KR101366773B1 - 롤 진동 억제 장치를 구비한 비행체 및 이의 구동 방법 - Google Patents

롤 진동 억제 장치를 구비한 비행체 및 이의 구동 방법 Download PDF

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Abstract

롤 진동 억제 장치, 이를 구비한 비행체 및 이의 구동 방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예들은 비행체의 구동에 따라 롤 진동을 검출하고, 롤 레이트 신호를 이용하고 이종 주파수 추정기를 이용하여 다중 필터를 형성하며, 다중 필터를 이용하여 롤 진동을 억제함으로써 정밀한 유도, 조종 가능하도록 한다. 본 발명의 실시 예들은 조종날개를 조종하는 유도명령, 조종명령을 롤 레이트 신호의 주파수에 따라 설계된 다중 필터를 이용하여 필터링함으로써 유도명령, 조종명령에 포함된 롤 진동 성분을 제거할 수 있다.

Description

롤 진동 억제 장치를 구비한 비행체 및 이의 구동 방법{MISSILE AND OPERATING METHOD THE SAME HAVING ROLL VIBRATION RESTRAINER}
본 발명은 롤 진동을 억제하여 정밀하게 구동할 수 있는 미사일 등의 비행체에 관한 것이다.
미사일 혹인 무인기과 같은 비행체에 대한 분야에서, 적절한 방향으로 비행하는 동안 방향을 변화시키기 위한 다양한 방법이 사용되어왔다. 현재, 상술한 분야에서 사용되는 방법은 예견되는 제어형태에 따라 하기와 같이 분류된다.
첫째로, 이른바 데카르트 방식 제어이다. 비행체는 비행체 자체 섹션의 직경방향에 대해 반대 측면에 배치된 네 개의 조종날개(fin) 표면을 가진다. 서로 대향된 제1 두 표면과 제2 두 표면을 움직임으로써, 미사일과 같은 비행체는 일체로 편주운동(yawing movement) 및 피칭 운동(pitching movement)을 제어한다. 한편, 롤링 운동(rolling movement)도 같은 방법으로 제어되므로, 조종날개 표면의 제1 및 제2 쌍이 서로 대향되어 움직이는 경우에는 상황이 달라진다.
두 쌍의 조종날개 표면을 가진 상기 배치에서, 제어 표면 자체의 운동을 수행하기 위해서는 다양한 운동이 필요하다. 대향하는 쌍의 조종날개 표면이 서로 연결되는 경우 더욱 정밀하게 두 모터들이 이용되어야 한다. 이에 따라 롤 축의 제어를 가진 개별 조종날개 표면을 제어하기 위해서는 서너 개의 모터들이 이용되어야 한다. 결과적으로, 모터의 위상배치가 실질적으로 이용되기는 상당히 복잡하다.
둘째로, 이른바 극성 방식(polar type) 제어이다. 두 제어표면만이 조종날개 형태와 조종날개 표면에서 이용가능하다. 이들이 배치된 평면에 따라 비행체의 편주 및 피칭 축이 제어된다. 이때, 둘 이상의 모터가 필요하다. 즉, 조종날개 표면의 경사를 제어하는 제1 모터와 롤 축을 따라 조종날개 표면 자체의 평면을 향하는 제2 모터가 필요하다.
셋째로, 이른바 혼합 방식 제어이다. 이 경우, 비행체의 동체를 따라 연속하여 배치된 두 다른 형태의 세트로 네 개의 조종날개 표면이 배치된다. 따라서, 비행체의 롤 축을 움직이는 제1 다른 연속표면이 존재한다. 이에 따라 남은 두 다른 연속표면은 편주 및 피칭운동에 관련된다. 이 경우에도 둘 이상의 모터가 한 쌍의 제어표면을 움직이기 위해 필요하다.
한편, 일반적인 유도탄 형상은, 도 1에 도시한 바와 같이, 형상의 특성상 길이는 길지만 두께는 얇다. 즉, 비행체는 일반적으로 세장비(細長比)가 큰 형태가 많다. 또한 비행체는 큰 모멘트 발생을 위해 비행체의 앞부분이나, 뒷부분에 구동기가 설치되는 것이 일반적이다. 이와 같은 기체 구조적 특성 및 구동기의 비대칭적 거동이 있는 경우, 롤 방향의 진동이 여기될 가능성이 높다. 특히 고주파의 제어 루프가 연동되어 있으며, 구동기의 반응성이 큰 경우, 이러한 롤 진동이 발현될 가능성은 배가된다.
본 발명의 실시 예들은 상기한 바와 같은 롤 진동을 억제하는 롤 진동 억제 장치와 이를 구비한 비행체, 및 이의 구동 방법을 제공함에 일 목적이 있다.
