KR20220140943A - 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템 - Google Patents

도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템 Download PDF

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KR20220140943A
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허진혁
김규원
한민우
이종호
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 도심 항공 모빌리티를 위한 수직 이착륙 비행체의 조종을 위한 스티어링 휠의 조향 조작, 가속페달과 감속페달의 스트로크 조작이 이루어질 때, 그 조작 한계량 등을 알리는 햅틱 피드백을 운전자에게 제공함으로써, 운전자의 조종 안정성 및 편의성을 확보할 수 있고, 비행체의 안정적인 조향, 가속 및 감속이 이루어질 수 있도록 한 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템을 제공하고자 한 것이다.

Description

도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템{CONTROL SYSTEM FOR OPERATING AIR VEHICLE FOR URBAN AIR MOBILITY}
본 발명은 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스티어링 휠, 가속 및 감속페달의 조작시 운전자에게 햅틱 피드백을 제공하여 비행체의 안정적인 운전을 도모할 수 있도록 한 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템에 관한 것이다.
최근 미래형 교통 및 운송 시스템을 위한 도심 항공 모빌리티(UAM, Urban Air Mobility)가 연구 개발 중에 있고, 도심 항공 모빌리티를 위한 연구 개발 항목에는 수직 이착륙(VTOL, Vertical Take-Off and Landing) 비행체가 포함되어 있다.
상기 수직 이착륙 비행체의 일종으로서, 좁은 공간에서 이착륙이 가능하면서도 비행 자유도가 우수한 멀티 로터를 갖는 드론 타입이 적용될 수 있다.
예를 들어, 상기 멀티 로터를 갖는 드론은 4개 이상의 멀티 로터를 갖는 쿼드콥터(quadcopter) 드론 혹은 쿼드로터(quadrotor) 드론이 있으며, 이러한 쿼드콥터(quadcopter) 드론 혹은 쿼드로터(quadrotor) 드론이 도심 항공 모빌리티를 위한 수직 이착륙 비행체로 적용될 수 있다.
여기서, 4개 이상의 멀티 로터를 갖는 드론 타입의 수직 이착륙 비행체에 대한 비행 원리를 첨부한 도 1 내지 도 5를 참조로 살펴보면 다음과 같다.
상기 수직 이착륙 비행체에 포함되는 4개 이상의 로터는 앞쪽 좌우측에 배치되는 제1로터(10)와 제2로터(20), 그리고 뒤쪽 좌우측에 배치되는 제3로터(30)와 제4로터(40)로 구성되고, 상기 제1로터(10)와 제4로터(40)가 서로 대각선 방향을 따라 배치되는 동시에 상기 제2로터(20)와 제3로터(30)가 서로 대각선 방향을 따라 배치되는 상태가 된다.
도 1을 참조하면, 상기 수직 이착륙 비행체의 이착륙 및 비행을 위하여 기본적으로 상기 제1로터(10)와 제4로터(40)는 시계방향(CW, clockwise)으로 회전하고, 상기 제2로터(20)와 제3로터(30)는 반시계방향(CCW, counterclockwise)으로 회전하게 되고, 각 로터의 회전 속도와 방향을 제어하여 수직 이착륙 비행체의 전진 및 후진, 횡진 운동 등이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 수직 이착륙 비행체의 상승시 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1로터(10)와 제4로터(40)가 시계방향으로 고속 회전하는 동시에 상기 제2로터(20)와 제3로터(30)가 반시계방향으로 고속 회전하는 상태가 된다.
또한, 상기 수직 이착륙 비행체의 전진시 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1로터(10)와 제2로터(20)가 저속 회전하는 동시에 상기 제3로터(30)와 제3로터(40)가 고속 회전하는 상태가 된다.
또한, 상기 수직 이착륙 비행체의 우회전시 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1로터(10)와 제4로터(40)가 시계방향으로 저속 회전하는 동시에 상기 제2로터(20)와 제3로터(30)가 반시계방향으로 고속 회전하는 상태가 된다.
또한, 상기 수직 이착륙 비행체의 좌이동시 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1로터(10)와 제3로터(30)가 저속 회전하는 동시에 상기 제2로터(20)와 제4로터(40)가 고속 회전하는 상태가 된다.
아울러, 상기 수직 이착륙 비행체의 전후 가속도는 앞쪽 로터(제1 및 제2로터) 또는 뒤쪽 로터(제3 및 제4로터)의 양력을 조정하면서 비행체의 포워드 피칭(Forward Pitching) 또는 백워드 피칭(Backward Pitching)에 의하여 이루어지고, 상기 수직 이착륙 비행체의 횡 가속도는 좌측 로터(제1 및 제3로터) 또는 우측 로터(제2 및 제4로터)의 양력을 조정하면서 비행체의 좌측 롤(Roll) 또는 우측 롤(Roll)에 의하여 이루어지며, 상기 수직 이착륙 비행체의 요(Yaw) 운동(선회 운동)은 서로 대칭 배열을 이루는 각 로터의 회전속도 차이에 따른 기체 모멘트를 활용하여 제어된다.
