KR100206170B1

KR100206170B1 - 자이로 중력 영향 편류 보상방법 및 회로

Info

Publication number: KR100206170B1
Application number: KR1019910022110A
Authority: KR
Inventors: 최태봉
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1991-12-04
Filing date: 1991-12-04
Publication date: 1999-07-01
Also published as: KR930013688A

Abstract

자이로 중력 영향 편류 보상방법에 있어서, 상기 자이로로 인가되는 가속도를 실시간 추정하고, 상기 측정값의 크기에 비례하는 자이로 중력 영향 편류량을 보상 입력하며, 상기 보상 출력을 코멘드 입력단에 인가하여 중력 영향에 의한 자이로의 편류 오차를 보상하도록 되어 있다.

Description

자이로 중력 영향 편류 보상방법 및 회로

제1도는 종래의 회로도.

제2도는 본 발명의 실시예에 따른 블럭도.

제3도는 본 발명의 실시예에 따른 2축 조준선 안정화 자이도 배치도.

제4도는 제2도의 구체 회로도.

본 발명은 자이로(GYRO)의 중력에 의한 편류 오차 보상방법 및 회로에 관한 것으로, 특히 시스템의 자세 변화 및 시스템의 이동에 의한 가속도의 변화로 인하여 자이로의 질량 불균형 오차 크기의 변화에 따라 유발되는 자이로의 중력 영향 편류를 가속도계를 이용하여 실시간으로 보상하는 자이로 중력 영향 편류 보상방법 및 회로에 관한 것이다.

종래 사용된 편류보상방법은 시스템 동작 초기조건에서의 자이로(GYRO) 편류 오차를 수동적으로 보상하도록 되어 있으며, 이때 보상되는 자이로(GYRO) 오차는 시스템 동작 초기 자세에서의 자이로 바이어스(GYRO Bias) 오차 및 질량 불균형 오차가 구별되지 않고, 동시에 고정된 시스템 편류 오차로 보상된다.

제1도와 같이 구성된 자이로(300)를 이용한 일반 관성항법장치나 사격 통제 장치에서 시스템의 편류 오차 요소는 제1도의 인터페이스회로의 노이즈단ⓐ, 콘트롤러회로의 노이즈단ⓑ, 센서의 노이즈단ⓒ으로 구분될 수 있으며, 이를 보상하기 위한 종래 방법은 운용자가 직접 손으로 제1도의 전위차계를 조정하여 시스템 초기 상태에서의 편류 발생 요소의 크기와 동등한 크기의 보상신호(Vd)를 제1도와 같이 인가하여 편류를 보상하였다. 즉, Vd-(Va+Vb+Vc)=Vε=0가 되도록 함으로써 시스템의 초기 편류 오차 요소를 보상하였다.

이로 인하여 시스템의 동작 초기 자세에서 시스템 편류 오차 보상 후 시스템의 자세 변화나 시스템의 이동에 의해 가속도 변화가 있을 경우 자이로(300)의 내부 회전체의 회전 중심축에 대한 질량 불균형(mass unbalance)의 오차 크기가 변화되어, 시스템 동작 초기의 편류 보상값과 시스템의 자이로(300)의 편류 오차 크기가 다르게 되어 또다른 시스템 편류가 발생하여 시스템 성능 저하를 유발하게 되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 시스템의 자세 변화 및 시스템의 이동에 의한 가속도 변화로 인해 자이로의 질량 불균형 오차 크기가 변화됨에 따라 유발되는 자이로의 중력 영향 편류를 가속도계를 이용하여 실시간으로 보상하기 위한 방법 및 회로를 제공함에 있다.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명의 실시예에 따른 블록도로서, 가산기(10,30,40), 감산기(20), 콘트롤러(100), 드라이버(200)를 구비한 자이로(300)의 중력 영향 편류 보상회로에 있어서, 상기 자이로(300)로 인가되는 가속도를 실시간으로 측정하는 가속도계(500)와, 상기 가속도계(500)로부터 측정한 값에 비례하여 중력 영향 편류량을 보상하여 코멘트 입력단으로 제공하는 보상회로(400)로 구성된다.

