KR101567770B1 - 도수 운반형 포 발사체의 실시간 자세 결정을 위한 디지털 가늠자 - Google Patents

도수 운반형 포 발사체의 실시간 자세 결정을 위한 디지털 가늠자 Download PDF

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장석원
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최재건
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Abstract

본 발명은 도수 운반형 포 발사체의 사격 방향에 대한 정보를 제공하는 디지털 가늠자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 2 개의 가속도계와 1 개의 자이로스코프를 이용하여 포 발사체 포신의 자세(포탄 재발사 방향)를 실시간으로 결정할 수 있는 저가형 디지털 가늠자에 관한 것이다.
본 발명에 의한 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자의 일 실시 예는, 제 1 가속도계; 상기 제 1 가속도계와 직각으로 배치되는 제 2 가속도계; 상기 제 1 및 제 2 가속도 계와 직각으로 배치되는 자이로스코프; 및 상기 제 1 및 제 2 가속도계와 자이로스코프를 이용하여 포탄을 발사한 방향으로부터 포탄을 재발사하는 방향을 연산하여 표시하는 제어부; 를 포함할 수 있다.

Description

도수 운반형 포 발사체의 실시간 자세 결정을 위한 디지털 가늠자{DIGITAL SIGHT AND CONTROLLING METHOD FOR REAL TIME ATTITUDE DETERMINATION OF HAND CARRIED MORTAR}
본 발명은 도수 운반형 포 발사체의 사격 방향에 대한 정보를 제공하는 디지털 가늠자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 2 개의 가속도계와 1 개의 자이로스코프를 이용하여 포 발사체 포신의 자세(포탄 재발사 방향)를 실시간으로 결정할 수 있는 저가형 디지털 가늠자에 관한 것이다.
박격포와 같은 도수 운반형 포 발사체의 일반적인 포 발사 방법은, 초탄 발사단계 및 수정 사격단계를 거치게 된다. 우선, 상기 초탄 발사단계에서는, 초기 자세인 방위각 및 고각을 알아내는 장비가 필요하며, 상기 수정 사격단계에서는, 수정 사격을 위하여 초탄 발사 방향으로부터 포의 자세 변화를 알아낼 수 있는 장비가 필요하다. 상기 초기 자세인 방위각 및 고각을 결정하기 위해서는 나침반이 이용되고, 상기 수정 사격을 위해서는 겨냥대가 이용된다.
이때, 상기 수정 사격을 위한 겨냥대는, 병사가 지표 면에 상기 겨냥대를 세운 후 목측에 의하여 방향을 정하게 되므로, 정확도를 얻기 어려울 뿐만 아니라 언덕 등의 지형에 영향을 받으며 계절적으로 지반이 얼어 있는 겨울에 겨냥대를 세우는데 어려움이 있으며 나아가 지반이 겨냥대를 애초부터 세울 수 없는 구조일 경우 포 사격을 할 수 없는 등의 문제점이 있다.
근래에는, 포 사격의 정확도를 향상시키고 병사에게 편리성을 제공하기 위하여, 첨단 장비인 관성 센서(3개의 자이로스코프 및 3 개의 가속도계)를 이용하고 있다. 더욱 상세하게는, 상기 관성 센서를 이용한 디지털 가늠자는 3 개의 자이로스코프 및 상기 3 개의 가속도계가 서로 직각 구조를 이루며 배치되어 방위각 및 고각을 측정한다. 그러나, 상기 관성 센서를 이용한 가늠자는 매우 고가이며, 무게와 부피가 박격포와 같은 도수 운반형 포 발사체에는 부적합하다는 문제점이 있다.
따라서, 상기 자이로스코프 및 가속도계를 최소한으로 사용하는 저가형 디지털 가늠자가 필요하다.
