KR20190025258A - 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템 및 방법 - Google Patents

무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템은 무인 비행체의 원선회 반경 명령(
Figure pat00058
)을 출력하여, 상기 원선회 반경 명령(
Figure pat00059
)에 대한 원선회 유도제어 오차를 보상하고, 보상된 원선회 반경 명령(
Figure pat00060
)을 생성하는 비행제어 컴퓨터;상기 보상된 원선회 반경 명령을 수신하여 조종간을 구동하는 조종간 구동기; 상기 조종간 구동기(200)의 제어로 비행하는 무인 비행체; 및 상기 무인 비행체의 비행상태를 측정하여 상기 비행제어 컴퓨터로 상기 비행상태를 전송하는 항법장치;를 포함하여, 원선회 명령보상기를 이용해 무인항공기가 원선회 비행시 반드시 수반되는 원선회 반경 오차를 제거함으로써, 정밀한 원선회 반경을 유지하여 무인기 정찰 임무의 정확성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템 및 방법{METHOD AND SYSTEM FOR COMPENSATION ERROR OF CIRCLE LOITERING GUIDANCE CONTROL IN UAV}
본 발명은 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템 및 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 무인기의 자동비행(Autopilot)설계시 결정되는 헤딩제어의 응답지연시간과 원선회의 기하학적 관계를 이용하여 가상의 선회반경 명령을 보상해줌으로써 선회반경오차를 최소화할 수 있는 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템 및 방법에 관한 것이다.
원선회 유도는 항로점을 중심으로 일정한 속도명령으로 정해진 선회반경을 유지하는 유도모드로써, Racetrack, Figure-8, ATC Hold 등 무인기의 선회대기(Loiter) 형태 중 가장 기본이 되는 유도모드이다.
가장 일반적으로 알려진 방법으로는 항로선 오차 제어기를 내부 루프로 하여 원점을 기준으로 현재 비행체 위치와 가장 가까운 접점을 이전 항로점(From WP)으로 설정하고 일정 거리의 직선위치를 현재 항로점(To WP)로 설정하는 방법이다.
이 방법은 항로점 비행과 선회 대기 비행에서 유도 정확도, 응답시간, 안정성 등의 다양한 요구사항이 검증된 항로선 제어기를 사용함으로써 제어기 전환에 의한 영향을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
반면, 항로선 유도를 내부 루프로 사용하며, 원 또는 곡선 명령이 지속적으로 인가되는 경우는 내부 루프의 응답지연에 의해 선회반경 잔여오차가 존재하는 한계가 있다.
이러한 곡선 경로 유도 문제를 해결하기 위해 일정한 전진거리에 위치한 기상의 항로점을 지속적으로 추적하는 방법, 가속도를 피드백하는 방법, 적분기를 추가하는 방법 등 다양한 유도방법이 연구되어 왔다.
하지만, 적분기를 사용하는 경우는 선회방향, 반경, 비행모드 변경, 바람 조건 등을 고려한 적분기 노트 로직이 복잡하게 설계되어야 하며, 가속도 피드백 방식의 경우, 신뢰성 높은 가속도 센서 및 관련 필터 설계가 필요하다.
두 방식 모두 기존의 내부 제어기 구조를 수정하고 항로선 유도모드 전환시 응답 요구조건 등을 별도로 검증해야 하는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2008-0067368호(2008. 07. 18)
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 무인기의 자동비행(Autopilot)설계시 결정되는 헤딩제어의 응답지연시간과 원선회의 기하학적 관계를 이용하여 가상의 선회반경 명령을 보상해줌으로써 선회반경오차를 최소화할 수 있는 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템 및 방법의 제공을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템은 비행체의 원선회 반경 명령(
Figure pat00001
)을 출력하여, 상기 원선회 반경 명령(
Figure pat00002
)에 대한 원선회 유도제어 오차를 보상하고, 보상된 원선회 반경 명령(
Figure pat00003
)을 생성하는 비행제어 컴퓨터;상기 보상된 원선회 반경 명령을 수신하여 조종간을 구동하는 조종간 구동기; 상기 조종간 구동기(200)의 제어로 비행하는 비행체; 및 상기 비행체의 비행상태를 측정하여 상기 비행제어 컴퓨터로 상기 비행상태를 전송하는 항법장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템은 원선회 명령보상기를 이용해 무인항공기가 원선회 비행시 반드시 수반되는 원선회 반경 오차를 제거함으로써, 정밀한 원선회 반경을 유지하여 무인기 정찰 임무의 정확성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템의 블럭도,
도 2는 수직거리가 헤딩명령으로 피드백되는 것을 설명하기 위한 기하학적 도면,
도 3은 비행체가 반시계방향으로 선회시 1사 분면에 위치할 때 원선회 유도의 기하학적 도면,
도 4는 잔여오차 해석을 위한 수직거리를 갖는 원선회 유도 시스템의 블록도,
도 5는 선회반경 명령과 헤딩 응답지연에 따른 선회오차 관계를 도시한 그래프 도면,
도 6은 원선회 오차가 보상된 명령이 인가될 때 항로선 명령을 도시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템이 원선회 반경보상부를 포함한 경우 시뮬레이션 결과 그래프 도면, 및
도 8은 본 발명에 따른 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템이 원선회 반경보상부를 포함하지 않은 경우 시뮬레이션 결과 그래프 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가 장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템의 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템은 비행제어 컴퓨터(100), 조종간 구동기(200), 비행체(300), 및 항법장비(400)를 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 비행제어 컴퓨터(100)는 비행임무관리부(110), 원선회 반경보상부(120), 원선회 항로점 생성부(130), 항로선 제어부(140), 헤딩 제어부(150), 및 뱅크자세 제어부(160)를 포함한다.