본 발명의 실시 예들은 조종날개를 조종하는 조종명령을 롤 레이트 신호의 주파수에 따라 설계된 다중 필터를 이용하여 필터링하는 롤 진동 억제기, 및 이를 구비한 유도 조종 장치, 그리고 이들을 구비한 비행체 및 이의 구동 방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
본 발명의 실시 예들은 비행체의 구동에 따라 롤 진동을 검출하고 이종 주파수 추정기를 이용한 다중 필터를 이용하여 롤 진동을 억제함으로써 정밀한 유도, 조종이 가능한 비행체 및 이의 동작 방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
일 실시 예에 따른 비행체의 롤 진동 억제 장치는, 비행체의 롤 레이트 신호를 일정 주파수 대역으로 통과시켜 필터링하는 대역 통과 필터와, 상기 대역 통과 필터를 통과한 상기 롤 진동 감지 신호 중 특정 진동 주파수 대역의 신호를 추정하는 주파수 추정기와, 상기 주파수 추정기로부터 추정된 주파수와 감쇄 계수를 이용하여 비행체의 조종날개를 조종하는 조종명령을 필터링하는 노치 필터를 포함하여 구성된다.
일 실시 예에 따른 유도 조종 장치는, 표적의 위치와, 비행체의 위치, 속도 및 자세 중 하나 이상의 정보를 이용하여 상기 비행체를 상기 표적으로 유도하는 유도명령을 산출하는 유도기와, 상기 유도명령을 근거로 비행체의 조종날개를 조종하는 조종명령을 산출하는 조종기와, 주파수 추정기를 구비하여 일정 주파수 대역에 해당하는 상기 비행체의 롤 레이트 신호의 주파수를 추정하고, 추정된 상기 롤 레이트 신호의 주파수를 근거로 상기 조종명령을 필터링하는 롤 진동 억제기를 포함하여 구성된다.
일 실시 예에 따른 비행체는, 표적의 위치 또는 상기 표적의 위치 및 속도를 탐색하고, 탐색한 표적 정보를 출력하는 탐색기와, 비행체의 구동에 따른 상기 비행체의 각속도 또는 가속도를 이용하여 하나 이상의 비행체 정보를 산출하는 관성 항법 장치와, 상기 탐색기가 탐색한 상기 표적 정보와 상기 하나 이상의 비행체 정보를 근거로 유도명령을 산출하고, 상기 유도명령을 수행하기 위한 조종명령을 산출하는 유도 조종 장치와, 상기 비행체의 롤 진동을 검출하고, 상기 하나 이상의 비행체 정보와 상기 롤 레이트 신호를 출력하는 신호 처리 장치와, 상기 롤 레이트 신호를 근거로 다중 필터를 형성하고, 상기 조종명령을 상기 다중 필터를 이용하여 필터링하는 롤 진동 억제기와, 상기 필터링된 조종명령을 근거로 상기 비행체의 몸체에 구비된 조종날개를 구동하는 구동기를 포함하여 구성된다.
일 실시 예에 따른 비행체의 구동 방법은, 표적 정보를 탐색하는 단계와, 비행체의 구동에 따른 상기 비행체의 각속도 또는 가속도를 측정하는 단계와, 상기 각속도 및 가속도를 이용하여 비행체 정보를 산출하는 단계와, 상기 표적 정보와 상기 비행체 정보를 이용하여 유도명령을 산출하는 단계와, 상기 유도명령을 수행하기 위한 조종명령을 산출하는 단계와, 상기 비행체의 롤 진동을 검출하여 롤 레이트 신호를 생성하는 단계와, 상기 롤 레이트 신호를 근거로 다중 필터를 형성하는 단계와, 상기 조종명령을 상기 다중 필터를 이용하여 필터링하는 단계와, 상기 필터링된 조종명령을 근거로 상기 비행체의 몸체에 구비된 조종날개를 구동하는 단계를 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시 예들은 비행체의 구동에 따라 롤 진동을 검출하고 이종 주파수 추정기를 이용한 다중 필터를 이용하여 롤 진동을 억제함으로써 정밀한 유도, 조종 가능하도록 한다.
