컴퓨터 응용과학부 김종화 담당교수 – 김정배 교수님

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1 컴퓨터 응용과학부 20031248 김종화 담당교수 – 김정배 교수님
기상 관측용 UAV 컴퓨터 응용과학부 김종화 담당교수 – 김정배 교수님 안녕하십니까 기상관측용 UAV로 조사하여 발표하게된 03학번 김종화 입니다.

2 목 차 연구목적 전익기 날개이론 UAV 정의 자율비행하기 기상측정하기 UAV 역사 전익기의 임무 기상데이터 생산 및 전송
목 차 연구목적 UAV 정의 UAV 역사 UAV 분류 UAV 민간활용분야 - 기상관측적 측면 전익기 날개이론 자율비행하기 기상측정하기 전익기의 임무 기상데이터 생산 및 전송 현재진행형…두루미 결론 앞으로의 과제 먼저 발표순서를 보시면 UAV 정의, 역사, 분류, 민간활용분야에 대해서 알아보고 기상관측적측면에서 알아보겠습니다. 그후 전익기와 그에 따른 상세한 내용을 알아보도록 하겠습니다.

3 연구목적 예전 UAV 와의 접촉 UAV의 관심 좀더 자세히 알고 싶다 연구목적으로는

4 UAV 정의 무인항공기 Unmanned Aerial Vehicle
일반적으로 조종사가 없이 사전에 입력된 프로그램에 따라 자율비행하는 비행체를 말한다. UAV 정의에 대해서 알아 보겠습니다 무인항공기라고 불리어 지는데 영어로는 Unmanned Aerial Vehicle 라고 불리어 지고 있습니다. 일반적으로 조종사가 없이 사전에 입력된 프로그램에 따라 또는 비행체 스스로 주위 환경을 인식하고 판단하여 자율비행하는 비행체를 말합니다.

5 UAV 역사 1910년대 (1차대전) 미국등에서 정찰용 무인항공기의 필요성을 인식하고 연구를 시작 1950년대
(한국전쟁) 미군이 정찰 목적으로 무인항공기를 사용 1970년대 (중동전쟁) 이스라엘이 세계 최초로 Decoy와 감시용 무인항공기를 개발사용 공대지용 무인기로 아랍의 SA-6제압, SAM기지 및 지상 전차에 유도탄 공격 유도 전자전 무인기로 적 지대공 유도탄 레이더 방해. 1990년대 초 (걸프전) 미 해군이 전함 미주리호와 위스콘신호 함상에서 Pioneer 전개, 151소티 520시간(평균3.44시간) 비행함으로써 그 운용의 효과가 다시 한번 입증됨. 1998년 영국 육군 Marconi phoenix UAV를 공식 군용 장비로 투입을 시작, 영국에서 무인항공기의 주 운용부대는 포병이다. 현재 미국에만 약 155가지 종류의 무인항공기가 개발되었거나 개발되고 있고, 프랑스, 독일 등 유럽국가들과 이스라엘, 한국 등에서 개발 완료되어 실전에 활용하고 있다. UAV 역사를 살펴보면 1910년에 1차대전중에 정찰용 무인항공기의 필요성을 인식하고 연구를 시작으로 현재 미국에만 약 155가지 종류의 무인항공기가 개발되는등 여러나라에서 개발 완료되어 실전에 활용하고 있습니다.

6 UAV 분류 형태별 고정익형 회전익형 수직이착륙형 UAV를 분류해 보면
먼저 형태별로 고정익형, 회전익형, 수직이착륙형이 있습니다.

7 UAV 분류 크기별 초소형 소 형 중 형 대 형 크기별로 나누어 보면 초소형, 소형, 중형, 대형으로 나눌수있습니다.

8 UAV 분류 체공별 고도별 성능별 기능별 단기체공(1이하) 중기체공(1-12) 장기체공(12이상) 저고도(3이하)
(단위 : 시간) 단기체공(1이하) 중기체공(1-12) 장기체공(12이상) 고도별 (단위 : Km) 저고도(3이하) 중고도(3-10) 고고도(10이상) 성능별 (단위 : Km) 근거리(50이하) 단거리(50-200) 중거리( ) 장거리(500이상) 기능별 관측,탐사 정찰,감시 전투,표적 기타 떠 있는 시간에 따라 체공별, 얼마나 높이 올라가는지에 따라 고도별 얼마나 많은 거리를 갈수 있느냐에 따라서 성능별로 나눌수 있고. 그외 기능별로 분류할 수 있습니다.