이와 같은 멀티 로터를 갖는 드론 타입의 수직 이착륙 비행체는 순수 횡진 운동이 가능하여 운동 자유도를 크게 향상시킬 수 있으나, 운전자 및 탑승객에게 멀미와 어지러움 등 많은 불편함을 일으킬 수 있고, 더 나아가 전,후,좌,우 방향 구분없이 비행이 가능하여 운전자가 직접 조종하는데 어려움을 겪을 수 있다.
이에, 도심 항공 모빌리티를 위한 멀티 로터를 갖는 드론 타입의 수직 이착륙 비행체의 안정적인 조종을 위하여 마치 차량을 운전하는 것과 같이 스티어링 휠, 가속페달, 감속페달 등을 포함하는 조종 HMI(Human Machine Interface) 시스템이 개발되고 있다.
상기 조종 HMI 시스템은 운전자 인터페이스 시스템으로서, 소정의 고도에서 비행체에 탑승한 운전자가 마치 차량의 스티어링 휠, 가속페달 및 감속페달을 조작하는 것과 같이 비행체를 조종할 수 있는 방향으로 개발되고 있다.
특히, 상기 조종 HMI 시스템을 개발함에 있어서, 운전자가 스티어링 휠, 가속페달 및 감속페달을 조작할 때, 비행체의 안정적인 비행 상태 유지를 위하여 스티어링 휠의 조향각 한계, 가속페달과 감속페달의 스트로크 한계 등을 운전자에게 쉽게 인지시키는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 도심 항공 모빌리티를 위한 수직 이착륙 비행체의 조종을 위한 스티어링 휠의 조향 조작, 가속페달과 감속페달의 스트로크 조작이 이루어질 때, 그 조작 한계량 등을 알리는 햅틱 피드백을 운전자에게 제공함으로써, 운전자의 조종 안정성 및 편의성을 확보할 수 있고, 비행체의 안정적인 조향, 가속 및 감속이 이루어질 수 있도록 한 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 비행 고도를 지정하기 위한 고도 지정장치; 지정된 고도에서 횡방향 운동을 조작하기 위한 스티어링 휠; 지정된 고도에서 종방향의 가속 및 감속 조작을 위한 가속페달 및 감속페달; 상기 스티어링 휠에 햅틱 피드백을 제공하기 위한 반력토크를 생성하는 스티어링 피드백 액츄에이터; 상기 가속페달 및 감속페달에 햅틱 피드백을 제공하기 위한 반력토크를 생성하는 페달 시뮬레이터; 및 상기 비행체의 현재 비행 정보 및 운전 정보들을 기초로, 상기 스티어링 피드백 액츄에이터가 햅틱 피드백을 위한 반력토크를 생성하도록 한 제어와, 상기 페달 시뮬레이터가 햅틱 피드백을 위한 반력토크를 생성하도록 한 제어를 실행하는 제어기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템을 제공한다.
상기 스티어링 피드백 액츄에이터는: 상기 스티어링 휠의 샤프트와 연결되는 스티어링 기어; 햅틱 피드백을 위한 반력토크를 생성하는 모터; 및 상기 모터의 출력축에 연결됨과 함께 되는 상기 스티어링 기어에 맞물리는 감속기어; 를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 스티어링 휠의 샤프트에는 스티어링 휠의 조향각을 검출하여 제어기에 전송하는 앵글센서가 장착된다.
상기 페달 시뮬레이터는 가속 또는 감속 조작을 위한 페달과 연동 가능하게 연결되어, 페달을 밟았을 때의 페달 입력값에 대한 반력토크를 생성하는 전동식 액츄에이터가 포함된 구조로 구비될 수 있다.
특히, 상기 제어기는: 스티어링 휠의 조향각, 비행체의 속도, 비행체의 가속도 정보를 기초로, 스티어링 피드백 액츄에이터에 대한 반력토크 지령을 생성하는 조향각 및 횡가속도 비례제어부와; 감속페달 등의 페달 입력값과, 페달 입력값에 따라 발생하는 감속도를 기초로 페달 시뮬레이터에 대한 반력토크 지령을 생성하는 페달 햅틱 피드백 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 조향각 및 횡가속도 비례제어부는: 비행체의 속도 및 가속도 정보를 기초로 제1반력토크를 결정하는 제1반력토크 생성 맵과; 스티어링 휠의 조향각과 비행체의 속도를 기초로 제2반력토크를 결정하는 제2반력토크 생성 맵과; 제1반력토크 생성 맵의 출력단 및 제2반력토크 생성 맵의 출력단에 구비된 개별 게인; 으로 구성될 수 있다.
