KR101564298B1 - 이중김벌 구조를 갖는 시선안정화장치의 기동성 향상을 위한 이중김벌 제어 장치 및 방법 - Google Patents

이중김벌 구조를 갖는 시선안정화장치의 기동성 향상을 위한 이중김벌 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중김벌 구조를 갖는 시선안정화장치의 김벌제어 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부김벌 및 내부김벌로 이루어진 이중김벌을 구동함에 있어서, 외부김벌이 먼저 구동되고 내부김벌은 외부김벌의 위치를 추종하여 구동되는 이중김벌 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 이중김벌 제어장치의 실시예의 일 양태는, 위치명령을 입력하는 위치명령 입력부; 상기 위치명령과 외부김벌위치 사이의 오차를 입력받아 외부김벌을 구동하는 외부김벌 위치제어부; 상기 오차를 입력받아 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치 명령을 생성하는 코사인 보상부; 상기 상대위치명령과 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치 사이의 오차를 입력받아 내부김벌 각속도명령을 생성하는 내부김벌 위치제어부; 및 상기 내부김벌 각속도명령을 이용하여 내부김벌을 구동하는 내부김벌 안정화제어부; 를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 이중김벌 제어방법의 실시예의 일 양태는, 위치명령이 입력되는 위치명령 입력단계; 상기 위치명령과 외부김벌의 위치 사이 오차를 이용하여 외부김벌 구동명령이 생성되는 외부김벌 제어단계; 상기 오차를 이용하여 내부김벌 구동명령이 생성되는 내부김벌 제어단계; 상기 외부김벌 구동명령에 따라 외부김벌이 구동되는 외부김벌 구동단계; 및 상기 내부김벌 구동명령에 따라 내부김벌이 구동되는 내부김벌 구동단계; 를 포함할 수 있다.

Description

이중김벌 구조를 갖는 시선안정화장치의 기동성 향상을 위한 이중김벌 제어 장치 및 방법 {Device and Method for improving maneuverability of Lineofsight stabilizer having Dual Gimbal Structure}
본 발명은 이중김벌 구조를 갖는 시선안정화장치의 김벌제어 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부김벌 및 내부김벌로 이루어진 이중김벌을 구동함에 있어서, 외부김벌을 먼저 구동하고 내부김벌은 외부김벌의 위치를 추종하여 구동하는 이중김벌 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
IR(Infrared : 적외선) 카메라 또는 CCD(Charge-Coupled Device camera : 전하결합소자) 카메라, 레이저 센서 등을 탑재한 시선안정화장치(Inertially Stabilized System)는 헬기, 무인기, 전투기 등 다양한 플랫폼에 장착되어 고화질의 선명한 표적 영상을 운용자 또는 사통 체계에 제공한다. 이를 위해 시선안정화장치는 표적지향 기능과 시선안정화 기능을 가진다. 상기 표적지향 기능은 카메라의 시선을 관심 표적 방향으로 신속히 이동시켜 표적을 연속적으로 지향하게 하는 기능을 의미한다. 그리고 상기 시선안정화 기능은 플랫폼으로부터 발생되어 카메라로 전달되는 진동을 최소화하고, 플랫폼의 자세변화에 대응하여 변경된 자세를 보상함으로써 카메라의 시선을 관성평면에 대하여 안정화시키는 기능을 의미한다.
항공용 시선안정화장치의 구조로는, 플랫폼에서 발생되어 카메라로 전달되는 고주파 진동을 최소화할 수 있는, 이중김벌 구조가 많이 적용되고 있다. 여기서 상기 이중김벌 구조는 내부김벌 및 외부김벌로 구성된다. 또한, 김벌(gimbal)은, 물이나 공기, 우주공간 이에 떠 있는 구조물의 동요에 관계없이 기기 또는 장비가, 수평 및 연직으로 놓일 수 있도록 전후 좌우 방향축에 대하여 회전을 허용하여, 상기 기기나 장비가 정립 상태를 유지할 수 있도록 하는 지지장치를 의미한다.
이와 같은 이중김벌 구조에 탑재된 카메라 등의 시선 위치를 제어하는 종래의 방식은, 우선 내부김벌을 제어하고 외부김벌은 상기 내부김벌의 위치를 추종하도록 제어하는 내부김벌 선구동방식이었다. 즉, 종래의 방식은 내부김벌을 먼저 원하는 방향으로 구동하고, 그 후 외부김벌은 내부김벌이 구동한 위치를 추종하여 구동하도록 카메라의 시선을 제어함으로써 외부김벌 및 내부김벌이 서로 충돌하지 않도록 하였다.
그러나 종래의 방식에 의한 이중김벌 제어 방법은 다음과 같은 문제점을 가진다.
