소프트웨어무결점연구센터 소스무결점자동검증기개발 2008 년 11 월 21 일 -23 일 김유단 서울대학교비행역학및제어연구실 Flight Dynamics and Control Lab Seoul National University, Republic of Korea
발표순서 1. 서론 : 비행제어시스템및비행관리시스템 2. 무인기비행제어시스템 3. 비행제어시스템하드웨어및소프트웨어구축현황 ( 연구실 ) 4. 소스무결점자동검증기개발연구범위 2
비행제어시스템개괄 서론 비행제어시스템개괄 3
비행제어시스템 (1) 항공기운동 : 6자유도 - 회전운동 U L',P x 롤 (Roll) 피치 ( 키놀이 ) 요 ( 빗놀이 ) 롤 ( 옆놀이 ) - 병진운동 C.G. N,R W M,Q V 피치 (Pitch) y z 항공기조종 - 조종면엘리베이터 ( 승강타 ) 러더 ( 방향타 ) 에이러론 ( 보조날개 ) - 엔진추력 요 (Yaw) 4
비행제어시스템 (2) 비행제어시스템 (Flight Control System) 의개념 항공기상태를감지하고, 원하는비행상태로부터어느정도의오차가발생했는가를알아낸후에오차를줄이기위한조종량을계산하여조종을수행하는과정을모두자동으로수행 외란 설정치 비교 증폭 제어제어대상대상 ( ( 항공기항공기 ) ) 출력 되먹임신호 센서 5
비행제어시스템 (3) 전기신호제어 (Fly-By-Wire) 비행제어시스템 - 조종사의조종사의조종명령이전기신호로바뀌고, 바뀐전기신호가전선을통해서유압장치에전달되며, 유압장치를통해서조종면을움직이도록하는방식 - 장점 : 안정성향상, 탑승감개선, 정밀비행조종가능, 소형화등 항공기움직임 항공기동적운동 공기역학힘과모멘트 움직임센서 조종면 조종사의조종간 전기적연결 전기적연결 작동기 전기적연결 비행제어컴퓨터 조종면위치요구 작동기위치되먹임 공력데이터센서 전기적연결 6
비행제어시스템 (4) 안정성증대장치 (SAS) - 비행상태를측정하고측정된정보로부터만들어진신호를항공기제어면이움직이도록 되먹임제어를수행하여안정성을개선하는장치 - 관성항법장치나각속도자이로에서제공되는항공기롤, 피치, 및요각속도를검출하여비행제어컴퓨터에입력 자세자이로돌풍패드제어대기자료컴퓨터 조종사움직임센서 전달필터 서보증폭기 구장 동치 항공기 실제응답 피치각속도자이로 가속도계 7
비행제어시스템 (5) 자동조종장치 (Autopilot) 조종사가원하는자동조종모드를선택한후에는조종사의조종이없이도항공기가미리결정된 비행경로를유지하거나항공기를조종하여비행하도록하는장치 자세유지자동조종장치 - 기수방위유지기능 - 수평유지기능 - 고도유지기능 - 선회자동조종장치 대기속도제어자동조종장치 - 속도유지기능 - 마하수유지기능 항로제어자동조종장치 자세목표롤각제어기 ( 방위자이로 ) 방위방위센서센서방위각기수방위오차 + + 조작량에일러론 + + 에일러론 - - 제어제어기구기구속도속도센서센서 ( 속도자이로 ) 자세자세센서센서 ( 수직자이로 ) 공력공력특성특성 ( 제어대상 ) 속도되먹임위치되먹임 롤각 ( 제어량 ) - 고도유지 - 경로유지 자세유지자동조종장치 ( 롤채널 ) 8
비행관리시스템 (1) 비행관리시스템 : Flight Management System (1) - 비행안전과경제적운항을위한조종사지원시스템 - 항공기의비행경로를유지하기위한유도제어기능, 다양한비행단계에서안정성을유지하기위한최적속도산출, 항공기비행자료모니터링, 항공기속도를제어하기위한엔진추력자동제어등다양한기능수행. - 항공교통증가, 항법장비정확도증가, 컴퓨터능력향상, 데이터버스시스템개선 (MIL STD 1553B, ARINC 629) 등에의해 1980년중반이후사용. 비행제어 ARINC 629 데이터버스 조종사조작표시부 계산기부 조종계통엔진계통 조종간 조종간각도 계기착륙장치 (ILS/MLS) 모드제어패널 (MPC) 비행제원 (ADC/INS) 다목적제어기 (MCDU) 표시장치 (EFIS) 항법무선기스로틀 진입경로오차정보조종모드목표속도, 위치자세각등비행계획 비행정보방위, 거리스로틀각도 비행관리계산기 최적속도 비행제어계산기추력제어계산기 조종면변위각의지령추력지령 조종면엔진 파워서플라이 ARINC 629 인터페이스 ARINC 629 인터페이스 ARINC 629 인터페이스 좌측버스 중앙버스 우측버스 입력신호모니터링및신호선택 조종사명령제어모드선택아날로그모드직접연결 주전력제어서보루프및모니터 : 에리베이터에일러론러더스포일러서보루프감각작동기서보루프엑추에이터서보루프 자동스피드브레이크 9
비행관리시스템 (2) 비행관리시스템 OPERATING TASK DRIVE & FLIGHT POST FLIGHT PERFORM VISUAL INSFECTION TAKE OFF TASK FLYING LAND INSPECT FUSELAGE START ENGINE TAKE OFF GEAR OUT INSPECT MAIN ENGINE PERFORM BUILT IN TEST THROTTLE CHECK GEAR IN FLAP OFF CLIMB CRUISE FLAP ON ILM ON LAND AIRCRAFT PERFORM SHUTDOWN INSPECT AVIONICS INSPECT LANDING GEAR TAXING DESCEND STOP ENGINE INSPECT CABIN AREA CONTROL AVIONICS MANAGEMENT FAULT MANAGEMENT MISSION MANAGEMENT MAINTENANCE MONITOR INSTRUMENT NAVIGATE COMMUNICATE MAINTAIN TRAFFIC AVOIDANCE DETECT FAULT PERFORM EMERGENCY PROCEDURE RECOVER AIRCRAFT ASSIGN MISSION CHANGE MISSION CANCEL MISSION DOWNLOAD MISSION PERFORM SCHEDULED MAINTENANCE EXCHANGE LIFE LIMITED PART PERFORM INSPECTATION SERVICE 10
