천음속 풍동 장착물 분리 모사 장치의 실시간 충돌 감지 기법
Real-time Collision Detection Technique for Captive Trajectory Simulation System in Transonic Wind Tunnel
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Trans Abstract
The Two-Sting Rig(TSR) is a wind tunnel test device designed to simulate the six degrees of freedom(6-DOF) motion of a store separating from its carrier platform. In such confined and high-risk environments, real-time collision detection is essential to prevent equipment damage and ensure operational safety. This paper proposes a real-time collision detection method that models the TSR and surrounding wind tunnel structures, such as aircraft models and support stings, using simplified geometric primitives. The method is specifically designed for enclosed test environments where external sensing is impractical due to structural constraints, and instead relies solely on internal motor feedback. The proposed algorithm is integrated into the TSR control software and validated across multiple operational scenarios. Experimental results confirm that the method reliably detects proximity risks in real-time, with execution times averaging under 0.95 ms, ensuring seamless integration into the 20 ms control loop. These findings demonstrate the algorithm's effectiveness and practical suitability for real-time integration in wind tunnel operations.
1. 서 론
항공기에 탑재되는 장착물은 분리 시 안정성을 확보해야 하며 분리 안정성에 대한 사전 검증이 필수적이다[1]. 풍동 시험을 통해 장착물 분리 안정성을 검증하기 위해서는 장착물의 위치와 자세를 모사할 수 있는 시스템이 필요하고 대표적으로 Two Sting Rig(TSR) 시스템이 개발 중이다[2].
TSR은 6축의 매니퓰레이터로 Fig. 1과 같이 풍동 모형지지부에 설치되어 그리드(Grid) 모드 및 CTS (Captive Trajectory Simulation) 모드를 통해 장착물의 복잡한 기동 패턴을 구현할 수 있어, 현대 항공우주 시험에서 중요한 역할을 수행하고 있다. TSR은 이동 범위가 제한된 풍동 내부에서 다자유도 운동을 수행하며, 측정된 공력값과 운동방정식을 이용하여 실시간으로 궤적을 생성하기 때문에 사전 궤적 예측이 불가능하다는 특성을 갖는다[3,4]. 또한 구조적 특성상 충돌 감지를 위한 추가적인 센서 설치에 제약이 있다. 이러한 특성들로 TSR 구동축과 모기체, 모형지지부 등 간의 충돌 위험성이 상존하고 충돌로 인한 장비 및 시설의 파손 및 시험 실패를 방지하기 위해 사전에 이를 감지할 수 있는 시스템이 필요하다.
TSR mounted on model support system of wind tunnel
기존의 충돌 감지 방법은 로봇의 동역학 모델을 활용하는 모델 기반 방식과, 별도의 모델 없이 센서 데이터를 이용하는 비모델 기반 방식으로 구분할 수 있다[5]. 모델 기반 접근은 로봇의 관절 속도, 토크, 에너지 변화 등을 관측하여 외력에 의한 이상 징후를 탐지하는 방식으로 동역학식에 기반한 계산을 통해 외부 충돌을 간접적으로 추정할 수 있다는 장점이 있지만, 높은 모델 정확도와 파라미터 추정이 요구되며, 제어기 구조와의 통합이 복잡할 수 있다[6]. 반면 비모델 기반 접근은 피부 센서, 외부 비전 센서, 가속도계, 힘/토크 센서 등을 이용해 충돌 상황을 감지하거나 충돌력을 추정하는 방식으로[7-9], 구조 복잡도와 비용 증가, 외부 환경에서의 센서 한계 등의 문제를 수반한다. 한편, 로봇 링크와 주변 구조물 간의 충돌 가능성을 사전에 예측하기 위한 방식으로, 기하학적 모델에 기반한 거리 계산 기법이 활용된다. 산업용 로봇과 장애물 간의 최소 거리를 계산하기 위해 링크를 단순 형상으로 근사하고, 다각형 슬라이스 모델을 적용한 효율적인 거리 계산 알고리즘이 제안되었고[10], Con-formal Geometric Algebra 기반의 수식화를 통해 로봇 링크와 외부 구조물 간의 거리 및 충돌 판정을 정밀하게 수행할 수 있는 기법이 제안되었다[11]. 로봇 링크와 환경을 구, 실린더, 직육면체로 단순화한 후 Hough 변환 기반의 충돌 감지 및 회피 기법[12]도 제안되었지만 이들 연구는 시뮬레이션 환경을 기반으로 하거나, 연산 시간에 대한 실시간성 검증이 제한적이라는 한계가 있다.