여기서, 시스템의 자세 변화와 시스템의 이동에 의한 가속도 변화에 의해 자이로(300)의 질량 불균형 오차 크기가 변동되어 발생되는 자이로(300)의 중력 영향 편류를 보상하기 위해 자이로(300)로 인가되는 가속도를 가속도계(500)를 이용하여 실시간으로 측정하여 그 크기에 비례하는 자이로 중력 영향 편류량을 보상하는 보상회로(400)의 입력으로 전달하여 상기 보상회로(400)의 보상 출력을 코멘드(CMD; Commender)의 입력단으로 인가해줌으로써 중력 영향에 의한 자이로(300)의 편류 오차를 보상한다.

본 발명에서 제2도로 제시한 편류 보상기의 구체회로는 제4도와 같이 가속도계(500)와 보상회로(400)으로 구성된다. 상기 보상회로(400)를 이용하여 중력 영향 편류를 보상하기 위해 상기 보상회로(400)가 설치된 시스템에서 사용한 자이로(500)의 질량 불균형 오차계수를 구해야 하며, 상기 오차 계수를 이용하여 적합한 가속도계의 선정 및 보상회로의 계수를 설정하여야 한다. 즉, 중력 영향에 의한 자이로 편류를 보상하기 위한 보상기의 설계 순서는 제4도와 같다. 제4도는 가속도계(500)는 가속도의 우측방향을 센싱하는 Y측 가속도센서(A1)와, 상기 가속도의 수직방향을 센싱하는 Z측 가속도 센서(A2)로 구성되고, 보상회로(400)는 상기 가속도계(500)의 출력값의 부호를 변환하고, 상기 변환된 부호에 따라 음수값을 가질 시 상기 Y, Z측 가속도센서의 출력값을 환산 증폭하여 이득을 조절하는 AZ보상기(401)과, 상기 변환된 부호값이 음수일시 상기 AZ보상기(401)의 처리된 출력돠 바이어싱 출력 및 상기 가속도 센서의 출력을 받아 환산 증폭하여 이득을 조절하여 상기 코멘드 신호로 제공하는 EL보상기(402)로 구성되고, 상기 가속도계(500)의 출력을 변환스위치인 딥스위치(SW1)를 통하여 보상회로(400)로 입력토록 구성되어 있다.

본 발명에서는 2개의 1자유로 레이트 미분 자이로(GYRO)를 이용하여 2축(Azimuth,Elevation) 조준선 안정화를 이룩하는 시스템에 대한 중력 영향 편류 보상회로를 설계한다.

자이로 오차 계수(중략 편향에 대한) 추정은 2축 조전선 안정화 시스템에 장착된 방위각(Azimuth : 이하 Az로 표시) 자이로와 고각(Eleration : 이하 EL로 표시) 자이로의 배치는 제3도와 같다. 제3도에서 나타낸 기준 좌표계는 시스템의 전진 방향을 X축으로 하고, 우측 방향을 Y축, 수직 방향을 Z축으로 하는 오른손 좌표계이다.

제3도와 같이 배치된 자이로의 여러 오차 요인은 식 (1)과 같은 오차 모델로 나타낼 수 있다.

여기서 Se=△Ke/Ke, Sa=△Ka/Ka이며 Ke, △Ke, △Ka, Ka : AZ, EL 자이로 기준 환산 계수 및 오차(mA/°/h), Ve, Va : EL, AZ 자이로 출력, Wy, Wz : EL, AZ 자이로의 입력 각속도(°/h), mSe, mSa : EL, AZ 자이로의 질량 불균형 계수(회전축), mie, mia : EL, AZ 자이로의 질량 불균형 계수(입력축), ay, az : EL, AZ 자이로의 입력 가속도(g), be, ba : EL, AZ 자이로의 바이어스(°/h)이다.

즉 여기서 질량 불균형 계수 mSe, mSa, mie, mia를 구하기 위해서는 자이로 오차 계숙 추정 시험 방법 중의 하나인 다위치 시험(multiposition test)에 의해 오차 계수 추정이 가능하다.

