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작성일 : 19-02-16 16:13

[기타] KF-X 비행제어 기법에 대해

글쓴이 : 노닉

대부분 알다시피 현대의 고기동 전투기들은 공력특성 및 조종성 향상을 위해 일부러 불안정한 형상으로 설계함. 이걸 보완하는게 FBW와 제어법칙임.

기 양산된 전투기들은 대부분 기존에 획득한 데이터를 바탕으로 하는 검증되고 성능이 입증된 고전제어(Classical Control) 방식을 사용하고 있음. 최초로 FBW를 적용한 F-16은 비례-적분 개념의 고전제어 방식이고, F/A-18E/F 슈퍼호넷은 고전제어에 제어력 할당(Control Allocation)을 통합한 제어 이론을 적용했음.

이런 고전제어 방식은 가장 일반적인 제어기법이었지만 정상 비행상태에서 예측된 범위를 벗어나는 불확실성이나 공력특성 변화가 발생할 경우 비행성이 저하되거나 안정성에 문제가 생길 수 있었음. 그래서 이를 예방하기 위해 개발 중에 비행시험을 통해 획득한 데이터로 불확실성 요인들을 지속적으로 파악하고 보정해주는 작업을 거침.

기술이 발전하면서, 기존의 고전제어 방식을 보완한 다변수 제어기법들이 적용되기 시작함. 위에 F/A-18E/F도 그렇고, F-22의 경우 고전제어기법에 고유구조 할당 방식을 적용했다고 함. 이 중에 동적 모델역변환 제어는 항공기의 동역학을 비행제어법칙에 삽입하여 항공기의 동역학적 특성을 제거하고, 설계자가 요구하는 동특성을 갖도록 하는 제어기법인데, 대표적인 적용 사례로는 T-50(종축 제어기에 선형 동적 모델역변환 제어기법 적용, 횡-방향축 제어기에는 미끄럼 각-미끄럼각속도 궤환 제어방식적용), F-35(비선형 동적 모델역변환 제어기법에 제어력 할당기법을 통합)가 있음. 유체역학에 따라 움직이는 항공기의 특성을 극복할 수 있는 기능이라고 말한게 아마 이 제어법칙 적용되는걸 말한 듯 싶음.

고기동 전투기 비선형 동적 모델역변환 제어법칙 개발(제어로봇시스템학회논문지, 2017.09) 논문에서는 개발한 비선형 동적 모델역변환 제어기법을 T-50 고등훈련기의 실시간 조종사 평가환경인 HQS에 적용하여 조종사 평가를 수행한 뒤 NDI 기법의 장점으로 다음과 같이 이야기함.

첫째, 고등훈련기의 기본 제어법칙은 상당한 기간 동안 수천 쏘티의 비행시험을 통해 성숙도를 높인 결과인 반면, 본 연구에서 제안한 비선형 동적 모델역변환 제어는 단기간에 걸쳐 설계한 것인데 동일한 수준 이상의 비행성을 만족시킬 수 있다. 이는 비선형 동적 모델역변환 제어방식은 일관(consistent)되고, 예측가능(predictable)한 방식으로, 비반복적인 엔지니어링 개발비용(nonrecurring engineering development cost)을 줄일 수 있을 것으로 예상된다.

둘째, 비선형 동적 모델역변환 제어방식은 상당히 구조가 간략함으로써 엔지니어링 과정에서 발생할 수 있는 실수를 줄일 수 있다.

셋째, 구조적으로 모듈화(modularity)되고 독립적(independent)임으로써, 모듈별로 병행 개발이 가능하고, 타 기종의 항공기에 쉽게 이식이 가능함으로 충분한 확장성(extendability)을 갖추고 있다.

비선형 동적 모델역변환 제어는 모델기반 제어기법과 센서기반 제어기법으로 2종류가 있음. 모델기반은 풍동시험이나 비행시험으로 획득한 공력 모델과 각속도, 각 변위 등의 센서정보를 바탕으로 3축 각가속도를 추정하는 방식이고, 센서기반은 각가속도 센서를 장착하거나, 항공기의 각속도를 미분해서 3축 각가속도를 직접 획득하는 방식임.

