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선희 편
7 years ago
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1 한국항공운항학회 SIMULINK 를이용한소형항공기용자동비행시스템시뮬레이터구현 7 論文 SIMULINK 를이용한소형항공기용자동비행시스템시뮬레이터구현 이동규 *, 채동한 **, 이상철 ***, 오화석 **** Implementation of the small aircraft simulator with autopilot system using SIMULINK Dongkyu Lee*, Dong-han Chae**, Sangchul Lee***, Hwasuk Oh**** ABSTRACT In modern aircraft, an autopilot system is getting more important. There are not many autopilot systems applied to small aircraft. Also the autopilot system in large or medium aircraft is difficult to apply to small aircraft directly. It is necessary to make a new autopilot system for small aircraft. In this paper, we implement the small aircraft simulator with autopilot system using SIMULINK. The various modes of autopilot - such as altitude select/hold, attitude hold, heading hold, etc. - are implemented to the flight simulator and tested. We also implement the VOR mode for aircraft guidance. Key Words : Autopilot( 자동비행조종장치 ), DHC-2 'Beaver', DME( 거리측정장치 ), Flight Simulator ( 비행시뮬레이터 ), SIMULINK( 시뮬링크 ), Simulator( 시뮬레이터 ), VOR( 극초단파전방향무선표지 ) Ⅰ. 서론 현대항공기운항에있어서자동비행시스템의중요도와비중은계속증가되고있다 [1]. 또한중, 대형기이상에서주로사용되던자동비행시스템이점차소형기에까지그적용이확대되고있는상황이다. 그러나중 대형기의자동비행시스템은그구성과성능을소형항공기에바로적용하기에는무리가있으며, 이러한이유로소형항공기를위한자동비행시스템개발이필요하다. 이러한시스템구성과정에서시뮬레이터의구현은중요한역할을한다. 실제시스템을물리적으로구성하기전에다양한상황에대한시스템의반응을미리확인또는검증할수있고, 결 2008 년 9 월 24 일접수 ~ 2008 년 9 월 29 일심사완료 * 한국항공대학교대학원항공우주및기계공학과 ** 한국항공대학교항공우주및기계공학부학부생 *** 한국항공대학교항공우주및기계공학부연락저자, slee@kau.ac.kr 경기도고양시덕양구화전동항공대길 100 과적으로새로운시스템에대한신뢰도를높일수있기때문이다. 본논문에서는 SIMULINK[2] 를활용하여소형항공기에적합한자동비행시스템을구현하였다. 또한항공기가다수의경로점을경유하여목표위치에도달할수있는시스템을구현하고이에대하여시뮬레이션을수행하였다. 이시스템은 VOR 시스템을기반으로하여구현하였으며, 이미광범위하게사용되고있기때문에활용가능성이높다. Ⅱ. 항공기모델 본논문의시뮬레이터구성을위하여 The De Havilland 사 ( 社 ) 에서제작된 DHC-2 'Beaver'( 이하 Beaver) 항공기동특성을 SIMULINK 로모델링한 FDC 1.4 를활용하였다 [3, 4]. FDC 1.4 는실시간시뮬레이션이불가능하다. 실시간시뮬레이션이가능하도록이를재구성하고추가 Coding 을수행하였다. <Fig 1> 은 Beaver 항공기를모델링한 Blockset

