KR20170121553A - 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 장치를 개시하고 있다. 상기 장치는 항공기의 전체 시스템을 모의하기 위한 복수 개의 서브시스템 모듈을 포함하는 HETLAS 서브시스템 모듈(상기 HETLAS 서브시스템 모듈은 주로터, 꼬리로터, 동체 및 미익의 기본 헬리콥터 수학모델을 포함함), 드라이버(driver) 파일을 기반으로 각각의 HETLAS 서브시스템 모듈을 호출하여 실행하는 HETLAS 메인 모듈 및 상기 드라이버 파일과 SDC(Subsystem Data Connection) 파일을 기반으로 상기 HETLAS 모듈과 상기 HETLAS 서브 시스템 모듈과의 연동을 수행하는 인터페이스를 포함하되, 상기 인터페이스는 구조체 형식의 입출력 매개 변수를 갖고 해당 서브시스템 모듈을 호출하는 드라이버 파일로 이루어진다.

Description

항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 방법 및 장치{FLIGHT CONTROL LAW SIMULATION METHOD AND APPARATUS}

본 발명은 비행제어법칙 해석 및 시험 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 반복적인 제어법칙의 설계/해석 및 시험 절차를 효율적으로 수행하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

전자식 비행제어시스템의 개발과 검증 과정은 그 중요성 및 복잡성으로 인해 항공기의 전 개발주기에서 많은 시간과 비용이 소모된다. 따라서 비행제어시스템의 개발 기간 단축 및 비행시험의 소모를 줄이는 것은 항공기의 개발비용과 기간에 많은 영향을 미치게 된다.

최근에는 매틀랩/시뮬링크(Matlab/Simulink) 및 CONDUIT(CONtrol Designer's Unified InTerface) 등의 개발도구를 이용하여 기본적인 제어법칙의 설계 및 해석과 정량적인 기준에 부합하는 제어법칙의 게인 최적화가 용이해졌다.

그리고 근래의 비행제어 시스템은 게인 스케줄링, 모드 전환 로직 및 고장 보상기법 등을 반영한 다양한 제어모드가 사용된다. 이러한 제어모드의 평가는 비행제어법칙의 안정성 검토를 위해 필수적으로 요구된다.

그러나 모드 전환 시의 천이구간 및 항공기 기동에 따른 다양한 스케줄링과 로직의 평가는 매틀랩/시뮬링크 및 CONDUIT과 같은 개발도구를 이용하여 수행할 수 없고, 고-신뢰도를 갖는 비선형 항공기 모델을 적용한 조종사 평가환경을 통해서 가능하다.

이와 같이 비행제어소프트웨어의 개발은 제어법칙의 구조설계, 요구도 만족을 위한 제어게인 최적화, 선형해석, 비선형 시뮬레이션 해석, 조종사에 의한 비행 조종성 평가, 비행조종시스템 주요 구성품을 적용한 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 시험평가, 그리고 비행시험에 이르는 절차를 반복적으로 거쳐 이루어져야 하는데 이러한 시뮬레이션 수행에 시간 및 사용자의 노력이 과도하게 투입되는 문제점이 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 목적은 항공기 전 개발기간/비용 및 위험도를 최소화시키며 비행제어시스템의 성능 및 신뢰도를 최대한으로 확보하기 위해서는 제어법칙의 적용 및 시험을 효율적으로 수행할 수 있는 통합 개발도구와 "Rapid Prototyping(신속한 프로토타이핑)" 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 장치는 항공기의 전체 시스템을 모의하기 위한 복수 개의 서브시스템 모듈을 포함하는 HETLAS 서브시스템 모듈(상기 HETLAS 서브시스템 모듈은 주로터, 꼬리로터, 동체 및 미익의 기본 헬리콥터 수학모델을 포함함), 드라이버(driver) 파일을 기반으로 각각의 HETLAS 서브시스템 모듈을 호출하여 실행하는 HETLAS 메인 모듈 및 상기 드라이버 파일과 SDC(Subsystem Data Connection) 파일을 기반으로 상기 HETLAS 모듈과 상기 HETLAS 서브 시스템 모듈과의 연동을 수행하는 인터페이스를 포함하되, 상기 인터페이스는 구조체 형식의 입출력 매개 변수를 갖고 해당 서브시스템 모듈을 호출하는 드라이버 파일로 이루어질 수 있다.

상기 드라이버 파일은 SDC 파일에 정의된 서브시스템 모델의 정보를 이용하여 각각의 서브시스템 모델에 대한 파일을 자동화 프로그램으로 생성한 것일 수 있다.

새로 개발된 제어법칙을 기반으로 자동코드 생성 절차를 통해 타 소프트웨어와 인터페이스가 가능하도록 제어법칙 자동코드 및 CLAW(Control Law) 인터페이스 래퍼(wrapper) 파일을 생성하며, 상기 생성된 제어법칙 자동코드 및 CLAW 인터페이스 래퍼를 복수 개의 서브시스템과 연동시키고 상기 제어법칙 자동코드에 대한 비선형 시뮬레이션 평가를 수행할 수 있다.