본 발명의 실시 예들은 조종날개를 조종하는 유도명령, 조종명령을 롤 레이트 신호의 주파수에 따라 설계된 다중 필터를 이용하여 필터링함으로써 유도명령, 조종명령에 포함된 롤 진동 성분을 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 비행체의 외관을 개략적으로 도시한 도;
도 2는 일 실시 예에 따른 비행체의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도;
도 3은 일 실시 예에 따른 비행체의 유도 조종 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도;
도 4는 일 실시 예에 따른 비행체의 롤 진동 억제 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도;
도 5는 일 실시 예에 따른 비행체의 구동 방법을 개략적으로 도시한 흐름도; 및
도 6은 도 5에서의 롤 진동 억제 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시 예에 따른 비행체는, 탐색기(300)와, 관성 항법 장치(200)와, 유도 조종 장치(100)와, 신호 처리 장치(600)와, 롤 진동 억제기(110)와, 구동기(400)를 포함하여 구성된다. 탐색기(300)는, 표적의 위치 또는 상기 표적의 위치 및 속도를 탐색하고, 탐색한 표적 정보를 출력한다. 관성 항법 장치(200)는, 비행체의 구동에 따른 상기 비행체의 각속도 또는 가속도를 이용하여 하나 이상의 비행체 정보를 산출하고, 상기 하나 이상의 비행체 정보를 출력한다. 유도 조종 장치(100)는, 상기 탐색기(300)가 탐색한 상기 표적 정보와 상기 하나 이상의 비행체 정보를 근거로 유도명령을 산출하고, 상기 유도명령을 수행하기 위한 조종명령을 산출한다. 신호 처리 장치(600)는 상기 비행체의 롤 진동을 검출하고, 상기 롤 레이트 신호를 출력한다. 롤 진동 억제기(110)는, 상기 롤 레이트 신호를 근거로 다중 필터를 형성하고, 상기 조종명령을 상기 다중 필터를 이용하여 필터링한다. 구동기(400)는, 상기 필터링된 조종명령을 근거로 상기 비행체의 몸체에 구비된 조종날개(500, 510)를 구동한다.
도 1 및 도 2를 참조하고, 비행체 중 하나인 유도탄을 예로 들어 설명한다. 유도탄은 크게 기체, 제어장치, 탄두 및 추진기관으로 구성된다. 기체는 유도탄의 내부체를 보호하고, 비행 중 공기 저항을 최대한으로 줄여 추진력이 극대화되도록 설계된다. 여기서, 제어장치는, 유도 조종 장치(100), 구동기(400), 탐색기(300), 관성 항법 장치(200) 등으로 구성된다.
기체는 두부, 동체, 조종날개 및 조종면으로 구성된다. 두부에는 흔히 유도조종장치 및 탄두가 포함되고, 비행속도, 필요한 용적 및 레이더파의 굴절 등을 고려하여 그 형상이 선택되는데, 주로 원추형, 오자이브형, 반구형 등의 형상을 사용한다. 동체는 추진기관이 주가 되며, 조종날개는 속도범위, 항공역학 및 구조 등을 고려하여 평면형과 단면의 모양을 이룬다. 조종면은 날개 뒤 또는 동체에 부착된 작은 날개이고, 비행 중에 이 조종면을 움직여 공기의 흐름을 변경시킴으로써 기체에 회전력을 발생시켜 유도탄의 진로를 임의로 조종한다.
유도조종이란 표적과 유도탄에 대해 측정한 상대적 위치와 속도 등의 정보를 이용하여 유도탄이 표적에 명중되도록 유도탄의 비행경로를 수정하는 것을 의미한다. 도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 유도 조종 장치는, 유도기(120)와, 조종기(130)와, 롤 진동 억제기(110)를 포함하여 구성된다.
유도기(120)는, 표적의 위치와, 비행체의 위치, 속도 및 자세 중 하나 이상의 정보를 이용하여 상기 비행체를 상기 표적으로 유도하는 유도명령을 산출한다. 유도기(120)는 비행 경로를 수정하여 유도탄을 표적에 명중시키기 위한 유도 명령을 산출하여 조종기(130)에 보낼 명령 신호를 발생시킨다.
즉, 유도기(120)는, 표적과 유도탄에 대해 측정한 상대적 위치와 속도 등의 표적 정보 및 비행체 정보를 이용하여 유도탄이 표적에 명중되도록 유도탄의 비행 경로를 수정하기 위한 유도명령을 산출한다. 유도 명령은 레이더나 탐색기(300)로 측정한 표적의 위치와 관성 항법 장치(200)나 레이더로 측정된 비행체의 위치, 속도, 그리고 항법 자료(비행체에 사전 입력된 각종 정보)를 이용하여 표적을 맞출 확률이 최대가 되도록 산출된다.
조종기(130)는, 상기 유도명령을 근거로 비행체의 조종날개를 조종하는 조종명령을 산출한다. 즉, 조종기(130)는, 상기 유도명령을 유도탄이 안정되게 비행하면서 가장 빠르게 조종할 수 있도록 조종명령을 산출하여 조종날개의 위치 또는 추력 방향을 제어한다.
조종기(130)는 유도기(120)로부터 전달된 유도명령을 수행하기 위한 조종명령을 발생시키는 것으로서, 비행체의 비행 안정성이 유지되면서 신속한 조종명령이 수행되도록 하여야 한다. 조종 명령은 유도기(120)로부터 입력된 유도명령과 비행체의 가속도, 각속도 등을 이용하여 산출되며, 조종명령의 산출은 조종날개의 변위 또는 추력의 방향을 나타내는 각도로 표시된다.