2 8 이동규 채동한 이상철 오화석第 16 卷第 3 號 2008 年 9 月 30 日 Fig. 1 Aircraft Model 이다. 대기를모델링한 Airdata Blockset, 엔진을모델링한 Engine Blockset과더불어항공기에작용하는공기역학적힘 F와모멘트 M을계산하는 Aerodynamics Blockset이있다. 이렇게계산된값들은 Sort Blockset을통하여항공기에작용하는모든힘과모멘트로통합되고, Equation Blockset을통하여 ( 롤, 피치, 요각의변화율을무차원화한변수 ) 과 ( 항공기상태를나타내는 13개의항공기상태변수 ) 를산출한다. Ⅲ. 자동비행시스템구현 본논문의시뮬레이터에는총 6 가지의자동비행모드가구현되었다. 항공기의피치각변화와연관되는 Pitch Attitude Hold(PAH), Altitude Hold(ALH), Altitude Select(ALS) 모드와롤각과요각을제어하는 Roll Attitude Hold(RAH), Heading Hold(HH) 모드, 마지막으로 VOR 모드이다. 3.1 Autopilot Blockset 자동비행을구현하기위한 Blockset 이며, <Fig 2> 에 도시되어있다.,, mod ( 수행하고자하는자동비행모드에대한 10개의 on/off 데이터와 5개의 Reference 데이터 ), 를입력변수로사용한다. 또한 Autopilot Blockset은자동비행모드가시작되는순간의항공기상태에대한 데이터를필요로한다. 본논문에서는시뮬레이터가가동되는것과동시에자동비행모드에들어가게되므로, 시뮬레이터가시작되는순간의항공기초기상태값 와 를그대로사용하였다. 그러므로시뮬레이터를가동하고있는중간에자동비행모드를재설정하게되면정확한비행이이루어지지않을수도있다. 이 Blockset에는종방향, 횡방향운동에대한제어를수행하는 Symmetric, Asymmetric Blockset을포함하고있다. 여기서계산된데이터는 Act & Cable Dynamics를통하여비로소롤, 피치, 요값으로계산되어출력된다. 마지막으로 VOR Blockset은 VOR 기지국에대한모델링과 VOR 주변에서의항공기의비행상태를지시해주는역할을한다. 3.2 모드선택패널 Fig. 2 Autopilot Blockset

3 한국항공운항학회 SIMULINK 를이용한소형항공기용자동비행시스템시뮬레이터구현 9 Table 1. 각요소의정의및 Armed/Coupled 상황에서의 On(= 1)/Off(= 0) Symmetrical Selected Mode Asymmetrical Selected Mode Switch PAH ALH ALS Switch RAH HH NAV Mode 1/0 1/0 1/0 Mode 1/0 1/0 1/1 Outer-Loop 0/0 1/0 1/0 Outer-Loop 0/0 1/0 1/1 ALH 0/0 1/0 0/0 HH 0/0 1/0 1/0 ALS 0/0 0/0 1/0 NAV 0/0 0/0 0/1 <Fig 3> 은본프로그램에서가능한 6가지의모드 ( 그림의좌측 ) 와각모드에서지정할수있는 5 가지값 ( 그림의우측 ) 을선택할수있는제어패널이다. 2개이하의모드를지정해주고일정시간동안시뮬레이션하는종래의방식을개선하여, 프로그램이구동되는동안에도원하는자동비행모드를선택할수있도록스위치를제작하였다. 각각의모드는두가지의상황으로구별된다. <Table 1> 을보면항공기가순항하면서특정모드를작동시켰을때의 Armed 상태와 VOR의전파수신범위안에들어왔을경우의 Coupled 상태이다. 따라서항공기가현재어떠한상태로비행을하고있느냐에따라서패널에서선택한각모드가서로다른역할을하게된다. 예를들어 NAV 모드를선택하였을경우항공기가 VOR의전파범위내에없을때에는 HH 모드로자동비행을하게되고, 전파범위내에들어오면 NAV 모드가작동한다. Fig. 3 모드선택 패널 Fig. 4 VOR Blockset

