KR101526466B1 - 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템 - Google Patents

제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템에 관한 것으로, 피치하우징 내부에 부착된 제1축구동장치와, 제1축구동장치와 마주보도록 피치하우징 내부에 부착된 제1축회전부와, 제1축구동장치 및 제1축회전부에 각각 장착된 제2축구동장치와, 제2축구동장치에 장착된 센서류를 포함하며, 센서류와 제2축구동장치를 직접 결합하여 종래의 강재 프레임과 같은 추가의 구조물을 사용하지 않게 되어 탑재체의 중량을 최소화할 수 있고, 제1축과 제2축을 수직하게 배치하기 위하여 적용한 짐벌 프레임을 제거할 수 있어 장착 가능한 센서류의 크기가 최대화되는 효과가 있는 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템을 제공한다.

Description

제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템{GIMBAL SYSTEMS HAVING TWO ROTATIONAL AXIS WITH LIMITED RANGE OF ROTATION}
본 발명은 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 운반체(Platform)에 장착되어 운반체로부터 선형 진동, 각 진동, 또는 각 운동과 같은 외란의 영향을 받으면서 제한된 범위의 회전 운동이 요구되는 탑재체(Payload)의 정밀 시선 지향과 안정화를 위한 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템에 관한 것이다.
다양한 운반체에 장착되어 사용되는 탑재체는 내부에 각종 센서들을 포함하게 되고, 내장된 센서들은 운반체로부터 유입되는 외란의 영향과 무관하게 일정한 성능을 발휘할 수 있어야 한다.
탑재체는 내장된 센서들을 보호하기 위한 하우징, 운반체로부터 유입되는 외란을 차단할 수 있는 방진장치, 센서의 정밀지향을 위한 구동장치, 탑재체 고유의 목적을 위한 센서류로 구성된다.
탑재체의 구동장치는 사용 목적에 따라 2축 회전 운동이 가능하도록 구성된다. 탑재체의 구성에서 운반체로부터 유입되는 고주파의 외란은 방진시스템에 의해 차단되고, 저주파의 외란은 능동적 외란 보상 방법, 즉 센서의 축을 구동장치를 사용하여 외란에 의한 움직임과 반대 방향으로 회전시키는 방법을 사용하여 저주파의 외란을 보상한다.
운반체의 선형 진동 성분은 탑재체 내부 센서류의 무게중심과 회전중심의 차이에 의하여 각 운동을 발생시키고 이러한 센서류의 각 운동은 지향 위치의 이동이나 고주파에 의하여 반복된 위치 변화로 인하여 센서의 성능 감쇠 현상이 발생한다.
예를 들면 영상획득센서의 미소한 각 운동(θ)은 거리 R에 위치한 희망하는 영상 획득 지점과 실제 영상 획득 지점 사이의 거리 차이, R x θ, 를 발생시킨다.
또한, 노출시간 Δt 동안 -R x θ/2에서 +R x θ/2까지의 위치를 반복하여 지향하게 되어 영상 흐려짐 현상이 발생한다.
이동 중인 운반체(1) 장착된 종래의 탑재체는 도 1과 같이 내부에 장착된 센서의 시선을 지향하기 위하여 탑재체 길이 방향과 평행한 제1축에 관한 회전이 가능한 롤 하우징(2)과 롤 하우징(2)에 장착되어 제1축에 수직한 제2축에 관한 회전이 가능한 피치 하우징(3)으로 구성되어 피치 하우징(3) 내부에 장착된 센서류(4)가 2축 회전 가능하도록 구성된다.
이때, 센서류(4)가 지향하고자 하는 시선의 위치가 넓은 범위에 있게 되어 제1축 및 제2축에 관한 회전 범위가 시선의 지향 범위에 적합하도록 운동 범위가 큰 구동장치가 사용되며, 롤 하우징(2) 및 피치 하우징(3)을 포함하여 외부 짐벌이라 한다.
이러한 외부 짐벌의 피치 하우징(3) 내에 외부의 진동이 내부의 센서류(4)에 전달되는 것을 차단하기 위하여 방진장치(6)가 설치되고, 방진장치(6)에 센서류(4)의 저주파 진동에 대한 시선 떨림을 보상하고 제한된 범위로 시선을 구동하는 짐벌시스템이 구성된다.