우선, 이중김벌의 구조상 내부김벌의 구동부에는 베어링 마찰만 존재하는 반면, 외부김벌의 구동부에는 방수와 같은 환경성을 고려하여 고무링 재질의 회전실이 장착되므로, 베이링 마찰 이외에 회전실 마찰이 존재한다. 따라서 외부김벌 구동부에는, 내부김벌 구동부에 비하여 더 큰 마찰이 발생된다. 뿐만 아니라 외부김벌은 내부김벌에 비하여 외부에 위치하게 되므로, 외부김벌의 관성모멘트는 내부김벌의 그것에 비하여 상대적으로 크게 설계된다. 따라서 큰 가속도를 갖는 위치명령이 인가될 경우 내부김벌은 빠른 초기 응답 속도를 가지는 반면, 외부김벌은 상기 마찰 및 상기 관성모멘트의 영향으로 초기 응답 속도가 느리게 된다. 이로 인해 내부김벌과 외부김벌 사이에 충돌이 발생하게 된다. 따라서 종래에는, 안정적인 이중김벌의 제어를 위하여, 위치명령을 인가하는 경우 이중김벌의 가속도를 제한하는 방법이 많이 사용되었다.
또한, 이중김벌의 구조상 외부김벌의 고각이 커질 경우, 외부김벌의 방위각 회전축과 내부김벌 방위각 회전축이 어긋나므로, 외부김벌의 방위각은 외부김벌의 고각의 크기에 따라 교차 보상(Secant 보상 : 외부김벌과 내부김벌의 위치오차를 보상)이 필요하다. 또한, 외부김벌의 고각이 나디르 영역{Nadir 영역 : 고각이 직하방(-90°)부근인 영역}에 가까워질수록 교차 보상값은 매우 커지게 된다. 즉, 외부김벌의 고각이 나디르 영역에 가까운 경우, 내부김벌과 외부김벌 간의 각도 차가 미세하더라도 외부김벌 방위각 구동명령은 큰 값으로 적용되어 이중김벌의 구동이 불안정해진다. 따라서 종래에는, 외부김벌의 고각이 나디르 영역에 가까운 경우, 외부김벌의 방위각 구동을 제한함으로써 이중김벌의 구동을 안정시켰다.
더욱 상세하게는, 종래의 이중김벌 제어장치의 구조를 보인 도 2을 참조하면, 종래의 이중김벌 구조는 내부김벌 위치제어기, 내부김벌 안정화제어기, 교차보상기 및 외부김벌 위치제어기를 포함한다. 이때 내부김벌과 외부김벌 간의 위치오차가, 외부김벌 위치제어기의 오차신호로 교차보상기에 입력된다. 여기서, 상기 교차보상기의 교차보상 값은 다음식,
[수학식 1]
교차보상 값 = 1/COS(α)
에 의해 산출된다. 여기서, α 는 이중김벌의 고각을 나타낸다.
따라서, 고각이 - 90 °에 가까워지면 교사보상 값은 무한대(∞)로 수렴하므로, 내부김벌과 외부김벌 간의 위치오차가 작더라도 교차보상 이후 오차신호는 매우 커지게 되므로, 이중김벌의 구동이 불안정해지는 것이다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 이중김벌에 장착된 카메라 등의 시선을 표적 방향으로 지향하기 위하여 이중김벌을 제어하는 경우, 고속기동이 가능한 이중김벌 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 나디르 영역에서도 안정적인 구동이 가능한 이중김벌 제어 장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 외부김벌 및 내부김벌을 동시에 구동하거나, 외부김벌을 먼저 구동하고 내부김벌은 외부김벌의 위치를 추종하여 구동하도록 제어하여, 이중김벌이 안정적으로 고속기동 할 수 있는 이중김벌 제어 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 이중김벌 제어장치의 실시예의 일 양태는, 위치명령을 입력하는 위치명령 입력부; 상기 위치명령과 외부김벌위치 사이의 오차를 입력받아 외부김벌을 구동하는 외부김벌 위치제어부; 상기 오차를 입력받아 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치 명령을 생성하는 코사인 보상부; 상기 상대위치 명령과 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치 사이의 오차를 입력받아 내부김벌 각속도명령을 생성하는 내부김벌 위치제어부; 및 상기 내부김벌 각속도명령을 이용하여 내부김벌을 구동하는 내부김벌 안정화제어부; 를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 이중김벌 제어방법의 실시예의 일 양태는, 위치명령이 입력되는 위치명령 입력단계; 상기 위치명령과 외부김벌의 위치 사이 오차를 이용하여 외부김벌 구동명령을 생성하는 외부김벌 제어단계; 상기 오차를 이용하여 내부김벌 구동명령을 생성하는 내부김벌 제어단계; 상기 외부김벌 구동명령에 따라 외부김벌을 구동하는 외부김벌 구동단계; 및 상기 내부김벌 구동명령에 따라 내부김벌을 구동하는 내부김벌 구동단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 이중김벌 제어 장치 및 방법의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있게 된다.
먼저 본 발명에 따르면, 종래의 방식과 비교하여, 이중김벌은 고속영역에서도 안정으로 기동을 할 수 있게 되며, 큰 가속도 입력에 대하여도 안정적으로 기동할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따르면, 종래의 방식과 비교하여, 이중김벌은 나디르 영역에서도 안정적으로 기동을 할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 이중김벌 제어장치의 구조을 보인 개념도.
