KR101052040B1 - 유도탄의 자동 조종 장치 및 방법 - Google Patents

유도탄의 자동 조종 장치 및 방법 Download PDF

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KR101052040B1
KR101052040B1 KR1020100118348A KR20100118348A KR101052040B1 KR 101052040 B1 KR101052040 B1 KR 101052040B1 KR 1020100118348 A KR1020100118348 A KR 1020100118348A KR 20100118348 A KR20100118348 A KR 20100118348A KR 101052040 B1 KR101052040 B1 KR 101052040B1
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박장한
이완재
윤동준
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삼성탈레스 주식회사
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    • F41—WEAPONS
    • F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
    • F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B15/00—Self-propelled projectiles or missiles, e.g. rockets; Guided missiles
    • F42B15/01—Arrangements thereon for guidance or control

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Abstract

본 발명은 유도탄의 자동 조종 장치에 관한 것으로서, 표적을 포착하고, 포착된 표적에 대한 표적 방향 정보를 생성하여 출력하는 표적 정보 출력부와, 상기 유도탄의 피치 비행 방향, 롤 비행 방향 및 요 비행 방향을 측정하는 유도탄 운동 방향 측정부와, 상기 측정된 피치 비행 방향, 롤 비행 방향 및 요 비행 방향과 상기 출력된 표적 방향 정보를 비교하고, 상기 비교 결과 상기 유도탄의 비행 방향에 대한 조정이 필요하다고 판단되는 경우, 상기 표적 방향 정보에 따라 상기 유도탄의 비행 방향을 제어하기 위한 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호를 생성하는 비행 방향 판단부와, 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도를 선형화(linearization)하여 피드백하고, 피드백된 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도와 상기 비행 방향 판단부에서 생성된 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호를 각각 이용하여 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 추정하고, 추정된 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 이용하여 상기 유도탄의 조정 날개를 피치, 롤 및 요 방향에 대하여 각각 제어하는 자동 조정부를 구성한다. 상기한 바에 따르면, 단주기 운동에 있어서 유도탄의 비행 방향을 제어하기에 용이하다.

Description

유도탄의 자동 조종 장치 및 방법{AUTIPILOT APPARATUS OF GUIDED MISSILE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 자동 조종 장치(autopilot) 및 방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 유도탄의 자동 조종 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재 유도탄의 비행 유도를 위한 가장 개선된 방식은 수동 호밍(passive homing) 유도 방식이다. 수동 호밍 방식에서는 유도탄에 탑재된 탐색기가 자동으로 목표물을 인식하여 타격한다. 유도탄의 조종 시에는, 유도탄의 조종 날개를 제어하여 유도탄을 중심으로 한 피치(pitch), 롤(roll) 및 요(yaw)의 방향을 조종함으로써, 유도탄의 비행 방향을 결정하게 된다.
이와 같이 유도탄의 조종 날개를 제어하기 위해서는 유도탄의 진행 방향이나 조종 날개의 자세 등을 피드백받아 유도탄의 조종 날개를 제어하게 된다. 이때, 유도탄의 현재 진행 속도, 가속도 등의 여러 가지 요인을 참조하여 조종 날개의 제어 이득을 결정하게 된다. 유도탄의 자동 조종 장치는 이러한 피드백 정보들이 선형화된 정보인지 비선형화된 정보인지에 따라 선형 제어 모델과 비선형 제어 모델로 나뉜다.
비선형 제어 모델의 경우에는 유도탄의 비행 방향과 조정 날개의 제어값 간의 선형화 내지는 근사화를 계산할 필요가 없으므로, 게인 스케쥴링(gain scheduling)과 같은 기법이 필요하지 않다. 또한, 설계 과정도 비교적 체계적이지만, 실제 구현 상에는 여러 가지 문제점을 안고 있다.
한편, 선형 제어 모델의 경우에는 고전적인 제어 기법으로서 게인 스케쥴링과 혼용되어 유도탄의 비행 방향과 조정 날개의 제어값을 선형화하여 제어한다. 유도탄의 자동 조종 장치는 안정성이 가장 중요하므로, 안정성이 높은 선형 제어 모델이 널리 이용되고 있는 실정이다. 그러나, 비선형 제어 모델을 선형화하여야 하는 어려움이 있고, 이에 따른 설계 시간이 많이 소모된다는 단점이 있다. 즉, 최적의 선형 제어 모델을 구현하는 데는 어려움이 많다.
