1. 서론
최근 무인 항공기는 국방, 해양, 산림 등 다양한 현장에서 활용도가 증가함에 따라 무인 항공기 배치에 있어 자율성이 요구되고 있다.
다양한 현장 환경 중 경사지거나 고르지 않은 지형 및 해상에서 무인 항공기는 추력이 항상 수직인 회전익 물리학 때문에 안전하게 착륙할 수 없다[1,2]. 그러므로 무인 항공기가 착륙 시, 스테이션 착륙면이 수평을 안정적으로 유지하지 못하면 로터 중 하나가 스테이션에 부딪혀 무인 항공기의 치명적인 파손을 발생시킨다[3, 4, 5]. 이러한 문제를 해결하기 위하여 수평 유지 시스템의 관련 연구들은 스튜어트 플랫폼과 짐벌 형태 구조로 진행되고 있다. 스튜어트 플랫폼은 유니버셜 조인트와 선형 액츄에이터의 조합으로 구성되어 있으며, 조인트의 길이 변화에 따라 다양한 자세 제어를 통해 수평 유지를 수행한다[6, 7, 8, 9]. 또한 2-DOF 기반 짐벌 구조를 모바일 플랫폼에 적용하여 스테이션 패드 기울기에 대한 수평을 유지하는 플랫폼을 제안하였다[3, 4].
기존의 수평 유지를 위한 스튜어트 플랫폼 연구 사례 중 대부분은 다자유도 기반 선형 액추에이터와 유니버셜 조인트 조합을 통하여 수평 유지를 하고 있으며 다양한 문제점이 존재한다. 첫째, 대형 무인항공기가 임무 수행을 위해 도입이 될 경우 자중에 의한 큰 하중이 작용되기 때문에 수평 유지 플랫폼의 부피가 증가하여 협소 공간에 설치할 수 없으며 공간의 제약이 존재한다. 둘째, 자세 제어 중 Roll axis가 일정 각도 이상 회전하면 Pitch axis이 평면 위에 유지하여 간섭이 발생할 수 있기 때문에 위치 제어가 복잡하게 된다. 또한 스테이션 패드의 크기 혹은 공간 제약으로 인해 액츄에이터의 위치가 변경되면 제어 또한 변경되는 문제가 발생한다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 새로운 개념의 수평 유지 시스템이 필요하다.
본 연구에서는 Fig. 1과 같이 해상 모빌리티에서 해양 경비 임무 수행 중의 무인 항공기가 주항 중인 선박에 안정적으로 이착륙 할 수 있는 수평 유지 스테이션 시스템의 기술 개발을 목표로 하고 있다. 핵심 기술은 하이브리드(가솔린, 배터리) 드론 기술을 통한 120분 동안 안정적인 임무 수행과 이미지에 대한 IR마커 인식을 통한 정밀 이착륙 기술, 해상 모빌리티 주항 중 무인항공기가 안전하게 이착륙할 수 있는 수평 유지 스테이션 시스템 개발을 진행하고 있다.
Fig. 1 Bevel gear-based leveling station system in offshore mobility
본 논문에서는 해상 모빌리티에서 안정적으로 정밀 이착륙이 가능한 수평 유지 스테이션시스템의 개념 설계안에 관하여 소개하고자 한다. 개념 설계안은 공간 제약에 무관하게 설치 가능하며 강성이 확보된 구조 및 단순 제어 시스템으로 구성된다. 구성된 시스템은 베벨 기어 기반으로 2자유도인 Roll 및 Pitch axis에 대해 자세 제어가 가능하고, 정밀도와 재현성이 매우 높은 장점을 갖고 있다. 또한, 시스템의 구조적인 관점에서의 가장 큰 특징은 충분한 강성이 확보되었기 때문에 다양한 크기 및 중량의 무인 항공기의 착륙 시 스테이션 패드 교체만을 통해 구성할 수 있다. 스테이션 패드는 강성이 확보되고 경량화 소재인 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic; CFRP)를 적용하였으며 홀 생성부를 통해 해상에서 이동 시 공기 저항에 의한 하중 영향을 최소화하기 위한 구조로 구성되어 있다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 해상 모빌리티에서의 베벨 기어 기반 2-DOF 수평 유지 스테이션의 시스템 구성에 대하여 다루었고, 3장에서는 무인 항공기의 착륙 시 수평 유지 스테이션 시스템의 운용 시나리오 기반 편하중에 따른 시스템의 기구부의 구조적 안전성 평가와 하드웨어 구성에 대하여 설명하였다. 마지막으로 본 연구의 결론과 향후 계획에 대해서 설명한다.
