한서대학교 - The Development of Intelligent Wind-Tunnel

Author(s):
홍재영 대학원생 - 한서대학교 항공기계학과

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
The Development of Intelligent Wind-Tunnel은 3차원 형상의 항공기의 공기역학적 데이터를 수집하는 과정을 자동화하고, 수집 데이터의 정확도를 높이기 위하여 설계 되었다.

The Solution:
내쇼날인스트루먼트에서 판매하는 다기능 데이터 수집 보드 의 AI(Analog Input), AO(Analog Output), DIO(Digital Input and Output)의 기능들을 사용.

요약 :
The Development of Intelligent Wind-Tunnel은 3차원 형상의 항공기의 공기역학적 데이터를 수집하는 과정을 자동화하고, 수집 데이터의 정확도를 높이기 위하여 설계 되었다. 내쇼날인스트루먼트에서 판매하는 다기능 데이터 수집 보드 의 AI(Analog Input), AO(Analog Output), DIO(Digital Input and Output)의 기능들을 사용하게 되면, 기존에 Operator가 해왔던 일들, 실험체의 각도 변화, 풍동의 풍속조절등과 같은 반복적이고 지루한 작업들을 자동화 할 수 있을 뿐만 아니라, 실험자는 Web Publishing기능을 통하여 원거리에서 실험의 진행 상황을 모니터링 및 제어 할 수 있게 된다.

개발 배경 :
본 실험실에서는 항공기 설계의 초기단계에서 필요한 날개의 3차원 형상의 공기역학 데이터를 획득하기 위하여 Wind-Tunnel을 이용한 실험을 주로 하고 있다. 기존의 풍동실험 절차는 날개의 AOA(Angle Of Attack)을 조절하고 풍속이 실험풍속과 일치하는지를 모니터링 및 제어 하고 3축의 Loadcell 데이터를 수집 하게 된다. 이 절차는 일반적으로 AOA을 -10도에서 40까지 1도(보통)씩 변화 시켜가면서 반복하게 된다. 또한 공기역학 데이터들은 주위의 환경변수들에 민감하게 반응하기 때문에 하나의 날개는 실험을 여러 번 반복하여 산술평균 데이터를 이용하게 된다. 이러한 절차가 모두 Operator에 의하여 수동으로 행하여 지기 때문에 실험시간이 길어질 뿐만 아니라, Operator의 부주의로 인하여 잘못된 데이터를 얻게 될 수도 있었다. 그리고 가장 큰 문제점은 AOA의 변화를 사람의 눈과 손으로 조절하기 때문에 정확한 각도의 조정에 많은 문제점이 있었다. 앞에서 언급한 실험의 절차를 자동화한다면 Operator의 시간비용을 크게 감소 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 실험의 반복횟수의 증가와 정확한 AOA의 조절로 인하여 훨씬 더 정확한 실험 데이터를 수집할 수 있을 것이라 예상되었다.

본론

시스템 구성
Wind-Tunnel의 전체 시스템의 구성도는 다음의 그림 1과 같다.

그림 1. 시스템 구성

Wind-Tunnel의 Test Section에는 AOA을 조절하기 위한 Step Motor, 풍속을 측정하기 위한 Pilot-System, 실험체에 작용하는 하중을 측정하기 위한 3축 Loadcell이 장착되고, 이 것들은 데이터 수집 보드와 연결되어 신호를 주거나 받게 된다. 그리고 Wind-Tunnel의 모터를 컨트롤 하는 Inverter 역시 데이터 수집 보드의 AI와 AO에 연결되어 모터의 RPM값을 보드로 보내고, 모터의 rpm을 제어 하기 위한 Voltage 입력값을 보드로부터 받는다. 위의 장비들은 모두 보드가 장착된 PC(PXI-1002)로 제어 되며, 실험의 전체 진행은 초기에 Operator가 실험반복횟수, AOA의 시작점, 끝점, 각도 Interval, 목표풍속 등과 같은 실험조건 값들과 하드웨어의 Setting값들을 입력함으로써 완전 자동화되고, 실험 결과 데이터들은 자체의 File Base System에 저장되게 된다. 또한 이러한 기능은 Web Publishing 기능을 이용하여 원격으로 모니터링 및 제어가 가능하다.