본 발명의 목적은 유도탄의 자동 조종 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 유도탄의 자동 조종 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 목적에 따른 유도탄의 자동 조종 장치는, 표적을 포착하고, 포착된 표적에 대한 표적 방향 정보를 생성하여 출력하는 표적 정보 출력부와, 상기 유도탄의 피치 비행 방향, 롤 비행 방향 및 요 비행 방향을 측정하는 유도탄 운동 방향 측정부와, 상기 측정된 피치 비행 방향, 롤 비행 방향 및 요 비행 방향과 상기 출력된 표적 방향 정보를 비교하고, 상기 비교 결과 상기 유도탄의 비행 방향에 대한 조정이 필요하다고 판단되는 경우, 상기 표적 방향 정보에 따라 상기 유도탄의 비행 방향을 제어하기 위한 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호를 생성하는 비행 방향 판단부와, 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도를 선형화(linearization)하여 피드백하고, 피드백된 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도와 상기 비행 방향 판단부에서 생성된 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호를 각각 이용하여 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 추정하고, 추정된 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 이용하여 상기 유도탄의 조정 날개를 피치, 롤 및 요 방향에 대하여 각각 제어하는 자동 조정부를 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 상기 자동 조정부는, 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도를 하기 수학식에 따라 근사화하여 선형화하고,
Figure 112010077327113-pat00001
, 여기에서, 상기
Figure 112010077327113-pat00002
,
Figure 112010077327113-pat00003
는 선형으로 근사화된 값이고, 상기 A, B, C, D는 비선형제어를 선형제어로 만들기 위한 유효 상수값으로서,
Figure 112010077327113-pat00004
이고, 상기
Figure 112010077327113-pat00005
는 받음각, 상기
Figure 112010077327113-pat00006
는 피치 각속도, 상기
Figure 112010077327113-pat00007
는 종방향 입력 값, 상기
Figure 112010077327113-pat00008
는 종방향 가속도, 상기
Figure 112010077327113-pat00009
는
Figure 112010077327113-pat00010
의 변화율인 것으로 구성될 수 있다. 한편, 상기 자동 조정부는, 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도를 상기 수학식에 따라 선형화(linearization)하여 피드백하고, 피드백된 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도와 상기 추정된 추정된 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 각각 이용하여 상기 유도탄의 조정 날개를 피치, 롤 및 요 방향에 대하여 각각 제어하도록 구성될 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 목적에 따른 유도탄의 자동 조종 방법은, 표적을 포착하고 포착된 표적의 표적 방향 정보를 생성하여 출력하는 단계와, 상기 유도탄의 피치 비행 방향, 롤 비행 방향 및 요 비행 방향을 측정하는 단계와, 상기 측정된 피치 비행 방향, 롤 비행 방향 및 요 비행 방향과 상기 출력된 표적 방향 정보를 각각 비교하는 단계와, 상기 비교 결과 상기 유도탄의 비행 방향에 대해 조정이 필요하다고 판단되면, 상기 표적 방향 정보에 따라 상기 유도탄의 비행 방향을 제어하기 위한 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호를 생성하는 단계와, 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도를 선형화(linearization)하여 피드백하는 단계와, 상기 피드백된 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도와 상기 생성된 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호를 각각 이용하여 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 추정하는 단계와, 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도를 선형화하여 피드백하는 단계와, 상기 피드백된 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도와 상기 추정된 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 이용하여 상기 유도탄의 조정 날개를 피치, 롤 및 요 방향에 대하여 각각 제어하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 상기 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도를 선형화(linearization)하여 피드백하는 단계 및 상기 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도를 선형화하여 피드백하는 단계는, 상기 유도탄이 단주기 운동을 하는 경우 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도와, 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도를 하기 상태 방정식에 따라 근사화하여 선형화하고,
Figure 112010077327113-pat00011
, 여기에서,
Figure 112010077327113-pat00012
인 것으로 구성될 수 있다.
상기와 같은 유도탄의 자동 조종 장치 및 방법에 따르면, 유도탄의 조종 날개를 제어하기 위해 참조하는 피드백 정보인 제어 이득 등을 선형화 및 근사화하여 결정함으로써, 유도탄의 비행 방향을 정밀하게 제어하는 효과가 있다. 특히, 단주기 운동에 있어서 유도탄의 비행 방향을 제어하기에 용이하다.
도 1은 유도탄의 운동 축들인 롤, 요, 피치의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 피치 자동 조정부의 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 롤 자동 조정부의 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 요 자동 조정부의 블록 구성도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 피치 가속도 시간 응답 및 제어 입력의 그래프이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 피치 받음각 및 피치 각속도 시간 응답의 그래프이다.
도 6c는 비선형 제어 기법에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 피치 가속도 시간 응답 및 제어 입력의 그래프이다.