TSR은 제한된 공간에서 6자유도 운동을 수행하는 구조적 특성상, 외부 센서의 설치 및 운용이 기술적으로 어려우며, 실시간 제어 루프 내에서의 신속한 연산과 높은 신뢰도가 요구된다. 이를 위해 본 연구에서는 TSR 및 주변 구조물(항공기 형상, 지지 구조물 등)을 기본 기하 요소로 모델링하고, 모터 피드백 위치 정보만을 이용하여 실시간으로 최소 거리 계산 및 충돌 감지를 수행한다. 제안된 알고리즘은 TSR 제어 시스템에 직접 통합되어 다양한 운용 시나리오 하에서 검증되었으며, 평균 실행시간이 1 ms 이하로, 20 ms 제어 주기 내에서 안정적으로 동작함을 확인하였다. 이는 제어기 통합성, 실시간성, 장비 제약 대응력 측면에서 차별성을 보여준다.
2장에서는 TSR 구조와 기하 도형 기반의 TSR 모델링 방법 및 충돌 감지 거리 계산에 관해 설명한다. 3장에서는 충돌 감지 알고리즘과 검증 환경에 대해 기술하고 실제 TSR에 구현한 시나리오별 테스트 결과에 관해서 기술한다. 4장에서는 결론으로 마무리한다.
2. 기하 모델 기반 충돌 감지 기법
2.1 기본 기하 모델링과 거리 기반 충돌 감지
거리 기반의 실시간 충돌 감지 알고리즘의 운영을 위해 매니퓰레이터와 주변 환경을 매개 변수로 표현 가능한 기하 도형의 집합으로 모델링 한다. Table 1은 TSR을 구성하는 기본 기하 도형과 매개변수 표현식을 나타낸다. TSR의 기준좌표는 Fig. 2에서와 같이 풍동모형지지부의 피봇의 위치를 x축 기준으로 선정하고, 풍동시험부의 정중앙의 위치를 y, z의 기준으로 선정한다. 각 기하 도형은 3차원 공간에서의 점 (x, y, z)의 벡터식으로 표현된다.
Basic geometry for collision detection
Geometric modeling of TSR
3D 기본 기하 도형으로 모델링된 매니퓰레이터와 주변환경은 객체 간 실시간 거리 계산을 통해 충돌 감지를 수행한다. Table 1에서 정의된 기본 기하 도형 간의 거리 계산은 두 기하 객체 사이의 최소 거리를 구하는 최소화 문제의 형태로 표현할 수 있다[15].
기본 기하 도형 Gi와 Gj 사이의 거리는 D(Gi,Gj)로 정의 할 수 있으며, 이는 각 도형에 속하는 점들 사이의 유클리드 거리의 최솟값으로 표현된다.
여기서 각 기하 도형은 Table 1에 제시된 바와 같이 매개변수화된 형태로 표현되며, 해당 매개변수 영역을 통해 정의되는 점 집합으로 해석된다. 본 연구에서 기본 기하 도형 조합의 경우 각 도형 쌍에 대한 기하학적 거리 계산식이 알려져 있으므로, 최소 거리 계산은 해석적 기하 계산을 통해 효율적으로 수행된다.
실시간으로 계산된 거리는 사전에 정의된 임계값 ϵ 이하가 되면 충돌로 감지하여 동작을 중지한다. 풍동 시험 중 발생할 수 있는 공기력에 의한 위치 변동은 보정을 통해 기하 모델에 반영할 수 있다. ϵ값은 모델링 오차, 진동 및 보정 이후의 잔류 불확실성을 고려하여 실제 충돌 이전에 충분한 안전 여유 거리를 확보할 수 있도록 설정한다.
