동 각도 명령을 의미한다. aileron은 비행체의 양측 에일러론(aileron; 320a, 320b)의 구동 각도 명령을 의미하며, rudder는 비행체의 러더(rudder; 330)의 구동 각도 명령을 의미한다.
트림 모델 산출부(120)는 Matlab 등의 프로그램이 제공하는 트림 모델 추출 함수와 수학식 2 내지 4에서 정의된 변수들을 이용하여 A, B, C 등의 matrix의 값과 trim 상태의 x, y, u 등의 벡터의 값을 얻을 수 있다. 트림 모델 산출부(120)는 트림 모델 추출 함수 대신에 기존에 알려져 있는 트림 모델 추출 방법을 이용하여 A, B, C 등의 matrix의 값과 trim 상태의 x, y, u 등의 벡터의 값을 얻는 것도 가능하다.
(3) 행렬 정리부(130) : 행렬 정리부(130) → (A', B', C', x', y', u') → 필터 행렬 계산부(140)
행렬 정리부(130)는 트림 모델 산출부(120)로부터 받은 행렬과 벡터 중 필요한 부분만 추출한다. 무추력 비행체의 경우 항력 증가로 인한 사거리 감소, 스톨 속도 진입으로 인한 추락 위험 증가 등 급격한 기동이 제한되기 때문에 진행 방향의 상태 추정이 중요하다. 여기서 진행 방향은 x 방향 즉, 동체 축 방향(기수 방향)을 의미한다.
행렬 정리부(130)는 진행 방향과 관련 있는 변수들만 추출함으로써 행렬을 다음 수학식 5와 같이 재정리한다. 수학식 5는 수학식 1 내지 4의 행렬을 재정리한 것이다.
Figure 112017108572476-pat00010
상기에서 Ai,j는 A 매트릭스(matrix)의 i번째 행과 j번째 열의 값을 의미한다. 또한 Bi,j는 B 매트릭스의 i번째 행과 j번째 열의 값을 의미하며, Ci,j는 C 매트릭스의 i번째 행과 j번째 열의 값을 의미한다.
(4) 필터 행렬 계산부(140) : 필터 행렬 계산부(140) → (N, M, x'0, y'0, u'0) → 대기 속도 추정부(150)
필터 행렬 계산부(140)는 행렬 정리부(130)로부터 전달받은 행렬과 벡터값들을 이용하여 메모리 공간에 저장할 행렬과 벡터를 계산한다. 메모리 공간에 저장된 행렬과 벡터는 대기 속도 추정부(150)가 정상 상태 강인 필터를 이용하여 실시간으로 대기 속도를 추정할 때에 이용된다.
메모리 공간에 저장될 필터 행렬의 경우, 필터 행렬 계산부(140)는 다음 순서에 따라 계산한다.
① 연속 시간에서 구한 A', B' 및 C'를 이산 시간 형태로 변환한다(STEP A).
STEP A의 경우 비행체에 탑재된 상태에서 계산 주기를 고려하여 변환해야 한다. 변환하는 방법의 경우 기존에 제안되어 있는 방법들을 사용하거나, Matlab 등의 프로그램에서 제공하는 함수들을 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112017108572476-pat00011
상기에서 x'k, u'k 및 y'k는 x', u' 및 y'를 각각 이산화하여 얻은 결과를 의미한다. k와 k+1는 이산화한 시간을 의미하는데, k는 이산화한 시간을 기준으로 그 이전 시간을 나타내며, k+1은 현재 시간을 나타낸다. 또한 F는 A'를 이산화하여 얻은 결과 즉, 이산화된 상태 전이 행렬을 의미한다. G는 B'를 이산화하여 얻은 결과 즉, 이산화된 입력 전이 행렬을 의미한다. H는 C'를 이산화하여 얻은 결과 즉, 이산화된 측정치 변환 행렬(상태 변수를 측정치로 변환하는 행렬)을 의미한다.
② 정상 상태 강인 필터를 이용하여 대기 속도를 추정할 때에 필요한 공분산 행렬 P를 구한다(STEP B).
