KR101235692B1 - Geo-pointing Apparatus and Method using Inertial Navigation System - Google Patents

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Abstract

본 발명은 짐발의 위치 제어기의 포화를 방지할 수 있는 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 좌표 지향을 위한 짐발(gimbal)과, 상기 짐발 내에 장착되어 좌표 지향이 되는 센서와, 상기 센서 위에 장착된 관성항법장치와, 목표좌표와 상기 관성항법장치를 이용하여 상기 짐발의 방위각, 고각 구동 명령을 생성하는 좌표 지향기와, 상기 좌표 지향기로부터 출력되는 명령에 따라 상기 짐발의 위치를 제어하는 짐발 위치 제어기와, 관성공간에서 센서의 자세를 측정하는 관성측정장치(inertial measurement unit: IMU)와, 상기 짐발 위치 제어기와 관성측정장치로부터 제공되는 신호에 따라 상기 짐발의 구동 속도를 제어하기 위한 신호를 출력하는 속도 제어기와, 상기 속도 제어기의 제어신호에 따라 상기 짐발을 구동하는 구동회로 모터를 포함하며, 상기 좌표 지향기는 짐발이 실제 목표를 지향하기 위한 구동 각도가 큰 경우에 실제 목표를 사용하지 않고 가상의 목표점을 사용하는 좌표지향방법에 의해 구동된다.
본 발명에 따른 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치를 이용하면, 제어기의 포화를 방지할 수 있고, 부드러운 위치제어를 구현할 수 있으며, 짐발 제어기의 이득을 낮추지 않고도 목표 좌표로 신속하고 부드럽게 구동할 수 있다.
The present invention relates to a gimbal coordinate directing device using an inertial navigation apparatus capable of preventing saturation of the position controller of the gimbal, and in particular, a gimbal for coordinate orientation and mounted in the gimbal to be coordinate-oriented A sensor, an inertial navigation apparatus mounted on the sensor, a coordinate director for generating azimuth and elevation driving commands of the gimbal using a target coordinate and the inertial navigation apparatus, and the load according to the command output from the coordinate director. A gimbal position controller for controlling the position of the foot, an inertial measurement unit (IMU) for measuring the attitude of the sensor in the inertial space, and a driving speed of the gimbal according to the signals provided from the gimbal position controller and the inertial measurement unit. A speed controller for outputting a signal for controlling the controller, and a sphere for driving the gimbal according to the control signal of the speed controller Circuit includes a motor, and the coordinate-oriented group without using the actual target when a large driving load foot angle for aiming the actual target is driven by the coordinate-oriented method of using a target point of the virtual.
By using the coordinate directing device of the gimbal using the inertial navigation apparatus according to the present invention, it is possible to prevent the controller from saturation, implement smooth position control, and to drive quickly and smoothly to the target coordinates without lowering the gain of the gimbal controller. Can be.

Figure R1020100128864
Figure R1020100128864

Description

관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치 및 이를 이용한 좌표 지향 방법{Geo-pointing Apparatus and Method using Inertial Navigation System} Coordinate pointing device of gimbal using inertial navigation system and coordinate pointing method using same {Geo-pointing Apparatus and Method using Inertial Navigation System}

본 발명은 짐발의 좌표 지향 장치 및 좌표 지향 방법에 관한 것으로서, 관성항법 장치가 센서 위에 장착되어 이를 이용하여 좌표 지향을 하는 좌표 지향장치가 짐발의 구동 능력 내에서 부드럽게 좌표를 지향할 수 있는 좌표 지향 장치 및 이를 이용한 좌표 지향 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a coordinate orientation device and a coordinate orientation method of the gimbal, the coordinate orientation device in which the inertial navigation device is mounted on the sensor to coordinate the coordinates using the same, within the driving ability of the gimbal An apparatus and a coordinate orientation method using the same.

비디오/열상 카메라, 레이저 등의 센서가 탑재된 짐발을 구동하여 표적을 지향함으로써, 표적의 정보를 얻기 위한 많은 연구가 있었다. 좌표지향 기술도 그 중 하나로, 표적의 좌표를 이용하여 빠르고, 정확하게 짐발 시선의 위치를 제어하는 것이 그 목적이다. 지금까지 대부분의 장치들은 관성항법장치의 크기, 성능 등의 기술적인 문제에 때문에, 관성항법장치가 없거나 항공기, 배, 차량 등 센서가 탑재된 장비에 설치되었다. 따라서, 좌표지향을 하기 위해서는 탑재체 (항공기, 배, 차량 등)의 위치, 자세를 기준으로 짐발이 상대적으로 구동해야하는 각도를 계산했으며, 탑재체와 짐발 사이의 상대각도를 검출하기 위한 레졸버, 엔코더 등의 상대 위치 검출 소자를 이용하였다. 하지만 이 경우, 짐발의 장착 오차, 정렬 오차 등의 정적 오차뿐만 아니라, 구동 중에 전달되는 진동, 외란, 그리고 휘어짐 등의 의한 동적인 오차의 영향을 받게 되어 정밀하고 빠른 위치 제어가 어려운 문제가 있었다.There have been many studies for obtaining information of targets by driving gimbals equipped with sensors such as video / thermal cameras and lasers to direct the targets. Coordinate-oriented technology is one of them, and its purpose is to control the position of the gimbal line of sight quickly and accurately using the coordinates of the target. Until now, most devices have been installed in equipment equipped with sensors such as aircraft, ships, vehicles, etc. due to technical problems such as size and performance of the inertial navigation system. Therefore, for the coordinate orientation, the angle that the gimbal should be driven relative to the position and attitude of the payload (aircraft, ship, vehicle, etc.) was calculated, and the resolver, encoder, etc. to detect the relative angle between the payload and the payload. The relative position detection element of was used. However, in this case, not only static errors such as gimbal mounting error and alignment error, but also dynamic influences such as vibration, disturbance, and bending transmitted during driving have a problem of precise and fast position control.