또한, 제한된 범위의 시선 구동이 가능한 짐벌시스템에 센서류(4)가 장착되어 외부짐벌의 시선 구동과 짐벌시스템의 떨림 보상 및 제한된 범위의 구동으로 정확한 시선을 지향하게 된다.
따라서, 운반체(1)의 외부 진동은 짐벌시스템/외부짐벌 사이에 장착된 방진장치(5)를 통하여 고주파 진동이 차단되며 저주파의 변위가 큰 운동이 짐벌시스템에 전달되고 이는 짐벌시스템의 구동에 의하여 센서류(4)의 시선 떨림이 보상된다.
이러한 종래의 탑재체 짐벌시스템은 센서류에 필수적인 장치를 제외한 짐벌시스템의 구동장치 및 강재 프레임이 차지하는 공간이 크기 때문에 장착 가능한 센서류의 크기를 제한한다.
또한 높은 강성의 강재 프레임의 요구로 프레임의 중량이 증가하고 구동장치 토크 모터들은 회전 반경이 작아 동일한 크기의 구동력으로 작은 토크를 발생하게 되어 구동력이 큰, 즉, 크기가 큰 토크 모터를 사용하게 되어 중량이 증가한다.
또한, 높은 구동력의 요구로 인하여 토크 모터의 전력 부하도 증가하게 된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2002-0023142호(2002.03.28.) 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0017752호(2006.02.27.) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0066909호(2013.06.21.) 대한민국 등록특허공보 제10-1314920호(2013.09.27.)
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 중량 및 에너지 소모가 작으며, 장착 가능한 센서류의 크기 제한이 최소화되는 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템에 따르면, 피치하우징 내부에 부착된 제1축구동장치와, 제1축구동장치와 마주보도록 피치하우징 내부에 부착된 제1축회전부와, 제1축구동장치 및 제1축회전부에 각각 마주보도록 장착된 제2축구동장치와, 제2축구동장치에 장착된 센서류를 포함하며, 센서류는 제1축구동장치의 동력으로 제1축구동장치와 제1축회전부의 중심점을 지나는 제1축을 기준으로 회전되며, 센서류는 제2축구동장치의 동력으로 제1축구동장치와 제1축회전부와 수평한 제2축을 기준으로 회전되는 것을 특징으로 하는 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템을 제공한다.
본 발명의 하나의 측면에 의하면, 제1축구동장치 및 제1축회전부와 피치하우징 사이에 방진장치가 구비될 수 있으며, 제2축구동장치는 제1축구동장치 및 제1축회전부로부터 돌출된 몸체부와, 몸체부 일단에 구비된 곡면 베어링을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 몸체부에 선행보이스코일액츄에이터(LVCM; LINEAR VOICE COIL ACTUATOR)가 내장될 수 있으며, 센서류에 몸체부와 결합되는 결합부가 형성될 수 있으며, 결합부가 센서류의 중심선 상에 형성될 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템에 의하면, 센서류와 제2축 구동장치를 직접 결합하여 종래의 강재 프레임과 같은 추가의 구조물을 사용하지 않게 되어 탑재체의 중량을 최소화할 수 있고, 제1축과 제2축을 수직하게 배치하기 위하여 적용한 짐벌 프레임을 제거할 수 있어 장착 가능한 센서류의 크기가 최대화되는 효과가 있다.
또한, 센서류의 회전 중심에 토크 모터를 위치시키는 종래 구조와 다르게 제2축구동장치를 장착 공간의 최외각에 배치하여 LVCM에 의한 모멘트 암의 길이를 최대화하여 곡면 구동기 조립체의 구동력을 최소화하게 되어 토크 모터의 소모 전력을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술의 탑재체 짐벌시스템의 사시도 및 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예의 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템의 단면도,
도 3은 도 2의 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템의 제1축구동장치 및 제1축회전부의 사시도,
도 4는 도 2의 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템의 제1축구동장치 및 제1축회전부에 각각 장착된 제2축구동장치의 사시도,
도 5는 도 2의 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템의 제2축구동장치의 다른 사시도,
도 6은 도 2의 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템의 제1축 회전 개념도,
도 7은 도 2의 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템의 제2축 회전 개념도,
도 8은 도 2의 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템의 제2축구동장치에 의한 센서류 회전 개념도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템은, 피치하우징(100) 내부에 부착된 제1축구동장치(200)와, 제1축구동장치(200)와 마주보도록 피치하우징(100) 내부에 부착된 제1축회전부(300)와, 제1축구동장치(200) 및 제1축회전부(300)에 마주보도록 각각 장착된 제2축구동장치(400)와, 제2축구동장치(400)에 장착된 센서류(500)를 포함한다.