도 2는 종래의 이중김벌 제어장치의 구조를 보인 개념도.
도 3은 본 발명에 의한 이중김벌 제어장치의 실시예를 보인 블럭도.
도 4는 카메라가 탑재된 이중김벌의 구조를 보인 정면도.
도 5는 본 발명에 의한 이중김벌 제어방법의 제1실시예를 보인 흐름도.
도 6은 본 발명에 의한 이중김벌 제어방법에서 내부김벌 제어단계의 세부단계를 보인 흐름도.
도 7은 본 발명에 의한 이중김벌 제어방법의 제2실시예를 보인 흐름도.
도 8은 본 발명에 의한 이중김벌 제어방법의 제3실시예를 보인 흐름도.
도 9는 종래의 방식에 따른 이중김벌 제어 구조를 보인 블럭도.
도 10은 본 발명에 의한 이중김벌 제어방식에 따른 이중김벌 제어 구조를 보인 블럭도.
도 11은 종래의 방식에 따른 단계계단 응답을 보인 파라미터표.
도 12는 본 발명에 의한 이중김벌 제어방식에 따른 단계계단 응답을 보인 파라미터표.
도 13은 이중김벌 제어방식 실험을 위하여 입력되는 위치명령 데이터를 보인 파라미터표.
도 14는 상기 위치명령 데이터 생성하기 위하여 선정된 속도 데이터를 보인 파라미터표.
도 15는 상기 위치명령 데이터 생성하기 위하여 선정된 가속도 데이터를 보인 파라미터표.
본 발명은 다양하게 변경할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 상세한 설명에서 구체적으로 설명하고자 한다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위하여 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적이거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것은 아니며, 본 명세서에 개시된 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경·균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 이중김벌 제어장치의 실시예을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 이중김벌 제어장치의 구조을 보인 개념도이고, 도 2는 종래의 이중김벌 제어장치의 구조를 보인 개념도이며, 도 3은 본 발명에 의한 이중김벌 제어장치의 실시예를 보인 블럭도이고, 도 4는 카메라가 탑재된 이중김벌의 구조를 보인 정면도이다.
먼저, 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 이중김벌 제어장치(10)는, 위치명령 입력부(100), 외부김벌 위치제어부(200), 코사인 보상부(300), 내부김벌 위치제어부(400) 및 내부김벌 안정화제어부(500) 를 포함한다. 상기 위치명령 입력부(100)는, 상기 외부김벌 위치제어부(200)로 위치명령(20)을 입력한다. 상기 외부김벌 위치제어부(200)는, 위치명령(20)과 현재 외부김벌위치(21) 사이의 오차(22)를 입력받아 외부김벌(600)을 구동한다. 상기 코사인 보상부(300)는, 상기 오차(22)를 입력받아 외부김벌(600) 대비 내부김벌(700)의 상대위치 명령(40)을 생성한다. 상기 내부김벌 위치제어부(400)는, 상기 상대위치 명령(40)과 외부김벌(600) 대비 내부김벌(700)의 상대위치(41) 사이의 오차(42)를 입력받아 내부김벌 각속도명령(43)을 생성한다. 상기 내부김벌 안정화제어부(500)는 상기 내부김벌 각속도명령(43)을 이용하여 내부김벌(700)을 구동한다.
더욱 상세하게는, 상기 위치명령 입력부(100)는, 이중김벌(50)에 장착된 카메라(800)가 지향할 위치를 위치명령(20)의 형태로, 상기 외부김벌 위치제어부(200)에 입력할 수 있다. 즉, 상기 위치명령 입력부(100)는, 카메라(800)가 장착된 이중김벌(50)을 원하는 방향으로 구동하기 위하여, 카메라(800)가 지향할 다음 위치를 나타내는 위치명령(20)을 입력할 수 있는 것이다. 여기서 상기 이중김벌(50)은, 외부김벌 및 내부김벌을 결합한 김벌을 의미하고, 상기 위치명령(20)은, 예를 들면, 방위각(1)과 고각(2)으로 표현되는 특정 각도이거나 X-Y-Z 좌표계나 카메라 좌표계와 같은 각종 좌표계로 표현되는 특정 위치일 수 있다.