상기 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 장치는 상기 개발된 비행 제어법칙의 게인 스케줄링, 모드 스위칭 로직 및 고장보상기법을 포함하는 제어모드의 평가를 수행하는 데스크탑 엔지니어링 시뮬레이터(DESHE) 및 상기 HETLAS 모듈의 SDC와 드라이버 파일 기반의 인터페이스 구조를 활용하여 HILS(Hardware-In-the-Loop-Simulation) 환경과 연동시키는 HILS 연동 모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 HETLAS 서브시스템 모듈은 조종사로부터 조종간 입력 데이터를 수신하는 파일럿 서브시스템 모듈, 상기 파일럿 서브시스템 모듈로부터 전송되는 조종간 입력 데이터를 판독하여 실행을 위해 필요한 신호들을 생성하는 FCS 서브시스템 모듈, 비행동역학 모델의 해석결과를 이용하여 항공기 센서에서 발생되는 운동정보를 모의하는 센서 서브시스템 모듈, 상기 FCS 서브시스템 모듈로부터 전송되는 신호들에 각각 대응하는 동작 제어 신호들을 생성하는 액츄에이터 서브시스템 모듈 및 상기 액츄에이터 서브시스템 모듈의 제어명령의 액츄에이터 변위로부터 로터 블레이드 각을 계산하여 해석모듈로 전달하는 기계식 비행 제어시스템 모듈을 포함할 수 있다.

상기 HETLAS 서브시스템 모듈은, 헬리콥터 기동 중의 환경 변수 데이터들을 나타내는 신호들을 발생시키는 신호 발생기 서브시스템 모듈 및 상기 액츄에이터 서브시스템 모듈로부터 전송되는 동작 제어 신호들 및 상기 신호 발생기 서브시스템 모듈로부터 전송되는 상기 환경 변수 데이터들을 나타내는 신호들에 따라 헬리콥터의 토크, 동체, 메인 로터, 테일 로터, 수직안정판, 수평안정판이 받게 되는 힘과 모멘트를 계산하는 헬리콥터 6자유도 모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 HETLAS 메인 모듈은, 상기 파일럿 서브시스템 모듈을 통하여 조종사로부터 입력받는 트림 실행 명령에 따라 상기 FCS 서브시스템 모듈, 상기 액츄에이터 서브시스템 모듈, 상기 신호 발생기 서브시스템 모듈, 상기 헬리콥터 6자유도 모듈을 호출하여 트림 연산을 수행하는 헬리콥터 트림 해석 모듈, 상기 파일럿 서브시스템 모듈을 통하여 조종사로부터 입력받는 선형화 실행 명령에 따라 상기 FCS 서브시스템 모듈, 상기 액츄에이터 서브시스템 모듈, 상기 신호 발생기 서브시스템 모듈, 상기 헬리콥터 6자유도 모듈을 호출하여 선형화 연산을 수행하는 헬리콥터 선형화 해석 모듈 및 상기 파일럿 서브시스템 모듈을 통하여 조종사로부터 입력받는 시뮬레이션 실행 명령에 따라 상기 FCS 서브시스템 모듈, 상기 액츄에이터 서브시스템 모듈, 상기 헬리콥터 6자유도 모듈을 호출하여 시뮬레이션 연산을 수행하는 헬리콥터 시뮬레이션 해석 모듈을 포함할 수 있다.

상기 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 장치는 비행제어법칙을 개발하기 위한 도구를 제공하는 제어법칙 개발 모듈을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 방법 및 장치에 따르면, 비선형 시뮬레이션 해석에서부터 데스크탑 엔지니어링 시뮬레이터 DESCH와 조종성 시뮬레이터 그리고 HILS의 탑재 소프트웨어 환경에 이르기까지 동일한 제어법칙 모델을 이용하여 시험/평가를 가능하게 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 방법 및 장치에 따르면, 제어법칙 개발을 위한 상기 과정에서 HETLAS를 중심으로 한 연동 프로세스에 의해 비행제어법칙 개발이 효율적으로 수행되도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어법칙 개발 방법을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 HETLAS 배치(batch) 분석 환경을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어법칙 시뮬레이션 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어법칙 시뮬레이션 장치의 내부 인터페이스 구성을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어법칙 시뮬레이션 장치와 제어법칙의 통합 방법을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어법칙 시뮬레이션 장치를 통해 데스크톱 엔지니어링 시뮬레이션을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어법칙 시뮬레이션 장치와 HQS의 통합 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

