KR101543250B1 - 교육용 헬리콥터 2축 제어 시스템 - Google Patents

교육용 헬리콥터 2축 제어 시스템 Download PDF

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    • G09B9/46—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft for teaching control of aircraft, e.g. Link trainer the aircraft being a helicopter

Abstract

2축 제어 시스템은 프로펠러부, 회전부, 지지부 및 제어부를 포함한다. 상기 프로펠러부는 제1 및 제2 프로펠러들, 상기 제1 및 제2 프로펠러들에 각각 연결되는 제1 및 제2 모터들, 상기 제1 및 제2 모터들이 양쪽 끝단에 각각 형성되는 빔을 포함하고, 상기 회전부는 상기 빔의 중앙의 구멍 하부에 힌지 결합되며, 상기 지지부는 상기 회전부 하부와 결합되어 상기 프로펠러의 구동을 지탱하고, 상기 제어부는 상기 지지부 내부의 전원부와 연결되어 상기 프로펠러부의 구동을 제어한다.

Description

교육용 헬리콥터 2축 제어 시스템{HELICOPTER TWIN ROTOR SYSTEM FOR TRAINING}
본 발명은 2축 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 교육용 헬리콥터 2축 제어 시스템 발명에 관한 것이다.
헬리콥터와 같은 복잡한 비행체는 다양하고 복잡한 변수들에 영향을 받는다. 예를 들면 측정을 위한 출력값, 어떤 상태하의 비접근성, 복잡한 기체역학, 두 제어 사이의 크로스-커플링 현상과 높은 비선형성 때문이다. 상기의 다양하고 복잡한 현상들을 관찰하고 측정하기 위해서는 모델링이 필수적인데 이때 일반적으로 사용하는 것이 2축 제어 시스템(Twin Rotor MIMO System(TRMS))이다.
일반적으로 크로스-커플링 현상은 자이로스코프 효과에 의해서 조종사의 헬리콥터 조종에 큰 부담을 주게 된다. 특히 자이로스코프 효과는 회전력을 가진 총알이 직진성이 더 좋은 것처럼 회전력을 가지게 되면 그 상태를 유지하려는 힘을 말하는 것이며, 이는 2축 제어의 회전력에 의해서 기체의 움직임을 정밀하게 조종하는 것을 어렵게 한다. 이러한 현상을 크로스 커플링(cross-coupling) 현상이라고 한다. 따라서 실제 헬리콥터와 비교해서 단순하지만 유사한 조종환경을 제공해주는 교육용 2축 제어 장치를 사용하여 크로스-커플링 현상을 비롯한 다양한 변수에 대처하게 된다.
2축 제어 장치에서는 제어공학의 기본인 피드백 제어의 결점을 보완하기위한 PID(Proportional Integral and Derivative Control) 제어를 사용하게 된다. PID 제어란 제어 변수와 기준 입력 사이의 오차에 근거하여 계통의 출력이 기준 전압을 유지하도록 하는 피드백 제어의 일종으로, P 제어는 기준 신호와 현재 신호 사이의 오차 신호에 적당한 비례 상수 이득을 곱해서 제어 신호를 만들어 피드백 신호에 대응하고, I 제어는 오차 신호를 적분하여 제어 신호를 만드는 적분 제어를 비례 제어에 병렬로 연결해 사용하여 최대한 설정 값에 빨리 접근하기 위한 요소들을 제어하며, D제어는 오차 신호를 미분하여 제어신호를 만드는 미분 제어를 비례 제어에 병렬로 연결하여 적분제어에서 발생하는 급격한 변화를 최대한 완화시켜 오차를 최소화하게 된다.