상기 비행임무관리부(110)는 원선회 임무를 위한 임무계획 원선회 반경 명령(
Figure pat00004
)을 출력하여 상기 원선회 반경보상부(120)로 전달한다.
상기 원선회 반경보상부(120)는 전달받은 상기 원선회 반경 명령(
Figure pat00005
)에 대한 오차를 보상하여 아래의 [수학식 1]를 이용해 보상된 원선회 반경 명령
Figure pat00006
)을 생성한다.
Figure pat00007
Figure pat00008
: 임무계획 원선회 반경 명령
Figure pat00009
: 보상된 원선회 반경 명령
V0: 무인기 속도
τ: 헤딩제어 응답지연
Kd: 항로선유도제어 이득
상기 원선회 항로점 생성부(130)는 도 2에 도시된 바와 같이 비행체 위치를 기준으로 선회반경의 접점을 '이전항로점(From Wp)'으로, 일정거리 전방의 원의 접선 위치를 '현재 항로점(To Wp)'으로 생성한다.
비행체 속도(V)는 일정하며, 항로선 헤딩과 비행체의 헤딩 차이가 작다고 가정하면, 항로선 거리 오차와 헤딩의 관계는 아래의 [수학식 2]와 같다.
Figure pat00010
헤딩 제어 응답을 1차 지연(Lag) 시스템으로 가정하고 상기 [수학식 2]를 포함하는 항로선 오차 응답 관계식은 아래의 [수학식 3]과 같다.
Figure pat00011
항로선 거리 오차를 헤딩으로 피드백하는 폐루프 시스템은 아래의 [수학식 4]와 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00012
상기 [수학식 4]에서 Kd는 항로선유도제어 이득으로써, 아래의 [수학식 5]와 같이 계산되며, 요구되는 댐핑계수(또는 주파수)로 설계가 가능하다.
Figure pat00013
상기 항로선 제어부(140)는 상기 '이전항로점(From Wp)과 상기 '현재 항로점(To Wp)'을 잇는 항로선 오차를 피드백하여 헤딩명령(
Figure pat00014
)을 생성한다.
즉, 상기 항로선 제어부(140)는 도 2에서 항로선과 비행체의 수직거리(Cross-track distance)를 헤딩명령으로 피드백함으로써, 비행체가 항로선을 추종하고 최종적으로 '현재 항로점(To Wp)'으로 비행체가 유도되도록 하는 아래의 [수학식 6]와 같이 헤딩명령을 생성한다.
Figure pat00015
Figure pat00016
: 헤딩명령
Figure pat00017
: 원의 접선헤딩
Figure pat00018
: 항로선유도제어 이득
한편, 상기 [수학식 6] 및 도 3에서
Figure pat00019
는 비행체 위치에서 원과의 접선 방향 기준헤딩이고,
Figure pat00020
은 상기 항로선 제어부(140)에서 출력되는 헤딩명령이다.
상기 원의 접선 기준 헤딩(
Figure pat00021
)과 비행체 헤딩(
Figure pat00022
) 차이가 작다고 가정하면, 원선회 항로선 오차의 미분은 아래의 [수학식 7]과 같다.
Figure pat00023
다시, 상기 [수학식 7]를 미분하면 가속도 관계식이 되고,
Figure pat00024
는 일정한 원선회 운동을 하고 있으므로, 상기 관계식은 기준 선회반경과 속도로 아래의 [수학식 8]과 같다.