최근에는 관성항법장치를 짐발 위에 장착하여 탑재체의 위치, 자세에 상관없이 관성공간에서 짐발의 위치, 자세를 독립적으로 구할 수 있도록 기술이 발전하고 있다. 이 경우, 앞에서 기술한 정적, 동적인 오차, 외란의 영향을 배제할 수 있어, 정교한 시선 위치 제어가 가능해진다. 하지만 좌표지향을 위한 모터의 구동각도 명령을 구하는 방법이 복잡해 질 수 있다.Recently, the technology has been developed to mount the inertial navigation device on the gimbal to independently obtain the position and posture of the gimbal in the inertial space regardless of the position and posture of the payload. In this case, the effects of the static, dynamic errors, and disturbances described above can be eliminated, so that precise eye position control is possible. However, the method of obtaining the driving angle command of the motor for coordinate orientation can be complicated.

좌표지향을 하기 위한 구동각을 계산한 후에 이것을 그대로 짐발 제어기의 명령으로 사용하게 되면 초기에는 큰 값이 인가되어 제어기가 포화되어 큰 오버슈트를 유발하고 목표점을 지향하는데 많은 시간이 소요된다. 따라서 초기 구동각이 큰 경우에는 제어기의 이득을 낮추거나, 구동각의 궤적을 제어 가능한 범위에서 수정하여 부드러운 곡선으로 다듬는다. 이때, 구동각이란 탑재체와 짐발 사이의 상대각도로, 상대 위치 검출 소자를 이용하는 경우 쉽게 측정하여 경로를 계획할 수 있지만, 관성항법장치가 장착된 짐발의 좌표지향의 경우에는 탑재체와 독립적인, 관성 좌표계를 기준으로 하는 각도가 측정되기 때문에 구동각 경로를 생성하기 어려운 문제가 있다. 현실적으로 관성항법장치를 탑재한 짐발의 좌표지향을 위해서는 제어기의 이득을 낮추는 방법 밖에 선택할 수 없는 문제가 있었다.If the driving angle for coordinate orientation is calculated and used as a command of the gimbal controller as it is, a large value is initially applied so that the controller saturates, causing a large overshoot and it takes a lot of time to aim at the target point. Therefore, when the initial driving angle is large, the gain of the controller is lowered or the trajectory of the driving angle is modified in a controllable range and trimmed to a smooth curve. In this case, the driving angle is a relative angle between the payload and the gimbal, and the path can be easily planned when the relative position detecting element is used, but in the case of the coordinate orientation of the gimbal equipped with the inertial navigation system, the inertia is independent of the payload. Since the angle relative to the coordinate system is measured, it is difficult to generate a driving angle path. In reality, there is a problem that only the method of lowering the gain of the controller can be selected for the coordinate orientation of the gimbal equipped with the inertial navigation system.

본 발명은 짐발의 위치 제어기의 포화를 방지할 수 있는 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치 및 좌표 지향 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a coordinate orientation device and a coordinate orientation method of a gimbal using an inertial navigation apparatus capable of preventing saturation of the position controller of the gimbal.

본 발명의 다른 목적은 좌표를 부드럽게 지향할 수 있는 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치 및 좌표 지향 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a gimbal coordinate directing device and a coordinate directing method using an inertial navigation apparatus capable of smoothly directing coordinates.

본 발명의 또 다른 목적은 빠르고 정확한 좌표 지향이 가능하도록 하는 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치 및 좌표 지향 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a gimbal coordinate orientation device and a coordinate orientation method using an inertial navigation device that enables fast and accurate coordinate orientation.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치는 초기에는 짐발의 시선과 일치하다가 최종적으로 요구 시간에 목표 좌표로 이동하는 가상의 목표점을 사용하여 좌표 지향 장치가 동작하도록 하는 것을 특징으로 한다.The coordinate pointing device of the gimbal using the inertial navigation apparatus according to the present invention to achieve these objects is initially coincided with the gaze of the gimbal, and finally the coordinate pointing device operates using a virtual target point that moves to the target coordinate at the required time. It is characterized by that.

본 발명에 따른 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치는 좌표 지향을 위한 짐발(gimbal); 상기 짐발 내에 장착되어 좌표 지향이 되는 센서; 상기 센서 위에 장착된 관성항법장치; 목표좌표와 상기 관성항법장치를 이용하여 상기 짐발의 방위각, 고각 구동 명령을 생성하는 좌표 지향기; 상기 좌표 지향기로부터 출력되는 명령에 따라 상기 짐발의 위치를 제어하는 짐발 위치 제어기; 관성공간에서 센서의 자세를 측정하는 관성측정장치(inertial measurement unit: IMU); 상기 짐발 위치 제어기와 관성측정장치로부터 제공되는 신호에 따라 상기 짐발의 구동 속도를 제어하기 위한 신호를 출력하는 속도 제어기; 및 상기 속도 제어기의 제어신호에 따라 상기 짐발을 구동하는 구동회로 모터를 포함하며, 상기 좌표 지향기는 짐발이 실제 목표를 지향하기 위한 구동 각도가 큰 경우에 실제 목표를 사용하지 않고 가상의 목표점을 사용하는 좌표지향방법에 의해 구동된다.Gimbal coordinate orientation device using the inertial navigation apparatus according to the present invention gimbal (gimbal) for coordinate orientation; A sensor mounted in the gimbal and oriented in coordinates; An inertial navigation device mounted on the sensor; A coordinate director for generating azimuth and elevation driving commands of the gimbal using a target coordinate and the inertial navigation device; A gimbal position controller for controlling the position of the gimbal according to a command output from the coordinate director; An inertial measurement unit (IMU) for measuring the attitude of the sensor in the inertial space; A speed controller for outputting a signal for controlling a driving speed of the gimbal according to signals provided from the gimbal position controller and an inertial measurement device; And a driving circuit motor for driving the gimbal according to a control signal of the speed controller, wherein the coordinate director uses a virtual target point without using an actual target when the driving angle for the gimbal is directed to an actual target is large. It is driven by the coordinate orientation method.