4 10 이동규 채동한 이상철 오화석第 16 卷第 3 號 2008 年 9 月 30 日 Fig. 5 VOR data Blockset Ⅳ. VOR 모델링본논문에서는 VOR 기능을활용하여경로비행이가능하도록하였다. 다수의 VOR 기지국을지정하였을경우최초의기지국은사용자가기지국의개략적위치를생각하여입력한 Heading 데이터값을따라이동하게하였고, 입력된좌표데이터를순차적으로따라간후, 최종기지국을통과하게되면초기에지정된 Heading 방향으로이동하도록하였다. VOR은전파를송출하는장치이고, 항공기가이전파범위안에들어왔을때자신의방위정보를알수있다. 이러한기능이가능하도록하기위해서는전파송 수신에대한모델링이필요하다. 모델링을단순화하기위하여항공기와 VOR 기지국사이의거리를이용하였다. 또한시뮬레이션을수행함에있어실제 VOR의범위를그대로적용할경우시뮬레이션시간이매우길어지게된다. 그러므로 VOR의전파범위를축소 (8870m) 시켜서순항비행시간을줄였다. 4.1 VOR Blockset <Fig. 4> 는항공기의요각과 3개의좌표점, 현재 VOR 기지국과앞으로찾아갈 VOR 기지국의좌표값을이용하여항공기가나아갈방향을찾아주는역할을한다. 또한항공기가 VOR 범위에들어왔는지의여부와들어왔을경우의진행방향, Cone of Silence에서항공기가 VOR 기지국을통과했는지의여부를판단한다. Course Datum(CD) 값은 VOR 범위내에서좌표계의정북방향 ( 축 ) 을기준으로 VOR을향해항공기가진행해야할값이다. VOR의접근방향은 To/From Blockset을통하여찾는다. 은항공기와 VOR 기지국사이의거리를나타내며, 일반적으로 Distance Measurement Equipment(DME) 를통하여구한다. 4.2 VOR data Blockset <Fig. 5> 의 VOR data Blockset에는항공기의항로점인 VOR 기지국의 3축좌표가저장되어있다. 좌표는표의형태로저장되어있으며, 각각지나온기지국과찾아가려는기지국으로나뉘어져있다. 항공기가 VOR 전파범위내의 Cone of Silence 범위내에있고, VOR 기지국을통과했다는의미인 From 상태가모두만족되는경우출력좌표가다음기지국의좌표로갱신된다. 또한기하학적인방법을통하여항공기와 VOR 기지국사이의각을계산하여, 항공기가다음기지국으로진행하기위한기수의방향이된다. 4.3 VOR Reference Correct Blockset 항공기가 VOR 모드상태에서이동하는동안다음과같은순서로진로데이터가변하게된다. 1 HH 모드로진행하던항공기가 VOR 기지국의레이더범위내로진입하는순간의 CD값을사용한다. 2 항공기가 Cone of Silence 내에서진행할때는 1에서얻은 CD값을그대로사용한다. 3 항공기가기존의 VOR 기지국을통과하여다음 VOR 기지국으로진행하게되면두 VOR 기지국사이의방위각을나타내는 NHH 값을사용한다. 4 마지막 VOR 기지국을통과한항공기는초기

한국항공운항학회 SIMULINK 를이용한소형항공기용자동비행시스템시뮬레이터구현 11 Fig. 6 출력화면구성 에지정된 HH값으로진행한다. 위조건들을구현하기위하여 <Fig. 6> 에서각조건에대하여 Autopilot Mode Reference값을재설정하도록하였다. Ⅴ. 시뮬레이터시험 5.1 출력화면구성 <Fig.

5 한국항공운항학회 SIMULINK 를이용한소형항공기용자동비행시스템시뮬레이터구현 11 Fig. 6 출력화면구성 에지정된 HH값으로진행한다. 위조건들을구현하기위하여 <Fig. 6> 에서각조건에대하여 Autopilot Mode Reference값을재설정하도록하였다. Ⅴ. 시뮬레이터시험 5.1 출력화면구성 <Fig. 7> 에서볼수있듯이출력화면은크게입력부와출력부로나누어져있다. 입력부는앞에서언급한스위치형식과직접입력방식으로되어있는모드선택패널로구성하였다. 또한출력부는실제 Beaver와동일한계기모습으로 나타내었고, VOR 모드에서기지국순번, 범위진입여부, Cone of Silence 진입여부, To/From 상태를확인할수있도록구성하였다. 출력부계기들은 Global Majic 사에서제작한각종항공계기와게이지를활용하였다 [6]. 이는 SIMULINK 상에서 Blockset 형식으로제공이되며 Active X를기반으로제작되어있다. 항공기의위치는 2가지의 Graph로표현되며지구고정좌표계를기준으로한 x-y graph와, 시간에따른고도의변화를나타내는 t-h graph로구성하였다. 5.2 각모드별 Autopilot 시험 Fig. 7 VOR Reference Correct Blockset

