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1. Introduction
단일안테나 GPS는 위치와 속도 측정치를 제공하는데, 고정익 항공기의 경우 이를 이용하여 의사자세를 합성하는 것이 가능하다. 이 사실은 단일안테나 GPS를 고정익 항공기의 유일한 센서로 사용이 가능하다는 잠재 가능성을 보여준다. 기존에 수행해 왔던 연구들을 기반으로 하여 한국항공우주연구원(KARI)의 소형 체공형 무인기 플랫폼에 저가의 4Hz GPS수신기 모듈을 적용하여 자동비행제어 시스템을 구축하는 연구를 수행하였다.
Figure 1. UAV of GNSS Lab.
2. Flight Control System Design
2.1 Aircraft Feature
소형 체공형 무인기(Fig.3)는 KARI에서 제작되었으며 기존의 tailless 항공기와 같이 주익에만 조종면이 있고 러더는 wing tip에 부착되어 있는 형태이다.
2.2 Controller Design
Linear quadratic regulator (LQR)에 기반한 제어기를 적용하였으며, 종방향은 고도/속도 제어가 가능하고 횡방향은 뱅크각, 헤딩, 선 및 원 추종이 가능하게 설계되었다. LQR제어기에 적분기를 추가하여 외란과 항공기 모델 오차에 의한 성능 저하를 막을 수 있도록 하였다.
3. Flight Test
U-blox 4 GPS 수신기 모듈은 주 센서로 사용되었다. 비행 모드는 수동, 스틱오토, 유지, 경로점비행, 사전입력 비행이 가능하고 유사시에는 지정한 위치로 돌아오는 기능도 포함하고 있다. 테스트 결과 속도 및 고도 오차는 각 1m/s, 1m 이내이며(Fig. 7, 8), 뱅크각 오차는 2도 이내를 보여주고 있다. 경로점 비행모드 에서는 선 추종 및 원 추종 제어기가 테스트 되었고 오차는 10m 이내 이다.
4. 향후 UAV 발전 방향 및 GNSS 연구실의 연구 성과
GPS는 현재 미국에 의해서 현대화 계획이 진행 중이며, GALILEO나 GLONASS와 같은 추가적인 GNSS 시스템이 운영을 준비 중에 있다. 현재는 유일하게 GPS가 운영되고 있지만, 시간이 지나 다원화된 위성항법체계가 갖춰지면 시스템의 정확성, 무결성, 가용성, 지속성과 같은 여러 면에 크게 향상을 기대한다. 따라서 현재 연구되고 있는 단일 안테나 GPS 기반의 자동비행제어 시스템 또한 높아진 성능과 안정성으로 UAV 시스템의 주 제어 시스템으로서의 활용범위가 확대될 것으로 보인다.
서울대학교 GNSS 연구실(SNUGL)은 단일안테나 GPS 기반 자동비행제어 시스템을 연구 중에 있다. 2003년에는 경로점 및 경로 추종 비행에 성공하였고, 2007년에는 세계 최초로 관성센서를 사용하지 않고 단일안테나 GPS만을 이용하여 무인항공기를 이륙에서 착륙까지 전자동으로 제어하는데 성공하였다. 그 후 SNUGL은 개발된 단일안테나 GPS 기반 시스템을 flying wing 플랫폼에 적용하였고, 2009년 겨울 성공하였다.
본 연구실에서는 UAV분야의 연구성과로 IEEE AES 매거진과 Inside GNSS 매거진의 커버를 장식한 바 있다.
IEEE AES Magazine 2009.05
Inside GNSS Magazine 2010.04
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Professor
