KR101886660B1 - X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사용 비행 시뮬레이터로 사용되는 X-Plane에서 QTG를 자동으로 생성할 수 있도록 함으로써, 미 연방항공청에서 요구하는 FTD Level5의 기준을 만족시켜 ATD로 적용되는 X-Plane 시뮬레이터를 FTD로 이용 가능하게 구성한 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법에 관한 것이다.

Description

X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법{Qualification Test Guide making method using X-Plane-based flight training device}

본 발명은 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG(Qualification Test Guide) 생성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상용으로 사용되는 X-Plane 비행 시뮬레이터에 제공될 수 있는 QTG를 생성하여, X-Plane이 미 연방항공청에서 규정하는 FTD(Flight Trainning Device) 또는 FFS(Full Flight Simulator) 또는 국토부 모의비행훈련장치의 시뮬레이션 엔진으로 적용 가능하도록 구성된 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법에 관한 것이다.

상용 비행시뮬레이션 게임 엔진인 X-Plane은 CFD(Computational Fluid Dynamics)의 일종인 BEM(Blade Element Method)을 공력 모델링에 사용하여 Bryan 섭동법에 기초하여, 동체, 주익, 미익 등의 공력들을 중첩하는 선형화된 단순 공력 모델을 사용하는 방식에 비하여, 상대적으로 우수한 비행 모델을 사용하고 있다.

하지만 X-Plane은 미 연방항공청(FAA, Federal Avitation Administration)에서 규정하고 있는 정규 FTD(Flight Training Device) 또는 FFS(Full Flight Simulator)의 시뮬레이션 엔진으로 사용되지 못하고 낮은 수준의 ATD(Avitaion Training Device) 수준에만 적용되고 있다.

Laminar Research사에서 개발한 X-Plane은 우수한 공력 모델 이외에도 전 세계 공항, 다양한 항공기들, 연료 시스템 모델 등 비행시뮬레이터를 구현하기 위해 필요한 다양한 구성요소들을 내재하고 있어 적절한 모의 하드웨어와 결합될 경우 FTD 또는 FFS와 유사한 모의 비행환경을 매우 경제적인 비용으로 구현할 수 있다.

X-Plane이 FTD 또는 FFS의 비행시뮬레이션 엔진으로 적용되는데 문제점은 미 연방항공청에서 요구하는 시험평가서인 QTG(Qualification Test Guide)를 생성할 수 있는 방법이 제공되지 않는다는 것이다. 본 발명인은 "PC-ATD의 FTD 자격획득을 위한 QTG 작성에 관한 연구"(2013.12.)를 통해 X-Plane 시뮬레이터의 FTD자격획득을 위한 QTG작성에 관하여 연구를 하였으나, 해당연구에서는 QTG가 요구하는 항목 중 조종반력을 측정하는 항목을 측정하지 못하였고, 테스트 자체를 수동으로 조작해야하는 어려움이 있었다.

"PC-ATD의 FTD 자격획득을 위한 QTG 작성에 관한 연구"(2013.12.)

본 발명에 의한 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법은 이를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명에 의한 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법의 목적은 X-Plane의 FTD 또는 FFS 자격획득을 위해 QTG를 생성하는데 있어서, 조종반력을 측정할 수 있고, 사용자가 수동으로 항공기를 조작하여 테스트를 수행하던 방식을 자동으로 변환한 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 X-Plane의 OTG 생성방법은, X-Plane 시뮬레이터, 상기 X-Plane 시뮬레이터에 작동신호를 입력하는 입력장치(200), 상기 입력장치(200)를 제어하고, 상기 X-Plane로부터 데이터를 전송받는 제어부(300)를 이용하여 상기 X-Plane 시뮬레이터의 QTG를 자동으로 생성할 수 있는 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법에 관한 것으로, 테스트에 사용할 항공기 모델을 선정하는 항공기 선정단계(S10), 상기 제어부(300)가 상기 입력장치(200)를 이용해 상기 사용 항공기 모델의 입력 파라메터를 조작하여 항공기를 이륙시키는 이륙단계(S20), 상기 제어부(300)가 상기 입력장치(200)를 이용해 상기 사용 항공기 모델의 입력 파라메터를 조작하여 항공기를 트림상태로 제어하는 트림단계(S30) 및 상기 제어부(300)가 상기 입력장치(200)를 이용해 상기 사용 항공기 모델을 미리 정해진 테스트들을 수행하고, 그 결과 데이터를 저장하는 저장단계(S40)를 포함할 수 있다.