본 명세서에 걸쳐서 비행제어법칙 시뮬레이션 모듈(또는 장치)은 소프트웨어 프로그램일 수 있다. 이는 윈도우 워크스테이션 기반의 헬리콥터 비행역학 해석프로그램일 수 있고, 고 충실도 요소기반 모델링 기법과 비행역학 해석 모듈인 트림, 선형화 및 시뮬레이션 기법을 제공하여 비행 제어 법칙 시스템 개발에 이용될 수 있다. 비행제어법칙 시뮬레이션 모듈은 컴퓨터 판독가능한 기록매체에 저장될 수 있으며, 이를 HETLAS: HElicopter Trim, Linearization And Simulation)이라 부를 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어법칙 개발 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, HETLAS를 이용한 비행제어법칙의 개발은 비선형 시뮬레이션 해석에서부터 데스크탑 엔지니어링 시뮬레이터(DESHE: Desktop Engineering Simulator using HETLAS)와 조정성 시뮬레이터 및 HILS(Hardware-In-the-Loop Simulator)의 탑재 소프트웨어 환경에 이르기까지 동일한 제어법칙 모델을 이용하여 시험/평가를 가능하게 한다.

먼저, HETLAS 선형화된 수학 모델(트림 및 선형해석 프로그램 포함)을 기반으로 비행 제어에 대한 요구도를 받아 이를 만족시키는 매틀랩/시뮬링크 및 CONDUIT 등의 개발도구를 이용하여 기본적인 제어법칙을 설계하고 시간영역 및 주파수 영역의 폐루프 해석을 수행할 수 있다. 그리고는, 선형해석을 수행하여 게인을 선정한 제어법칙은 고 충실도 비선형 모델을 이용한 시뮬레이션 평가를 위해 자동코드로 변환한다. HETLAS는 자동코드로 변환된 제어법칙과 서브시스템의 연동절차를 제공하여, 간편한 비선형 시뮬레이션 평가를 가능하게 한다.

그리고는, HETLAS를 이용한 데스크탑 엔지니어링 시뮬레이터(DESHE)를 통해 비행제어법칙의 게인 스케줄링, 모드 스위칭 로직 및 고장보상기법 등의 다양한 제어모드의 평가를 수행할 수 있다. 다음으로, SDC(Subsystem Data Connection) 파일 및 드라이버 파일을 이용하는 HETLAS 인터페이스 구조를 활용하여 조종성 시뮬레이터 및 탑재 시스템을 시험하는 HILS 환경과 연동시킬 수 있다. 상기 연동을 통해 제어법칙을 시뮬레이션할 수 있고, 반복적인 비행제어법칙 개발 및 형가를 효율적으로 수행할 수 있다.

도 2는 HETLAS 배치(batch) 분석 환경을 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에 있어서, 높은 대역폭을 갖는 비행제어기의 개발을 위해 고-충실도의 수학모델이 요구될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 HETLAS는 고-충실도의 모델링을 위해 레벨 2의 주로터 모델링 기법과 선택적으로 사용가능한 레벨 1 및 레벨2의 꼬리 로터 모델링 기법이 차용될 수 있다.

기체에 대한 공력모델은 동체 모델과 동체에 수평 및 수직 안정판을 장착한 scale-model에 대한 풍동 시험데이터 베이스를 활용할 수 있다. 특히, 각속도를 갖는 기동비행해석을 위해 위의 풍동시험 데이터베이스를 활용하여 수직 및 수평안정판의 공력특성을 별도의 테이블로 데이터베이스화하여 사용할 수 있다. 높은 받음각과 옆 미끄럼 각에 대한 공력 데이터베이스는 경험식을 이용하여 구성될 수 있다. FBW FCS(Flight Control System) 개발환경에 필요한 비행역학 해석 모듈은 크게 트림해석, 선형화 및 제어입력에 대한 시뮬레이션 모듈 등으로 구분할 수 있다. 이를 위해 HETLAS는 harmonic balance 기법 및 periodic trim 기법을 이용한 트림해석, 미소교란 이론을 이용한 선형화 해석, 4차의 Runge-Kutta 시간적분법 및 RTAM-3(Real-Time Adams-Moulton) 시간적분법 등을 이용한 시뮬레이션 등의 해석 모듈을 포함할 수 있다.

도 2를 참조하면, 다양한 조건의 해석을 일괄적으로 수행하기 위해 도 2와 같이 설정파일을 이용하여 해석조건을 정의하고 각각의 설정파일을 순차적으로 읽어 들여 해석을 수행하는 배치(batch) 해석 환경을 고려할 수 있다. 또한 설정 파일에서는 해석 조건 설정과 사용자 편의를 위해서 다양한 명령어를 사용할 수 있도록 구성될 수 있다. 이때, 주요한 명령어는 "call', "halt" 및 "connection" 등이 있다. "call" 명령어는 서브시스템 모델을 호출하여 정의되어 있는 변수의 값을 변경할 수 있는 기능을 제공하며(예: call analysis; height = 1000;), "halt" 명령어는 다양한 제어로직의 평가 등을 위해서 시뮬레이션 수행 중 일시 정지시켜 switch 데이터 등의 입력 값을 변경하고 시뮬레이션을 재수행할 수 있는 수단을 제공한다. "connection" 명령어는 SDC(Subsystem Data Connection)파일에 정의된 데이터 연결 정의를 각각의 설정파일에서 연결(connection) 명령어로 재정의하여 해석을 수행하게 하는 기능을 수행한다.

