KR101560578B1 - 영상 처리를 이용한 김발장치의 지향오차 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 김발장치에서 영상처리를 이용하여 최종 부하단의 지향 정확도를 측정 및 제어하기 위한 김발장치의 지향오차 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 김발장치의 부하단과 동축으로 장착되어 표적지의 영상정보로부터 부하단이 지향하는 지향점의 영상정보를 획득하는 영상 획득장치; 상기 획득된 영상정보를 처리하여 부하단의 목표점과 부하단의 지향점간의 거리를 계산하는 영상 처리장치부; 및 상기 영상 획득장치와 표적지 간의 거리와 목표점과 부하단의 지향점간의 거리를 이용하여 김발장치의 부하단 기준 방위각 및 고각 지향 오차를 계산한 후 계산된 지향 오차에 따라 김발장치의 구동을 제어하여 부하단의 지향방향을 변경하는 김발제어장치;를 포함한다.

Description

영상 처리를 이용한 김발장치의 지향오차 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLING DIRECTION ERROR OF GIMBAL APPARATUS USING IMAGE PROCESSING}

본 발명은 김발장치에서 영상처리를 이용하여 최종 부하단의 지향 정확도를 측정 및 제어하기 위한 김발장치의 지향오차 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적인 김발(Gimbal) 장치는 고정 플랫폼 또는 이동중인 차량, 항공기 및 함정등의 플랫폼에 장착될 수 있다. 고정 플랫폼에 장착되는 김발장치는 특정 방향 또는 지점을 지향해야 하며, 이동중인 플랫폼에 장착되는 김발장치 역시 이동 중 김발장치로 인가되는 외란 환경 하에서 2축 또는 3축의 구동 안정화 기능을 통하여 포(GUN)나 안테나와 같은 최종 부하단이 초기의 지향방향을 지속적으로 유지하여야 한다.

모터에서 발생된 회전토크로 최종 부하단의 회전운동을 발생시켜 특정 속도 또는 위치로 구동하는 일반적인 김발장치에서는 모터에서 발생된 작은 토크를 증대시키기 위해 감속기를 구비하게 된다. 그런데, 모터단의 위치정보를 이용하여 제어하는 일반적인 감속기 기반 김발장치는 감속기에 존재하는 백래쉬 (backlasf) 및 구조물의 유한한 강성(Stiffness)에서 발생되는 변형 등의 영향으로 최종 부하단이 지향하는 방향을 측정하기 어려운 한계가 있다.

한편 이동 플랫폼에 장착되어 운용되는 김발장치에서는 지향 정확도를 측정하기 위하여 플랫폼에 인가되는 외란 정보를 측정하기 위한 관성 항법장치 (INS : Inertial Navigation System)가 장착된다. 관성 항법장치에서 측정된 플랫폼의 자세정보와 김발장치의 고각 및 방위각 정보를 이용하여, 현재 김발장치의 최종 부하단이 지향하고 있는 방향을 계산할 수 있고 목표 방향값과의 각도차를 도출함으로써 지향 정확도를 계산할 수 있다.

그런데, 이러한 방식은 첫째, 정밀한 수준의 지향 정확도를 측정하기 위해서는 플랫폼에 인가되는 외란 각도를 측정하는 관성 항법장치가 고성능을 가져야 하며, 비용의 증가 측면에서 문제점이 있다.

둘째, 상기 방식은 비용의 적절성을 고려하여 구비된 관성 항법장치를 설치할 경우 출력신호의 정확도가 저하되어 지향 정확도의 부정확설을 초래하게 된다.

