Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) become more and more useful in various missions. The higher mobility and relatively low cost make them suitable for various real applications. Some kinds of UAV, Micro Air Vehicle (MAV), can be competitive in specific fields. In case of MAV, they can make good use of their tiny size in the reconnaissance missions. In the mean time, autopilot systems are desirable to MAV in order to perform the given tasks successfully. And to do that, the dynamic characteristics of MAVs need to be well identified. But it's really difficult to measure the aerodynamic forces acting on MAVs because of their very small size and low Reynolds number (Re) flight regimes. Magnetic Suspension and Balance System (MSBS) can be a solution for these problems. MSBS can be used for the measurement of aerodynamic forces acting on an MAV at very low Re without support interference. Moreover, MSBS can decouple and adjust the DOF of an MAV so that wind tunnel tests using MSBS can replace real flight tests.
In this study, aerodynamic forces acting on a small flight vehicle model were measured by MSBS for various angles of attack (AOA) and elevator deflection angles. After then the equation of motion of the small flight vehicle model was obtained. With this result, a height holding controller was designed by using PD control scheme. Finally, one of constraint forces on the small flight vehicle model was relaxed so that it showed vibratory behavior in plunging direction. The designed controller that automatically changes the elevator angle of the vehicle suppressed plunging motions and made the vehicle hold its height.
최근 여러 분야에서 무인비행체의 활용 가능성이 점점 증가하고 있는 추세이다. 이동성이 좋고 유인 비행기에 비해 상대적으로 저렴한 가격 때문에 다양한 목적으로 사용하기에 적합하다. 그중 초소형 비행체의 경우 특수한 목적으로 유용하게 사용될 수 있는데 특히 크기가 매우 작기 때문에 정찰 임무를 수행하기에 알맞다. 한편 초소형 비행체가 주어진 임무를 성공적으로 수행하기 위해서는 자동비행 시스템이 적용되어야만 할 것이다. 그리고 이를 위해서는 초소형 비행체의 동적 특성이 매우 잘 분석되어야 할 것이다. 하지만 초소형 비행체는 크기가 매우 작고 운용 레이놀즈수 범위가 매우 낮기 때문에 이에 작용하는 공력을 측정하는 것은 매우 어렵다. 이러한 어려움을 해결하는데 자기 부상 비접촉식 밸런스가 유용하게 사용될 수 있을 것이다. 자기 부상 비접촉식 밸런스를 이용하면 지지장치의 간섭현상 없이 매우 낮은 레이놀스수에서 초소형 비행체에 작용하는 공력을 측정하는 것이 가능하다. 게다가 자기 부상 비접촉식 밸런스는 초소형 비행체의 자유도를 조절하는 것이 가능하기 때문에 이러한 기능을 사용하면 풍동실험을 통해 비행시험을 대체하는 것이 가능하다.
본 연구에서는 자기 부상 비접촉식 밸런스를 활용하여 다양한 받음각 및 엘리베이터 조종각에 대해 초소형 비행체 모델에 작용하는 공력을 측정하였다. 이를 통해 초소형 비행체 모델의 운동방정식을 구하였고, 이를 이용하여 초소형 비행체의 고도 고정을 위한 비례-미분 제어기를 설계하였다. 최종적으로 풍동실험을 수행하면서 초소형 비행체의 고도 방향 구속력을 풀어주었고 설계된 초소형 비행체 모델의 고도 고정 제어기를 통해 초소형 비행체 모델의 고도를 고정하는데 성공하였다.