상기 페달 햅틱 피드백 제어부는: 제동페달의 페달 입력값과 비행체의 감속도를 기초로 목표 반력토크를 생성하는 목표 반력토크 생성 맵과; 기계적인 페달 스트로크 제한을 위한 반력토크를 생성하는 제동 스트로크 리미터; 를 포함하고, 상기 목표 반력토크 생성 맵에서 생성된 목표 반력토크와 상기 제동 스트로크 리미터에서 생성된 제한 반력토크를 합한 반력토크를 페달 시뮬레이터에 지령하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어기는: 비행체의 속도 및 롤레이트 정보를 기초로, 스티어링 피드백 액츄에이터에 대한 반력토크 지령을 생성하는 롤레이트 비례제어부와; 비행체의 속도 및 요레이트 정보를 기초로, 스티어링 피드백 액츄에이터에 대한 반력토크 지령을 생성하는 요레이트 비례제어부와; 스티어링 피드백 액츄에이터에 대하여 조향 각속도에 비례하는 댐핑제어를 하는 댐핑 제어부와; 비행체의 속도 및 조향각에 비례하여 스티어링 휠의 복원 속도를 일정한 수준으로 제어하는 복원 제어부; 를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 롤레이트 비례제어부는, 비행체의 속도 및 롤레이트 정보를 기초로, 반력토크를 결정하는 제3반력토크 생성 맵을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 요레이트 비례제어부는, 비행체의 속도 및 요레이트 정보를 기초로, 반력토크를 결정하는 제4반력토크 생성 맵을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 댐핑 제어부는, 조향 각속도를 기초로 음의 토크인 댐핑토크를 결정하는 댐핑토크 생성 맵을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 복원 제어부는, 비행체의 속도 및 조향각을 기초로 스티어링 휠의 목표 복원속도를 결정하는 복원속도 생성 맵을 포함하여 구성될 수 있다.
상기한 과제의 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
도심 항공 모빌리티를 위한 수직 이착륙 비행체가 지정된 고도까지 자동 상승하여 호버링 상태로 유지된 후, 지정된 고도의 평면 좌표 내에서 운전자가 스티어링 휠, 가속페달 및 감속페달을 조작할 때, 그 조작 한계량 등을 햅틱 피드백을 통하여 운전자에게 쉽게 인지시킴으로써, 운전자의 조종 안정성 및 편의성을 확보할 수 있고, 비행체의 안정적인 비행 상태를 유지시킬 수 있다.
도 1 ~ 도 5는 멀티 로터를 갖는 드론 타입의 수직 이착륙 비행체에 대한 비행 원리를 도시한 개략도,
도 6은 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 HMI 시스템에 대한 개념을 도시한 개략도,
도 7은 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체가 지정된 고도 까지 자동 상승된 후 횡방향 및 종방향 운동이 지정된 고도의 평면 좌표 내에서 이루어질 수 있음을 나타낸 개략도,
도 8은 본 발명에 따른 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템에 적용되는 스티어링 피드백 액츄에이터를 도시한 개략도,
도 9는 본 발명에 따른 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템에 적용되는 페달 시뮬레이터를 도시한 개략도,
도 10은 본 발명에 따른 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템을 도시한 제어 구성도,
도 11은 본 발명에 따른 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템의 구성 중 제어기의 조향각 및 횡가속도 비례 제어부를 도시한 개략도,
도 12는 본 발명에 따른 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템의 구성 중 제어기의 롤레이트 비례 제어부를 도시한 개략도,
도 13은 본 발명에 따른 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템의 구성 중 제어기의 요레이트 비례 제어부를 도시한 개략도,
도 14는 본 발명에 따른 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템의 구성 중 제어기의 댐핑 제어부를 도시한 개략도,
도 15는 본 발명에 따른 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템의 구성 중 제어기의 복원 제어부를 도시한 개략도,
도 16은 본 발명에 따른 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템의 구성 중 제어기의 감속페달 햅틱 피드백 제어부를 도시한 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 스티어링 휠, 가속페달 및 감속페달 등을 포함하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 HMI(Human Machine Interface) 시스템의 개념을 설명하면 다음과 같다.
상기 조종 HMI 시스템은 도 6에 도시된 바와 같이, 비행체의 비행 고도를 지정하기 위한 고도 지정장치(4) 외에 마치 차량을 운전하는 것와 같이 스티어링 휠(1), 가속페달(2) 및 감속페달(3)을 포함한다.
상기 고도 지정장치(4)는 슬라이딩 노브를 위쪽로 조작하면 비행체의 고도가 점점 높은 수준으로 지정되고, 슬라이딩 노브를 아래쪽로 조작하면 비행체의 고도가 점점 낮은 수준으로 지정되는 구조로 구비될 수 있다.
상기 스티어링 휠(1)은 비행체가 지정된 고도까지 자동 상승된 상태에서 운전자가 횡방향 운동을 제어하기 위하여 조작하는 것이고, 상기 가속페달(2) 및 감속페달(3)은 종방향의 가속 및 감속을 위하여 조작하는 것이다.
상기 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체는 지정된 고도까지 상승된 후 호버링(Hovering) 상태가 되면 고도 변화가 필요 없으며, 이에 운전자가 상기 고도 지정장치(4)를 이용하여 비행 고도를 미리 설정하면(예, 100 ~ 150m), 미리 설정된 고도까지 비행체가 자동 상승하여 호버링(Hovering) 상태로 유지된다.
따라서, 상기 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체가 지정된 고도까지 자동 상승하여 호버링 상태로 유지되면, 상기 비행체는 선회, 가속 및 감속에 필요한 최소한의 롤, 피치, 요 운동 만이 가능하여 기본적으로 평면 운동을 하게 된다.