셋째, 상기 방식에서는 피드백신호로 사용되는 위치센서 이후단의 조립오차 및 강성에 의한 기구적 변형등의 영향은 배제되므로 최종 부하단에서의 지향 정확도 값을 측정할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 최종 부하단이 지향하는 지점의 영상정보를 획득 및 처리하여 목표점 대비 최종 부하단의 지향점간의 지향 오차를 정확하게 측정 및 제어할 수 있는 김발장치의 지향오차 제어 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 김발장치의 지향오차 제어장치는, 김발장치의 부하단과 동축으로 장착되어 표적지의 영상정보로부터 부하단이 지향하는 지향점의 영상정보를 획득하는 영상 획득장치; 상기 획득된 영상정보를 처리하여 영상 획득장치와 표적지간의 거리 및 상기 목표점과 부하단의 지향점간의 거리를 계산하는 영상 처리장치부; 및 상기 영상 획득장치와 표적지간 거리 및 목표점과 부하단의 지향점간의 거리를 이용하여 김발장치의 부하단 기준 방위각 및 고각 지향 오차를 계산하여, 지향 오차에 따라 김발장치의 구동을 제어하여 부하단의 지향방향을 변경하는 김발제어장치;를 포함한다.

상기 부하단은 포(GUN) 또는 안테나 반사판을 포함한다.

상기 영상 획득장치는 부하단이 지향하는 지향점을 중심으로 가로방향의 고정범위와 세로방향의 고정범위로 구성된 소정 영상획득 범위내의 표적지 영상을 획득한다.

상기 영상 획득장치는 표적지의 중심을 나타내는 목표점 및 부하단의 지향점이 동시에 존재하는 표적지 영상을 획득한다.

상기 영상 처리장치부는 표적지상의 목표점을 특정점 추출에 의해 식별한 후 획득된 영상정보의 방위각 방향의 픽셀수와 고각 방향의 픽셀수를 근거로 상기 목표점과 부하단의 지향점간의 거리를 계산한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 김발장치의 지향오차 제어방법은, 김발장치를 구동하여 부하단이 초기 지향방향을 향하도록 제어하는 단계; 영상 획득장치를 통해 부하단이 지향하는 지향점을 중심으로 소정 영상획득 범위내의 표적지 영상을 획득하는 단계; 획득된 영상정보를 처리하여 영상 획득장치와 표적지간의 거리 및 상기 목표점과 부하단의 지향점간의 거리를 계산하는 단계; 상기 계산된 영상 획득장치와 표적지간 거리 및 목표점과 부하단의 지향점간 거리를 이용하여 김발장치의 부하단 기준 방위각 및 고각 지향오차를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 지향 오차에 따라 김발장치의 구동을 제어하여 초기 지향방향을 변경하는 단계;를 포함한다.

상기 표적지 영상을 획득하는 단계는 부하단이 지향하는 지향점을 중심으로 가로방향의 고정범위와 세로방향의 고정범위로 구성된 소정 영상획득 범위내의 표적지 영상을 획득하는 단계로서, 상기 획득된 표적지 영상에는 표적지의 중심을 나타내는 목표점과 부하단의 지향점이 동시에 존재한다.

상기 목표점과 부하단의 지향점간의 거리는 표적지상의 목표점을 특정점 추출에 의해 식별한 후 획득된 영상정보의 방위각 방향의 픽셀수와 고각 방향의 픽셀수를 이용하여 구할 수 있다.

본 발명은 고정 또는 이동중인 플랫폼에 장착되는 김발장치의 고각/방위각 구동을 통해 김발장치의 최종 부하단이 표적지상의 특성 목표지점을 지향하게 하는 김발장치에서, 최종 부하단에 영상 획득장치를 장착하여 부하단이 지향하는 지점의 영상정보를 획득하여 처리함으로써 목표지점대비 최종 부하단이 지향하고 있는 지점간의 지향오차를 측정 및 제어할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 김발장치 내부에 존재하는 기계적 오차 및 변형뿐만 아니라 제어오차 및 센서오차를 모두 포함한 최종 시스템 지향 오차를 측정 및 제어할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 김발장치의 지향오차 제어 장치의 구성도.
도 2는 김발장치의 일 실시예.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 김발장치의 지향오차 제어장치의 동작을 나타낸 순서도.
도 4는 부하단의 목표점과 부하단의 지향점이 동시에 존재하는 동영상 획득 범위를 나타낸 도면.
도 5는 영상 획득장치로부터 목표점까지의 거리를 계산하기 위한 좌표정의를 나타낸 도면.