STEP B의 경우 수학식 7의 공분산 행렬을 풀어야 하는데, 수학식 7과 같은 식을 리카티의 미분 방정식(riccati equation)이라 한다. 리카티의 미분 방정식도 기존에 제안된 방법을 이용하여 해를 구하거나, 프로그램 등에서 제공하는 함수를 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112017108572476-pat00012
상기에서 Q는 상태 변수의 공분산 행렬(4×4)을 의미하며, R는 측정치의 공분산 행렬(2×2)을 의미한다. 여기서 측정치는 y'의 값인 피치 각 θ와 피치 각속도 q의 분산값을 의미한다. 이 측정치의 공분산 값을 행렬 형태로 나타낸 것이 R이다. 측정치 공분산 행렬은 일반적으로 대각선 행렬의 형태를 가진다. 또한 수학식 7에서 θ는 피치 각이 아닌 임의로 설정된 튜닝 상수(1×1)를 의미한다.
-S는 가중 행렬로서, 상태 변수 x' 중 상대적으로 중요한 변수에 대해 가중치를 두기 위한 것이다. 본 발명에서는 대기 속도의 추정을 위해 속도 성분이 중요하므로, 다음 수학식 8과 같이 가중 행렬을 정의한다.
Figure 112017108572476-pat00013
상기에서 I는 identity matrix로서 F와 동일한 크기를 가진다.
③ 대기 속도 추정에 필요한 게인 행렬 K를 구한다(STEP C).
STEP C에서는 STEP B에서 구한 P 행렬을 이용하여 정상 상태 강인 필터의 게인 K를 다음과 같이 구한다.
Figure 112017108572476-pat00014
④ 실시간 연산량 감소를 위해 행렬 연산을 정리하여 실제 메모리 공간에 올라갈 행렬을 재계산한다(STEP D).
STEP D에서는 STEP C에서 구한 K와 이후 설명할 식 유도 과정을 이용하여 실시간 연산량을 최소로 할 수 있도록 한다. 여기서 주의할 점은 설계점에서 구한 트림 모델을 이용하여 설계한 행렬들이기 때문에 벡터 x'와 y'가 설계점과 실제 비행체의 상태와의 차이가 상태 변수로 바뀐다. 이를 벡터 형태로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112017108572476-pat00015
상기에서 x"는 x'의 상태 변수를 기준으로 설계점과 실제 비행체의 상태 사이의 차이값으로 바꾼 상태 변수를 의미한다. 마찬가지로 y"는 y'의 상태 변수를 기준으로 설계점과 실제 비행체의 상태 사이의 차이값으로 바꾼 상태 변수를 의미하며, u"는 u'의 상태 변수를 기준으로 설계점과 실제 비행체의 상태 사이의 차이값으로 바꾼 상태 변수를 의미한다.
δ는 해당 변수가 설계점과 실제 비행체의 상태 사이의 차이값을 상태 변수로 가진다는 것을 의미한다. 일례로 δq는 설계점에서의 피치 각속도와 실제 비행체의 피치 각속도 사이의 차이값을 의미한다.
위 상태 변수를 이용하여 다시 행렬 형태로 나타내면 다음과 같은 관계식이 나온다.
Figure 112017108572476-pat00016
상기에서 x"는 x'와 설계점에서의 x 사이의 차이값을 나타내는 상태 변수를 의미한다. y"는 y'와 설계점에서의 y 사이의 차이값을 나타내는 상태 변수를 의미하며, u"는 u'와 설계점에서의 u 사이의 차이값을 나타내는 상태 변수를 의미한다.
수학식 11을 이용하여 필터를 구성하면 수학식 12와 같이 Propagation 수식(수학식 12에서 상위에 위치하는 수식)과 Update 수식(수학식 12에서 하위에 위치하는 수식)으로 변경이 가능하다.
Propagation 수식은 수학식 11의 F와 G를 이용하여 이전 시간에 필터링된 x 값을 다음 시간으로 propagation시킨다는 것을 의미한다. Update 수식은 propagation된 결과와 수학식 11의 H를 이용하여 상태 변수로부터 측정치로 변환된 결과와 측정치 사이의 차이 및 수학식 9의 칼만 게인을 이용하여 propagation된 결과를 update하여 필터링된 결과로 바꾸는 것을 의미한다.
이산 시간에서 정상 상태 강인 필터를 통해 해를 구하는 방법은 다음과 같은 수식을 사용한다.
Figure 112017108572476-pat00017
상기에서 +는 필터링된 결과를 의미하며, -는 필터링 되기 전의 값을 의미한다. 일례로 ^x"- k+1은 k+1 시간에 필터링되기 전의 값을 의미하며, ^x"+ k+1은 k+1 시간에 필터링된 값을 의미한다.
위 두 단계의 식을 한 단계로 만들어서 행렬을 구함으로써 비행체에 탑재되는 필터의 메모리 공간과 연산량을 최소로 할 수 있다.