최근 항공우주시스템학회나 제어로봇시스템학회에서 나오고 있는 비선형 모델역변환 제어기법 논문들을 보면 KF-X가 어떤 방향을 잡고 있는지 짐작할 수 있는데, 고기동 전투기에 적합한 모델/센서기반 비선형 동적 모델역변환 제어 기법 개발(제어로봇시스템학회논문지, 2018.07) 논문을 보면 T-50 모델을 기반으로 모델기반 기법과 센서기반 기법 둘 다 개발해서 테스트했다는 것을 알 수 있음.

연구 결과, 센서기반은 모델 불확실성의 강건성/ 제어법칙 구조 간략화 측면에서 많은 이점이 있지만, 비행제어시스템의 안정성 여유 저하, 고주파수 대역의 시간 지연 및 대역폭 저하 등의 설계 현안이 예측되는 만큼 향후 형상적으로 불안정하고 고기동을 요구하는 전투기급 항공기에 센서기반 제어 방식을 적용하기 위한 연구를 지속적으로 수행할 계획이라고 하는 걸 보면 센서기반 NDI로 가닥을 잡은 듯 싶음. 센서기반 모델역변환 제어기법은 아직 실 양산기에 적용된 사례가 없는데, 만약 정말 적용한다면 세계 최초가 되지 않으려나.

물론 센서기반 NDI 개발하다 잘 안되면 모델기반 NDI를 채택할 수도 있음. 한국항공우주학회 2018 춘계학술대회에서 발표된 '슬라이딩 모드 미분기를 활용한 증분식 비선형 모델 동적역변환 비행제어' 논문을 보면 '증분식 비선형 동적역변환 기법(Incremental Nonlinear Dynamic Inversion, INDI)'이라 해서, 각가속도 측정치를 사용하여 모델 불확실성에도 강건하게 작동할 수 있도록 고안된 모델기반 NDI를 개발, 평가했다고 하는데, 한국항공우주산업(주)이 주관하는 "비행 제어 입출력장치 결함대비 제어법칙 재구성기법 개발" 과제의 일환으로 수행된 연구라고 하니...

참고논문 : 고기동 전투기 비선형 동적 모델역변환 제어법칙 개발(제어로봇시스템학회논문지, 2017.09), 고기동 전투기에 적합한 모델/센서기반 비선형 동적 모델역변환 제어 기법 개발(제어로봇시스템학회논문지, 2018.07), 센서 기반 동적 모델역변환 제어 개발(항공우주시스템공학회 2018년도 춘계학술대회), 슬라이딩 모드 미분기를 활용한 증분식 비선형 모델 동적역변환 비행제어(한국항공우주학회 2018 춘계학술대회 논문집)

요약

1. KF-X의 비행제어기법은 비선형 동적 모델역변환 제어법칙(NDI)으로, 일관되고 예측가능한 제어기법이라 비반복적인 시험비행을 줄여 비용과 시간을 절약할 수 있다.

2. 모델기반/센서기반으로 나뉘는데, 장단점이 있긴 하지만 구조가 더 간단하고 강건한 제어기법인 센서기반 NDI가 유력하게 고려되고 있다.

3. 센서기반 NDI면 양산기로는 세계최초, 모델기반 NDI면 양산기로는 F-35에 이어 두번째다.

http://gall.dcinside.com/mgallery/board/view/?id=war&no=644970&exception_mode=recommend&page=1

http://blog.naver.com/jhst3103/221466878797

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KFX 비행제어 개발 tool 개발-아이언버드

KFX 비행제어 얘기가 나와서 말인데 비행제어기술을 개발 검증을 어떻게 진행할까? 이걸 좀 얘기해보겠음.

비행제어로직을 개발한 뒤 기체에 적용한 뒤 날려보면 될까? 니들이 생각해도 너무 위험하겠지?