본 발명은 고정 또는 이동중인 플랫폼에 장착되는 김발장치(2축 구동시스템)의 고각/방위각 구동을 통해 김발장치의 최종 부하단이 표적지상의 특성 목표지점을 지향하게 하는 김발장치에서, 최종 부하단에 영상 획득장치를 장착하여 부하단이 지향하는 지점의 영상정보를 획득하여 처리함으로써 목표지점대비 최종 부하단이 지향하고 있는 지점간의 지향 오차를 측정 및 제어할 수 있다.

본 발명은 이동중인 플랫폼에 장착된 김발장치의 실시예가 고정 플랫폼에 장착된 김발장치의 내용을 포함하고 있으므로 전자에 대해서만 기술한다.

도 1은 본 발명에 따른 김발장치의 지향오차 제어 장치의 구성도이고, 도 2는 김발장치의 일 실시예이다.

도 1에 도시된 바와같이, 김발장치의 지향오차 측정 장치는 6축 모션 시뮬레이터(1), 김발장치(2)(2축 김발장치), 영상 획득장치(4), 영상처리장치(5), 김발제어장치(6) 및 표적지(7)로 구성된다.

상기 6축 모션 시뮬레이터(1)는 이동하는 플랫폼의 거동을 모사하는 장치로 김발장치(2)에 롤, 피치, 요의 3축 각도 외란과 XYZ 방향의 3축 병진 외란을 인가하는 기능을 수행한다. 상기 6축 모션 시뮬레이터(1)의 자세는 관성 항법장치(8)에서 측정 가능하다.

상기 김발장치(2)는 6축 모션 시뮬레이터(1)에 장착되어, 상기 6축 모션 시뮬레이터(1)로부터 인가되는 외란 환경 하에서 2축 또는 3축의 구동 안정화 기능을 통하여 포(GUN)나 안테나와 같은 최종 부하단이 초기의 지향방향을 지속적으로 유지하도록 한다.

기본적으로 김발 제어장치(6)은 관성 항법장치(8)에서 측정된 플랫폼의 자세정보를 이용하여 김발장치(2)의 고각 및 방위각 구동을 위한 제어신호를 발생시켜 최종 부하단(3)의 지향 방향을 결정하여, 지향방향이 표적지(7) 중앙에 위치한 목표점(P1)을 지속적으로 지향하도록 제어를 수행하게 된다. 본 발명은 김발 제어장치(6)에 탑재된 제어알고리즘이 아닌 최종 지향 정확도를 측정하기 위한 방법에 주안점이 있으므로 세부 제어 알고리즘은 생략하기로 한다.

따라서, 상기와 같은 구성에서 본 발명은 특징은 영상획득장치(4)와 영상처리장치(5)를 통한 지향 정확도 측정에 있다고 할 수 있다.

즉, 외란인가 상황에서 김발제어장치(6)는 적절한 제어알고리즘 구현을 통해 고각 및 방위각 구동모터에 회전 토크를 인가하여 도 2와 같이 김발장치(2)의 고각 및 방위각 구동을 발생시키고, 최종적으로 최종 부하단(3)인 포(GUN) 또는 안테나 반사판이 특정 방향을 지향하도록 제어한다. 이때 부하단(3)의 대표적 실시예인 포(GUN)의 끝단에 영상 획득장치(4)가 장착되며, 이때 획득된 영상의 중심부가 포(GUN)가 최종적으로 지향하고 있는 지향점이 된다. 표적지(7) 중심부에 위치한 목표점은 포(GUN)가 지향해야 할 목표지점이 되며, 영상 처리장치(5)를 통해 획득된 포(GUN)의 끝단이 지향하는 지점과의 각도 오차가 최종적인 시스템의 지향 오차가 된다.

