www.think-tank.co.kr 씬의 싱크탱크 ⓒ All Right Reserved by. Seen Admin Write


무인항공기(UAV)의 시스템 구성 예시 : I-AFCS
Share |

무인항공기(UAV)의 제어시스템의 이해를 돕기위하여 이전 주제에서는 무인항공기(UAV)의 비행체 내부 시스템 구성에 대하여 알아보았다. 본 주제에서는, 전반적인 무인항공기 시스템에 대한 이해를 돕기 위하여 한국과학기술정보연구원에서 개발한 통합형 자동비행 시스템(I-AFCS)에 대하여 요약 정리해보겠다.


I-AFCS는 저가형 비행제어컴퓨터(low-cost flight control computer, LCFCC), 항공기 상태 감시 모듈(aircraft state monitoring module), 전원 모듈 (power module), 스위칭 모듈(switching module), 무선조종수신기(remote control receiver), 기상 센서(on-board sensor)로 구성된다. 탑재 센서로는 2개의 압력 고도계, 1개의 대기속력계, 4개의 각속도 자이로, 1개의 3축 가속도계, 1개의 온도 센서가 사용된다. 1개의 압력 고도계와 1계의 각속도자이로는 자동비행에 중요한 센서의 다중화를 위해 사용한다.


▲ I-AFCS 의 개념도




  LCFCC  

I-AFCS의 비행제어컴퓨터는 무인항공기의 중앙처리장치로 비행기의 상태를 파악하고 외부탑재장비들과 통신을 하며 비행체를 무인조종하는 역할을 한다. 이 장비의 주요기능은 지상제어시스템으로부터의 조종명령 및 임무정보, 탑재 센서로부터 여러 정보를 입력받아 항법, 유도, 제어 알고리즘을 수행하며, 항공기의 조종면 서보모터 제어 신호를 출력하고, 지상제어시스템으로 비행체의 상태를 전송하는 기능을 수행한다. LCFCC의 내부사양은 DSP TMS320C31을 사용하고, 12비트의 16채널 A/D컨버터, 8비트의 디스크리트 입출력, 4채널의 RS-232c, 8채널의 PWM 출력, 128 Kbytes NVRAM, 2개의 128Kbytes Flash ROM을 제공한다.



  전원 모듈  

I-AFCS의 전원 모듈은 외부로부터 12VDC 전원을 입력받아 I-AFCS 내부에서 사용되는 5VDC 전원과 12VDC 전원을 생성한다. 전압 변환은 15 watt 급 DC/ DC 변환기를 사용한다. 이 전원을 스위칭 모듈, 탑재 센서, 모니터링 모듈, 임무장비 전원, 외부 GPS 전원으로 공급된다. 비행제어컴퓨터 전원은 내부에 전원 안정화 회로가 있어 직접 축전지의 전원을 사용한다. DCtoDC Converter는 Suntronix사 제품인 PS15-1212와 PS15-1205 컨버터를 PCB에 장착하는 형태로 제작하였다. 전원 모듈은 동작 중 열 발생이 많기 때문에 케이스의 맨 윗부분에 장착되도록 배치하였으며 샤시 접지가 되어 있다.



  스위칭 모듈  

I-AFCS의 스위칭 모듈은 비행제어컴퓨터의 PWM 신호 출력과 무선조종수신기 PWM 신호 출력 중 1개를 선택하여 항공기 서보 모터로 연결하는 장치이다. 스위칭 신호로는 무선조종수신기의 1채널 신호나 비행제어컴퓨터의 디스크리트 출력 신호를 사용한다. 무선조종수신기 신호를 통한 스위칭은 지상의 조종사가 무인항공기의 수동/자동 모드를 선택할 수 있게 하며, 비행제어컴퓨터를 이용한 스위칭 기능은 무인표적기를 원거리에서 자동으로 운용시 무선조종신호에 의한 오동작을 방지하기 위해 사용된다.

스위칭 모듈은 릴레이를 사용하며 전원이 차단되었을 때는 무선 조종수신기의 신호를 사용하도록 설계되어 있다. 이 경우 지상의 조종사가 무인항공기 제어권을 획득하게 되며 수동으로 비행체를 조종하여 안전하게 착률 시킬 수 있게 하는 기능을 가진다. 스위칭 모듈에 전원이 인가되어야 하며, 스위칭 신호 입력단에 R/C 수신기로부터 스위칭 신호가 인가되어야 한다. 이때 제어신호는 70Hz, Duty 15%이어야 하면, 대략 10%를 기준으로 스위칭 되게 된다.