6 12 이동규 채동한 이상철 오화석第 16 卷第 3 號 2008 年 9 月 30 日 Beaver의 Trim값은 6000ft에서 45m/s의속도로순항할때를기준으로한값을사용하였다. 그러므로이러한조건이만족되지못할경우에는항공기가편향되거나불안정한모습을보이게된다. 이를보상하기위하여 4000ft, 45m/s에서의 Trim값을활용하여다른고도에서의 Trim값을선형보간하여사용하였다 ALH 모드시험 <Fig. 8> 은아래세가지에대한결과이다. 1 ALH 5500ft 인경우 2 ALH 5500ft & RAH 0 인경우 3 ALH 5500ft & HH 000인경우모드의조합에따라약간씩의차이를보이지만, 약 60초후에는목표했던 5500ft에도달했다. Fig. 9 ALS 모드시험 Fig. 8 ALH 모드시험 ALS 모드시험 <Fig. 9> 는아래세가지에대한결과이다. 1 ALS -500ft/min 2 ALS -500ft/min & RAH 0 3 ALS -500ft/min & HH 000 <Fig 9> 에서 200초를전후하여 -500ft/min의속도로하강률이일정해지는것을확인하였다. 초기항공기의하강률이 0ft/min이아닌 87.83ft/min 인것을확인할수있다. 이는항공기하강률에대한초기설정값 에의한영향이다 RAH 모드시험 <Fig. 10, 11> 은아래세가지에대한결과이다. 1 RAH 15 2 RAH 15 & PAH 0 3 RAH 15 & ALH 6000ft Fig. 10 RAH 모드시험 - Roll Angle Autopilot 모드에서의 Roll 각은 20 로제한되어있으므로 RAH 시험에서는 15 로입력하였다. 모든모드에대하여 Roll값이동일한것은 <Fig. 10> 을통하여확인할수있다. 그러나선형보간으로얻은 Trim값은정확한값이아니므로동일 Roll값이지만항공기의고도가일정하지못하여선회반경이모두다르게나타났다. 특히 RAH 모드만실행했을경우다른 2가지시험과비교해서시간에따른고도의하강과항공기의진동이심하다.

7 한국항공운항학회 SIMULINK 를이용한소형항공기용자동비행시스템시뮬레이터구현 13 는동안고도를초기 6000ft로고정하였고, HH를 135로지정하였다. ALH, NAV 모드를작동시킨후 Autopilot을작동시키면초기 HH값을따라 135 방향으로진행을한다. 첫번째 VOR station의전파범위내에들어오게되면네번째 station까지스스로찾아가게되고, 마지막 Station을통과하면다시 135 방향으로비행한다. <Fig. 13> 은 Navigation 모드를시뮬레이션하였을때항공기의이동경로를나타낸것이고, <Table 2> 는 VOR Station 좌표를나타낸것이다. Fig. 11 RAH 모드시험 HH 모드시험 <Fig. 12> 는아래세가지에대한결과이다. 1 HH HH 045 & PAH 0 3 HH 045 & ALH 6000ft 세경우모두 045로진행한다. 그러나 HH만작동했을경우다른모드에비해불안정하다. Fig. 13 NAV(VOR) 모드시험 Table 2. VOR Station 의좌표 Fig. 12 HH 모드시험 - Yaw Angle VOR station No. 좌표 [m] NAV(VOR) 모드시험 항공기의초기조건은고도 H=6000ft에서엔진의분당회전수는 1800rpm, Manifold 압력은 inhg, 초기속도는 45m/s,,,,,, 으로하였다. 또한 Simulation 이진행하 Ⅵ. 결론본논문에서는 SIMULINK를이용하여소형항공기용자동비행시스템을구현하고시뮬레이션을수행하였다. 구현된출력화면은실제항공기와동일한형태로항공기의비행상황을확인할

8 14 이동규 채동한 이상철 오화석第 16 卷第 3 號 2008 年 9 月 30 日 수있다. 또한각각의모드에서요구하는제어기능을수행하는것을확인할수있었다. 그러나단일모드로사용하였을경우부정확한 Trim값등에의해정확한제어를수행하지못하는경우가있었고, 항공기의불안정이나원거리선회등개선해야할문제점을확인할수있었다. 차후이러한문제점을보완하고이 착륙에대한제어알고리즘을추가하는연구가필요하다. 참고문헌 [1] Yoon, S. J., Simulation and Simulator, 선학사, Mar. 2003, pp.27. [2] Mathworks, SIMULINK 6 Using SIMULINK, Online version, 2007 [3] Marc Rauw, 2005, FDC 1.4 A SIMULINK Toolbox for Flight Dynamics and Control Analysis Draft Version7, May pp.302 [4] Marc Rauw, 1993, FDC 1.2 A SIMULINK environment for Flight Dynamics and Control analysis-application to the DHC-2 Beaver Part I & II, Sep [5] Robert C. Nelson, 1998, Flight Stability and Automatic Control, McGraw-Hill, Second edition, 1998, pp [6] [7] Bernard Etkin, Lloyd D. Reid, Dynamics of Flight Stability and Control, 3rd edition, 1996 [8] Sang-won Chae, 3D Flight Simulator for Education of Flying Tactics, 2003