최종적으로 측정된 지향오차는 김발장치(2)의 제어오차, 관성항법장치(8)의 측정오차, 김발장치 내부의 기계적 오차 및 변형 등의 오차정보를 포함한 시스템 지향정확도를 의미하게 된다. 상기에서 측정된 지향오차 정보는 김발제어장치(6)로 피드백되어 위치제어에 활용될 수도 있다.

또한, 본 발명을 통해 김발장치 내부에 존재하는 기계적 오차 및 변형뿐만 아니라 제어오차 및 센서오차를 모두 포함한 최종 시스템 지향오차를 측정 가능하게 된다.

이하 본 발명의 실시예에 따른 김발장치의 지향오차 제어장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 김발장치의 지향오차 제어장치의 동작을 나타낸 순서도이고, 도 4는 영상 획득 범위를 나타낸다.

먼저, (6축) 모션 시뮬레이터(1)는 김발장치(2)로 롤, 피치, 요의 3축 각도 외란과 XYZ 방향의 3축 병진 외란을 인가하고(S100), 상기 외란에 따라 김발장치(20)는 고각 및 방위각 구동모터에 회전 토크를 인가하여 고각 및 방위각을 구동함으로써 최종 부하단(3)인 포(GUN) 또는 안테나 반사판이 특정 방향(초기 지향방향)을 지향하도록 제어한다(S120). 상기 동작은 종래와 동일하다.

이 상태에서, 김발장치(2)의 최종 부하단(3)에 동축으로 장착된 영상획득장치(4)는 표적지 영상정보를 획득한다(S120). 즉, 영상획득장치(4)는 도 1 및 도 4에 도시된 바와같이, 부하단(3)이 지향하는 지점(지향점)(P2)를 중심으로 하는 표적지(7)의 영상을 획득한다. 세부적으로 영상획득장치(4)는 부하단(3)의 지향점(P2)을 영상의 중심으로 가로방향의 고정범위(D1)와 세로방향의 고정범위(D2)로 이루어진 영상획득 범위(FOV : Field of view)) 내의 픽셀(N1, N2)을 획득하여 영상처리장치(5)로 전송한다.

영상처리장치(5)는 영상획득장치(4)에서 획득된 영상을 처리하여 표적지(7)중심에 위치한 목표점(P1)을 식별한다. 즉, 영상처리장치(5)는 백색 바탕의 표적지(7)상의 흑색 원의 목표점(P1)을 특정점 추출에 의해 식별한다.

이어서 영상처리장치(5)는 식별된 목표점(P1)과 부하단(3)의 지향점(P2)간의 거리(가로 및 세로방향)를 계산한다(S130). 이때, 영상획득장치(4)에 의해 획득된 영상화면 내에는 표적지(70) 중심에 위치한 목표점(P1)과 획득된 영상화면의 중심(P2)(부하단의 지향점)이 동시에 존재해야 한다. ；茶 목표점(P1)과 영상화면의 중심(P2)(부하단의 지향점)사이의 거리(x, y)는 방위각 방향의 검출된 픽셀수(nx)와 고각 방향의 검출된 픽셀수(ny)를 이용하여 계산한다.

이어서 영상처리장치(5)는 영상획득장치(4)와 표적지간의 거리(L)를 계산한다(S140).

도 5는 영상 획득장치로부터 목표점까지의 거리 계산 동작을 나타낸다.

도 5에 도시된 바와같이, 모션 시뮬레이터 바닥면 중심에서 상판 중심점까지의 벡터

, 모션 시뮬레이션의 상판 중심에서 포탑 방위각 회전축 중심점까지의 벡터

, 방위각 회전축에서 고각 회전축 중심점까지의 벡터

, 고각 회전축에서 영상 획득장치까지의 벡터

, 표적지까지의 벡터

는 다음 수학식 1과 같이 표기할 수 있다. 상기 벡터들의 합은 모션 시뮬레이터 바닥면 중심에서 표적지까지의 벡터

와 일치한다.