스위칭 모듈의 주요 부품인 Omrom사의 릴레이 G6A-474P, 4CH 2개를 사용하며, PWM 신호 5개 채널을 스위칭한다. 그리고 SSPS 서보모터를 구동을 위한 PWM 신호 전압 변환을 위해 74LS04를 사용한다. 그리고 비행제어컴퓨터의 오버라이드 기능은 전압비교기인 74LS688를 이용한다. 스위칭 모듈은 모니터링 모듈의 상부에 연결될 수 있도록 설계하였다.



  모니터링 모듈  

모니터링 모듈은 자동비행시스템의 운용에 필요한 정보를 비행제어컴퓨터로 제공하는 기능을 한다. 이 모듈은 축전지의 전압, I-AFCS 내부 온도, RPM 센서 신호를 처리하여 비행제어컴퓨터의 A/D 변환기에서 사용할 수 있도록 한다. 모니터링 모듈의 온도센서는 AD22100 TO-92로 온도 측정 범위는 -50~150℃이며 출력 전압은 0.25~4.75V이다. 온도 센서는 온도 측정이 필요한 각속도 자이로의 근처에 위치하도록 배치하였다.

RPM 측정부는 RPM 센서 신호를 주파수/전압 변환기 LM2917로 처리하며, 측정범위는 RPM 0~15,300이다. 축전지 전압 모니터링은 0~12VDC로 변환한다. 12V 전압 감시는 오피앰프 LMC6482를 이용하여 9~15V 범위의 전압을 0.6~4.3V 범위로 변환하며, 5V 전압감시회로는 전압감시용으로 사용되는 전류가 최소화 되도록 설계하였다. 모니터링 모듈은 I-AFCS 내부의 최하부에 위치한다.



  탑재 센서  

I-AFCS의 센서부는 비행체의 자세정보와 기상정보 등을 비행제어컴퓨터로 제공하는 기능을 한다. 센서의 구성품은 2개의 압력 고도계, 1개의 대기속력계, 4개의 각속도 자이로, 1개의 3축 가속도계, 1개의 온도 센서가 사용된다. 이 중 1개의 압력 고도계와 1개의 각속도자이로는 자동비행에 중요한 센서의 다중화를 위해 사용한다. 탑재 센서 중 각속도 자이로는 Sillicon Sensing System사의 CRS-03-01로 측정범위는 0~±100ded/sec 이며, 1deg/sec 당 20mV가 변한다. I-AFCS에는 4개의 각속도 자이로가 장착되며, 항공기 3축방향에 1개씩, 그리고 요축 방향으로 1개를 추가적으로 사용하며, 케이스의 측면에 장착하였다.

비행체의 자동조종 간 Yaw 축 자이로의 신호보정을 위해 ±100도 출력신호를 ±17.5도 로 성능을 개선하였다. 20Hz의 차단 주파수를 가지는 Low Pass Filter를 구성하였고, 2.15~2.85V의 출력 전압 범위를 입력 받아 0~5V의 출력을 내보내는 회로를 구성하였다. 회로의 구성은 센서자체에 공간이 없기 때문에 모니터링모듈 내에 구성하였고, 가속도계는 Crossbow사의 3축 CXL04M3을 사용하며, 이 센서의 측정범위는 ±4G이고 1G당 500mV가 변한다. 가속도계는 항공기 기축을 정렬하여 케이스의 측면에 장착하였다. 압력고도계와 대기속력계는 내쇼날스타사의 NS-ALM01과 NS-ALM01과 NS-VEL01을 이용하였으며, 압력 고도계의 측정범위는 0~1,800m이며, 대기속력의 측정범위는 0~270 km/hr이다. 압력고도계와 대기속력계는 각속도 자이로의 옆에 장착하였다.



  무선조종 수신기  

무선조종수신기는 지상의 원격조종기의 조종 신호를 입력받아 서보 모터 제어용 PWM 신호를 출력하는 장치로 비행체의 에일러론과 엘리베이터 서보 제어 신호, 낙하산 및 적외선 발광체 제어 신호를 전달한다. 무선조종수신기는 외부 축전지로부터 직접 전원을 공급받는데, 이는 무선조종을 이용한 수동조종의 신뢰성을 향상시키기 위해서이다.

수신기는 FUTABA사의 PCM 1024 P149DP를 사용하였으며 주파수는 40.830 MHz이다. 정상적인 무인기 운용에서는 데이터 링크를 통하여 조종신호가 전달되나, 비행제어컴퓨터, RF 모뎀 등의 고장으로 데이터 링크를 통한 조종이 불가능하게 되면 원격조종기를 이용하여 직접 항공기의 조종면을 제어할 수 있도록 하여, 항공기의 추락 가능성을 최소화하도록 하였다.



  참고 자료  


■  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.
자료의 인용에 대하여 저작권 문제가 있다면, 방명록이나 메일 부탁드립니다.

신고