종래의 헬리콥터 모델링 장치는 PID 제어를 위해 MATLAB 프로그램을 사용하여 제어하는 구조로 되어있다. 그러나 종래의 모델링 장치는 2축 제어 장치의 구조로 한정되어 있어 텐덤 로터 형태의 헬리콥터 같은 다양한 형태의 헬리콥터 모델링은 불가능하다. 또한 고가의 장비라는 단점을 가지고 있어서, 교육용으로는 부적절하고, MATLAB이라는 프로그램을 사용하고 있어, 사용자가 손쉽게 제어하는 데에 진입장벽이 존재한다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 정밀한 제어가 가능하고 실제 헬리콥터와 유사한 환경의 교육이 가능한 2축 제어 시스템에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 2축 제어 시스템은 프로펠러부, 회전부, 지지부 및 제어부를 포함한다. 상기 프로펠러부는 제1 및 제2 프로펠러들, 상기 제1 및 제2 프로펠러들에 각각 연결되는 제1 및 제2 모터들 및 상기 제1 및 제2 모터들이 각각 양쪽 끝단에 각각 형성되는 빔을 포함하고, 상기 회전부는 상기 빔의 중앙의 구멍 하부에 힌지 결합되며, 상기 지지부는 상기 회전부 하부와 결합되어 상기 프로펠러의 구동을 지탱하고, 상기 제어부는 상기 지지부 내부의 전원부와 연결되어 상기 프로펠러부의 구동을 제어하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제1 프로펠러는 상기 빔의 제1 끝단에 배치되고 지면에 수평을 유지하며 시계반대방향(CCW)으로 회전할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 프로펠러는 상기 빔의 제2 끝단에 위치하고, 지면에 수직방향으로 배치되어 구동 시 시계반대방향(CCW)으로 회전할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프로펠러부의 제2 끝단 안쪽에 위치한 추는 상기 2축 제어 장치를 안정적으로 구동하게 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 회전부는 상기 빔의 중앙에 연결된 회전대, 상기 회전대의 상부에 위치하는 자이로 센서, 상기 회전대의 하부에 위치하며 상기 회전대를 지탱하는 제1 받침대, 상기 받침대의 하부에 결합된 제1 내지 제4 금속 기둥들, 상기 금속 기둥들을 내부로 고정하며 중앙에 구멍이 형성된 고정대, 상기 고정대 중앙에 형성된 구멍에 배치되는 회전축, 및 상기 회전축과 상기 금속 기둥들을 지지하는 제2 받침대를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 지지부는 상기 제2 받침대를 지지하는 지지대들과 상기 지지대들의 하부에 형성되어 상기 지지대들을 고정시키는 메인 플레이트를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 제어 장치, 파워 모듈, 및 전원부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부의 제어 프로그램은LabVIEW를 이용하여 프로그래밍 된 프론트 패널을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프론트 패널은 상기 2축 제어 장치의 시간에 따른 고도각(Pitch Axis Angle)을 실시간으로 화면에 나타내는 고도각 그래프, 시간에 따른 방위각(Yaw Axis Angle)을 실시간으로 화면에 나타내는 방위각 그래프, 현재 고도각과 방위각의 현재값을 나타내는 디스플레이, 및 고도각과 방위각의 목표값을 입력 가능한 직사각형의 방위각 입력부 및 고도각 입력부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자이로 센서는 상기 프로펠러부의 수평 및 수직 구동에 따른 위치 및 각도를 측정하고 상기 제어부로 측정값을 출력할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프론트 패널의 상기 방위각 입력부에 목표값을 입력하면 상기 Yaw Angle/시간(Sec) 그래프 상에 상기 방위각 입력부의 목표값에 해당하는 세로축의 각도만큼 목표값 라인이 설정되고, 상기 제어 장치 내에서 상기 방위각 입력부의 목표값과 상기 자이로 센서에서 측정된 결과값의 편차를 분석해서 상기 제어 장치를 통해 상기 2축 제어 장치를 상기 방위각 입력부의 목표값에 해당하는 위치에 도달하도록 상기 제1 및 제2 모터들을 제어하는 것을 포함하고,
상기 프론트 패널의 상기 고도각 입력부에 목표값을 입력하면 상기 Pitch Angle/시간(Sec) 그래프 상에 상기 고도각 입력부의 목표값에 해당하는 가로축의 각도만큼 목표값 라인이 설정되고, 상기 제어 장치 내에서 상기 고도각 입력부의 목표값과 상기 자이로 센서에서 측정된 결과값의 편차를 분석해서 상기 제어 장치를 통해 상기 2축 제어 장치를 상기 고도각 입력부의 목표값에 해당하는 위치에 도달하도록 상기 제1 및 제2 모터들을 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 서로 수직 방향으로 빔의 양끝에 형성된 제어를 구비한 2축 제어 장치는 LabVIEW의 DAQ장비를 통하여 사용자가 목표값, 비례적분미분제어기(PID 제어기)의 이득값과 센서로 계측한 값을 이용하여 장치가 원하는 동작을 수행 할 수 있도록 모터를 제어할 수 있다.
