30.5.4. 하강 및 대기 단계: 목적지 상공 도달 후 강하율(Descent Rate) 제어를 위한 종단 속도(Terminal Velocity) 점진적 감속(Tapering) 로직

30.5.4. 하강 및 대기 단계: 목적지 상공 도달 후 강하율(Descent Rate) 제어를 위한 종단 속도(Terminal Velocity) 점진적 감속(Tapering) 로직

기체가 RTL(Return To Launch)의 수평 복귀 단계(RTL_STATE_RETURN)를 마치고 목적지 상공(Home, Rally Point 등)의 지정된 허용 반경 내에 진입하게 되면, 시스템은 지면을 향해 고도를 낮추는 **하강 단계(RTL_STATE_DESCEND)**로 전이한다.

하강 과정은 고도를 깎아내려 지면 펀칭(Ground Punching) 위험에 직접적으로 노출되는 단계이므로, 단순히 일정한 속도로 수직 강하하는 것이 아니라 고도 구간별로 상이한 강하율(Descent Rate) 제어가 요구된다. 본 장에서는 PX4-Autopilot의 멀티로터 위치 제어 시스템이 높은 고도의 고속 강하 속도를 지표면 근처에서 어떻게 점진적으로 감속(Tapering)시키며 부드러운 종단 속도(Terminal Velocity)에 수렴하게 하는지 제어 알고리즘을 분석한다.

1. 하강 단계의 2단계(Two-stage) 속도 프로필

RTL의 하강 및 착륙 알고리즘은 에너지 효율을 위한 “고속 하강“과 안전 착륙을 위한 “저속 정밀 하강“이라는 상충되는 두 가지 목표를 달성하기 위해, 지표면으로부터 특정 임계 고도를 기준으로 하강 속도 프로필(Profile)을 이원화하여 관리한다.

1.1 크루즈 하강 구간 (고속 하강)

기체가 RTL_RETURN_ALT (예: 30m)에서부터 지면 근처의 특정 고도(MPC_LAND_ALT2, 통상 5m~10m)에 도달하기 전까지의 구간이다.

  • 이때의 목표 강하율 세트포인트(vz_setpoint)는 MPC_Z_VEL_MAX_DN 파라미터(기본값 1.0m/s ~ 3.0m/s)를 추종한다.
  • 이 구간에서는 공기역학적 와류 상태(VRS, Vortex Ring State)에 빠지지 않는 선에서 최대한 빠르게 고도를 낮춰 배터리를 절약하고 체공 시간을 단축하는 것에 초점을 맞춘다.

1.2 정밀 착륙 구간 (저속 강하)

고도가 지면에 근접함에 따라(예컨대 지면 위 MPC_LAND_ALT2 혹은 MPC_LAND_ALT1 임계선 통과 시), Z축 하강 속도 설정점은 MPC_LAND_SPEED (통상 0.5m/s ~ 0.7m/s) 값으로 전환된다.

  • 지면 효과(Ground Effect)로 인해 튀어오르는 반발력을 최소화하고, 단단한 지면에 랜딩 기어가 부딪칠 때 기체 프레임과 페이로드(짐벌, 센서) 파손을 막기 위한 안전(충격량 완화) 구간이다.

2. 점진적 감속(Tapering) 로직과 Jerk 제한 모델

과거의 원시적인 제어기에서는 고속 하강 통과선을 지나는 순간 \Delta V_z가 3.0m/s에서 0.5m/s로 계단형(Step-wise)으로 급변했다. 이러한 불연속적인 Setpoint 하달은 미분기(Derivative)의 급격한 킥(Derivative Kick)을 유발하여 기체의 모터가 급정지/급가속하며 요동치는 현상을 초래했다.

최신 PX4의 FlightTaskAuto 및 궤적 생성기(Trajectory Generator) 로직은 이 문제를 극복하기 위해 점진적 감속(Tapering) 및 저크(Jerk) 제한 모델을 도입했다.