상기 외부김벌 위치제어부(200)는, 상기 위치명령 입력부(100)로부터 입력받은 위치명령(20)을 내부 연산하여 외부김벌(600)을 구동한다. 또한 상기 외부김벌 위치제어부(200)는, 상기 위치명령(20)을 내부 연산하여 외부김벌(600)이 회전구동할 방위각(1) 및 고각(2)을 결정함으로써 외부김벌을 구동할 수 있다. 더욱 상세하게는, 상기 외부김벌 위치제어부(200)는, 상기 위치명령 입력부(100)로부터 입력받은 위치명령(20)과 외부 방위각김벌 위치센서(621) 및 외부 고각김벌 위치센서(641)로부터 전송받은 현재 외부김벌의 위치(21) 사이의 오차(22) 즉, 외부김벌이 회전구동할 방위각(1) 및 고각(2)를 생성한다. 그리고 상기 오차(22)는, 외부김벌 위치보상기(210) 및 엠프/모터(220)를 거쳐 외부김벌 구동명령(30)으로 변경되어 외부김벌(600)에 입력된다. 상기 외부김벌(600)은, 상기 외부김벌 구동명령(30)에 따라 회전구동하게 한다. 이와 같이 상기 오차(22)를 이용하여 상기 외부김벌(600)을 구동하는 이유는, 상기 외부김벌(600)이 외부김벌이 지향하는 현재위치(21)로부터 상기 위치명령(20)에 의한 위치 즉, 카메라(800)가 지향할 다음 위치까지 상기 오차(22)만큼만 회전구동하면 되기 때문이다. 즉, 상기 오차(22)는 상기 외부김벌(600)이 상기 위치명령(20)에 따라 실제로 회전구동해야하는 거리를 의미할 수 있다. 여기서, 상기 위치명령과 외부김벌위치 사이의 오차(22)는, 상기 위치명령과 상기 외부김벌위치 사이의 방위각(1) 오차 및 고각(2) 오차일 수 있다.
상기 코사인 보상부(300)는, 상기 오차(22)를 입력받아 상기 오차(22), 특히 방위각을 보정한 외부김벌(600) 대비 내부김벌(700)의 상대위치 명령(40)을 생성한다. 여기서 상기 코사인 보상부(300)는, 상기 오차(22) 중 방위각(1) 오차에만 코사인 보상을 실시하고, 고각(2) 오차에는 코사인 보상을 실시하지 아니할 수 있다. 왜냐하면, 이중김벌(60)의 구조적 특성상 고각이 커지는 경우, 외부김벌(600)과 내부김벌(700)의 방위각 회전축이 어긋나 상기 오차(22) 중 방위각(1) 오차가 커지기 때문에, 방위각(1) 오차를 보상하는 것이다.
여기서 상기 코사인 보상은, 다음식에 의해 정의 될 수 있다.
[수학식 2]
코사인 보상 = COS (A+B)
여기서, A는 외부김벌 위치센서(641)로부터 측정된 외부김벌의 고각위치(21)이고, B는 내부김벌 위치센서(741)로부터 측정된 외부김벌 대비 내부김벌의 고각 상대위치(41)를 더한 값을 의미할 수 있다.
상기 내부김벌위치제어부(400)는, 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치 명령(40)과 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치(41) 사이의 오차(42)를 입력받아 내부김벌 각속도명령(43)을 생성한다. 여기서 상기 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치 명령(40)이란, 상기 위치명령(20)에 따라 내부김벌(700)이 지향할 다음 위치를 의미하는 것으로, 상기 외부김벌(600)이 상기 위치명령(20)에 따라 미쳐 회전구동하지 못한 부분을 상기 내부김벌(700)이 회전구동하기 위한 명령이다. 또한 여기서, 상기 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치(41)는, 외부김벌(600)이 회전구동한 후 위치를 기준으로, 상기 내부김벌의 현재 위치를 의미한다. 따라서 상기 상대위치 명령(40)과 상기 상대위치(41)의 오차(42)는, 상기 내부김벌(700)이 상기 위치명령(20)에 따라 실제로 회전구동해야하는 거리를 의미할 수 있다.
상기 내부김벌 안정화제어부(500)는, 상기 내부김벌 각속도명령(43)을 이용하여 내부김벌(700)을 구동한다. 상기 내부김벌 안정화제어부(500)는, 내부김벌 각속도보상기(510) 및 엠프/모터(520)를 이용하여 상기 내부김벌 각속도명령(43)을 내부김벌 구동명령(44)으로 변경하여 내부김벌(700)을 구동한다.
도 4를 참조하면, 이중김벌(50)은, 외부김벌(600) 및 내부김벌(700)을 포함한다. 상기 외부김벌(600)은, 외부 방위각김벌(610), 외부 방위각김벌 구동부(620), 외부 고각김벌(630) 및 외부 고각김벌 구동부(640)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 내부김벌(700)은, 내부 방위각김벌(710), 내부 방위각김벌 구동부(720), 내부 고각김벌(730) 및 내부 고각김벌 구동부(740)를 포함할 수 있다.
더욱 상세하게는, 상기 외부 방위각김벌(610)은, 상기 외부 방위각김벌 구동부(620)에 의하여 방위각 방향으로 360° 회전구동이 가능하다. 상기 외부 방위각김벌 구동부(620)는, 외부 방위각김벌 위치센서(621) 및 외부 방위각김벌 구동기(622)를 포함할 수 있다. 상기 외부 방위각김벌 위치센서(621)는, 이중김벌 장착면(65)을 기준으로 외부김벌의 방위각(1)을 측정한다. 상기 방위각김벌 구동기(622)는, 상기 외부 방위각김벌(610)을 회전구동하게 한다. 상기 외부 고각김벌(630)은, 상기 외부 고각김벌 구동부(640)에 의하여 고각 방향으로 +20° ~ -120° 회전구동이 가능하다. 상기 외부 고각김벌 구동부(640)는, 외부 고각김벌 위치센서(641) 및 외부 고각김벌 구동기(642)를 포함할 수 있다. 상기 외부 고각김벌 위치센서(641)는 이중김벌의 장착면(65)을 기준으로 외부김벌의 고각(2)을 측정한다. 상기 외부 고각김벌 구동기(622)는, 상기 외부 고각김벌(630)을 회전구동하게 한다. 상기 외부김벌 위치센서(621)(641) 및 상기 외부김벌 구동기(622)(642)는, 외부 방위각김벌 회전축(611) 및 외부 고각김벌 회전축(631)의 양측면 혹은 일측면에 장착될 수 있다.
