Although unmanned aerial vehicle (UAV) technology is the subject of extensive research, this technology can still only be applied to existing aircraft with changes to the hardware and software required. However, there are needs for converting existing aircrafts to unmanned aircrafts in a short time for disaster area because developing a new UAV costs a lot of money and time. Currently, auto pilot is built in some existing aircrafts, but auto pilot itself is not able to perform any mission due to the limited authority of the auto pilot. Also, optionally piloted vehicle (OPV) is developed recently, but OPV requires too much actuators and is platform dependent. Therefore, an unmanned system in which a humanoid robot acts as the pilot is proposed for use in converting existing aircraft into unmanned aircraft with minimal modifications.
Hardware architecture is designed and implemented as to have humanoid features. Degrees of freedom (DOF) is concentrated on arms of the pilot robot because most of the work is to manipulate cockpit with hands. The legs are designed to have 3 DOF which is the minimum DOF to manipulate pedal. Workspace analysis is done to design legs and check if workspace is covering all the cockpit environment. Electronics, such as computing, networking, and power sources, are selected and implemented to meet the performance of actuators.
Software architecture is designed based on flight procedures approved by FAA and cockpit configuration defined with transformation matrix. The algorithm is forming a feedback control loop combining line-of-sight (LOS) guidance, PID control, and position control of the manipulator. Waypoint planning which is the main stream of the control loop is designed based on the flight procedures.
Flight simulation using X-Plane and flight motion simulator is performed to verify the performance and feasibility of the pilot robot. The model of aircraft is Comanche PA-24 and the flight scenario is take-off at Yeosu airport and landing on the same airport. As a result, the pilot robot operated the aircraft successfully following the flight scenario and showed the possibility of converting existing aircraft into unmanned aircraft using a pilot robot.
현존하는 무인항공기 기술을 기존의 유인 항공기에 적용시키기 위해서는 하드웨어적인 개조가 불가피하다. 그 개조는 적용시키는 기체의 종류에 따라 달라지며 항공기의 여러 부분에 대해서 개조를 해야한다. 따라서 그 비용과 시간이 많이 들어가며 기체에 한번 설치되면 다른 기체에 적용하기 위해서는 또 다른 개조를 해야하는 번거로움이 있다. 그럼에도 불구하고, 재난이 발생 했을 시에는 기존의 항공기를 무인화 시켜 작전에 투입해야 할 필요성이 있다. 따라서 본 연구는 최소한의 개조로 짧은 시간에 기존의 항공기를 무인화시키는 기술로서, 조종사 로봇을 개발하고 제어 알고리즘을 설계했다.
하드웨어 설계는 기본적으로 휴머노이드 형태를 바탕으로 했으며 로봇의 자유도는 대부분 팔에 집중되어 있다. 그 이유는 항공기를 조종하기 위해서는 대부분 손으로 조종간 또는 스위치를 조작하기 때문이다. 다리는 페달을 움직이기 위해서 최소한의 자유도인 3 자유도를 가지도록 설계했으며, 다리 길이는 작업공간이 페달을 포함하도록 설계 되었다. 전기 및 전자 장치는 조종사 로봇의 구동기 사양에 맞도록 구성되었다.
소프트웨어는 FAA에서 승인된 항공기 운항 매뉴얼과 조종석 환경을 변환 행렬로 정의하는 것을 바탕으로 설계되었다. 프로그램의 큰 틀은 하나의 closed loop을 형성하여 매 loop 마다 항공기의 상태를 받아와서 제어하게 된다. 비행 유도법칙은 LOS 기법을 사용했으며, 제어기법은 PID 제어를 사용했다. 매니퓰레이터는 위치제어를 통해서 조종간 및 스위치를 작동했으며 역기구학의 해를 구하기 위해 Lie Group Formulation 을 이용했다.
비행 시뮬레이션은 X-Plane 프로그램과 비행 모션 장치를 사용해서 실제 비행 환경과 유사하도록 구성했다. 항공기 모델은 Comanche PA-24를 사용했으며 조종사 로봇을 시뮬레이터에 앉혀서 시뮬레이터를 조종하도록 했다. 여수 공항을 이륙하고 다시 착륙하는 비행 경로를 구성했으며, 성공적으로 비행되었다. 따라서 조종사 로봇을 이용하여 기존의 유인 항공기를 무인화 시키는 기술을 시뮬레이션 상에서 검증할 수 있었다.