또한 상기 입력장치(200)는, CLS(Control Loading System)가 설치될 수 있다.

또한 상기 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법은, 상기 저장단계(S40)에서 결과 데이터를 저장한 후에 이를 대체 기준치와 비교하여 오차범위가 허용치 안에 들어가는지를 검사하는 검사단계(S50);를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 저장단계(S40)는, 수행하는 테스트가 미 연방항공청의 FTD Level 5 또는 국토부 "나"급 비행훈련장치 테스트일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의한 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법은, 조종반력을 측정 가능하여 FAA에서 요구하는 Level 5 FTD 기준을 충족할 수 있는 효과가 있다.

또한 상기 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법은, 테스트에 필요한 파라메터 조작을 자동으로 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 X-Plane, 입력장치, 제어부의
개략도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 순서도
도 3은 Stall warning 테스트의 결과 그래프
도 4는 Engine acceleration 테스트의 결과 그래프
도 5는 Control Position vs Force 테스트의 결과 그래프

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법에 관하여 상세히 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시에에 의한 X-Plane, 입력장치, 제어부의 개략도이다.

도 1은 본 발명에서 사용되는 X-Plane 시뮬레이터, 입력장치(200), 제어부(300)의 개략적인 관계를 나타낸 것이다. X-Plane 시뮬레이터는 별도로 구성된 입력장치(200)로부터 작동신호를 인가 받는데, 상기 입력장치(200)는 프로그램으로 구현될 수도 있고, 별도의 하드웨어로 구현될 수도 있다. 단, 상기 입력장치(200)에는 CLS(Control Loading System)이 장착되어 있다. 상기 CLS는 조종반력을 측정할 수 있게 해 주는 장치로, QTG의 항목 중 조종반력을 측정해야 하는 항목이 있기 때문에 장착된다. 상기 CLS는 다양한 종류가 있지만, 본 발명에서는 Brunner사의 CLS를 사용하도록 한다.

상기 제어부(300)는 프로그램으로 구현된 것으로, 다양한 종류의 툴이 사용될 수 있지만 본 발명에서는 MATLAB/Simulink를 사용하도록 한다. 상기 제어부(300)는 상기 X-Plane으로부터 데이터를 전송받아 이를 검증하는 역할을 하고, 또한 상기 입력장치(200)를 제어하는 역할도 수행한다. 상기 입력장치(200)를 제어하는 것은, 사람이 직접 QTG 항목에 맞춰 모든 파라미터를 제어하는 것이 상당히 어려운 일이기 때문이다. 상기 제어부(300)는 UDP통신을 통해 상기 X-Plane으로부터 항공기의 고도, 속도, 롤, 요잉, 피치 등과 같은 정보를 수신하고 이를 항공기 제어에 반영한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 순서도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법은 항공기 선정단계(S10), 이륙단계(S20), 트림단계(S30), 저장단계(S40) 및 검사단계(S50)를 포함한다.

상기 항공기 선정단계(S10)는 시뮬레이션에 사용할 항공기 모델을 선정하는 단계이다. X-Plane에서는 자체적인 항공기 모델의 DB를 보유하고 있어, 이 항공기 모델의 DB로부터 원하는 항공기 모델을 선택할 수 도 있고, 모델링된 항공기를 외부에서부터 입력하여 사용할 수 있다. 또한 X-Plane에서는 자체적으로 Plane Maker 기능이 있어, 상기 Plane Maker를 통해 개발된 항공기 모델 역시 시뮬레이션으로 사용 가능하다.