상기 내부 방위각김벌(710)은, 상기 내부 방위각김벌 구동부(720)에 의하여 상기 외부 방위각김벌(710)을 기준으로 ±수°의 회전구동이 가능하다. 상기 내부 방위각김벌 구동부(720)는, 내부 방위각김벌 위치센서(721) 및 내부 방위각김벌 구동기(722)를 포함할 수 있다. 상기 내부 방위각김벌 위치센서(721)는, 외부 방위각김벌(610)과 내부 방위각김벌(710) 사이의 상대적인 각도를 측정할 수 있다. 상기 내부 방위각김벌 구동기(722)는, 상기 내부 방위각김벌(710)을 회전구동하게 한다. 상기 내부 고각김벌(730)은, 상기 내부 고각김벌 구동부(740)에 의하여 상기 외부 고각김벌(630)을 기준으로 ±수°의 회전구동이 가능하다. 상기 내부 고각김벌 구동부(740)는, 내부 고각김벌 위치센서(741) 및 내부 고각김벌 구동기(742)를 포함한다. 상기 내부 고각김벌 위치센서(741)는 외부 고각김벌(630)과 내부 고각김벌(730) 사이의 상대적인 각도를 측정할 수 있다. 상기 내부 고각김벌 구동기(742)는, 상기 내부 고각김벌(730)을 회전구동하게 한다. 상기 내부김벌 위치센서(721)(741) 및 상기 내부김벌 구동기(722)(742)는, 내부 방위각김벌의 회전축(711) 및 내부 고각김벌의 회전축(731)의 양측면 혹은 일측면에 장착될 수 있다.
카메라(800) 및 자이로 센서(810)은, 상기 내부김벌에 장착될 수 있다. 상기 카메라(800)는, 영상 또는 사진을 촬영할 수 있는 기기에 제한되지 않으며, 다양한 촬영기기로 대체가능하다. 또한 상기 내부김벌(700)에는, 상기 카메라 대신 이중김벌 구조가 필요한 다양한 기기, 예를 들면, 발사체, 레이더 및 추진체가 장착될 수 있다. 상기 방진구(820)는, 상기 외부김벌(600)과 내부김벌(700) 사이에 장착될 수 있으며, 상기 이중김벌(50)이 장착된 플랫폼(60)으로부터 발생되어 상기 카메라 등으로 전달되는 고주파 진동을 감쇄시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명에 의한 이중김벌 제어방법의 제1실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명에 의한 이중김벌 제어방법의 제1실시예를 보인 흐름도이고, 도 6은 본 발명에 의한 이중김벌 제어방법에서 내부김벌 제어단계의 세부단계를 보인 흐름도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 실시예는, 외부명령 입력단계(S100), 외부김벌 제어단계(S200), 내부김벌 제어단계(S300), 외부김벌 구동단계(S400) 및 내부김벌 구동단계(S500)를 포함한다.
상기 위치명령 입력단계(S100)에서는, 이중김벌(50)에 장착된 카메라(800)가 지향할 위치가 위치명령(20)의 형태로 입력된다. 즉, 상기 위치명령 입력단계(S100)에서는, 카메라(800)가 장착된 이중김벌(50)을 원하는 방향으로 구동하기 위하여, 카메라(800)가 지향할 다음 위치를 나타내는 위치명령(20)이 이중김벌 제어장치(10)로 입력되는 것이다.
상기 외부김벌 제어단계(S200)에서는, 상기 위치명령(20)과 외부김벌의 위치(21) 사이 오차(22)를 이용하여 외부김벌 구동명령(30)을 생성한다. 더욱 상세하게는, 외부김벌 제어단계(S200)에서는, 상기 위치명령 입력단계(S100)에서 입력받은 위치명령(20)과 외부 방위각김벌 위치센서(621) 및 외부 고각김벌 위치센서(641)로부터 전송받은 현재 외부김벌위치(21) 사이의 오차(22)가 내부연산하여 외부김벌 구동명령(30)을 생성한다.
상기 내부김벌 제어단계(S300)에서는, 상기 위치명령(20)과 외부김벌의 위치(21) 사이 오차(22)를 이용하여 내부김벌 구동명령(44)을 생성한다. 더욱 상세하게는, 상기 내부김벌 제어단계(S300)는, 코사인 보상단계(S310), 내부김벌 위치 제어단계(S320) 및 내부김벌 안정화 제어단계(S330)을 포함할 수 있다.