관성 항법 장치(200)는, 상기 각속도 또는 상기 가속도를 측정하고, 측정한 정보를 상기 유도 조종 장치에 출력하는 관성측정기(210)와, 상기 각속도 및 가속도를 이용하여 상기 비행체의 위치, 속도 및 자세 중 상기 하나 이상의 비행체 정보를 산출하고, 산출한 정보를 상기 유도 조종 장치에 출력하는 항법기(220)를 포함하여 구성된다. 관성측정기(210)는 3차원 관성공간에서 각속도를 측정하는 자이로스코프와 선형 가속도를 측정하는 가속도계로 구성된다. 항법기(220)는 각속도와 가속도 정보를 적분하여 비행체의 각 변위와 이동거리 및 자세를 산출한다. 항법기(220)는 위성측위시스템(Global Positioning System; GPS)이나 별추적기(Star tracker) 등을 보조 기기로 사용하여 항법성능을 향상시킬 수 있다.
구동기(400)는 조종명령 신호에 따라 비행체를 조종하기 위하여 동력을 공급한다. 구동기(400)는 조종날개(500)의 편향각(Deflection Angle) 또는 추력 방향(Thrust Vector)를 제어하는 것으로서, 유압식, 공압식, 전기식이 있다. 구동기(400)는 조종센서(위치센서 또는 속도센서) 등을 사용하여 일반적으로 되먹임 제어 체계를 구성한다.
롤 진동 억제기(장치)(110)는, 주파수 추정기(112)를 구비하여 일정 주파수 대역에 해당하는 상기 비행체의 롤 레이트 신호의 주파수를 추정하고, 추정된 상기 롤 레이트 신호의 주파수를 근거로 상기 조종명령을 필터링한다.
도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 비행체의 롤 진동 억제 장치(110)는, 비행체의 롤 레이트 신호를 일정 주파수 대역으로 통과시켜 필터링하는 대역 통과 필터(111)와, 상기 대역 통과 필터를 통과한 상기 롤 진동 감지 신호 중 특정 진동 주파수 대역의 신호를 추정하는 주파수 추정기(112)와, 상기 주파수 추정기로부터 추정된 주파수와 감쇄 계수를 이용하여 비행체의 조종날개를 조종하는 조종명령을 필터링하는 노치 필터 (Norch Filter) (113)를 포함하여 구성된다. 여기서, 대역 통과 필터(111)는, 저주파 대역과 고주파 대역의 두 개의 주파수 대역을 가진다.
상기 롤 진동 억제 장치(100)는, 진동 주파수를 검출하고, 검출된 주파수를 이용한 노치 필터를 적용한다. 이때, 단일 노치 필터로는 롤 축에 발생한 진동을 억제할 수 없다. 이는, 구동기(400)의 전원 유무에 따라 롤 진동의 특성이 달라지는 경우, 단일 주파수에 고정되는 구조 모드에 의해서만 발현되는 것이 아니라, 빠른 주파수의 제어 되먹임 루프까지 관여되어 진동이 발현되기 때문이다. 한편, 구조 모드에 의한 진동은 시스템 물성치와 같은 변수에 의해 발생하는 것으로 비행체(유도탄)마다 조립 특성에 의해 변경될 수는 있지만, 한 번 결정되면 빨리 변하지 않는 특성이 있다. 반면 제어루프에 의해 발현되는 진동의 경우, 되먹임 루프의 특성상 가관측하지 않은 주파수는 감소하고, 관측되는 주파수는 증폭되는 특성이 있다. 따라서 관측되는 주파수를 재빨리 검출하여 노치 필터를 적용하는 방식이 유용하다. 이러한 롤 축 특성을 반영한 롤 진동 억제 장치를 설명한다.
비행체의 기동은 관성측정기 (IMU : Inertial Measurement Unit) (210)에 의해 측정된다. 롤 진동 억제 장치(110)는, 롤 진동 성분 검출을 관성측정기에서 측정된 신호(ωobserv) 중 롤 레이트(Roll rate) 신호를 사용한다.
저주파 롤 레이트 신호를 위해 롤 레이트 신호는 저주파 대역 통과 필터(Low Freq. Band Pass Filter)를 통과한다. 저주파 대역 통과 필터의 통과 대역은 f1L ~ f1H이다. 고주파 롤 레이트 신호를 위해 롤 레이트 신호는 고주파 대역 통과 필터(High Freq. Band Pass Filter)를 통과한다. 고주파 대역 통과 필터의 통과 대역은 f2L(=f1H) ~ f2H이다. 여기서, 롤 레이트 신호의 저주파 및 고주파 대역 통과 필터에 의한 필터링은 동시에 수행될 수 있다.