Figure pat00025
상기 비행체가 일정한 선회율로 원선회하는 경우, 헤딩과 항로선 오차 관계식인 상기 [수학식 8]을 주파수 응답으로 나타내면 아래의 [수학식 9]와 같다.
Figure pat00026
도 4의 원선회 유도 시스템에서 헤딩 페루프 시스템은 아래의 [수학식 10]과 같이 시상수(Time constant)가
Figure pat00027
인 1차 지연시스템으로 가정한다.
Figure pat00028
한편, 원의 접선 헤딩(
Figure pat00029
)은 일정한 각속도로 선회한다고 가정하면, 선회율의 기울기로 선형적으로 증가하는 적분기 형태로 아래의 [수학식 11]과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00030
상기 [수학식 6], [수학식 10], 및 [수학식 11]을 각각 헤딩과 항로선 오차 관계식이 주파수 응답으로 변환된 상기 [수학식 9]에 대입하여 원선회 반경 오차식으로 정리하면 아래의 [수학식 12]와 같다.
Figure pat00031
내부루프(헤딩제어)의 응답지연에 의해 발생하는 원선회 반경의 정상상태 오차는 상기 [수학식 12]에서 시간이 무한대일 때의 값이므로 아래의 [수학식 13]과 같다.
Figure pat00032
도 5에 도시된 바와 같이 상술한 [수학식 13]에서 선회반경(R)이 작을수록, 헤딩 폐루프의 시상수가 커질수록 오차가 증가함을 알 수 있다.
한편, 상기 원선회 반경보상부(120)는 전달받은 상기 원선회 반경 명령(
Figure pat00033
)에 대한 오차를 보상하여, 보상된 원선회 반경 명령(
Figure pat00034
)을 생성할 때, 선회반경과 응답지연에 따른 선회 반경 오차 관계식인 상기 [수학식 13]을 이용하면, 선회 오차를 고려한 선회반경 보상명령을 아래의 [수학식 14]와 같이 생성하고,
Figure pat00035
상기 [수학식 14]를 선회 명령값으로 정리하면, 아래의 [수학식 15]를 생성한다.
Figure pat00036
상기 [수학식 15]에서
Figure pat00037
는 원선회 유도시 실제 선회반경 R을 생성하기 위해 필요한 선회반경 명령이고, R과
Figure pat00038
는 모두 0보다 큰 값이므로, 상기 원선회 반경보상부(120)는 상기 [수학식 15]이 재정리되어 최종반경 명령을 나타내는 [수학식 1]을 가지고 보상된 원선회 반경 명령(
Figure pat00039
)을 생성한다.
상술한 바와 같이 상기 원선회 반경보상부(120)에 의해 보상된 원선회 반경 명령이 인가되는 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 실제 임무계획에서 작성한 선회반경 보다 작은 선회반경에 접하는 가상의 기준항로선이 생성되어 원선회를 유도함을 알 수 있다.
상기 헤딩 제어부(150)는 상기 항로선 제어부(140)가 생성한 헤딩 명령과 현재 헤딩 상태를 피드백하여 뱅크자세 명령을 생성한다.
상기 뱅크자세 제어부(160)는 상기 헤딩 제어부(150)가 생성한 현재의 뱅크자세와 명령 값을 피드백하여 헬리콥터 횡축 사이클릭 조종간 또는 에일러론 조종면과 같은 조종장비를 제어할 수 있는 조종간 구동기 제어신호를 생성한다.
한편, 상기 조종간 구동기(200)는 상기 조종간 구동기 제어신호를 수신하여 상기 비행체(300)를 제어한다.
상기 비행체(300)는 상기 조종간 구동기(200)의 제어를 받아 유도된 항로를 따라 비행한다.
상기 항법장비(400)는 헤딩, 롤, 위치 정보 등과 같은 상기 비행체(300)의 비행상태 정보를 측정하여, 상기 비행제어 컴퓨터(100)로 전송하고, 상기 비행제어 컴퓨터(100)가 비행상태 정보를 피드백 받아 상기 조종간 구동기(200)를 제어할 수 있는 제어신호를 보정하여 생성할 수 있도록 한다.
한편, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템에 의한 원선회 반경보상부 성능 검증을 위해 수행한 시뮬레이션 결과는 다음과 같다.
시뮬레이션 환경은 계층적 제어 구조로 원선회 유도, 항로선 제어기, 헤딩 제어기 롤 제어기를 포함하고 비행체 모델은 선회 동역학을 포함한 Point-mass Dynamics를 사용하였다.
