Flight test of aircrafts is one of important parts for design process of flight control systems and those flight control systems enable aircrafts to carry out their mission successfully. For large size aircrafts, many portion of flight tests are conducted with scaled down Unmanned Air Vehicle (UAV) models to reduce devel-opment hours and costs. However, flight tests of UAVs are always performed with the concern of possible crashes and weather condition so that there has always been a demand for new flight test environment for design of flight control systems of UAVs. Magnetic Suspension and Balance System (MSBS), which has been employed only for sting-free aerodynamic coefficient measurement during wind tunnel test, can take its new possibility for the development of a new free flight test rig. MSBS can levitate an experimental model, which has permanent magnets inside, using magnetic forces and moments generated by electromagnets. For the verification of the proposed idea, an MSBS with a 30 cm x 30 cm test section is developed. This study pre-sents a safer and more efficient way to conduct free flight tests using the developed magnetic levitation de-vice. The MSBS control system can be adjusted to remove magnetic constraint forces or moments for certain DOFs of the model, so that an experimental model inside the MSBS can move freely along that DOFs. At the same time, the removed magnetic constraint forces or moments can be regenerated when the position or atti-tude of the model changes beyond designated ranges. In this way, the model can be exposed to free flight conditions for those DOFs while its falling is prevented even if the model has inherently unstable dynamics. This is the basic idea for the safety guaranteed flight test environment which we named the “Pseudo Flight Environment (PFE)”. The PFE allows us to conduct some iterative free flight tests to tune the flight control system in a safe way. It is important to note that synthetic force or moment can be applied on the MAV model under the PFE for quantitative evaluation of the flight control system because the magnetic forces and moments of the MSBS can be generated at will. This is another unique feature of the PFE which cannot be obtained through existing wind tunnel tests with mechanical type balances or real flight tests. The advantages of the proposed idea are experimentally demonstrated with a MAV model.
비행체가 주어진 임무를 성공적으로 수행하기 위해서는 비행체의 안정성을 확보해주는 제어시스템의 탑재가 필수적이며, 이러한 비행체 제어시스템의 성능 평가는 많은 부분이 비행시험을 통해 이루어진다. 크기가 큰 비행체의 경우, 실물 크기의 비행체 비행시험에 소요되는 시간과 비용을 절약하기 위해, 축소된 크기의 무인비행체 모델을 이용하여 비행시험을 충분히 수행함으로써 비행체의 비행동역학적 특성에 관한 다양한 정보를 획득한다. 하지만 비행시험은 비행체 제어시스템이 불안정할 경우 추락의 위험이 있으며, 날씨와 장소 등 주변환경에 의한 제약을 많이 받는다. 불안정한 비행체의 자유비행시험 도중 발생할 수 있는 추락의 위험을 줄이기 위해서는 비행체의 상태변수가 불안정해지는 순간에 기계적 접촉 없이 비행체를 공중에 부양시키는 것이 가능해야 할 것이다. 제안된 아이디어를 구현하기 위해, 자기력 및 자기모멘트를 이용하여 기계적 지지장치 없이 영구자석이 내장된 실험 대상체를 풍동 시험부 내에 부양시키는 것이 가능한 자기부상풍동을 개발하였다. 개발된 자기부상풍동의 주요 특징 중 하나는 생성되는 자기력 및 자기모멘트의 크기를 자유자재로 조절할 수 있다는 것이다. 이러한 장점을 활용하여 시험부 내에서 안전이 보장된 상태로 비행체를 자유비행 조건에 노출시키는 것이 가능한 “유사비행환경”을 구현하였다. 한편 자유자재로 조절되는 자기력 및 자기모멘트는 비행체의 추락 방지를 위한 구속력으로 작용할 수 있을 뿐만 아니라 비행체 제어시스템의 성능 평가를 위한 정량적인 외력으로 작용할 수 있는데 이는, 기존의 기계적 지지장치를 활용한 풍동시험 혹은 비행시험을 통해서는 구현하기 어려운, 유사비행환경의 특별한 기능 중 하나이다. 본 연구에서는 구현된 유사비행환경의 장점을 효과적으로 검증하기 위해, 유사비행환경 안에서 본질적으로 불안정한 무인비행체 모델의 제어시스템에 다양한 제어 알고리즘을 적용해 보고 각각의 경우에 대한 제어 성능을 정량적으로 측정하였다. 안전이 보장된 비행시험을 통해 무인비행체의 파손 위험을 줄이고 조종면 고장, 외부 교란 작용과 같은 불안정한 상황에서의 비행체 제어시스템 성능평가를 반복적으로 수행할 수 있었다.