2축 제어 장치는 헬리콥터의 구동 시 발생하는 출력값, 특정 상태하의 비접근성, 복잡한 기체역학문제, 두 제어 사이의 크로스-커플링 현상과 높은 비선형성 등의 현상들을 실험실내에서 비슷한 환경을 구현하는데 큰 효과가 있다. 또한 2축 제어 장치를 활용하여 헬리콥터를 조종하기 전에 일어날 수 있는 다양한 변수를 체감 및 극복시키는 데에 현저한 효과가 있다.
LabVIEW를 통해 제어하는 2축 제어 장치는 전체적인 제어를 하나의 프론트 패널만으로 가능하게 함으로써, 학습자가 좀 더 쉽게 2축 제어 장치에 접근 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 2축 제어 시스템의 작동 방법은 LabVIEW의 프론트 패널에 회전 목표값만을 입력하면 관성항법장치를 사용한 자이로 센서를 통해 상하 좌우의 회전 각도를 측정한 값과의 편차를 사용해 2축 제어 장치를 제어함으로써, 보다 정밀하고 효과적인 제어가 가능하게 된다.
2축 제어 시스템의 재질은 지지부를 제외하고 가볍고 강도가 큰 플라스틱을 사용가능 하므로, 낮은 가격으로 만들어 질 수 있는 특징이 있다. 또한 USB 단자를 사용해서 기존의 스마트폰, 태블릿 PC, 데스크탑 컴퓨터, 노트북 등을 사용해 제어가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 2축 제어 시스템을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 2축 제어 시스템의 2축 제어 장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 2축 제어 시스템을 제어하는 LabVIEW의 프론트 패널의 표시 화면의 일 예를 나타낸 이미지이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 프론트 패널에 입력된 목표값에 따라 구동하는 2축 제어 장치의 동작을 나타내는 평면도들이다.
도 5는 도 1의 2축 제어 시스템을 제어하는 LabVIEW의 프론트 패널의 표시 화면의 다른 예를 나타낸 이미지이다.
도 6a 및 도 6b들은 도 5의 프론트 패널에 입력된 목표값에 따라 구동하는 2축 제어 장치의 동작을 나타내는 정면도들이다.
도 7은 도 1의 2축 제어 시스템의 블록선도이다.
도 8은 도 1의 2축 제어 시스템을 이용한 2축 제어의 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 2축 제어 시스템을 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 2축 제어 시스템의 2축 제어 장치를 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 2축 제어 시스템은 2축 제어장치(140), 제어부(331) 및 파워 모듈(330)을 포함한다.
상기 2축 제어 장치(140)는 상기 메인 플레이트(400) 상부에 전원부(160)가 구비되는 것을 특징으로 하고 있다. 상기 전원부(160)의 5V, 12V 단자는 상기 파워 모듈(330)의 5V, 12V 단자와 연결되어 상기 파워 모듈(330)로부터 전원을 공급받는다.
상기 제어부(331)는 LabVIEW로 프로그래밍 된 프론트 패널을 포함하고 있다.
상기 제어부(331)는 상기 전원부(160)의 USB 단자(336)와 USB 연결을 통해서 상기 2축 제어 장치(140)와 연결되어 상기 제1 및 제2 모터(110, 120)의 출력을 제어하게 된다. 상기 제어부(331)의 제어는 LabVIEW 프로그램으로 프로그래밍 된 프론트 패널로 제어하게 된다. 여기에서 제어 원리는 LabVIEW의 DAQ장비를 통하여 사용자가 목표값을 입력하게 되면 상기 2축 제어 장치(140)가 구동하게 되고, 상기 목표값과 상기 2축 제어 장치(140)에 구비된 자이로 센서(500)의 측정에 의한 결과값 사이에 편차가 발생하면, 상기 편차를 극복하기 위해 상기 제어부(331)는 상기 목표값에 도달하도록 상기 프로펠러부(100)를 제어하게 된다. 또한 상기 LabVIEW로 프로그래밍 된 하나의 프론트 패널만으로도 전체적인 상기 2축 제어 장치(140)의 구동이 가능하므로 사용자의 편의성 증대에 현저한 효과가 있다.
상기 파워 모듈(330)은 상기 2축 제어 장치(140)에 5V, 12V, 24V의 전압에 따른 안정적인 전원공급을 해주게 된다,
상기 전원부(160)는 USB 단자(336)를 포함하고 있으며, 외부의 스마트폰, 태블릿, 노트북, 데스크탑 컴퓨터 등 휴대용 기기들과 연결되어 제어 될 수 있다. 또한, 상기 전원부(160)는 와이파이, 블루투스, SD 삽입부를 형성하여 스마트폰과 태블릿 등의 어플리케이션과 연동해서 조종할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 2축 제어 장치(140)는 프로펠러부(100), 회전부(101) 및 지지부(300)를 포함한다.
