KR101380791B1 - Method for compensating friction of stabilization controller using reference angular velocity trajectory - Google Patents

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KR101380791B1 KR1020130015999A KR20130015999A KR101380791B1 KR 101380791 B1 KR101380791 B1 KR 101380791B1 KR 1020130015999 A KR1020130015999 A KR 1020130015999A KR 20130015999 A KR20130015999 A KR 20130015999A KR 101380791 B1 KR101380791 B1 KR 101380791B1
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홍성일
강신천
김도종
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국방과학연구소
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Abstract

The specification relates to a friction compensating method using a standard angular speed trajectory of a stabilization controller which is loaded in all kinds of platforms and compensates disturbance and traces, and stabilizes an unknown moving object. In case of the friction compensating method using the standard angular speed trajectory of the stabilization controller which is loaded in a platform whereby there is disturbance in roll/pitch/yaw and traces and stabilizes a moving object; the friction compensating method using the standard angular speed trajectory of the stabilization controller according to the embodiment disclosed in the specification comprises: a step (1) of calculating a standard angular speed trajectory of an azimuth; a step (2) of calculating a standard angular speed trajectory of a high angle; a step (3) of performing friction compensation of the azimuth using the standard angular speed trajectory of the azimuth; and a step (4) of performing friction compensation to the high angle using the standard angular speed trajectory of the high angle. [Reference numerals] (AA) Center of gravity of platform; (BB) Platform flat surface; (CC) Blow system; (d_1) Yaw; (d_2) Pitch; (d_3) Roll; (DD) Target distance; (EE) Target; (x_3) Azimuth axis; (x_G) North; (y_G) East; (z_6) High angle axis; (z_G) Top

Description

안정화 제어기의 기준 각속도 궤적을 이용한 마찰보상 방법{METHOD FOR COMPENSATING FRICTION OF STABILIZATION CONTROLLER USING REFERENCE ANGULAR VELOCITY TRAJECTORY}Friction Compensation Method Using the Reference Angular Velocity Trajectory of Stabilization Controller {METHOD FOR COMPENSATING FRICTION OF STABILIZATION CONTROLLER USING REFERENCE ANGULAR VELOCITY TRAJECTORY}

본 명세서는 안정화 제어기의 기준 각속도 궤적을 이용한 마찰보상 방법에 관한 것이다. The present specification relates to a friction compensation method using a reference angular velocity trajectory of a stabilization controller.

일반적으로, 기계 시스템의 구동장치에 작용하는 마찰력은 기계 시스템을 정밀하게 제어하는데 있어 가장 제어하기 힘든 비선형 특성 중 하나이다. 마찰력은 주로 축의 구동 속도의 함수로 기술할 수 있다. 마찰력은 구동 축의 속도가 없을 때는 존재하지 않다가 속도가 아주 조금씩 생기기 시작하면 마찰력은 기하급수적으로 증가한다. 이때 작용하는 힘이 정지 마찰력(Static Friction)으로 속도가 거의 없는 영역에서 마찰력이 급격하게 증가하게 되는 구간이다. 정지 마찰력이 작용하는 속도 구간보다 구동축의 속도가 좀 더 증가하게 되면 마찰력이 일시적으로 감소하게 되는데 이를 스트리백 효과(Stribeck Effect)라고 한다. 그리고 구동축의 속도가 이보다 더 증가하게 되어 스트리백 효과가 작용하는 속도 구간을 지나게 되면 마찰력은 속도에 비례하여 증가하게 된다. 이는 구동축에 존재하는 윤활에 의해 발생하는 마찰력으로써 점성 마찰(Viscous Friction)이라고 한다. 이러한 마찰의 강한 비선형 특성은 구동축의 정밀한 제어를 어렵게 만들고, 제어 정밀도를 저하시키거나 진동으로 인한 채터링(Chattering) 현상을 발생시키기도 하며 더 나아가 혼돈(Chaos) 형태의 출력을 초래하기도 한다. In general, the frictional force acting on the drive of a mechanical system is one of the most difficult non-linear features in precisely controlling the mechanical system. The friction force can be described primarily as a function of the drive speed of the shaft. The friction force does not exist in the absence of the speed of the drive shaft, but the friction force increases exponentially as the speed begins to develop slightly. At this time, the frictional force increases rapidly in the region where the applied force is almost no speed due to the static friction. When the speed of the drive shaft increases more than the speed range in which the static frictional force acts, the frictional force decreases temporarily. This is called the Stribeck Effect. As the speed of the drive shaft increases further, the frictional force increases in proportion to the speed as it passes through the speed range where the stripback effect is applied. This is a friction force generated by the lubrication present in the drive shaft and is called viscous friction. The strong nonlinear nature of the friction makes it difficult to control the drive shaft precisely, which can lead to poor control accuracy, chattering due to vibration, and even chaos output.