Figure 112017108572476-pat00018
상기에서 N과 M은 메모리 공간에 탑재되는 행렬을 의미한다.
본 발명에서 상태 변수는 설계점과 실제 비행체의 상태 사이의 차이를 나타내는 것이다. 따라서 수학식 13에서 구하는 상태 변수는 설계점에서 얼마나 벗어났는지를 계산해주기 때문에, 추후 실시간 연산에서 위에서 계산한 ^xn+ k+1에 설계점 기준의 비행체 상태가 더해져야 실제 비행체의 대기 속도가 추정된다.
아래의 prime 0 벡터가 설계점에서의 비행체의 추정하고자 하는 상태 변수의 기준값이고, xf가 최종 추정 변수이다.
Figure 112017108572476-pat00019
상기에서 x'0는 설계점에서의 상태 변수 벡터를 의미한다. ua0는 동체 좌표계에서 표현된 설계점에서의 x 방향 속도를 의미하며, wa0는 동체 좌표계에서 표현된 설계점에서의 z 방향 속도를 의미한다.θ0는 설계점에서의 피치 각을 의미하며, q0는 설계점에서의 피치 각속도를 의미하고, y'0는 설계점에서의 측정치 벡터를 의미한다.
각 설계점의 N, M 행렬 및 x'0, y'0 벡터가 이상 설명한 방식에 따라 추정되면, 필터 행렬 계산부(140)는 각 설계점의 N, M 행렬 및 x'0, y'0 벡터를 메모리 공간에 저장한다. 그러면 대기 속도 추정부(150)가 비행체의 대기 속도를 추정할 때에 모든 설계점에 대해 추정된 N, M 행렬 및 x'0, y'0 벡터값을 메모리 공간에서 획득하여 이용한다.
(5) 대기 속도 추정부(150)
대기 속도 추정부(150)는 작동 필터 선정, 대기 속도 추정, 결과 보정 등의 단계들을 거쳐 비행체의 대기 속도를 추정할 수 있다.
① 작동 필터 선정 단계
작동 필터 선정 단계는 항법 시스템으로부터 전달받은 고도에 따라 설계된 필터 중 어떤 필터를 동작시킬지 선정하는 단계를 말한다.
작동 필터 선정 단계에서는 설계점 선정부(110)에 의해 설계된 고도를 기준으로 동작시키고자 하는 필터를 정한다. 그 예시는 도 5를 통해 설명 가능하다.
도 5는 대기 속도 추정 장치를 구성하는 대기 속도 추정부의 기능을 설명하기 위한 참고도이다.
도 5의 예시는 고도를 기준으로 필터 동작 영역을 3개의 그룹으로 분할할 경우의 예시이다. 본 발명에서는 고도를 기준으로 서로 다른 필터가 동작할 수 있는 영역을 결정함과 동시에 두개 이상의 필터들이 함께 동작할 수 있는 중첩 영역도 함께 결정할 수 있다.
도 5에 따르면, 고도를 기준으로 운용 영역(400)을 제1 필터가 동작하는 제1 영역(410), 제2 필터가 동작하는 제2 영역(420), 및 제3 필터가 동작하는 제3 영역(430)으로 구분한다. 이때 제1 영역(410)과 제2 영역(420)이 중첩되도록 구성하여 이 영역을 제1 필터와 제2 필터가 함께 동작할 수 있는 제4 영역(440)으로 구성할 수 있다. 마찬가지로 제2 영역(420)과 제3 영역(430)이 중첩되도록 구성하여 제2 필터와 제3 필터가 함께 동작할 수 있는 제5 영역(450)도 구성할 수 있다.
작동 필터 선정 단계에서는 이와 같이 고도를 기준으로 필터 동작 영역을 구분하여 항법 시스템으로부터 전달받은 고도값을 이용하여 작동하고자 하는 필터를 선정한다.
② 대기 속도 추정 단계
대기 속도 추정 단계는 필터 행렬 계산부(140)로부터 전달받은 행렬 및 벡터, 항법 시스템으로부터 전달받은 고도, 피치, 피치 각속도 및 변환 행렬, 유도 조종 알고리즘에서 받은 제어 입력(ex. elevator 구동각 명령) 등을 이용하여 대기 속도를 추정하는 단계를 말한다.
대기 속도 추정 단계에서는 항법 시스템으로부터 지면 속도를 전달받아 바람 속도를 함께 추정하는 것도 가능하다.
설계점의 상태 변수로부터 얼마나 벗어났는지에 대해서는 수학식 13을 이용하여 구할 수 있다.