9 UAV 민간활용분야 * 위성- 본체 개발 및 발사에 많은 비용* 정보를 적시에 받아 볼 수 없는 단점 원격탐사 통신중계
환경감시 기타 기타활용 국경감시 산불감시 위험지역 정찰 재난구조활동 지원 등 환경감시 * 지구의 온난화에 대한 각국의 관심증대* 효과적으로 감시하기 위한 수단 필요 * 군사용 유인 정찰기를 개조하여 사용 * 무인항공기가 이에 대한 대체 수단으로 활용될 전망이다. 통신중계 * 정보, 통신의 수요 기하급수적 증가 * 저궤도 위성은 수명이 짧고 고가 * 무인항공기 통신위성의 역할을 기대 * 미래의 이동 정보통신 중계기의 역할 원격탐사 * 위성- 본체 개발 및 발사에 많은 비용* 정보를 적시에 받아 볼 수 없는 단점 * 무인기- 위성에 비하여 저렴한 가격 * 원하는 정보를 적시에 받아 볼 수 있음* 향후 위성을 상당부분 대체할 것임 민간활용분야에서 살펴보면 원격탐사에 사용 되고 있습니다. 무인항공기는 위성에 비하여 저렴한 가격으로 원하는 정보를 적시에 받아 볼 수 있으므로 원격 탐사분야에서 향후 위성을 상당부분 대체할 것으로 예상되고 있습니다. 다음으로 통신중계가 있는데, 전자, 통신 기술의 획기적인 발전으로 정보, 통신의 수요는 기하급수적으로 늘어나고 있습니다. 미래의 이동 정보통신 중계기의 역할을 수행하는 본체의 역할을 수행하게 될 것입니다. 환경감시로도 활용되는데 지구의 온난화 현상에 대한 각국의 관심이 증대되면서 환경 및 대기 오염에 대해 효과적으로 감시하기 위한 수단으로서 환경감시용 무인항공기에 대한 요구가 증가되고 있습니다. 그외에도 국경감시,산불감시, 위험지역정찰, 재난구조활동 지원등에 활용되고 있습니다.

10 관측소가 아무리 많아도, 슈퍼컴퓨터를 보유하더라도 국지성기상 예상하기 힘든 상황
기상관측적 측면 우리나라의 특징 : 3면이 바다 국지성 악기상 증가 관측소가 아무리 많아도, 슈퍼컴퓨터를 보유하더라도 국지성기상 예상하기 힘든 상황 UAV 전익기 기상관측적 측면에서 살펴보면, 우리나라의 특징은 3면이 바다로 되어있습니다. 요즘 지구 온난화등으로 인하여 국지성악기상이 매년 증가추세에 있습니다. 이 국지성악기상은 관측소가 아무리 많아도, 슈퍼컴퓨터를 보유하더라도 예상하기가 무척 힘이 듭니다. 그렇기 때문에 연안에서 24시간 데이터 수집이 필요합니다. 스스로 데이터 수집 가능한 비행체의 필요성을 느끼게 합니다. 그것이 바로 가칭 UAV전익기 입니다. 스스로 테이터 수집 가능한 비행체의 필요성 연안에서 24시간 데이터 수집 필요