KR 1206601 B1
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서, 도수 운반형 포 발사체의 겨냥대를 대체할 수 있도록 2 개의 가속도계와 1 개의 자이로스코프를 이용한 저가의 디지털 가늠자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자의 일 실시 예는, 제 1 가속도계; 상기 제 1 가속도계와 직각으로 배치되는 제 2 가속도계; 상기 제 1 및 제 2 가속도 계와 직각으로 배치되는 자이로스코프; 및 상기 제 1 및 제 2 가속도계와 자이로스코프를 이용하여 포탄을 발사한 방향으로부터 포탄을 재발사하는 방향을 연산하여 표시하는 제어부; 를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제 1 및 제 2 가속도계는, 포탄을 발사하는 경우 지면에 고정된 포 발사체의 일단을 중심으로 회전 이동하는 포 발사체의 가속도를 측정할 수 있다.
또한, 상기 자이로스코프는, 포탄을 발사하는 경우 포 발사체의 가속도를 측정하는 상기 제 1 및 제 2 가속도계가 상기 제이로스코프와 직각 구조를 유지하도록 이용될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 측정된 포 발사체의 가속도를 이용하여 상기 포 발사체의 회전 이동량을 연산함으로써, 상기 포탄 재발사 방향을 연산할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 포 발사체에 작용하는 중력과 고주파 잡음 및 충격에 의한 선형 가속도을 이용하여 상기 포 발사체의 회전 이동량을 연산함으로써, 상기 포탄 재발사 방향을 연산할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 자이로 신호 처리 보드, 제 1 가속도계 신호 처리 보드, 제 2 가속도계 신호 처리 보드, 유무선 통신 보드, 안테나 및 중앙 처리 보드를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 포 발사체의 가속도(A)는 다음 식에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112015062118301-pat00001
Figure 112015062118301-pat00002
Figure 112015062118301-pat00003
Figure 112015062118301-pat00004
이때, 상기 A 는 A=[ax, ay, az]T 로 표현되는 상기 포 발사체의 가속도 벡터이다.
또한, 상기 측정된 포 발사체의 가속도를 이용하여 연산된 상기 포 발사체의 회전 이동량은 다음 식에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112015062118301-pat00005
Figure 112015062118301-pat00006
Figure 112015062118301-pat00007
본 발명에 의한 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자에 의하면, 박격포와 같은 도수 운반형 포 발사체의 수정 사격 시, 포 발사 정확도를 향상시키고 조작이 편리한 디지털 가늠자를 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 의한 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자를 보인 사시도.
도 2 는 본 발명에 의한 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자를 보인 분해도.
도 3 은 본 발명에 의한 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자의 해석을 위한 좌표계의 개념도.
도 4 는 본 발명에 의한 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자의 자세 계산을 보인 흐름도.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 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 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자의 일 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1 은 본 발명에 의한 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자를 보인 사시도이고, 도 2 는 본 발명에 의한 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자를 보인 분해도이며, 도 3 은 본 발명에 의한 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자의 해석을 위한 좌표계의 개념도이고, 도 4 는 본 발명에 의한 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자의 자세 계산을 보인 흐름도이다.
도 1 내지 도 4 를 참조하면, 본 발명에 의한 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자의 일 실시 예는, 제 1 가속도계(100), 제 2 가속도계(200), 자이로스코프(300) 및 제어부(400)를 포함할 수 있다.
상기 제 1 가속도계(100)는, 상기 제 2 가속도계(200)와 직각으로 배치된다. 더욱 상세하게는, 상기 제 1 가속도계(100)는, 상기 제 2 가속도계(200)와 직각으로 배치되어, 포탄을 발사하는 경우 지면에 고정된 포 발사체(10)의 일단(11)을 중심으로 회전 이동하는 포 발사체의 가속도(12)를 측정할 수 있다. 즉, 상기 제 1 가속도계(100)는, 상기 제 2 가속도계(200)와 직각으로 배치되어, 포탄을 발사하는 경우 지면에 고정된 포 발사체(10)의 일단(11)을 중심으로 회전 이동하는 포 발사체에 장착되는 본 발명에 의한 디지털 가늠자(1)의 가속도(12)를 측정할 수 있는 것이다. 여기서, 상기 포 발사체의 일단(11)은, xyz 이동 좌표계(30)의 원점(31)에 위치할 수 있다.