2.2 TSR의 구조 및 기하 모델링
TSR은 Fig. 2와 같이 직선운동을 하는 X1축, 회전운동을 하는 R1,R2,…,R5축들로 구성되며, 장착물은 구스넥(gooseneck) 스팅인 R5에 장착된다. R1,R2,…,R5축은 오차를 최소화하기 위해 캡슐 형태로 모델링되었으며 기타 고정부 및 이동부와의 간섭이 없는 X1축과 R1축은 충돌 감지에서 제외된다. i번째 축의 캡슐 모델은 링크 조인트 부분의 시작점을 Pi0로, 끝점을 Pi1, 캡슐반구의 반지름을 ri를 이용하여 표현된다. 구스넥 스팅인 R5는 단일 캡슐로 모델링 시 정밀하게 충돌 감지 알고리즘을 수행하기 어려우므로, R51과 R52로 나누어 모델링을 수행했다.
TSR을 제외한 주변 고정 장애물은 풍동 벽, 모기체, 모기체를 지지하는 스팅, 모형지지부가 있으며, 이들은 Table 1의 기하 도형으로 모델링이 가능하다. Fig. 3은 TSR이 장착된 테스트 리그(Test Rig)를 보여준다. 모기체는 Arnold Engineering Development Center(AEDC)에서 그리드 시험 및 CTS를 수행했던 Eglin wing 모형[13]으로 파일런과 기체 하단은 각각 사각형과 삼각형으로 모델링되며 스팅은 캡슐 형태로 모델링 된다. Fig. 4는 충돌 감지 알고리즘 적용을 위한 TSR과 주변 환경을 기하 도형 기반의 3D 모델링 결과를 보여준다. 기하 모델의 오차는 실제 풍동 모형의 기준 위치에서 실측된 값과 기하 모델을 활용해 계산된 거리 값을 기반으로 평가할 수 있다. x,y,z 방향에서의 위치 오차는 2 mm 내외로 평가되며, 이는 충돌 감지 임계값 ϵ 설정시 반영된다.
Test rig(top: Parent model, bottom: TSR)
Geometric modeling of TSR and environments
2.3 TSR 링크 위치 계산을 위한 기구학적 좌표 획득
TSR 충돌 감지 알고리즘을 적용하기 위해서는 시간에 따라 변동되는 각 링크의 좌표를 실시간으로 계산해야한다. TSR 주변 구조물인 풍동 벽, 모기체, 모기체를 지지하는 스팅 등은 고정된 좌표값을 가지나, TSR 자체는 모션에 따라 좌표값이 변동된다. 실시간 좌표를 계산하기 위해 D-H(Denavit-Hartenberg) 표기법을 사용한 기구학 해석을 수행하였다[14]. D-H 표기법은 각 링크에 기준좌표계를 정의하고, 링크의 상대적 위치를 나타내는 D-H 파라미터를 이용하여 각 축의 변환행렬을 계산하는 방식이다. TSR의 각 구동축은 qi로 표현되며, 링크간의 거리 등은 고정 상수 Lj로 정의된다. Table 2는 링크 위치를 계산하기 위해 사용된 D-H 파라미터이다. 이 파라미터들을 기반으로 전체 변환행렬은 식 (2)와 같이 계산된다.
D-H parameters
여기서 B와 T는 각각 기저좌표계와 도구좌표계를 의미한다. 각 변환행렬에서 위치정보를 추출함으로써 각 링크에 대한 실시간 좌표를 얻을 수 있다. 획득한 실시간 좌표를 바탕으로, 모델링된 TSR 구조간의 거리는 식 (1)을 통해 계산된다.
3. TSR 실시간 충돌 감지 검증
3.1 TSR 구현 환경
TSR 제어시스템 소프트웨어는 NI LabVIEW를 사용하여 객체 지향 프로그래밍으로 제작되었다. 제어계측 시스템은 사용자와의 인터페이스를 담당하는 Host P XI와 실시간 제어를 수행하는 RT PXI 시스템으로 구성된다. 각각의 하드웨어는 Host에 PXIe-8840(Intel I7, 4코어, 2.8GHz), RT에 PXIe-8880(Intex Xeon E5, 8코어, 2.3GHz)이 사용되었으며, 충돌 감지 알고리즘은 RT PXI 시스템 내에서 TSR RT모듈 내에 구현된다[2].