이러한 마찰력을 수학적으로 모델링하여 모델기반의 제어기에 포함시켜 마찰력 보상하는 방법들이 연구되었지만, 마찰력을 수학적으로 정확하게 모델링하기가 어렵고 또 마찰력은 구동축의 부하 변화, 구동축의 작동방향, 가속도, 시간이나 온도 등에 따른 특성 변화가 존재하기 때문에 이러한 불확실한 조건하에서는 마찰보상이 잘 이루어지지 않는다.Although methods of compensating the frictional force by mathematically modeling the frictional force and including it in the model-based controller have been studied, it is difficult to model the frictional force accurately mathematically. Due to the presence of the characteristic change, friction compensation is poorly performed under these uncertain conditions.

앞의 불확실한 요소를 최소화하고 마찰보상 방법을 수행할 수도 있다. 하지만 이 경우에도 미리 계획된 궤적(Trajectory)을 무한히 반복하며 추종하는 산업용 로봇의 경우에는 궤적의 특성을 미리 알고 있기 때문에 궤적의 특성에 따른 마찰보상 방법을 적용할 수 있다. 하지만 자동차, 함정 혹은 항공기 등의 각종 플랫폼에 탑재되어 플랫폼에서 발생하는 외란, 즉 롤/피치/요를 보상하면서 이동하는 미지의 표적을 추적하는 센서체계나 타격체계의 경우 플랫폼의 자세정보와 표적정보를 동시에 이용하여 실시간으로 기준 각도/각속도 궤적을 생성하며 제어를 해야하기 때문에 마찰보상이 매우 어렵게 된다.It is also possible to minimize the above uncertainties and implement friction compensation methods. However, even in this case, in the case of the industrial robot that repeats and traces the previously planned trajectory indefinitely, the friction compensation method according to the characteristics of the trajectory can be applied. However, in the case of a sensor system or a strike system that is mounted on various platforms such as a car, a ship, or an aircraft and tracks unknown targets moving while compensating for disturbances, that is, rolls, pitches, and yaw, the attitude information and target information of the platform Friction compensation becomes very difficult because it needs to control and generate reference angle / angular velocity trajectory in real time using the

본 명세서는, 각종 플랫폼에 탑재되어 플랫폼의 외란을 보상하는 동시에 미지의 이동하는 표적을 추적하고 안정화하는 안정화 제어기에서 기준 각속도 궤적을 이용한 마찰보상 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.An object of the present disclosure is to provide a friction compensation method using a reference angular velocity trajectory in a stabilization controller mounted on various platforms to compensate for disturbance of a platform and to track and stabilize unknown moving targets.

본 명세서에 개시된 실시예에 따른 안정화 제어기의 기준 각속도 궤적을 이용한 마찰보상 방법은, 롤/피치/요의 외란이 존재하는 플랫폼에 탑재되어 이동 표적을 추적 및 안정화하는 안정화 제어기에서 기준 각속도 궤적을 이용하여 마찰을 보상하는 방법에 있어서, (1) 방위각의 기준 각속도 궤적을 계산하는 단계; (2) 고각의 기준 각속도 궤적을 계산하는 단계; (3) 방위각 기준 각속도 궤적을 이용하여 방위각 마찰 보상을 수행하는 단계; (4) 고각 기준 각속도 궤적을 이용하여 고각 마찰 보상을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. The friction compensation method using the reference angular velocity trajectory of the stabilization controller according to the embodiment disclosed in the present specification uses a reference angular velocity trajectory in a stabilization controller mounted on a platform having a roll / pitch / yaw disturbance to track and stabilize a moving target. A method for compensating friction, the method comprising: (1) calculating a reference angular velocity trajectory of an azimuth; (2) calculating a reference angular velocity trajectory of the elevation; (3) performing azimuth friction compensation using the azimuth reference angular velocity trajectory; (4) performing the elevation friction compensation using the elevation reference angular velocity trajectory.

본 명세서의 실시예에 따른 안정화 제어기의 기준 각속도 궤적을 이용한 마찰보상 방법은, 방위각 기준 각속도 궤적을 이용하여 방위각 마찰 보상을 수행하고, 고각 기준 각속도 궤적을 이용하여 고각 마찰 보상을 수행함으로써, 안정화 제어기의 마찰보상을 수행할 수 있다. In the friction compensation method using the reference angular velocity trajectory of the stabilization controller according to the embodiment of the present specification, the azimuth friction compensation is performed using the azimuth reference angular velocity trajectory, and the stabilization controller is performed by performing the high angle friction compensation using the elevation reference angular velocity trajectory. Friction compensation can be performed.