자이로 오차 계수 추정 시험 방법의 상세 내용은 U. Krogmann, Identification procedures for Strapdown Sensor Parameters by Laboratory Testing, DGON-Symposium Gyro Technology Bochum, Germary, 1978를 참조하기 바라며, 여기에서는 생략한다.

가속도계(500)는 자이로의 질량 불균형 계수에 의한 G, G²감지(Sensitive) 드라프트(Drift)양을 충분히 보상할 수 있는 감도와 정도를 가져야 한다. 본 발명에서는 바이어스 오차가 0.01g이며, 전류 환산 계수가 정상(nominal)값이 1.3[mA/g]인 Sundstrand Data Control사의 모델 QA-700 가속도계(A1,A2)를 사용한다. 상기 A1은 Y측 가속도 센서이고, A2는 Z축 가속도 센서이다. 상기 Y, Z축 가속도센서(A1,A2)의 센싱값은 딥스위치(SW1)를 통해 AZ보상기 및 EL보상기(401,402)로 입력된다. 딥스위치(SW1)는 상기 가속도계의 출력 센싱신호의 부호를 변환시켜 준다.

AZ보상기(401) 및 EL보상기(402)로 입력되어 처리되는 중력 영향 편류 보상을 상세히 설명하면 Y, Z축 가속계(A1,A2)의 두개의 가속도계는 Y축과 Z축의 가속도를 측정하여, 그 신호를 자이로의 질량 불균형에 해당하는 양만큼 AZ보상기(401) 및 EL보상기(402)에서 곱하여진 후 자이로의 명령 입력단(AZ,EL CMD)에 가하여짐으로써 편류 오차를 보상한다.

Y, Z축 가속도기(A1,A2)의 전원은 ±15[V]를 사용하여 +15[V]전원을 가속도계의 핀 4에 -15[V]전원을 핀 3에 연결하여, 핀 8은 전원의 접지 및 신호접지에 연결한다. 다음으로 부하 저항 R_L(Ohm)을 가속도계(500)의 핀 1번과 핀 8번 사이에 연결하며, 이때 가속도계(500)의 출력은 1번 핀의 전압이 된다. 상기 가속도계(500)의 사양에서 전류 환산 계수가 1.3[mA/g]이므로 가속도계(500)의 출력의 환산 계수는 식 (2)로 주어진다.

S_A=R_L×1.3×10^-3[V/g]

원하는 최대 가속도 측정 범위를 ±Amg라 하면 이때의 출력 Vom은 바이어스 전원의 크기보다 작아야 하므로 다음 부등식을 만족하여야 한다.

Vom=S_A×A_M≤13[V]

가속도계(500)의 질량 불균형에 의한 오차를 M(deg/sec/g), 시스템의 CME 입력단의 환산계수를 S_CMD[deg/sec/V]라 하면 AZ, EL보상기(401,402)의 전체 이득은 식 (4)와 같이 정하면 된다. 여기서 음의 부호(-)가 첨가된 것은 중력 편향 효과를 보상하기 위한 것이다.

S_TOTAL=-M/S_A/S_CMD[V/V]

그리고 연산증폭기(U1,U2)의 궤환 저항(R8,R9)을 Y, Z가속도기(A1,A2)의 출력단에서 연산증폭기(U1,U2) 입력단으로 연결하는 저항(Ri=R2,R3,R5,R6임)이라 할 때 AZ, EL보상기(401,402) 전체 이득은 식 (5)와 같이 주어진다.

S_TOTAL=-M/S_A/S_CMD=-Rf/Ri[V/V]

즉 Y, Z가속도기(A1,A2)의 최대 측정 가속도(Am)를 25g, 이때의 V_OM을 13[V]가 되도록 하며, Rf는 1㏀으로 지정하면,

S_A=V_OM/A_M=13/25=0.52[V/g]

부하저항 R_L=0.52/(1.3×10^-3)=400(Ω)

이다.