상기 코사인 보상단계(S310)에서는, 상기 위치명령(20)과 외부김벌의 위치(21) 사이 오차(22) 중 방위각(1) 오차를 코사인 보상하여, 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치 명령(40)을 생성한다.
상기 내부김벌 위치 제어단계(S320)에서는, 상기 상대위치명령(40)을 내부연산하여, 내부김벌(700)을 회전구동하는 내부김벌 각속도명령(43)을 생성한다.
상기 내부김벌 안정화 제어단계(S330)에서는, 내부연산에 의하여 상기 내부김벌 각속도명령(43)을 추종하기 위한 내부김벌 구동명령(44)을 생성한다.
상기 외부김벌 구동단계(S400)에서는, 상기 외부김벌 구동명령(30)에 따라 외부김벌(600)을 구동한다.
상기 내부김벌 구동단계(S500)에서는, 상기 내부김벌 구동명령(44)에 따라 내부김벌(700)을 구동한다. 또한 상기 내부김벌 구동단계(S500)에서는, 상기 내부김벌 각속도명령(43)에 따라 내부김벌(700)을 구동할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 의한 이중김벌 제어방법의 제2실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 7은 본 발명에 의한 이중김벌 제어방법의 제2실시예를 보인 흐름도이다.본 실시예의 단계 중 전술한 본 발명에 의한 이중김벌 위치제어 방법의 제1실시예의 각 단계와 동일한 기능에 대하여는 도 5의 도면 부호를 원용하고 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 7를 참조하면, 본 실시예는, 외부명령 입력단계(S101), 외부김벌 제어단계(S201), 외부김벌 구동단계(S301), 내부김벌 제어단계(S401) 및 내부김벌 구동단계(S501)를 포함한다. 즉, 본 실시예에서는, 전술한 본 발명의 이중김벌 제어방법의 제1실시예의 내부김벌 제어단계(S200) 및 외부김벌 구동단계(S400)가, 각각 외부김벌 구동단계(S301), 내부김벌 제어단계(S401)로 순서를 변경한 것이다. 본 실시예에 따르더라도, 외부김벌 구동단계(S301)는, 내부김벌 구동단계(S501)보다 앞서서 실행된다. 상기 외부명령 입력단계(S101), 외부김벌 제어단계(S201), 외부김벌 구동단계(S301), 내부김벌 제어단계(S401) 및 내부김벌 구동단계(S501)는 전술한 본 발명에 의한 이중김벌 제어방법의 제1실시예의 각 단계와 실질적으로 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
이하에서는 본 발명에 의한 이중김벌 제어방법의 제3실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 8은 본 발명에 의한 이중김벌 제어방법의 제3실시예를 보인 흐름도이다.본 실시예의 단계 중 전술한 본 발명에 의한 이중김벌 위치제어 방법의 제1실시예의 각 단계와 동일한 기능에 대하여는 도 5의 도면 부호를 원용하고 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8를 참조하면, 본 실시예는, 외부명령 입력단계(S102), 내부김벌 제어단계(S202), 외부김벌 제어단계(S302), 외부김벌 구동단계(S402)및 내부김벌 구동단계(S502)를 포함한다. 즉, 본 실시예에서는, 전술한 본 발명의 이중김벌 제어방법의 제1실시예의 및 외부김벌 제어단계(S200) 및 내부김벌 제어단계(S300)가, 각각 내부김벌 제어단계(S202) 및 외부김벌 제어단계(S302)로 순서를 변경한 것이다. 본 실시예에 따르더라도, 외부김벌 구동단계(S402)는, 내부김벌 구동단계(S502)보다 앞서서 실행된다. 상기 외부명령 입력단계(S102), 내부김벌 제어단계(S202), 외부김벌 제어단계(S302), 외부김벌 구동단계(S402)및 내부김벌 구동단계(S502)는 전술한 본 발명에 의한 이중김벌 제어방법의 제1실시예의 각 단계와 실질적으로 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
이와 같은 방법에 의하여, 적어도 외부김벌(600)은 내부김벌(700)과 동시에, 또는 외부김벌(600)이 먼저 회전구동되고 그 후 상기 내부김벌(700)은 상기 외부김벌(600)이 회전구동된 후에 회전구동될 수 있다. 또한, 상기 외부김벌(600)이 먼저 회전구동되고, 그 후 상기 내부김벌(700)은 상기 외부김벌(600)의 위치를 추종하여 회전구동될 수도 있는 것이다.
이하에서는, 본 발명에 의한 이중김벌 위치제어방식과 종래의 방식의 성능을 비교하기 위하여 각 방식의 전달함수를 비교하여 특성을 확인한다.