그래서 아이언버드 라고 통칭되는 시뮬레이션 장치를 구성해 기술검증과 평가에 사용함

카이에서 KFX용으로 개발한 아이언버드인데 아래처럼 생겼음.

아이언버드 시험은 다음과 같은 특징이 있음.

1) 항공기 초도 비행 전 비행안전 보장을 위한 비행안전항목을 확인/검증

2) 실 항공기 탑재장비와 비행운용 프로그램을 적용하여 실 항공기와 가장 유사한 동적 시험 환경을 제공하여 체계/부체계 간의 연동 및 호환성을 충분하게 검증하여 안전성을 확보

3)아이언버드는 모든 전투기 개발프로그램에 필수적으로 적용된 시험설비로 비행제어계통, 유압계통, 전기계통이 연동된 디지털 전자식 비행제어계통 필수 요구사항

위그림을 설명하자면 아이언버드는 항공기와 유사한 동적 시험환경을 제공하기 위해

1) 항공기를 모사한 구조물에 비행제어 및 유압계통 등의 탑재구성품을 장착하고, 조종면 유압작동기 및 부하작동기 시스템이 통합된 유압실

2) 시뮬레이션 모델과 조종석 구성품이 적용된 조종사 조종실

3) 비행제어 통합시험장비와 유압실 제어를 위한 통합 통제실

등으로 구성됨.

이것으로 현재 KFX용으로 개발되고 있는 비행제어SW를 검증하고 성능을 평가할 수 있는것임.

원리를 보자. 유압실의 기체의 각 조종면은 실 항공기와 동일한 강성을 가지는 링크와 토션바를 이용하여 해당 구동기와 연결되있고 부하시스템은 조종면 유압작동기에 직접적으로 공력 부하를 주게 되어있음. 만약 조종석의 조종사가 비행 기동을 위해 조종장치를 움직이면 부하작동기는 비행 조건과 조작 유형에 적합한 비행 조종면 부하를 발생시킴.

복잡한 장비지만 아이언버드는 의외로 등장한지 좀 오래됐음.

F-15가 70년대 개발됐는데 그 때 이미 천조국은 아이언버드를 개발해 F-15개발에 사용하고 F-15E 개발할 때 재활용함.

T-50과 수리온 때도 비슷한 장비가 개발되어 사용됨. 그러나 완전한 전투기용 아이언버드보다는 급이 많이 떨어지는 물건으로 보면 됨.

그러나 KFX개발시 사용할 아이언버드는 국내최초로 디지털 비행제어를 사용하는 KFX를 위한 개발도구이기에 이것 또한 개발하는게 쉽지는 않음.

이런 개발도구마저도 까다롭고 복잡한 감항인증을 거쳐야 사용가능함.

KFX를 개발하는데는 KFX 그 자체도 자체지만 그 개발tool을 개발하는것도 만만치 않음. AESA 평가용 비행기 개발은 잘 되나.....

출처

전투기급 전자식비행제어 아이언버드 개발 연구
서성조*, 조인제,
한국항공우주산업㈜

전투기급 전자식비행제어 아이언버드 요구사항 개발
서성조1*, 지창호1
, 김재용1
, 조인제1
한국항공우주산업㈜1

전투기급 아이언버드를 위한 데이터획득시스템 연구
장민섭1,†· 이동배1· 서성조1
1한국항공우주산업(주)

http://gall.dcinside.com/mgallery/board/view/?id=war&no=645104&exception_mode=recommend&page=1