11 전익기 정 의 꼬리 날개가 없는 항공기 가운데 감각 날개 또는 후퇴익을 가지며 날개 속에 승무원을 수용하는 설비를 만들었기 때문에 날개만 있고 동체가 없는 것처럼 보이는 항공기 UAV + 전익기 기존의 전익기 형태에 무인비행체를 접목시킨 UAV 전익기 승무원 없음, 높은 효률, 날개의 중요성, 적은 동력, 태양전지등을 이용한 24시간 비행가능. 전익기의 정의에 대해서 알아보겠습니다. 꼬리 날개가 없는 항공기 가운데 감각 날개 또는 후퇴익을 가지며 날개 속에 승무원을 수용하는 설비를 만들었기 때문에 날개만 있고 동체가 없는 것처럼 보이는 항공기 입니다. 잘 이해가 안되시면 폭격기중에서 스텔스기를 생각하시면 되겠습니다. UAV+전익기는 기존의 전익기 형태에 무인비행체를 접목시킨 것으로 승무원이 없고, 높은 효율을 나타내며 날개의 중요성과 적은 동력, 태양전지등을 이용하여 24시간 비행이 가능합니다.

12 Mean Aerodynamic Chord
날개이론 전익기의 무게 중심 날개의 뒷전부근이 수평미익에 해당. 따라서 이 부분을 미익으로 환산하여 추정하여 계산해 보고, 다시 수차례 CG를 옮겨가면서 비행을 해 본 결과 MAC의 10~12% 위치에 CG 가 잡힘. 물론 이 수치는 익형과 날개의 형태에 따라 조금씩 달라질 수 있습니다. MAC 날개단면의 평균익현(평균익폭) Mean Aerodynamic Chord 전익기를 날리기 위해서는 무게 중심의 매우 중요합니다. 쉽게 말해서 무게 중심이 잡히지 않으면 비행을 할 수 가 없습니다. 무개중심은 날개의 뒷전부근이 수평미익에 해당합니다. 따라서 이 부분을 미익으로 환산하여 추정하여 계산해 보고, 다시 수차례 CG를 옮겨가면서 비행을 배 본 결과 MAC(평균익폭)의 10~12% 위치에 CG를 잡으면 됩니다. 물론 이 수치는 익형고 날개의 형태에 따라 조금씩 달라질 수 있습니다. 여기서 MAC 이란 것을 날개단면의 평균익현(평균익폭)을 나타내고, CG는 비행기의 무게중심을 나타내는 약자입니다. CG 무게중심 (center of gravity)

13 날개이론 날개의 위치 * 무게중심보다 높은 위치에 날개(고익기 : High Wing) =>안정성 높음
* 낮은 위치에 날개를 두는 것(저익기 : Low Wing) => 안정성 감소 양력계수와 속도는 반비례 관계에 있는데 저속에서는 양력계수가 크고 안정성에 대한 기여도가 높지만, 속도가 빨라질 수록 양력계수는 낮아지고 기여도가 줄어들어 날개위치의 영향은 무시할 만하다. (공식) 날개의 위치도 중요한데, 무게중심보다 높은 위치에 날개를 두는 고익기는 안정성을 높이고, 낮은 위치에 날개를 두는 저익기는 안정성을 감소시키는 결과를 가져옵니다. 무게 중심의 위치와 같은 중간정도의 높이에 위치시키는 중익기는 안정성을 높이지만 감소하지도 않습니다. 안정성에 있어서 이와 같은 날개의 위치에 따른 영향은 양력계수의 결과입니다. 양력계수와 속도는 반비례 관계에 있는데 저속에서는 양력계수가 크고 안정성에 대한 기여도가 높지만, 속도가 빨라질 수록 양력계수는 낮아지고 기여도가 줄어들어 개위치의 영향은 무시할 만 합니다. 양력계수 CL 은 pV제곱S 분의 2L 로 나타낼수 있는데 실제 비행기에 있어 날개 위치의 결정은 결정은 안정성 문제 외에 또 다른 요소들도 고려하는데, 고익기는 지상에 대한 좋은 시야를 제공하고 저익기는 착륙장치가 짧아도 되는 이점이 있다는 것입니다. L: 양력 (lb), CL : 양력계수, ρ: 밀도 (slug/ft3), V: 속도 (ft/sec), S: 날개면적 (ft2) Tip L: 양력 (lb), CL : 양력계수, ρ: 밀도 (slug/ft3), V: 속도 (ft/sec), S: 날개면적 (ft2)