상기 프로펠러부(100)는 제1 및 제2 프로펠러들(111, 121), 제1 및 제2 모터들(110, 120), 자이로 센서(500), 빔(420), 추(130) 및 방향전환부재(510)를 포함한다.
상기 프로펠러부(100)에 위치한 상기 빔(420)의 제1 끝단에는 상기 제1 모터(110)와 상기 제1 모터(110)와 결합된 상기 제1 프로펠러(111)가 형성된다. 상기 제1 프로펠러(111)는 지면과 수평으로 상기 제1 모터(110)와 결합되며 상기 제1 모터(110)는 상기 빔(420)의 제1 끝단의 홈에 결합되는 상기 방향전환부재(510) 상에 결합된다. 상기 제1 프로펠러(111)는 상기 제1 모터(110)의 구동에 의해 상기 빔(420)의 상하 추력을 일으키게 된다.
상기 프로펠러부(100)에 위치한 상기 빔(420)의 제2 끝단에는 제2 모터(120)와 상기 제2 모터(120)와 결합된 상기 제2 프로펠러(121)가 형성된다. 상기 제2 프로펠러(121)는 지면과 수직으로 상기 제2 모터(120)와 결합된다. 상기 제2 프로펠러(121)는 상기 제2 모터(120)의 구동에 의해 상기 빔(420)의 좌우 추력을 일으키게 된다.
상기 빔(420)의 제2 끝단 내부 쪽에 위치하는 상기 추(130)는 상기 2축 제어 장치(140)의 구동 시 크로스-커플링 현상 및 오류를 최소화하여 안정적이고 정확한 구동을 가능하게 한다. 또한 상기 추(130)의 무게는 상기 2축 제어 장치(140)의 환경에 따라 다르게 하여 결합이 가능하다.
상기 빔(420)의 중앙에는 상기 자이로 센서(500)가 구비되어 있다. 상기 자이로 센서(500)는 기존의 관성항법장치를 사용하며 상기 2축 제어 장치(140)의 수평면내의 직교 2방향(동서 및 남북)과 연직방향의 합계 3방향의 기체 가속도를 검출하고, 그것을 2회 적분하여 현재의 위치를 측정하여 상기 제어부(331)로 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2 프로펠러들(111, 121)에 의해 구동되어 상하 좌우로 움직이는 상기 빔(420)의 위치가 상세히 측정된다. 상기 관성항법장치로 구성된 자이로 센서(500)는 좌우의 위치만을 파악하는 종래의 엔코더와는 달리 상하 좌우의 입체적 위치를 측정할 수 있어 상기 2축 제어 장치(140)의 위치를 종합적으로 분석하는데 있어서 현저한 효과가 있다.
상기 프로펠러부(100)의 제1 및 제2 프로펠러들(111, 121) 각각은 다양한 종류의 헬리콥터 및 날개에 의한 환경을 설정하기 위해 2 내지 8개의 날개로 이루어진 프로펠러로 구성될 수 있다.
상기 방향전환부재(510)는 상기 빔(420)의 제2 끝단에 결합되어 상기 제1 프로펠러(111) 및 상기 제1 모터(110)의 방향을 지면과 수평으로 형성되도록 하여 상기 2축 제어 장치(140)의 기본 구조를 가능하게 한다.
그리고 상기 방향전환부재(510)와 같은 다양한 부재와 모터를 추가하여 상기 빔(420)의 구멍이나 홈에 결합해서 현재 국내에 보유하고 있는 텐덤 로터(Tandem Rotor)방식의 헬리콥터 CH-47 치누크나 수직이착륙(VTOL: vertical takeoff and landing)과 단거리 이착륙(STOL: short takeoff and landing) 능력을 가진 V-22 오스프리(Osprey)와 같은 구조의 비행 환경을 모델링 할 수 있는 구조를 제작이 가능한 장점이 있다.
상기 프로펠러부(100)의 제1 및 제2 프로펠러들(111, 121)과 상기 빔(420) 및 상기 추(130)들은 알루미늄과 같은 가볍고 강한 금속의 재질 및 강화 플라스틱의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 회전부(101)는 회전대(210), 제1 받침대(220), 제1 내지 제4 금속기둥들(230), 고정대(240), 회전축(221) 및 제2 받침대(250)를 포함한다.