이에, 상기 비행체가 지정된 고도(예, 150m) 까지 자동 상승하여 호버링 상태로 유지되면, 도 7에 도시된 바와 같이 마치 차량을 운전하는 것와 같이 스티어링 휠의 조작에 의한 횡방향 운동(ay)과, 가속페달 및 감속페달의 조작에 따른 종방향 운동(ax, -ax)이 지정된 고도의 평면 좌표 내에서 이루어질 수 있다.
이와 같은 조종 HMI 시스템을 개발함에 있어서, 운전자가 스티어링 휠, 가속페달 및 감속페달을 조작할 때, 비행체의 안정적인 비행 상태 유지를 위하여 스티어링 휠, 가속페달 및 감속페달의 조작 한계량을 운전자에게 쉽게 인지시키는 방안이 요구되고 있다.
위와 같은 요구를 충족시키고자, 본 발명은 도심 항공 모빌리티를 위한 수직 이착륙 비행체의 조종을 위한 스티어링 휠, 가속페달 및 감속페달을 조작할 때, 그 조작 한계량 등을 햅틱 피드백을 통하여 운전자에게 쉽게 인지시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 상기 스티어링 휠에 햅틱 피드백을 제공하기 위한 반력토크를 생성하는 스티어링 피드백 액츄에이터가 연결되고, 상기 가속 및 감속페달에 햅틱 피드백을 제공하기 위한 반력토크를 생성하는 페달 시뮬레이터가 연결된다.
첨부한 도 8은 본 발명에 따른 비행체의 조종 제어 시스템에 적용되는 스티어링 피드백 액츄에이터를 도시한 개략도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 스티어링 피드백 액츄에이터(200, SFA: Steering Feedback Actuator)는 스티어링 휠을 잡고 있는 운전자에게 반력토크에 따른 햅틱 피드백을 제공하기 위한 것으로서, 스티어링 휠(1)의 샤프트(201)와 연결되는 스티어링 기어(202)와, 햅틱 피드백을 위한 반력토크를 생성하는 모터(204)와, 모터(204)의 출력축에 연결됨과 함께 되는 스티어링 기어(202)에 맞물리는 감속기어(203)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 스티어링 휠(1)의 샤프트(201)에는 스티어링 휠의 조향각을 검출하여 제어기(100)에 전송하는 앵글센서(205)가 장착된다.
이에, 상기 제어기(100)에서 앵글센서(205)의 조향각 검출 신호를 기반으로 상기 모터(204)에 반력토크 생성을 위한 토크 지령을 내리면, 모터(204)가 반력토크를 생성하며 구동됨으로써, 스티어링 휠(1)을 잡고 있던 운전자가 반력토크에 따른 햅틱 피드백을 느끼게 된다.
첨부한 도 9는 본 발명에 따른 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템에 적용되는 페달 시뮬레이터를 도시한 개략도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 페달 시뮬레이터(300)는 가속 또는 감속 조작을 위한 페달(301)과 연동 가능하게 연결되어, 페달을 밟았을 때의 페달 입력값에 대한 반력토크를 생성하는 것으로서, 주지된 바와 같이 전동식 액츄에이터 또는 유압식 액츄에이터 등이 포함된 구조로 구비될 수 있다.
이때, 상기 페달(301)을 밟았을 때의 페달 입력값은 가속페달인 경우 APS(Accelerator Position Sensor)에 의하여 검출될 수 있고, 감속페달인 경우 BPS(Brake Pedal Sensor)에서 검출될 수 있다.
이에, 상기 APS 또는 BPS에서 검출된 페달 입력값을 기반으로 상기 제어기(100)에서 페달 시뮬레이터(300)에 반력토크 생성을 위한 지령을 내리면, 페달 시뮬레이터 내의 액츄에이터가 반력토크를 생성하며 구동됨으로써, 페달을 밟고 있던 운전자가 반력토크에 따른 햅틱 피드백을 느끼게 된다.
첨부한 도 10은 본 발명에 따른 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템을 도시한 제어 구성도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 제어기(100)는 비행체의 현재 비행 정보 및 운전 정보들을 기초로 상기 스티어링 피드백 액츄에이터(200)가 햅틱 피드백을 위한 반력토크를 생성하도록 한 제어 로직과, 상기 페달 시뮬레이터(300)가 햅틱 피드백을 위한 반력토크를 생성하도록 한 제어 로직을 포함하도록 구성된다.
이를 위해, 상기 제어기(100)는 도 10에 도시된 바와 같이, 조향각 및 횡가속도 비례제어부(110)와, 롤레이트 비례제어부(120)와, 요레이트 비례제어부(130)와, 스티어링 피드백 액츄에이터(200)에 반력토크 생성을 위한 토크 지령을 내리는 SFA(Steering Feedback Actuator) 반력제어부(140)와, 스티어링 피드백 액츄에이터(200)에 대한 댐핑 토크 지령을 생성하는 댐핑 제어부(150)와, 스티어링 피드백 액츄에이터(200)에 대한 스티어링 휠의 복원속도 지령을 생성하는 복원 제어부(160)와, 가속페달 또는 감속페달에 햅틱 피드백을 제공하기 위하여 페달 시뮬레이터(300)에 대한 반력토크 지령을 생성하는 페달 햅틱 피드백 제어부(170)를 포함하여 구성된다.