2. 베벨 기어 기반 수평 유지 스테이션의 시스템 구성
본 연구에서의 베벨 기어 기반 수평 유지 스테이션은 Fig. 2와 같이 구성되어 있으며, 시스템의 특징은 다음과 같다.
Fig. 2 System configuration of bevel gear-based leveling station
첫째, 시스템의 자세 제어는 X축 중심 회전 운동(Rolling motion)과 Y축 중심 회전 운동(Pitch motion)을 발생하는 롤 피치부와 스트레이트 베벨 및 피니언 기어타입 기반의 메커니즘을 적용하여 수평을 유지할 수 있다. 스트레이트 베벨 기어타입의 적용 목적은 모터로부터 전달되는 구동 토크에 대해 전달하는 토크가 크고, 베벨 기어 중 가장 간단하며 제작비가 적게 소요된다. 구성된 기어의 감속비는 약 2.57:1이다. 둘째, 스테이션 패드는 선박 혹은 차량의 이동 시 공기 저항을 최소화하기 위한 홀이 있는 구조로 구성되어 있으며, 강성이 확보된 경량 소재인 CFRP를 적용하였다. 또한 홀 생성부는 양력 증가 또는 항력 감소 작용을 수행하는 지면 효과(Ground effect)를 나타내어 드론의 안정적인 착륙에 쿠션 작용을 하여 수직 안전성을 제공한다. 셋째, 스테이션 패드와 기구부의 체결 및 지지부는 드론의 크기에 따라 다양한 크기의 스테이션 패드 교체의 용이성을 확보하기 위한 구조로 구성되고, 구조적 안전성을 확보하기 위해 스테이션 패드의 지지 역할을 포함한다. 넷째, 스페리컬 조인트 기반의 에어 실린더는 선박 주항 시 모터 부하에 역토크 발생을 저감시키고, 드론 착륙 시 스테이션 패드의 충격 완화 및 이동 한계를 설정할 수 있다. 또한, 선박이 파고에 따라 스테이션 패드가 수평을 유지할 때 댐퍼 역할을 하여 패드의 피로도를 감소시킨다. 다섯째, 선박에 수평 유지 스테이션 시스템을 설치 시, 선박과 시스템의 초기 평형 상태를 유지하기 위해 각도 조절이 가능한 메커니즘으로 구성하였다. 마지막으로 출력 공급을 위한 모터부는 구동을 위한 상부 전체 중량은 약 87.498kg이며, 정적 및 동적 토크를 포함하여 요구되는 구동 토크는 약 80.475N·m이며, 충분한 구동 토크를 확보하기 위해 2개로 구성된다. 또한, 로터리 마그네틱 엔코더는 수평 유지를 위한 모터의 출력을 모니터링하기 위해 타이밍 벨트 및 풀리로 연결되고, 부착되는 AHRS 센서의 데이터와 연동하여 전체 시스템의 수평 유지를 수행한다. 엔코더는 비접촉식으로서 유지관리가 불필요하고 잠재적으로 무한한 내구성을 가진다. 또한 충격이나 진동이 심한 환경과 같은 외부 환경인 해상에서 사용되는 수평 유지 스테이션 시스템의 특성에 적합하다.
3. 구조 안전성 평가 및 제어 시스템 구축
3.1 기구부의 구조 안전성 평가
본 절에서는 베벨 기어 기반 수평 유지 스테이션 시스템의 구조적 안전성을 확보하고, 이를 상세 설계에 반영하기 위해서 상용소프트웨어인 Altair HyperWorks 2021을 활용하여 구조 해석을 수행하였다. 베벨 기어 기반 수평 유지 스테이션 시스템의 기구부는 Roll과 Pitch의 자세 제어를 통해 무인항공기인 드론의 안정적인 착륙을 위해 운용된다. 그러나, 수평 유지 스테이션 시스템의 운용 제어 중 시스템의 양 끝단에 드론 착륙 시 자중에 의한 모멘트가 발생하여 최대 하중이 작용한다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 운용 시나리오 기반 해석 조건을 고려하여 수평 유지 스테이션 시스템의 기구부에 대한 구조적 안전성을 확인하였다.