도 1은 플랫폼에 탑재되는 안정화 구동장치의 일반적인 기구학적 구조와 좌표계를 나타낸 도이다.
도 2는 비선형 마찰력의 불확실성, 마찰특성 불변 영역, 마찰보상 토크 작용구간과 그 크기를 나타낸 예시도이다.
도 3은 마찰보상 방법 미적용시와 적용시의 마찰력 특성을 나타낸 도이다.
도 4는 방위각 마찰보상 방법 미적용시의 방위각 제어오차 결과를 나타낸 도이다.
도 5는 방위각 마찰보상 방법 적용시의 방위각 제어오차 결과를 나타낸 도이다.
도 6은 고각 마찰보상 방법 미적용시의 고각 제어오차 결과를 나타낸 도이다.
도 7은 고각 마찰보상 방법 적용시의 고각 제어오차 결과를 나타낸 도이다.
1 is a diagram illustrating a general kinematic structure and coordinate system of a stabilizer driving device mounted on a platform.
2 is an exemplary view showing the uncertainty of the nonlinear frictional force, the invariant frictional characteristic region, the friction compensation torque operating region and the magnitude thereof.
3 is a diagram showing the frictional force characteristics when the friction compensation method is not applied and applied.
4 is a diagram illustrating azimuth control error results when the azimuth friction compensation method is not applied.
5 is a diagram illustrating azimuth control error results when azimuth friction compensation method is applied.
FIG. 6 is a diagram illustrating an elevation control error result when the elevation friction compensation method is not applied. FIG.
7 is a view showing the results of the elevation control error when applying the high-angle friction compensation method.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals are used to designate identical or similar elements, and redundant description thereof will be omitted. The suffix "module" and " part "for the components used in the following description are given or mixed in consideration of ease of specification, and do not have their own meaning or role. In the following description of the embodiments of the present invention, a detailed description of related arts will be omitted when it is determined that the gist of the embodiments disclosed herein may be blurred. In addition, it should be noted that the attached drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and should not be construed as limiting the technical idea disclosed in the present specification by the attached drawings.

본 발명은 각종 플랫폼에 탑재되어 플랫폼의 외란을 보상하는 동시에 미지의 이동하는 표적을 추적하고 안정화하는 안정화 제어기에서 기준 각속도 궤적을 이용하여 마찰보상 방법을 제안하고자 한다. 안정화 제어기는 플랫폼에서 발생하는 외란, 즉 롤/피치/요를 보상하면서 센서체계나 타격체계의 시선을 기동하는 표적과 일치시키기 위해서 방위각과 고각 구동축을 제어한다. 마찰보상 토크는 방위각과 고각 구동축에 작용하게 되며 마찰력은 주로 축의 각속도의 함수이므로 기준 각속도 궤적(Reference angular velocity trajectory)을 생성하여 이를 기준으로 마찰보상 방법을 수행한다.The present invention proposes a friction compensation method using a reference angular velocity trajectory in a stabilization controller mounted on various platforms to compensate for disturbance of the platform and to track and stabilize unknown moving targets. The stabilization controller controls the azimuth and elevation drive shafts to match the targets that trigger the gaze of the sensor system or the striking system while compensating for disturbances, roll / pitch / yaw, occurring on the platform. Friction compensation torque acts on the azimuth and elevation drive shafts. Since frictional force is mainly a function of the angular velocity of the shaft, a reference angular velocity trajectory is generated and friction compensation is performed based on this.

먼저, 기준 각속도 궤적을 계산하는 방법을 설명한다.First, a method of calculating the reference angular velocity trajectory will be described.

도 1은 플랫폼에 탑재되는 안정화 구동장치(제어기)의 일반적인 기구학적 구조와 좌표계를 나타낸 도이다.1 is a diagram illustrating a general kinematic structure and coordinate system of a stabilizer driving device (controller) mounted on a platform.

도 1에 도시한 바와 같이, 플랫폼 평면(Platform Plane)의 아래 부분은 자동차, 함정이나 항공기와 같이 플랫폼과 관련된 부분이며, 플랫폼 평면의 위 부분은 센서 혹은 타격체계와 관련된 것이며 방위각 구동축과 고각 구동축으로 구성된다. 플랫폼의 강체 운동은 3자유도로 기술되며

Figure 112013013471677-pat00001
은 플랫폼의 요(Yaw)운동,
Figure 112013013471677-pat00002
는 피치(Pitch),
Figure 112013013471677-pat00003
는 롤(Roll)이다. 그리고 각속도인 요 각속도(Yaw rate)는
Figure 112013013471677-pat00004
으로 나타내고, 피치 각속도(Pitch rate)는
Figure 112013013471677-pat00005
으로, 롤 각속도(Roll rate)은
Figure 112013013471677-pat00006
으로 표현한다. 플랫폼의 요, 피치, 롤과 그 속도 값은 오일러 값으로써 플랫폼 장착된 관성항법창치로부터 전송받는다. 관성항법장치는 플랫폼의 무게중심(Center of Gravity)에 위치하며 북쪽을 x, 서쪽을 y, 위쪽을 z방향으로 정한다. 이를 NWU(North West Up) 좌표계라고 정의한다.As shown in FIG. 1, the lower part of the platform plane is a part related to the platform, such as an automobile, a trap or an aircraft, and the upper part of the platform plane is related to a sensor or a striking system, and the azimuth drive axis and the elevation drive axis are shown. It is composed. The rigid body movement of the platform is described in three degrees of freedom.
Figure 112013013471677-pat00001
Is the yaw movement of the platform,
Figure 112013013471677-pat00002
Is the pitch,
Figure 112013013471677-pat00003
Is a roll. And the yaw rate, the angular velocity
Figure 112013013471677-pat00004
Where pitch angular velocity is
Figure 112013013471677-pat00005
Roll rate is
Figure 112013013471677-pat00006
Express as The yaw, pitch, roll and speed values of the platform are transmitted from the platform-mounted inertial navigation instrument as Euler values. The inertial navigation system is located at the center of gravity of the platform and defines the north as x, the west as y, and the upper z direction. This is defined as NWU (North West Up) coordinate system.