본 발명에 의한 일실시예에서는 항공기 모델로 vflyteair사에서 X-Plane용으로 개발된 Cirrus SR20모델을 사용한다. 상기 제어부(300)는 입력장치(200)를 통해 상기 Cirrus SR20모델의 네 가지 요소(또는 파라미터)를 제어하여 해당 항공기를 조작하게 되는데, 이 요소가 스로틀(Throttle), 에일러론(Aileron), 엘리베이터(Elevator), 러더(Rudder)이다. 스로틀은 엔진의 카뷰레터에서 공기의 흡입량을 가감하여 엔진의 추력을 조절한다. 비행기의 조종간을 보면 스로틀이 레버형식으로 되어 있는데, 보통 스로틀을 올리면 비행기의 추력이 증가하여 속도가 증가하고, 스로틀은 내리면 비행기의 추력이 감소하여 속도가 감소한다. 즉 자동차의 액셀러레이터와 동일한 기능을 한다.

상기 에일러론, 엘리베이터, 러더는 1차 조종 면이라고 하는 것으로, 상기 에일러론은 양 날개에, 엘리베이터 및 러더는 항공기의 후미에 위치하여 각각 항공기의 선회 및 롤링, 상승 및 하강, 기수방향을 제어하는 역할을 한다.

상기 스로틀, 에일러론, 엘리베이터, 러더는 본 발명의 일실시예인 vflyteair사의 Cirrus SR20모델에만 적용되는 것으로, 상기 제어부(300)가 제어하는 요소는 항공기 모델에 따라 달라질 수 있다.

상기 이륙단계(S20)에서는 상기 제어부(300)가 상기 입력장치(200)를 이용해 상기 사용 항공기 모델의 입력 파라미터를 조작하여 항공기를 이륙시키는 단계이다. 본 발명의 일실시예에서는 상기 엘리베이터는 중립을 유지하도록 설정하고, 에일러론은 항공기의 롤각을 0도로 유지할 수 있도록 제어하며, 러더는 항공기가 활주로를 이탈하지 않고 활주할 수 있도록 항공기가 활주로와 동일한 방향을 향하도록 제어한다. 여기서 상기 에일러론이 항공기의 롤각을 0도로 유지하는 것은, 상기 제어부(300)가 항공기의 롤각에 대한 정보를 상기 X-Plane으로부터 수신하여, 이를 기준으로 상기 에일러론을 제어한다. 즉, 상기 제어부(300)는 항공기의 롤각이 피드백이 되어 일종의 피드백 시스템으로 구성되는 별도의 제어기를 형성하는 것이다.

상기 제어부(300)는 상기 X-Plane으로부터 항공기의 고도정보를 실시간으로 전송받는데, 항공기가 뜨면, 즉 항공기의 고도가 최소 5ft를 넘으면 다음 단계로 진행하도록 제어한다.

상기 이륙단계(S20) 이후 테스트를 진행하려면 항공기가 미리 정해진 고도로 상승해야 한다. 이를 위해 상기 에일러론을 제어하여 상승속도 및 고도를 제어할 수 있도록 하였으며, 이 또한 상기 이륙단계(S20)와 마찬가지로 일종의 피드백 시스템인 제어기를 구성한다. 또한 항공기가 미리 정해진 고도로 상승하기 위해서는 스로틀 또한 제어해야 하는데, 이 역시 별도의 제어기를 형성하여 스로틀을 제어하여 항공기의 속도를 제어한다.

상기 트림단계(S30)는 상기 제어부(300)가 상기 입력장치(200)를 이용해 상기 사용 항공기 모델의 입력 파라미터를 조작하여 항공기를 트림상태로 제어하는 단계이다. 항공에서 트림이란, 외부에서 작용하는 모든 힘과 모멘트들의 벡터 합이 "0"이 되는 경우를 의미한다. 예를 들어, 항공기를 속도 및 고도에 있어서 트림상태로 유지하려고 하면, 항공기를 제어할 수 있는 요소들을 제어하여 속도 및 고도를 미리 정해진 시간만큼 일정하게 유지시키면, 즉 힘과 모멘트에 의한 가속 운동이 나타나지 않는, 해당 항공기는 트림상태를 유지한다고 할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 고도와 속도를 120초간 일정하게 유지하는 상태를 트림상태라고 설정하고, 이를 위해 상기 제어부(300)는 상기 스로틀, 에일러론, 엘리베이터 및 러더를 제어한다. 항공기가 트림상태에 도달하게 되면, 이후 FAA에서 요구하는 각종 테스트들을 수행하게 된다. 본 발명의 일실시예에서 트림상태의 기준이 되는 고도는 3000ft로, 속도는 100노트로 결정한다.