수평 유지 스테이션 시스템은 드론의 안정적인 착륙을 위해 다양한 하중 조건이 존재한다. 하중 조건은 1) 이동 시 스테이션 패드의 공기 저항에 대한 하중, 2) 바람에 의한 풍하중, 3) 드론의 불안정한 착륙 시 발생하는 충격 하중 등이 있다. 이러한 하중의 영향을 최소화하기 위해 수평 유지 스테이션 시스템은 스테이션 패드의 구조적 설계와 자세 안정화 시스템인 스페리컬 조인트 기반 에어실린더가 고려되었다. 이에 시스템의 구조적 안전성은 크게 영향을 받지 않기 때문에 본 해석 조건에 고려하지 않았다.
본 연구에서 고려된 하중 조건은 자세 제어 중 드론이 기구부 양 끝단에 착륙 시 최대 하중이 작용하는 조건에 대해서만 구조적 안전성 평가에 고려되었다. 다음 Fig. 3은 본 수평 유지 스테이션 시스템 기구부의 구조 해석에 고려된 하중 및 경계조건을 나타낸다. 하중 조건은 1) Roll, 2) Roll과 Pitch의 혼합 3) Pitch에 대한 3가지 자세 제어 운용 시나리오 기반으로 드론이 착륙 시 기구부에 자중에 의한 모멘트가 발생하는 편하중을 고려하였다. 편하중은 기구부의 중심부로부터 약 500mm 떨어진 부분에 드론의 중량(드론 자체 중량 및 휘발유 포함)과 스테이션의 중량이 고려된 40kg의 자중을 고려하였다. 경계 조건은 메인 프레임에 시스템의 기구부가 고정되어 자세 제어를 수행하기 때문에 기구부의 지지부에 All-Fixed 조건을 부여하였다. Table 1은 해석에 적용된 물성치를 나타내며, 기구부에 적용된 재질인 오스테나이트계 스테인리스강인 SUS316을 적용하여 구조적 안전성을 평가하였다.
Fig. 3 Boundary and loading conditions
Table 1. Material properties of SUS 316
수평 유지 스테이션 시스템의 기구부의 모델은 실제 하중이 작용되는 부분에 대한 유한요소모델을 확보하고, 구조적 안전성을 평가하기 위해 Altair HyperWorks 2021에서 정적해석을 수행하였다. 해석은 운용 시나리오 기반 편하중 작용 위치에 따른 3가지 해석조건에서의 최대 응력을 확인하였다. 구조 해석 결과는 Fig. 4와 같으며, 편하중이 작용되는 위치에 따라 공통적으로 스테이션 지지부와 연결되는 상부 기구부에서 약 98.577MPa인 1차 최대 응력이 발생하였으며, 상대적으로 다른 부분에 비하여 구조적으로 가장 취약함을 나타낸다. 이는 상부 기구부에서 Roll과 Pitch에 대한 자세 제어를 수행하고, 드론 및 스테이션 패드, 스테이션 지지부 등의 자중에 의한 모멘트에 가장 큰 영향을 받기 때문에 상부 기구부의 모서리 부에서 최대 응력이 발생하는 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 3가지 운용 시나리오에 대해 설계 시 고려한 재질인 SUS 316의 항복 강도인 215MPa를 고려할 때, 응력 관점에서 기구부는 안전성이 고려된 설계로 판단할 수 있고, 안전계수는 약 2.0 이상을 확보하였다.