관성좌표계 G의 원점과 플랫폼 좌표계 A의 원점을 플랫폼의 무게중심에 위치시킨다. 플랫폼의 무게중심으로부터 타격체계 혹은 센서체계가 장착된 지점까지 거리 오프셋이 존재하는데, x축 방향으로 거리 a만큼, z축 방향으로 거리 b만큼 떨어져 있다. 그리고 타격/센서 체계의 장착지점에서 방위각 구동축까지 z축 방향으로 거리 c만큼 떨어져있다. 그리고 방위각 축은

Figure 112013013471677-pat00007
만큼 회전 구동한다. 방위각 축으로부터 고각 축까지는 z축 방향으로 거리 d 만큼 이동하고, x축으로 거리 e만큼 이동한다. 그리고 고각 축에서
Figure 112013013471677-pat00008
만큼 회전 구동을 한다. 고각 축으로부터 표적까지는 y축으로 거리 f만큼, 그리고 x축으로 g만큼 이동하면 시선과 표적이 만나게 된다. 여기서
Figure 112013013471677-pat00009
은 방위각 축의 기준 각도이며,
Figure 112013013471677-pat00010
는 고각 축의 기준 각도이다. 이 기준 각도와 각속도로 방위각과 고각축을 구동하였을 때, 표적은 시선 좌표계 L의 x축 선상에 존재한다. 즉 표적을 시선 좌표계의 x축에 위치시키게 되면 플랫폼의 외란을 보상하는 동시에 센서 혹은 타격체계의 시선과 표적이 일치하게 된다.Place the origin of inertial coordinate system G and the origin of platform coordinate system A at the center of gravity of the platform. There is a distance offset from the center of gravity of the platform to the point where the striking system or sensor system is mounted, a distance a in the x-axis and a distance b in the z-axis. And the distance c in the z-axis direction from the mounting point of the striking / sensor system to the azimuth drive shaft. And the azimuth axis
Figure 112013013471677-pat00007
Drive as much rotation. The distance from the azimuth axis to the elevation axis moves by the distance d in the z-axis direction and by the distance e in the x-axis. And at the elevation axis
Figure 112013013471677-pat00008
Rotate as much as you want. Moving from the elevation axis to the target by the distance f in the y-axis and g in the x-axis meets the eye and the target. here
Figure 112013013471677-pat00009
Is the reference angle of the azimuth axis,
Figure 112013013471677-pat00010
Is the reference angle of the elevation axis. When driving the azimuth and elevation axes at this reference angle and angular velocity, the target is on the x-axis line of the visual coordinate system L. In other words, if the target is located on the x-axis of the gaze coordinate system, the disturbance of the platform is compensated for and the line of sight of the sensor or the strike system coincides with the target.

도 1에서 원통형으로 표현되어있는 것은 회전축(revolute joint)이며 직육면체로 표현되어있는 것은 직선축(prismatic joint)이다. 도 1에는 5개의 회전축과 1개의 직선축으로 구성되는데, 플랫폼의 아래에 존재하는 3개의 회전축은 플랫폼의 요/피치/롤을 의미하고, 플랫폼 평면의 윗부분에 존재하는 2개의 회전축은 방위각과 고각의 축을 나타내고, 1개의 직선축은 시선좌표계에서 표적까지의 거리 g이다. 각각의 좌표계에 대한 변환 행렬은

Figure 112013013471677-pat00011
로 나타내는데 고정된 B 좌표계의 위치벡터 P를 이동된 A 좌표계로 변환시키는 역할을 한다. 변환행렬은
Figure 112013013471677-pat00012
행렬을 사용하고 오일러 각을 이용한다. x,y,z축에 대한 각각의 회전 변환 행렬은 수학식 1과 같다.In FIG. 1, the cylindrical axis is a revolute joint and the rectangular parallelepiped is a prismatic joint. In FIG. 1, there are five rotational axes and one linear axis, and three rotational axes below the platform mean yaw / pitch / roll of the platform, and two rotational axes existing on the upper part of the platform plane are azimuth and elevation. And one linear axis is the distance g from the visual coordinate system to the target. The transformation matrix for each coordinate system
Figure 112013013471677-pat00011
It converts the position vector P of the fixed B coordinate system into the moved A coordinate system. The transformation matrix is
Figure 112013013471677-pat00012
Use matrices and Euler angles. Each rotation transformation matrix for the x, y, z axis is represented by Equation 1.

Figure 112013013471677-pat00013
Figure 112013013471677-pat00013

여기서,

Figure 112013013471677-pat00014
Figure 112013013471677-pat00015
를 의미하며,
Figure 112013013471677-pat00016
Figure 112013013471677-pat00017
를 나타낸다. 그리고 병진운동에 대한 변환행렬은 수학식 2와 같다.here,
Figure 112013013471677-pat00014
The
Figure 112013013471677-pat00015
Means,
Figure 112013013471677-pat00016
The
Figure 112013013471677-pat00017
. And the transformation matrix for the translational motion is shown in equation (2).

