The objective of this paper is to design and develop micro aerial vehicle (MAV) systems and to verify formation flight with multi-MAVs. A specific mission profile is proposed for design requirement of vehicle and autopilot system. The aircraft design is carried out by conventional design procedures. Thin airfoil theory is applied to analyze and develop vehicle's airfoil. An In-house CATIA - MATLAB code is developed for airfoil analysis. The power system is chosen by using a thrust calculator with various motors, propellers and batteries. The MAV's linear SISO longitudinal dynamics and lateral dynamics are obtained using MATLAB Identification Toolbox for controller design. The autopilot controller for autonomous navigation flight consists of attitude, altitude hold and waypoint navigation guidance loop. The multi-loop classical controller is implemented for attitude control in inner loop. The controller is designed based on that identification results. A high speed flight computer system is developed to operate multi-flight processes such as navigation, GPS, communication process and so on. An autopilot is integrated by combinations of GPS, IMU, flight computer and PWM board. It is applicable to advanced control techniques due to its high speed and powerful performance. The autonomous waypoint flight result with this system shows good performance. Finally, the guidance laws for formation flight are designed via 'leader - follower' formation method using active link for inter-communication. The guidance laws are verified through a series of formation flight tests. During the formation flight tests, the follower can track and keep the formation with leader.
본 논문은 초소형 비행체 시스템 개발 및 자동 편대 비행 구현에 관한 연구이다. 초소형 비행체에 대한 연구는 최근 각광 받는 무인항공기 응용분야로, 여러 나라에서 활발한 연구가 진행 중이다. 초소형 비행체는 정찰 또는 탐색을 목적으로 운용되는 무인 항공기로 단독으로 임무 수행이 가능해야 할 뿐만 아니라 임무 수행 시 생존성과 임무 성공율을 높이기 위해서는 편대를 이루어 군집 비행을 하는 것이 훨씬 효과적이다. 이에 초소형 비행체 운용 및 시스템 개발에 필요성을 인식하고 본 논문에서는 초소형 비행체 자동 편대 비행을 위한 초소형의 비행체 설계 및 제작, 오토파일럿 시스템 개발 그리고 편대 제어 법칙을 이용하여 초소형 비행체의 자동 편대 비행을 구현하는 것을 목표로 하고 있다.
본 연구에서는 자동 비행을 위한 임무 형상을 제안하고 이를 만족하기 위한 비행체를 설계, 제작하기 위해 일반적인 항공기 설계 절차와 같이 요구 조건 설정, 개념 설계, 기본 설계, 상세 설계, 비행시험 등의 설계 과정을 거치도록 하였다. 비행체는 CATIA 기반으로 설계되었고 In-house CATIA-MATLAB 프로그램을 개발하여 비행체 에어포일의 공력 해석을 수행하였다. 비행체의 추진 시스템은 모터 추력과 전류 소모량, RPM 에 따른 필요 동력을 추정하여 요구 비행 시간을 만족하도록 모터, 배터리, 프로펠러를 산정하였다. 또한, 초소형 비행체의 자동 비행을 위해 가볍고 소형의 고속 비행제어 시스템을 개발하고자 소형의 GPS, IMU 와 400Mhz의 고속 처리가 가능한 PXA 270 프로세서를 사용하여 비행제어 컴퓨터를 구성하였다. 리눅스 기반의 비행제어 시스템은 총 무게가 약 95g으로 매우 작고 가벼워 초소형 비행체 자동 비행 시스템으로 적합하게 개발되었다.
초소형 비행체의 자동 비행 제어기는 고도, 속도 그리고 자세 유지 제어기로 구성하였고 시스템 식별 시험을 수행해 비행체의 종 방향, 횡 방향, 전진 방향 속도 모델을 구하고 이를 이용하여 제어기의 제어 이득을 설계하여 실제 자동 비행시험을 통해 검증하였고 만족할 만한 비행 성능을 보였다.
자동 편대 비행 유도 법칙은 Leader - Follower 편대 방법을 이용해 Leader와 Follower의 데이터 통신이 가능한 가정 아래 기하학적 운동 방정식을 구성하고 선형 궤환화 기법과 궤적 추종 유도 기법을 이용하여 설계하였다. 선형 궤환화 기법을 이용한 유도 법칙은Leader 기의 실제 자동 비행 데이터를 이용하여 가상의 Follower가 편대를 이루도록 시뮬레이션을 구성하여 검증하도록 하였다. 그러나 이 기법은 Leader 기의 비행 상태 측정 시 측정 노이즈에 취약하여 실제 편대 비행 시험에서는 궤적 추종 유도 기법을 이용하여 비행시험을 수행하였다.
마지막으로, 실제 자동 편대 비행을 위해서는 Leader와 Follower 간의 데이터 통신을 위해서는 기존과 다른 데이터 통신 패킷을 새롭게 정의하도록 하였다. 지상국 시스템은 Leader 와 Follower의 비행정보를 실시간으로 수신하여 후처리 과정을 거쳐 편대 비행에 필요한 최소한의 정보를 송신되도록 하여 통신 부하를 최소화하도록 구성하였다.
자동 편대 비행시험은 Leader 기를 수동으로 이륙하여 이륙 즉시 주어진 경로점을 자동 비행하게 하고 Follower 기는 수동 조종으로 이륙 후 Leader 기 근처로 유도한 후 자동 편대 비행 모드로 전환하여 편대를 형성하도록 하였다. 편대 비행 시험 결과, Follower는 편대 유도 법칙을 이용해 자동으로 Leader 기를 잘 추종하였다. 이러한 편대 비행 유도 법칙은 확장성을 고려하여 설계되었기 때문에 2대 이상의 MAV 자동 편대 비행으로 용이한 확장이 가능하고 이와 함께 서로 다른 종류의 비행체간의 편대비행에도 적용이 가능하여 임무 분담이나 복수 무인기 운용 등에 관한 연구 등에 관한 다양한 분야에 활용이 가능하다.
