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무인항공기(UAV)의 제어 시스템
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무인항공기는 영어로 Unmanned Aerial Vehicle (UAV) 또는 Uninhabited Aerial Vehicle 이라 표기되며, 비행제어시스템의 자율성이 특히 강조되기 때문에 지상에서이기는 하지만 사람의 조종이 위주가 되는 Remotely Piloted Vehicle(RPV), Drone 등과 굳이 구별되기도 한다. 무인항공기는 일반적으로 조종사가 없이 사전에 입력된 프로그램에 따라 또는 비행체 스스로 주위 환경(장애물, 항로)을 인식하고 판단하여 자율비행(Autonomous Flying)하는 비행체를 말한다. 여기서 자율비행이란, 주어지지 않은 주위 환경에서의 제어를 의미하며 주어진 환경에서의 비행제어는 자동비행이라 한다.


초기의 무인항공기는 지상의 관제국에서 조종사가 무인항공기에서 보내오는 위치와 자세정보를 토대로 원격 조종하는 방식으로 운용되었다. 이와 같은 원격 조종방식으로 비행하는 무인항공기의 경우 제어시스템은 단순히 지상의 조종명령을 구동기에 중개하고 탑재된 센서로부터 항공기의 상태를 취합하여 지상으로 내려 보내는 역할만 수행하였기 때문에 복잡한 알고리즘을 구현할 필요성이 많지 않았다. 그러나 점차 요구되는 임무가 복잡해지고 운용 영역이 넓어짐에 따라, 유도 및 조종을 무인항공기 자체에서 해결해야 될 필요성이 제기되었다. 특히, 군사용으로 개발되는 무인항공기의 경우에는 보안 및 탐지 가능성으로 인해 지상의 원격조종 방식은 적용하는데 문제가 많은 것으로 알려져 있다.

▲ 원격조종 방식 시스템


원격조종방식의 제어시스템이 갖는 한계와 문제점을 극복하기 위하여 지상관제국의 통제를 최소화하고, 무인항공기가 자체적으로 비행할 수 있도록 자율비행(autonomous flight)이 가능한 제어 시스템의 필요성이 제기 되었다. 이러한 시스템에서는 지상관제국에서 무인항공기의 모든 상황을 통제하지 않고 임무 수행과 관련된 기본 사항만 명령하고, 실제 비행과 관련된 자동조종과 유도, 탑재장치의 통제 등은 비행제어컴퓨터가 수행하도록 설계하는 것이 일반적이다. 이 경우 지상 관제국와 무인항공기 사이의 통신을 최소화 할 수 있고 원격조종방식과 달리 항공기가 지상관제국의 시야에서 벗어나더라도 통신링크의 영역 안에 있으면 임무 수행이 가능하다는 장점이 있다.

또한 비행 중인 항공기의 상황을 지속적으로 모니터링하면서 비행 중에 자동제어시스템의 이득을 조정하거나 임무 수행에 필요한 경로점 등을 수시로 변경할 수 있어 돌발 상황에 적절하게 대치하면서 임무를 수행할 수 있다. 그러나 이러한 시스템의 구현을 위해서는 자동조종장치의 소프트웨어의 개발이 어렵고, 사전에 충분한 시험을 통하여 신뢰성을 확보해야 한다는 어려움이 있다. 하지만 향후 무인항공기의 역할이 다양화되고 커질수록 무인항공기의 자율비행 능력이 점점 더 중요해질 것으로 판단된다. 따라서 이와 관련된 제어알고리즘 및 소프트웨어 설계 및 구현 기술의 확보가 꼭 필요할 것으로 보인다.

현재 개발되고 있는 무인항공기의 자동조종장치는 대부분 디지털 컴퓨터를 이용하여 구현되고 있으며, 조종면 작동기의 경우 대형 무인항공기를 제외하고는 대부분 유압장치 대신 서보모터가 장착되고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 비행제어컴퓨터와 조종면 작동기의 연결은 Fly-By-Wire(FBW) 방식이 주로 사용되고 있는데, 무인항공기의 신뢰성이 중요한 시스템에서는 유인항공기의 경우와 마찬가지로 비행제어컴퓨터와 핵심 장치를 다중으로 구성하는 하드웨어 다중화 방식을 채택하기도 한다.

▲ 자율비행 방식 시스템

 

▲ 다중화 방식 시스템





  관련 글  

좀더 자세한 이해를 돕기 위하여 다음 포스팅에서는 "비행체 내부 시스템"을 소개하고, "시스템 구성 예시"에서는 한국과학기술정보연구원에서 개발한 통합형 자동비행 시스템(I-AFCS)에 대하여 요약 정리하였습니다. 아래 링크를 클릭하시면, 해당 주제로 이동하실 수 있습니다.

   - 무인항공기(UAV)의 기본적인 비행체 내부 시스템 : http://www.think-tank.co.kr/125
   - 무인항공기(UAV) 시스템 구성 예시 : http://www.think-tank.co.kr/127

 

  참고 자료  


■ 윤석준 - "무인항공기 비행제어시스템"
    : 학술지 - 제어·자동화·시스템 공학지 5 26-32 1225-9845. 1999.

■ 한국과학기술정보연구원 "무인비행체 자동비행 및 지상제어시스템 개발" 연구보고서 
    : 학술논문 - 국방과기술 제323호 (2006. 1) pp.34-47 1227-1705 ( 1단계 : 2001. 2단계 : 2004. )



본 내용은 여러 서적 및 웹 공유 자료나 전문 자료 등을 참고하여 제가 직접 수정, 작성한 내용입니다.
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