상기 제 2 가속도계(200)는, 상기 제 1 가속도계(100)와 직각으로 배치된다. 더욱 상세하게는, 상기 제 2 가속도계(200)는, 상기 제 1 가속도계(100)와 직각으로 배치되어, 포탄을 발사하는 경우 지면에 고정된 포 발사체(10)의 일단(11)을 중심으로 회전 이동하는 포 발사체의 가속도(12)를 측정할 수 있다. 즉, 상기 제 2 가속도계(200)는, 상기 제 1 가속도계(100)와 직각으로 배치되어, 포탄을 발사하는 경우 지면에 고정된 포 발사체(10)의 일단(11)을 중심으로 회전 이동하는 포 발사체에 장착되는 본 발명에 의한 디지털 가늠자(1)의 가속도(12)를 측정할 수 있는 것이 다. 여기서, 상기 포 발사체의 일단(11)은, xyz 이동 좌표계(30)의 원점(31)에 위치할 수 있다. 또한, 여기서, 도 3 을 참조하면, 상기 제 1 가속도계(100) 및 제 2 가속도계(200)가 서로 직각으로 배치되어 형성되는 면(x(ax)-y(ay)면)은 이동 좌표계(30) 기준 본 발명에 의한 디지털 가늠자의 위치 벡터(r)(50)에 수직인 면일 수 있다.
상기 자이로스코프(300)는, 상기 제 1 가속도계(100) 및 제 2 가속도계(200)와 직각으로 배치된다. 더욱 상세하게는, 상기 자이로스코프(300)는, 포탄을 발사하는 경우 포 발사체의 가속도(12)를 측정하는 상기 제 1 가속도계(100) 및 제 2 가속도계(200)가 상기 자이로스코프(300)와 직각 구조를 유지하도록 이용될 수 있다. 즉, 포탄이 발사될 때 회전 이동되는 상기 포 발사체의 가속도(12)를 이용하여 상기 포 발사체의 회전 이동량(13)을 연산하는 경우, 상기 자이로스코프(300)의 도움을 받음으로써 상기 제 1 가속도계(100) 및 제 2 가속도계(200)와 상기 자이로스코프(300)가 직각 구조를 유지할 수 있게 하는 것이다.
상기 제어부(400)는, 상기 제 1 가속도계(100) 및 제 2 가속도계(200)와 자이로스코프(300)를 이용하여 포탄을 발사한 방향(2)으로부터 포탄을 재발사하는 방향(3)을 연산하여 표시한다. 더욱 상세하게는, 상기 제어부(400)는, 포탄이 발사되는 경우, 자이로스코프(300)의 도움으로 상기 자이로스코프(300)와 직각 구조를 유지하는 상기 제 1 가속도계(100) 및 제 2 가속도계(200)가 측정한 포 발사체의 가속도(12), 즉, 포 발사체에 장착되는 본 발명에 의한 디지털 가늠자(1)의 가속도를 이용하여 상기 포 발사체의 회전 이동량(13)을 연산함으로써, 상기 포탄 재발사 방향(3)을 연산할 수 있다. 이때, 상기 제어부(400)는, 상기 포 발사체(10), 즉, 상기 포 발사체에 장착되는 본 발명에 의한 디지털 가늠자(1)에 작용하는 중력과 고주파 잡음 및 충격에 의한 선형 가속도을 이용하여 상기 포 발사체의 회전 이동량(13)을 연산함으로써, 상기 포탄 재발사 방향(3)을 연산할 수 있다.
여기서, 상기 제어부(400)는, 자이로 신호 처리 보드(410), 제 1 가속도계 신호 처리 보드(420), 제 2 가속도계 신호 처리 보드(430), 유무선 통신 보드(440), 안테나(450) 및 중앙 처리 보드(460)를 포함할 수 있다.