이때 질량 불균형에 의한 M(deg/sec)에 대하여 연산증폭기(U1,U2)의 입력단 저항(Ri=R2,R3,R5,R6)은 식 (5)와 식 (6)에 의해 식 (7)과 같이 계산된다. 여기서 코멘트(CMD) 입력단의 환산계수 S_CMD는 A_Z자이로의 경우 4.0[deg/sec/V]이며, EL자이로의 경우 1.0[deg/sec/V]이다.

Ri=Rf(M/S_A/S_CMD=1000×0.52×S_CMD/M=520×S_CMD/M(ohm)

AZ보상기(401) 및 EL보상기(402)의 연산증폭기(U1)는 중력 편향이 음(-)으로 나타날 때 사용하는 것으로 신호를 역전시키면서 연산증폭기(U2)에 신호를 전달하는 역활을 한다. 그리고 저항(R10과 R11)은 연산증폭기(U1~U2)의 오프셋 전압을 보정하기 위한 것이다.

딥스위치(SW)는 Y, Z가속도기(A1,A2)의 출력신호의 부호를 바꿔 주기 위한 것이다. 즉 질량 불균형에 의한 편류는 (+)일 수도 있고 (-)일 수도 있으므로 딥스위치(SW)와 연산증폭기(U1,U2)를 이용하여 적절히 신호를 바꾸어 주도록 한다. 즉 질량 불균형에 의한 편류가 (+)신호일 때는 후단 연산증폭기(U2)에 직접 연결되도록 딥스위치(SW)를 조작하며, (-)신호일 때는 전단 연산증폭기(U1)를 통하여 후단 연산 증폭기(U2)에 연결되도록 함으로써 신호의 부호를 반전시킨다. 질량 불균형의 부호에 따른 딥 스위치(SW)의 조작은 하기 표 1과 같다.

상술한 바와 같이 자이로(GYRO) 내부 회전체의 회전 중심축에 대한 질량 불균등(mass unbalance) 오차에 의한 G, G²-Sensitive Drift(중력 영향에 의한 편류)를 보상하여 줌으로써, 자이로(GYRO)를 이용한 관성 항법 장치나 사격 통제 시스템의 조준선 안정화 성능 향상을 실현하는 이점이 있다.

Claims

자이로 중력 영향 편류 보상방법에 있어서, 상기 자이로로 인가되는 가속도를 실시간 측정하는 제1과정과, 상기 제1과정의 측정값의 크기에 비례하는 자이로 중력 영향 편류상에 보상값을 입력하는 제2과정과, 상기 제2과정의 보상값을 코멘트 입력단에 인가하여 중력 영향에 의한 자이로의 편류 오차를 보상하는 제3과정으로 구성됨을 특징으로 하는 자이로 중력 영향 편류 오차 보상방법.
가산기(10,30,40), 감산기(20), 콘트롤러(100), 드라이버(200)를 구비한 자이로(300)의 중력 영향 편류 보상회로에 있어서, 상기 자이로(300)로 인가되는 가속도를 실시간으로 측정하는 가속도계(500)와, 상기 가속도계(500)로부터 측정한 값에 비례하여 중력 영향 편류량을 보상하여 코멘트 입력단으로 제공하는 보상회로(400)로 구성됨을 특징으로 하는 자이로 중력 영향 편류 오차 보상 회로.
제2항에 있어서, 가속도계(500)는 상기 가속도의 우측방향을 센싱하는 Y측 가속도센서(A1)와, 상기 가속도의 수직방향을 센싱하는 Z측 가속도 센서(A2)로 구성됨을 특징으로 하는 자이로 중력 영향 편류 오차 보상 회로.
제2항에 있어서, 보상회로(400)는 상기 가속도계(500)의 출력값의 부호를 변환하고, 상기 변환된 부호에 따라 음수값을 가질시 상기 Y, Z측 가속도센서의 출력값을 환산 증폭하여 이득을 조절하는 AZ보상기(401)와, 상기 변환된 부호값이 음수일시 상기 AZ보상기(401)의 처리된 출력과 바이어싱 출력 및 상기 가속도 센서의 출력을 받아 환산 증폭하여 이득을 조절하여 상기 코멘드 신호로 제공하는 EL보상기(402)로 구성됨을 특징으로 하는 자이로 중력 영향 편류 오차 보상 회로.