출처 : 해외 네티즌 반응 - 가생이닷컴https://www.gasengi.com

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		archwave 19-02-16 16:26 글을 읽다가 이걸 하려면 저게 준비되어야 할텐데라고 생각하면서 조금 더 읽으니 역시 저게 등장. 마치 제 사고의 흐름을 예상하면서 글이 씌어진듯한 느낌이 드네요. 술술 잘 읽히는 좋은 글이네요. 뭘 설계하든 정작 실제 물건보다는 개발툴, 테스트툴 만드는 것이 대부분의 시간을 잡아먹더라고요. 그렇게 하기 위한 예산도 잘 투입되고 있는 모양이네요. 글을 읽다가 이걸 하려면 저게 준비되어야 할텐데라고 생각하면서 조금 더 읽으니 역시 저게 등장. 마치 제 사고의 흐름을 예상하면서 글이 씌어진듯한 느낌이 드네요. 술술 잘 읽히는 좋은 글이네요. 뭘 설계하든 정작 실제 물건보다는 개발툴, 테스트툴 만드는 것이 대부분의 시간을 잡아먹더라고요. 그렇게 하기 위한 예산도 잘 투입되고 있는 모양이네요.



		ewsn 19-02-16 16:32 왜구들 이글도 퍼가겠네요..... 왜구들 이글도 퍼가겠네요.....



		archwave 19-02-16 16:44 비행제어 기법이 제대로 완성되어야 다음 단계 무인기로 넘어갈 수 있겠죠. 마치 자동차 운전하듯이 핸들만 틀면 원하는대로 움직일 정도가 되어야 무인기의 자율비행이 가능해질테니까요. 비행제어 기법이 제대로 완성되어야 다음 단계 무인기로 넘어갈 수 있겠죠. 마치 자동차 운전하듯이 핸들만 틀면 원하는대로 움직일 정도가 되어야 무인기의 자율비행이 가능해질테니까요.



		밤막걸리 19-02-16 17:48 잘쓰여진 글에 댓남기고 갑니다. 용어들이 어렵긴 하지만 (이해 안되는 것도 많지만) 적어도 어떤 방식으로 흘러가는지는 확실히 알겠네요 잘쓰여진 글에 댓남기고 갑니다. 용어들이 어렵긴 하지만 (이해 안되는 것도 많지만) 적어도 어떤 방식으로 흘러가는지는 확실히 알겠네요



		booms 19-02-16 21:41 뭔가 점점 테크를 타고 있는 느낌.. 뭔가 점점 테크를 타고 있는 느낌..



		도나201 19-02-17 13:16 요약. 현대항공기 비행제어는 플라이바이와이어기술이다. 현재이러한 소프트웨어개발방식을 T50을 통한 크게 두가지 기법이다. 1.모듈화를 통한 NDI 2.센서를 통한 NDI 1모듈화는 기존풍동시험장에서 존나 굴리다 데이터를 얻는다. 근데 돈이 많이 든다. 대신 실전과 가까운안정성을 얻을수 있다. 2센서는 비행동체 전후좌우 각종센서를 달어서 날려본다. 디지털 최고 미분적용해서 상세한 데이터값준다. 돈이 적게 든다. 다만 극한 값을 주어서 이에대한 보정작업이 별도로 필요하다. 근데 KFX사업으 센서를 통한 NDI를 할 것이다. 돈이 적게 드니까. . 하지만 하다 안되면 모듈방식을 적절히 섞어서 개발할 계획이다. 이거 되게 어려운거다. 세계최초다. 모듈방식과 혼용은 F35에 이어 두번째다. 그러니 좀만 기둘려봐라.. 좋은것 내놓을테니... 이정도로 이해하면 맞느건가요?? 요약. 현대항공기 비행제어는 플라이바이와이어기술이다. 현재이러한 소프트웨어개발방식을 T50을 통한 크게 두가지 기법이다. 1.모듈화를 통한 NDI 2.센서를 통한 NDI 1모듈화는 기존풍동시험장에서 존나 굴리다 데이터를 얻는다. 근데 돈이 많이 든다. 대신 실전과 가까운안정성을 얻을수 있다. 2센서는 비행동체 전후좌우 각종센서를 달어서 날려본다. 디지털 최고 미분적용해서 상세한 데이터값준다. 돈이 적게 든다. 다만 극한 값을 주어서 이에대한 보정작업이 별도로 필요하다. 근데 KFX사업으 센서를 통한 NDI를 할 것이다. 돈이 적게 드니까. . 하지만 하다 안되면 모듈방식을 적절히 섞어서 개발할 계획이다. 이거 되게 어려운거다. 세계최초다. 모듈방식과 혼용은 F35에 이어 두번째다. 그러니 좀만 기둘려봐라.. 좋은것 내놓을테니... 이정도로 이해하면 맞느건가요??