상기 회전대(210)는 U자 형태의 체결구로서 상기 빔(420)의 중앙에 힌지 결합되며, 상기 프로펠러부(100)가 좌우로 회전 시 상기 회전대(210)가 같이 움직이게 된다. 상기 회전축(221)은 상기 제1 받침대(220) 상부에 위치하여 상기 회전대(210) 내부와 결합하게 된다. 상기 회전대(210)가 회전하게 되면 상기 회전축(221)의 상부가 같이 회전하게 된다. 상기 제1 내지 제4 금속기둥들(230)은 상기 고정대(240) 모서리에 위치한 구멍들을 통해 상기 제2 받침대(250)와 결합하게 된다. 또한 상기 회전부(101)는 상기 프로펠러부(100)로부터 연결되어 내려오는 전선들을 하나로 모아 상기 지지부(300)로 내려오게 한다.
상기 지지부(300)는 제1 지지대(310), 제2 지지대(320) 및 메인 플레이트(400)를 포함한다.
상기 제1 및 제2 지지대들(310, 320)은 상기 프로펠러부(100)와 상기 회전부(101)를 지탱하는 특징을 가지고 있으며 상기 메인 플레이트(400)는 상기 제1 및 제2 지지대들(310, 320) 하부에 결합되어 상기 제1 및 제2 지지대들(310, 320)과 같이 상기 2축 제어 장치(140)를 지탱하게 된다.
상기 2축 제어 시스템의 상기 프로펠러부(100)는 강도가 높고 가벼운 금속, 플라스틱, 내부에 공간이 있어 가벼운 세라믹 재질로 형성될 수 있다. 그리고 상기 회전대(210)와 상기 회전 축(221)의 경우는 상기 프로펠러부(100)를 지지하고 상시로 왕복 회전하는 특징을 가지고 있어, 마모에 강한 강화 플라스틱, 합금, 또는 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
상기 지지부(300)는 상기 프로펠러부(100)의 회전력을 지탱하기 위해 상대적으로 중량이 큰 금속이나 세라믹 재질로 이루어 질 수 있다.
상기 제어부(331)는 컴퓨터나 태블릿, 노트북, 스마트폰이 될 수 있으며 USB연결 장치에 따라서 원격으로 상기 2축 제어 장치(140)를 제어 가능하다.
도 3은 도 1의 2축 제어 시스템을 제어하는 LabVIEW의 프론트 패널의 표시 화면의 일 예를 나타낸 이미지이고, 도 4a 및 도 4b는 도 3의 프론트 패널에 입력된 목표값에 따라 구동하는 2축 제어 장치의 동작을 나타내는 평면도들이다.
도 3을 참조하면, 상기 프론트 패널은 방위각 입력부(361), 고도각 입력부(362), 목표값 라인(363) 및 결과값 라인(364)을 포함한다.
상기 방위각 입력부(361)는 상기 2축 제어 장치(140)의 좌우 회전각을 결정하는 각도를 입력하는 공간으로서 상기 방위각 입력부(361)에 각도를 입력하면 Yaw Axis Angle/시간(Sec) 그래프의 상기 목표값 라인(363)이 입력한 각도에 따라 상기 Yaw Axis Angle/시간(Sec) 그래프 상에 설정된다. 상기 Yaw Axis Angle/시간(Sec) 그래프 상에 상기 목표값 라인(363)이 설정되면, 상기 2축 제어 장치(140)에 입력되는 상기 자이로 센서(500)의 측정값과의 편차를 분석하여 상기 목표값 라인(363)에 해당하는 위치로 상기 결과값 라인(364)이 배치하도록 상기 2축 제어 장치(140)의 상기 제1 및 제2 모터들(110, 120)을 제어하게 된다.
도 3 및 도 4a, 도4b를 참조하면, 상기 방위각 입력부(361)에 180°를 입력하게 되면, 상기Yaw Axis Angle/시간(Sec) 그래프 상에 상기 목표값 라인(363)에 따라 그래프가 수직 상승하여 세로축의 상기 목표값 라인(363)으로 이동하고, 상기 목표값 라인(363)에 도달하기 위해 상기 제어부(331)가 상기 2축 제어 장치(140)의 상기 제1 및 제2 모터들(110, 120)을 움직여 상기 목표값 라인(363)에 해당하는 위치인 시계방향(CW)으로 180°이동하게 된다. 이때 상기 2축 제어 장치(140)는 수평을 유지한 상태에서 시계방향(CW)으로 180°이동하게 된다.