무인기비행제어시스템 무인기자율비행제어시스템 11
미래의항공기시스템 : 무인비행체시스템 초기비행시스템 현대비행환경 안정한비행체제약된비행영역수동 / 기계식조종 Gain Scheduling System Hardware Back-up System 고기동성요구고난이도의비행강화된안정성다양한임무수행요구 비행제어시스템 발전방향디지털 FBW 시스템 복잡한내부구조고가장비사용고장발생요인증가사고의대형화 임무수행능력향상 고장허용제어시스템신뢰성향상자율무인시스템 Software Back-up System 12
무인기비행제어시스템 (1) : 무인기체계도 13
무인기비행제어시스템 (2) : 자동화기술 자동화수준의분류 Level 3-4 수준의자동화목표달성을위하여고려되어야할요소기술항목 14
무인기비행제어시스템 (3) : 제어시스템체계 15
무인기비행제어시스템 (4) : 제어기설계 16
무인기비행제어시스템 (5) : 성능검증 17
하드웨어및소프트웨어구축현황 연구실비행제어시스템하드웨어및소프트웨어구축현황 18
하드웨어및소프트웨어구축현황 비행체재원 - 기체명 :SNUACE4 -날개길이: 2.5m -동체길이: 2.2m - 비행체중량 : 15kg - 탑재중량 : 8kg - 엔진 : 48cc, YW-48B2 비행제어컴퓨터재원 (Flight Control Computer) CPU : 13.3MHz 3MHz (TMS320LF2407A) Flash : 64KB ADC : 10bit, 500ns PWM : 16 Channel 센서재원 -ARS: X Sense -GPS: Novatel -Pitot tube : 용비 - 데이터송수신 : Futaba 70Mhz - Video Transceiver : 밀리콤 2.4Ghz 19
하드웨어및소프트웨어구축현황 : 시스템특장점 비행제어컴퓨터 (FCC) - 2개의컨트롤러보드로구성 - Master/Slave 구조로구성 - SPI(Serial peripheral Interface) 통신수행 인터페이스보드 - 각부분의동작확인및 on/off - 센서입 / 출력선, 접지선연결 -전원관리및분배 - 스위칭모듈 20
하드웨어및소프트웨어구축현황 : 지상제어시스템 (GCS) 지상제어컴퓨터와영상처리컴퓨터통합 - 실시간으로비행데이터를표시하고임무변경, 경로점변경, 변수변경위한명령을수신 - 수신된영상데이터를목표물인식, 좌표계산, 목표물추적명령계산등영상임무와관련된일을처리 - Camera Controller : 조이스틱신호를송신하여비행체에탑재되어있는카메라조종 21
하드웨어및소프트웨어구축현황 : 시스템구성도 22
하드웨어및소프트웨어구축현황 : 무인비행시스템구성 제어기 MATLAB 기반설계 C 코드 Generation FCC 탑재, HILS 성능검증 비행시험, 성능검증 23
개발프로세스 (1) 개별제어기설계 (MATLAB 기반설계검증 ) - 시스템식별 SQP-Kalman Filter 데이터퓨전기법 - 종방향 ( 속도, 받음각, 피치각속도, 피치각, 고도제어 ) SAS( 단주기안정화 ) Attitude Hold Autopilot Climb rate Hold Autopilot - 횡방향 ( 옆미끄럼각, 뱅크각, 롤각속도, 요각속도제어 ) SAS(Yaw damper) Bank Hold Autopilot Heading Hold Autopilot - 유도알고리듬경로점항법비행 ( 직선비행, 곡선 ( 반원 ) 비행 ) CLOS(Command to Line of Sight) 24
개발프로세스 (2) C code Generation - Controller : 제어기설계모터입력생성 - Guidance : 비행경로생성. 투하미션 - GPS,IMU : 센서 observer, decode - Filtering : 센서신호검증, EKF - Data Fusion : 지상국 command, 데이터송수신 - Camera : 영상전송. Camera Tilting 제어 FCC 탑재, HILS 검증 25
개발프로세스 (3) 비행시험 무인비행체시스템특장점 안정화 스위칭모듈설계및제작 (FCC 소프트웨어에반영 ) - 스위칭모듈설계및제작수 / 자동모드변환, FCC전원차단대비 통신채널다중화 - CPU, 영상처리하드웨어클럭과 GPS, IMU 등각통신 sampling rate 차이를고려한소프트웨어구현 (bottleneck effect 방지 ) 26
비행체소프트웨어연구개발범위 소스무결점자동검증기개발연구범위 27
연차별연구개발목표및연구개발내용 28