항공우주시스템공학회 2019년도 추계학술대회 SASE 2019 Fall Conference

유인헬기의 무인화를 위한 제자리비행 제어법칙 개발

박종근1,†· 문정호2 1대한항공 항공기술연구원

2청주대학교 무인기항공기학과

Development of Flight Control Law at Hovering Flight for the

Conversion Manned Helicopter into Unmanned Helicopter.

Jong-Geun Park1,† and JungHo Moon2 1Koreanair Research and Development Center

2ChungJu University UAV Department

Abstract : 본 논문에서는 유인헬기의 무인화를 위한 비행제어법칙 개발 내용 및 비행시험 결과를 설명

한다. 대한항공 항공기술연구원에서 2014년부터 연구개발을 수행한 MD500 헬리콥터의 무인화 사업을

수행하였으며 지난 7월 성공적으로 무인헬기 제자리 비행을 수행하였다. 본문은 제자리 비행 및 저속

비행 시 일반적인 헬리콥터가 가지는 동역학적 불안정성 및 장주기 운동에 대한 안정성 보강을 위하여

설계된 제어기 구조를 기술하고 제어기의 튜닝 방법 및 분석 결과를 포함한다.

Key Words : Unmanned Helicopter (무인헬리콥터), Flight Control System (비행제어시스템), Control Law

(제어법칙), Flight Test (비행시험)

1. 서 론

최근 무인기 시장이 활발히 커지고 있는 가운데, 무

인기와 더불어 드론 등 무인 회전익기에 대한 관심도

급속히 증가하고 있다. 헬리콥터 및 드론으로 대변되

는 회전익기는 고정익 비행기가 할 수 없는 수직이착

륙 및 제자리 비행이 가능하다는 큰 장점을 가지고 있

다. 이러한 장점에 의해 민간과 군에서 끊임없는 관심

을 받으며 개발이 활발히 진행되고 있는 분야이다. 하

지만, 회전하는 로터로부터 추력을 얻는 태생적 기계

운용 구조의 복잡성으로 고정익 항공기 대비 불안정성

이 높다는 큰 단점을 품고 있다. 이러한 단점을 해결

하고자 현재는 무인 회전익 항공기로써의 방향성을 가

지고 안정성을 높이고 실제 파일럿이 투입되기 위험한

임무 등에 사용될 목적 등으로 기술개발이 활발히 이

루어지고 있다.

†교신저자 ( Corresponding Author )

E-mail: jgeunpark@koreanair.com Copyright Ⓒ The Society for Aerospace System

Engineering

회전익 항공기 개발 흐름에 맞추어 대한항공 항공기

술연구원에서는 2014년부터 MD500 헬리콥터의 무인

화 연구개발을 수행하였으며[1][2] 지난 2019년 7월 성

공적으로 비행을 수행하였다. 본 논문에서는 해당 사

업의 결과물의 일환으로 설계된 유인헬기의 무인화를

위한 비행제어시스템 중 제자리 비행을 위한 비행제어

법칙 개발 결과에 대한 설명 및 비행시험결과를 기술

한다.

2. 비행 제어 법칙

제어법칙은 비행제어컴퓨터(FLCC: Flight Control

Computer)에 탑재되는 OFP(Operational Flight

Program)의 일부로 비행체의 비행 및 임무수행이 가

능한 조종특성을 제공하는 알고리즘이다. 제어법칙의

기능은 기본적인 자세제어를 위한 조종안정성 증강기

능(SCAS) 외에 조종방식에 따라 반자동 모드와 자동

모드로 추가 구분하되 비행관리 기능을 포함하는 등

개발단계에서 세부적으로 정의되어 개발이 수행된다.

무인 헬리콥터의 특성상 외란 상황 등 이상 상황에

서 조종사의 조종을 받아 정상상태로 돌아갈 수 없기

때문에 헬리콥터의 동특성 파악을 통해 정밀한 모델을

도출하고 보다 안정된 제어기를 설계하는 것이 무엇보

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다 중요하다.