Figure 112013013471677-pat00018
Figure 112013013471677-pat00018

위치벡터

Figure 112013013471677-pat00019
와 속도벡터
Figure 112013013471677-pat00020
는 x축이 진북을 향하는 관성좌표계(NWU)에서 표적의 위치와 속도를 표시한 벡터이며 수학식 3과 같다.Position vector
Figure 112013013471677-pat00019
And speed vector
Figure 112013013471677-pat00020
Is a vector representing the position and velocity of the target in the inertial coordinate system (NWU) with the x-axis facing true north, as shown in Equation 3.

Figure 112013013471677-pat00021
Figure 112013013471677-pat00021

NWU 좌표계 G에서 획득된 표적의 속도 정보를 플랫폼 좌표계 A로 변환하면 수학식 4와 같다.When the velocity information of the target acquired in the NWU coordinate system G is converted into the platform coordinate system A, it is expressed by Equation 4.

Figure 112013013471677-pat00022
Figure 112013013471677-pat00022

Figure 112013013471677-pat00023
Figure 112013013471677-pat00023

Figure 112013013471677-pat00024
Figure 112013013471677-pat00024

Figure 112013013471677-pat00025
Figure 112013013471677-pat00025

Figure 112013013471677-pat00026
Figure 112013013471677-pat00026

Figure 112013013471677-pat00027
Figure 112013013471677-pat00027

오일러 각(Euler Angle)

Figure 112013013471677-pat00028
는 관성항법장치로부터 얻는다. 기준 각속도 궤적을 생성하려면 플랫폼 좌표계 A에서 기술된 위치벡터
Figure 112013013471677-pat00029
를 시선 좌표계 L로 한 번 더 변환시켜야한다. 시선좌표계 L에서 표현된 표적 정보는 아래의 수학식 5와 같은 변환식을 통해서 구할 수 있다.Euler Angle
Figure 112013013471677-pat00028
Is obtained from the inertial navigation system. To generate the reference angular velocity trajectory, the position vector described in platform coordinate system A
Figure 112013013471677-pat00029
To be transformed into the gaze coordinate L once more. Target information expressed in the visual coordinate system L may be obtained through a conversion equation such as Equation 5 below.

Figure 112013013471677-pat00030
Figure 112013013471677-pat00030

여기서 변환행렬은 수학식 6과 같다.Here, the transformation matrix is shown in Equation 6.

Figure 112013013471677-pat00031
Figure 112013013471677-pat00031

여기서,

Figure 112013013471677-pat00032
이다.here,
Figure 112013013471677-pat00032
to be.

시선과 표적을 일치시키기 위해서는 시선좌표계 L에서 바라본 표적의

Figure 112013013471677-pat00033
Figure 112013013471677-pat00034
의 속도가 0 이어야한다. 수학식 5에서 y방향의 속도가 0이어야 하기 때문에 둘째 행을 쓰면 수학식 7과 같다.To match the line of sight with the target, we need to
Figure 112013013471677-pat00033
and
Figure 112013013471677-pat00034
The speed should be zero. In Equation 5, since the velocity in the y direction should be 0, the second line is written as Equation 7.

Figure 112013013471677-pat00035
Figure 112013013471677-pat00035

따라서 수학식 7에서 기준 각속도 궤적을 수학식 8과 같이 구할 수 있다.Therefore, the reference angular velocity trajectory can be obtained from Equation 7 as shown in Equation 8.

Figure 112013013471677-pat00036
Figure 112013013471677-pat00036

시선좌표계 L에서 z축 방향의 속도도 0이어야 하기 때문에, 수학식 5의 세 번째 항을 다시 쓰면 수학식 9와 같다.Since the velocity in the z-axis direction should also be zero in the visual coordinate system L, the third term of Equation 5 is rewritten as Equation 9.

Figure 112013013471677-pat00037
Figure 112013013471677-pat00037

수학식 9에서 고각의 기준 각속도 궤적을 수학식 10과 같이 구할 수 있다.
In Equation 9, the reference angular velocity trajectory of the elevation may be calculated as in Equation 10.

Figure 112013013471677-pat00038
Figure 112013013471677-pat00038

여기서,

Figure 112013013471677-pat00039
here,
Figure 112013013471677-pat00039

이하에서는, 마찰 보상 방법을 도 2 내지 도 7을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the friction compensation method will be described with reference to FIGS. 2 to 7.

도 2는 비선형 마찰력의 불확실성, 마찰특성 불변 영역, 마찰보상 토크 작용구간과 그 크기를 나타낸 예시도이다.2 is an exemplary view showing the uncertainty of the nonlinear frictional force, the invariant frictional characteristic region, the friction compensation torque operating region and the magnitude thereof.