수학식 13에서 ^x"+ k의 초기값과 y"k, u"k를 구하는 과정이 필요한데, ^x"+ k의 초기값은 실제 얼마나 차이가 나는지 알 수 없기 때문에 0 벡터를 사용하고, y"k와 u"k는 수학식 15를 이용하여 계산하는 것이 가능하다.
Figure 112017108572476-pat00020
상기에서 θ는 항법 시스템으로부터 전달받은 피치를 의미하며, q는 항법 시스템으로부터 전달받은 피치 각속도를 의미한다. 또한 ucmd는 유도 조종 알고리즘으로부터 전달받은 제어 입력을 의미한다. 일례로 ucmd는 elevator 구동 각도 명령을 의미한다.
앞에서 추정한 대기 속도와 변환 행렬의 곱을 통하여 항법 좌표계에서의 대기 속도를 계산하여 보면 다음과 같다.
Figure 112017108572476-pat00021
상기에서 →Va는 항법 좌표계 기준의 대기 속도 추정 결과를 의미한다. 또한 ^x"+ k+1(1)과 ^x"+ k+1(2)는 수학식 12를 통해 구할 수 있는 ^x"+ k+1 상태 변수 벡터의 1번 값과 2번 값을 의미한다. 즉 벡터의 1번 값인 (1)은 ua를 의미하며, 벡터의 2번 값인 (2)는 wa를 의미한다.
③ 결과 보정 단계
결과 보정 단계는 대기 속도의 추정 결과를 보정하는 단계를 말한다.
결과 보정 단계에서는 추정한 대기 속도를 보정하여 결과를 출력한다. 이는 대기 속도 추정 필터가 동작하는 영역이 설계점으로부터 많이 벗어나 있고, 필터가 전환되는 시점(2개 동시 동작 종료 시점)에서 결과가 튈 수 있기 때문에 수행하는 것이다.
보정하는 과정은 다음과 같은 과정을 거친다. 1번 필터 → 2번 필터, 2번 필터 → 3번 필터, … 등 모두 동일한 방법으로 보정할 수 있기 때문에, 이하에서는 1번 필터에서 2번 필터로 넘어가는 과정을 일례로 설명한다.
ⓐ 동시 동작 구간에서 1번 필터의 항법 좌표계 기준의 대기 속도 추정 결과(→Va1)와 2번 필터의 항법 좌표계 기준의 대기 속도 추정 결과(→Va2) 사이의 차이값을 계산한다.
ⓑ 2번 필터만 동작하는 고도 도달시 직전 20개의 결과의 평균을 계산한다. 본 발명에서는 이 값을 Cor12로 정의한다. 본 발명에서 20개의 결과를 저장하는 것은 저장 공간의 문제와 최신 오차 정도만 반영하기 위해서이다. 따라서 본 발명이 이에 반드시 한정될 필요는 없다.
ⓒ 2번 필터만 동작하는 구간에서 수학식 17을 이용하여 보정하여 최종 결과를 도출한다.
Figure 112017108572476-pat00022
위와 같이 보정을 하는 이유는 필터 전환시 필터의 튀는 현상을 막고, 각 필터의 설계 기준 고도에서 추정된 대기 속도의 결과를 최대한 그대로 반영하기 위해서이다.
추가로 필요시 다음과 같은 계산식을 이용하여 바람 속도를 추정하는 것도 가능하다.
Figure 112017108572476-pat00023
상기에서 →Vg는 항법 시스템으로부터 전달받은 항법 좌표계에서 표현된 지면 속도를 의미한다.
이상 설명한 본 발명은 대기 속도의 추정이 필요한 무추력 유도 무기나 무추력 비행체에 적용될 수 있다.
이상 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일실시 형태에 대하여 설명하였다. 이하에서는 이러한 일실시 형태로부터 추론 가능한 본 발명의 바람직한 형태에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기 속도의 추정을 위한 정보 산출 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 6에 따르면, 비행체의 대기 속도를 추정하기 위한 정보 산출 장치(500)는 트림 모델 생성부(510), 변수 추출부(520), 필터 및 비행체 정보 산출부(530), 필터 및 비행체 정보 저장부(540), 제1 전원부(550) 및 제1 주제어부(560)를 포함한다.
제1 전원부(550)는 정보 산출 장치(500)를 구성하는 각 구성에 전원을 공급하는 기능을 수행한다.