본 발명에 따른 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 방법은 현재의 시선 위치와 방향 벡터가 일치할 수 있도록 가상 목표점을 현재 센서좌표축의 X축 위에 설정하는 단계; 및 구동 각도 경로 계획 방법을 사용하여 가상 목표점을 실제 목표점까지 연속적으로 이동시키는 단계를 포함한다.The coordinate orientation method of the gimbal using the inertial navigation apparatus according to the present invention comprises the steps of setting a virtual target point on the X axis of the current sensor coordinate axis so that the current gaze position and the direction vector can match; And continuously moving the virtual target point to the actual target point using the driving angle path planning method.

본 발명에 따른 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 방법의 다른 특징은 좌표지향기가 관성항법장치를 이용하여 짐발의 방위각, 고각 구동 명령을 생성하는 단계; 좌표지향기에서 생성한 명령을 짐발 위치 제어기로 전달하는 단계; 짐발 위치 제어기의 제어신호에 따라 짐발을 구동하는 단계; 관성항법장치가 구동된 짐발의 자세와 항공기의 위치/자세로부터 센서의 위치/자세를 결과로 출력하는 단계; 좌표지향기가 센서의 위치/자세와 목표 좌표를 비교하여 다음 구동각도 명령을 생성하는 단계를 포함한다.Another feature of the coordinate directing method of the gimbal using the inertial navigation apparatus according to the present invention comprises the steps of: generating the azimuth, elevation driving command of the gimbal using the inertial navigation apparatus; Transmitting a command generated by the coordinate pointing machine to the gimbal position controller; Driving the gimbal according to a control signal of the gimbal position controller; Outputting the position / posture of the sensor as a result of the position of the gimbal driven by the inertial navigation system and the position / posture of the aircraft; The coordinate aligner compares the position / posture of the sensor with the target coordinates to generate a next drive angle command.

본 발명에 따른 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치 및 좌표 지향 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.Gimbal coordinate orientation device and coordinate orientation method using the inertial navigation apparatus according to the present invention has the following effects.

첫째, 제어기의 포화를 방지할 수 있다.First, saturation of the controller can be prevented.

둘째, 부드러운 위치제어를 구현할 수 있다.Second, smooth position control can be realized.

셋째, 짐발 제어기의 이득을 낮추지 않고도 목표 좌표로 신속하고 부드럽게 구동할 수 있다.Third, it is possible to drive quickly and smoothly to the target coordinates without lowering the gain of the gimbal controller.

도 1은 센서를 구동하기 위한 짐발의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 방법의 진행과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 지구중심좌표계에서 본 짐발과 표적의 좌표와 짐발에서부터 표적으로 향하는 방향벡터를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 관성항법장치를 사용하는 좌표 지향장치에 대한 설명도이다.
도 6은 초기 센서 좌표계를 기준으로 하는 움직이는 가상 목표점에 대한 설명을 나타낸 예시도이다.
도 7은 생성된 가상 목표점의 한축의 경로 생성 실시 예를 나타낸 그래프이다.
1 is an exemplary view showing a configuration of a gimbal for driving a sensor.
Figure 2 is a block diagram showing the configuration of the coordinate orientation device of the gimbal using the inertial navigation apparatus according to the present invention.
Figure 3 is a flow chart showing the progress of the coordinate orientation method of gimbal using the inertial navigation apparatus according to the present invention.
4 is an exemplary view showing the coordinates of the gimbal and the target viewed from the geocentric coordinate system and the direction vector from the gimbal to the target.
5 is an explanatory diagram of a coordinate directing device using the inertial navigation apparatus according to the present invention.
6 is an exemplary view illustrating a description of a moving virtual target point based on the initial sensor coordinate system.
7 is a graph illustrating an embodiment of generating a path on one axis of the generated virtual target point.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 본 발명에 따른 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향장치의 구성과 그에 따른 동작을 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings it will be described the configuration and operation according to the coordinate orientation of the gimbal using the inertial navigation apparatus according to the present invention.

도 1은 센서를 구동하기 위한 짐발의 구성을 나타낸 예시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다. 1 is an exemplary view showing the configuration of a gimbal for driving a sensor, Figure 2 is a block diagram showing the configuration of the coordinate orientation device of the gimbal using the inertial navigation apparatus according to the present invention.