상기 저장단계(S40)는 상기 제어부(300)가 상기 입력장치(200)를 이용해 상기 사용 항공기 모델을 미리 정해진 테스트들을 수행하고, 그 결과 데이터를 저장하는 단계이다. 상기 테스트는 미 연방항공청의 FTD Level5 또는 국토부 "나"급 비행훈련장치 테스트이다. 미 연방항공청의 FTD Level5 또는 국토부 "나"급 비행훈련장치 테스트는 이미 널리 공지된 기술로서, 본 명세서에서는 생략한다. 또한, 상기 저장단계(S40)에서는 상기 트림단계(S30)에서 트림상태에 도달한 후 5초 뒤 테스트를 수행한다. FAA에서 요구하는 Level 5 FTD의 테스트는 아래 표 1에 나타난 것과 같이 19개의 테스트가 있다.

1.c.1	Normal Climb All Engines Operating
1.f.1	Engine Acceleration
1.f.2	Engine Deceleration
2.a.1	Column Position vs. Force only
2.a.2	Wheel Position vs. Force only
2.a.3	Pedal Position vs. Force only
2.c.1	Power Change Force
2.c.2	Flap Change Force
2.c.5	Longitudinal Trim
2.c.7	Longitudinal Static Stability
2.c.6	Stall Characteristics
2.c.9	Phugoid Dynamics
2.d.2	Roll Response
2.d.4	Spiral Stability
2.d.6	Rudder Response
2.d.8	Steady State Sideslip
6.a.1	Transport Delay - Pitch
6.a.2	Transport Delay - Roll
6.a.3	Transport Delay - Yaw

상기한 테스트의 결과 값은 대체 기준치와 비교하여, 대체 기준치(Alternative data source)와의 허용 오차범위 안에 들어가면 테스트를 통과한 것이고, 이를 벗어나면 테스트를 통과하지 못한 것으로 간주한다.

상기한 테스트 가운데 몇몇 테스트에 대해서는 미리 정해진 테스트방식이므로, 몇몇 예에 대해서만 설명한다.

도 3은 Stall warning 테스트의 결과 그래프이다.

상기 2.c.6의 Stall Characteristics의 테스트 중 하나는 stall warning 테스트로, 트림상태의 항공기의 스로틀을 idle상태로 두어 항공기의 속도를 점차 줄이는 기동을 하게 된다. 이 테스트는 항공기가 실속 속도가 되었을 때, 어느 속도에서 경고알람을 보내는 것인가를 측정하는 테스트로, 도 3에 도시된 바와 같이, 트림상태에서 100노트로 비행하던 항공기는 스로틀이 idle상태가 된 후 점점 속도가 줄면서, 68.52노트가 되었을 때 실속 경고알람이 울렸다. 해당 속도와 시간은 상기 제어부(300)에 기록되게 되고, 상기 제어부(300)는 이 결과 값이 허용 오차 범위 안에 들어가는지 여부를 체크하고 이를 출력하게 된다. 이 결과 값의 대체 기준치는 44노트에서 72노트의 범위로, Stall warning 테스트는 이 결과 값에 만족한다.

도 4는 Engine acceleration 테스트의 결과 그래프이다.

항공기의 성능을 체크하는 테스트 중 1.f.1의 Engine Acceleration 테스트를 예로 들어보면, 이 테스트는 스로틀 조작에 따른 항공기 엔진의 RPM변화를 측정하는 테스트이다. 스로틀을 idle상태에서 Max 상태로 위치시켰을 때, 최대 RPM 대비 10%에 도달하였을 때와 90%에 도달하였을 때의 시간차를 측정하며, 대체 기준치에 따르면 시간차는 2초에서 4초 사이에 들어와야 한다. 도 4에는 이 테스트에 대한 결과 값이 도시되어 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 엔진의 RPM이 10%에 도달하였을 때에는 508.6초, 엔진의 RPM이 90%에 도달하였을 때에는 512.08초로 테스트 결과 약 3.48초로 범위를 만족하였음을 알 수 있다.

