복수의 덕티드팬을 활용한 무조종면 수직이착륙기 비행 제어 = Flight Control of a Multi - Thruster Control Surface-Free VTOL Aircraft

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 복수의 추력기와 추력기 후류 및 공력 기반 vane 제어를 동시에 활용하여 수직 이착륙 및 고속 순항이 가능한 무조종면 수직 이착륙 비행체인 MTCSF (Multi-Thruster Control-Surface Free) VTOL를 설계하고 기립, 순항 및 천이 과정에 대한 제어기 설 계 및 제어 할당 기법 설계를 수행하였다. 이를 위해 기체의 구조 및 공력 설계를 수행하고 정적 안정성을 확인하였다. 또한, 시스템 모델링을 위해 관성모멘트 측정과 덕티드 팬 추력 및 베인에 의한 반력에 대한 계측 실험을 진행하였다. 추가적으로 비행 속도 변화에 따른 추력 특성을 반영하기 위해 깃요소 모멘텀 이론(Blade Element Momentum Theory)을 반영하였다. 도출된 기체 및 구동부 모델을 기반으로 6자유도 비선형 비행 동 역학 시뮬레이터를 구축하였으며, 기립 비행과 순항 비행에 대해 각각 선형 PID 제어기와 비선형 동적 역변환 제어기를 설계하고 제어 성능을 비교-분석하였다. 또한 천이 구간에서는 목표 전진 속도와 자세 명령을 추종하기 위한 NDI 제어 구조를 적용하여 비행 모드 전환 시의 거동을 분석하였다. 다중 추력기와 후류 vane을 동시에 사용하여 제어 중복성을 가지 는 기체 특성을 고려하여, 제어 할당 기법으로는 일반적인 의사역행렬(Pseudo-Inverse) 기반 할당 방식과 최적화 기반 제어 할당 방식을 각각 적용하였다. 이를 통해 각 비행 조건에서 제어 할당 방식이 구 동부 입력 크기 및 목표 제어 입력 추종성에 대한 영향을 비교하였다. 시뮬레이션을 통한 검증 과정에서 최적화 기반 제어 할당 기법이 유사역행렬 방식과 비교하였을 때, 목표 추력 및 3축 모멘트에 대한 추종성이 더 높은 것을 확인하였다. 설계된 비행 제어 및 제어 할당 알고리즘은 Python 기반으로 구현하여 Hardware-in-the-Loop Simulation (HILS) 환경에서 코드 무결성과 하드웨어 연동성을 검증하였다. 이후 비행 실험을 통해 기립 비행 모드에서의 PID와 NDI 제어기 성능을 확인하였으며 각각의 제어기에서 목표 정지 비행 지점 및 waypoint 지점에 적절히 수렴하는 것을 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 개요 6
• II. 기체 설계 및 모델링 8
• 2.1 기체 구성 9
• 2.2 공력 모델링 14
• 2.3 시스템 모델링 19
• 2.3.1 질량 및 관성 모멘트 측정 20
• 2.3.2 덕티드 팬의 추력 및 토크와 베인에 의한 반력 계측 21
• 2.3.3 추력 모델링 25
• 2.4 6자유도 비선형 시뮬레이션 37
• 2.4.1 운동 방정식 37
• 2.4.2 시뮬레이터 구조 40
• III. 비행 제어 법칙 설계 42
• 3.1 기립 비행 제어 법칙 설계 43
• 3.1.1 PID 제어기 설계 43
• 3.1.2 비선형 동적 역변환 제어기 설계 50
• 3.2 순항 비행 제어 법칙 설계 53
• 3.2.1 PID 제어기 설계 53
• 3.2.2 비선형 동적 역변환 제어기 설계 55
• 3.3 천이 비행 제어 법칙 58
• IV. 제어 할당 기법 60
• 4.1 Pseudo-Inverse 기법 적용 60
• 4.2 SQP 알고리즘을 이용한 최적화 기반 기법 적용 62
• V. 시뮬레이션 결과 66
• 5.1 PID 제어기 66
• 5.1.1 기립 비행 66
• 5.1.2 순항 비행 68
• 5.2 NDI 제어기 71
• 5.2.1 기립 비행 72
• 5.2.2 순항 비행 78
• 5.2.3 천이 비행 86
• 5.2.4 통합 시뮬레이션 94
• VI. 비행 실험 97
• 6.1 HILS를 통한 FCC 코드 검증 97
• 6.2 비행 실험 구조 98
• 6.3 기립 비행 실험 100
• VII. 결론 116