목표점의 좌표로부터 구동 각도를 계산하여 짐발(10)이 좌표를 지향하도록 제어하기 위한 좌표 지향 장치의 구조는 좌표 지향을 위한 짐발(gimbal)(10); 상기 짐발(10) 내에 장착되어 좌표 지향이 되는 센서(11); 상기 센서(11) 위에 장착된 관성항법장치(26); 목표좌표와 상기 관성항법장치(26)를 이용하여 상기 짐발(10)의 방위각, 고각 구동 명령을 생성하는 좌표 지향기(21); 상기 좌표 지향기(21)로부터 출력되는 명령에 따라 상기 짐발의 위치를 제어하는 짐발 위치 제어기(22); 관성 공간에서 센서의 자세를 측정하는 관성측정장치(inertial measurement unit: IMU)(25); 상기 짐발 위치 제어기(22)와 관성측정장치(25)로부터 제공되는 신호에 따라 상기 짐발(10)의 구동 속도를 제어하기 위한 신호를 출력하는 속도 제어기(23); 및 상기 속도 제어기(23)의 제어신호에 따라 상기 짐발을 구동하는 구동회로 모터(24)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 도 1을 살펴보면 좌표 지향을 위한 짐발(10)은 비디오 카메라, 열상 카메라, 레이저 지향기 등 짐발(10) 안에 장착되어 좌표 지향이 되는 센서(11)를 포함하여 이루어질 수 있다. 짐발(10)은 일반적으로 방위각(13)과 고각(14)의 두 구동축으로 이루어진다. The structure of the coordinate orientation device for controlling the gimbal 10 to direct the coordinates by calculating the driving angle from the coordinates of the target point includes: a gimbal 10 for coordinate orientation; A sensor (11) mounted in the gimbal (10) to be coordinate-oriented; An inertial navigation device (26) mounted on the sensor (11); A coordinate director 21 for generating azimuth and elevation driving commands of the gimbal 10 using a target coordinate and the inertial navigation device 26; A gimbal position controller 22 for controlling the position of the gimbal according to a command outputted from the coordinate director 21; An inertial measurement unit (IMU) 25 for measuring the attitude of the sensor in the inertial space; A speed controller 23 for outputting a signal for controlling a driving speed of the gimbal 10 according to signals provided from the gimbal position controller 22 and an inertial measurement device 25; And a driving circuit motor 24 for driving the gimbal according to the control signal of the speed controller 23. Here, referring to FIG. 1, the gimbal 10 for coordinate orientation may include a sensor 11 mounted in the gimbal 10 such as a video camera, a thermal camera, a laser director, and the like. The gimbal 10 generally consists of two drive shafts, azimuth 13 and elevation 14.

도 3은 본 발명에 따른 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 방법의 진행과정을 나타낸 흐름도이다. 그 진행과정을 살펴보면, 좌표지향기가 관성항법장치를 이용하여 짐발의 방위각, 고각 구동 명령을 생성하는 단계(S1); 좌표지향기에서 생성한 명령을 짐발 위치 제어기로 전달하는 단계(S2); 짐발 위치 제어기의 제어신호에 따라 짐발을 구동하는 단계(S3); 관성항법장치가 구동된 짐발의 자세와 항공기의 위치/자세로부터 센서의 위치/자세를 결과로 출력하는 단계(S4); 좌표지향기가 센서의 위치/자세와 목표 좌표를 비교하고(S5), 다음 구동각도 명령을 생성하는 단계(S6)를 포함하여 이루어진다.Figure 3 is a flow chart showing the progress of the coordinate orientation method of gimbal using the inertial navigation apparatus according to the present invention. Looking at the process, step of generating the azimuth, elevation driving command of the gimbal using the coordinate steering apparatus using the inertial navigation (S1); Transmitting a command generated by the coordinate pointing device to the gimbal position controller (S2); Driving the gimbal according to the control signal of the gimbal position controller (S3); Outputting the position / posture of the sensor as a result from the posture of the gimbal driven by the inertial navigation device and the position / posture of the aircraft (S4); The coordinate aligner compares the position / posture of the sensor with the target coordinates (S5), and generates a next driving angle command (S6).

좌표지향기(21)는 목표좌표와 센서(11) 위에 장착된 관성항법장치(26)를 이용하여 짐발(10)의 방위각, 고각 구동 명령을 생성한다. 이 구동 명령은 위치제어기(22)로 인가 되고, 이 후에 속도제어기(23), 모터구동회로(24), 짐발(10), 그리고 IMU(25)로 이루어진 속도 제어 루프로 인가되어 짐발(10)이 구동된다. 관성항법장치(23)는 구동된 짐발(10)의 자세와 항공기의 위치/자세(21)로부터 센서(11)의 위치/자세를 결과로 내보낸다. 좌표지향기(21)는 계속해서 센서(11)의 위치/자세와 목표좌표을 비교하여 다음 구동각도명령을 생성한다. 표적의 목표 좌표는 사전에 계획되거나 실시간으로 계산되며, 짐발(10)의 좌표도 관성항법장치(26)로부터 실시간으로 얻어진다.The coordinate directing unit 21 generates the azimuth and elevation driving commands of the gimbal 10 using the target coordinates and the inertial navigation apparatus 26 mounted on the sensor 11. This drive command is applied to the position controller 22, and then to the speed control loop composed of the speed controller 23, the motor drive circuit 24, the gimbal 10, and the IMU 25, and the gimbal 10 Is driven. The inertial navigation device 23 outputs the position / posture of the sensor 11 from the position of the driven gimbal 10 and the position / posture 21 of the aircraft. The coordinate director 21 subsequently compares the position / posture of the sensor 11 with the target coordinates to generate the next drive angle command. The target coordinates of the target are planned in advance or calculated in real time, and the coordinates of the gimbal 10 are also obtained in real time from the inertial navigation apparatus 26.

좌표지향기가 목표 좌표와 센서(11)의 자세로부터 구동해야하는 각도를 계산하는 내용은 도 4 및 도 5를 통해 나타난다. 도 4는 좌표 변환에 대한 설명이고, 도 5는 좌표 변환된 결과를 이용하여 방위각, 고각의 구동 각도를 계산하는 내용이다.  The contents of calculating the angle at which the coordinate locator should be driven from the target coordinates and the attitude of the sensor 11 are shown through FIGS. 4 and 5. FIG. 4 is a description of coordinate transformation, and FIG. 5 is a content of calculating driving angles of azimuth and elevation using a result of coordinate transformation.

도 4는 지구중심좌표계에서 본 짐발과 표적의 좌표와 짐발에서부터 표적으로 향하는 방향벡터를 나타낸 예시도이다. 지구중심좌표계(30) (ECEF; Earth Centered Earth Fixed coordinate)에서 본 짐발의 좌표(31)와 목표좌표(20)이다.4 is an exemplary view showing the coordinates of the gimbal and the target viewed from the geocentric coordinate system and the direction vector from the gimbal to the target. Gimbal coordinates (31) and target coordinates (20) as seen from the Earth Centered Earth Fixed coordinate (ECEF).

