드론과 UAM 적용
FSM 연구 및 검증사례 3 : Actuator Fail
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드론과 UAM의 Actuator Fail
비행 중 액추에이터 추진력 발생장치에 고장이 발생하여 비행에 요구되는 추진력이나 제어력을 정상적으로 생성하지 못하는 상황
추진력 불균형, 자세 불안정 및 비행 성능 저하가 발생하며, 심각한 경우
비행 제어실패와 추락 위험 발생
적용 1. 소형 드론
적용 1. 소형 드론
1) 소형 드론 종류
레이싱(Racing)/FPV 드론 : FPV용, 고속/고기동
소형 촬영/산업드론 : 촬영/모니터링용, 저진동/고신뢰성
기타 특수목적형 소형 드론 : 군용 등, 고속/저진동/고신뢰성
2) 소형드론용 모터 고장영향
고장 치명도 1단계: 추진 성능 저하
- 모터의 부분적인 출력 저하로 인한 추진력 편차와 비행 성능 저하
고장 치명도 2단계: 자세 불안정
- 모터 간 추진력 불균형이 증가하여 기체 기울어짐
- 회전, 고도 저하 및 경로 이탈 발생
고장 치명도 3단계: 비행 제어실패 및 추락
- 모터가 완전히 정지하거나 추진력을 크게 상실
- 급격한 자세 붕괴와 비행 제어 상실로 인한 추락 위험
3) 소형드론용 모터 고장원인
모터내부 고정자회로 파손, 전원공급 차단 등
고속 회전, 반복적인 가감속 및 높은 부하 변화에 의한 과열, 과전류 등
4) 소형드론 - FSM 적용 효과
효과 1: 모터 고장 즉시 격리
- 고장 영역을 신속하게 차단·격리
- 정상 회로로 고장이 확산되는 것을 방지
효과 2: 추진력 신속 회복
- 모터 출력을 회복하고 추진력 손실을 최소화
- 급격한 자세 불안정을 억제
효과 3: 안정 비행 및 임무 지속
- 모터 고장 상황에서도 필요한 추진력을 유지
- 고장을 극복하여 추락 위험을 줄이고 안정적인 비행과 임무 지속 지원
5) 선행연구
Fail-safe기반 VS(vertical separation) 듀얼모터 및 제어시스템 개발
(한국연구재단(NRF), 2017-2018)
Fail-Safe 기반 VS형 FSM 및 제어시스템 개발
소형 드론의 모터 고장으로 인한 추락 위험을 줄이기 위해 100W급 VS(Vertical Separation)형 Fail-Safe Motor(FSM)와 독립 듀얼 구동 제어시스템을 개발
하나의 모터에 독립적으로 구동 가능한 이중 고정자 구조와 듀얼 드라이브 회로를 적용하여, 비행 중 일부 고정자 또는 구동회로에 고장이 발생하더라도 고장 영역을 신속하게 격리하고 정상 구동부를 통해 추진력을 유지·회복할 수 있도록 구현
일반모터와 FSM에 동일한 고장 조건을 적용한 비교시험에서 일반모터는 추진력 상실로 비행 유지가 어려운 반면, FSM은 고장 발생 후에도 잔여 정상 구동계를 이용해 비행을 지속하는 것을 확인
이를 통해 모터 고장 격리, 추진력 회복 및 비행 지속을 위한 FSM의 Fail-Safe 성능을 실제 비행시험으로 검증
적용 2. 중형 드론
적용 2. 중형 드론
1) 중형 드론 종류
촬영드론 : 카메라/측량/매핑용, 고토크/고신뢰성
배송/물류드론 : 화물운송, 고토크/고신뢰성
재난구조드론 : 수색/구조/긴급물자, 고토크/고신뢰성
기타 특수목적형 중형 드론 : 군용 등, 고토크/고신뢰성
2) 중형드론용 모터 고장영향
고장 치명도 1단계: 추진 성능 저하
- 모터의 부분적인 출력 저하로 인한 추진력 편차와 비행 성능 저하
고장 치명도 2단계: 자세 불안정
- 모터 간 추진력 불균형이 증가하여 기체 기울어짐
- 회전, 고도 저하 및 경로 이탈 발생
고장 치명도 3단계: 비행 제어실패 및 추락
- 모터가 완전히 정지하거나 추진력을 크게 상실
- 급격한 자세 붕괴와 비행 제어 상실로 인한 추락 위험
3) 중형드론용 모터 고장원인
모터내부 고정자회로 파손, 전원공급 차단 등
고속 회전, 반복적인 가감속 및 높은 부하 변화에 의한 과열, 과전류 등