또한, 센서류(500)는 제1축구동장치(200)의 동력으로 제1축구동장치(200)와 제1축회전부(300)의 중심점을 지나는 제1축(S1)을 기준으로 회전되며, 제2축구동장치(400)의 동력으로 제1축구동장치(200)와 제1축회전부(300)와 수평한 제2축(S2)을 기준으로 회전되는 것을 특징으로 한다.
제1축구동장치(200) 및 제1축회전부(300)와 피치하우징(100) 사이에 방진장치(210)가 구비된다.
제2축구동장치(400)는 제1축구동장치(200) 및 제1축회전부(300)로부터 돌출된 몸체부(410)와, 몸체부(410) 일단에 구비된 곡면 베어링(420)을 포함한다.
몸체부(410)에 선행보이스코일액츄에이터(LVCM; LINEAR VOICE COIL ACTUATOR)가 내장된다.
센서류(500)에 몸체부(410)와 결합되는 결합부가 형성되는데, 결합부는 센서류(500)의 중심선 상에 형성된다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예의 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템을 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
제1축(S1)에 관한 회전은 토크 모터와 원형 베어링이 결합된 제1축구동장치(200)와 회전각도 측정을 위한 리졸버와 베어링을 결합한 제1축회전부(300)를 사용하고, 제2축(S2)에 관한 회전은 곡면 베어링(420)과 선형보이스코일액츄에이터(LVCM, Linear Voice Coil Actuator)가 결합된 제2축구동장치(400)를 이용한다.
이때, 제2축구동장치(400)는 제1축구동장치(200) 및 제1축회전부(300) 위에 별도의 프레임이 없이 조립되도록 구성된다.
탑재체 내부의 센서류(500)는 제2축구동장치(400)에 직접 결합되어 LVCM의 동작에 따라 센서류(500)의 회전운동이 발생하고 제1축구동장치(200)에 장착된 제2축구동장치(400)와 센서류(500)는 제1축구동장치(200)의 동작에 따라 제1축(S1)에 관하여 회전운동을 할 수 있도록 구성된다.
따라서 종래의 제1축구동장치(200)와 제2축구동장치(400) 사이의 강재 프레임을 제거하고 회전축에서 가능한 먼 위치에 LVCM를 배치하여 모멘트 암을 증가시켜 LVCM의 전력 소모를 감소시킨다.
이러한 제1축구동장치(200)와 제2축구동장치(400)를 이용하여 짐벌시스템의 중량을 감소시키고 장착 공간을 최소화하여 센서류(500) 장착 공간을 최대화할 수 있다.
또한, 회전축에서 먼 위치에 제2축구동장치(400)를 장착하여 모멘트 암을 증가시켜 제2축구동장치(400)의 LVCM에 요구되는 구동력을 최소화하여 전력 부하를 감소시킬 수 있다.
외부 운용 환경에 의하여 발생하는 선형 진동, 각 진동, 또는 각 운동과 같은 외란은 운반체를 통하여 피치하우징(100)에 전달되고, 피치하우징(100)에 전달된 외란은 방진장치(210)를 통하여 제1축구동장치(200) 및 제1축회전부(300)에 전달되고, 제1축구동장치(200) 및 제1축회전부(300)에 결합된 제2축구동장치(400)를 통하여 제2축구동장치(400)에 내장된 센서류(500)에 전달된다(도 2 참조).
제1축구동장치(200) 및 제1축회전부(300)의 일측은 방진장치(210)를 통하여 피치하우징(100)에 결합되고, 타측은 제2축구동장치(400)에 결합된다. 제1축구동장치(200)의 동작에 따라 제2축구동장치(400)는 제1축(S1)에 관하여 회전 운동이 가능하게 된다(도 3 참조).
제2축구동장치(400)의 일측은 제1축구동장치(200)에 결합되고 타측은 탑재체에 내장된 센서류(500)에 결합되어, 제1축구동장치(200)의 동작에 의해 센서류(500)와 제2축구동장치(400)는 제1축(S1)에 관하여 회전 가능하고, 제2축구동장치(400)의 동작에 의하여 센서류(500)는 제2축(S2)에 관하여 회전할 수 있게 된다(도 4 참조).