일반적으로, 지구중심좌표계(30)는 지구 타원체의 적도면에서 경도 0°인 위치를 축, 진북방향을 축으로 하는 오른손 좌표계로 정의한다. 보통 좌표 지향을 위한 입력값은 센서(10)와 목표(20)의 좌표로 경도, 위도, 고도 (LLA; Longitude, Latitude, Altitude)의 값으로 각각 입력된다. 이 좌표들을 바탕으로 짐발의 방위각(41), 고각(42) 방향의 구동각을 계산을 하여 짐발 위치 제어기(22)로 제어 출력을 내보낸다. 이를 위해 우선 위도, 경도, 고도로 표현된 좌표값들은 지구중심좌표계(30)로 변환된 후에 센서(11)에서 목표(20)까지의 방향 벡터(34)로 계산된다. 이것은 다음 [수학식 1]과 같이 계산된다.In general, the geocentric coordinate system 30 defines a position having a longitude of 0 ° on the equator plane of the earth ellipsoid as a right hand coordinate system having an axis and a true north direction axis. In general, input values for coordinate orientation are input as longitude, latitude, and altitude (LLA) values as coordinates of the sensor 10 and the target 20, respectively. Based on these coordinates, the driving angle in the direction of the azimuth 41 and the elevation 42 of the gimbal is calculated to send a control output to the gimbal position controller 22. To this end, coordinates expressed in latitude, longitude, and altitude are first converted into the geocentric coordinate system 30 and then calculated as a direction vector 34 from the sensor 11 to the target 20. This is calculated as shown in Equation 1 below.

Figure 112010082921120-pat00001
Figure 112010082921120-pat00001

여기서,

Figure 112010082921120-pat00002
는 지구중심좌표계에서 표현된 목표점의 변위 벡터(32),
Figure 112010082921120-pat00003
는 지구중심좌표계에서 표현된 센서 위치의 변위 벡터(33), 그리고
Figure 112010082921120-pat00004
는 센서에서 목표점의 방향 벡터(34)이다. 이 방향 벡터의 단위 벡터(35)와 그 크기는 아래의 [수학식 2]와 같이 표현된다.here,
Figure 112010082921120-pat00002
Is the displacement vector (32) of the target point expressed in the geocentric coordinate system,
Figure 112010082921120-pat00003
Is a displacement vector 33 of the sensor position expressed in the geocentric coordinate system, and
Figure 112010082921120-pat00004
Is the direction vector 34 of the target point in the sensor. The unit vector 35 and its magnitude of this direction vector are expressed as shown in Equation 2 below.

Figure 112010082921120-pat00005
Figure 112010082921120-pat00005

RLOS는 수학식 1의 방향벡터의 크기이며, nE는 방향벡터의 단위 벡터(35)이다. 따라서 이들은 각각, 센서에서 목표까지의 방향과 거리를 나타낸다. 지구중심좌표계(30)에서 표현된 좌표와 벡터는 좌표변환행렬을 통해 센서좌표계로 변환될 수 있다.R LOS is the magnitude of the direction vector of Equation 1, and n E is the unit vector 35 of the direction vector. Each of these thus represents the direction and distance from the sensor to the target. Coordinates and vectors expressed in the geocentric coordinate system 30 may be converted into a sensor coordinate system through a coordinate transformation matrix.

도 5는 짐발(10)에 장착된 센서(11)와, 그 위에 장착된 관성항법장치(26)를 보여주고 있다. 센서좌표계(40)는 이 센서(11)의 시선의 방향을 축으로 하여, 도 5와 같이 정의할 수 있다. 지구중심좌표계(30)에서 센서좌표계(40)로의 좌표변환행렬을

Figure 112010082921120-pat00006
라고 하면 센서좌표계에서 표현된 센서(11)에서 목표(20)까지의 단위방향벡터 (35)는 [수학식 3]과 같다.5 shows a sensor 11 mounted on the gimbal 10 and an inertial navigation device 26 mounted thereon. The sensor coordinate system 40 can be defined as shown in FIG. 5 with the direction of the eye of the sensor 11 as the axis. Coordinate transformation matrix from the geocentric coordinate system (30) to the sensor coordinate system (40)
Figure 112010082921120-pat00006
In this case, the unit direction vector 35 from the sensor 11 to the target 20 expressed in the sensor coordinate system is expressed by Equation 3 below.

Figure 112010082921120-pat00007
Figure 112010082921120-pat00007

따라서, 현재 시선 위치로부터 목표 방향으로 지향하기 위해 필요한 방위각(41)과 고각(42)의 각도는 삼각함수의 관계식으로부터 [수학식 4]와 같이 표현된다.Therefore, the angles between the azimuth angle 41 and the elevation angle 42 necessary for directing from the current line of sight position to the target direction are expressed as Equation 4 from the relational expression of the trigonometric function.

Figure 112010082921120-pat00008
Figure 112010082921120-pat00008

여기서 x, y, z는 [수학식 3]의 단위방향벡터 (35)의 세 요소들이며, AZ, EL은 각각 좌표지향에 필요한 방위각(41), 고각(42) 명령이다. 이 명령은 앞에서 보인 도 2의 위치 제어기(22)로 인가되어 짐발(10)을 구동하고, 따라서 원하는 좌표를 지향하도록 한다.Where x , y , and z are the three elements of the unit direction vector 35 of Equation 3, and AZ and EL are the azimuth angle 41 and the elevation angle 42 commands necessary for coordinate orientation, respectively. This command is applied to the position controller 22 of FIG. 2 shown above to drive the gimbal 10, thus directing the desired coordinates.