		archwave 19-02-17 15:34 [모듈화를 통한 NDI] 가 아니라 [모델화를 통한 NDI] 입니다. 모델화를 통해서 할 경우, 실험실에서 만든 모델이 정확하지 못 할 경우 엉망이 됩니다. 물론 실제 시험비행을 통해서 모델의 정확성을 높여가겠지만요. ( 당연히 시험비행과 검증에 많은 시간(=비용)이 필요함 ) 또한 실전에서 상황/환경에 따라 잘 안 맞을 수 있고요. 이런 점들을 해결하기 위해 [비선형 동적역변환 기법] 같은 것을 쓰면 개발 시간을 줄일 수 있고, 모델의 정확성 의존도를 낮출 수 있다는 얘기도 있네요. 센서를 통한 NDI 는 실시간으로 어떤 결과들이 나오는지를 체크하면서 동작하는 것이기 때문에, 기본적으로 환경의 변화에 대한 대응력이 높은 편입니다. 강건하다고 하는 부분이 이것임. 그러나 센서에서 읽힌 것을 토대로 제어를 한 결과가 즉각 원활하게 되느냐가 문제임. 0.2 를 원한다 할 때 센서에서 0.1 이 읽혔으니 0.1 만큼 증가시키도록 기체를 제어했는데 결과는 0.15 밖에 안 된다 그래서 또 0.05 증가. 이런 식으로 원하는 결과 나올때까지 삽질해야 할 수 있다는 것이죠. 모로 가도 서울만 가면 된다는 식이라 할까요 ? 센서 기반 NDI 를 할 경우 보정작업은 실시간으로 이뤄지는 것이고, 이건 당연히 되는겁니다. 가장 좋은 것은 정확한 모델을 토대로 센서 기반 NDI 를 하는 것이겠죠. [모듈화를 통한 NDI] 가 아니라 [모델화를 통한 NDI] 입니다. 모델화를 통해서 할 경우, 실험실에서 만든 모델이 정확하지 못 할 경우 엉망이 됩니다. 물론 실제 시험비행을 통해서 모델의 정확성을 높여가겠지만요. ( 당연히 시험비행과 검증에 많은 시간(=비용)이 필요함 ) 또한 실전에서 상황/환경에 따라 잘 안 맞을 수 있고요. 이런 점들을 해결하기 위해 [비선형 동적역변환 기법] 같은 것을 쓰면 개발 시간을 줄일 수 있고, 모델의 정확성 의존도를 낮출 수 있다는 얘기도 있네요. 센서를 통한 NDI 는 실시간으로 어떤 결과들이 나오는지를 체크하면서 동작하는 것이기 때문에, 기본적으로 환경의 변화에 대한 대응력이 높은 편입니다. 강건하다고 하는 부분이 이것임. 그러나 센서에서 읽힌 것을 토대로 제어를 한 결과가 즉각 원활하게 되느냐가 문제임. 0.2 를 원한다 할 때 센서에서 0.1 이 읽혔으니 0.1 만큼 증가시키도록 기체를 제어했는데 결과는 0.15 밖에 안 된다 그래서 또 0.05 증가. 이런 식으로 원하는 결과 나올때까지 삽질해야 할 수 있다는 것이죠. 모로 가도 서울만 가면 된다는 식이라 할까요 ? 센서 기반 NDI 를 할 경우 보정작업은 실시간으로 이뤄지는 것이고, 이건 당연히 되는겁니다. 가장 좋은 것은 정확한 모델을 토대로 센서 기반 NDI 를 하는 것이겠죠.

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