제2축구동장치(400)는 LVCM와 곡면 베어링(420)으로 구성되고, LVCM의 동작에 의하여 제2축구동장치(400)에 결합된 센서류(500)는 곡면 베어링(420)의 곡률에 비례하여 회전하게 된다(도 5 참조).
이러한 구성은 종래의 짐벌시스템에서 사용된 강재프레임을 사용하지 않고 추가의 구조물 없이 일체형으로 고안된 방진장치(210), 제1축구동장치(200) 및 제2축구동장치(400)를 통하여 센서류(500)에 직접 결합되어 종래 구성의 짐벌시스템의 강재프레임이 불필요하여 중량 및 공간을 절약할 수 있게 된다.
제1축(S1)에 관한 회전을 위해 제1축구동장치(200)에 전원을 인가하면 제1축구동장치(200)에 결합된 제2축구동장치(400) 및 센서류(500)는 제1축(S1)을 기준으로 회전하게 된다(도 6 참조).
이때, 제2축구동장치(400)에 전원을 인가하여 운동을 구속하면 제2축구동장치(400)와 결합된 센서류(500)는 제1축(S1) 회전운동에 종속하여 θ°만큼 회전하게 된다.
2개의 제2축구동장치(400)는 대향하여 배치된 제1축구동장치(200) 및 회전부에 각각 결합되고 제2축(S2)에 관한 회전을 위해 제2축구동장치(400)에 전원을 인가하면 제2축구동장치(400)에 결합된 센서류(500)는 곡면 베어링(420)의 곡률을 비례하여 제2축(S2)을 기준으로 α°만큼 회전하게 된다(도 7 참조).
LVCM 즉, 제2축구동장치(400)에 전원이 인가되어 LVCM의 길이가 변하게 되면 센서류(500)는 2축을 중심으로 회전하게 된다. 이때, 센서류(500)의 회전은 곡면 베어링(420)의 호 길이에 따라 제한된다. 그러므로, 곡면 베어링(420)은 제2축(S2)에 관한 센서류(500)의 회전 범위를 고려하여 결정된다(도 8 참조).
센서류(500)의 제2축(S2)에 관한 회전 범위가 ±θ°/2이고 제2축구동장치(400) 곡면 베어링(420)의 회전 반경이 Re일 때 곡면 베어링(420)의 호 길이는 Re x θ가 된다.
이때, LVCM의 행정길이(stroke)는 센서류(500)의 회전반경(R)과 회전범위(θ)의 곱에 해당한다.
100: 피치하우징 200: 제1축구동장치
210: 방진장치 300: 제1축회전부
400: 제2축구동장치 410: 몸체부
420: 곡면 베어링 500: 센서류
S1: 제1축 S2: 제2축

Claims (6)

  1. 피치하우징 내부에 부착된 제1축구동장치;
    상기 제1축구동장치와 마주보도록 상기 피치하우징 내부에 부착된 제1축회전부;
    상기 제1축구동장치 및 상기 제1축회전부에 각각 장착된 제2축구동장치;
    상기 제2축구동장치에 장착된 센서류;를 포함하며,
    상기 센서류는 상기 제1축구동장치의 동력으로 상기 제1축구동장치와 상기 제1축회전부의 중심점을 지나는 제1축을 기준으로 회전되며,
    상기 센서류는 상기 제2축구동장치의 동력으로 상기 제1축구동장치와 상기 제1축회전부와 수평한 제2축을 기준으로 회전되는 것을 특징으로 하는 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1축구동장치 및 상기 제1축회전부와 상기 피치하우징 사이에 방진장치가 구비된 것을 특징으로 하는 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2축구동장치는 상기 제1축구동장치 및 상기 제1축회전부로부터 돌출된 몸체부;
    상기 몸체부 일단에 구비된 곡면 베어링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 몸체부에 선행보이스코일액츄에이터(LVCM; LINEAR VOICE COIL ACTUATOR)가 내장된 것을 특징으로 하는 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 센서류에 상기 몸체부와 결합되는 결합부가 형성된 것을 특징으로 하는 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 결합부가 상기 센서류의 중심선 상에 형성된 것을 특징으로 하는 제한된 범위의 회전 구동이 가능한 2축 짐벌 시스템.
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