고정익 무인기의 자동 공중 회수를 위한 랑데부, 도킹 및 재결합 유도 제어 = Rendezvous, Docking and Reintegration Guidance and Control for Automatic Aerial Recovery of Fixed-wing UAVs

국문 초록 (Abstract)

본 학위논문에서 고정익 무인 모선과 자선의 공중 회수를 위한 랑데부,도킹 및 재결합/분리 과정에 필요로하는 유도 및 제어방법을 제시하였다.
랑데부 과정은 선회하고 있는 모선으로 자선이 능동적으로 거리를 좁혀 포메이션을 이루는 과정이다. 랑데부 과정을 위해 모선의 선회 유도법칙을 개선하였으며, 이를 기반으로 자선의 랑데부 유도법칙 또한 개선하였다. 또한 랑데부 과정 중 드로그의 운동모델을 기반으로 모선이 드로그의 항법정보를 추정하는 방법을 연구하였다.
도킹 과정은 포메이션을 이루던 자선이 드로그와 도킹하여 물리적으로 결합하는 과정을 말한다. 이를 위해 정밀한 상대항법 정보를 추정할 수 있는 영상기반 상대항법 알고리즘을 연구하였다. 이는 적외선 마커 인식 기반 드로그 인식을 포함한 영상기반 상대항법 정보와 GPS기반 항법정보와 통합하는 확장 칼만 필터로 구성되었다. 그리고 도킹을 위한 가상 이동 목표점 추종 유도제어 방법을 제시하였다. 자선은 대기속도와 롤각 명령을 통해 드로그 후방에 존재하는 가상 이동 목표점으로 상대위치를 일치시킨다. 이후 자선의 상대위치 제어 오차수준에 따라 가상 이동 목표점이 드로그를 향해 전진하거나 후퇴하여 자율적으로 도킹을 시도할 수 있는 방법을 제시하였다. 제시한 자선의 도킹 유도법칙은 모선의 기동을 상관하지 않지만, 부드러운 기동으로 도킹 단계에 도움이 될 수 있는 모선의 레이싱 트랙 경로 추종 방법 또한 제시한다.
재결합 단계는 모선이 줄을 감아 드로그와 결합한 자선을 끌어올린 뒤 모선의 결합장치로자선과 완전히 합체하는 과정을 말한다. 재결합 단계를 모사하기 위해, two-body 시스템을 스프링 장력의 상호작용으로 모델링하였다. 이 모델을 기반으로 줄에 매달린 자선이 등속 수평 비행하는 트림 상태를 찾아낼 수 있는 알고리즘을 제시한다. 자선의 종축 동안정성은 다양한 조건과 상태에 따라 변하였는데, 이 조건들을 해석하기 위한 선형 모델을 얻기 위해 종축 운동방정식에 선형화를 수행하였다. 그리고 이 종축 선형 모델을 기반으로 자선의 장주기 동안정성을 분석하고자 근사화를 수행하였다. 그 결과, 이 장주기 모델의 댐핑비와 주파수에 대한 파라미터로부터 재결합 시의 설계 조건 또는 운용 조건을 제시하였다. 뿐만 아니라 안정한 재결합 과정을 위해, 선형 모델을 기반으로 자선의 자세를 제어하는 방법이 제시되었다. 마지막으로 설계한 자세제어 방법을 비선형 two-body 시뮬레이션을 통해 안정성을 검증하였다.