예를 들어, 상기 수직 이착륙 비행체의 현재 비행 정보 및 운전 정보들은 각종 센서들로부터 검출되는 것으로서, 스티어링 휠의 조향각(θ) 및 조향각속도, 가속페달 및 감속페달의 페달 입력값(ωa,ωb), 비행체의 현재 자세(롤레이크, 피치값, 요레이트), 비행체의 속도(Vx,Vy,Vz), 비행체의 가속도(Ax,Ay,Az), 비행체의 회전 가속도(Tx,Ty,Tz), 페달 입력값, 비행체 감속도 및 최대 감속도 등이 제어기(100)에 입력될 수 있다.
상기 제어기(100)의 구성 중 조향각 및 횡가속도 비례제어부(110)는, 스티어링 휠의 조향각(θ), 비행체의 속도(Vx,Vy,Vz), 비행체의 가속도(Ax,Ay,Az) 등의 정보를 기초로, 스티어링 피드백 액츄에이터(200)에 대한 반력토크 지령을 생성하도록 구성된다.
이를 위해, 상기 조향각 및 횡가속도 비례제어부(110)는 도 11에 도시된 바와 같이, 비행체의 속도(Vx,Vy,Vz) 및 가속도(Ax,Ay,Az) 정보를 기초로 제1반력토크를 결정하는 제1반력토크 생성 맵(111)과, 스티어링 휠의 조향각(θ)과 비행체의 속도(Vx,Vy,Vz)를 기초로 제2반력토크를 결정하는 제2반력토크 생성 맵(112)과, 제1반력토크 생성 맵(111)의 출력단 및 제2반력토크 생성 맵(112)의 출력단에 구비된 개별 게인(113)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 스티어링 휠은 비행체의 횡방향 거동을 제어하는 입력장치이므로, 비행체의 횡방향 거동을 가장 잘 표현할 수 있는 운동 특성으로서 상기 가속도(Ax,Ay,Az) 정보 중 비행체의 횡가속도(Ay)가 제1반력토크를 결정하는데 사용될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2반력토크 생성 맵(111,112)은 미리 시험을 통하여 구축될 수 있고, 상기 개별 게인(113)은 제1반력토크 생성 맵(111)에서 결정된 제1반력토크와 제2반력토크 생성 맵(112)에서 결정된 제2반력토크를 최적 조향감을 구현하기 위하여 블렌딩할 수 있도록 채택된 것이다.
따라서, 상기 비행체가 지정된 고도(예, 150m) 까지 자동 상승하여 호버링 상태로 유지되는 상태에서, 운전자가 지정된 고도의 평면 좌표 내에서 스티어링 휠을 조향 조작하면, 비행체의 횡방향 운동이 이루어질 수 있다.
이때, 운전자가 스티어링 휠을 조향 조작할 때, 조향각이 제로인 온센터로부터 오프센터로의 조향 토크와, 오프센터로부터 조향 끝단까지의 조향 토크를 차별화하고, 운전자에게 스티어링 휠이 조향 끝단에 도달하였음을 알리는 햅틱 피드백을 제공하기 위하여 상기 조향각 및 횡가속도 비례제어부(110)에서 반력토크 지령을 생성하게 된다.
이를 위해, 상기 스티어링 휠(1)의 샤프트(201)에 장착된 앵글 센서(205)에서 스티어링 휠의 조향각을 검출하여 제어기(100)에 전송하면, 상기 제어기(100)의 조향각 및 횡가속도 비례제어부(110)에서 스티어링 피드백 액츄에이터(200)에 대한 반력토크 지령을 생성하는 로직을 실행한다.
더 상세하게는, 상기 조향각 및 횡가속도 비례제어부(110)의 제1반력토크 생성 맵(110)에서 비행체의 속도(Vx,Vy,Vz) 및 가속도(Ax,Ay,Az) 정보를 기초로 제1반력토크를 결정하는 단계와, 제2반력토크 생성 맵(112)에서 스티어링 휠의 조향각(θ)과 비행체의 속도(Vx,Vy,Vz)를 기초로 제2반력토크를 결정하는 단계와, 제1반력토크와 제2반력토크가 블렌딩된 반력토크 지령이 SFA 반력제어부(140)를 통하여 스티어링 피드백 액츄에이터(200)의 모터(204)에 내려지는 단계 등이 실행된다.
이어서, 상기 모터(204)에 내려진 반력토크 지령에 의하여, 모터(204)가 반력토크를 생성하며 구동됨으로써, 스티어링 휠(1)을 잡고 있던 운전자가 반력토크에 따른 햅틱 피드백을 느끼게 됨으로써, 운전자는 스티어링 휠이 조향 끝단에 도달하였음을 용이하게 인지할 수 있고, 그에 따라 운전자의 스티어링 조향 조작 안정성 및 편의성을 확보할 수 있다.
한편, 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체는 차량의 운동과 달리 횡풍 등의 외란에 의하여 롤레이트 및 요레이트 변화가 발생할 수 있고, 특히 비행체의 가속 및 감속, 요레이트 제어, 횡방향 운동 시, 운전자가 의도치 않은 비행체의 롤 운동 및 요 운동이 발생될 수 있다.