Fig. 5는 TSR RT 모듈의 동작 모드를 나타낸다. TSR은 RIG 모드, GRID 모드, CTS 모드 중 한 가지로 동작하며, 충돌 감지 알고리즘은 세 가지 모드의 Safety check단에서 구현된다. TSR RT 모듈에서 충돌 검증을 시행한 후 충돌 여부와 주변 환경 장애물까지의 거리는 Host PXI로 반환되며, GUI에서는 주변 환경 장애물까지의 거리와 각 구동축별 충돌 여부를 표시해준다. Fig. 6은 TSR 제어시스템의 GUI를 보여준다.
TSR RT control mode
TSR GUI
3.2 충돌 감지 알고리즘
TSR의 충돌 감지 알고리즘은 Fig. 7과 같이 작동한다. 알고리즘이 실행 전 TSR과 주변 환경 파라미터값의 초기화가 수행된다. 불필요한 계산 횟수를 줄이기 위해 물리적인 구조상 충돌이 일어나지 않는 축 X1과 R1에 대해서는 충돌 감지 모델 계산에서 제외한다.
Flow chart for collision detection
초기화된 입력파라미터를 활용하여 TSR과 주변환경은 식 (3)과 같이 표현할 수 있다.
충돌 감지 알고리즘은 하드웨어 루프 20 ms로 수행된며, 이동부인 TSR과 고정부인 벽면, 모기체, 모기체 고정 스팅사이의 거리인 D(Wall, TSR), D(Parent, TSR), D(Sting, TSR)은 실시간으로 계산된다. 벽면과 모기체, 모기체 고정 스팅의 충돌의 허용 오차를 ϵw,ϵP,ϵs로 정의했을 때
인 경우 충돌이 감지되고 시스템 동작이 중지된다.
3.3 시나리오 기반 충돌 감지 기능 검증
본 연구의 검증 시험은 풍속이 없는 로컬 환경에서 3.1절에 기술된 제어시스템 소프트웨어를 이용하여 수행되었다. 로컬 테스트에서 충돌의 허용 오차는 요구 정밀도 및 기계적인 특성을 반영하여 설정했다. 실제 풍동 시험에서는 공기력에 의한 구조물의 미세한 변형이나 진동 상황을 고려하여 추가적인 안전 마진을 포함하여 충돌 허용 오차를 설정할 수 있다.
충돌 감지 기능의 검증은 TSR의 위치에 따라 1) TSR과 모기체의 충돌, 2) TSR과 모기체 스팅과의 충돌 3) 장착물 낙하시 실시간 충돌 거리 계산 시나리오에 대해 수행되었다. 장착물의 6자유도 자세와 위치는 (Px,Py,Pz,ψ,θ,φ)로 표현된다. Pi는 i축에서의 위치, ψ는 요우각, θ는 피치각, φ는 롤각을 뜻한다.
3.3.1 TSR(장착물)-모기체 충돌 시나리오
장착물이 모기체 하단에서 파일런에 근접한 위치까지 이동할 때, 허용 오차 범위 이내로 진입하면 충돌로 간주하여 시스템을 정지하는 시나리오를 구성하였다. 장착물 낙하 경로 구현 시 정밀도가 요구되는 점을 고려하여 허용 오차는 ϵp = 0.1″로 설정했다.
Fig. 8(a)의 좌측 그래프에서는 장착물이 6자유도 목표 위치로 이동하는 과정 중, TSR과 모기체 간 충돌이 감지되어 이동이 중단된 시점을 확인할 수 있다. 충돌로 판정된 TSR의 장착물(ID0)과 모기체 파일런(ID1) 간의 거리는 0.098″로 계산되었으며, Fig. 8(a)의 우측 사진을 통해 실제 장착물과 파일런 사이의 간격이 해당 거리임을 확인할 수 있다. 이를 통해 제안한 충돌 감지 알고리즘이 실제 시스템에서 정상적으로 동작함을 검증하였다.
Validation of collision scenarios
3.3.2 TSR(구동축)-모기체(스팅) 충돌 시나리오
TSR의 구동축이 이동 중 모기체 스팅에 근접할 경우, 허용 오차 범위 이내로 진입하면 충돌로 판정하여 시스템을 정지하는 시나리오를 구성하였다. 구동축의 기계적 특성과 물리적 충돌 시 발생할 수 있는 장비 손상을 고려하여 허용 오차는 ϵs = 1″로 설정했다.