도 5는 Control Position vs Force 테스트의 결과 그래프이다.

Handling Quality Test 항목은 상기 입력장치(200)에 장착된 CLS를 활용한 테스트이다. Handling Quality Test 중, 일부 항목은 조종간(Yoke)과 러더 페달을 움직이기 위해 조종사가 가해야 하는 힘을 측정하는 항목이 있는데, 이는 다음과 같은 순서로 진행되게 된다. 초기조건과 트림상태를 확인하고, 조종간(Yoke)을 Column방향으로 끝까지 밀었다가 다시 끝까지 당긴다. 이후 조종간을 다시 중립상태에 위치시킨 후, 상기 CLS의 소프트웨어인 CLS2SIM에서 읽은 값을 상기 제어부(300)에 기록한다. 이와 같은 방법으로 측정된 힘은 파운드(lb) 단위로 측정되며 그 결과는 도 5에 도시된 바와 같다.

상기 검사단계(S50)에서는 상기 표 1에 도시된 테스트를 모두 끝마치면 상기 저장단계(S40)에서 저장된 각각 항목 테스트에 대한 결과 값과 각각의 대체 기준치를 각각 비교하여, 각각의 테스트 결과 값이 허용범위 안에 있는지를 측정한다.

이와 같이 상기 제어부(300)는 X-Plane의 QTG작성을 위하여 항공기를 테스트하기 위해 상기 X-Plane으로부터 상태정보(항공기의 속도, 고도, 피치각, 롤각, 요잉각 등)를 전달받아 항공기의 조작 요소(스로틀, 에일러론, 엘리베이터, 러더 또는 기타 등등)를 제어함으로써 종래 X-Plane에서 QTG작성이 힘들었던 점을 개선하였다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : X-Plane
200 : 입력장치
300 : 제어부
S10 : 항공기 선정단계
S20 : 이륙단계
S30 : 트림단계
S40 : 저장단계
S50 : 검사단계

Claims (4)

1. X-Plane(100) 시뮬레이터, 조종반력을 측정하는 CLS(Control Loading System)가 설치되어 있으며, 상기 X-plane(100) 시뮬레이터에 작동신호를 입력하는 입력장치(200), 상기 입력장치(200)를 제어하고, 상기 X-Plane(100)으로부터 데이터를 전송받는 제어부(300)를 이용하여 상기 X-Plane 시뮬레이터의 QTG를 자동으로 생성할 수 있는 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법에 있어서,
   테스트에 사용할 항공기 모델을 선정하는 항공기 선정단계(S10);
   상기 제어부(300)가 상기 입력장치(200)를 이용해 상기 사용 항공기 모델의 입력 파라미터를 자동으로 변환 조작하여 항공기를 이륙시키되, 에일러론을 제어하여 상승속도 및 고도를 제어함으로써 미리 정해진 고도로 상승시키는 이륙단계(S20);
   상기 제어부(300)가 상기 입력장치를 이용해 상기 사용 항공기 모델의 입력 파라미터를 자동으로 변환 조작하여 항공기를 트림상태로 제어하되, 스로틀, 에일러론, 엘리베이터 및 러더를 제어함으로써 미리 정해진 시간만큼 일정하게 속도 및 고도를 유지시키는 트림단계(S30); 및
   상기 제어부(300)가 상기 입력장치를 이용해 상기 사용 항공기 모델을 미리 정해진 테스트들을 자동으로 조작하여 수행하고, 그 결과 데이터를 저장하는 저장단계(S40); 및
   상기 결과 데이터를 대체 기준치와 비교하여 오차범위가 허용치 안에 들어가는지 검사하는 검사단계(S50);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 X-Plane 기반 비행훈련장치의 QTG 생성방법.
   
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