도 6d는 비선형 제어 기법에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 피치 받음각 및 피치 각속도 시간 응답의 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 롤 자세각, 제어 입력 및 롤 각속도 시간 응답의 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 제어 입력 시간 응답의 그래프이다.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 피치, 요 가속도 및 롤 자세각 추종 시간 응답의 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 요 가속도 시간 응답 및 제어 입력의 그래프이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 요 옆미끄럼각 및 요 가속도 시간 응답의 그래프이다.
도 8c는 비선형 제어 기법에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 요 가속도 시간 응답 및 제어 입력의 그래프이다.
도 8d는 비선형 제어 기법에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 요 옆미끄럼각 및 요 가속도 시간 응답의 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도탄 자동 조종 방법의 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 이용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 이용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 이용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 이용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 이용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 이용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 이용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 유도탄의 운동 축들인 피치, 롤 및 요의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에서는 유도탄의 피치(pitch), 롤(roll) 및 요(yaw) 방향에 대한 개념을 먼저 설명한다.
유도탄은 피치 축, 롤 축 및 요 축을 중심으로 회전하며, 자동 조종 장치는 3개의 축들을 각각 제어하여 유도탄의 비행 방향을 결정함으로써 원하는 목적지에 도달하게 된다.
도 1에서 유도탄(100)은 XYZ 좌표계 상에 표시될 수 있으며, X 축은 피치 축(101), Y 축은 롤 축(102), Z 축은 요 축(103)으로 구성될 수 있다. 피치 축(101)은 유도탄(100)의 기수가 상하 운동을 하는 중심 축이 되고, 롤 축(102)은 유도탄(100)가 동체를 중심으로 날개를 좌우로 기울이는 중심 축이 되며, 요 축(103)은 유도탄(100)의 날개를 수평으로 유지한 채로 유도탄의 기수를 좌우로 움직이기 위한 중심 축이 된다.
이와 같이 유도탄과 같은 유도탄에서는 유도탄 조정 날개에 대하여 3개 축을 중심으로 한 피치, 롤 및 요의 제어값을 이용하여 유도탄(100)의 자세 및 방향을 조종할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 블록 구성도이다.
먼저, 본 발명에 따른 유도탄의 자동 조종 장치(200)(이하, '자동 조종 장치'라 함)는 선형 제어 기법을 이용하여 유도탄의 조종 날개를 제어함으로써, 유도탄의 비행 방향을 결정한다. 이때, 유도탄이 주로 단주기 운동을 함으로써 속도 변화가 무시될 수 있는 경우를 가정하여 근사화된 상태 방정식을 이용한다. 또한, 비행 방향을 결정하기 위해 이전의 피치 및 요 방향의 가속도 값과 롤 자세각을 피드백받아 참조하게 되는데, 상기 상태 방정식에 따라 선형화된 가속도 값과 자세각을 피드백받게 된다. 이때, 상기 상태 방정식은 가속도 값과 자세각만 피드백받을 경우 특성근이 불안정하게 되는 경우가 발생하는데, 이를 방지하기 위해 피치, 롤 및 요 방향의 각속도 값을 더 피드백받아 조종 날개의 자세를 제어하게 된다.
표적 정보 출력부(210)는 표적을 포착하고, 포착된 표적에 대한 표적 방향 정보를 생성하여 출력하도록 구성될 수 있다. 수동 호밍 방식에서는 유도탄이 발사된 후에, 영상 추적 기법 등을 이용하여 자동으로 표적을 포착하고 추적하게 된다. 이때, 표적 정보 출력부(210)에서 생성되는 표적의 위치와 관련된 표적 방향 정보는 비행 방향 판단부(230)에서 표적에 도달하기 위한 유도탄의 비행 방향을 추정하는 데 이용된다.
유도탄 운동 방향 측정부(220)는 유도탄의 피치 비행 방향, 롤 비행 방향 및 요 비행 방향을 실시간 측정하도록 구성될 수 있다. 여기에서, 유도탄 운동 방향 측정부(220)는 유도탄에 작용되는 관성을 측정하는 관성 센서와 유도탄의 관성 공간에서의 방향 측정이나 관성 공간에 대한 회전 각속도를 측정하는 자이로(gyro)를 구비하도록 구성될 수 있다. 그리고 유도탄 운동 방향 측정부(220)는 상기 구비된 관성 센서와 자이로를 이용하여 유도탄의 피치 방향, 롤 방향, 요 방향의 운동 정보를 각각 측정하고, 측정된 피치, 롤, 요 방향의 운동 정보를 비행 방향 판단부(230)로 출력한다.