도 5는 본 실시예에 따른, 도 1의 상기 2축 제어 시스템(150)을 제어하는 LabVIEW의 프론트 패널의 표시 화면의 다른 예를 나타낸 이미지이고, 도 6a 및 도 6b들은 도 5의 프론트 패널에 입력된 목표값에 따라 구동하는 상기 2축 제어 장치(140)의 동작을 나타내는 정면도들이다
도 5 및 도 6을 참조하면, 도 5는 상기 방위각 입력부(361)에 180°가 설정되어 상기 2축 제어 장치(140)가 구동된 상태를 나타내는 이미지이다. 상기 방위각 입력부(361)에 180°가 입력된 상태에서 상기 고도각 입력부(362)에 20을 입력하게 되면, 상기 Pitch Angle/시간(Sec) 그래프 상에 상기 목표값 라인(363)에 따라 라인이 수직으로 상승하여 세로축의 상기 목표값 라인(363)으로 이동하고, 상기 목표값 라인(363)에 도달하도록 상기 제어부(331)가 상기 2축 제어 장치(140)의 상기 제1 및 제2 모터를 구동시켜 상기 목표값 라인(363)에 해당하는 위치인 상기 2축 제어 장치(140)의 제 2끝단이 수평에서 아래로 20°인 위치로 하강하게 된다.
도 7은 도 1의 2축 제어 시스템의 블록선도이다.
도 3 및 도 7을 참조하면, 상기 프론트 패널의 상기 방위각 입력부(361)에 설정하고자 하는 방위각을 입력하게 되면, 상기 Axis Angle/시간(Sec) 그래프 상에 상기 목표값 라인(363)이 설정되고, 상기 목표값 라인(363)과 상기 2축 제어 장치(140)의 현재 위치간의 편차가 상기 제어부(331)에 입력된다(단계 S101).
상기 편차에 따라 상기 제어부(331)에서 제어 신호가 출력되고 상기 제어 신호를 입력받게 된다(단계 S102).
상기 제1 및 제2 모터(110, 120)는 제어 대상인 상기 제1 및 제2 프로펠러(111, 121)들을 제어하여 각도와 위치를 조정하게 된다(단계 S103).
상기 제1 및 제2 프로펠러(111, 121)들의 각도와 위치는 상기 자이로 센서(500)에 의해 측정되고 상기 제어부(331)로 출력된다.
도 8은 도 1의 2축 제어 시스템을 이용한 2축 제어의 순서도이다
도 2, 도 3 및 도 8을 참조하면, 상기 파워 모듈(330)과 상기 제어부(331)의 전원을 온(on)하게 되면, 상기 제어부(331)는 LabVIEW 프로그램을 실행하게 된다(단계 S110).
상기 제어부(331)의 상기 LabVIEW 프로그램이 구동되고 상기 2축 제어 장치(140)를 제어 가능한 데모 모드, 관리자 모드 및 학습자 모드들 중에서 한 가지 모드를 선택하게 된다(단계 S120).
상기 LabVIEW 프로그램에서 상기 데모 모드를 선택하면, 상기 LabVIEW 프로그램은 상기 데모 모드를 실행한다(단계 S130).
상기 LabVIEW 프로그램에서 상기 관리자 모드를 선택하면, 상기 LabVIEW 프로그램은 상기 관리자 모드를 실행한다(단계 S140).
상기 LabVIEW 프로그램에서 상기 학습자 모드를 선택하면, 상기 LabVIEW 프로그램은 상기 학습자 모드를 실행한다(단계 S150).
상기 데모 모드가 실행되면, 상기 데모 모드의 로그인을 위한 ID와 패스워드를 입력하고, 상기 입력된 ID나 패스워드가 상기 LabVIEW 프로그램의 상기 데모 모드에 접속하기 위한 ID나 패스워드와 다르면 상기 모드 선택화면으로 이동하게 된다(S160).
상기 관리자 모드가 실행되면, 상기 관리자 모드의 로그인을 위한 ID와 패스워드를 입력하고, 상기 관리자 모드의 로그인을 위한 입력된 ID나 패스워드가 상기 LabVIEW 프로그램의 상기 관리자 모드에 접속하기 위한 ID나 패스워드와 다르면 상기 모드 선택화면으로 이동하게 된다(S160).