Fig. 4 Structural analysis results for the loading conditions
3.2 제어 시스템
베벨 기어 기반 2-DOF 수평 유지 스테이션의 주요 하드웨어 구성요소는 Fig. 5와 같으며, 상태 모니터링 및 데이터 로깅을 위한 상위 제어 시스템, 센서 데이터 습득 및 모터 제어를 위한 하위 제어 시스템으로 구성되며 해상 파형 감지 및 수평 유지를 위한 센서와 모터를 포함한다. 상위 제어 시스템은 스테이션의 제어 및 상태를 확인하기 위한 UI(User Interface)와 전원공급 및 통신을 위한 주변장치로 구성된다. 개발된 UI는 측정되는 해상 파형의 자세 정보와 이를 통한 제어되는 모터 정보에 대한 실시간 확인이 가능하면 하위 제어 시스템으로부터 전달되는 데이터에 대한 로깅 기능을 포함한다. 하위 제어 시스템은 스테이션의 실시간 제어를 위하여 통합형 임베디드 제어기를 개발하였다. 해상 파형에 대한 Roll, Pitch, Roll과 Pitch의 혼합과 같은 데이터 습득을 위한 센서 인터페이스, 2-DOF 제어를 위한 모터 드라이버와의 통신 인터페이스, 상위 제어 시스템과 통신을 위한 이더넷 통신 인터페이스로 구성된다.
Fig. 5 Control system of bevel gear-based leveling station
상위 제어 시스템과 하위 제어 시스템은 UDP 프로토콜 기반의 이더넷 통신 또는 CAN(Controller Area Network)통신을 통해 데이터를 송수신 할 수 있으며, 하위 제어 시스템에 적용된 USART, CAN, SSI 등 다양한 통신 인터페이스를 통해 센서 데이터 습득 및 모터 제어가 가능하다. 선박에 설치하여 해상 시험을 위하여 12VDC 40VA의 배터리 4개를 적용하였고, 직·병렬 연결을 통해 공급되는 24VDC 전원은 내부 레귤레이터를 통해 3.3VDC, 5VDC, 12VDC 변환되어 사용된다.
수평유지 제어는 스테이션 패드 중심부에 AHRS센서를 부착하여 Roll, Pitch의 각도를 측정하게 된다. 측정된 각도는 입력된 수평값과 비교하여 오차값을 제어기에 입력하게 된다. 입력된 오차는 제어게인(Kp)을 곱하여 출력하며, 출력된 값은 모터로 전달되어 스테이션 패드의 각도를 실시간으로 변경하게 된다. 변경된 스테이션 패드의 각도는 AHRS 센서에서 재측정이 되어 피드백(feedback) 제어가 이루어진다. Fig. 6은 스테이션 패드의 자세 제어기반 블록 다이어그램이다.
Fig. 6 Control algorithm based on leveling controller of UAV station pad
4. 결론
본 논문에서는 무인 항공기가 임무 수행 중 이동하는 해상 모빌리티 스테이션에 이착륙하기 위한 수평 유지 스테이션의 구조를 제안하였다. 스테이션 패드의 수평 유지를 위한 중심축은 베벨기어 2-DOF 기반으로 Roll 및 Pitch axis 자세 제어가 가능한 구조로 설계를 하였다. 그리고 무인 항공기의 이착륙시 하강풍으로 발생되는 쿠션 효과를 줄일 수 있는 홀 구조의 스테이션 패드를 설계하였다. 스테이션 패드의 수평 유지를 위한 위치 제어 알고리즘은 중심축의 AHRS센서를 통하여 패드 각도를 실시간 전송하여 피드백 제어를 통한 수평 자세를 유지할 수 있는 방법을 제안하였다. 제안된 무인항공기 스테이션은 협소 공간 설치 및 패드의 사이즈 변경을 통하여 다양한 크기의 무인항공기가 착륙할 수 있는 구조로 설계가 되었다.
향후에는 무인 항공기 정밀 이착륙 알고리즘과 연계하여 실제 환경에서 수평 유지 스테이션 실험 수행을 통한 알고리즘에 대한 검증을 위하여 소형 선박에 베벨 기어 기반 수평 유지 스테이션을 설치하여 검증 및 분석할 것이다.
사사
본 논문은 과학기술정보통신부의 재원으로 연구개발특구진흥재단-기술사업화 역량강화 사업의 지원을 받아 수행된 연구입니다(No. 1711149760/함상 정밀이착륙이 가능한 장기체공형 드론 및 스테이션 기술 개발).
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