비행 방향 판단부(230)는 비행 운동 방향 측정부(220)에서 측정된 피치 비행 방향, 롤 비행 방향 및 요 비행 방향과 표적 정보 출력부(210)에서 출력된 표적 방향 정보를 비교하고, 비교 결과 유도탄의 비행 방향에 대한 조정이 필요하다고 판단되는 경우, 표적 방향 정보에 따라 유도탄의 비행 방향을 제어하기 위한 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 즉, 비행 방향 판단부(230)는 유도탄이 표적에 도달할 수 있도록 현재 비행 방향을 변경하기 위한 구성으로서, 유도탄의 피치 방향, 롤 방향 및 요 방향을 각각 결정하게 된다. 이때, 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호는 각각 유도탄의 조종 날개를 제어하기 위한 제어 신호이다.
자동 조정부(240)는 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도를 선형화(linearization)하여 피드백하고, 피드백된 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도와 비행 방향 판단부(230)에서 생성된 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호를 각각 이용하여 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 추정하고, 추정된 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 이용하여 유도탄의 조정 날개를 피치, 롤 및 요 방향에 대하여 각각 제어하도록 구성될 수 있다.
여기에서, 자동 조정부(240)는 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도를 하기 수학식에 따라 근사화하여 선형화하도록 구성될 수 있다.
Figure 112010077327113-pat00013
여기에서, 상기
Figure 112010077327113-pat00014
,
Figure 112010077327113-pat00015
는 선형으로 근사화된 값이고, 상기 A, B, C, D는 비선형제어를 선형제어로 만들기 위한 유효 상수값으로서,
Figure 112010077327113-pat00016
이고, 상기
Figure 112010077327113-pat00017
는 받음각, 상기
Figure 112010077327113-pat00018
는 피치 각속도, 상기
Figure 112010077327113-pat00019
는 종방향 입력 값, 상기
Figure 112010077327113-pat00020
는 종방향 가속도, 상기
Figure 112010077327113-pat00021
는
Figure 112010077327113-pat00022
의 변화율이다.
수학식 1은 유도탄의 비행이 감쇄비와 고유 진동수가 큰 단주기 운동 모드일 경우만을 고려한 것이며, 단주기 운동이 주로 나타나는 경우에는 속도 변화가 무시할 수 있는 것으로 가정되어 근사화된 것이다. 또한, 비선형 값인 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도가 선형화됨으로써, 보다 안정적인 유도탄의 비행 성능을 가질 수 있다.
한편, 이러한 선형 모델은 트림 조건을 기준으로 구해야 하는데, 유도탄의 비행/기동 영역에 대한 트림 조건의 산출은 다음의 조건을 만족시키도록 구성되어 있다.
1) 피치, 요 기동 가속도 명령 추종
2) 피치, 요 공력 모멘트가 0
3) 해발 고도 기준
4) 풀업(pull-up) 기동 상황
위 4가지 조건을 만족하는 트림 조건을 찾은 후 수학식 1과 같은 선형 모델이 산출되었으며, 마하수는 0.1, 피치 기동 가속도는 1g, 요 기동 가속도 명령은 모두 0일 때 트림 조건이 산출되었다.
비행/기동 영역에서 마하수 0.1, 피치 기동 가속도 1g 간격으로 총 24 개의 트림점에 대하여 제어 이득이 선정되었으며, 이러한 제어 이득에 따라 자동 조정부(240)가 설계될 수 있다.
피치 방향에 대한 제어 이득은 다음의 표 1과 같다.
마하수 기동 가속도(g) 제어 이득(KAZ) Kq
0.3 0.0 0.26557 -0.05878
1.0 0.32345 -0.07769
2.0 - -
3.0 - -
4.0 - -
5.0 - -
0.4 0.0 0.1919 -0.0426
1.0 0.2400 -0.0523
2.0 0.2197 -0.0546
3.0 0.2278 -0.0632
4.0 - -
5.0 - -
0.5 0.0 0.1493 -0.0328
1.0 0.1713 -0.0358
2.0 0.1740 -0.0390
3.0 0.1795 -0.0431
4.0 0.1895 -0.0509
5.0 0.1829 -0.0499
0.6 0.0 0.1223 -0.0275
1.0 0.1431 -0.0300
2.0 0.1584 -0.0342
3.0 0.1406 -0.03194
4.0 0.1380 -0.0327
5.0 0.1357 -0.0345
표 1에서 제어 이득이 결정되지 않은 트림점은 속도가 낮아 가속도 명령을 추종하지 못하는 경우이다.
표 2는 롤 방향에 대한 제어 이득을 나타낸다.
