본 글은 다음의 논문을 참고하여 작성하였습니다.
1) Park, S. H., "Autonomous Aerobatic Flight for Fixed Wing Aircraft," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 37, No. 12, 2009, pp. 1217~1224.
2) Park, S. H., and Lee, S. H., "Autonomous Aerobatics Flight Test," Proceeding of the 2011 KSAS Spring Conference, 2011, pp.409~414.
3) Jang, S. A., "Study of Intelligent Pilot Model Based on Basic Fighter Maneuvering for Air Combat Simulation," PhD Dissertation, In-ha University, 2012.
수식 표기 Notation
표적의 위치 RNT, 속도 VNT, 기체의 위치 RNM, 속도 VNM, 기체의 자세 ϕ,θ,ψ이다.
기체 기준 상대 변위와 상대 속도
RTM=RT−RM,VTM=VT−VM
위의 단위 벡터
eRTM=RTM|RTM|,eVTM=VTM|VTM|
기준 단위 벡터 eref에 대한 시선각 벡터
λ=(eref×eRTM)acos(eref⋅eRTM)
시선각 변화율 LOS rate ˙λ
˙λ=(RTM×VTM)||RTM||2
비가속도 A 계산
→A=→a−→g
Body ↔ Navigation
CBN=CϕCθCψ
CBN=[C11C12C13C21C22C23C31C32C33]=[cθcψcθsψ−sθ(−cϕsψ+sϕsθcψ)(cϕcψ+sϕsθsψ)sϕcθ(sϕsψ+cϕsθcψ)(−sϕcψ+cϕsθsψ)cϕcθ]
만약 |sinθ|<1이라면
{ϕ=atan2(C23,C33)θ=−asin(C13)ψ=atan2(C12,C11)
|sinθ|=1 이라면
{ϕ=0θ=asin(C13)ψ=atan2(−C21,C22)
가속도를 이용한 계산을 위해 새로운 좌표축을 정의한다. 이는 z-y 변환만 수행한다.
CTN=CθCψ
유도 법칙 식 정리
추적유도법칙 Pursuit Guidance
aNcmd=kPG(μN×VNm)
비례항법유도 Proportional Navigation Guidance
PPNG : aNcmd=N(˙λN×VNM)
TPNG : aNcmd=N′(˙λN×VNC)
closing velocity, VNc=−eNRTM(eNRTM⋅VNM)
Nav. Const. N′=N|VM|/|VC|
가속도 제어를 위한 중간 연산
기체는 주로 양력으로부터 큰 힘을 얻는다. 그렇다면 양력 벡터를 유도 명령 벡터에 정렬하여 제어법칙으로 하여금 가속도를 발생시키도록 할 수 있다. 비가속도 유도 명령의 좌표계 변환으로부터 롤 각 명령과 가속도(G) 명령을 계산한다. x축 변환(Cϕ)를 하게 되면 롤 자세 명령 계산에 문제가 있기 때문에 틸팅-피치 까지만 한다.
ANcmd=aNcmd−gN
ATcmd=CTNANcmd=CθCψANcmd
{ϕcmd=atan2(ATYcmd,ATZcmd)Gcmd=√(ATYcmd)2+(ATZcmd)2
3D 기동을 위한 횡 축 제어 법칙 설계
일반적인 항공기의 경우 롤 자세를 360도 모두 사용할 일이 없지만, 전투기는 복잡한 기동을 수행하기 위해 다양한 자세를 가지게 된다. 이러한 기동을 유도제어법칙이 수행한다고 할 때, 기존에 사용하던 제어기의 경우 롤 각 명령이 180도를 넘어가는 순간, 이산적인 특성으로 인해 롤 자세가 반대로 돌게 될 것이다. 기존의 PID 피드백 제어기 구조는 다음과 같다.
일반적인 유도제어법칙 구조
유도 법칙(롤 각 명령) -> 롤 각 제어기 -> 동역학
??→ϕcmd−Gϕ→δa
eϕ=ϕcmd−ϕ,−180∘<ϕcmd,ϕ≤180∘
롤 각 제어기에서 롤 각 오차 eϕ에서 180도를 넘어갈 경우, 롤 각 오차가 크게 튈 것을 예상할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 롤 각 명령 ϕcmd과 롤 각ϕ 사이의 끼인 각을 ˜ϕ라 할 때, R끼인 각 ˜ϕ를 줄이기 위해 다음과 같은 제어법칙을 구성할 수 있다.
유도제어법칙 구조
유도 법칙(롤 각 명령) -> ˜ϕ 연산-> 롤 각속도 제어기
??−→ANcmd−ϕcmd−˜ϕ−Gp→δa
˜ϕ의 계산
다음의 의사 코드 Pseudo Code에 따라 계산한다. eϕ=ϕcmd−ϕ ˜ϕ=eϕ−2π elseif eϕ<−π else ˜ϕ=eϕ end |
가속도 제한을 고려한 선회 한계 계산
기동평면이 지면과 평행할 때, 균형 선회 가정을 기반으로 선회 한계를 계산 할 수 있다.
Ω=gV√n2−1
선회 반경 한계
Rmin=V2g√n2max−1≈V2gn
예를 들어 30kft에서 9G 하중으로 비행한다고 할 때,
M0.3, Rmin≈114m, V≈100m/s
M0.6, Rmin≈456m, V≈200m/s
M0.9, Rmin≈1026m, V≈300m/s
선회 속도 한계
Ωmax=gV√n2−1
속도 추적유도기법을 사용할 경우, 다음과 같이 계산할 수 있다.
aNcmd=kPG(μN×VNm)
ANcmd=kPG(μN×VNm)−gN
nmaxg=kPG(μVM)−g
각도별로 μ가 달라지므로 조건에 맞추어 계산될 수 있다.
추적유도기법과 비례항법유도를 같이 사용하여 유도명령을 계산할 경우, 추적유도의 각도에 한계가 존재하게 된다.
'G.N.C. > Guidance and Control' 카테고리의 다른 글
PID제어기의 Anti-Windup과 Bumpless Transition (0) | 2021.03.06 |
---|---|
총 에너지 제어 시스템(TECS, Total Energy Control System) (0) | 2021.02.25 |
[논문리뷰] 비기동 표적에 대한 Lyapunov Stability를 이용한 추적유도법칙 설계 (0) | 2020.07.08 |
모델 참조 적응 제어 소개 (0) | 2020.05.05 |
비기동 표적에 대해, 선형 가정 하에서 비례항법유도의 최적 항법 상수 유도 (0) | 2020.04.21 |