도 9은 종래의 방식에 따른 이중김벌 제어 구조를 보인 블럭도이고, 도 10는 본 발명에 의한 이중김벌 제어방식에 따라 이중김벌 제어 구조를 보인 블럭도이며,도 11은 종래의 방식에 따른 단계계단 응답을 보인 파라미터표이다. 또한 도 12은 본 발명에 의한 이중김벌 제어방식에 따른 단계계단 응답을 보인 파라미터표이고, 도 13는 이중김벌 제어방식 실험을 위하여 입력되는 위치명령 데이터를 보인 파라미터표이며, 도 14은 상기 위치명령 데이터 생성하기 위하여 선정된 속도 데이터를 보인 파라미터표이고, 도 15는 상기 위치명령 데이터 생성하기 위하여 선정된 가속도 데이터를 보인 파라미터표이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 종래의 방식에 따른 내부김벌 위치제어부의 전달함수는 다음식,
[수학식 3]
Figure 112014022013490-pat00001
에 의해 산출될 수 있으며,
종래의 방식에 따른 외부김벌 위치제어부의 전달함수는 다음식,
[수학식 4]
Figure 112014022013490-pat00002
에 의해 산출될 수 있다.
여기서, θCMD는 위치명령(20)이고, θIG는 이중김벌 장착면(65)을 기준으로 한 내부김벌의 각도로써, 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치(41)를 외부김벌위치(21)와 더한 값이다. 또한, θOG는 외부김벌위치(21)이고, TFIG - POS는 내부김벌(700)의 자체 특성에 해당하는 포워드 전달함수 이며, TFOG - POS는 외부김벌(600)의 자체 특성에 해당하는 포워드 전달함수이다. 위치센서(621)(641)(721)(741)는 일반적으로 수백 Hz 이상의 대역폭을 가지므로, '1'로 설정하였다.
[수학식 3] 및 [수학식 4]에서 알 수 있듯이, 위치명령(20)에 대한 내부김벌 위치제어부의 응답은 내부김벌 특성에 의해 정의되고, 위치명령(20)에 대한 외부김벌 위치제어부의 응답은 내부김벌 및 외부김벌의 특성에 의해 정의된다. 또한 내부김벌 대비 외부김벌은 상대적으로 지연을 가지고 응답됨을 알 수 있다.
본 발명에 의한 이중김벌 위치제어 방식에 따른 내부김벌 위치제어부(400)의 전달함수는 다음식,
[수학식 5]
Figure 112014022013490-pat00003
에 의해 산출될 수 있으며,
본 발명에 의한 이중김벌 위치제어 방식에 따른 외부김벌 위치제어부(200)의 전달함수는 다음식,
[수학식 6]
Figure 112014022013490-pat00004

[수학식 5] 및 [수학식 6]을 참조하면, 본 발명에 의한 이중김벌 위치제어 방식에서, 위치명령(20)에 대한 내부김벌 위치제어부(400)의 응답은, 종래의 방식인 내부김벌 선구동방식과 동일하게, 내부김벌 특성에 의해 정의된다. 그러나, 위치명령(20)에 대한 외부김벌 위치제어부의 응답은, 외부김벌의 특성만으로 정의된다. 따라서 본 발명에 의한 이중김벌 위치제어 방식을 종래의 방식과 비교하면, 내부김벌의 위치제어 특성은 동일하고, 외부김벌 위치제어 특성은 향상됨을 알 수 있다. 즉, 종래의 방식과 비교하면, 본 발명에 의한 이중김벌 위치제어 방식은, 외부김벌의 응답속도가 향상되어 가속도가 높은 경우에도 외부김벌(400)과 내부김벌(500)이 충돌되지 않고 안정적으로 구동될 수 있다.
도 11 및 도 12 참조하면, 종래의 방식의 안정성과 본 발명에 의한 이중김벌 위치제어 방식의 안정성을 확인할 수 있다. 이때, 90°에서 단위계단 명령이 인가되었을 때 내부적으로 등각속도 모델로 위치명령(20)을 성형(Shaping)하여 입력하였다. 그리고, 최대속도 및 가속도를 단계적으로 증가시키면서 실험하였다. 더욱 상세하게는, 도13, 도14 및 도15를 참조하면, 90°의 위치명령(20)을 입력하는 경우 도 12와 같이 성형(Shaping)하여 위치명령(20)을 생성하고, 이렇게 생성된 위치명령(20)이 이중김벌 제어장치((10)에 입력된다. 이때 속도 및 가속도는 도 13 및 도 14와 같고, 상기 속도는 상기 가속도를 적분하여 생성하며, 최대속도는 제한한다. 상기 생성된 위치명령(20)은 상기 속도를 적분하여 생성된다. 예를 들면, V2A2 위치명령은, 최대속도 2 rad/s 이고, 가속도는 2 rad/s^2 으로 설정하였다.
실험결과 종래의 방식의 경우, 가속도가 증가되면 이중김벌(50)의 구동이 불안정해지는 반면, 본 발명에 의한 이중김벌 제어 방식의 경우, 가속도가 증가되더라도 이중김벌(50)이 안정적으로 작동됨을 확인할 수 있었다. 즉, 두 방식 모두에서 가속도를 달리(4종류의 등가속도 인가함)하여 이중김벌(50)을 구동한 결과, 본 발명에 의한 이중김벌 제어 방식의 경우 가속도가 높은 경우에도 고속영역에서 등속도 운동을 하여 이중김벌(50)이 안정적으로 구동되었다.