시간영역 시뮬레이션은 트림해석 결과인 "*.trm" 파일을 로딩하여 수행하도록 함으로써 사용자가 정의한 항공기의 다양한 트림 상태로부터 시뮬레이션이 시작할 수 있도록 구성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어법칙 시뮬레이션 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어법칙 시뮬레이션 장치(예컨대, HETLAS)는 인터페이스(210), 실행모듈(212), 공유메모리(214), 명령어 해석모듈(216), SDC 해석 모듈(218), 및 복수 개의 서브시스템 모듈들(220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)을 포함할 수 있다.

도 3을 참조하면, 실행모듈(212), 공유메모리(214), 명령어 해석모듈(216) 및 SDC 해석 모듈(218)은 메인 모듈을 구성할 수 있다. 실행모듈(212)은 각 서브시스템 모듈의 드라이버 파일을 호출하여 실행하는 기능을 수행할 수 있다. 공유메모리(214)는 데이터베이스화 되어 저장된 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 명령어 해석모듈(216)은 앞서 설명한 "call", "halt" 및 "connection" 등을 포함하는 다양한 컴퓨터 명령어를 해석하는 기능을 수행하며, 이를 기반으로 드라이버 파일을 통해 서브시스템 모듈을 호출할 수 있다. SDC 해석 모듈은 SDC 파일을 해석하는 기능을 수행한다.

복수 개의 서브시스템 모듈들(220, 230, 240, 250, 260, 270, 280)은 파일럿 서브시스템 모듈(220), 센서 서브시스템 모듈(230), 액츄에이터 서브시스템 모듈(240), 헬리콥터 비행동역학 해석 모듈(250), FCS(Flight Control System) 서브시스템 모듈(260), Swashplate 서브시스템 모듈(270), 및 기계식 조종장치 모듈(280)을 포함할 수 있다.

FCS 서브시스템 모듈(250)은 설계한 제어법칙과 연동하여 조종사 입력 데이터 및 센서 데이터 등의 제어로직 해석 수행에 필요한 데이터를 받아들이고 제어출력을 전달하는 서브시스템 모듈이다. 파일럿 서브시스템 모듈(220)은 조종사의 조종입력을 모의하기 위해서 미리 정의된 사용자 입력을 이용하여 시간에 따른 조종입력을 생성하는 서브시스템 모델이다. 센서 서브시스템 모듈(230)은 비행동역학 모듈의 해석결과를 이용하여 항공기의 센서에서 발생되는 수정대기속도, 상승률, 대지속도 등의 기본적인 항공기의 운동정보를 모의할 수 있다. 그리고 조종성 시뮬레이터 연동 시에는 IG(Image Generator) 영상으로부터 전송받은 지형의 고도 데이터를 이용하여 레이더 고도를 출력할 수 있다. 액추에이터 서브시스템 모듈(240)은 항공기의 주로터 및 꼬리로터 액추에이터 전달함수를 이용하여 모델링될 수 있다. MFCS 서브시스템 모델(280)은 헬리콥터의 기계식 조종장치 모델로서 제어명령의 액추에이터 변위로부터 로터 블레이드 각을 계산하여 해석모듈로 전달할 수 있다.

그 외에도, HETLAS 프로그램은 헬리콥터 6자유도 모듈로서, 엔진데이터 베이스를 이용하여 엔진 추력을 계산하는 엔진 서브시스템 모듈과, 공력 데이터베이스 내의 각 구성요소별 공력 계수를 이용하여 현재의 비행 환경 조건에 대응되는 헬리콥터의 각 구성부분의 6자유도를 계산하는 동체 서브시스템 모듈과, 메인 로터 서브시스템 모듈과, 테일 로터 서브시스템 모듈과, 수직안정판 모듈과, 수평안정판 모듈을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 HETLAS는 헬리콥터 6자유도 모듈과 신호를 송수신하는 다른 서브시스템들로서, FCS 서브시스템 모듈(260)은 파일럿 서브시스템 모듈(220)로부터 전송되는 조종간 입력 데이터에 대응하는 헬리콥터 동작을 위해 필요한 4개의 신호 즉, 메인 로터 콜렉티브(main rotor collective) 신호와 테일 로터 콜렉티브(tail rotor collective) 신호와 래터럴 싸이클릭(lateral cyclic) 신호와 롱지튜디널 싸이클릭(longitudinal cyclic) 신호를 생성할 수 있다.

액츄에이터 서브시스템 모듈(240)은 FCS 서브시스템 모듈(260)로부터 전송되는 상기 메인 로터 콜렉티브 신호와 테일 로터 콜렉티브 신호와 래터럴 싸이클릭 신호와 롱지튜디널 싸이클릭 신호에 대응하는 동작 제어 신호를 생성하여 헬리콥터 6자유도 모듈들 중의 해당 모듈로 전송할 수 있다.