4) 중형드론 - FSM 적용 효과
효과 1: 모터 고장 즉시 격리
- 고장 영역을 신속하게 차단·격리
- 정상 회로로 고장이 확산되는 것을 방지
효과 2: 추진력 신속 회복
- 모터 출력을 회복하고 추진력 손실을 최소화
- 급격한 자세 불안정을 억제
효과 3: 안정 비행 및 임무 지속
- 모터 고장 상황에서도 필요한 추진력을 유지
- 고장을 극복하여 추락 위험을 줄이고 안정적인 비행과 임무 지속 지원
5) 선행연구
Fail-safe기반 HS(Horizontal Separation)듀얼모터 시스템 개발
(한국연구재단(NRF), 2021-2022)
Fail-Safe 기반 HS형 FSM 및 제어시스템 개발
중형 드론의 높은 추진력 요구와 모터 고장에 대응하기 위해 HS형구조의 FSM과 전용 Fail-Safe 제어시스템을 개발
하나의 모터 내부에 상/하로 분리된 2개의 독립 고정자를 구성하여 정상 운전 시 두 고정자가 함께 추진력을 발생시키고, 고정자 1개에고장이 발생하면 고장 영역을 신속하게 격리, 정상 고정자로 고장영향이 확산되는 것을 방지하도록 설계
전용 FSC와 AI 기반 Fail-Safe SW를 연계하여 FSM의 고장을
신속하게 극복
FSM의 고장모드에서 정상의 토크회복 및 Fail-Safe 성능을 검증
적용 3. 대형 드론
적용 3. 대형 드론
1) 대형 드론 종류
대형 화물 드론 : 중량물/장비 운송, 고토크/고신뢰성
대형 농업 드론 : 농약/비료 살포, 고토크/고신뢰성
산업용 드론 : 건설/플랜트/장비 운반, 고토크/고신뢰성
기타 특수목적형 대형 드론 : 군용 등, 고토크/고신뢰성
2) 대형드론용 모터 고장영향
고장 치명도 1단계: 추진 성능 저하
- 모터의 부분적인 출력 저하로 인한 추진력 편차와 비행 성능 저하
고장 치명도 2단계: 자세 불안정
- 모터 간 추진력 불균형이 증가하여 기체 기울어짐
- 회전, 고도 저하 및 경로 이탈 발생
고장 치명도 3단계: 비행 제어실패 및 추락
- 모터가 완전히 정지하거나 추진력을 크게 상실
- 급격한 자세 붕괴와 비행 제어 상실로 인한 추락 위험
3) 대형드론용 모터 고장원인
모터내부 고정자회로 파손, 전원공급 차단 등
고속 회전, 반복적인 가감속 및 높은 부하 변화에 의한 과열, 과전류 등
4) 대형드론 - FSM 적용 효과
효과 1: 모터 고장 즉시 격리
- 고장 영역을 신속하게 차단·격리
- 정상 회로로 고장이 확산되는 것을 방지
효과 2: 추진력 신속 회복
- 모터 출력을 회복하고 추진력 손실을 최소화
- 급격한 자세 불안정을 억제
효과 3: 안정 비행 및 임무 지속
- 모터 고장 상황에서도 필요한 추진력을 유지
- 고장을 극복하여 추락 위험을 줄이고 안정적인 비행과 임무 지속 지원
5) 선행연구
Fail-safe기반 HS(Horizontal Separation)듀얼모터 시스템 개발
(한국연구재단(NRF), 2021-2022)
Fail-Safe 기반 500W이상 급 HS형 FSM 및
제어시스템 개발
대형 드론의 고출력 추진 요구와 모터 고장에 따른
비행안전문제에 대응하기 위해 500W 이상급 HS(Horizontal Separation)형 Fail-Safe Motor(FSM) 및 전용 제어시스템을 개발
전자기 Flux 해석을 기반으로 HS형 듀얼 고정자 구조를 설계
독립적으로 구동 가능한 고정자 구조를 적용해 모터 일부에 고장이 발생하더라도 고장 영역을 격리하고 정상 구동부를 통해 추진력을 유지 및 정상회복할 수 있도록 설계
500W급 FSM 시제품을 제작하여 모터 크기 및 성능 특성을 측정하고 실제 프로펠러 구동시험을 수행함으로써 대형 드론 추진
시스템 적용 가능성을 검증
이를 통해 고출력 운전 중 발생할 수 있는 모터 고장에 대응하여
추진력 회복과 안정적인 비행 지속을 지원하는 Fail-Safe 추진
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