  1. Jerk 및 평활화(Smoothing) 제약: 하이-레벨 네비게이터 단에서 목표 하강 속도를 변경하더라도, 미들웨어의 궤적 생성기는 하드코딩된 MPC_JERK_MAX (단위시간당 가속도 변화량) 한계 내에서 Z축 가속도 프로필을 부드럽게 S-Curve(Sigmoid 형태)로 보간하여 P-Controller에 넘겨준다.
  2. 에측 감속 거리 계산: 기체가 현재 속도(V_0)에서 최종 착륙 속도(V_f)까지 감속하는 데 필요한 정지 제동 거리(Braking Distance)를 운동학적으로 예측 연산한다. 기체가 이 가상의 거리 한계 내로 진입하면, 지면 지시 고도에 도달하기 이전부터 서서히 Tapering(감속)을 시작하여, 센서의 딜레이나 관성 오차를 극복하고 목표 위치에서 정확하게 MPC_LAND_SPEED로 종단 속도를 수렴시킨다.
graph TD
    A[목표 상공 도달 및 RTL_STATE_DESCEND 진입] --> B[Z축 속도 Setpoint = MPC_Z_VEL_MAX_DN 할당]
    B --> C{현재 고도가 MPC_LAND_ALT2<br>통과 또는 제동 거리 이내인가?}
    C -->|No| D[고속 강하 유지]
    C -->|Yes| E[Z축 속도 Setpoint를 MPC_LAND_SPEED로 재할당]
    E --> F[궤적 생성기: Jerk-limited 모델 기반의 점진적 S-Curve 감속 프로필 생성]
    D --> C
    F --> G[센서/모터 무리 없이 부드러운 종단 제어 속도 수렴]
    G --> H[안전 착륙 전이 (RTL_STATE_LAND)]

3. 대기(Loiter) 상태로의 전이 분기점 (RTL_DESCEND_ALT)

모든 RTL 하강이 착륙을 보장하는 것은 아니다. 운영자는 환경상의 안전 불확실성을 고려해, 자동 착륙 전 조종사가 개입할 시간을 벌 수 있도록 대기 고도(RTL_DESCEND_ALT) 파라미터를 활용할 수 있다.

  • 기체가 RTL_DESCEND_ALT(예: 10m)에 도달하면 하강 상태(RTL_STATE_DESCEND)를 종료하고 즉각 대기 상태(RTL_STATE_LOITER)로 전이한다.
  • 이 때 Z축 속도는 0 수렴 (Hovering)하며, 기체 유지 위치에 안착한다.
  • RTL_LAND_DELAY 파라미터가 0이면 즉시 착륙 상태로 전이하지만, 양수 값(예: 30초)이 설정되어 있으면 지정된 시간 초(seconds)만큼 카운트다운을 세며 대기하고, 조종자가 모드를 변경(Stabilized/Position)하여 기체를 탈취(Takeover)할 기회를 부여한다.

4. 고도 병합 및 EKF2 고도 센서 신뢰도 문제

하강 시 지표면 근방의 고도 측정(h_agl)은 기체의 생사가 걸린 민감한 부분이다.

  • 하강 초기에는 GPS 고도 데이터나 기압계(Barometer) 기준 상대 고도를 신뢰하지만, 기압계는 대기 온/습도 변화에 의한 오프셋 튐(Drift) 현상이 잦다.
  • 따라서 PX4 시스템은 지표면에 가까워지는 정밀 착륙 구간에 접어들면 고도 측정 루틴의 가중치를 레이저 고도계(LiDAR) 혹은 초음파 센서(Sonar) 중심의 지표면 이격 고도(AGL, Above Ground Level) 피드백 루프로 동적 전환(Sensor Fusion Weighting Change)시킨다.
  • 이는 수평 복귀 중 지형의 표고 변화가 컸더라도, 기압계의 절대 고도와 무관하게 실제 지면과의 물리적 잔여 거리를 토대로 강하율 스케줄링을 재설정하여 Hard-landing(강한 충돌)을 방어하는 메커니즘이다.

5. 요약 및 관제적 의의

RTL의 하강 및 대기 단계는 드론이 이룩했던 상공의 자유(3D)에서 지상 구속(Ground) 상태로 돌아가는 에너지 소산 과정이다.
PX4의 점진적 강하율 튜닝(Tapering) 철학과 Jerk 한계 모델은, 강하 중 발생할 수 있는 소용돌이(VRS) 난기류를 극복하고 무거운 탑재물(짐벌 렌즈, 화물 등)에 가해지는 G-Force 충격을 감쇠시키는 기계수명 연장의 핵심 로직이다. GCS 운용자는 RTL_LAND_DELAY의 전략적 세팅을 통해 최종 터치다운 직전의 안전 담보 구역(Safety Buffer Zone)을 자율 비행 시스템 안에 강제 확보하는 설계 감각을 가져야 한다.