[수학식 1]

여기서 각 벡터는 수학식 2와 같이 정의된다.

[수학식 2]

상기 각 벡터의 관계를 모션 시뮬레이터의 Roll/Pitch/Yaw 변환행렬[4×1]과 포탑시스템의 방위각/고각 변환행렬[4×1]을 이용하여 표기하면 다음의 수학식 3과 같은 같은 관계식이 성립한다. 여기서, 모션 시뮬레이터는 Yaw(

)-Pitch(

)-Roll(

)순으로의 오일러(Euler)변환을 고려하였으며, 포탑 시스템은 방위각-고각순으로의 변환을 고려하였다.

[수학식 3]

여기서,

는 다음 수학식 4와 같이 정의되며, 여기서 s와 c는 sin과 cos을 의미한다. 또한 ao는 고정된 포탑 방위각 회전축 중심을, 그리고 a는 포탑을 회전시킨 후의 새로운 방위각 회전축 중심을 의미한다.

[수학식 4]

상기 수학식 3은 다음의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 5]

여기서

는 다음 수학식 6과 같이 정의된다.

[수학식 6]

상기 수학식 6을 이용하여 표적 지향을 위한 방위각/고각 구동명령을 구하면 다음 수학식 7 및 8과 같이 정리할 수 있다.

[수학식 7]

[수학식 8]

따라서, 영상 획득장치에서 목표점까지의 거리 L은 아래 수학식 9로 표현된다.

[수학식 9]

영상처리장치(5)는 도 1에 도시된 바와같이, 영상 획득장치(4)와 표적지(7)간의 조준선(LOS)의 거리(L) 및 목표점(P1)과 부하단의 지향점(P2)간의 거리를 이용하여, 김발장치의 최종 부하단 기준의 방위각 및 고각 지향오차(q1, q2)를 아래 수학식 10과 같이 계산하여 도출한다(S150).

[수학식 10]

방위각 방향 지향오차(q1) = atan((nx×D1)/N1/L)

고각 방향 지향오차(q2) = atan((ny×D2)/N2/L)

따라서, 김발제어장치(6)는 영상처리장치(5)에서 출력된 방위각 및 고각 지향오차에 대응되는 제어신호를 발생하여 김발장치(2)의 고각 및 방위각 구동을 제어하여 특정 방향(초기 지향방향)을 변경함으로써 상기 부하단(4)이 표적지(7) 중앙에 위치한 목표점(P1)을 지속적으로 지향하도록 제어한다(S160).

상술한 바와같이 본 발명은 최종 부하단에 영상 획득장치를 장착하여 부하단이 지향하는 지점의 영상정보를 획득하여 처리함으로써 목표점 대비 최종 부하단이 지향하고 있는 지점(지향점)간의 지향오차를 측정하고, 이를 근거로 김발장치의 고각 및 방위각 구동을 제어함으로써 부하단이 항상 표적지의 중앙에 위치한 목표점을 지속적으로 지향하도록 할 수 있다.

상기 설명된 실시예들의 구성과 방법은 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.