상기 각 모드들의 로그인과 상기 학습자 모드의 선택이 실행되면, 각 모드에 대응하는 각 버전들에 대응하는 프로그램의 프론트 패널이 실행된다(S170).
상기 프론트 패널이 실행되면, RS-232 직렬포트로 상기 제어부(331)와 상기 2축 제어 장치(140) 간에 RS-232 통신, 제1 및 제2 모터의 출력포트, 제1 모터의 방향제어 포트 및 실험 데이터 저장 위치들이 설정된다(단계 S180)
상기 설정된 실험 데이터 저장 위치에는 방위각 및 고도각 입력데이터, 방위각 및 고도각, PID GAIN을 설정함(단계 S190).
상기 데이터 설정들이 완료되고, 상기 파워모듈(330)의 상기 스위치(332)를 켜면 상기 2축 제어 장치(140)의 구동이 시작된다(단계 S200)
상기 프론트 패널에 입력된 방위각 및 고도각의 목표각도와 현재 구동되고 있는 상기 2축 제어 장치(140)의 현재각도를 비교하여 PID 제어에 의해 목표각도로 이동한다(단계 S210).
상기 프론트 패널에 입력된 방위각 및 고도각의 목표각도, 상기 2축 제어 장치(140)의 현재각도 및 시간이 상기 제어부(331)의 지정된 경로에 TEXT파일로 저장된다(S220).
상기 2축 제어 장치(140)가 상기 프론트 패널에 입력된 방위각 및 고도각의 목표각도에 해당하는 위치에 도달했는지 체크한다(S230).
상기 2축 제어 장치(140)가 상기 프론트 패널에 입력된 방위각 및 고도각의 목표각도에 해당하는 위치에 도달하지 못하면, 다시 상기 프론트 패널에 입력된 방위각 및 고도각의 목표각도와 현재 구동되고 있는 상기 2축 제어 장치(140)의 현재각도를 비교하여 PID 제어에 의해 목표각도로 이동한다(S210).
상기 2축 제어 장치(140)가 상기 프론트 패널에 입력된 방위각 및 고도각의 목표각도에 해당하는 위치에 도달하면, 상기 2축 제어 시스템(150)은 구동을 멈추고 상기 LabVIEW 프로그램은 종료된다(S240).
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 2축 제어 시스템(150)은 기존 관성항법장치를 사용한 상기 자이로 센서(500)를 사용하여 상하 좌우 회전각의 측정이 가능하며 종래의 2축 제어 장치보다 가격이 낮아서 실험실 내에서도 헬리콥터와 유사한 2축 제어 장치를 조종할 수 있어서 다양한 교육현장에서 사용할 수 있는 장점이 있다.
상기 2축 제어 시스템(150)은 상기 방향전환부재(510)와 같은 다양한 부재와 모터들을 추가하여 상기 빔(420)의 구멍이나 홈에 결합해서 현재 국내에 보유하고 있는 텐덤 로터(Tandem Rotor)방식의 헬리콥터 CH-47 치누크나 수직이착륙(VTOL: vertical takeoff and landing)과 단거리 이착륙(STOL : short takeoff and landing)능력을 가진 V-22 오스프리(Osprey)와 같은 구조의 비행 환경을 모델링 할 수 있는 구조를 제작 가능한 장점이 있다.
상기 2축 제어 시스템(150)은 상기 제어부(331) 내부의 하나의 프론트 패널로 전체적인 제어를 손쉽게 안정적이고 효과적으로 수행 할 수 있다. 그리고 상기 자이로 센서(500)와의 데이터 동기화를 통해 정확하고 위치 오류가 낮은 제어가 가능하다.
상기 프론트 패널의 Yaw Axis Angle/시간(Sec) 및Pitch Axis Angle/시간(Sec) 그래프는 입력한 방위각 및 고도각 목표값에 따른 라인과 상기 자이로 센서(500)에 의해 측정되는 상기 2축 제어 장치(140)의 라인을 동시에 나타내어 사용자가 손쉽게 구동 상태를 인지하도록 도와주는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 LabVIEW의 프론트 패널로 제어되는 2축 제어 장치는 보다 넓은 교육현장에서 헬리콥터 제어 교육용으로 사용할 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.