도 2에 나타낸 바와 같이, 마찰 특성은 그 변화가 크기 때문에 마찰 특성의 불확실 영역이 존재한다. 하지만 그 특성 변화를 고려하더라도 마찰 특성이 변화하지 않는 영역이 도 2와 같이 사각형 형태로 존재한다. 따라서 이 마찰특성 불변영역을 이용하여 마찰력이 작용할 때 마찰력과 반대방향으로 모터토크를 일정하게 더 가해주는 방법으로 마찰을 보상할 수 있다. 방위각 기준 각속도 궤적

Figure 112013013471677-pat00040
과 고각 기준 각속도 궤적
Figure 112013013471677-pat00041
를 이용하여 기준 각속도 궤적값이 일정한 속도 문턱값(Threshold)
Figure 112013013471677-pat00042
보다 크면 마찰력과 반대방향으로 모터토크
Figure 112013013471677-pat00043
를 일정하게 가해준다. 만약 축의 속도가 위와 반대인 경우, 다시 말해 기준 각속도 궤적값이
Figure 112013013471677-pat00044
보다 작으면 축에 작용하는 마찰력과 반대방향으로
Figure 112013013471677-pat00045
의 토크를 일정하게 가해준다. 기준 각속도 궤적이
Figure 112013013471677-pat00046
이상이 되거나
Figure 112013013471677-pat00047
보다 작게 되면 마찰력과 반대방향으로 일정한 토크를 가해 줌으로써 비선형 마찰력의 크기를 줄일 수 있도록 하는 방법이다. As shown in Fig. 2, there is an uncertainty region of the friction characteristic because the friction characteristic is large in variation. However, even if the characteristic change is taken into account, a region in which the friction characteristic does not change is present in a rectangular shape as shown in FIG. 2. Therefore, by using this constant region of frictional characteristics, friction can be compensated by applying a constant torque to the motor in the opposite direction to the frictional force when the frictional force is applied. Azimuth reference trajectory
Figure 112013013471677-pat00040
Angular velocity trajectory
Figure 112013013471677-pat00041
Speed threshold with constant reference angular velocity trajectory
Figure 112013013471677-pat00042
Greater than motor torque in the direction opposite to the friction
Figure 112013013471677-pat00043
It is added regularly. If the velocity of the axis is opposite to the above, that is, the reference angular velocity trajectory
Figure 112013013471677-pat00044
If it is smaller than the friction force acting on the shaft
Figure 112013013471677-pat00045
Constant torque is applied. Reference angular velocity trajectory
Figure 112013013471677-pat00046
Become abnormal
Figure 112013013471677-pat00047
If it is smaller, the nonlinear frictional force can be reduced by applying a constant torque in the opposite direction to the frictional force.

도 3은 마찰보상 방법 미적용시와 적용시의 마찰력 특성을 나타낸 도이다.3 is a diagram showing the frictional force characteristics when the friction compensation method is not applied and applied.

도 3에 도시한 바와 같이, 점선은 마찰보상 방법을 적용하지 않았을 때의 마찰특성이고, 실선은 마찰보상 방법을 적용하였을 때의 마찰특성이다. As shown in Fig. 3, the dotted line indicates the friction characteristics when the friction compensation method is not applied, and the solid line indicates the friction characteristics when the friction compensation method is applied.

상기 방위각의 기준 각속도 궤적을 이용하여 방위각 마찰 보상을 수행하는 방법은,The method for performing azimuth friction compensation using the reference angular velocity trajectory of the azimuth angle,

Figure 112013013471677-pat00048
(조건1)이면 방위각 마찰력과 반대방향으로 마찰보상 토크(Friction compensation torque)(
Figure 112013013471677-pat00049
)를 적용하며,
Figure 112013013471677-pat00048
If (Condition 1), Friction compensation torque in the direction opposite to azimuth friction
Figure 112013013471677-pat00049
),

Figure 112013013471677-pat00050
(조건2)이면 방위각 마찰력과 반대방향으로 마찰보상 토크(
Figure 112013013471677-pat00051
)를 적용하며, 상기 조건 1과 2를 만족하지 않으면 방위각 마찰보상 토크를 적용하지 않는다.
Figure 112013013471677-pat00050
(Condition 2), friction compensating torque in the direction opposite to azimuth friction
Figure 112013013471677-pat00051
), And does not apply azimuth friction compensation torque unless conditions 1 and 2 are satisfied.

상기 고각 기준 각속도 궤적을 이용하여 고각 마찰 보상을 수행하는 방법은,Method for performing high-angle friction compensation by using the high-angle reference angular velocity trajectory,

Figure 112013013471677-pat00052
(조건1-1)이면 고각 마찰력과 반대방향으로 마찰보상 토크(
Figure 112013013471677-pat00053
)를 적용하며,
Figure 112013013471677-pat00052
(Condition 1-1), friction compensation torque (
Figure 112013013471677-pat00053
),

Figure 112013013471677-pat00054
(조건2-1) 이면 고각 마찰력과 반대방향으로 마찰보상 토크(
Figure 112013013471677-pat00055
)를 적용하며, 상기 조건 1-1과 2-1를 만족하지 않으면 고각 마찰보상 토크를 적용하지 않는다.
Figure 112013013471677-pat00054
(Condition 2-1) If it is, the friction compensation torque in the direction opposite to the
Figure 112013013471677-pat00055
) Is applied, and the elevation friction torque is not applied unless the above conditions 1-1 and 2-1 are satisfied.