1 : 6축 모션 시뮬레이터 2 : 김발장치(구동 시스템)
3 : 부하단 4 : 영상획득장치
5 : 영상처리장치 6 : 김발제어장치
7 : 표적지

Claims (10)

1. 김발장치의 부하단과 동축으로 장착되어 표적지의 영상정보로부터 부하단이 지향하는 지향점의 영상정보를 획득하는 영상 획득장치;
   상기 획득된 영상정보를 처리하여 영상 획득장치와 표적지간의 거리 및 표적지상의 목표점과 부하단의 지향점간의 거리를 계산하는 영상 처리장치부; 및
   상기 영상 획득장치와 표적지간 거리 및 목표점과 부하단의 지향점간의 거리를 이용하여 김발장치의 부하단 기준 방위각 및 고각 지향 오차를 계산하여, 지향 오차에 따라 김발장치의 구동을 제어하여 부하단의 지향방향을 변경하는 김발제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 김발장치의 지향오차 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 부하단은
   포(GUN) 또는 안테나 반사판인 것을 특징으로 하는 김발장치의 지향오차 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 영상 획득장치는
   부하단이 지향하는 지향점을 중심으로 가로방향의 고정범위와 세로방향의 고정범위로 구성된 소정 영상획득 범위내의 표적지 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 김발장치의 지향오차 측정장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 영상 획득장치는
   표적지의 중심을 나타내는 목표점 및 부하단의 지향점이 동시에 존재하는 표적지 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 김발장치의 지향오차 측정장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 영상 처리장치는
   표적지상의 목표점을 특정점 추출에 의해 식별한 후 획득된 영상정보의 방위각 방향의 픽셀수와 고각 방향의 픽셀수를 근거로 상기 목표점과 부하단의 지향점간의 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 김발장치의 지향오차 측정장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 영상 처리장치는
   김발장치의 최종 부하단 기준의 방위각 및 고각 지향오차를 다음 수학식에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 김발장치의 지향오차 측정장치.
   방위각 방향 지향오차(q1) = atan((nx×D1)/N1/L)
   고각 방향 지향오차(q2) = atan((ny×D2)/N2/L)
   상기 nx는 방위각 방향의 검출된 픽셀수, ny는 고각 방향의 검출된 픽셀수, D1, D2는 획득된 표적지 영상의 가로 및 세로방향의 고정범위를 나타낸다.
7. 김발장치를 구동하여 부하단이 초기 지향방향을 향하도록 제어하는 단계;
   영상 획득장치를 통해 부하단이 지향하는 지향점을 중심으로 소정 영상획득 범위내의 표적지 영상을 획득하는 단계;
   획득된 영상정보를 처리하여 영상 획득장치와 표적지간의 거리 및 표적지상의 목표점과 부하단의 지향점간의 거리를 계산하는 단계;
   상기 계산된 영상 획득장치와 표적지간 거리와 목표점과 부하단의 지향점간 거리를 이용하여 김발장치의 부하단 기준 방위각 및 고각 지향오차를 계산하는 단계; 및
   상기 계산된 지향 오차에 따라 김발장치의 구동을 제어하여 초기 지향방향을 변경하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 김발장치의 지향오차 측정방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 표적지 영상을 획득하는 단계는
   부하단이 지향하는 지향점을 중심으로 가로방향의 고정범위와 세로방향의 고정범위로 구성된 소정 영상획득 범위내의 표적지 영상을 획득하는 단계로서,
   상기 획득된 표적지 영상에는 표적지의 중심을 나타내는 부하단의 목표점과 부하단의 지향점이 동시에 존재하는 것을 특징으로 하는 김발장치의 지향오차 측정방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 목표점과 부하단의 지향점간의 거리는
   표적지상의 목표점을 특정점 추출에 의해 식별한 후 획득된 영상정보의 방위각 방향의 픽셀수와 고각 방향의 픽셀수를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 김발장치의 지향오차 측정방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 김발장치의 최종 부하단 기준의 방위각 및 고각 지향오차는 다음 수학식에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 김발장치의 지향오차 측정방법.
    방위각 방향 지향오차(q1) = atan((nx×D1)/N1/L)
    고각 방향 지향오차(q2) = atan((ny×D2)/N2/L)
    상기 nx는 방위각 방향의 검출된 픽셀수, ny는 고각 방향의 검출된 픽셀수, D1, D2는 획득된 표적지 영상의 가로 및 세로방향의 고정범위를 나타낸다.

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