뱅크 각 제한은 20도, 롤 응답 시상수는 1초, 헤딩 제어 이득 Kpsi=1,(헤딩 응답시간은 약 3초), 항로선 제어이득 Kd=0.5(deg/m), 원선회 유도는 삼각함수가 포함된 비선형 시스템으로 구성하였다.
시뮬레이션 케이스는 속도, 반경, 시상수, 제어이득을 변경하여 다양한 조건에서 수행하였으며, 본 발명에서는 대표적으로 속도 30m/s, 선회반경 500mdml 원선회 시뮬레이션 결과를 비교, 도시하였다.
그 결과, 도 7은 본 발명에 따른 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템에서 원선회 반경보상부(120)가 없는 경우의 원선회 궤적으로 시간이 지나더라도 선회반경 오차가 줄지않고 잔여오차가 약 20m 발생하는 것을 알 수 있다.
반면, 도 8은 본 발명에 따른 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템에서 원선회 반경보상부(120)가 포함된 경우로 선회진입 순간부터 선회 오차가 1m 이내로 헤딩 응답지연에 의한 오차가 보상되어 정확한 선회반경이 유지되는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 비행제어 컴퓨터
110 : 비행임무관리부
120 : 원선회 반경보상부
130 : 원선회 항로점 생성부
140 : 항로선 제어부
150 : 헤딩 제어부
160 : 뱅크자세 제어부
200 : 조종간 구동기
300 : 비행체
400 : 항법장비

Claims (5)

  1. 무인 비행체의 원선회 반경 명령(
    Figure pat00040
    )을 출력하여, 상기 원선회 반경 명령(
    Figure pat00041
    )에 대한 원선회 유도제어 오차를 보상하고, 보상된 원선회 반경 명령(
    Figure pat00042
    )을 생성하는 비행제어 컴퓨터(100);
    상기 보상된 원선회 반경 명령을 수신하여 조종간을 구동하는 조종간 구동기(200);
    상기 조종간 구동기(200)의 제어로 비행하는 무인 비행체(300); 및
    상기 비행체의 비행상태를 측정하여 상기 비행제어 컴퓨터(100)로 상기 비행상태를 전송하는 항법장치(400);를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 비행제어 컴퓨터(100)는
    원선회 임무를 위한 원선회 반경 명령(
    Figure pat00043
    )을 출력하는 비행임무관리부(110);
    상기 원선회 반경 명령(
    Figure pat00044
    )을 수신하여 오차를 보상하여 보상된 원선회 반경 명령
    Figure pat00045
    )을 생성하는 원선회 반경보상부(120);
    상기 무인 비행체의 위치를 기준으로 선회반경의 접점을 '이전항로점(From Wp)'으로, 소정거리 전방에 대한 원의 접선 위치를 '현재 항로점(To Wp)'으로 생성하는 원선회 항로점 생성부(130);
    상기 '이전항로점(From Wp)과 상기 '현재 항로점(To Wp)'을 잇는 항로선 오차를 피드백하여 헤딩명령(
    Figure pat00046
    )을 생성하는 항로선 제어부(140);
    상기 항로선 제어부(140)가 생성한 헤딩명령과 현재 헤딩 상태를 피드백하여 뱅크자세 명령을 생성 헤딩 제어부(150); 및
    상기 헤딩 제어부(150)가 생성한 뱅크자세와 명령 값을 피드백하여 상기 무인 비행체의 조종간 또는 조종면과 같은 조종장비를 제어할 수 있는 제어신호를 생성하는 뱅크자세 제어부(160);을 포함하는 것을 특징으로 하는 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 원선회 반경보상부(120)는
    수학식
    Figure pat00047
    로 보상된 원선회 반경 명령(
    Figure pat00048
    )을 생성하는 것을 특징으로 하는 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템.
    Figure pat00049
    : 임무계획 원선회 반경 명령
    Figure pat00050
    : 보상된 원선회 반경 명령
    V0: 무인기 속도
    τ: 헤딩제어 응답지연
    Figure pat00051
    : 항로선유도제어 이득
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 항로선 제어부(140)는
    수학식
    Figure pat00052
    로 상기 헤딩명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템.
    Figure pat00053
    : 헤딩명령
    Figure pat00054
    : 원의 접선헤딩
    Figure pat00055
    : 항로선유도제어 이득
  5. 제 3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 항로선 유도제저 이득(
    Figure pat00056
    )은
    수학식
    Figure pat00057
    로 계산되는 것을 특징으로 하는 무인기 원선회 유도제어 오차 보상 시스템.
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