마하수 기동 가속도(g) 제어 이득(KΦ) Kp
0.3 0.0 1.0000 0.02652
1.0 1.0000 0.0254
2.0 - -
3.0 - -
4.0 - -
5.0 - -
0.4 0.0 0.08584 0.0197
1.0 0.7334 0.0169
2.0 0.7857 0.0181
3.0 0.8642 0.0198
4.0 0.9375 0.0217
5.0 - -
0.5 0.0 0.5613 0.0127
1.0 0.4984 0.0113
2.0 0.4839 0.0113
3.0 0.5050 0.0110
4.0 0.5248 0.0119
5.0 0.5602 0.0127
0.6 0.0 0.3977 0.0089
1.0 0.3706 0.0083
2.0 0.3525 0.0078
3.0 0.3514 0.0078
4.0 0.3468 0.0078
5.0 0.3577 0.0080
그리고 표 3은 요 방향 제어 이득을 나타낸다.
마하수 기동 가속도(g) 제어 이득(KΦ) Kp
0.3 0.0 0.0288 0.0608
1.0 0.0702 0.0385
2.0 - -
3.0 - -
4.0 - -
5.0 - -
0.4 0.0 0.2077 0.0438
1.0 0.1269 0.0344
2.0 0.0483 0.0276
3.0 - -
4.0 - -
5.0 - -
0.5 0.0 0.1614 0.0388
1.0 0.1485 0.0339
2.0 0.1287 0.0328
3.0 0.0314 0.0182
4.0 0.0096 0.0131
5.0 - -
0.6 0.0 0.1304 0.0277
1.0 0.1440 0.0306
2.0 0.0837 0.0229
3.0 0.0980 0.0262
4.0 0.0257 0.0151
5.0 0.0275 0.0168
이와 같이, 수학식 1을 이용한 선형화 모델을 이용하는 경우, 안정적인 비행 성능을 확보할 수는 있으나, 본 발명에 따른 수학식 1을 이용하여 이전 가속도값만을 선형화하여 피드백하는 경우에는 큰 이득값에 의해 특성근이 불안정한 값을 갖게 된다. 그리하여, 특성근을 안정화하기 위해서 각속도값을 별도로 피드백받도록 할 수 있다.
이에, 자동 조정부(240)는 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도를 수학식 1에 따라 선형화(linearization)하여 피드백하고, 피드백된 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도와 앞서 추정된 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 각각 이용하여 유도탄의 조정 날개를 피치, 롤 및 요 방향에 대하여 각각 제어하도록 구성될 수 있다. 이러한 각속도의 피드백을 통해 특성근의 값을 안정화시킨다.
한편, 자동 조정부(240)는 피치 자동 조정부(250), 롤 자동 조정부(260) 및 요 자동 조정부(270)를 포함하도록 구성될 수 있는데, 피치, 롤 및 요 방향에 대한 각각의 제어를 피치 자동 조정부(250), 롤 자동 조정부(260) 및 요 자동 조정부(270)에서 수행하도록 구성될 수 있다. 이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 피치 자동 조정부(250), 롤 자동 조정부(260) 및 요 자동 조정부(270)에 대하여 각각 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 피치 자동 조정부(250)의 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, 피치 자동 조정부(250)는 피치 가속도 추정부(251), 액츄에이터(252) 및 피치 운동 방향 선형 모델링부(253)를 포함하도록 구성될 수 있다. 이하, 각 구성에 대하여 설명한다.
피치 가속도 추정부(251)는 내부에 자이로 및 가속도계 등을 구비하고 있으며, 입력된 피치 제어 신호와 피드백된 이전 피치 가속도를 이용하여 현재 유도탄의 피치 방향으로의 운동 방향을 제어하기 위한 피치 가속도 정보를 생성하여 액츄에이터(252)로 출력한다.
액츄에이터(252)는 피치 가속도 추정부(251)로부터 입력된 피치 가속도 정보에 따라 유도탄의 조정 날개를 피치 방향으로 조정한다. 이때, 피치 자동 조정부(250)에서는 이전 피치 가속도만을 입력 받을 경우, 큰 이득(gain) 값에 의하여 특성근이 불안정한 값을 갖게 되므로 이를 안정화시키기 위해 이전 피치 각속도를 피드백받는다.
피치 운동 방향 선형 모델링부(253)는 액츄에이터(252)로부터 입력된 피치 각속도와 피치 가속도가 비선형의 정보이므로 이를 선형의 정보로 변환하여 출력하는 역할을 수행한다. 비선형의 정보보다는 선형의 정보가 더 추종하기 쉽기 때문에 피치 운동 방향 선형 모델링부(253)는 미리 입력된 상태 방정식인 수학식 1을 이용하여 입력된 피치 각속도와 피치 가속도를 선형화하여 피드백시킨다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤 자동 조정부(260)의 블록 구성도이다. 이하, 각 구성에 대하여 설명한다.