이때 계산된 방위각(41), 고각(42) 구동 명령 AZ, EL의 값이 큰 경우, 그대로 짐발 위치 제어기(22)로 인가되면, 짐발(10) 구동에 문제를 일으킬 수 있다. 구동 앰프의 구동 능력, 모터의 최대 구동 각속도, 각가속도 등의 제한으로 인해 짐발(10) 구동에는 한계가 있으며, 이를 넘는 구동 명령이 인가될 경우, 제어기의 포화 현상으로 인해 짐발(10)이 큰 오버슈트를 발생시키거나 불안정해지는 현상을 경험할 수 있다. In this case, when the calculated values of the azimuth angle 41 and the elevation 42 driving commands AZ and EL are large, if they are directly applied to the gimbal position controller 22, problems may occur in driving the gimbal 10. There is a limit to driving the gimbal 10 due to the limitation of the driving ability of the driving amplifier, the maximum driving angular velocity of the motor, the angular acceleration, and when the driving command exceeding this is applied, the gimbal 10 becomes large due to the saturation of the controller. You may experience churning or instability.

따라서 본 발명에서는 이를 해결하기 위해서 짐발(10)에서 목표(20)까지의 방향벡터(35)를 조작하는 기법을 사용한다. 즉, 실제 목표점(20)까지 구동하기 위한 각도가 큰 경우 이 실제 목표(20)를 사용하지 않고 적은 구동각도부터 서서히 변화하여 실제 구동 각도까지 변하는 가상의 목표점을 이용하는 좌표지향방법을 사용한다.Therefore, in the present invention, a technique of manipulating the direction vector 35 from the gimbal 10 to the target 20 is used. That is, when the angle for driving to the actual target point 20 is large, a coordinate orientation method using a virtual target point that changes gradually from a small driving angle to a real driving angle is used without using the actual target 20.

도 6a 및 도 6b는 초기 짐발 좌표계를 기준으로 하는 움직이는 가상 목표점에 대한 설명을 나타낸 예시도이다. 새로운 목표의 좌표를 지향해야 하는 경우에 도 6a에서와 같이, 우선 현재의 시선 위치와 방향 벡터가 일치할 수 있도록 가상 목표점을 현재 센서좌표축의 X축(52) 위에 설정한다. 센서좌표축(40)은 짐발(10)이 구동함에 따라 연속적으로 변하는 값이기 때문에 초기 시선의 방향(52)은 가상 목표점(53)이 설정되는 순간의 센서좌표계(50)을 기준으로 한다.6A and 6B are exemplary views illustrating a description of a moving virtual target point based on an initial gimbal coordinate system. 6A, the virtual target point is first set on the X axis 52 of the current sensor coordinate axis so that the current line of sight position and the direction vector coincide. Since the sensor coordinate axis 40 is a value that continuously changes as the gimbal 10 is driven, the direction 52 of the initial line of sight is based on the sensor coordinate system 50 at the moment when the virtual target point 53 is set.

이 상태에서 모터의 구동 방위각, 고각 명령을 계산하면 현재 시선과 가상 목표 방향 벡터(52)가 일치하기 때문에 방위각(41), 고각(42)의 구동각은 "0"이될 것이다. 이 후 일반적인 구동 각도 경로 계획 방법을 사용하여 가상 목표점(53)을 실제 목표점(54)까지 연속적으로 이동을 시킨다.When the driving azimuth and elevation commands of the motor are calculated in this state, the driving angles of the azimuth angle 41 and the elevation angle 42 will be "0" because the current line of sight and the virtual target direction vector 52 coincide. Thereafter, the virtual target point 53 is continuously moved to the actual target point 54 using a general driving angle path planning method.

결과적으로 도 6b에서 보는 바와 같이, 목표 방향 벡터(55)도 연속적으로 변하게 되고 이를 바탕으로 계산되는 모터의 방위각(41), 고각 구동(42) 명령도 연속적으로 변하게 된다. 이때 가상 목표점(54)의 변화 궤적은 방위각(41), 고각(42) 방향으로 짐발(10) 구동 능력을 고려하여 원하는 시간에 원하는 각도로 갈 수 있도록 계산되면 된다.As a result, as shown in FIG. 6B, the target direction vector 55 also changes continuously, and the azimuth angle 41 and elevation driving 42 commands of the motor calculated based on this change continuously. In this case, the change trajectory of the virtual target point 54 may be calculated to go to a desired angle at a desired time in consideration of the gimbal 10 driving ability in the azimuth 41 and elevation 42 directions.

도 7a 및 도 7b는 방위각(41) 또는 고각(42) 방향으로 구동 각도 명령 생성의 실시예를 보여주고 있다. 도 7a는 시간과 각도 사이의 관계를 도 7b는 시간과 각속도의 관계를 나타낸 그래프이다.7A and 7B show an embodiment of driving angle command generation in the azimuth 41 or elevation 42 direction. 7A is a graph showing the relationship between time and angle, and FIG. 7B is a graph showing the relationship between time and angular velocity.

일반적인 최소시간 궤적 생성법을 사용하여 생성된 구동 각도, 각속도 명령은 아래의 [수학식 5]와 같다. 짐발(10)을 초기 각도 q0부터 원하는 각도qf까지 최대 가속도aM으로 시간 tf동안 이동할 때 구동 각도는 다음과 같다. The driving angle and angular velocity commands generated using the general minimum time trajectory generation method are shown in Equation 5 below. When the gimbal 10 is moved from the initial angle q 0 to the desired angle q f for the maximum acceleration a M for a time t f , the driving angle is as follows.