본 연구에서는 무인화된 MD500 헬리콥터의 안정적

인 제어를 위하여 ADS-33E를 기반으로 하는 비행요

구조건을 정의하고 수학적 모델링을 통한 시뮬레이션

검증을 충분히 수행하여 이를 검증하였다. 더불어 무

인헬기의 요구조건에 적합한 제어기 성능 최적화를 위

해 CONDUIT을 사용하였으며, 다물체 동역학(Multi-

body dynamics) 기법을 활용한 모델 소프트웨어를 자

체 개발하여 보다 정밀한 수학적 모델을 구성 후 비행

제어법칙 기능 및 성능 검증에 활용하였다.

무인헬기의 자세제어를 위한 조종안정성 증강 기능

은 피치 및 롤 자세제어기 그리고 요 각속도 제어기를

포함하도록 설계 하였다. 이와 더불어 자동착륙 등 비

상모드를 별도로 설계하여 비상 시 비행체의 안전을

확보할 수 있도록 하였다.

Fig. 1 Unmanned Helicopter Pitch/Roll Attitude

Controller Block Diagram

Fig. 2 Unmanned Helicopter Flight Control Law

schematic diagram

3. 비행 시험

시뮬레이션을 통해 확인한 비행제어 시스템의 실제

비행 검증 전 실기체의 비행제어계통 소프트웨어 기능

및 성능검증을 위한 안전줄 비행시험을 수행하였다.

안전줄 비행시험을 통해 먼저 제자리 비행에 적용할

조종안정성 증강 기능의 성능검증을 수행하였으며 이

때 사용한 기능 모드 는 아래 Fig. 3과 같다.

안전줄 비행시험은 먼저 비행체 로터 허브에 연결된

안전줄을 이용한 지상 5m 호이스팅한 후 비행체의

Collective 스틱 명령을 통해 수직방향 5m이내로

Hovering 하며 제자리 비행 중 제어명령에 대한 비행

체 반응 특성을 분석하였다.

Fig. 3 Unmanned Helicopter Control Law

Function Configuration

MD500 무인헬기의 제어법칙 기능 및 성능 검증을

위해 각 롤/피치/요축 별 doublet 명령을 인가하여 도

출된 결과는 아래와 같다.

Fig. 4 Unmanned Helicopter Attitude Control

Flight Test Results

(Top: Roll, Middle: Pitch, bottom: Yaw rate)

Figure 4를 통해 알 수 있듯이 롤/피치/요각속도 제

어기의 대한 성능이 모두 과도응답 없이 조종명령을

잘 추종하고 있음을 확인하였다.

4. 결 론

본 논문에서는 유인헬기 무인화를 위해 설계된 무인

항공기용 비행제어법칙 설계결과 및 비행시험을 통한

기능/성능 검증에 대하여 기술하였다. 조종성과 안정

성을 모두 만족하기 위하여 설계한 조종안정성 증간

기능의 설계를 통해 실제 비행시험에서 조종명령에 대

한 안정적 추종성능을 확인하였으며 실제 제자리 비행

을 성공적으로 수행하였다.

본 논문에서 기술된 MD500 무인헬기의 비행제어법

칙은 현재 무인헬기 2단계 개발을 위한 바탕 기술로

사용되고 있으며 이를 활용하여 기동형 비행제어법칙

개발에 기초자료로 활용할 예정이다.

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참 고 문 헌

[1] 장지은, 박문수, 이철, “500MD 유인헬기의 무인

화를 위한 자동비행 제어법칙 설계,” 한국항공우주

학회 2016 추계 학술대회 발표집, vol. 1, pp. 912-

914, Nov. 2016.

[2] J.G. Park, “Model Following Control For MD500

Helicopter”, ICAS2016, Sep. 2016

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