대한민국 공군 중고도 무인기(KUS-FS MUAV) 활주로 착륙 안티스키드(ABS) 브레이크 및 휠 슬립률 추정 1,000Hz 0-Alloc C# 감속제어 엔진

제1장: 활주로 접지 타이어-노면 마찰역학 및 슬립률 모델

기체 지상속도 $V_{\text{ground}}$와 메인 랜딩기어 휠의 회전 각속도 $\omega_{\text{wheel}}$, 유효 반경 $R_{\text{eff}}$로부터 정의되는 종방향 제동 슬립률 $\lambda$와 파세이카(Pacejka) 매직 포뮬러에 따른 마찰계수 $\mu(\lambda)$는 다음과 같습니다:

슬립률이 $\lambda_{\text{opt}}$를 초과하는 순간 $\frac{\partial \mu}{\partial \lambda} < 0$인 불안정 영역으로 진입하여 휠 감속도 $\dot{\omega}$가 급격히 음수로 발산하면서 0.05초 만에 휠 락이 발생하므로, 제어기는 슬립률 기울기를 감지 즉시 감압(Pressure Relief)을 수행해야 합니다.

제2장: 고속 유압 서보 밸브 압력 변조 및 노면 적응형 제동

안티스키드 제어 밸브의 충배기 PWM 듀티비 $D_{\text{pwm}}$와 브레이크 챔버 압력 $P_{\text{brake}}$의 동특성 방정식은 다음과 같습니다:

제3장: 1,000Hz 0-Alloc C# MUAV 안티스키드 브레이크 제어 엔진

1ms 주기로 양측 메인 휠의 슬립률을 독립 감시하고 최적 유압 밸브 듀티를 무할당 연산하는 순수 C# 실시간 엔진 구조체입니다:

using System;
using System.Numerics;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.KusfsMuav
{
    /// <summary>
    /// 활주로 착륙 주행 센서 입력 구조체 (0-Alloc stack-only)
    /// </summary>
    public readonly struct MuavLandingRolloutState
    {
        public readonly float GroundSpeedMps;       // INS 기체 대지속도 Vg (m/s)
        public readonly float LeftWheelSpeedMps;    // 좌측 휠 접지속도 R*w_left (m/s)
        public readonly float RightWheelSpeedMps;   // 우측 휠 접지속도 R*w_right (m/s)
        public readonly float PilotBrakePedal;      // 원격 조종사/FCS 제동 요구율 (0.0~1.0)
        public readonly float WeightOnWheelsKg;     // 착륙장치 수직 지지 하중 W_gear (kg)
        public readonly bool RunwayWetCondition;    // 젖은 활주로 여부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public MuavLandingRolloutState(
            float groundSpeed, float leftWheelSpeed, float rightWheelSpeed,
            float pilotBrake, float wowKg, bool isWet)
        {
            GroundSpeedMps = groundSpeed;
            LeftWheelSpeedMps = leftWheelSpeed;
            RightWheelSpeedMps = rightWheelSpeed;
            PilotBrakePedal = pilotBrake;
            WeightOnWheelsKg = wowKg;
            RunwayWetCondition = isWet;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 안티스키드 유압 서보 제어 출력 구조체
    /// </summary>
    public readonly struct MuavBrakeControlOutput
    {
        public readonly float LeftBrakePressureBar; // 좌측 브레이크 유압 (0~210 bar)
        public readonly float RightBrakePressureBar;// 우측 브레이크 유압 (0~210 bar)
        public readonly float LeftSlipRatio;        // 좌측 휠 슬립률 (0.0~1.0)
        public readonly float RightSlipRatio;       // 우측 휠 슬립률 (0.0~1.0)
        public readonly bool LeftSkidDetected;      // 좌측 휠 미끄러짐 감지 경보
        public readonly bool RightSkidDetected;     // 우측 휠 미끄러짐 감지 경보

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public MuavBrakeControlOutput(
            float pLeft, float pRight, float slipLeft, float slipRight, bool skidL, bool skidR)
        {
            LeftBrakePressureBar = pLeft;
            RightBrakePressureBar = pRight;
            LeftSlipRatio = slipLeft;
            RightSlipRatio = slipRight;
            LeftSkidDetected = skidL;
            RightSkidDetected = skidR;
        }
    }

    /// <summary>
    /// KUS-FS MUAV 착륙 활주 1,000Hz 0-Alloc 안티스키드 제어 엔진
    /// </summary>
    public ref struct MuavAntiSkidBrakingEngine
    {
        private const float MaxSystemPressureBar = 206.8f; // 항공 3000 psi 시스템
        private const float MinSpeedForAbs = 4.0f;         // 4 m/s 이하에서는 저속 정지 위해 ABS 해제
        private const float OptimalSlipDry = 0.15f;        // 마른 활주로 최적 슬립률
        private const float OptimalSlipWet = 0.10f;        // 젖은 활주로 최적 슬립률

        // 내부 밸브 적분 상태
        private float _leftPressureBar;
        private float _rightPressureBar;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public MuavBrakeControlOutput Step1000Hz(in MuavLandingRolloutState state, float dt)
        {
            float vg = MathF.Max(state.GroundSpeedMps, 0.1f);

            // 1. 좌/우 메인 휠 슬립률 계산 (0.0 ~ 1.0)
            float slipL = Math.Clamp((vg - state.LeftWheelSpeedMps) / vg, 0.0f, 1.0f);
            float slipR = Math.Clamp((vg - state.RightWheelSpeedMps) / vg, 0.0f, 1.0f);

            float targetSlip = state.RunwayWetCondition ? OptimalSlipWet : OptimalSlipDry;
            float maxAllowedPressure = state.PilotBrakePedal * MaxSystemPressureBar;

            // 저속(택싱/완전정지 단계)에서는 일반 브레이크 동작
            if (vg < MinSpeedForAbs)
            {
                _leftPressureBar = maxAllowedPressure;
                _rightPressureBar = maxAllowedPressure;
                return new MuavBrakeControlOutput(
                    _leftPressureBar, _rightPressureBar, slipL, slipR, false, false);
            }

            // 2. 좌측 휠 안티스키드 슬립률 폐루프 밸브 제어
            bool skidL = slipL > targetSlip;
            if (skidL)
            {
                // 슬립률 초과: 초고속 감압 (Release, 800 bar/s)
                float releaseRate = 800.0f * (slipL - targetSlip) / targetSlip;
                _leftPressureBar = MathF.Max(0.0f, _leftPressureBar - releaseRate * dt);
            }
            else
            {
                // 슬립률 여유: 점진 가압 (Apply, 250 bar/s)
                _leftPressureBar = MathF.Min(maxAllowedPressure, _leftPressureBar + 250.0f * dt);
            }

            // 3. 우측 휠 안티스키드 슬립률 폐루프 밸브 제어
            bool skidR = slipR > targetSlip;
            if (skidR)
            {
                float releaseRate = 800.0f * (slipR - targetSlip) / targetSlip;
                _rightPressureBar = MathF.Max(0.0f, _rightPressureBar - releaseRate * dt);
            }
            else
            {
                _rightPressureBar = MathF.Min(maxAllowedPressure, _rightPressureBar + 250.0f * dt);
            }

            return new MuavBrakeControlOutput(
                _leftPressureBar,
                _rightPressureBar,
                slipL,
                slipR,
                skidL,
                skidR
            );
        }
    }
}

제4장: 2022 개정 교육과정 연계 교과 융합 지도안 (교사용 가이드)