센서 서브시스템 모듈(230)은 헬리콥터 기동 중의 기타 환경 변수 데이터들을 나타내는 신호를 발생시키는 신호와, 액츄에이터 서브시스템 모듈(240)로부터의 동작 제어 신호 및 신호 발생기 서브시스템 모듈로부터의 환경 변수 데이터들을 나타내는 신호에 따른 헬리콥터 6자유도 모듈들의 동작을 감지할 수 있다.

또한, HETLAS 구성에 있어서, 실행모듈(212)은 사용자의 트림 실행 명령에 따라 서브시스템들 중의 해당 서브시스템 모듈들의 호출 수행 순서, 횟수 및 변수 입출력 관계를 특정한 후 트림 연산을 수행하는 헬리콥터 트림 해석 모듈, 사용자의 선형화 실행 명령에 따라 서브시스템 모듈들 중의 해당 서브시스템 모듈들의 호출 수행 순서, 횟수 및 변수 입출력 관계를 특정한 후 선형화 연산을 수행하는 헬리콥터 선형화 해석 모듈, 및 사용자의 시뮬레이션 실행 명령에 따라 서브시스템 모듈들 중의 해당 서브시스템 모듈들의 호출 수행 순서, 횟수 및 변수 입출력 관계를 특정한 후 시뮬레이션 연산을 수행하는 헬리콥터 시뮬레이션 해석 모듈을 포함할 수 있다.

또한, 내부 인터페이스(210)는 서브시스템 모듈들과 HETLAS 메인 모듈과 연결을 담당한다. 인터페이스(210)는 드라이버 파일을 이용할 수 있다. 드라이버 파일은 구조체 형식의 정형화된 입/출력 매개변수를 갖고 해당 서브시스템 모델을 호출하는 프로그램 파일이다. 이는 SDC 파일에 정의된 서브시스템 모델의 정보를 이용하여 각각의 서브시스템 모델에 대한 파일을 자동화 프로그램으로 생성한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어법칙 시뮬레이션 장치의 내부 인터페이스 구성을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, HETLAS 내부 인터페이스는 드라이버 파일(414) 및 SDC 파일(420)을 이용하여 동작할 수 있다. HETLAS 실행 모듈(410)은 드라이버 파일(414)을 호출하고 드라이버 파일(414)은 각각의 서브시스템 모듈(416)을 호출할 수 있다. 따라서 드라이버 파일(414)은 HETLAS 실행 모듈(410)이 각기 다른 입/출력 매개변수를 갖는 서브시스템 모듈들(416)을 동일하고 정형화된 구조로 호출할 수 있는 수단을 제공할 수 있다.

SDC 파일(420)은 HETLAS에서 서브시스템(416)을 실행하는데 필요한 데이터정보를 수록한 파일로서 입력변수, 출력변수, 변수의 형(data type), 데이터 흐름정보(입력데이터를 제공하는 서브시스템 이름 및 데이터 이름) 그리고 서브시스템 모델(416)의 실행 주기 등을 수록한 파일이다. 전체 HETLAS 서브시스템 모듈(416)의 실행과 관련한 데이터를 SDC 파일(420)을 이용하여 통합 관리할 수 있다. 따라서 SDC 파일(420)을 이용하여 드라이버 파일(414)의 생성뿐만이 아니라 시뮬레이션 시 데이터 흐름정보를 판독하여 공유메모리(412) 상에 있는 데이터를 연결하거나, 새로운 서브시스템 모듈(416)을 추가하는 등의 절차가 효율적으로 수행될 수 있다.

시뮬레이션 해석 수행 시 HETLAS의 주 실행 모듈(410)은 SDC에 정의된 서브시스템(subsystem name #A, 'sim_connection')의 데이터 연결 정의(input_name #B, "subsystem #C :variable #D")를 판독하여 서브시스템 #A의 입력 변수 #B를 서브시스템 #C의 출력변수 #D로 주입하여 실행되도록 할 수 있다. 새로운 서브시스템 모델의 추가는 SDC에 관련 정보를 수록하고 드라이버 파일(414)을 생성하여 실행항목에 포함하는 것으로 가능하다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어법칙 시뮬레이션 장치와 제어법칙의 통합 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 현재까지 대부분의 제어법칙 개발 도구와 비선형 비행동역학 항공기 모델은 서로 통합되어 실행할 수 있는 환경으로 개발되어지지 않아서 제어법칙의 사용자 시뮬레이션을 통한 평가는 항상 복잡하고 어느 정도의 시간 소모적인 연동과정을 필요로 한다.

다만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, rapid prototyping 개념을 위해 이러한 절차를 최소화하고 효율적으로 연동하여 시험할 수 있는 제어법칙과 HETLAS 간의 연동 절차를 제공할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 기본적인 제어법칙의 개발은 비행제어법칙 시뮬레이션 장치에 포함된 매틀랩/시뮬링크 환경을 통해서 설계하고, 안정성, 제어기의 성능 및 조종성 평가 기준에 부합하는 제어 게인의 최적화는 CONDUIT을 통해 수행할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 비행제어법칙 시뮬레이션 장치는 매틀랩/시뮬링크 및 CONDUIT와 같은 비행제어법칙 개발도구를 제공할 수 있다.