제1 주제어부(560)는 정보 산출 장치(500)를 구성하는 각 구성의 전체 작동을 제어하는 기능을 수행한다.
트림 모델 생성부(510)는 미리 정해진 지점에서의 비행체의 트림(trim)과 관련된 모델을 생성하는 기능을 수행한다. 트림 모델 생성부(510)는 도 1의 트림 모델 산출부(120)에 대응하는 개념이다.
트림 모델 생성부(510)는 비행체의 상태와 관련된 제1 정보, 비행체의 움직임과 관련된 제2 정보 및 비행체의 제어와 관련된 제3 정보 사이의 관계식을 기초로 비행체의 트림과 관련된 모델을 생성할 수 있다.
트림 모델 생성부(510)는 항법 좌표계에서 비행체의 방향별 위치, 동체 좌표계에서 비행체의 방향별 속도, 비행체의 자세각 및 비행체의 회전과 관련된 각속도를 비행체의 상태와 관련된 제1 정보로 이용할 수 있다.
트림 모델 생성부(510)는 항법 좌표계에서 비행체의 방향별 위치, 동체 좌표계에서 비행체의 방향별 속도, 비행체의 자세각, 비행체의 회전과 관련된 각속도, 동체 좌표계에서 비행체의 방향별 가속도, 비행체의 받음각, 비행체의 옆미끄럼각 및 비행체의 비행 경로각을 비행체의 움직임과 관련된 제2 정보로 이용할 수 있다.
트림 모델 생성부(510)는 비행체의 승강타(elevator) 구동 각도, 비행체의 보조 날개(aileron) 구동 각도 및 비행체의 방향타(rudder) 구동 각도를 비행체의 제어와 관련된 제3 정보로 이용할 수 있다.
변수 추출부(520)는 비행체의 트림과 관련된 모델에서 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 추출하는 기능을 수행한다. 변수 추출부(520)는 도 1의 행렬 정리부(130)에 대응하는 개념이다.
변수 추출부(520)는 동체 좌표계에서 비행체의 동체 축 방향 및 동체 밑 방향과 관련된 속도, 비행체의 피치 각, 비행체의 피치 각속도 및 비행체의 승강타 구동 각도를 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들로 추출할 수 있다.
필터 및 비행체 정보 산출부(530)는 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 기초로 비행체의 대기 속도를 추정하는 데에 이용될 필터에 대한 정보 및 미리 정해진 지점에서의 비행체에 대한 정보를 산출하는 기능을 수행한다. 필터 및 비행체 정보 산출부(530)는 도 1의 필터 행렬 계산부(140)에 대응하는 개념이다.
필터 및 비행체 정보 산출부(530)는 행렬 변환부, 공분산 행렬 산출부, 필터 정보 산출부 및 비행체 정보 산출부를 포함할 수 있다.
행렬 변환부는 연속 시간에 비행체의 상태와 관련된 제1 정보, 비행체의 움직임과 관련된 제2 정보 및 비행체의 제어와 관련된 제3 정보 사이의 관계식을 통해 구한 행렬들을 이산 시간과 관련된 행렬들로 변환하는 기능을 수행한다.
공분산 행렬 산출부는 이산 시간과 관련된 행렬들을 기초로 비행체의 대기 속도를 추정하는 데에 이용될 제1 공분산 행렬을 산출하는 기능을 수행한다. 공분산 행렬 산출부는 제1 공분산 행렬을 산출할 때에 제1 정보와 관련된 제2 공분산 행렬, 미리 정해진 튜닝 상수 및 비행체의 속도와 관련된 가중치를 더 이용할 수 있다.
필터 정보 산출부는 제1 공분산 행렬을 기초로 비행체의 대기 속도를 추정하는 데에 이용될 필터에 대한 정보를 산출하는 기능을 수행한다. 필터 정보 산출부는 필터에 대한 정보로 필터의 이득을 산출할 수 있다.
비행체 정보 산출부는 필터에 대한 정보 및 이산 시간과 관련된 행렬들을 기초로 비행체에 대한 정보를 산출하는 기능을 수행한다. 비행체 정보 산출부는 이론값과 실제값 사이의 차이값을 비행체에 대한 정보로 산출할 수 있다.
필터 및 비행체 정보 저장부(540)는 필터에 대한 정보 및 비행체에 대한 정보를 저장하는 기능을 수행한다. 필터 및 비행체 정보 저장부는 도 1의 필터 행렬 계산부(140)에 포함되는 개념이다.