저주파 대역 통과 필터를 통과한 신호는 저역 H∞ 주파수 추정기로 입력된다. 저역 H∞ 주파수 추정기는 f1L ~ f1H 대역의 진동 주파수를 추정한다. 고주파 대역 통과 필터를 통과한 신호는 고역 H∞ 주파수 추정기로 입력된다. 고역 H∞ 주파수 추정기는 f2L ~ f2H 대역의 진동 주파수를 추정한다. 여기서, 저역 및 고역 주파수 추정은 동시에 수행될 수 있다. H∞ 주파수 추정기는 적응필터이론을 기반으로 구현된다. 또, 고주파 대역 통과 필터를 통과한 신호는 고역 wFFT 주파수 추정기로 입력된다. 고역 wFFT 주파수 추정기는 f2L ~ f2H 대역의 진동 주파수를 추정한다. 고역 wFFT 주파수 추정기는 가중 FFT 기법을 이용하여 주파수를 추정한다. 고역 H∞ 주파수 추정기와 고역 wFFT 주파수 추정기에 의한 진동 주파수 추정은 동시에 수행될 수 있다.
한편, 관성측정기(210)가 측정한 주파수 중 유도 조종 장치에 사용되는 신호(ωfeed)는 제어기의 되먹임에 사용된다. 이 중 롤 레이트 신호는 f2H 주파수 이상의 고주파를 제거하는 저역 통과 필터(LPF)를 통과할 수 있다. 롤 진동이 발생하면, 유도 조종 장치가 산출한 조종날개 제어 입력 값, 즉 조종명령에도 여전히 해당 진동 성분이 존재할 수 있다.
노치 필터(113)는 주파수 추정기(112)를 통해 추정된 주파수를 이용하여 조종명령을 노치 필터링한다. 노치 필터(113)는, 상기 저역 H∞ 주파수 추정기를 통해 추정된 주파수와 제1 감쇄 계수(ξ1)를 이용하여 조종명령을 필터링하는 제1 노치 필터와, 상기 고역 H∞ 주파수 추정기를 통해 추정된 주파수와 제2 감쇄 계수(ξ2)를 이용하여 조종명령을 필터링하는 제2 노치 필터와, 상기 고역 wFFT 주파수 추정기를 통해 추정된 주파수와 제3 감쇄 계수(ξ3)를 이용하여 조종명령을 필터링하는 제3 노치 필터를 포함한다. 즉, 제1 노치 필터와 제2 노치 필터는 적응 기법을, 제3 노치 필터를 가중 회귀 푸리에 변환을 이용한 기법을 사용한다.
또, 롤 진동 억제 장치(110)는, 상기 노치 필터(113)를 통해 필터링된 조종명령의 위상 처짐을 보상하는 앞섬 보상기를 더 포함할 수 있다. 이때, 앞섬 보상기는, 감쇄 계수 ξ1 ~ ξ3를 고려한다.
도 5를 참조하면, 일 실시 예에 따른 비행체의 구동 방법은, 표적 정보를 탐색하는 단계(S100)와, 비행체의 구동에 따른 상기 비행체의 각속도 또는 가속도를 측정하는 단계(S200)와, 상기 각속도 및 가속도를 이용하여 비행체 정보를 산출하는 단계와, 상기 표적 정보와 상기 비행체 정보를 이용하여 유도명령을 산출하는 단계(S300)와, 상기 유도명령을 수행하기 위한 조종명령을 산출하는 단계(S400)와, 상기 비행체의 롤 진동을 검출하여 롤 레이트 신호를 생성하는 단계(S500)와, 상기 롤 레이트 신호를 근거로 다중 필터를 형성하는 단계(S600)와, 상기 조종명령을 상기 다중 필터를 이용하여 필터링하는 단계(S700)와, 상기 필터링된 조종명령을 근거로 상기 비행체의 몸체에 구비된 조종날개를 구동하는 단계(S800)를 포함하여 구성된다. 이하 장치의 구성은 도 2 내지 도 4를 참조한다.
상기 표적 정보를 탐색하는 단계(S100)는, 외부 장치로부터 표적의 위치, 또는 표적의 위치 및 속도를 입력받는 단계일 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 다중 필터를 형성하는 단계(S600)는, 상기 롤 레이트 신호를 저주파 대역 및 고주파 대역으로 각각 통과시켜 필터링하는 제1 필터링 과정(S610, S620)과, 상기 제1 필터링 과정에서 필터링된 롤 진동 감지 신호 중 특정 진동 주파수 대역의 신호를 추정하는 주파수 추정 과정(S630, S640, S650)을 포함하여 구성된다. 상기 필터링하는 단계(S700)는, 상기 주파수 추정 과정으로부터 추정된 주파수와 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 제2 필터링 과정(S710, S720)을 포함하여 구성된다.
또, 상기 주파수 추정 과정은, 상기 저주파 대역을 통과한 상기 롤 레이트 신호로부터 상기 저주파 대역에서의 진동 주파수를 추정하는 저역 H∞ 주파수 추정 과정(S630)과, 상기 고주파 대역을 통과한 상기 롤 레이트 신호로부터 상기 고주파 대역에서의 진동 주파수를 추정하는 고역 H∞ 주파수 추정 과정(S640)과, 상기 고주파 대역을 통과한 상기 롤 레이트 신호로부터 상기 고주파 대역에서의 진동 주파수를 추정하는 고역 wFFT 주파수 추정 과정(S650)을 포함하여 구성된다.