실제 롤/피치/요의 외란을 가지는 플랫폼에 탑재하여 표적을 추적하는 안정화 제어기의 실험 결과를 도 4~ 도 7에 나타내었다. 4 to 7 show experimental results of a stabilization controller mounted on a platform having actual roll / pitch / yaw disturbances to track a target.

도 4에는 방위각 마찰보상 방법을 적용하기 전의 제어오차를 나타내었으며, 도 5에는 방위각 마찰보상 방법을 적용한 후의 제어오차를 나타내었다. 방위각에 대한 제어 오차 결과인 도 4과 도 5를 비교해보면 제어오차가 마찰보상 방법을 적용하지 않았을 때에는 최대 오차값의 크기가 "1"이지만, 마찰보상 방법을 적용 후에는 최대 오차값이 크기가 "0.5" 수준으로 감소한다. 4 shows the control error before applying the azimuth friction compensation method, and FIG. 5 shows the control error after applying the azimuth friction compensation method. 4 and 5, the result of the control error for the azimuth angle, the maximum error value is "1" when the control error is not applied to the friction compensation method, but after the friction compensation method is applied, the maximum error value is large. Decrease to "0.5" level.

도 6에는 고각 마찰보상 방법을 적용하지 않았을 때의 제어오차를 나타내었고, 도 7에는 고각 마찰보상 방법을 적용하였을 때의 제어오차를 나타내었다. 고각에 대한 제어 오차 결과인 도 6와 도 7을 비교해보면 제어 오차가 마찰보상 방법을 적용하지 않았을 때는 최대 오차값의 크기가 "2"이지만, 마찰보상 방법을 적용하였을 때는 최대 오차값이 크기가 "1"로 감소한다.6 shows the control error when the high-angle friction compensation method is not applied, and FIG. 7 shows the control error when the high-angle friction compensation method is applied. 6 and 7, which are the result of the control error for the elevation, show that the maximum error value is "2" when the control error is not applied to the friction compensation method, but the maximum error value is large when the friction compensation method is applied. Decreases to "1".

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 안정화 제어기의 기준 각속도 궤적을 이용한 마찰보상 방법은, 방위각 기준 각속도 궤적을 이용하여 방위각 마찰 보상을 수행하고, 고각 기준 각속도 궤적을 이용하여 고각 마찰 보상을 수행함으로써, 안정화 제어기의 마찰보상을 수행할 수 있다.As described above, the friction compensation method using the reference angular velocity trajectory of the stabilization controller according to the embodiment of the present invention performs azimuth friction compensation using the azimuth reference angular velocity trajectory, and uses the high angle reference angular velocity trajectory to compensate for the high angle friction. By performing this, friction compensation of the stabilization controller can be performed.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas falling within the scope of the same shall be construed as falling within the scope of the present invention.

Claims (5)