다음으로 비행체의 대기 속도를 추정하기 위한 정보 산출 장치(500)의 작동 방법에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기 속도의 추정을 위한 정보 산출 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 이하 설명은 도 6 및 도 7을 참조한다.
먼저 트림 모델 생성부(510)는 미리 정해진 지점에서의 비행체의 트림(trim)과 관련된 모델을 생성한다(S610).
이후 변수 추출부(520)는 비행체의 트림과 관련된 모델에서 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 추출한다(S620).
이후 필터 및 비행체 정보 산출부(530)는 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 기초로 비행체의 대기 속도를 추정하는 데에 이용될 필터에 대한 정보 및 미리 정해진 지점에서의 비행체에 대한 정보를 산출한다(S630, S640).
필터 및 비행체 정보 산출부(530)는 S630 단계에서 필터에 대한 정보를 산출하며, S640 단계에서 비행체에 대한 정보를 산출한다. 본 발명에서는 S630 단계가 S640 단계보다 먼저 수행될 수 있으나, S640 단계가 S630 단계보다 먼저 수행되거나 S630 단계와 S640 단계가 동시에 수행되는 것도 가능하다.
S640 단계 이후, 필터 및 비행체 정보 저장부(540)는 필터에 대한 정보 및 비행체에 대한 정보를 저장한다(S650).
다음으로 비행체의 대기 속도를 추정하는 대기 속도 추정 장치에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기 속도 추정 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 8에 따르면, 대기 속도 추정 장치(700)는 필터 선택부(710), 대기 속도 예측부(720), 제2 전원부(740) 및 제2 주제어부(750)를 포함한다.
제2 전원부(740)는 대기 속도 추정 장치(700)를 구성하는 각 구성에 전원을 공급하는 기능을 수행한다.
제2 주제어부(750)는 대기 속도 추정 장치(700)를 구성하는 각 구성의 전체 작동을 제어하는 기능을 수행한다.
필터 선택부(710)는 비행체의 고도를 기초로 복수개의 필터들 중에서 작동시킬 필터를 선택하는 기능을 수행한다. 필터 선택부(710)는 도 1의 대기 속도 추정부(150)에 포함되는 개념이다.
대기 속도 예측부(720)는 필터 선택부(710)에 의해 선택된 필터에 대한 정보, 비행체의 고도와 관련하여 미리 산출된 비행체에 대한 정보, 비행체의 제어와 관련된 정보 및 비행체의 항법 정보를 기초로 비행체의 대기 속도를 추정하는 기능을 수행한다. 대기 속도 예측부(720)는 도 1의 대기 속도 추정부(150)에 포함되는 개념이다.
대기 속도 예측부(720)는 비행체가 무추력 상태일 때 필터 선택부(710)에 의해 선택된 필터로 강인 필터(robust filter)를 이용하여 비행체의 대기 속도를 추정할 수 있다.
대기 속도 추정 장치(700)는 대기 속도 보정부(730)를 더 포함할 수 있다.
대기 속도 보정부(730)는 두개의 필터들이 동시에 작동하는 구간에 비행체가 위치하는지 여부를 기초로 비행체의 대기 속도를 보정하는 기능을 수행한다. 대기 속도 보정부(730)는 도 1의 대기 속도 추정부(150)에 포함되는 개념이다.
대기 속도 보정부(730)는 두개의 필터들이 동시에 작동하는 구간에 비행체가 위치하는 것으로 판단되면 비행체의 대기 속도를 보정할 수 있다. 구체적으로 대기 속도 보정부(730)는 두개의 필터들 중 어느 하나인 제1 필터만 작동하는 구간에 비행체가 위치할 때의 비행체의 대기 속도 평균값, 비행체의 현재 고도 및 제1 필터만 작동하는 구간과 관련된 비행체의 최소 고도를 기초로 비행체의 대기 속도를 보정할 수 있다.
대기 속도 보정부(730)는 비행체의 진행 방향을 기초로 제1 필터를 결정하여 비행체의 대기 속도를 보정할 수 있다.
대기 속도 추정 장치(700)는 정보 산출 제어부(760)를 더 포함할 수 있다.
정보 산출 제어부(760)는 비행체의 고도와 관련하여 미리 정해진 지점에서 비행체의 트림(trim)과 관련된 모델을 기초로 필터에 대한 정보 및 비행체에 대한 정보를 산출하여 저장하는 기능을 수행한다. 정보 산출 제어부(760)는 도 6의 정보 산출 장치(500)와 동일한 개념의 것이다.