롤 자세각 추정부(261)는 내부에 자이로 및 가속도계 등을 구비하고 있으며, 입력된 롤 제어 신호와 피드백된 이전 롤 자세각을 이용하여 현재 유도탄의 롤 방향으로의 운동 방향을 제어하기 위한 롤 자세각 정보를 생성하여 액츄에이터(262)로 출력한다.
액츄에이터(262)는 롤 자세각 추정부(261)로부터 입력된 롤 자세각 정보에 따라 유도탄의 조정 날개를 롤 방향으로 조정한다. 이때, 롤 자동 조정 부(260)에서는 이전 롤 자세각만을 입력 받는 것보다 롤 각속도를 피드백받을 경우 전체 폐루프 시스템의 감쇠를 향상시켜 준다. 이에, 롤 각속도를 액츄에이터(262)로 피드백한다.
롤 운동 방향 선형 모델링부(263)는 액츄에이터(262)로부터 입력된 롤 각속도와 롤 자세각이 비선형의 정보이므로 이를 선형의 정보로 변환하여 출력하는 역할을 수행한다. 비선형의 정보보다는 선형의 정보가 더 추종하기 쉽기 때문에 롤 운동 방향 선형 모델링부(263)는 미리 입력된 상태 방정식인 수학식 1을 이용하여 입력된 롤 자세각과 롤 각속도를 선형화하여 피드백한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 요 자동 조정부(270)의 블록 구성도이다. 이하, 각 구성에 대하여 설명한다.
요 가속도 추정부(271)는 내부에 자이로 및 가속도계 등을 구비하고 있으며, 입력된 요 제어 신호와 피드백된 이전 요 가속도를 이용하여 현재 유도탄의 요 방향으로의 운동 방향을 제어하기 위한 요 가속도 정보를 생성하여 액츄에이터(272)로 출력한다.
액츄에이터(272)는 요 가속도 추정부(271)로부터 입력된 요 가속도 정보에 따라 유도탄의 조정 날개를 요 방향으로 조정한다. 이때, 요 자동 조정부(270)에서는 이전 요 가속도만을 입력 받을 경우, 큰 이득(gain) 값에 의하여 특성근이 불안정한 값을 갖게 되므로, 이를 안정화시켜 주기 위해 이전 요 각속도를 내부 피드백을 통해 입력받는다.
요 운동 방향 선형 모델링부(273)는 액츄에이터(272)로부터 입력된 요 각속도와 요 가속도가 비선형의 정보이므로 이를 선형의 정보로 변환하여 출력하는 역할을 수행한다. 비선형의 정보보다는 선형의 정보가 더 추종하기 쉽기 때문에 요 운동 방향 선형 모델링부(273)는 미리 입력된 선형 방정식을 이용하여 입력된 요 각속도와 요 가속도를 선형화하여 피드백시킨다.
이하, 도 6a 내지 도 8d를 참조하여 본 발명에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 성능 검증 결과를 설명한다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 피치 가속도 시간 응답 및 제어 입력의 그래프이고, 도 6b는 피치 받음각 및 피치 각속도 시간 응답의 그래프이다.
도 6a 및 도6b를 참조하면, 피치 선형 모델에 대한 1g의 피치 가속도 명령에 대한 자동 조종 장치의 시간 응답 특성을 알 수 있다. 대략 0.2 초 정도의 정착 시간을 나타내며 표적 추적을 위한 유도 명령을 잘 추종하고 있음을 알 수 있다. 또한, 제어 입력, 받음각 그리고 피치 각속도 또한 정상적인 반응을 나타내고 있다.
도 6c는 비선형 제어 기법에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 피치 가속도 시간 응답 및 제어 입력의 그래프이고, 도 6d는 피치 받음각 및 피치 각속도 시간 응답의 그래프이다.