14 자율비행하기 상공 10Km 이상 올라가면 날씨가 항상 맑음 처음 이륙할때 많은 에너지를 이용함
주간 - 날개윗변의 태양 전지를 이용해서 충전비행 이 UAV전익기가 자율비행을 하기 위해서는 먼저 상공 10Km 이상 올라가면 날씨가 항상 맑습니다. 처음 이륙할때 많은 에너지가 필요로 합니다. 10Km 이상의 고도에서는 정상류를 이용한 최소 에너지를 비행 가능합니다. 그후 낮에는 날개 윗변의 태양전지를 이용하여 충전을 하면서 비행을 하고, 야간에는 낮에 충전해둔 태양열을 이용하여 비행하면서 에너지가 떨어지면 공기저항으로 떠 있으면서 서서히 하강하여 6~7Km 지점까지 하강하여 다시 아침에 해가 뜨면 태양열을 충전하여 다시 10Km 지점까지 올라거서 상공을 날아 다님으로 24시간 자율비행이 가능합니다. 야간- 낮에 충전해둔 태양열을 이용하여 비행하면서 에너지가 떨어지면 공기 저항으로 떠 있으면서 서서히 하강 하여 6~7Km지점까지 하강하여 다시 아침에 해가 뜨면 태양열을 충전하여 다시 10Km지점까지 올라가서 상공을 날아다님으로 24시간 비행가능

15 기상측정하기 정보수집 기존의 라디오존데 방식을 변형하여 UAV에 적용하여 기상상태를 읽어 들여 온도, 압력, 습도등을 지상에 전파해야 함. 라디오 존데란 * 대기 상층의 기상(기압, 온도, 습도 등)을 관측하여 지상에 송신하는 측정장치. * 기구에 장치한 기압계, 온도계, 습도계 등으로 측정한 기상상태를 소형의 무선발신기를 통해 발신한다. 이제 비행기를 날렸으면 정보수집을 해야하는데 기상측정이 주 목적입니다. 그러기 위해서 기존의 라디오존데 방식을 변형하여 UAV에 적용하여 기상상태를 읽어 들여 온도, 압력, 습도등을 지상에 전파하도록 해야 합니다. 여기서 라디오 존데란 대기 상층의 기상을 관측하여 지상에 송신하는 측정장치입니다. 기구에 장치한 기압계, 온도계, 습도계 등으로 측정한 기상상태를 소형의 무선발신기를 통해 발신 가능합니다. //라디오 존데를 비양 후 지상 현황값을 AWS자료를 이용해서 입력 풍향의 경우 각도로 입력

16 UAV 전익기 Gyroscope를 이용한 자율비행
GPS 정보를 이용해서 자 동 위치제어, 수정 지상관리통제소 전익기가 자율비행을 하면서 정보수집을 하여 지상관리 통제소로 정보를 보내면 다시 GPS정보를 이용해서 자동위치제어, 수정을 하여 전익기로 재전송하여 줍니다. 그렇게 계속 정보를 주고 받으면서 자율비행을 합니다.

17 기상데이터 생산 및 전송 앞에서 설명한 내용을 그림으로 나타내 본 것인데요
전익기에 라디오 존데에서 수집한 정보를 지상수신장치로 보내오면 그 정보를 모니터를 통해 자료분석할수 있는 장치입니다.

