Dynamic characteristics analysis and fuzzy control of a tiltrotor UAV are presented. In order to design a full-conversion flight controller for a tiltrotor UAV, the dynamic characteristics of a small tiltrotor UAV during helicopter-to-airplane conversion is investigated. In conversion mode, the longitudinal dynamic characteristics of a target model shows nonlinearity. A six-degree-of-freedom nonlinear equation of motion using computational fluid dynamic data and wind tunnel test data is developed based on a Bell Model 301 tiltrotor research aircraft. It reflects the flight test information and realistic aerodynamic data as accurate as possible, and uses the full equations of motion of real flight vehicle excluding the irrelevant equation blocks in the UAVs. The eigenvectors is utilized to investigate the stability of uncontrolled motion of a small tiltrotor UAV to apply the center speed line of the conversion corridor during conversion flight. New center speed lines are defined on the parameters that were set through the eigenvectors and flight test results. The time-varying characteristics of the conversion maneuver, over which system dynamics change rapidly, are handled by a T-S fuzzy control approach in both longitudinal and lateral axes. This method provides more robust control during forward and backward nacelle conversions. Simulation results indicate that a small tiltrotor UAV exhibits a salient feature nacelle tilt during the backward conversion flight from airplane to helicopter mode. The performance of the proposed controller is verified via simulations of applying the rapid reference inputs, aggressive maneuvers and the center speed lines under various tiltrate conditions.
본 논문에서는 틸트로터 무인기의 전체 천이영역을 대상으로 동적 특성 해석 및 퍼지 제어기를 이용한 자세 제어 문제를 천이 경로선 분석과 함께 다루었다. 틸트로터 무인기가 회전익 모드부터 고정익 모드까지 연속적인 천이를 하기 위해서는 비행모드 변화에 의한 정적 상태와 안정성 해석의 동력학적 특성 변화 이해를 통해 천이 모드에서 안정적으로 자세가 유지될 수 있어야 하며, 나셀 틸트각과 비행속도 및 비행체 자세가 고려된 천이 경로선 분석 및 적용이 중요한 문제가 된다. 나셀 천이에 의한 동적 특성 분석을 위해 Bell Model 301 보고서를 기반으로 무인기에서는 불필요한 조종석 조종기능 등의 함수들은 배제하고 2m 크기로 개발된 비행체를 대상으로 변경된 시스템과 형상이 반영된 비선형 운동방정식을 활용하였다. 6 자유도 비선형 운동방정식에는 가능한 정확한 정보를 반영하기 위하여 비행체 형상 및 관성모멘트 등의 측정 데이터가 사용되었고 전산유체역학(CFD) 해석을 통한 공기역학적 데이터는 풍동시험을 통해 검증된 후 비행시험 과정에서 다운로드(download) 특성 등이 추가로 개선되었다. 또한 천이 과정중의 로터와 조종면 사이의 비례관계는 조종 믹서를 통해 구현되었다. 비행모드 변화에 대한 동안정성은 회전익과 고정익 모드에서 일반 항공기와 유사하지만 천이 모드에서는 비선형성이 확인 되었고, 정안정성에 대해 회전익 항공기와 고정익 항공기의 비행 요구 규정이 비교 제시되었다. 특히 역천이(backward conversion) 과정의 불안정성은 동력학적 해석과 시뮬레이션 및 수동비행시험 결과로 제시되었다. 또한 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 비행체 자유 운동의 안정성을 해석하고 천이 회랑(conversion corridor) 영역의 나셀 틸트와 비행속도 및 자세 등의 상태변수를 직관적으로 분석하였다. 고유벡터에 대한 해석을 통해 천이 과정 중 자세에 대한 속도의 위상 변화가 최소가 되는 천이 경로선(Corridor 2)과 STUAV의 수동비행시험 데이터를 통해 확인된 비행 최저 속도의 천이 경로선(Corridor 3)을 제시하였다. 비행 모드 변경으로 동력학적 특성이 변하는 틸트로터 무인기에 고전적인 게인 스케쥴링 방법의 적용은 많은 선형 제어기를 요구하며 이러한 한계를 극복하기 위하여 T-S 퍼지 모델을 이용한 게인 스케쥴링 방법을 제안하여 선형 모델들 간의 차이로 발생하는 최적화되지 않은 중간 게인값의 불확실성을 극복할 수 있음을 천이와 역천이 비행조건을 고려한 급격한 기동 결과를 통해 입증하였다. 천이 경로선 분석에 대하여, CAMRAD II 코드를 이용한 결과로 제시된 기존 천이 경로선(Corridor 1)은 회전익 모드에서 천이 모드 진입 시 급격한 속도 증가에 의해 큰 피치 자세 명령이 요구된다. 제안된 천이 경로선은 T-S 퍼지 제어기를 적용하여 나셀의 천이 속도(tiltrate) 변경을 통해 빠른 천이 비행 조건에서 자세 제어 성능의 향상 결과를 입증하였다.