이에, 상기 제어기(100)의 구성 중 롤레이트 비례제어부(120)와 요레이트 비례제어부(130)는 운전자가 의도치 않은 비행체의 롤 운동 및 요 운동이 발생됨을 운전자가 쉽게 햅틱 피드백을 통하여 인지할 수 있도록 구비된 것이다.
상기 제어기(100)의 구성 중 롤레이트 비례제어부(120)는, 비행체의 속도(Vx,Vy,Vz) 및 롤레이트(deg/s) 등의 정보를 기초로, 스티어링 피드백 액츄에이터(200)에 대한 반력토크 지령을 생성하도록 구성된다.
이를 위해, 상기 롤레이트 비례제어부(120)는 도 12에 도시된 바와 같이, 비행체의 속도(Vx,Vy,Vz) 및 롤레이트(deg/s) 등의 정보를 기초로, 반력토크를 결정하는 제3반력토크 생성 맵(121)을 포함하여 구성될 수 있고, 이 제3반력토크 생성 맵(121)은 미리 시험을 통하여 구축될 수 있다.
상기 제어기(100)의 구성 중 요레이트 비례제어부(130)는, 비행체의 속도(Vx,Vy,Vz) 및 요레이트(deg/s) 등의 정보를 기초로, 스티어링 피드백 액츄에이터(200)에 대한 반력토크 지령을 생성하도록 구성된다.
이를 위해, 상기 요레이트 비례제어부(130)는 도 13에 도시된 바와 같이, 비행체의 속도(Vx,Vy,Vz) 및 요레이트(deg/s) 등의 정보를 기초로, 반력토크를 결정하는 제4반력토크 생성 맵(131)을 포함하여 구성될 수 있고, 이 제4반력토크 생성 맵(131)은 미리 시험을 통하여 구축될 수 있다.
따라서, 상기 롤레이트 비례제어부(120)에서 결정된 반력토크 지령이 SFA 반력제어부(140)를 통하여 스티어링 피드백 액츄에이터(200)의 모터(204)에 내려지거나, 상기 요레이트 비례제어부(130)에서 결정된 반력토크 지령이 SFA 반력제어부(140)를 통하여 스티어링 피드백 액츄에이터(200)의 모터(204)에 내려질 수 있다,
이에, 상기 모터(204)에 내려진 반력토크 지령에 의하여, 모터(204)가 반력토크를 생성하며 구동됨으로써, 스티어링 휠(1)을 잡고 있던 운전자가 반력토크에 따른 햅틱 피드백을 느끼게 됨으로써, 운전자가 의도치 않은 비행체의 롤 운동 및 요 운동 변화가 발생된 것을 햅틱 피드백을 통하여 쉽게 인지할 수 있다.
한편, 상기 조향각 및 횡가속도 비례제어부(110)에 결정되어 스티어링 피드백 액츄에이터(200)에 지령되는 반력토크는 그 특성상 햅틱 피드백을 위한 스프링 필 특성을 가지게 되는 바, 이 스프링 필은 스티어링 휠의 조향감 및 조타 안정성을 저하시킬 수 있다.
이를 해소하고자, 상기 제어기(100)의 구성 중 댐핑 제어부(150)는, 스티어링 피드백 액츄에이터의 스프링 필을 완화하고 급격한 조향 입력에 대한 조종 안정성을 확보하기 위하여, 스티어링 피드백 액츄에이터에 대하여 조향 각속도에 비례하는 댐핑제어를 하도록 구성된다.
이를 위해, 상기 댐핑 제어부(150)는 도 14에 도시된 바와 같이, 조향 각속도를 기초로 댐핑토크(음의 토크)를 결정하는 댐핑토크 생성 맵(151)을 포함하여 구성될 수 있고, 이 댐핑토크 생성 맵(151)은 미리 시험을 통하여 구축될 수 있다.
따라서, 상기 댐핑 제어부(150)에서 결정된 댐핑토크 지령이 스티어링 피드백 액츄에이터(200)의 모터(204)에 내려지면, 모터(204)가 반력토크를 생성하며 구동될 때 음의 토크인 댐핑토크가 함께 생성됨으로써, 스티어링 휠의 급격한 조향 입력에 대한 댐핑 제어가 이루어질 수 있고, 그에 따라 스티어링 휠의 조향 안정성을 도모할 수 있다.
한편, 운전자가 스티어링 휠을 오프센터로 조향시킨 후, 스티어링 휠을 놓았을 때, 스티어링 휠은 상기와 같이 생성된 반력 토크에 의하여 횡가속도의 감소에 비례하여 온센터 위치로 복원되어야 한다.
그러나, 상기 조향각 및 횡가속도 비례제어부(110)에 결정되어 스티어링 피드백 액츄에이터(200)에 지령된 반력토크 크기가 충분치 않으면 스티어링 휠이 온센터로 너무 늦게 복원되거나 복원되지 않을 수 있고, 너무 과도하면 스티어링 휠이 온센터로 너무 빠르게 복원될 수 있다.
이를 해소하고자, 상기 제어기(100)의 구성 중 복원 제어부(160)는 비행체의 속도 및 조향각에 비례하여 스티어링 휠의 복원 속도를 일정한 수준으로 제어하도록 구성된다.