상기 제2 필터링 과정은, 상기 저역 H∞ 주파수 추정 과정을 통해 추정된 주파수와 제1 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 과정(S710)과, 상기 고역 H∞ 주파수 추정 과정을 통해 추정된 주파수와 제2 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 과정(S720)과, 상기 고역 wFFT 주파수 추정 과정을 통해 추정된 주파수와 제3 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 과정(S730)을 포함하여 구성된다.
롤 진동 억제 장치는, 롤 진동 성분 검출을 관성측정기에서 측정된 신호(ωobserv) 중 롤 레이트(Roll rate) 신호를 사용한다.
저주파 롤 레이트 신호를 위해 롤 레이트 신호는 저주파 대역 통과 필터(Low Freq. Band Pass Filter)를 통과한다(S610). 저주파 대역 통과 필터의 통과 대역은 f1L ~ f1H이다. 고주파 롤 레이트 신호를 위해 롤 레이트 신호는 고주파 대역 통과 필터(High Freq. Band Pass Filter)를 통과한다(S620). 고주파 대역 통과 필터의 통과 대역은 f2L(=f1H) ~ f2H이다. 여기서, 롤 레이트 신호의 저주파 및 고주파 대역 통과 필터에 의한 필터링은 동시에 수행될 수 있다.
저주파 대역 통과 필터를 통과한 신호는 저역 H∞ 주파수 추정기로 입력된다(S630). 저역 H∞ 주파수 추정기는 f1L ~ f1H 대역의 진동 주파수를 추정한다. 고주파 대역 통과 필터를 통과한 신호는 고역 H∞ 주파수 추정기로 입력된다(S640). 고역 H∞ 주파수 추정기는 f2L ~ f2H 대역의 진동 주파수를 추정한다. 여기서, 저역 및 고역 주파수 추정은 동시에 수행될 수 있다. 또, 고주파 대역 통과 필터를 통과한 신호는 고역 wFFT 주파수 추정기로 입력된다(S650). 고역 wFFT 주파수 추정기는 f2L ~ f2H 대역의 진동 주파수를 추정한다. 고역 H∞ 주파수 추정기와 고역 wFFT 주파수 추정기에 의한 진동 주파수 추정은 동시에 수행될 수 있다.
한편, 관성측정기가 측정한 주파수 중 유도 조종 장치에 사용되는 신호(ωfeed)는 제어기의 되먹임에 사용된다. 이 중 롤 레이트 신호는 f2H 주파수 이상의 고주파를 제거하는 저역 통과 필터(LPF)를 통과할 수 있다. 롤 진동이 발생하면, 유도 조종 장치가 산출한 조종날개 제어 입력 값, 즉 조종명령에도 여전히 해당 진동 성분이 존재할 수 있다.
롤 진동 억제 장치는 주파수 추정기를 통해 추정된 주파수를 이용하여 조종명령을 노치 필터링한다. 롤 진동 억제 장치는, 상기 저역 H∞ 주파수 추정기를 통해 추정된 주파수와 제1 감쇄 계수(ξ1)를 이용하여 조종명령을 필터링한다(S710). 또, 롤 진동 억제 장치는 상기 고역 H∞ 주파수 추정기를 통해 추정된 주파수와 제2 감쇄 계수(ξ2)를 이용하여 조종명령을 필터링하고(S720), 상기 고역 wFFT 주파수 추정기를 통해 추정된 주파수와 제3 감쇄 계수(ξ3)를 이용하여 조종명령을 필터링한다(S730). 롤 진동 억제 장치는, 필터링된 조종명령의 위상 처짐을 보상할 수 있고, 이때 사용하는 앞섬 보상기는 감쇄 계수 ξ1 ~ ξ3를 고려한다. 구동기는 3중 노치 필터에 의해 필터링된 조종명령에 따라 조종날개를 구동한다(S800).