Fig. 8(b)의 좌측 그래프에서 TSR의 3번 구동축(ID4)이 Pz 방향으로 이동 중, 스팅(ID1)과의 거리가 0.985″로 계산되어 허용 오차 이내로 진입하면서 이동이 중단된 것을 확인할 수 있다. Fig. 8(b)의 우측 사진은 해당 시점의 실제 시스템 상황을 나타내며, 제안한 충돌 감지 알고리즘이 실시간으로 거리 정보를 반영하여 정확히 동작함을 확인할 수 있다.
3.3.3 장착물 낙하시 실시간 충돌 거리 계산 시나리오
장착물이 원점에서 모기체의 파일런 방향으로 접근한 뒤, 하방으로 수직 이동하였다가 다시 파일런 인근 위치로 복귀하는 시나리오를 구성하여 실시간 거리 계산 값의 유효성을 검증하였다. Fig. 8(c)의 좌측 그래프는 장착물의 Pz 위치는 −2.5″ → 10″→ −2.5″ 로 변화함에 따른 D(TSR, Wall), D(TSR, Parent)의 변화를 보여준다. D(TSR, Wall) 및 D(TSR, Parent)는 각각 TSR을 구성하는 7개의 기하 도형과 고정부(풍동 벽면, 모기체 등)를 구성하는 기하 도형 간의 최단 거리를 실시간으로 계산한 값으로, 식 (1)을 기반으로 한다. D(TSR, Wall)와 D(TSR, Parent)은 그래프에서 각각 RigToWallMinDist_in, RigToParentMInDist_in 로 표현되며, 해당 거리 계산에 사용된 벽면 도형은 RigTowallMinDistWall를 통해 식별된다.
시나리오 상 장착물
Fig. 8(c)의 우측 사진은 해당 시나리오 수행 시 실제 시스템을 보여준다.
3.4 실시간 제어 루프 내 처리 시간 검증
본 연구에서는 제안한 충돌 감지 알고리즘의 실시간 적용 가능성을 검증하기 위해, PXI 기반 제어 시스템에서의 실행시간(Worst-Case Execution Time, WCET)을 측정하였다. 제어 루프는 20 ms 주기로 동작하며, TSR 이 실제로 연속 이동하는 동안 알고리즘을 반복 호출하여 1,000회의 실행시간을 기록하였다.
Table 3은 충돌 감지 알고리즘의 실행시간 통계를 보여준다. 평균 실행시간은 0.75 ms, 95 % 구간은 0.86 ms, WCET은 1.4 ms로 측정되었다. 이는 전체 제어 주기 대비 평균 약 3.8 % 수준의 연산 자원만을 사용하는 것으로, 실시간 루프 내에서 알고리즘이 충분한 시간적 여유를 가지고 안정적으로 수행됨을 의미한다. 특히 TSR이 지속적으로 이동하는 동적 조건에서도 실행시간의 편차는 0.05 ms로 실행시간의 일관성이 높고, 실제 기구학 연산과 통합된 실시간 제어 루프에서도 안정적인 실시간 처리가 가능함을 보여준다.
Collision avoidance algorithm execution time (ms)
4. 결 론
본 논문에서는 풍동 시험 환경에서 운용되는 장착물 분리 모사 장치 TSR의 실시간 충돌 감지를 위한 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 TSR의 주요 구조물 및 주변 환경을 기하학적 도형으로 단순화하여 모델링하고, 각 구조물 간의 최소 거리를 실시간으로 계산함으로써 충돌 가능성을 사전에 감지할 수 있다. 해당 알고리즘은 실제 TSR 제어시스템에 통합 구현되었으며, 장착물 낙하 시나리오를 적용한 시험을 통해 실시간 동작 가능성과 충돌 감지 기능을 검증하였다. 이를 통해 별도의 외부 센서 없이도 TSR의 안전 운용을 위한 기본적인 충돌 감지 수단으로서의 유효성을 확인하였다.
향후에는 다양한 시험 조건과 비정형 환경에서도 안정적으로 적용될 수 있도록 알고리즘의 일반화 및 고도화 방안에 대한 추가 연구가 필요하다. 또한 시스템의 안정성을 더욱 향상시키기 위하여 밸런스에 작용하는 힘이 일정 임계값을 초과할 경우 시험을 자동으로 중지하는 보호기능을 적용하는 방안도 함께 고려할 예정이다.
