Signal Processing & Autonomous Control Laboratory

한국항공대학교 신호처리 및 자율제어 연구실

무선네트워크기반 비행제어시스템

• 항공기의 FBW(Fly-By-Wire) 비행 제어 시스템은 신호의 전달을 위해 전선을 사용한다. 하지만, 항공기 내부의 전선은 항공기의 무게 증가의 원인이 되며, 제대로 정비되지 못한 전선은 항공기 내부의 화재 및 사고를 유발하기도 한다. 이러한 전선들을 무선 통신으로 대체할 경우 항공기의 중량 감소 및 안정성 증대의 효과를 가져올 것으로 기대된다.
• 본 연구에서는 XBee 모듈을 사용한 FBWL(Fly-By-Wireless) 비행 제어 시스템을 모형항공기에 탑재하여 50여회의 비행 실험을 수행하였다. 비행 실험을 통해 FBWL 비행 제어 시스템의 안정성을 입증했다.

소형 무인 항공기의 협동 관측에 의한 생존성 향상에 대한 연구

• 소형 무인 항공기들을 활용하여 초고속, 초소형 위협체를 발사할 수 있는 적 전투대상을 협동관측함으로써 사전에 위협을 탐지하여 아군 전투차량의 생존성을 향상을 목표로 한다.
• 멀티콥터에 장착된 카메라를 통해 영상 데이터를 획득한 후 영상 처리를 거쳐 이동 표적을 트래킹하고, 표적의 위치를 추정하는 연구를 수행하고 있다.

회전익 무인기 장애물 인식 및 충돌 회피 연구

• 무인항공기는 최근 민간의 상업용, 레저용으로 그 범위를 넓혀 나가고 있으며, 특히 멀티콥터형 무인기의 시장 수요가 급격히 증가하고 있다. 이에 따라 무인항공기의 안정성을 증가시키는 충돌회피 기능은 무인기의 산업 시장 확대를 위한 필수 기술로 연구되고 있다.
• 무인항공기의 충돌회피 관련하여 기존에 연구된 사례로, 비례항법을 이용한 충돌회피 유도 법칙 연구와 Predictive Rapidly –Exploring Random Tree(RRT) 기법, 포텐셜 필드 기법 등이 있다.
• 본 연구실에서는 포텐셜 필드를 이용한 충돌회피 알고리즘 연구를 수행하고 있으며, 포텐셜 필드를 이용한 회피 기법은 알고리즘의 단순성으로 로봇분야에서 주로 연구되어 왔다.
• 포텐셜 필드를 생성하기 위해 장애물은 포텐셜에 의한 척력을, 목표점은 인력을 발생시키도록 장애물과 목적점에 인공적인 포텐셜을 부여하고 여기서 장애물과 목표점 뿐만 아니라 모든 영역에서 목표점으로 향하는 포텐셜 벡터가 계산될 수 있도록 목표점에 임의의 함수를 추가하였다.
• EM (Expectation-Maximization) 알고리즘을 이용하여 장애물 정보 업데이트를 통해 가우시안 혼합 모델(Gaussian Mixture Model)을 생성한다. 초기 모델을 생성한 후 E 단계와 M 단계를 반복하여 최적화된 모델을 통해 포텐셜 필드를 형성하여 멀티콥터 운동 모델을 고려한 장애물 회피 시뮬레이션을 수행하였다.