100 : 프로펠러부 101 : 회전부
110 : 제1 모터 111 : 제1 프로펠러
120 : 제2 모터 121 : 제2 프로펠러
130 : 추 140 : 2축 제어 장치
150 : 2축 제어 시스템 160 : 전원부
210 : 회전대 220 : 제1 받침대
221 : 회전축 230a : 제1 금속기둥
230b : 제2 금속기둥 230c : 제3 금속기둥
230d : 제4 금속기둥 240 : 고정대
250 : 제2 받침대 300 : 지지부
310 : 제1 지지대 320 : 제2 지지대
330 : 파워 모듈 331 : 제어부
332 : 스위치 333 : 5V 전원 단자
334 : 12V 전원 단자 335 : 24V 전원 단자
336 : USB 단자 337 : D. I/O 501 단자
361 : 방위각 입력부 362 : 고도각 입력부
363 : 목표값 라인 364 : 결과값 라인
400 : 메인 플레이트 420 : 빔
500 : 자이로 센서 510 : 방향전환부재

Claims (9)

  1. 제 1 및 제2 프로펠러들, 상기 제1 및 제2 프로펠러들에 각각 연결되는 제1 및 제2 모터들, 및 상기 제1 및 제2 모터들이 양쪽 끝단에 각각 형성되는 빔을 포함하는 프로펠러부;
    상기 빔의 중앙의 구멍 하부에 힌지 결합되어 있는 회전부;
    상기 회전부 하부와 결합되어 상기 프로펠러부의 구동을 지탱하는 지지부; 및
    상기 지지부 내부의 전원부와 연결되어 상기 프로펠러부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 회전부는, 상기 빔의 중앙에 연결된 회전대, 상기 회전대의 상부에 위치하는 자이로 센서, 상기 회전대의 하부에 위치하며, 상기 회전대를 지탱하는 제1 받침대, 상기 받침대의 하부에 결합된 제1 내지 제4 금속 기둥들, 상기 금속 기둥들을 내부로 고정하며 중앙에 구멍이 형성된 고정대, 상기 고정대 중앙에 형성된 구멍에 배치되는 회전축, 및 상기 회전축과 상기 금속 기둥들을 지지하는 제2 받침대를 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 제어 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 프로펠러는 상기 빔의 제1 끝단에 배치되고 지면에 수평을 유지하며 시계반대방향(CCW)으로 회전하고,
    상기 제2 프로펠러는 상기 빔의 제2 끝단에 위치하고 지면에 수직방향으로 배치되어 구동 시 시계반대방향(CCW)으로 회전하며,
    상기 프로펠러부의 제2 끝단 안쪽에 위치한 추는 상기 2축 제어장치를 안정적으로 구동하게 하는 것을 특징으로 하는 2축 제어 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 제2 받침대를 지지하는 지지대들과 상기 지지대들의 하부에 형성되어 상기 지지대들을 고정시키는 메인 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 제어 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 제어 장치, 파워 모듈, 및 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 제어 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부의 제어 프로그램은 LabVIEW를 이용하여 프로그래밍 된 프론트 패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 제어 시스템.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 프론트 패널은,
    상기 2축 제어 장치의 시간에 따른 고도각(Pitch Axis Angle)을 실시간으로 화면에 나타내는 고도각 그래프;
    시간에 따른 방위각(Yaw Axis Angle)을 실시간으로 화면에 나타내는 방위각 그래프;
    현재 고도각과 방위각의 현재값을 나타내는 디스플레이; 및
    고도각과 방위각의 목표값을 입력 가능한 직사각형의 방위각 입력부 및 고도각 입력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 제어 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 자이로 센서는 상기 프로펠러부의 수평 및 수직 구동에 따른 위치 및 각도를 측정하고 상기 제어부로 측정값을 출력하는 것을 특징으로 하는 2축 제어 시스템.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 프론트 패널의 상기 방위각 입력부에 목표값을 입력하면 상기 제어부에서 상기 방위각 입력부의 상기 목표값과 상기 회전부에 형성된 자이로 센서에서 측정된 결과값의 편차를 분석해서 상기 제어부를 통해 상기 2축 제어 장치를 상기 방위각 입력부의 목표값에 해당하는 위치에 도달하도록 상기 제1 및 제2 모터를 제어하는 것을 포함하고,
    상기 프론트 패널의 상기 고도각 입력부에 목표값을 입력하면 상기 제어부에서 상기 고도각 입력부의 목표값과 상기 자이로 센서에서 측정된 결과값의 편차를 분석해서 상기 제어부를 통해 상기 2축 제어 장치를 상기 고도각 입력부의 목표값에 해당하는 위치에 도달하도록 상기 제1 및 제2 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 2축 제어 시스템.
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