상기 자이로 신호 처리 보드(410)에는, 상기 자이로스코프(300)가 장착되되, 상기 자이로스코프(300)는 상기 제 1 가속도계(100) 및 제 2 가속도계(200)와 직각이 되도록 장착될 수 있다. 상기 제 1 가속도계 신호 처리 보드(420)에는, 상기 제 1 가속도계(100)가 장착되되, 상기 제 2 가속도계(200)와 직각이 되도록 장착될 수 있다. 상기 제 2 가속도계 신호 처리 보드(430)에는, 상기 제 2 가속도계(200)가 장착되되, 상기 제 1 가속도계(100)와 직각이 되도록 장착될 수 있다. 상기 유무선 통신 보드(440)는, 상기 안테나(450)를 이용하여 외부와 통신할 수 있다. 상기 안테나(450)는, 상기 유무선 통신 보드(440)가 외부와 통신하도록 할 수 있다. 상기 중앙 처리 보드(460)는, 포탄이 발사되는 경우, 자이로스코프(300)의 도움으로 상기 자이로스코프(300)와 직각 구조를 유지하는 상기 제 1 가속도계(100) 및 제 2 가속도계(200)가 측정한 포 발사체의 가속도(12)를 이용하여 상기 포 발사체의 회전 이동량(13)을 연산함으로써, 상기 포탄 재발사 방향(3)을 연산할 수 있다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자의 일 실시 예를 이용한 포탄 재발사 방향(3)을 연산하는 과정을 보다 상세하게 설명한다.
도 2 를 참조하면, XYZ 좌표계(20)는, 원점 O(21) 를 중심으로 고정 좌표계(Fixed frame) 이고, xyz 좌표계(30)는, 원점 o(31) 를 회전 중심으로 하는 이동 좌표계(Moving frame)이다. 또한, 벡터 R(40)은, XYZ 고정 좌표계(20)의 원점(21)을 기준으로 xyz 이동 좌표계(30)의 위치 벡터이다. 또한, 벡터 r(50)은, xyz 이동 좌표계(30)의 원점(31)을 기준으로 본 발명에 의한 디지털 가늠자(1)의 위치 벡터이다. 또한, 벡터 w(60)는, xyz 이동 좌표계(30)의 회전 벡터이다.
이때, 상기 XYZ 고정 좌표계(20)에 대한 본 발명에 의한 디지털 가늠자(1)에서의 가속도(A)(12)는, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015062118301-pat00008
여기서, 상기 A(12)는 A=[ax, ay, az]T 로 표현되는 상기 포 발사체의 가속도 벡터이고, 상기 w(60)는 w=[wx, wy, wz]T 로 표현되는 포 발사체의 이동 좌표계 회전 벡터이며, 상기 r(50)은 r=[rx, ry, rz]T 로 표현되는 포 발사체의 이동 좌표계에서 본 발명에 의한 디지털 가늠자의 위치 벡터이고, 상기 g 는 g=[gx, gy, gz]T 로 표현되는 중력 벡터(중력 가속도)이다.
이때, 포 발사체(박격포)는 이동되지 않고, 본 발명에 의한 디지털 가늠자(1)는 xyz 이동 좌표계(30)에 고정되어 있으므로, d2R/dt2, d2r/dt2 및 dr/dt 는 존재하지 않게 된다. 그렇다면, 상기 [수학식 1]은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015062118301-pat00009
상기 [수학식 2]를 보다 상세하게 쓰면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112015062118301-pat00010
상기 [수학식 3] 을 보다 상세하게 쓰면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112015062118301-pat00011
만약, 상기 [수학식 4]에서, 다음 식을 만족하는 C 가 존재하다면, 상기 제 1 가속도계(100) 및 제 2 가속도계(200)에 의해 측정되는 가속도를 이용하여 각가속도를 연산할 수 있고, 상기 각가속도를 적분하여 상기 포 발사체에 장착되는 본 발명에 의한 디지털 가늠자의 각속도를 구할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112015062118301-pat00012
그런데, 상기 [수학식 5]를 만족시키기 위한 상기 C는 제 1 및 제 2 가속도계의 직각 구조를 배제할 수 있다. 이는 기존의 일반적인 직각구조로 설계된 제품을 이용할 수 없다는 단점을 가지게 된다.
상기 [수학식 4] 를 풀어쓰면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112015062118301-pat00013
Figure 112015062118301-pat00014
Figure 112015062118301-pat00015
여기서, 상기 ax, ay, az 는 포 발사체의 가속도(A)(12) 벡터의 각 벡터 성분이고, 상기 g 는 중력 가속도이며, 상기 는 포 발사체의 피치각이고, 상기 r(감마)는 포 발사체의 롤각이다.