멀티콥터형 소형무인기 고장 진단 및 제어기 재구성 연구

• 최근 사용량이 증가한 멀티콥터형 소형무인기의 운용 도중에 발생하는 핵심 부품의 고장 및 오작동을 사전에 예측/진단할 수 있는 기술을 개발하고 고장 상황에서 능동적으로 대처하여 피해를 최소화시키는 제어기 재구성 기술을 개발한다. 이를 위해 본 연구실에서는 다음과 같이 고장진단 연구와 제어기 재구성 연구로 나누어 진행하고 있다.
• 고장 진단 연구
  • - 멀티콥터형 소형무인기의 구조는 제어 계통의 FCC/센서, 추력 계통의 모터/ESC/프로펠러, 전원 계통의 배터리/전원보드와 같이 총 7종의 핵심 부품으로 나눌 수 있다. 본 연구는 핵심 부품 7종의 고장·오작동 특성을 분석, 비행 시 부품의 고장·오작동을 진단하는 기술을 개발하는 것이다. 본 연구실에서는 추력 계통 중 프로펠러의 고장·오작동 특성 분석 및 진단 모듈개발과 실기체 테스트를 통한 실시간 고장·오작동 진단 알고리즘 검증을 연구하고 있다. 현재까지 적외선 센서를 활용하여 추력 계통이 구동 중일 때 모터 RPM과 프로펠러 RPM을 실시간으로 측정·비교하여 고장·오작동으로 진단하고 모터를 정지시키는 알고리즘을 개발하였으며 진단 모듈 연구를 수행하고 있다.
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• 제어기 재구성 연구
  • - 본 연구는 해외의 다양한 고장 감내 제어 연구 중, 취리히 대학교에서 수행한 연구를 바탕으로 고장대응에 대한 알고리즘을 연구하였다.

6자유도 해석도구용 항공기 시스템 모델링 및 시뮬레이션 기술 개발

• 미국의 F-35 전투기와 같은 선진 항공국가들에서 개발되어 운용되거나 개발 중인 최신의 전투기들은 항공기의 3축 운동을 각각 담당하는 전통적인 주 조종면 외의 조종면을 추가하거나 엔진의 추력을 벡터링시켜 고받음각에서도 안정성과 비행성 요구조건을 만족하는 것으로 알려져있으며 항공기의 일부 조종면에 고장이 발생하더라도 중복적인 기능을 수행하는 타 조종면을 활용하여 무고장 상태와 유사한 비행성능을 보유하도록 고장감내(fault tolerant)비행제어 기능을 가능하게 하였다.
• 본 연구의 목표는 체계 개발 중인 한국공군의 차세대 전투기 KF-X 항공기가 미국 등 선진항공국가에서 개발된 최신 전투기와 동급의 비행성을 가질 수 있도록 선진화된 모델역변환(dynamic inversion) 비행제어법칙 설계에 대한 핵심적 기반 기술을 연구/개발하는 것이다.

액체로켓엔진 고장진단 시스템

• 우주발사체용 액체로켓엔진을 위한 엔진 건전성 관리에 필요한 기반 기술을 개발하는 것이다. 우주발사체용 액체로켓엔진은 터보펌프, 주연료분사 장지, 주연소실, 분사구, 열교환기, 밸브 및 기타 배관 등으로 이루어져 있으며 극한의 높은 온도와 압력 조건하에서 시동, 순항 및 정지의 여러 단계로 운용되는 매우 복잡한 시스템이다. 이러한 시스템에서 발생하는 결함은 매우 짧은 시간에 심각한 결함으로 진행되어 큰 사고로 이어지며 엔진 자체뿐만 아니라 시험설비 혹은 발사대에 큰 피해를 줄 수 있다. 이를 방지하기 위해 엔진의 운용 시 엔진의 작동상태를 정확히 파악하고 비상상황이 발생할 때 즉각적인 조치로 사고를 최소화하는 시스템이 필요하다.
• 본 연구실에서는 액체로켓엔진의 상태를 나타내는 파라미터 측정 데이터를 활용하여 결함/고장의 검출, 결함/고장의 진단, 시스템의 손상 예지 연구를 수행하고 있으며, 궁극적으로는 이러한 기능을 통합하여 액체로켓엔진의 건전성 통합관리 프로그램을 개발하는 것을 목표로 연구를 수행하고 있다. 현재까지 다단 연소 사이클 액체로켓엔진과 가스발생기 사이클 액체로켓엔진 시뮬레이션 환경을 구축하였으며, 다양한 고장을 모사하여 고장진단 연구를 수행하고 있다.