The objective of this thesis is to design the autonomous shipboard landing system for various VTOL Unmanned Aerial Vehicles using Time-Delay Control. The autonomous shipboard landing algorithm is composed of two parts: one is the guidance to generate velocity and heading command, and the other part is the controller to control the vehicle and follow the given command input.
Designed guidance is divided into 4 steps depending on the relative distance. In addition, the different landing procedure is conducted according to the cross wind factor of the relative wind between the ship and the aircraft. Proposed guidance uses the distance error as feedback, so that the generated velocity commands ignore the attitude of the ship and the aerial vehicle. Two frames fixed at the ship and the aircraft are defined, respectively. Considering the attitude and two frames, the body velocity of the objective of the control, VTOL UAV, is obtained through velocity vector transformation.
The velocity command is passed to the controller. In this thesis, TDC + PD compound controller is newly designed. The model of the VTOL aerial vehicle is usually changed depending on the flight velocity. The operation environment of the sea field has various kinds of unexpected factors. To obtain the robustness against model uncertainty and sea environment factors, Time-Delay Control which is one of the adaptive controls is designed. By combining with PD control, TDC compensate the weak point and highlight the strong points.
Designed autonomous shipboard landing system is evaluated by X-Plane based simulation. Proposed Compound controller shows advanced performance than existing conventional controller. The sea operation environment is described in detail, and the average error of the touch-down point is less than 1m. Furthermore, proposed algorithm is applied to various types of the VTOL vehicles and proofed of its expandability. During the presence of the cross wind, the algorithm makes safe and accurate landing performance based on the optimal navy procedures.
The single rotor type UAV is constructed to validate designed algorithm through the real flight test.
수직 이착륙 항공기는 그 운용에 있어서 활주로가 필요하지 않고, 제자리 비행과 sideslip, 제자리 회전 등의 기동이 가능하기 때문에 군사적 목적 뿐 아니라 민간 분야에서도 다양하게 활용될 것으로 기대된다. 무인기 개발이 가속화 되는 시점에 맞춰, 무인 VTOL 기체에 대한 연구 개발도 활발히 진행 되고 있다. 특히 무인 VTOL기의 해안 및 해상에서의 다양한 활용이 기대되는데, 더욱 효율적인 운용을 위해서 자동 함상 이착륙 기술이 필수적이다.
본 논문에서는, 자동 함상 착륙 시스템을 위한 유도 법칙과 제어기를 설계한다. 착륙하려는 함상과 무인기의 Sensor를 이용하여 서로의 상대 위치를 파악하고, 이를 바탕으로 상대 바람의 속도와 방향을 고려하여 4단계의 착륙 모드를 구분한다. 구성된 유도 법칙은 자동 함상 착륙을 위한 기체의 속도 U, V, W, 그리고 heading 를 생성한다.
유도 법칙으로부터 생성된 제어 입력은, 착륙 지점인 ship을 기준으로 한 명령값이다. 그렇기 때문에 함상과 무인기에 대한 서로 다른 frame을 정의하고, 그 frame간의 자세 값을 Euler angle로 정의하여 사용한다. 실질적으로 비행체의 제어를 위해 제어기가 필요로 하는 값은 비행체의 자세에 따른 body frame을 기반으로 한 명령값이기 때문에, transformation matrix를 통하여 속도 벡터를 변환, 제어기로 넘겨주게 된다.
자동 함상 착륙을 위하여 구성된 제어기는, 적응 제어 기법의 한가지인 시간 지연 제어기를 기반으로 한 PD 제어기와의 혼합 제어기이다. VTOL기체는 수직 이착륙을 위해 로터를 사용하고, 이로 인한 복잡성과 전진 속도에 의한 모델 변화 등에 의해 모델의 불확실성을 수반한다. 이를 보완하고 안정적인 제어가 가능하도록 하기 위해서 본 논문에서는 시간 지연 제어기에 대해 살펴보고 제어기를 구성하였다. 하지만 시간 지연 제어기와 고전 PD 제어기는 각각의 서로 다른 장점을 갖기 때문에, 이를 혼합하여 TDC+PD제어기를 사용하도록 한다.
자동 함상 착륙 시스템은 유도 법칙과 혼합 제어기를 기반으로 구성된다. 구성된 시스템은 X-Plane 기반 시뮬레이션을 통하여 검증한다. 시뮬레이션을 통해 기존 PD제어기와 구성된 혼합 제어기를 비교, 그 성능을 확인하고, 반복된 시뮬레이션을 통해 구성된 시스템의 정확성을 확인한다. 서로 다른 다양한 VTOL 기체에 대하여 알고리듬을 적용하고 그 착륙 특성을 확인한다. Navy procedure를 바탕으로 구성된 유도 법칙은, 외부 측풍이 존재하는 시뮬레이션 환경에도 안정적이고 성공적인 착륙을 수행함을 확인하였다.
마지막으로, 구성된 알고리듬을 검증하기 위한 단일 로터 방식의 무인 수직이착륙기를 구성하였다. 동체와 자동비행제어장치, 그리고 지상국을 구성하였다.
설계된 자동 함상 착륙 시스템은, 미래에 있을 무인 VTOL기에 대한 수요에 있어 필수적인 기술이 될 것으로 판단된다.
