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소형무인기(SUAV: small unmanned aerial vehicle) 시장은 기술발전과 함께 다양한 분야에서의 활용이 가능 해짐에 따라 급격한 성장세를 보이고 있다. 그러나 소형무인기가 급증하면서 고장, 충돌 및 추락사고 또한 해마다 증 가하고 있으며, 이러한 사고를 줄이고 안전성 확보를 위한 기술개발이 활발히 연구되고 있다. 특히 비행 중에 예기치 못한 고장이 발생할 경우 이에 대응키 위한 고장 감내(fault tolerance) 시스템의 적용은 필수적이다. 미 국방부에서 발표한 무인기의 사고원인을 분석한 자료에 의하면 비행제어장치의 오류로 인하여 발생하는 사고가 전체 사고 원인 중에 두 번째로 약 28%의 큰 비중을 차지하고 있다. 본 연구에서는 비행제어장치 고장 감내를 위한 비행제어장치 시 스템의 이중구조 설계에 대한 제안을 기술하고 있다.

The market for small unmanned aerial vehicles (SUAVs) is growing rapidly as technology advances and makes it possible to use them in various fields. However, due to the rapid increase in small drones, breakdowns, collisions and falls are also increasing year by year, and technologies for reducing accident and securing safety are being actively researched. In particular, the application of a fault tolerance system to cope with unexpected failures during flight is essential. According to data released by the US Department of Defense, accidents caused by errors in flight control computers account for about 28% of all accidents. This paper describes the proposal of flight control computer system’s dual structure design to tolerate flight control system failure.

유무인 항공기에 적용되는 비행제어컴퓨터는 항공기의 제어와 직결되는 핵심 부품 중 하나로, 결함이 발생되더라도 비행에 필수적인 기능들을 유지할 수 있도록 다중화 구조로 설계하는 것이 일반적이다. 이러한 다중화 비행제어컴퓨터에 탑재되는 운용 소프트웨어는 다중화 채널 간의 실행 시간 동기화, 다중화 센서의 입력 데이터 선택 등을 고려하여 설계해야 하고, 각 채널의 결함을 검출하여 채널 전환 또는 채널 격리를 할 수 있는 방법이 적용되어야 한다. 본 논문에서는 AAV(advanced air vehicle)에 적용되는 삼중화 소형비행제어컴퓨터 (CFCC; compact flight control computer) 간의 다중화 관리 방안을 제시한다. 제시하는 다중화 관리 방안은 삼중화 채널간의 동기화 알고리즘, 센서 입력 데이터 선택 방법, 제어 명령 출력을 위한 버스 제어권 선택 방법, 채널의 결함 탐지 및 격리 방법을 포함한다.

The flight control computer applied to manned/unmanned aircraft is one of the key components directly connected to the control of the aircraft, and is generally designed with a redundant architecture so that essential functions for flight can be maintained even if a failure occurs in a single channel. The operational flight program loaded on these redundant flight control computers should be designed considering a time synchronization between channels, input data selection methods from redundant sensors, and fault detection/isolation methods for channels. In this paper, we propose a redundancy management method applied to triplex compact flight control computers for advanced air vehicle. The proposed redundancy management method includes a synchronization algorithm between triplex channels, an input data voting method from sensors, a bus control right selection method for control command output, and a fault detection/isolation method for channels.

무인항공기에 적용되는 비행제어컴퓨터는 safety-critical 구성품으로, 내결함성을 확보함으로써 운용의 신뢰성을 높이기 위해 다중화 구조로 설계되고 있다. 이러한 다중화 구조가 적용된 비행제어컴퓨터는 각각의 독립적인 연산/제어 장치가 동일한 시점에 동일한 작업을 수행할 수 있도록 설계되어야 하며, 이를 위해 각 연산/제어 장치 간의 작업 동기화를 위한 동기화 알고리즘이 포함되어야 한다. 본 논문에서는 무인기에 적용되는 이중화 비행제어컴퓨터간의 동기화를 위한 소프트웨어 설계 방법을 제안한다. 제안하는 동기화 방법은 고장률 감소를 위해 최소의 하드웨어 리소스만을 사용하여 동기화할 수 있도록 설계하였고, 동기화에 사용되는 하드웨어 타이머의 동작 방식을 고려하여 설계함으로써 타이머 동작에 따른 동기화 오차를 최소화 할 수 있도록 설계하였다.

A flight control computer(FLCC) applied to an unmanned aerial vehicle(UAV) is a safety-critical item, and which is designed in a multiple structure to increase the reliability of operation by securing fault tolerance. These FLCC of multiple structure should be designed so that each independent processing/control components can perform the same operation at the same time. And for this reason, a synchronization algorithm for synchronizing the operation between FLCCs should be included in an operational flight program. In this paper, we propose a software design method for synchronization between dual FLCCs applied to UAVs. The proposed synchronization method is designed to synchronize using only the minimum hardware resources to reduce a failure rate. In addition, the proposed synchronization method is designed to minimized synchronization errors due to a timer operation by designing in consideration of operation characteristics of the hardware timer used for the synchronization.