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 롤 진동 억제 장치, 이를 구비한 비행체 및 이의 구동 방법은 비행체의 구동에 따라 롤 진동을 검출하고, 롤 레이트 신호를 이용하고 이종 주파수 추정기를 이용하여 다중 필터를 형성하며, 다중 필터를 이용하여 롤 진동을 억제함으로써 정밀한 유도, 조종 가능하도록 한다. 본 발명의 실시 예들은 조종날개를 조종하는 유도명령, 조종명령을 롤 레이트 신호의 주파수에 따라 설계된 다중 필터를 이용하여 필터링함으로써 유도명령, 조종명령에 포함된 롤 진동 성분을 제거할 수 있다. 본 발명의 실시 예들은, 해당 주파수 대역을 증폭시키기 위해 대역 통과 필터를 사용하고, 상호 연결 시 연속적으로(seamless) 통과 주파수를 설정한다. 주파수 추정을 위해 적응 기법 및 가중 회귀 푸리에 변환을 이용한 기법이 사용한다. 각각의 노치 필터에 사용되는 감쇄 계수는 전체 시스템의 롤 안정성을 고려한다. 이러한 롤 진동은 순수한 구조적 진동이라기보다는 빠른 제어루프 및 전기식 구동모터를 사용하는 구동기의 특성에 의해 기인한다. 따라서 일반적으로 필터링이 수행되는 지점인 관성 센서부에서 필터링을 수행하는 것이 아니라, 추정된 롤 주파수를 이용한 이동 노치 필터를 제어 명령 인가부에 적용한다. 이를 통해 제어장치에 의해 발현 가능한 롤 진동을 근본적으로 억제한다.
100: 유도 조종 장치 110: 롤 진동 억제기(장치)
111: 대역 통과 필터 112: 주파수 추정기
113: 노치 필터 120: 유도기
130: 조종기 200: 관성 항법 장치
210: 관성 측정기 220: 항법기
300: 탐색기 400: 구동기
500: 조종날개 600: 신호 처리 장치

Claims (18)

  1. 비행체의 롤 레이트 신호를 일정 주파수 대역으로 통과시켜 필터링하는 대역 통과 필터;
    상기 대역 통과 필터를 통과한 롤 진동 감지 신호 중 특정 진동 주파수 대역의 신호를 추정하는 주파수 추정기; 및
    상기 주파수 추정기로부터 추정된 주파수와 감쇄 계수를 이용하여 비행체의 조종날개를 조종하는 조종명령을 필터링하는 노치 필터;를 포함하는 비행체의 롤 진동 억제 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 대역 통과 필터는,
    저주파 대역과 고주파 대역의 두 개의 주파수 대역을 가지는 것을 특징으로 하는 비행체의 롤 진동 억제 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 주파수 추정기는,
    상기 저주파 대역을 통과한 상기 롤 레이트 신호로부터 상기 저주파 대역에서의 진동 주파수를 추정하는 저역 H∞ 주파수 추정기와,
    상기 고주파 대역을 통과한 상기 롤 레이트 신호로부터 상기 고주파 대역에서의 진동 주파수를 추정하는 고역 H∞ 주파수 추정기 및 고역 wFFT 주파수 추정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 롤 진동 억제 장치,
  4. 제3 항에 있어서, 상기 노치 필터는,
    상기 저역 H∞ 주파수 추정기를 통해 추정된 주파수와 제1 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 제1 노치 필터와,
    상기 고역 H∞ 주파수 추정기를 통해 추정된 주파수와 제2 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 제2 노치 필터와,
    상기 고역 wFFT 주파수 추정기를 통해 추정된 주파수와 제3 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 제3 노치 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 롤 진동 억제 장치.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노치 필터를 통해 필터링된 조종명령의 위상 처짐을 보상하는 앞섬 보상기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 롤 진동 억제 장치.
  6. 표적의 위치와, 비행체의 위치, 속도 및 자세 중 하나 이상의 정보를 이용하여 상기 비행체를 상기 표적으로 유도하는 유도명령을 산출하는 유도기;
    상기 유도명령을 근거로 비행체의 조종날개를 조종하는 조종명령을 산출하는 조종기; 및
    주파수 추정기를 구비하여 일정 주파수 대역에 해당하는 상기 비행체의 롤 레이트 신호의 주파수를 추정하고, 추정된 상기 롤 레이트 신호의 주파수를 근거로 상기 조종명령을 필터링하는 롤 진동 억제기;를 포함하는 유도 조종 장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 롤 진동 억제기는,
    상기 롤 레이트 신호를 저주파 대역 및 고주파 대역으로 각각 통과시켜 필터링하는 대역 통과 필터; 및
    상기 주파수 추정기로부터 추정된 주파수와 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 노치 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 조종 장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 주파수 추정기는,
    상기 저주파 대역을 통과한 상기 롤 레이트 신호로부터 상기 저주파 대역에서의 진동 주파수를 추정하는 저역 H∞ 주파수 추정기와,
    상기 고주파 대역을 통과한 상기 롤 레이트 신호로부터 상기 고주파 대역에서의 진동 주파수를 추정하는 고역 H∞ 주파수 추정기 및 고역 wFFT 주파수 추정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 조종 장치.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 노치 필터는,
    상기 저역 H∞ 주파수 추정기를 통해 추정된 주파수와 제1 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 제1 노치 필터와,
    상기 고역 H∞ 주파수 추정기를 통해 추정된 주파수와 제2 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 제2 노치 필터와,
    상기 고역 wFFT 주파수 추정기를 통해 추정된 주파수와 제3 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 제3 노치 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 조종 장치.