도 6c 및 도 6d를 이용하여 본 발명에 따른 선형 제어 모델에 대한 제어 이득을 같은 조건 하의 비선형 모델에 적용하여 본 발명의 타당성을 검증할 수 있다. 도 6c 및 도 6d에 따르면 비선형 시뮬레이션에 대한 피치 가속도 시간 응답 및 제어 입력 그리고 비선형 시뮬레이션에 대한 피치 받음각 및 피치 각속도 시간 응답이 나타나 있다. 도 6a 및 도 6b의 선형 시뮬레이션에 비하면 약간 느린 정착 시간을 보이고 오버슛이 생기지 않는 등의 약간 다른 응답 특성을 나타낸다. 그러나, 만족할 만한 유도 명령 추종 성능이 나타나고 있다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 롤 자세각, 제어 입력 및 롤 각속도 시간 응답의 그래프이고, 도 7b는 제어 입력 시간 응답의 그래프이고, 도 7c는 피치, 요 가속도 및 롤 자세각 추종 시간 응답의 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 0.15 초 정도의 정착 시간을 보임을 알 수 있고, 표적 포착에 의한 유도 명령을 잘 추종하고 있음을 알 수 있다. 응답 초기의 진동 현상에 따라 정착 시간은 늦춰 잡을 수는 있으나 롤 자세각의 경우 비선형 모델에서 시스템 안정성에 큰 영향을 미치므로 빠르게 잡아야만 한다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 요 가속도 시간 응답 및 제어 입력의 그래프이고, 도 8b는 요 옆미끄럼각 및 요 가속도 시간 응답의 그래프이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 피치 선형 모델에 대하여 1 g의 요가속도 명령에 대한 시간 응답 특성을 알 수 있다. 0.2 초 정도의 정착 시간을 나타내며 표적 포착에 따른 유도 명령을 잘 추종하고 있음을 알 수 있다. 또한, 제어 입력 및 옆 미끄럼각, 요 각속도 또한 정상적으로 반응을 보임을 알 수 있다.
도 8c는 비선형 제어 기법에 따른 유도탄의 자동 조종 장치의 요 가속도 시간 응답 및 제어 입력의 그래프이고, 요 옆미끄럼각 및 요 가속도 시간 응답의 그래프이다.
도 8c 및 도 8d를 참조하면, 선형 모델에 대한 제어 이득을 같은 조건 하의 비선형 모델에 적용하여 향후 비선형 모델에 대한 타당성을 검증한 결과이다. 도 8c의 비선형 시뮬레이션에 대한 요 가속도 시간 응답 및 제어 입력과 도 8d의 비선형 시뮬레이션에 대한 요 옆미끄럼각 및 요 각속도 시간 응답이 선형 모델과 마찬가지로 유사한 추종 성능을 보임을 나타내고 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도탄 자동 조종 방법의 흐름도이다.
세부적인 구성에 대하여 설명한다.
도 9를 참조하면, 표적 방향 출력부(210)는 표적을 포착하고, 포착된 표적의 표적 방향 정보를 생성하여 출력한다(S110).
다음으로, 비행 운동 방향 측정부(220)는 유도탄의 피치 비행 방향, 롤 비행 방향 및 요 비행 방향을 측정한다(S120). 즉, 현재 유도탄의 비행 방향을 피치, 롤 및 요 방향에 대하여 각각 측정한다.
그리고 비행 방향 판단부(230)는 비행 운동 방향 측정부(220)에서 측정된 피치 비행 방향, 롤 비행 방향 및 요 비행 방향과 표적 방향 출력부(210)에서 출력된 표적 방향 정보를 각각 비교한다(S130). 현재 비행 방향과 표적 방향을 비교한다.
여기에서, 비행 방향 판단부(230)는 비교 결과 유도탄의 비행 방향에 대해 조정이 필요하다고 판단되면(S140), 표적 방향 정보에 따라 유도탄의 비행 방향을 제어하기 위한 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호를 생성한다(S150). 만약, 비행 방향에 대한 조정이 필요치 않으면 현재의 비행 방향을 유지하면 된다.
다음으로, 자동 조정부(240)는 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도를 선형화(linearization)하여 피드백한다(S160). 여기에서, 유도탄이 단주기 운동을 하는 경우 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도를 수학식 2에 따라 근사화하여 선형화한다.
Figure 112010077327113-pat00023
여기에서,
Figure 112010077327113-pat00024
이다.
다음으로, 자동 조정부(240)는 앞서 피드백된 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도와 앞서 생성된 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호를 각각 이용하여 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 추정한다(S170). 추정된 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도에 따라 액츄에이터가 구동되어 유도탄의 조종 날개의 자세가 제어된다.
그런데, 자동 조정부(240)는 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도도 선형화하여 피드백한다(S180). 이때, 피드백된 값들은 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도의 추정에 이용되지는 않고, 액츄에이터의 구동에 이용된다. 한편, 다음 수학식 3에 따라 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도가 선형화된다.
Figure 112010077327113-pat00025
여기에서,
Figure 112010077327113-pat00026
이다.
