드론과 UAM 적용
FSC 연구 및 검증사례 1 : Control Fail
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드론과 UAM의 Control Fail
비행 중 예기치 못한 환경 변화, 외란 또는 제어 한계로 인해
기존 제어 로직이 정상적으로 대응하지 못하는 상황입니다.
Control Fail이 발생하면 비행 불안정, 경로 이탈, 장애물 회피 실패로
이어져 임무 중단이나 안전 위험을 초래할 수 있습니다.
적용 1. 비행제어기 / Flight Controller
적용 1. 비행제어기 / Flight Controller
1) Flight Controller
Flight Controller(비행제어기)
드론과 UAM의 비행 상태를 실시간으로 판단하고
안정적인 비행을 유지하도록 제어하는 핵심 장치
2) Flight Controller 고장영향
고장 치명도 1단계: 비행 성능 저하
- 일부 제어 기능의 성능이 저하되어 자세 흔들림
- 경로 추종 오차, 고도 유지 성능 저하 발생
고장 치명도 2단계: 비행 불안정
- 정상적인 자세제어가 어려워져 경로 이탈 발생
- 장애물 회피 실패, 비행 불안정 위험
고장 치명도 3단계: 제어 상실
- 기체 제어 불능 및 추락 위험
3) Flight Controller 고장원인
제어기 회로 과전류, 소자 손상, 전원공급 차단 등
재밍(통신 장애), 예기치 못한 비행환경 및 출력변화에 의한 과열 등
드론 Flight Controller 구성
4) Flight Controller - FSC 적용 효과
효과 1: 신속한 제어기 고장 극복
- 제어기 이상 상태 감지 후 안전한 제어 로직으로 전환
효과 2: 정상성능 유지 및 비행안정성 회복
- 고장으로 변화된 시스템에 적합한 자세 및 경로 안정성 회복
효과 3: 안전한 비행 지속 가능
- 제어이상 상황에서도 비행제어 유지
- 경로 이탈 및 추락 위험을 줄이고 임무 지속 지원
5) 선행연구
지능형 쿼드로터(UAV)를 위한 호버링 및 IT융합 스마트 제어 요소기술 개발
(포항산업과학연구원(RIST), 포스코, 2015)
지능형 쿼드로터(UAV) 드론 스마트 제어 기술 개발
지능형 쿼드로터의 자세/고도/경로를 안정적으로 제어하기 위한
스마트 비행제어 기술을 개발
쿼드로터의 동특성 해석 및 모델링을 기반으로 드론에 최적인 제어 로직을 설계 및 개발 후 적용하여, 협소한 실내 환경에서도 정밀한 자세 및 고도 제어가 가능하도록 구현
비전센서 기반 영상처리와 경로 추종 제어를 적용하여 바닥의 지정 경로를 인식하고 자율 추종하도록 구현했으며, 실제 외부 도로나 건물 내 복도와 같은 제한된 경로에서 추종 비행 임무의 수행
가능성을 실증 시연을 통해 확인
적용 2. 액추에이터 추진력 제어시스템
적용 2. 액추에이터 추진력 제어시스템
1) 액추에이터 추진력 제어시스템
드론, UAM의 비행 명령에 따라 액추에이터(모터)와 프로펠러의 회전속도 및 출력을 제어하여 필요한 추진력을 조절하는 시스템
2) 액추에이터 추진력 제어시스템 제어기 고장영향
고장 치명도 1단계: 추진 성능 저하
- 제어 명령의 지연, 일부 액추에이터(모터) 출력 오차 발생
- 추진력 편차에 의한 제어 응답성 저하 및 비행 성능 저하
고장 치명도 2단계: 자세 및 궤적 불안정
- 액추에이터(모터) 간 추진력 불균형
- Roll/Pitch/Yaw 자세 불안정 발생가능
- 고도 변화 및 경로 이탈 발생 가능
고장 치명도 3단계: 추진 제어 상실
- 비행 자세 제어 상실 및 추락 위험
3) 액추에이터 추진력 제어시스템 제어기 고장원인
제어기 회로 과전류, 소자 손상, 전원공급 차단 등
재밍(통신 장애), 예기치 못한 비행환경 및 출력변화에 의한 과열 등