무인항공기용 비행제어컴퓨터는 높은 신뢰성이 요구되는 항전 장비로, 고장에 대한 마진을 위해 다중화 설계되는 것이 일반적이다. 다중화 된 비행제어컴퓨터는 채널 간 동기화 및 고장분리를 위해 디스크리트 신호 및 CCDL (cross channel data link)을 통한 인터페이스가 포함되어야 한다. 무인항공기 기술이 발전함에 따라 민간 및 군에서 AAM (advanced air mobility) 및 저피탐 등 다양한 형태의 플랫폼들이 개발되고 있으며, 이러한 플랫폼들은 고성능 비행제어를 위한 제어 성능 고도화 및 탑재장비의 SWaP (size, weight and power) 최적화를 요구하고 있다. 본 논문에서는 이러한 무인항공기용 최적화된 다중화 비행제어컴퓨터 아키텍처를 설계하고 입출력 제어를 위한 소프트웨어 설계를 수행하였다. 또한 구현된 비행제어컴퓨터와 입출력 소프트웨어를 통해 입출력 처리 성능을 평가 하였다.

Flight control computers for unmanned aerial vehicles are avionics that require high reliability and are generally designed to be multiplexed for margins on failures. The multiplexed flight control computer should include an interface through discrete signals and CCDL for synchronization and fault separation between channels. With the development of unmanned aerial vehicle technology, various types of platforms such as AAM and LPI are being developed in the private and military, which require advanced control performance for high-performance flight control and SWaP optimization of onboard equipment. In this paper, we designed a optimized flight control computer architecture for unmanned aerial vehicles for multiplexing processing and performed a software design for input and output control. In addition, input/output processing performance was evaluated through the implemented flight control computer and input/output software.

고정익 UAV는 다른 항공기 플랫폼보다 항속거리와 항속시간에서 큰 이점을 가진다. 이러한 이유로 군에서 정찰용으로 많이 사용된다. 본 연구에서는 랜딩기어를 포함한 고정익 UAV의 모델링을 실시하고, 비행조종컴퓨터에 사용될 유도 및 제어기 설계 및 HILS 환경 구축을 실시하였다. 또한 이륙, 순항, 착륙의 모든 과정을 자동으로 수행하는 오토파일럿 시스템을 제작하였다. 연구에 사용한 고정익 UAV를 Datcom 및 AVL 공력해석 소프트웨어를 사용하여 공력계수를 추출하고 6자유도 모델링을 실시하였다. 비행조종컴퓨터는 항공기의 16개의 비행모드를 분별하여 Carrot Chasing 기반 유도 명령을 생성하는 유도기와 Nonlinear Dynamic Inversion 기법을 사용한 제어기로 구성되어있다. SIMULINK를 사용하여 구현된 모델링과 비행조종컴퓨터는 RTNgine을 사용하여 HILS 환경을 제작하여 고정익 UAV의 통합 시뮬레이션 환경을 제작하였다.

Fixed-wing UAVs have long endurance and range capabilities compared to other aerial platforms. These advantages led fixed-wing UAVs to become a popular platform for reconnaissance missions in the military. In this research, we modeled fixed-wing UAVs, including the landing gear model and developed a guidance and control system for flight control computers to construct a HILS environment. We also developed an autopilot system that includes automated take-off, cruise, and landing control for UAVs. We also retrived the Aerodynamic coefficients an UAV using Datcom and AVL software and used them for 6 degrees of freedom modeling. The Flight control computer calculates guidance commands using the Carrot chasing guidance law after distinguishing the condition of the UAV based on 16 pre-defined flight modes and calculates control inputs using Nonlinear Dynamic Inversion (NDI) control scheme. We used RTNngine to integrate the Simulink model and flight control computer for HILS environment formulation.

본 논문에서는 저가 하드웨어 기반의 멀티로터용 비행제어 컴퓨터의 하드웨어 개발과 항법 및 제어 알고리즘의 설계 및 구현, 그리고 실제 비행실험을 통한 검증 과정을 서술하였다. 개발된 비행제어 컴퓨터는 마이크로컨트롤러를 통하여 멀티로터를 안정적으로 제어하며 통합된 Linux 컴퓨터를 활용하여 복잡한 임무에 대응이 가능하도록 설계되었다. 항법 해는 Complementary Filter를 통하여 500 Hz의 속도로 계산을 수행하고, 멀티로터의 운동모델을 기반으로 Observer를 설계, 측정 잡음을 크게 줄였다. 제어 알고리즘은 3차원 Curve Fitting을 통하여 얻은 Feed-forward Term을 사용하여 반응속도를 크게 향상시켰으며, 다수의 비행실험을 통하여 실제 상황에서 효과적으로 동작함을 확인하였다.

This paper describes development and validation processes of a low-cost hardware based flight control computer designed for multi-rotor UAVs. The developed flight control computer controls multi-rotors stable and can handle complex flight missions using an integrated high-performance Linux computer. A complementary filter generates a navigation solution with 500 Hz, and a proposed observer significantly reduces measurement noise. A control algorithm utilizes a feed-forward term computed by a three-dimensional curve fitting method, and it increases tracking performance. The developed flight control system has been fully tested through several test flights, and it can apply to real flight environments.