18 현재진행형…두루미…하지만 현재 한국우주과학연구소에서 2004년에 날씨를 읽는 ‘두루미’라는 무인항공기를 개발되어 비행에 성공 하였다. 이 비행은 시험비행이었지만 주업무가 될 기상관측적측면에서는 기상관측 센서를 활용하여, 대기 중의 온도 습도 압력 풍향 풍속 등을 측정하는데 성공 하였다. 날개 길이 3.2m, 동체길이 1.8m, 무게 15kg으로 소형가솔린 엔진의 도움으로 하늘을 난다. 6리터의 연료로 최고 24시간 동안 비행이 가능하다. 하지만 예산부족으로 그 이후 계발이 중단되었다고 한다. 최근 두루미의 기본 기술을 가지고 다른 프로젝트 준비중에 있음. 제가 조사한것과 가장 흡사한 유형의 무인항공기인데 현재 한국우주과학연구소에서 2004년에 날씨를 읽는 ‘두루미’라는 무인항공기를 개발되어 비행에 성공하였습니다. 이 비행은 시험비행이었지만 주 업무가 될 기상관측적측면에서는 기상관측센서를 활용하여, 대기 중의 온도, 습도 압력 풍향 풍속 등을 측정하는데 성공하였습니다. 날개길이 3.2m 동체길이 1.8m 무게 15kg 으로 소형가솔린엔진의 도움으로 하늘을 날았습니다. 6리터의 연료로 최고 24시간 동안 비행이 가능합니다. 하지만 안타깝게도 예산부족으로 그 이후 계발이 중단되었다고 합니다. 최근에는 두루미의 기본 기술을 가지고 다른 프로젝트를 준비중에 있다고 합니다.

19 결론 * ‘두루미’는 전익기 형태가 아닌 일반 무인항공기
* 두루미의 기본 기술을 전익기에 접목시켜 더 효율이 좋은 무인비행체를 만들 수 있을 것이다. * 아직 다른 UAV 형태의 무인비행기는 각 분야에서 많이 사용되고 있음 * 전익기 모양을 이용한 무인비행기는 실현되지 않고 있음 * 두루미의 전익기화가 필요 그러기 위해서는… 무인항공기 두루미는 전익기형태가 아닌 일만 무인항공기 입니다. 이 두루미의 기본 기술을 전익기에 접목시켜서 더 효율이 좋은 무인비행체를 만들 수 있을 것입니다. 아직 다른 UAV 형태의 무인비행기는 각 분야에서 많이 사용되고 있지만 전익기 모양을 이용한 무인비행기는 실현되지 않고 있습니다. 두루미의 전이기화가 필요합니다. 그러기 위해서는

20 앞으로의 과제 두루미의 기본기술을 전익기에 장착, 응용하기 현재 두루미 미래 두루미 * 날개길이 3.2m,
* 무게 15kg * 소형가솔린엔진 6리터 연료로 24시간 비행가능 * 그외 기상 관측장치 * 비행기 윙폭 8m 이상 * 무게 10Kg 이상 * 연료 태양전지 (모터를 돌릴정도전류생산가능해야함) *브러쉬리스 모터 (60W) (추력좋고 반영구적수명) 그외 리튬베터리(충전식), 충전장치, GPS송수신장치, 존데, CPU, 자이로스콥(전자나침반) 등과 기상관측장치 두루미의 기본기술을 전이기에 장착, 응용해야 합니다. 먼저 현재의 두루미를 살펴 보시면 일단 비행기 모양은 두루미의 실제 모양은 아니지만 이런 형태의 비행기 입니다. 우리가 일반적으로 알고있는 비행기 형태입니다. 날개길이가 3.2m 동체길이가 1.8m 무게가 15kg이고 소형가솔린엔진을 장착하여 6리터 연료로 24시간 비행을 합니다. 가칭 미래두루미를 만들기 위해서는 이런 모양의 비행기가 되어야 하는데 비행기 날개 폭을 최소 8미터 이상으로 크게 잡아야 합니다. 그리고 무게는 10kg 이상으로 하여야 합니다. 어느 정도 무게가 있어야 바람이 불어도 비행이 가능합니다. 여기에 태양전지를 장착하여 모터를 돌릴 정도를 전류를 생산하여야 합니다. 전류는 60와뜨정도는 되어야 비행이 가능할 것입니다. 모터로는 브러쉬리스 모터를 사용하고 베터리로는 충전이 가능한 리튬베터리를 장착해야 합니다. 그외에 충전창치, GPS송수신장치, 존데, CPU, 자이로스콥(전자나침반)등 기상관측에 필요한 장치를 장착하여 많은 정보 수집이 있어야 합니다. 이렇게 한다면 기상관측용 UAV가 실현가능 할 것으로 예상 됩니다.