롤/피치/요의 외란이 존재하는 플랫폼에 탑재되어 이동 표적을 추적 및 안정화하는 안정화 제어기에서 기준 각속도 궤적을 이용하여 마찰을 보상하는 방법에 있어서,
(1) 방위각의 기준 각속도 궤적을 계산하는 단계;
(2) 고각의 기준 각속도 궤적을 계산하는 단계;
(3) 방위각 기준 각속도 궤적을 이용하여 방위각 마찰 보상을 수행하는 단계;
(4) 고각 기준 각속도 궤적을 이용하여 고각 마찰 보상을 수행하는 단계를 포함하며,
상기 플랫폼의 롤/피치/요 각도 및 각속도 정보와 표적의 위치와 속도를 이용하여 상기 방위각의 기준 각속도 궤적
Figure 112014022177514-pat00056
을 계산하는 방법은,
Figure 112014022177514-pat00057
식을 통해 계산하며, 여기서,
Figure 112014022177514-pat00058
Figure 112014022177514-pat00059
를 나타내며,
Figure 112014022177514-pat00060
Figure 112014022177514-pat00061
를 나타내며,
Figure 112014022177514-pat00062
는 방위각 축의 기준 각도를 나타내며,
Figure 112014022177514-pat00063
는 플랫폼 좌표계 A에서의 x 방향의 위치이며, a는 플랫폼 중심에서 x축 방향으로 방위각 구동축까지의 거리이며,
Figure 112014022177514-pat00064
는 플랫폼 좌표계 A에서 y축 방향의 표적 위치이며,
Figure 112014022177514-pat00065
Figure 112014022177514-pat00066
는 플랫폼 좌표계 A에서 나타낸 표적의 속도를 의미하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어기의 기준 각속도 궤적을 이용한 마찰보상 방법.
A method of compensating friction using a reference angular velocity trajectory in a stabilization controller mounted on a platform where roll / pitch / yaw disturbances exist, for tracking and stabilizing a moving target,
(1) calculating a reference angular velocity trajectory of the azimuth angle;
(2) calculating a reference angular velocity trajectory of the elevation;
(3) performing azimuth friction compensation using the azimuth reference angular velocity trajectory;
(4) performing an elevation friction compensation using the elevation reference angular velocity trajectory,
Reference angular velocity trajectory of the azimuth using the roll / pitch / yaw angle and angular velocity information of the platform and the position and velocity of the target
Figure 112014022177514-pat00056
How to calculate,
Figure 112014022177514-pat00057
Calculated by the formula, where
Figure 112014022177514-pat00058
The
Figure 112014022177514-pat00059
Lt; / RTI >
Figure 112014022177514-pat00060
The
Figure 112014022177514-pat00061
Lt; / RTI >
Figure 112014022177514-pat00062
Represents the reference angle of the azimuth axis,
Figure 112014022177514-pat00063
Is the position in the x direction in the platform coordinate system A, a is the distance from the platform center to the azimuth drive axis in the x axis direction,
Figure 112014022177514-pat00064
Is the target position in the y-axis direction in platform coordinate system A,
Figure 112014022177514-pat00065
Wow
Figure 112014022177514-pat00066
The friction compensation method using a reference angular velocity trajectory of the stabilization controller, characterized in that the target speed represented by the platform coordinate system A.
삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 플랫폼의 롤/피치/요 각도 및 각속도 정보와 표적의 위치와 속도를 이용하여 상기 고각의 기준 각속도 궤적
Figure 112014022177514-pat00067
을 계산하는 방법은,
Figure 112014022177514-pat00068
식을 통해 계산하며,
여기서,
Figure 112014022177514-pat00069
이며,
Figure 112014022177514-pat00070
는 플랫폼 좌표계 A에서의 표적의 z방향의 위치이며, h는 플랫폼의 무게중심으로부터 고각축의 위치까지 z방향으로의 거리이며, e는 방위각 축에서 고각축까지 x방향으로의 거리를 나타내는 것을 특징으로 하는 안정화 제어기의 기준 각속도 궤적을 이용한 마찰보상 방법.
The reference angular velocity trajectory of claim 1, wherein the platform uses the roll / pitch / yaw angle and angular velocity information of the platform and the position and velocity of the target.
Figure 112014022177514-pat00067
How to calculate,
Figure 112014022177514-pat00068
Calculated by the formula,
here,
Figure 112014022177514-pat00069
Lt;
Figure 112014022177514-pat00070
Is the position in the z direction of the target in the platform coordinate system A, h is the distance in the z direction from the center of gravity of the platform to the position of the elevation axis, and e represents the distance in the x direction from the azimuth axis to the elevation axis. Friction compensation method using reference angular velocity trajectory of stabilization controller.
제 3항에 있어서, 상기 방위각 기준 각속도 궤적을 이용하여 방위각 마찰 보상을 수행하는 단계는,
Figure 112013013471677-pat00071
(조건1)이면 방위각 마찰력과 반대방향으로 마찰보상 토크(Friction compensation torque)(
Figure 112013013471677-pat00072
)를 적용하며,
Figure 112013013471677-pat00073
(조건2)이면 방위각 마찰력과 반대방향으로 마찰보상 토크(
Figure 112013013471677-pat00074
)를 적용하며, 상기 조건 1과 2를 만족하지 않으면 방위각 마찰보상 토크를 적용하지 않는 것을 특징으로 하는 안정화 제어기의 기준 각속도 궤적을 이용한 마찰보상 방법.
The method of claim 3, wherein the azimuth friction compensation is performed by using the azimuth reference angular velocity trajectory.
Figure 112013013471677-pat00071
If (Condition 1), Friction compensation torque in the direction opposite to azimuth friction
Figure 112013013471677-pat00072
),
Figure 112013013471677-pat00073
(Condition 2), friction compensating torque in the direction opposite to azimuth friction
Figure 112013013471677-pat00074
), And does not apply azimuth friction compensation torque if the conditions 1 and 2 are not satisfied.
제 4항에 있어서, 상기 고각 기준 각속도 궤적을 이용하여 고각 마찰 보상을 수행하는 단계는,
Figure 112013013471677-pat00075
(조건1-1)이면 고각 마찰력과 반대방향으로 마찰보상 토크(
Figure 112013013471677-pat00076
)를 적용하며,
Figure 112013013471677-pat00077
(조건2-1) 이면 고각 마찰력과 반대방향으로 마찰보상 토크(
Figure 112013013471677-pat00078
)를 적용하며, 상기 조건 1-1과 2-1를 만족하지 않으면 고각 마찰보상 토크를 적용하지 않는 것을 특징으로 하는 안정화 제어기의 기준 각속도 궤적을 이용한 마찰보상 방법.
The method of claim 4, wherein the performing of the high angle friction compensation using the high angle reference angular velocity trajectory comprises:
Figure 112013013471677-pat00075
(Condition 1-1), friction compensation torque (
Figure 112013013471677-pat00076
),
Figure 112013013471677-pat00077
(Condition 2-1) If it is, the friction compensation torque in the direction opposite to the
Figure 112013013471677-pat00078
), And the high angle friction compensation torque is not applied if the conditions 1-1 and 2-1 are not satisfied, and the friction compensation method using the reference angular velocity trajectory of the stabilization controller is applied.
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