이때, 만약 상기 자이로스코프(300)를 이용하여 한 축, 예를 들면, wz 를 측정할 수 있으므로, 상기 [수학식 6]의 첫 번째 식과 두 번째 식을 다시 쓰면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112015062118301-pat00016
Figure 112015062118301-pat00017
상기 [수학식 7]에서, 상기 wz 관련 항들이 측정되므로, 상기 [수학식 7]의 우변의 초기 값를 안다면, wx, wy 를 구할 수 있다. 즉, 다음 식을 이용하여 포 발사체 포신의 자세를 알 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112015062118301-pat00018
Figure 112015062118301-pat00019
Figure 112015062118301-pat00020
여기서, 상기
Figure 112015062118301-pat00021
는 포 발사체의 현재 피치 각이고, 상기
Figure 112015062118301-pat00022
는 포 발사체의 현재 롤 각이며, 상기
Figure 112015062118301-pat00023
는 포 발사체의 현재 요 각이다. 또한, 상기 는 포 발사체의 초기 피치 각이고, 상기 r(감마)는 포 발사체의 초기 롤 각이며, 상기 는 포 발사체의 초기 요 각이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능하고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
1 : 본 발명에 의한 디지털 가늠자
2 : 포탄을 발사한 방향 3 : 포탄을 재발사하는 방향
10 : 포 발사체 11 : 포 발사체의 일단
12 : 포 발사체의 가속도 13 : 포 발사체의 회전 이동량
20 : XYZ 좌표계(고정 좌표계) 21 : XYZ 좌표계의 중심(O)
30 : xyz 좌표계(이동 좌표계) 31 : xyz 좌표계의 중심(o)
40 : 고정 좌표계 기준 이동 좌표계의 위치 벡터(R)
50 : 이동 좌표계 기준 본 발명에 의한 디지털 가늠자의 위치 벡터(r)
60 : 이동 좌표계의 회전 벡터(w)
70 : 본 발명에 의한 디지털 가늠자의 센서 축 배열
80 : 중력 계산 81 : 각속도 비선형 함수 되먹임
82 : 댐핑을 위한 되먹임 이득 83 : 고유 되먹임 상수
100 : 제 1 가속도계 200 : 제 2 가속도계
300 : 자이로스코프 400 : 제어부
410 : 자이로 신호 처리 보드
420 : 제 1가속도계 신호 처리 보드
430 : 제 2 가속도계 신호 처리 보드 440 : 유무선 통신 보드
450 : 안테나 460 : 중앙 처리 보드

Claims (6)

  1. 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자에 있어서,
    제 1 가속도계;
    상기 제 1 가속도계와 직각으로 배치되는 제 2 가속도계;
    상기 제 1 및 제 2 가속도 계와 직각으로 배치되는 자이로스코프; 및
    상기 제 1 및 제 2 가속도계와 자이로스코프를 이용하여 포탄을 발사한 방향으로부터 포탄을 재발사하는 방향을 연산하여 표시하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 가속도계는,
    포탄을 발사하는 경우 지면에 고정된 포 발사체의 일단을 중심으로 회전 이동하는 포 발사체의 가속도를 측정하는 것을 특징으로 하는 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자이로스코프는,
    포탄을 발사하는 경우 포 발사체의 가속도를 측정하는 상기 제 1 및 제 2 가속도계가 상기 자이로스코프와 직각 구조를 유지하도록 이용되는 것을 특징으로 하는 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 측정된 포 발사체의 가속도를 이용하여 상기 포 발사체의 회전 이동량을 연산함으로써, 상기 포탄 재발사 방향을 연산하는 것을 특징으로 하는 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 포 발사체에 작용하는 중력과 고주파 잡음 및 충격에 의한 선형 가속도을 이용하여 상기 포 발사체의 회전 이동량을 연산함으로써, 상기 포탄 재발사 방향을 연산하는 것을 특징으로 하는 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    자이로 신호 처리 보드, 제 1 가속도계 신호 처리 보드, 제 2 가속도계 신호 처리 보드, 유무선 통신 보드, 안테나 및 중앙 처리 보드를 포함하는 것을 특징으로 하는 도수 운반형 포 발사체의 사격을 위한 디지털 가늠자.
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