이를 위해, 상기 복원 제어부(160)는 도 15에 도시된 바와 같이, 비행체의 속도 및 조향각을 기초로 스티어링 휠의 목표 복원속도(m/s)를 결정하는 복원속도 생성 맵(161)을 포함하여 구성될 수 있고, 이 복원속도 생성 맵(161)은 미리 시험을 통하여 구축될 수 있다.
이때, 피드백 제어에 의하여 현재 복원속도는 목표 복원속도에 추종되도록 한다.
따라서, 상기 복원 제어부(160)에서 결정된 목표 복원속도가 스티어링 피드백 액츄에이터로 지령되면, 스티어링 피드백 액츄에이터의 모터 토크가 목표 복원속도을 실현하는 수준으로 제어됨으로써, 결국 스티어링 휠이 온센터로 일정한 속도로 복원될 수 있다.
한편, 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체도 항공기의 특성을 갖기 때문에 비행 고도, 온도 및 습도 등에 따른 대기의 유체역학적 특성에 따라 최대 감속도가 미세하게 변화할 수 있으므로, 감속페달 등의 기계적인 페달 스트로크 제한만을 활용해서는 현재 기체의 감속도 한계를 운전자에게 적절히 피드백해줄 수 없다.
다시 말해서, 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 최대 감속도를 발생시킬 수 있는 감속페달의 스트로크가 대기 상황에 따라 변화되므로, 감속페달 등의 기계적인 페달 스트로크 제한을 활용해서는 현재 기체의 감속도 한계를 운전자에게 적절히 피드백해 줄 수 없다.
이를 해소하고자, 상기 제어기(100)의 구성 중 페달 햅틱 피드백 제어부(170)는 감속페달 등의 페달 입력값과, 페달 입력값에 따라 발생하는 감속도를 기초로 페달 시뮬레이터(300)에 대한 반력토크 지령을 생성하도록 구성된다.
이를 위해, 상기 페달 햅틱 피드백 제어부(170)는, 제동페달의 페달 입력값과 비행체의 감속도를 기초로 목표 반력토크를 생성하는 목표 반력토크 생성 맵(171)과, 기계적인 페달 스트로크 제한을 위한 반력토크를 생성하는 제동 스트로크 리미터(172)를 포함하고, 목표 반력토크 생성 맵(171)에서 생성된 목표 반력토크와 제동 스트로크 리미터(172)에서 생성된 제한 반력토크를 합한 반력토크를 페달 시뮬레이터에 지령하도록 구성된다.
이에, 상기 페달 햅틱 피드백 제어부(170)에서 페달 시뮬레이터(300)에 반력토크를 지령하면, 즉 상기 목표 반력토크 생성 맵(171)에서 생성된 목표 반력토크와 상기 제동 스트로크 리미터(172)에서 생성된 제한 반력토크를 합한 반력토크를 지령하면, 페달 시뮬레이터 내의 액츄에이터가 반력토크(목표 반력토크와 제한 반력토크를 합한 반력토크)를 생성하며 구동됨으로써, 페달을 밟고 있던 운전자가 반력토크에 따른 햅틱 피드백을 쉽게 느낄 수 있다.
따라서, 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 최대 감속도를 발생시킬 수 있는 감속페달의 스트로크가 대기 상황에 따라 변화되더라도, 감속페달 등의 기계적인 페달 스트로크 제한을 의미하는 상기 제동 스트로크 리미터(172)에서 생성된 제한 반력토크 외에 감속페달의 페달 입력값과 비행체의 감속도를 기초로 상기 목표 반력토크 생성 맵(171)에서 생성된 목표 반력토크가 더해진 후, 이 더해진 반력토크를 페달 시뮬레이터 내의 액츄에이터에서 생성하며 구동됨으로써, 감속페달을 밟고 있던 운전자가 반력토크에 따른 햅틱 피드백에 의거하여 비행체의 최대 감속도 한계를 용이하게 인지할 수 있고, 그에 따라 운전자가 안전한 감속 운전을 도모할 수 있다.
한편, 가속 페달의 경우, 페달 입력값(스트로크)에 선형 비례하여 상기 페달 시뮬레이터의 액츄에이터에 대한 토크 제어(미리 설정된 기울기를 갖는 토크 제어)를 함으로써, 가속페달을 밟는 운전자가 액츄에이터에서 생성되는 반력토크의 선형 변화에 따라 가속 운전 중임을 용이하게 인지할 수 있다.
이상으로 본 발명을 하나의 실시예로서 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 상술한 하나의 실시예에 한정되지 않으며, 하기의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다 할 것이다.