이렇게 설계한 제어법칙은 Matlab/Simulink의 Real-Time Workshop Embeded Coder를 통해서 자동코드 생성 절차에 따라 "C" 코드로 생성될 수 있다. 이때 자동코드 생성 옵션에서 “Templates"의 File customized Templates 기능을 적용하여 제어법칙 자동코드와 함께 CLAW(Control Law) 인터페이스 래퍼(interface wrapper) 파일을 생성한다. 이를 이용하여 HETLAS 및 탑재소프트웨어와 인터페이스가 가능하도록 할 수 있다.

Customized Template File에 목적하는 형태의 외부 인터페이스 양식을 정의하고, 이에 따라 입/출력 매개변수 양식을 갖고 자동코드를 호출하는 CLAW 인터페이스 래퍼를 생성할 수 있다. 따라서 CLAW 인터페이스 래퍼는 제어법칙 로직의 변경 또는 게인 수정 등의 제어 법칙의 변경에도 정의된 양식의 매개변수 입/출력 구문을 갖게 된다. 이는 반복적인 제어법칙 개발과정에서 동일한 형태로 외부와 인터페이스할 수 있는 수단을 제공할 수 있다.

HETLAS에서는 비행제어컴퓨터의 기능을 모의하기 위해 FCS 서브시스템 모델을 포함하고 Matlab/Simulink에서 생성된 제어법칙 자동코드 CLAW interface wrapper와의 연동을 위해서 FCS 인터페이스 래퍼를 설계할 수 있다. FCS 인터페이스 래퍼는 CLAW 인터페이스 래퍼와의 연동을 고려해 미리 정의한 프로그램 파일로 서 Customized Template File에서 정의한 매개 변수 양식으로 CLAW 인터페이스 래퍼를 호출할 수 있다.

따라서 제어법칙 설계로부터 비선형 비행동역학 항공기 모델을 이용한 시뮬레이션 해석은 ① 제어법칙 수정, ② 자동코드 생성, ③ HETLAS FCS 서브시스템 모델에 포함 및 재컴파일 그리고 ④ 해석 수행의 절차로 내부프로그램 수정 없이 효율적으로 수행이 가능하다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어법칙 시뮬레이션 장치를 통해 데스크톱 엔지니어링 시뮬레이션을 수행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, HETLAS는 제어법칙과 통합된 FCS 서브시스템 모듈, 파일럿 서브시스템 모듈 및 해석 모듈 등을 이용하여 조종입력 값에 대한 시간영역 시뮬레이션 해석 기능을 제공한다. 제어법칙 설계자는 이와 같은 HETLAS의 시뮬레이션 및 다양한 명령어 기능을 이용하여, 비 실시간 환경에서 설계한 로직의 평가를 수행 할 수 있다. 하지만 비행 조종성, 모드 전환 시의 안정성 또는 자동비행모드 등의 평가는 조종사에 의한 조종 시뮬레이션 환경에서 더욱 직관적이고 효율적이다. 이를 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르면, HETLAS의 확장이 용이한 인터페이스 구조를 이용하여 도 6과 같이 데스크탑 시뮬레이터 DESHE(Desktop Engineering Simulator using HEtlas)를 제공할 수 있다.

이를 통해, 스케줄러 서브시스템을 개발하여 시뮬레이션의 시간 적분 수행 시 지정한 시간 간격으로 각각의 서브시스템 모델이 호출되어 해석이 수행되도록 할 수 있다. 또한, 영상 서브시스템 및 조종간 서브시스템을 개발하여 시뮬레이션 환경에 추가 장착할 수 있다. 새로이 개발되는 서브시스템은 HETLAS 인터페이스 구조를 이용하여 SDC 파일에 서브시스템 데이터 정보 및 데이터 흐름을 정의하고 드라이버 파일을 생성하여 실행 프로그램에 추가함으로써 자연스로운 연동이 수행될 수 있다.

영상 서브시스템은 상용 시뮬레이션 프로그램인 x-plane을 이용하여 시뮬레이터 화면을 구현할 수 있다. X-plane은 영상시현을 위해 필요한 라이브러리와 함수를 제공한다. 이를 이용하여 동적라이브러리 형태의 plugin을 생성하고 x-plane에 추가하는 것으로 연동을 수행할 수 있다. HETLAS 영상 서브시스템에서는 UDP 통신을 통해서 영상 시현을 위한 항공기 데이터를 전송하고, x-plane은 plugin으로 전송받은 데이터를 x-plane 내부 라이브러리 및 함수를 이용하여 시현하도록 구성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 조종간 서브시스템은 상용 조종간을 사용할 수 있다. 실시간 시뮬레이션 환경 상에서 조종사의 조종입력을 받아들여 해석 서브시스템으로 데이터를 전송한다. 조종성 시뮬레이터는 항공기의 형상이 결정되는 설계초기 단계부터 비행시험의 최종단계까지 수행되는 비행제어시스템의 설계, 개발 및 검증 업무에 필수적으로 사용되는 핵심 도구이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 논문에서는 HETLAS 및 DESHE를 이용하여 개발한 제어법칙을 실시간 OS(Operating System) 기반의 조종성 시뮬레이터와 연동 할 수 있는 환경을 제공한다. 이에 따라 조종성 시뮬레이터를 이용하여 비행조건에 따른 안정여유도, 조종성 특성 분석 및 민감도 분석을 수행하여 비행제어법칙의 유효성 검증을 수행할 수 있다.