그리고 자동 조정부(240)는 앞서 피드백된 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도와 앞서 추정된 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 이용하여 유도탄의 조정 날개를 피치, 롤 및 요 방향에 대하여 각각 제어한다(S190). 이는 선형화에 의한 큰 이득값에 의한 불안정 요소를 제거하기 위함이다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 표적을 포착하고, 포착된 표적에 대한 표적 방향 정보를 생성하여 출력하는 표적 정보 출력부;
    유도탄의 피치 비행 방향, 롤 비행 방향 및 요 비행 방향을 측정하는 유도탄 운동 방향 측정부;
    상기 측정된 피치 비행 방향, 롤 비행 방향 및 요 비행 방향과 상기 출력된 표적 방향 정보를 비교하고, 상기 비교 결과 상기 유도탄의 비행 방향에 대한 조정이 필요하다고 판단되는 경우, 상기 표적 방향 정보에 따라 상기 유도탄의 비행 방향을 제어하기 위한 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호를 생성하는 비행 방향 판단부 및
    이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도를 선형화(linearization)하여 피드백하고, 피드백된 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도와 상기 비행 방향 판단부에서 생성된 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호를 각각 이용하여 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 추정하고, 추정된 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 이용하여 상기 유도탄의 조정 날개를 피치, 롤 및 요 방향에 대하여 각각 제어하는 자동 조정부를 포함하고,
    상기 자동 조정부는,
    이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도를 하기 수학식에 따라 근사화하여 선형화하고,
    Figure 112011020302755-pat00064
    ,
    여기에서, 상기
    Figure 112011020302755-pat00065
    ,
    Figure 112011020302755-pat00066
    는 선형으로 근사화된 값이고, 상기 A, B, C, D는 비선형제어를 선형제어로 만들기 위한 유효 상수값으로서,
    Figure 112011020302755-pat00067
    이고, 상기
    Figure 112011020302755-pat00068
    는 받음각, 상기
    Figure 112011020302755-pat00069
    는 피치 각속도, 상기
    Figure 112011020302755-pat00070
    는 종방향 입력 값, 상기
    Figure 112011020302755-pat00071
    는 종방향 가속도, 상기
    Figure 112011020302755-pat00072
    는
    Figure 112011020302755-pat00073
    의 변화율인 것을 특징으로 하는 유도탄의 자동 조종 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 자동 조정부는,
    이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도를 상기 수학식에 따라 선형화(linearization)하여 피드백하고, 피드백된 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도와 상기 추정된 추정된 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 각각 이용하여 상기 유도탄의 조정 날개를 피치, 롤 및 요 방향에 대하여 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 유도탄의 자동 조종 장치.
  4. 표적을 포착하고 포착된 표적의 표적 방향 정보를 생성하여 출력하는 단계;
    유도탄의 피치 비행 방향, 롤 비행 방향 및 요 비행 방향을 측정하는 단계;
    상기 측정된 피치 비행 방향, 롤 비행 방향 및 요 비행 방향과 상기 출력된 표적 방향 정보를 각각 비교하는 단계;
    상기 비교 결과 상기 유도탄의 비행 방향에 대해 조정이 필요하다고 판단되면, 상기 표적 방향 정보에 따라 상기 유도탄의 비행 방향을 제어하기 위한 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호를 생성하는 단계;
    이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도를 선형화(linearization)하여 피드백하는 단계;
    상기 피드백된 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도와 상기 생성된 피치 방향 제어 신호, 롤 방향 제어 신호 및 요 방향 제어 신호를 각각 이용하여 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 추정하는 단계;
    이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도를 선형화하여 피드백하는 단계 및
    상기 피드백된 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도와 상기 추정된 피치 가속도, 롤 자세각 및 요 가속도를 이용하여 상기 유도탄의 조정 날개를 피치, 롤 및 요 방향에 대하여 각각 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도를 선형화(linearization)하여 피드백하는 단계 및 상기 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도를 선형화하여 피드백하는 단계는,
    상기 유도탄이 단주기 운동을 하는 경우 이전 피치 가속도, 이전 롤 자세각 및 이전 요 가속도와, 이전 피치 각속도, 이전 롤 각속도 및 이전 요 각속도를 하기 상태 방정식에 따라 근사화하여 선형화하고,
    Figure 112011020302755-pat00037
    ,
    여기에서, 상기
    Figure 112011020302755-pat00038
    ,
    Figure 112011020302755-pat00039
    는 선형으로 근사화된 값이고, 상기 A, B, C, D는 비선형제어를 선형제어로 만들기 위한 유효 상수값으로서,
    Figure 112011020302755-pat00040
    이고, 상기
    Figure 112011020302755-pat00041
    는 받음각, 상기
    Figure 112011020302755-pat00042
    는 피치 각속도, 상기
    Figure 112011020302755-pat00043
    는 종방향 입력 값, 상기
    Figure 112011020302755-pat00044
    는 종방향 가속도, 상기
    Figure 112011020302755-pat00045
    는
    Figure 112011020302755-pat00046
    의 변화율인 것을 특징으로 하는 유도탄의 자동 조종 방법.
  5. 삭제
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