Figure 112010082921120-pat00009
Figure 112010082921120-pat00009

여기서, ts는 각속도 스위칭 시각으로 이 시각 전까지는 가속도 aM으로 가속하다가 이 시각 이후에는 -aM으로 감속하여 최소 시간에 원하는 각도 qf로 이동한다. 이렇게 모터의 구동 가속도, 구동 각가속도 한계를 고려하여 생성된 방위각(41), 고각(42) 방향으로의 가상의 목표점(54) 이동 궤적을 이용하여 목표점을 이동하게 되면, 짐발은 AZ(41), EL(42) 축으로 원하는 시간 tf동안 목표 구동 각도만큼 구동하여 목표점을 지향할 수 있게 된다. 따라서 제어기의 포화 현상으로 인한 짐발(10)의 진동, 발진 등 불안정한 현상을 방지할 수 있다.Here, t s is an angular velocity switching time, which accelerates to an acceleration a M until this time, and after this time, it decelerates to -a M and moves to a desired angle q f at a minimum time. When the target point is moved by using the virtual target point 54 moving trajectory in the direction of the azimuth angle 41 and the elevation angle 42 in consideration of the driving acceleration and the driving angular acceleration limit of the motor, the gimbal is AZ 41, The target point can be directed by driving the target driving angle for the desired time t f with the EL 42 axis. Therefore, unstable phenomena such as vibration and oscillation of the gimbal 10 due to saturation of the controller can be prevented.

상기 기재된 가상의 좌표점을 이용한 좌표지향기는 다음과 같이 활용될 수 있다. 일반적으로, 구동범위가 작은 좌표 지향을 할 때는 상기 수학식 4를 이용하여 실제 좌표점을 좌표 지향한다. 하지만, 구동범위가 큰 좌표 지향을 요구하는 목표 좌표가 설정된 경우에는, 본 발명에 따른 가상의 좌표점이 실제 좌표점을 대체하여 할당되고, 상기 대체된 가상의 좌표점을 이용하여 좌표 지향한다. 상기 가상의 좌표점은 상기 수학식 5와 같이, 각 축에 대하여 구동 각속도/각가속도를 고려하여 생성된 궤적이기 때문에 원하는 시간에 원하는 목표점까지 제어기의 포화 없이 안정적인 좌표 지향이 가능하다.The coordinate director using the virtual coordinate point described above may be utilized as follows. In general, when performing a coordinate orientation with a small driving range, the actual coordinate point is coordinate-oriented using Equation 4 above. However, when target coordinates requiring a coordinate orientation having a large driving range are set, a virtual coordinate point according to the present invention is assigned in place of an actual coordinate point, and coordinate-oriented by using the replaced virtual coordinate point. Since the virtual coordinate point is a trajectory generated by considering driving angular velocity / angular acceleration with respect to each axis as in Equation 5, stable coordinate orientation is possible without saturation of the controller to a desired target point at a desired time.

좌표지향기가 다수의 좌표를 좌표 지향하는 경우에는, 상기 가상의 좌표점이 현재의 센서 좌표계 기준 시선 위치로 다시 설정되어 실제 좌표점을 대체하여 좌표 지향에 이용되는 시점은 새로운 좌표, 즉 목표 좌표가 좌표지향기에 입력되는 순간이 된다. 또한, 구동각도가 구동가능범위를 벗어나는 경우에도 상기 가상의 좌표점이 현재의 센서 좌표계 기준 시선 위치로 다시 설정되어 실제 좌표점을 대체하여 좌표 지향에 이용된다.In the case where the coordinate oriented device coordinates a plurality of coordinates, the virtual coordinate point is set back to the current sensor coordinate system reference gaze position to replace the actual coordinate point and used for coordinate orientation. It is the moment when it enters the director. In addition, even when the driving angle is out of the driveable range, the virtual coordinate point is set back to the current sensor coordinate system reference gaze position to replace the actual coordinate point and used for coordinate orientation.

10: 짐발 11: 센서
12: LOS 13: 방위각
14: 고각 20: 목표
21: 좌표 지향기 22: 위치 제어기
23: 속도 제어기 24: 구동회로 모터
25: IMU 26: 관성항법 장치
31: 짐발의 좌표 32: 목표점의 변위 벡터
33: 센서 위치의 변위 벡터 34: 목표점의 방향 벡터
35: 방향 벡터의 단위 벡터 40: 센서 좌표계
41: 방위각 42: 고각
51: 가상 목표점
50: 가상 목표점이 설정되는 순간의 센서좌표계
52: 초기 시선 방향 53: 센서좌표축의 X축
54: 실제 목표점 55: 목표 방향 벡터
10: gimbal 11: sensor
12: LOS 13: Azimuth
14: elevation 20: target
21: coordinate director 22: position controller
23: speed controller 24: drive circuit motor
25: IMU 26: Inertial Navigation System
31: coordinate of gimbal 32: displacement vector of target point
33: displacement vector of sensor position 34: direction vector of target point
35: unit vector of the direction vector 40: sensor coordinate system
41: azimuth 42: elevation
51: virtual target
50: Sensor coordinate system at the moment the virtual target point is set
52: Initial eye direction 53: X axis of the sensor coordinate axis
54: actual target point 55: target direction vector

Claims (10)

