In this dissertation, I propose 5 new vector fields, and apply to guidance laws for an aircraft. Primary vector field approaches are constructed by summations of repulsive and attraction vectors to arrive at a desired position without collision with obstacles. Advanced vector field approaches were designed to draw simple trajectories, and the fields were fixed. However, the vector field approaches in this dissertation are extended more, and then it can achieve much more purposes. These approaches can solve path planning and guidance problems, simultaneously with the variable fields. Examples of applications and simulation results verify that these approaches are feasible and useful. The first application is the arrival angle (or impact angle), time (or impact time), and speed control. It can be applied to various missions such as an approach for landing, rendezvous for formation flying or aerial
refueling, and so on. The second application is simultaneous target capture and standoff target tracking with regular spacing among aircraft. When gunships such as AC-130 attacks ground targets simultaneously and from the all sides, the targets could be damaged fatally. The third application is path following. If the vector fields in this dissertation are applied to path following, aircraft can archive more constraints than the previous path following guidance laws based on vector fields, that is, a utilized area of unmanned aircraft might be enlarged. The fourth application is target localization. There are many researches about path planning and a guidance law for target localization; however, optimal problems should be solved in the most cases. The vector fields for target localization is constructed based on the solutions of optimal problem, and they can be applied even in unmanned aircraft with low computational power.
일반적인 유도법칙은 물체의 운동학을 기반으로 각종 제어이론을 통해 설계된다. 요격을 목표로 하는 유도 미사일의 경우 비행경로의 중요성이 떨어지고 빠른 응답속도를 요구하기 때문에 가속도 명령을 주로 생성하게 된다. 하지만 비행을 목표로 하는 항공기의 경우 항로를 따라가는 비행을 주로 하며, 전통적으로 사람이 조종을 했기 때문에 가속도 보다 적분 개념인 속력, 방향, 고도 명령을 따라가는 비행을 한다. 따라서 대부분의 항공기 자동비행장치는 속력 및 자세제어를 목적으로 설계되어 있다. 무인항공기의 경우 이 전통을 따라 유도 법칙 설계 시에 경로를 생성하고 이를 추종하기 위한 속력, 방향, 고도 명령을 생성하는 것이 일반적이다. 본 논문에서는 경로 생성과 유도 법칙의 개념을 통합하면서 특정한 비행 목적을 위한 속력, 방향, 고도 명령을 손쉽게 생성할 수 있는 벡터필드 관점에서 유도법칙을 설계하였다. 벡터를 유도명령에 사용하게 되면 비행할 궤적 예측도 유리하다.
본 논문에서 5 가지 새로운 벡터필드가 제안되었고, 이를 무인항공기 유도법칙 설계에 적용하였다. 일반적으로 벡터필드를 유도법칙에 적용하는 경우를 살펴보면, 도달해야 할 곳에는 당기는 벡터를 구성하고, 피해야 할 곳에는 미는 벡터를 구성하여 이 벡터들의 합을 유도에 사용한다. 이보다 최근 벡터필드를 보면, 직선이나 원 등의 단순한 경로를 추종하는 목적으로 고정된 벡터필드를 설계하였다. 본 논문에서는 이 개념들을 보다 확장하여 초기 상태를 바탕으로 종말요구조건을 만족시킬 수 있는 벡터필드를 형성하고, 유도 과정 중에서 생긴 오차를 제거하기 위하여 벡터필드의 형상을 변형시킨다. 이를 통해 단순한 경로 추종을 넘어서 더 많은 요구조건들을 만족시킬 수 있게 되었다. 즉, 본 논문의 벡터필드를 이용한 유도법칙은 경로계획과 유도법칙의 개념을 모두 포함할 수 있다.
2 장에서는 본 논문에서 사용될 벡터필드들을 전반적으로 소개하였으며, 3 장에서는 경로 길이를 계산하기 위해서 사용될 체비셰브 근사 법을 소개하였다. 4 장에서는 항공기를 원하는 도착지점, 방향, 시간, 속력을 만족시킬 수 있도록 하는 유도법칙에 대해서 소개하였고, 5 장에서는 항공기들을 원형 경로에 동시에 도착시킬 수 있도록 하는 유도법칙과 원형 경로에 도착 후 상호 간격을 일정하게 유지시키는 유도법칙을 소개하였다. 6 장에서는 새로운 벡터필드를 이용해서 간단한 경로 추종에도 적용할 수 있음을 보였으며, 7 장에서는 목표물 위치 추정에 필요한 기동을 벡터필드를 이용하여 최적해에 가까운 추정 성능을 낼 수 있도록 하는 유도법칙을 소개하였다. 8 장에서는 벡터필드 유도명령을 추종하기 위한 속력 및 자세 제어기 구조를 소개하였고, 이를 6 자유도 비선형 소형 항공기 모델을 이용한 시뮬레이션과 실제 비행시험을 통해 검증하였다.