  10. 제6 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 롤 진동 억제기는,
    노치 필터를 통해 필터링된 조종명령의 위상 처짐을 보상하는 앞섬 보상기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 조종 장치.
  11. 표적의 위치 또는 상기 표적의 위치 및 속도를 탐색하고, 탐색한 표적 정보를 출력하는 탐색기;
    비행체의 구동에 따른 상기 비행체의 각속도 또는 가속도를 이용하여 하나 이상의 비행체 정보를 산출하고, 상기 하나 이상의 비행체 정보를 출력하는 관성 항법 장치;
    상기 탐색기가 탐색한 상기 표적 정보와 상기 하나 이상의 비행체 정보를 근거로 유도명령을 산출하고, 상기 유도명령을 수행하기 위한 조종명령을 산출하는 유도 조종 장치;
    상기 비행체의 롤 진동을 검출하고, 상기 롤 레이트 신호를 출력하는 신호 처리 장치;
    상기 롤 레이트 신호를 근거로 다중 필터를 형성하고, 상기 조종명령을 상기 다중 필터를 이용하여 필터링하는 롤 진동 억제기; 및
    상기 필터링된 조종명령을 근거로 상기 비행체의 몸체에 구비된 조종날개를 구동하는 구동기;를 포함하는 비행체.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 관성 항법 장치는,
    상기 각속도 또는 상기 가속도를 측정하고, 측정한 정보를 상기 유도 조종 장치에 출력하는 관성측정기; 및
    상기 각속도 및 가속도를 이용하여 상기 비행체의 위치, 속도 및 자세 중 상기 하나 이상의 비행체 정보를 산출하고, 산출한 정보를 상기 유도 조종 장치에 출력하는 항법기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체.
  13. 제11 항 또는 제12 항에 있어서, 상기 롤 진동 억제기의 상기 다중 필터는,
    상기 롤 레이트 신호를 저주파 대역 및 고주파 대역으로 각각 통과시켜 필터링하는 대역 통과 필터;
    상기 대역 통과 필터를 통과한 롤 진동 감지 신호 중 특정 진동 주파수 대역의 신호를 추정하는 주파수 추정기; 및
    상기 주파수 추정기로부터 추정된 주파수와 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 노치 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체.
  14. 표적 정보를 탐색하는 단계;
    비행체의 구동에 따른 상기 비행체의 각속도 또는 가속도를 측정하는 단계;
    상기 각속도 및 가속도를 이용하여 비행체 정보를 산출하는 단계;
    상기 표적 정보와 상기 비행체 정보를 이용하여 유도명령을 산출하는 단계;
    상기 유도명령을 수행하기 위한 조종명령을 산출하는 단계;
    상기 비행체의 롤 진동을 검출하여 롤 레이트 신호를 생성하는 단계;
    상기 롤 레이트 신호를 근거로 다중 필터를 형성하는 단계;
    상기 조종명령을 상기 다중 필터를 이용하여 필터링하는 단계; 및
    상기 필터링된 조종명령을 근거로 상기 비행체의 몸체에 구비된 조종날개를 구동하는 단계;를 포함하는 비행체의 구동 방법.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 다중 필터를 형성하는 단계는,
    상기 롤 레이트 신호를 저주파 대역 및 고주파 대역으로 각각 통과시켜 필터링하는 제1 필터링 과정; 및
    상기 제1 필터링 과정에서 필터링된 롤 진동 감지 신호 중 특정 진동 주파수 대역의 신호를 추정하는 주파수 추정 과정;을 포함하고,
    상기 필터링하는 단계는,
    상기 주파수 추정 과정으로부터 추정된 주파수와 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 제2 필터링 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 구동 방법.
  16. 제15 항에 있어서, 상기 주파수 추정 과정은,
    상기 저주파 대역을 통과한 상기 롤 레이트 신호로부터 상기 저주파 대역에서의 진동 주파수를 추정하는 저역 H∞ 주파수 추정 과정;
    상기 고주파 대역을 통과한 상기 롤 레이트 신호로부터 상기 고주파 대역에서의 진동 주파수를 추정하는 고역 H∞ 주파수 추정 과정; 및
    상기 고주파 대역을 통과한 상기 롤 레이트 신호로부터 상기 고주파 대역에서의 진동 주파수를 추정하는 고역 wFFT 주파수 추정 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 구동 방법.
  17. 제16 항에 있어서, 상기 제2 필터링 과정은,
    상기 저역 H∞ 주파수 추정 과정을 통해 추정된 주파수와 제1 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 과정;
    상기 고역 H∞ 주파수 추정 과정을 통해 추정된 주파수와 제2 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 과정; 및
    상기 고역 wFFT 주파수 추정 과정을 통해 추정된 주파수와 제3 감쇄 계수를 이용하여 상기 조종명령을 필터링하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 구동 방법.
  18. 제14 항에 있어서, 상기 표적 정보를 탐색하는 단계는,
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