드론 액추에이터 추진력 제어시스템
4) 액추에이터 추진력 제어시스템 - FSC 적용 효과
효과 1: 신속한 제어기 고장 극복
- 제어기 이상 상태 감지 후 안전한 제어 로직으로 전환
효과 2: 추진력 보상 및 제어 안정성 회복
- 고장으로 변화된 시스템 상태에 맞게 추진력을 재분배·보상
- 자세와 비행 안정성 회복 지원
효과 3: 안전한 비행 지속 가능
- 추진력 이상 상황에서도 자세/고도/경로 제어 유지
- 추락 위험을 줄이고 안전한 비행 지속 지원
5) 선행연구
Fail-safe기반 HS(Horizontal Separation)듀얼모터 시스템 개발
(한국연구재단(NRF), 2021-2022)
추진력 재분배 기반 Fail-Safe 제어 기술 개발
액추에이터(모터) 및 프로펠러의 성능 변화에 대응하여 드론의
추진력을 실시간 재분배하는 Fail-Safe 제어 기술을 개발
HS형 듀얼모터인 FSM과 프로펠러로 구성된 드론 추진시스템에 모터 회로 일부 고장을 주입하여 추진력 불균형 고장상황 극복
고장 발생 시 FSC가 변화된 추진 상태에 맞춰 부족한 추진력을
최적 제어로 보상 및 재분배하고, 드론 기체의 자세 안정성 회복
이를 통해 액추에이터 고장 상황에서 FSC의 추진력 보상 및 비행 안정화 성능을 시연을 통해 검증
적용 3. 장애물 회피 및 경로 제어 시스템
적용 3. 장애물 회피 및 경로 제어 시스템
1) 장애물 회피 및 경로 제어 시스템
드론, UAM이 비행 중 주변 장애물과 비행환경을 인식하고,
안전한 이동 경로를 생성 및 추종하도록 제어
2) 장애물 회피 및 경로 제어 시스템 제어기 고장영향
고장 치명도 1단계: 경로 추종 성능 저하
- 제어 응답 지연, 경로 계산 오차 발생
- 오차로 인한 경로 추종 오차 증가 및 비행 정확도 저하
치명도 2단계: 경로 이탈 및 회피 실패
- 정상적인 경로 계획, 제어가 어려워져 지정 경로 이탈
- 장애물 접근 및 회피 기동 실패 발생
치명도 3단계: 충돌 및 비행 안전 상실
- 잘못된 경로 비행 중 장애물과 충돌 및 추락 위험
3) 장애물 회피 및 경로 제어 시스템 제어기 고장원인
제어기 회로 과전류, 소자 손상, 전원공급 차단 등
재밍(통신 장애), 예기치 못한 비행환경 및 출력변화에 의한 과열 등
장애물 회피 및 경로제어 시스템
4) 장애물 회피 및 경로 제어 시스템 – FSC 적용 효과
효과 1: 신속한 제어기 고장 극복
- 제어기 이상 상태 감지 후 안전한 제어 로직으로 전환
효과 2: 안전 경로 재계획 및 회피 제어
- 예기치 못한 장애물이나 환경 변화에 따라 안전한 회피 경로를 재계획
- 최적의 제어 로직을 적용해 충돌을 방지
효과 3: 안전한 경로 복귀 및 비행 지속
- 장애물 회피 후 안정적인 비행 상태와 목표 경로로 복귀하도록 제어
- 경로 이탈 및 충돌 위험을 줄이고 임무 지속을 지원
5) 선행연구
촬영용·환경감시용 / 경주용·레저용 / 자동차용 / 건물경비용 드론
(창업진흥원(KISM), 2017-2018)
기체 변형 기반 장애물 회피 및 비행 제어 기술 개발
비행 중 전방 장애물과 협소한 통로를 인식하고, 기체 형상을
능동적으로 변형하여 충돌을 회피하는 비행 제어 기술을 개발
실제 비행환경을 모사할 수 있는 비행 실험장치를 구축하고,
장애물과 협소한 공간 등 다양한 예기치 못한 환경 변화를 구현
이를 기반으로 환경 인식 → 기체 변형 → 회피 경로 제어 → 안정 비행으로 이어지는 제어 기술을 구현
실제 비행 시나리오별 시연을 통해 동적 기체 변형을 활용한
장애물 회피 및 변화된 비행조건에서의 제어 성능을 검증
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