본 논문에서는 비행제어컴퓨터의 EMI/EMC 시험을 위한 시험 소프트웨어를 설계하고 구현하였다. 시험 소프트웨어는 체계적인 상태 및 모드 관리, 신뢰성 높은 통신 처리, 정확한 시험 수행 및 결과 평가 기능을 포함하여 시험 전 과정을 안정적으로 지원하도록 개발되었다. 또한, 실시간 Linux 기반 UEI 소프트웨어와 LabVIEW 기반 GUI를 연동한 점검장비와 함께 장시간 연동 시험을 수행하였다. 시험 결과를 통해 시험 소프트웨어의 신뢰성뿐만 아니라, EMI/EMC 시험 진행 중 발생하는 문제를 신속하게 분석하고 대응할 수 있는 디버깅 지원 기능의 유용성도 확인하였다. 본 연구는 비행제어컴퓨터 EMI/EMC 시험의 자동화 및 신뢰성 향상에 기여할 것으로 기대된다.

This paper presents the design and implementation of test software for EMI/EMC testing of flight control computers. The software was developed to comprehensively support the entire testing process with systematic state and mode management, reliable communication handling, precise test execution, and result evaluation. Additionally, long-duration integration testing was conducted using inspection equipment integrating real-time Linux-based UEI software and a LabVIEW-based GUI. The test results confirmed not only the reliability of the test software but also the effectiveness of its debugging support capabilities, enabling rapid analysis and resolution of issues arising during EMI/EMC testing. This study is expected to contribute to the automation and enhanced reliability of EMI/EMC testing for flight control computers.

무인항공기의 비행조종컴퓨터는 비행 안전에 필수적인 장비로써 개발 단계에서부터 신뢰성과 안전성의 확보가 필수적이며, 고장 발생 시에도 정상적으로 기능을 수행할 수 있는 다중화 기반의 고장관리 설계가 요구된다. 무인기의 경우에는 비용, 무게, 전력소모 등을 감소하기 위하여 비행조종시스템의 이중화 설계를 고려하지만, 고장관리를 위한 고장 검출 및 분리 설계에 많은 제약이 있다. 본 논문에서는 무인기용 이중화 비행조종컴퓨터의 신뢰성을 향상시키기 위한 고장 검출 및 고장 분리를 위한 고장관리 설계 방안을 제안한다. 그리고 고장관리 설계를 적용해 개발한 비행조종컴퓨터는 통합시험환경에서 기능 시험을 수행하고 HILS 환경에서 고장 영향성 확인 시험을 수행한 후 무인기에 탑재하여 비행시험을 통해 그 신뢰성을 검증하였다.

Since the flight control computer of unmanned aerial vehicle (UAV) is a flight critical equipment, it is necessary to ensure reliability and safety from the development step, and a redundancy-based fault management design is required in order to operate normally even a failure occurs. To reduce cost, weight and power consumption, the dual-redundant flight control system design is considered in UAV. However, there are various restrictions on the fault management design. In this paper, we propose the fault detection and isolation designs for the dual-redundant flight control computer to satisfy the safety requirements of an UAV. In addition, the flight control computer developed by applying the fault management design performed functional tests in the integrated test environment, and after performing FMET in the HILS, its reliability was verified through flight tests.

소프트웨어 기반의 고장허용이란 장비의 일부분에 소프트웨어 고장이 발생하더라도 허용할 수 있도록 장비를 설계하는 것을 의미힌다. 고장허용을 위한 설계 방법은 크게 하드웨어 기반 고장허용 설계 방법과 소프트웨어 기반 고장허용 설계 방법이 있으며, 시스템의 특징에 따라 적절한 방법의 고장허용 설계 방법 선택이 필요하다. 본 논문에서는 하드웨어적으로 이중화로 구성된 비행조종컴퓨터의 소프트웨어 기반 고장허용 설계 기법에 대하여 기술하였다. 소프트웨어 기반의 고장허용 설계를 위하여 소프트웨어 고장을 분류하고, 고장에 대한 검출 방법을 설계한 후, 고장발생시 복구 방법을 설계하였다. 설계된 방법의 유효성을 확인하기 위하여 전용 소프트웨어 시험 환경을 통해 설계된 소프트웨어 기반 고장허용 설계의 타당성을 검증하였다.

Software based fault tolerance techniques are designed to allow a system to tolerate software faults in the system. Fault tolerance techniques are divided into two groups : software based fault tolerance techniques and hardware based fault tolerance techniques. We need a proper design method according to characteristics of the system. In this paper, the concepts of software based fault tolerance techniques for Dual Flight Control Computer are described. For software based fault tolerance design, we classified software failure, designed a way for failure detection and the way of recovery. Eventually the effectiveness of software based fault tolerance techniques was verified through the Software Test Environment(STE).