실험 과정
다음의 그림 2는 Intelligent Wind-Tunnel V1.0의 전체 실험 절차를 나타내고 있다.

그림 2. Intelligent Wind-Tunnel V1.0 전체 흐름도

위의 그림 2을 보게 되면 크게 3개의 sequence로 나눌 수 있는데, 이 중에 실험자가 직접 수행하는 작업은 첫 번째 sequence 중 사용할 Calibration file선택하는 것과 실험의 시작버튼을 누르는 작업뿐 이다. 그 외의 모든 실험 절차는 미리 정해진 Sequence와 판단 조건들에 의하여 자동으로 수행된다.

프로그램 설정
다음의 그림 3 은 제어 및 데이터수집 부분의 명령 흐름도를 보여주고 있다.

그림 3. 제어 및 데이터수집 부분의 명령 흐름도

Intelligent Wind-Tunnel V1.0의 제어 및 수집의 부분은 각각의 기능별로 Loop를 분리하였으며, Sub Loop들은 Main Loop의 요청에 따라서 Notifier를 통하여 Sub Loop들로 원하는 작업명령들이 전달되며, Loop는 작업이 끝나게 되면 Main Loop로 Answer 신호를 보내어 Main Loop가 다음의 Sequence로 진행할 수 있도록 한다.

GUI 화면
다음의 그림 4는 GUI 화면을 보여주고 있다. 복잡한 실험의 절차를 자동화 함에 따라, 사용자는 실험 중에 행하였던 모든 값들과 판단조건들을 프로그램의 시작 시에 입력하여 주어야 한다. 그로 인하여 많은 입력값 들이 요구되게 되었다. GUI의 가독성을 높이기 위하여 색상으로 각각 컨트롤과 인디케이터를 분리하였다. 붉은색은 실험대상체에 대한 Property, 황색은 명령 버튼, 파란색과 Main Window는 Indicator임을 나타내고 있다. 그리고 Tap Control에는 하드웨어 Setting, Graphic Window 및 Result File Path가 포함되어 있다.

그림 4. GUI 화면

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 :
본고에서는 한서대학교 항공기계공학과 공기역학연구실에서 쓰고 있던 일반 수동형 Wind-Tunnel에 다기능 데이터 수집 보드를 추가하여 Intelligent Wind-Tunnel로 발전된 것을 보여 주었다. 하나의 데이터 수집 보드의 추가와 LabVIEW를 통하여 풍동실험의 모든 절차는 완전 자동화 되었으며, 그로 인한 이점을 정리하여 보면 다음과 같다.

1) 실험 소요시간의 감소의 의한 연구원의 시간비용 감소
2) 반복 실험의 가능 및 정확한 AOA의 조정에 의한 실험데이터의 정확도 향상
3) 보다 미세한 AOA의 조절 가능 (현재 0.01도까지도 가능)
4) 실험의 전체적인 이해 없이도 누구나 실험 가능
5) File Base System의 구축에 의한 실험 결과 file의 효율적인 관리
6) Master의 원격감시에 의한 실험오류의 감소

앞에서 설명한 데이터수집 외에도 Loadcell의 Calibration, Amplifier의 영점 조절, 데이터의 Curve-Fitting, 실험 데이터들의 관리등과 같은 추가적인 기능을 갖추고 있다. 이렇게 풍동실험의 전체 과정을 하나의 프로그램으로 수행하도록 하였다.
이와 같이 LabVIEW와 다기능 데이터 수집 보드를 사용하여 풍동실험을 위한 Total Solution을 제공할 수 있는 어플리케이션을 개발하였다.

후기
현재 개발된 Intelligent Wind-Tunnel은 항공분야에서 가장 기본 적인 3축 데이터 수집 기능 만을 갖추고 있다. 보다 발전된 Intelligent Wind-Tunnel system을 구축하기 위하여서는 항공기 주위의 공기흐름을 Visualization해주기 위한 Vision Module, Smoke Generator을 On-Off 시켜주기 위한 Relay Board, Loadcell 신호의 정확도의 향상 및 소프트웨어적으로 Amplifier를 제어 할 수 있는 SCXI Module이 필요할 것으로 생각된다.

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
홍재영 대학원생
한서대학교 항공기계학과

Browse All Case Studies »