정보 산출 제어부(760)는 비행체가 비행하기 전에 작동하며, 필터 선택부(710), 대기 속도 예측부(720) 및 대기 속도 보정부(730)는 비행체가 비행중일 때 작동한다.
정보 산출 제어부(760)는 트림 모델 생성부, 변수 추출부, 필터 및 비행체 정보 산출부 및 필터 및 비행체 정보 저장부를 포함할 수 있다.
트림 모델 생성부는 미리 정해진 지점에서의 비행체의 트림(trim)과 관련된 모델을 생성하는 기능을 수행한다.
변수 추출부는 비행체의 트림과 관련된 모델에서 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 추출하는 기능을 수행한다.
필터 및 비행체 정보 산출부는 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 기초로 비행체의 대기 속도를 추정하는 데에 이용될 필터에 대한 정보 및 미리 정해진 지점에서의 비행체에 대한 정보를 산출하는 기능을 수행한다.
필터 및 비행체 정보 저장부는 필터에 대한 정보 및 비행체에 대한 정보를 저장하는 기능을 수행한다.
트림 모델 생성부, 변수 추출부, 필터 및 비행체 정보 산출부 및 필터 및 비행체 정보 저장부에 대해서는 도 6을 참조하여 자세하게 설명하였는 바, 여기서는 그 자세한 설명을 생략한다.
다음으로 대기 속도 추정 장치의 작동 방법에 대하여 설명한다.
먼저 필터 선택부(710)는 비행체의 고도를 기초로 복수개의 필터들 중에서 작동시킬 필터를 선택한다(STEP A).
이후 대기 속도 예측부(720)는 필터 선택부(710)에 의해 선택된 필터에 대한 정보, 비행체의 고도와 관련하여 미리 산출된 비행체에 대한 정보, 비행체의 제어와 관련된 정보 및 비행체의 항법 정보를 기초로 비행체의 대기 속도를 추정한다(STEP B).
한편 STEP B 이후에, 대기 속도 보정부(730)는 두개의 필터들이 동시에 작동하는 구간에 비행체가 위치하는지 여부를 기초로 비행체의 대기 속도를 보정할 수 있다.
한편 STEP A 이전에, 정보 산출 제어부(760)는 비행체의 고도와 관련하여 미리 정해진 지점에서 비행체의 트림(trim)과 관련된 모델을 기초로 필터에 대한 정보 및 비행체에 대한 정보를 산출하여 저장할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 상세한 설명에서 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 미리 정해진 지점에서의 비행체의 트림(trim)과 관련된 모델을 생성하는 트림 모델 생성부;
    상기 비행체의 트림과 관련된 모델에서 상기 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 추출하는 변수 추출부;
    상기 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 기초로 상기 비행체의 대기 속도를 추정하는 데에 이용될 필터에 대한 정보 및 상기 미리 정해진 지점에서의 상기 비행체에 대한 정보를 산출하는 필터 및 비행체 정보 산출부; 및
    상기 필터에 대한 정보 및 상기 비행체에 대한 정보를 저장하는 필터 및 비행체 정보 저장부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트림 모델 생성부는 상기 비행체의 상태와 관련된 제1 정보, 상기 비행체의 움직임과 관련된 제2 정보 및 상기 비행체의 제어와 관련된 제3 정보 사이의 관계식을 기초로 상기 비행체의 트림과 관련된 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 트림 모델 생성부는 항법 좌표계에서 상기 비행체의 방향별 위치, 동체 좌표계에서 상기 비행체의 방향별 속도, 상기 비행체의 자세각 및 상기 비행체의 회전과 관련된 각속도를 상기 제1 정보로 이용하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 트림 모델 생성부는 항법 좌표계에서 상기 비행체의 방향별 위치, 동체 좌표계에서 상기 비행체의 방향별 속도, 상기 비행체의 자세각, 상기 비행체의 회전과 관련된 각속도, 동체 좌표계에서 상기 비행체의 방향별 가속도, 상기 비행체의 받음각, 상기 비행체의 옆미끄럼각 및 상기 비행체의 비행 경로각을 상기 제2 정보로 이용하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 트림 모델 생성부는 상기 비행체의 승강타(elevator) 구동 각도, 상기 비행체의 보조 날개(aileron) 구동 각도 및 상기 비행체의 방향타(rudder) 구동 각도를 상기 제3 정보로 이용하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 변수 추출부는 동체 좌표계에서 상기 비행체의 동체 축 방향 및 동체 밑 방향과 관련된 속도, 상기 비행체의 피치 각, 상기 비행체의 피치 각속도 및 상기 비행체의 승강타 구동 각도를 상기 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들로 추출하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터 및 비행체 정보 산출부는,