마지막으로 이 모든 랑데부, 도킹, 재결합 과정을 다수의 무인기들에 적용하였으며, 이에 대한 비행실험을 다수 진행하여 제시한 방법들을 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1. 연구동기 및 배경 1
• 1.2. 관련 연구 3
• 1.2.1. 랑데부 및 편대비행 3
• 1.2.2. 공중 도킹을 위한 영상기반 상대항법 4
• 1.2.3. 공중 도킹 유도제어 기술 5
• 1.2.4. 공중 재결합 6
• 1.3. 연구 내용 7
• 1.4. 본 연구의 공헌 11
• 1.5. 논문의 구성 12
• 제 2 장 기본적인 자동 비행을 위한 모델링, 선형화 및 제어기 설계 14
• 2.1. 기체 모델링 14
• 2.1.1. 공력 모델링 15
• 2.1.2. 추진시스템 모델링 21
• 2.1.3. 관성 모델링 40
• 2.2. 항공기 트림 해석 및 선형화 45
• 2.2.1. 항공기의 트림 해석 45
• 2.2.2. 선형 모델링 49
• 2.3. 기초 제어기 설계 – Long A/B, Lat A 57
• 2.3.1. 종축 제어구조 A(Long A) 57
• 2.3.2. 종축 제어구조 B(Long B) 67
• 2.3.3. 횡/방향축 제어구조 A(Lat A) 73
• 제 3 장 원형 궤적의 랑데부 유도 82
• 3.1. 랑데부 과정 개요 82
• 3.2. 모선의 선회 유도법칙 84
• 3.2.1. 유도법칙과 전역안정성 84
• 3.2.2. 선회 유도법칙의 선형해석 87
• 3.2.3. 중심방향 접근을 위한 스케쥴링 방법 91
• 3.2.4. 접선방향 접근을 위한 스케쥴링 방법 95
• 3.3. 자선의 랑데부 유도법칙 107
• 3.3.1. 자선의 랑데부 유도법칙(추력을 사용하지 않을 때) 107
• 3.3.2. 자선의 랑데부 유도법칙(추력을 사용할 때) 114
• 3.4. 모선의 드로그 항법정보 추정방법 118
• 3.5. 랑데부를 위한 가상점 생성 방법 124
• 제 4 장 공중 도킹을 위한 상대항법과 유도제어 126
• 4.1. 공중 도킹을 위한 유도/항법 개요 126
• 4.2. 영상기반 상대항법 추정 알고리듬 129
• 4.2.1. 상대항법을 위한 영상처리 129
• 4.2.2. 도킹을 위한 상대항법 알고리듬 146
• 4.3. 자선의 가상 이동 목표점 추종 유도제어 153
• 4.3.1. 속도방향 유도제어 방법 154
• 4.3.2. 횡방향축 유도제어 방법 ver.1 (경로각을 이용하는 방법) 155
• 4.3.3. 횡방향축 유도제어 방법 ver.2 (코스각에 롤 각 제어를 반영한 방법) 156
• 4.3.4. 횡방향축 유도제어 방법 ver.3 (y방향 상대속도를 제어하는 방법) 159
• 4.4. 도킹을 위한 비행제어구조 (Long C, D, E, Lat A, B, C) 161
• 4.4.1. 종축 제어구조 C (Long C) 161
• 4.4.2. 종축 제어구조 D (Long D) 168
• 4.4.3. 종축 제어구조 E (Long E) 176
• 4.4.4. 횡/방향축 제어구조 A (Lat A) 190
• 4.4.5. 횡방향축 제어구조 B (Lat B) 195
• 4.4.6. 횡방향축 제어구조 C (Lat C) 196
• 4.5. 도킹을 위한 가상 목표점 생성 방법 197
• 4.5.1. 물리량 기반 파라미터 설정방법 201
• 4.5.2. 확률적 분석에 따른 파라미터 설계방법 202
• 4.6. 모선의 레이싱 트랙 경로 유도방법 205
• 제 5 장 공중 분리/재결합을 위한 비행제어 211
• 5.1. 공중 분리/재결합을 위한 비행제어 개요 211
• 5.2. 공중 분리/재결합을 위한 two-body 시스템의 장력 모델링, 트림해석 214
• 5.2.1. Two-body 시스템의 장력 모델링 214
• 5.2.2. Two-body 시스템 트림해석 219
• 5.3. 분리/재결합 과정에서의 자선의 종축 운동모델 안정성 해석 222
• 5.3.1. 트림 상태로 줄에 매달린 자선의 종축 선형모델 222
• 5.3.2. 장주기 운동 근사화 및 동안정성 해석 242
• 5.3.3. 다양한 파라미터에 따른 종축 동안정성 분석 268
• 5.4. 공중 분리/재결합을 위한 자선의 자세제어 방법 285
• 5.4.1. 재결합 시의 종축 제어기 설계 286
• 5.4.2. 재결합 시의 횡축 제어기 설계 289
• 5.5. 재결합 시뮬레이션 결과 293
• 제 6 장 비행실험 결과 300
• 6.1. 랑데부 비행실험 300
• 6.1.1. 랑데부 비행실험1 300
• 6.1.2. 랑데부 비행실험2 303
• 6.2. 공중 도킹 비행실험 306
• 6.2.1. 공중 도킹 비행실험1 306
• 6.2.2. 공중 도킹 비행실험2 312
• 6.3. 공중 분리/재결합 비행실험 319
• 제 7 장 결론 322
• 7.1. 연구 요약 322
• 7.2. 연구의 의의 323
• 7.3. 연구의 추가적 제안 324
• ABSTRACT 335