[AngelFounder의 항공과 공학] (5) Autopilot의 기본 원리 - 1편

안녕하세요, AngelFounder입니다.

오늘은 저번에 쓰던 비행기가 어떻게 나는가에 대한 연재를 잠시 뒤로 미루고

새로운 주제인 Autopilot에 대한 이야기를 한번 작성해보고자 합니다.

우선, Autopilot이란 무엇인가? 

비행기에 조금 관심이 있으시다면 아실만한 자동비행장치(AP)입니다. 

조종사의 부담을 덜어주기위해 개발된것으로 고도, 속도, 항로 등을 자동으로 설정한것에 맞춰 운항하는 장치죠.

그러면 이 Autopilot(이하 AP)의 기본 원리는 무엇인가? 에 대해 알아보겠습니다.

AP의 기본 원리는 바로 Automatic Control입니다. 그래서, 기본 이론도 Automatic Control의 이론을 따르게 됩니다.

그렇다면 Automatic Control(이하 자동제어)의 기본은 무엇인가?

우선, 자동제어를 수행하기 위해서는 필수요소가 4가지

Controller(제어기), Actuator(액츄에이터(모터라고 생각하시면 됩니다)), Process(대상), Sensor(센서) 가 필요하게 됩니다.

각각의 요소가 무슨일을 담당하게 되는가? 쉽게 항공기에 비유하여 설명드리겠습니다.

예를들어 비행기의 속도를 높이고 싶다고 해봅시다. 

기장님이 Throttle을 올리고, 가스터빈이 작동하여 엔진을 돌리고, 속도가 올라가면 기장님의 앞에 있는 모니터에 속도가 나오게 되죠?

여기서 Throttle이 Controller이고, 가스터빈 내부에서 엔진을 움직이는 장치가 Actuator 이며 

비행기의 속도를 높여주는 주가되는 장치인 엔진 전체가 Process 이고(넓게 보면 비행기 전체라고 볼 수 있겠죠)

기장님의 모니터에 속도를 띄울수 있게 속도를 측정하는것이 Sensor입니다.

그리고 위의 4가지 요소를 종합적으로 연결해야 비로소 하나의 시스템이 만들어지게 되는것입니다. 각각 따로따로 놀면 그건 시스템이 아니지요.

그래서 위의 시스템은 일반적으로 아래 사진과 같이 연결하게 됩니다.

위의 사진과 같이 입력값을 주면 4가지 구성요소를 통과하여 출력값을 내고, 그에 맞추어 비행기의 속도가 제어되는 것입니다.

그리고 화살표는 신호의 진행방향이며, 네모박스와 동그라미 이외의 선들은 모두 신호라고 보시면 됩니다.

또한 E와 F 사이에 아래로 뻗어진 화살표가 A와 B 사이로 이어져 있는데

이것은 출력값인 속도가 다음에도 영향을 준다는 뜻입니다. 

예를 들어  기장님이 150노트의 속도를 유지하고 싶어서 입력값으로 150노트를 주었다고 합시다. 그러면 출력값인 F는 150노트가 되겠죠?

그리고 계속 150노트를 유지하고 있다면? 

사진에도 있듯 일반적으로 설계시에 입력값은 +값으로, 출력값에 대한 신호는 -값으로 변환합니다. 따라서 F가 150노트이므로 G는 -150노트의 신호이며,

B에 전달되는 신호는 A+G = 150-150 = 0이 됩니다. 

즉 0의 신호가 B에 전달된다는것은 어떠한 제어활동을 하지 않아도 유지되고 있다는 뜻이 됩니다.

그런데 이 상태에서 갑자기 바람이 불어 170노트가 되었다고 합시다. 그러면 의도치않게 출력값인 F가 170노트가 되고 G는 -170노트가 되며,

기장님이 입력한 A는 150노트로 그대로 있으므로 그렇다면 B에 전달되는 신호는 A+G = 150-170 = -20노트가 됩니다.

즉, 위의 B에는 -20노트라는 값이 입력되게 되므로, Actuator인 가스터빈에 -20노트를 해야된다는 신호를 보내게 되고, 결국 엔진의 출력이 낮아지게 되죠.

반대의 경우라면 결과가 +값으로 나와서 출력이 올라가게 될것이구요.

위에서 말씀드린것이 가장 기본적인 자동제어의 구성요소 입니다. 이것만 아셔도 70%는 이해하셨다고 보시면 됩니다.

참고로 위와 같은 시스템을 Negative Feedback Control Loop, Negative Feedback Control System 이라고 합니다.

(G부분과 A부분 모두 +의 값을 가지는 시스템은 Positive Feedback Control Loop, Positive Feedback Control System 이라고 합니다.)

자 그러면, 이 개념을 확장시켜서 비행기 전체를 제어하는 오토파일럿을 설계하는 기본 원리를 이해해봅시다.

우선 기장님이 원하는 항로, 고도, 속도를 입력하면 그 입력된 정보를 기본으로 오토파일럿이 주변의 상황(바람세기, 방향) 등을 파악하여 제어하게 되죠?

이때 오토파일럿이 제어한다는것은 기본적으로 위의 4가지 구성요소중 어떤것에 해당할까요? 바로 Controller에 해당하는 것입니다. 

Actuator와 Sensor는 우리가 사오거나 간단하게 만들수 있습니다. 즉 큰 부분을 차지하는 부분은 아니죠.

또한 Process는 Controller의 설계에 따라 움직이게 되므로 우리가 오토파일럿을 설계한다는것은 이 Controller를 만든다는것과 동일합니다.

즉, Controller를 어떻게 잘 만드느냐에 따라 비행기의 오토파일럿의 성능을 결정하게 되는 것입니다.

자 그러면 Controller는 무슨 이론을 바탕으로 만드는가?! 이는 조금 복잡하고 길기 때문에 다음편에서 다루도록 하겠습니다.

기본 원리는 위의 사진 1장에 다 나와있으니, 위의 사진을 이해하시고 다음편을 보시면 좀 더 쉽게 Controller의 설계에 대해 이해하실 수 있습니다.

궁금한점이 있다면 덧글로 질문해주시기 바라며, 다음편에서 이어가겠습니다.

2013.1.13 9:33 PM

AngelFounder

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