1 : 스티어링 휠 2 : 가속페달
3 : 감속페달 4 : 고도 지정장치
10 : 제1로터 20 : 제2로터
30 : 제3로터 40 : 제4로터
100 : 제어기 110 : 조향각 및 횡가속도 비례제어부
111 : 제1반력토크 생성 맵 112 : 제2반력토크 생성 맵
113 : 개별 게인 120 : 롤레이트 비례제어부
121 : 제3반력토크 생성 맵 130 : 요레이트 비례제어부
131 : 제4반력토크 생성 맵 140 : SFA 반력제어부
150 : 댐핑 제어부 151 : 댐핑토크 생성 맵
160 : 복원 제어부 161 : 복원속도 생성 맵
170 : 페달 햅틱 피드백 제어부 171 : 목표 반력토크 생성 맵
172 : 제동 스트로크 리미터 200 : 스티어링 피드백 액츄에이터
201 : 샤프트 202 : 스티어링 기어
203 : 감속기어 204 : 모터
205 : 앵글센서 300 : 페달 시뮬레이터
301 : 페달

Claims (12)

  1. 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 비행 고도를 지정하기 위한 고도 지정장치;
    지정된 고도에서 횡방향 운동을 조작하기 위한 스티어링 휠;
    지정된 고도에서 종방향의 가속 및 감속 조작을 위한 가속페달 및 감속페달;
    상기 스티어링 휠에 햅틱 피드백을 제공하기 위한 반력토크를 생성하는 스티어링 피드백 액츄에이터;
    상기 가속페달 및 감속페달에 햅틱 피드백을 제공하기 위한 반력토크를 생성하는 페달 시뮬레이터; 및
    상기 비행체의 현재 비행 정보 및 운전 정보들을 기초로, 상기 스티어링 피드백 액츄에이터가 햅틱 피드백을 위한 반력토크를 생성하도록 한 제어와, 상기 페달 시뮬레이터가 햅틱 피드백을 위한 반력토크를 생성하도록 한 제어를 실행하는 제어기;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스티어링 피드백 액츄에이터는:
    상기 스티어링 휠의 샤프트와 연결되는 스티어링 기어;
    햅틱 피드백을 위한 반력토크를 생성하는 모터; 및
    상기 모터의 출력축에 연결됨과 함께 되는 상기 스티어링 기어에 맞물리는 감속기어;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 스티어링 휠의 샤프트에는 스티어링 휠의 조향각을 검출하여 제어기에 전송하는 앵글센서가 장착된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 페달 시뮬레이터는 가속 또는 감속 조작을 위한 페달과 연동 가능하게 연결되어, 페달을 밟았을 때의 페달 입력값에 대한 반력토크를 생성하는 전동식 액츄에이터가 포함된 구조로 구비된 것임을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기는:
    스티어링 휠의 조향각, 비행체의 속도, 비행체의 가속도 정보를 기초로, 스티어링 피드백 액츄에이터에 대한 반력토크 지령을 생성하는 조향각 및 횡가속도 비례제어부와;
    감속페달 등의 페달 입력값과, 페달 입력값에 따라 발생하는 감속도를 기초로 페달 시뮬레이터에 대한 반력토크 지령을 생성하는 페달 햅틱 피드백 제어부;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 조향각 및 횡가속도 비례제어부는:
    비행체의 속도 및 가속도 정보를 기초로 제1반력토크를 결정하는 제1반력토크 생성 맵과;
    스티어링 휠의 조향각과 비행체의 속도를 기초로 제2반력토크를 결정하는 제2반력토크 생성 맵과;
    제1반력토크 생성 맵의 출력단 및 제2반력토크 생성 맵의 출력단에 구비된 개별 게인;
    으로 구성되는 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 페달 햅틱 피드백 제어부는:
    제동페달의 페달 입력값과 비행체의 감속도를 기초로 목표 반력토크를 생성하는 목표 반력토크 생성 맵과;
    기계적인 페달 스트로크 제한을 위한 반력토크를 생성하는 제동 스트로크 리미터;
    를 포함하고,
    상기 목표 반력토크 생성 맵에서 생성된 목표 반력토크와 상기 제동 스트로크 리미터에서 생성된 제한 반력토크를 합한 반력토크를 페달 시뮬레이터에 지령하도록 구성된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어기는:
    비행체의 속도 및 롤레이트 정보를 기초로, 스티어링 피드백 액츄에이터에 대한 반력토크 지령을 생성하는 롤레이트 비례제어부와;
    비행체의 속도 및 요레이트 정보를 기초로, 스티어링 피드백 액츄에이터에 대한 반력토크 지령을 생성하는 요레이트 비례제어부와;
    스티어링 피드백 액츄에이터에 대하여 조향 각속도에 비례하는 댐핑제어를 하는 댐핑 제어부와;
    비행체의 속도 및 조향각에 비례하여 스티어링 휠의 복원 속도를 일정한 수준으로 제어하는 복원 제어부;
    를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 롤레이트 비례제어부는, 비행체의 속도 및 롤레이트 정보를 기초로, 반력토크를 결정하는 제3반력토크 생성 맵을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 요레이트 비례제어부는, 비행체의 속도 및 요레이트 정보를 기초로, 반력토크를 결정하는 제4반력토크 생성 맵을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 댐핑 제어부는,
    조향 각속도를 기초로 음의 토크인 댐핑토크를 결정하는 댐핑토크 생성 맵을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 복원 제어부는,
    비행체의 속도 및 조향각을 기초로 스티어링 휠의 목표 복원속도를 결정하는 복원속도 생성 맵을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 도심 항공 모빌리티를 위한 비행체의 조종 제어 시스템.
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