조종성 시뮬레이터의 내부 인터페이스 구조는 HETLAS와 같이 드라이버와 SDC 파일을 이용한 실행 구조를 가질 수 있다. 제어법칙을 포함한 HETLAS의 FCS 서브시스템, 비행동역학 모델 및 그 외의 서브시스템 모델과 함께 SDC 파일 등의 HETLAS 전체 프로그램 파일을 별도의 수정 없이 조종성 시뮬레이터 환경으로 이동/복사 그리고 재 컴파일 하는 것으로 조종성 시뮬레이터 환경과 연동되어 실행될 수 있다. 이때 조종성 시뮬레이터의 실행 프로그램은 HETLAS와 조종성 시뮬레이터의 SDC 파일에 정의된 서브시스템 정보를 이용하여 드라이버 파일을 다시 생성하고 시뮬레이션 시 데이터 연결을 수행할 수 있다.

따라서 CLAW 인터페이스 래퍼를 이용하여 HETLAS의 FCS 서브시스템과 통합된 제어법칙은 별도의 수정 없이 실시간 OS기반의 시뮬레이터 환경에서 조종성 검증이 가능할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행제어법칙 시뮬레이션 장치와 HQS의 통합 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 시뮬레이터 환경으로 적용된 HETLAS 및 제어법칙의 정확성을 확인하기 위해 미리 정의된 다양한 조종사 입력 및 비행조건으로 구성된 체크케이스 시뮬레이션 시험을 수행한다. 체크케이스 시뮬레이션 시험은 각각의 조건에 대한 조종 입력대비 항공기의 동적 반응 변화 추세를 HETLAS의 비실시간 시뮬레이션 해석결과와 실시간 시뮬레이터 환경의 결과를 비교하는 시험이다.

조종성 시뮬레이터는 비행제어시스템이 비행체에 탑재되기 전 그 성능 및 안전성의 검증을 위해 비행제어컴퓨터, 구동장치 및 센서 시스템 등과 같은 비행제어 시스템 구성품과 통합하여 수행하는 HILS 시험의 주요한 요소이다. HETLAS-조종성 시뮬레이터 환경에서 HILS 시험의 수행은 HETLAS SDC파일의 연결을 재정의하는 것으로 가능하다. 데이터를 SIU(Signal Interface Unit)로 부터 수신하도록 수정하고 소프트웨어로 구현된 서브시스템을 하드웨어 구성품으로 대체하여 수행한다. FCS 서브시스템과 액츄에이터 서브시스템은 각각 구동장치와, 비행제어컴퓨터로 대체될 수 있다. SIU는 AD/DA 컨버터를 이용하여 외부 하드웨어 구성품과 데이터 통신을 수행하도록 하는 장비로서 구동장치 하드웨어의 출력을 HETLAS 동역학 모델로 전달하고 동역학 모델의 동적응답을 비행제어컴퓨터로 전달하는 등의 기능을 수행한다. 비행운용프로그램 및 비행제어 소프트웨어는 비행제어컴퓨터와 통합되어 무결성 검증을 위해 독립시험(Stand-Alone V&V, SAVV), 통합 시스템 시험(Integrated System V&V, ISVV) 그리고 고장모드 영향 시험(Failure Modes and Effects Test, FMET)을 수행 후 비행체에 탑재된다. 여기서 통합 시스템 시험과 고장모드 영향 시험은 HILS 환경을 통해 수행하는 시험으로서 HETLAS-조종성 시뮬레이터 연동 환경을 이용하여 수행될 수 있다.

따라서 HETLAS를 이용한 비행제어법칙의 개발은 비선형 시뮬레이션 해석에서 부터 데스크탑 엔지니어링 시뮬레이터 DESHE와 조종성 시뮬레이터 그리고 HILS의 탑재소프트웨어 환경에 이르기까지 동일한 제어법칙 모델을 이용하여 시험/평가를 가능하게 한다. 이러한 제어법칙 개발을 위한 일련의 과정에서 HETLAS를 중심으로 한 연동 프로세스는 비행제어법칙 개발이 효율적으로 수행되도록 한다.