    연속 시간에 상기 비행체의 상태와 관련된 제1 정보, 상기 비행체의 움직임과 관련된 제2 정보 및 상기 비행체의 제어와 관련된 제3 정보 사이의 관계식을 통해 구한 행렬들을 이산 시간과 관련된 행렬들로 변환하는 행렬 변환부;
    상기 이산 시간과 관련된 행렬들을 기초로 상기 비행체의 대기 속도를 추정하는 데에 이용될 제1 공분산 행렬을 산출하는 공분산 행렬 산출부;
    상기 제1 공분산 행렬을 기초로 상기 필터에 대한 정보를 산출하는 필터 정보 산출부; 및
    상기 필터에 대한 정보 및 상기 이산 시간과 관련된 행렬들을 기초로 상기 비행체에 대한 정보를 산출하는 비행체 정보 산출부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 공분산 행렬 산출부는 상기 제1 공분산 행렬을 산출할 때에 상기 제1 정보와 관련된 제2 공분산 행렬, 미리 정해진 튜닝 상수 및 상기 비행체의 속도와 관련된 가중치를 더 이용하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 필터 정보 산출부는 상기 필터에 대한 정보로 상기 필터의 이득을 산출하며,
    상기 비행체 정보 산출부는 이론값과 실제값 사이의 차이값을 상기 비행체에 대한 정보로 산출하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 장치.
  10. 미리 정해진 지점에서의 비행체의 트림(trim)과 관련된 모델을 생성하는 단계;
    상기 비행체의 트림과 관련된 모델에서 상기 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 추출하는 단계;
    상기 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들을 기초로 상기 비행체의 대기 속도를 추정하는 데에 이용될 필터에 대한 정보 및 상기 미리 정해진 지점에서의 상기 비행체에 대한 정보를 산출하는 단계; 및
    상기 필터에 대한 정보 및 상기 비행체에 대한 정보를 저장하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 생성하는 단계는 상기 비행체의 상태와 관련된 제1 정보, 상기 비행체의 움직임과 관련된 제2 정보 및 상기 비행체의 제어와 관련된 제3 정보 사이의 관계식을 기초로 상기 비행체의 트림과 관련된 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 생성하는 단계는 항법 좌표계에서 상기 비행체의 방향별 위치, 동체 좌표계에서 상기 비행체의 방향별 속도, 상기 비행체의 자세각 및 상기 비행체의 회전과 관련된 각속도를 상기 제1 정보로 이용하고,
    상기 생성하는 단계는 항법 좌표계에서 상기 비행체의 방향별 위치, 동체 좌표계에서 상기 비행체의 방향별 속도, 상기 비행체의 자세각, 상기 비행체의 회전과 관련된 각속도, 동체 좌표계에서 상기 비행체의 방향별 가속도, 상기 비행체의 받음각, 상기 비행체의 옆미끄럼각 및 상기 비행체의 비행 경로각을 상기 제2 정보로 이용하며,
    상기 생성하는 단계는 상기 비행체의 승강타(elevator) 구동 각도, 상기 비행체의 보조 날개(aileron) 구동 각도 및 상기 비행체의 방향타(rudder) 구동 각도를 상기 제3 정보로 이용하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 추출하는 단계는 동체 좌표계에서 상기 비행체의 동체 축 방향 및 동체 밑 방향과 관련된 속도, 상기 비행체의 피치 각, 상기 비행체의 피치 각속도 및 상기 비행체의 승강타 구동 각도를 상기 비행체의 진행 방향과 관련된 변수들로 추출하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는,
    연속 시간에 상기 비행체의 상태와 관련된 제1 정보, 상기 비행체의 움직임과 관련된 제2 정보 및 상기 비행체의 제어와 관련된 제3 정보 사이의 관계식을 통해 구한 행렬들을 이산 시간과 관련된 행렬들로 변환하는 단계;
    상기 이산 시간과 관련된 행렬들을 기초로 상기 비행체의 대기 속도를 추정하는 데에 이용될 제1 공분산 행렬을 산출하는 단계;
    상기 제1 공분산 행렬을 기초로 상기 필터에 대한 정보를 산출하는 단계; 및
    상기 필터에 대한 정보 및 상기 이산 시간과 관련된 행렬들을 기초로 상기 비행체에 대한 정보를 산출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 대기 속도 추정을 위한 정보 산출 방법.
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