자율 도심 항공 모빌리티 차량 개발 지원

자율 도시 항공 모빌리티 차량은 도시 모빌리티 시장에 혁명을 일으킬 것입니다. 디지털 트윈은 안전한 제품을 보장하는 효율적인 개발 프로세스의 일부로서 매우 중요합니다.

자율 도시 항공 모빌리티 차량을 비행할 때 안전한 운영이 핵심입니다. 항공편 확인, 가능한 한 많은 비행 시나리오 및 운영 조건에 대한 관리 시스템이 중요합니다. 이것이 비행 관리 시스템의 디지털 트윈에 항공기와 환경의 시뮬레이션 모델이 모두 포함되어야 하는 이유입니다.

자율 도심 항공 모빌리티 차량을 위한 시뮬레이션 프레임워크 

이 연구는 지상 차량용 자동 운전 시스템 개발에서 입증된 실적을 가진 시뮬레이션 프레임워크가 자동 비행 개발을 지원할 수 있는지 여부를 평가했습니다.

관리 시스템을 통합적으로 관리합니다. 프레임워크에는 시간 영역 시뮬레이션을 수행하는 3개의 결합된 소프트웨어 패키지가 포함되어 있습니다.

Simcenter Amesim®은 비행 동역학, 추진 시스템 및 항법 제어 루프를 모델링합니다.

Simcenter Prescan®은 도시 환경과 환경의 특징(예: 카메라, 라이다)을 감지하는 외수용 센서를 모델링합니다.

Simulink®는 Simcenter Amesim과 Simcenter Prescan을 모두 연결합니다.

아래 그림은 시뮬레이션 프레임워크를 보여줍니다. 드론의 상태는 Simcenter Amesim에서 Simcenter Prescan으로 전달되어 환경과 관련하여 항공기 지오메트리 및 센서를 배치합니다. 다음으로 Simcenter Prescan은 센서 데이터를 계산하고 기준 궤적 정보를 제공합니다. 객체 감지 및 안전한 궤도 계획 알고리즘은 이 입력을 사용하여 안전한 궤도를 계산합니다. 그런 다음 Simcenter Amesim으로 전달됩니다.

[Figure1 - simulation framework]

도심 항공 모빌리티 차량 및 환경 모델링

이 접근 방식을 시연하기 위해 이 연구에서는 현실적인 설계 매개변수가 있는 완전 전기식 4인승 옥토콥터를 사용합니다. 도시 항공 이동 차량에는 2개의 덕트 역회전 프로펠러 4세트가 있습니다. 각 프로펠러는 이전 Siemens SP-200D 모터를 기반으로 한 200kW의 전기 모터와 결합됩니다. 110kWh 용량의 배터리가 항공기에 전원을 공급합니다. 결과적으로 차량은 120km/h의 순항 속도로 15분의 자율성을 갖습니다.

Simcenter Amesim 모델에는 이후 8개의 위상 모델과 결합된 8개의 프로펠러 모델이 포함되어 있습니다.

변조 동기 모터. 6 자유도 모델과 단순화된 공기역학 모델과 함께 비행 동역학 동작을 제공합니다. 시스템 모델에는 배터리, 접지 계약 요소 및 PID 제어 루프도 포함됩니다. PID 제어 루프는 항공기가 안전한 궤적을 따르도록 합니다.

뮌헨 인근의 Siemens Perlach Campus의 고충실도 모델을 Simcenter Prescan의 도시 환경으로 배포했습니다. Simcenter Prescan LiDAR 센서 모델은 환경의 포인트 클라우드 정보를 제공하는 고성능 상업용 LiDAR 시스템을 나타냅니다. 마지막으로 Simulink에서 간소화된 장애물 감지 및 회피 알고리즘을 구현했습니다.

다중 충돌 시나리오 시뮬레이션

이 연구는 여러 충돌 시나리오를 시뮬레이션하고 시뮬레이션 프레임워크를 사용하여 장애물 감지 및 회피 기능을 평가했습니다. 시나리오에는 계획된 비행 경로에서 방향이 다른 타워 크레인이 포함됩니다.

크레인의 방향에 따라 다른 궤적을 계산했습니다. 크레인을 배치하면

비행 경로를 가로질러 수직으로, 미리 잘 감지됩니다. 크레인에 대한 이방인 전환은 안전한 작업을 보장했습니다. 그러나 크레인이 비행 경로에 정렬되면 매우 늦게 감지됩니다. 공격적인 측면 기동으로 장애물을 피할 수 있습니다. 이 사건에서 시스템 시뮬레이션은 추진 시스템이 한계에 가깝게 작동해야 한다는 것을 드러냈습니다.

Simcenter Amesim – Flight dynamics

Simcenter Amesim – Environment & Cosimulation

Simcenter Prescan - import Siemens NX Model to Prescan

Simcenter Prescan – LiDAR sensor model

Simulink - 장애물 감지 및 회피 알고리즘 Emergency Stop

Simulink - 장애물 감지 및 회피 알고리즘Avoidance

결과는 또한 항공기의 구조적 평가 및 회피 기동 중 승객의 편안함 평가를 위한 항공기 가속 수준을 표시합니다.

그림 3. 장애물 회피 기동의 시스템 시뮬레이션 결과

이 연구는 Simcenter Prescan과 함께 Simcenter Amesim에 자율 도심 항공 모빌리티 차량의 자동 비행 기능 개발 및 검증을 지원하는 데 필요한 모든 기능이 포함되어 있다고 결론지었습니다.

우리는 이 연구를 다음과 같이 확장할 계획입니다.

Simcenter Madymo로 모델링한 승객의 인체 모션 시뮬레이션. 

Simcenter 3D Motion으로 시뮬레이션된 항공기 동역학과 결합.

Simcenter 3D Acoustics를 사용한 비행 소음 예측.

Jan Verheyen은 벨기에 루벤에 있는 Siemens Digital Industries Software에서 인턴십의 일환으로 위의 연구를 수행했습니다. Jan은 Delft University of Technology 제어 및 시뮬레이션 부서의 항공우주 공학 석사 학생입니다.