좌표 지향을 위한 짐발(gimbal);
상기 짐발 내에 장착되어 좌표 지향이 되는 센서;
상기 센서 위에 장착된 관성항법장치;
목표좌표와 상기 관성항법장치를 이용하여 상기 짐발의 방위각, 고각 구동 명령을 생성하는 좌표 지향기;
상기 좌표 지향기로부터 출력되는 명령에 따라 상기 짐발의 위치를 제어하는 짐발 위치 제어기;
관성공간에서 센서의 자세를 측정하는 관성측정장치(inertial measurement unit: IMU);
상기 짐발 위치 제어기와 관성측정장치로부터 제공되는 신호에 따라 상기 짐발의 구동 속도를 제어하기 위한 신호를 출력하는 속도 제어기; 및
상기 속도 제어기의 제어신호에 따라 상기 짐발을 구동하는 구동회로 모터를 포함하며,
상기 좌표 지향기는 짐발이 실제 목표를 지향하기 위한 구동 각도가 구동가능범위보다 큰 경우에 실제 목표를 사용하지 않고 가상의 목표점을 사용하는 좌표지향방법에 의해 구동되되, 센서와 목표의 경도, 위도, 고도로 표현된 좌표값들을 지구중심좌표계로 변환한 후 센서에서 목표까지의 방향 벡터로 계산하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치.
Gimbal for coordinate orientation;
A sensor mounted in the gimbal and oriented in coordinates;
An inertial navigation device mounted on the sensor;
A coordinate director for generating azimuth and elevation driving commands of the gimbal using a target coordinate and the inertial navigation device;
A gimbal position controller for controlling the position of the gimbal according to a command output from the coordinate director;
An inertial measurement unit (IMU) for measuring the attitude of the sensor in the inertial space;
A speed controller for outputting a signal for controlling a driving speed of the gimbal according to signals provided from the gimbal position controller and an inertial measurement device; And
A driving circuit motor for driving the gimbal according to a control signal of the speed controller,
The coordinate director is driven by a coordinate-oriented method using a virtual target point without using the actual target when the driving angle for the gimbal to direct the actual target is larger than the driveable range. A coordinate orientation device of gimbals using an inertial navigation system, characterized by converting highly expressed coordinate values into a geocentric coordinate system and calculating a direction vector from a sensor to a target.
제 1 항에 있어서,
상기 센서는 비디오 카메라, 열상 카메라, 레이저 지향기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치.
The method of claim 1,
And the sensor comprises at least one of a video camera, a thermal camera, and a laser directivity device.
제 1 항에 있어서,
상기 관성항법장치는 구동된 짐발의 자세와 항공기의 위치/자세로부터 센서의 위치/자세를 결과로 출력하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치.
The method of claim 1,
The inertial navigation device is a coordinate orientation device of the gimbal using the inertial navigation system, characterized in that for outputting the position / attitude of the sensor from the position of the driven gimbal and the position / attitude of the aircraft.
제 1 항에 있어서,
짐발의 좌표는 관성항법장치로부터 실시간 제공되는 것을 특징으로 하는 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치.
The method of claim 1,
The coordinates of the gimbal using the inertial navigation system, characterized in that the coordinates of the gimbal is provided in real time from the inertial navigation system.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 좌표 지향기가 다수의 좌표를 지향하는 경우, 상기 가상의 목표점이 현재의 센서 좌표계 기준 시선 위치로 다시 설정되어 실제 목표를 대신하여 좌표 지향에 사용되는 시점은 목표 좌표들이 좌표지향기에 입력되는 순간인 것을 특징으로 하는 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치.
The method of claim 1,
When the coordinate director directs a plurality of coordinates, the point of time when the virtual target point is reset to the current sensor coordinate system reference gaze position and used for coordinate orientation instead of the actual target is a moment when the target coordinates are input to the coordinate director. Gimbal coordinate orientation device using an inertial navigation system characterized in that.
제 1 항에 있어서,
상기 좌표 지향기가 다수의 좌표를 지향하는 경우, 상기 가상의 목표점이 현재 센서좌표계기준 시선 위치로 다시 설정되어 실제 목표를 대신하여 좌표지향에 사용되는 시점은 구동각도가 구동가능범위를 벗어나는 순간인 것을 특징으로 하는 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 장치.
The method of claim 1,
When the coordinate director directs a plurality of coordinates, the point of time when the virtual target point is set to the current sensor coordinate system reference gaze position and used for coordinate orientation instead of the actual target is the moment when the driving angle is out of the driveable range. Gimbal coordinate orientation device using an inertial navigation system characterized in that.
삭제delete 삭제delete 좌표지향기가 관성항법장치를 이용하여 짐발의 방위각, 고각 구동 명령을 생성하는 단계;
좌표지향기에서 생성한 명령을 짐발 위치 제어기로 전달하는 단계;
짐발 위치 제어기의 제어신호에 따라 짐발을 구동하는 단계;
관성항법장치가 구동된 짐발의 자세와 항공기의 위치/자세로부터 센서의 위치/자세를 결과로 출력하는 단계;
좌표지향기가 센서의 위치/자세와 목표 좌표를 비교하여 다음 구동각도 명령을 생성하는 단계를 포함하되,
상기 짐발의 방위각, 고각 구동 명령을 생성하는 단계 및, 상기 다음 구동각도 명령을 생성하는 단계에서, 상기 좌표지향기는 짐발이 실제 목표를 지향하기 위한 구동 각도가 구동가능범위보다 큰 경우에 실제 목표를 사용하지 않고 가상의 목표점을 사용하는 좌표지향방법에 의해 구동되며, 센서와 목표의 경도, 위도, 고도로 표현된 좌표값들을 지구중심좌표계로 변환한 후 센서에서 목표까지의 방향 벡터로 계산하는 것을 특징으로 하는 관성항법장치를 이용한 짐발의 좌표 지향 방법.
Generating an azimuth, elevation driving command of the gimbal using the inertial navigation apparatus;
Transmitting a command generated by the coordinate pointing machine to the gimbal position controller;
Driving the gimbal according to a control signal of the gimbal position controller;
Outputting the position / posture of the sensor as a result of the position of the gimbal driven by the inertial navigation system and the position / posture of the aircraft;
Wherein the coordinate locator compares the position / posture of the sensor with the target coordinates to generate a next drive angle command,
In generating the azimuth, elevation driving command of the gimbal, and generating the next driving angle command, the coordinate pointing device sets the actual target when the driving angle for the gimbal to aim at the actual target is larger than the driveable range. It is driven by the coordinate-oriented method using virtual target points without using them, and converts coordinates expressed by longitude, latitude, and altitude of the sensor and target into a geocentric coordinate system and then calculates the direction vectors from the sensor to the target. Coordinate orientation method of gimbal using inertial navigation system.
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