이상 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 항공기의 전체 시스템을 모의하기 위한 복수 개의 서브시스템 모듈을 포함하는 HETLAS 서브시스템 모듈, 상기 HETLAS 서브시스템 모듈은 주로터, 꼬리로터, 동체 및 미익의 기본 헬리콥터 수학모델을 포함함;
   드라이버(driver) 파일을 기반으로 각각의 HETLAS 서브시스템 모듈을 호출하여 실행하는 HETLAS 메인 모듈; 및
   상기 드라이버 파일과 SDC(Subsystem Data Connection) 파일을 기반으로 상기 HETLAS 모듈과 상기 HETLAS 서브 시스템 모듈과의 연동을 수행하는 인터페이스를 포함하되,
   상기 인터페이스는 구조체 형식의 입출력 매개 변수를 갖고 해당 서브시스템 모듈을 호출하는 드라이버 파일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 드라이버 파일은 SDC 파일에 정의된 서브시스템 모델의 정보를 이용하여 각각의 서브시스템 모델에 대한 파일을 자동화 프로그램으로 생성한 것인 것을 특징으로 하는 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   새로 개발된 제어법칙을 기반으로 자동코드 생성 절차를 통해 타 소프트웨어와 인터페이스가 가능하도록 제어법칙 자동코드 및 CLAW(Control Law) 인터페이스 래퍼(wrapper) 파일을 생성하며,
   상기 생성된 제어법칙 자동코드 및 CLAW 인터페이스 래퍼를 복수 개의 서브시스템과 연동시키고 상기 제어법칙 자동코드에 대한 비선형 시뮬레이션 평가를 수행하는 것을 특징으로 하는 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 개발된 비행 제어법칙의 게인 스케줄링, 모드 스위칭 로직 및 고장보상기법을 포함하는 제어모드의 평가를 수행하는 데스크탑 엔지니어링 시뮬레이터(DESHE); 및
   상기 HETLAS 모듈의 SDC와 드라이버 파일 기반의 인터페이스 구조를 활용하여 HILS(Hardware-In-the-Loop-Simulation) 환경과 연동시키는 HILS 연동 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 HETLAS 서브시스템 모듈은
   조종사로부터 조종간 입력 데이터를 수신하는 파일럿 서브시스템 모듈;
   상기 파일럿 서브시스템 모듈로부터 전송되는 조종간 입력 데이터를 판독하여 실행을 위해 필요한 신호들을 생성하는 FCS 서브시스템 모듈;
   비행동역학 모델의 해석결과를 이용하여 항공기 센서에서 발생되는 운동정보를 모의하는 센서 서브시스템 모듈;
   상기 FCS 서브시스템 모듈로부터 전송되는 신호들에 각각 대응하는 동작 제어 신호들을 생성하는 액츄에이터 서브시스템 모듈; 및
   상기 액츄에이터 서브시스템 모듈의 제어명령의 액츄에이터 변위로부터 로터 블레이드 각을 계산하여 해석모듈로 전달하는 기계식 비행 제어시스템 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 HETLAS 서브시스템 모듈은,
   헬리콥터 기동 중의 환경 변수 데이터들을 나타내는 신호들을 발생시키는 신호 발생기 서브시스템 모듈; 및
   상기 액츄에이터 서브시스템 모듈로부터 전송되는 동작 제어 신호들 및 상기 신호 발생기 서브시스템 모듈로부터 전송되는 상기 환경 변수 데이터들을 나타내는 신호들에 따라 헬리콥터의 토크, 동체, 메인 로터, 테일 로터, 수직안정판, 수평안정판이 받게 되는 힘과 모멘트를 계산하는 헬리콥터 6자유도 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 HETLAS 메인 모듈은,
   상기 파일럿 서브시스템 모듈을 통하여 조종사로부터 입력받는 트림 실행 명령에 따라 상기 FCS 서브시스템 모듈, 상기 액츄에이터 서브시스템 모듈, 상기 신호 발생기 서브시스템 모듈, 상기 헬리콥터 6자유도 모듈을 호출하여 트림 연산을 수행하는 헬리콥터 트림 해석 모듈;
   상기 파일럿 서브시스템 모듈을 통하여 조종사로부터 입력받는 선형화 실행 명령에 따라 상기 FCS 서브시스템 모듈, 상기 액츄에이터 서브시스템 모듈, 상기 신호 발생기 서브시스템 모듈, 상기 헬리콥터 6자유도 모듈을 호출하여 선형화 연산을 수행하는 헬리콥터 선형화 해석 모듈; 및
   상기 파일럿 서브시스템 모듈을 통하여 조종사로부터 입력받는 시뮬레이션 실행 명령에 따라 상기 FCS 서브시스템 모듈, 상기 액츄에이터 서브시스템 모듈, 상기 헬리콥터 6자유도 모듈을 호출하여 시뮬레이션 연산을 수행하는 헬리콥터 시뮬레이션 해석 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   비행제어법칙을 개발하기 위한 도구를 제공하는 제어법칙 개발 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기 비행제어법칙 시뮬레이션 장치.
   
   
   

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