1 : 방위각 2 : 고각
10 : 이중김벌 제어장치
20 : 위치명령 21 : 외부김벌위치
22 : 위치명령과 외부김벌위치 사이의 오차(외부김벌 구동거리)
30 : 외부김벌 구동명령
40 : 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치명령
41 : 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치
42 : 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치명령과 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치 사이의 오차(내부김벌 구동거리)
43 : 내부김벌 각속도명령 44 : 내부김벌 구동명령
50 : 이중김벌
60 : 플랫폼 65: 이중김벌 장착면
100 : 위치명령 입력부
200 : 외부김벌 위치제어부 210 : 외부김벌 위치보상기
220 : 엠프/모터
300 : 코사인 보상부
400 : 내부김벌 위치제어부
500 : 내부김벌 안정화제어부 510 : 내부김벌 각속도보상기
520 : 엠프/모터
600 : 외부김벌
610 : 외부 방위각김벌 611 : 외부 방위각김벌 회전축
620 : 외부 방위각김벌 구동부
621 : 외부 방위각김벌 위치센서 622 : 외부 방위각김벌 구동기
630 : 외부 고각김벌 631 : 외부 고각김벌 회전축
640 : 외부 고각김벌 구동부
641 : 외부 고각김벌 위치센서 642 : 외부 고각김벌 구동기
700 : 내부김벌
710 : 내부 방위각김벌 711 : 내부 방위각김벌 회전축
720 : 내부 방위각김벌 구동부
721 : 내부 방위각김벌 위치센서 722 : 내부 방위각김벌 구동기
730 : 내부 고각김벌 731 : 내부 고각김벌 회전축
740 : 내부 고각김벌 구동부
741 : 내부 고각김벌 위치센서 742 : 내부 고각김벌 구동기
800 : 카메라 810 : 자이로 센서
820 : 방진구

Claims (9)

  1. 이중김벌 제어장치에 있어서:
    위치명령을 입력하는 위치명령 입력부;
    상기 위치명령과 외부김벌위치 사이의 오차를 입력받아 외부김벌을 구동하는 외부김벌 위치제어부;
    상기 오차를 입력받아 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치 명령을 생성하는 코사인 보상부;
    상기 상대위치 명령과 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치 사이의 오차를 입력받아 내부김벌 각속도명령을 생성하는 내부김벌 위치제어부; 및
    상기 내부김벌 각속도명령을 이용하여 내부김벌을 구동하는 내부김벌 안정화제어부;를 포함하며,
    상기 외부김벌이 먼저 구동되고, 상기 내부김벌은 상기 외부김벌이 구동된 후에 구동된 외부김벌의 위치를 추종하여 구동되고,
    상기 코사인 보상부는 상기 위치명령과 외부김벌위치 사이의 오차 중 방위각 오차를 코사인 보상하여 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 이중김벌 제어장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코사인 보상은 다음식,
    코사인 보상 = COS (A+B) 에 의해 산출되되,
    A는 외부김벌 위치센서로부터 측정된 외부김벌 위치이고, B는 내부김벌 위치센서로부터 측정된 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치인 것을 특징으로 하는 이중김벌 제어장치.
  5. 삭제
  6. 이중김벌 제어방법에 있어서,
    위치명령이 입력되는 위치명령 입력단계;
    상기 위치명령과 외부김벌의 위치 사이 오차를 이용하여 외부김벌 구동명령을 생성하는 외부김벌 제어단계;
    상기 외부김벌 구동명령에 따라 외부김벌이 구동되는 외부김벌 구동단계;
    상기 오차를 이용하여 내부김벌 구동명령을 생성하는 내부김벌 제어단계; 및
    상기 내부김벌 구동명령에 따라 내부김벌을 구동하는 내부김벌 구동단계;를 포함하며,
    상기 외부김벌이 먼저 구동되고, 상기 내부김벌은 상기 외부김벌이 구동된 후에 구동된 외부김벌의 위치를 추종하여 구동되고,
    상기 내부김벌 제어단계는 코사인 보상부를 이용하여 상기 위치명령과 외부김벌위치 사이의 오차 중 방위각 오차를 코사인 보상하여 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 이중김벌 제어방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 내부김벌 제어단계는,
    상기 오차 중 방위각 오차를 코사인 보상하여, 외부김벌 대비 내부김벌의 상대위치명령을 생성하는 코사인 보상단계;
    상기 상대위치명령을 이용하여 내부김벌 각속도명령을 생성하는 내부김벌 제어단계; 및
    상기 내부김벌 각속도명령을 재조정하여 내부김벌 구동명령을 생성하는 내부김벌 안정화 제어단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중김벌 제어방법.

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JP2008244893A (ja) 2007-03-27 2008-10-09 Nec Corp 撮像空間安定化装置及び被写体追尾装置
KR101368846B1 (ko) 2013-04-26 2014-03-05 국방과학연구소 정렬오차 허용치 산출 항공기 탑재용 촬영 장치 및 이의 정렬오차 허용치 산출방법

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