KR101695524B1 - 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

비행체의 자세 제어를 위해 탑재되는 제어모멘트자이로(Control Moment Gyroscope) 클러스터를 제어하는 장치가 제공된다. 상기 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치는, 제어모멘트자이로 클러스터를 구성하는 적어도 하나의 제어모멘트자이로의 휠 회전에 따른 각 운동량 및 김벌모터의 각속도를 이용하여, 비행체의 자세 제어를 위한 토크 신호를 발생시키는 토크 발생부, 및 상기 김벌모터의 각속도에 영운동 제어 신호 및 디더제어 신호를 포함하는 제어루프를 적용하는 제어부 부를 포함할 수 있다.

Description

제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING CLUSTER OF CONTROL MOMENT GYROSCOPE}
제어모멘트자이로 클러스터를 제어하는 기술에 연관되며, 보다 특정하게는 인공위성의 자세 제어를 위해 제어모멘트자이로를 탑재하는 경우 발생하는 특이점에 대한 회피 제어를 수행하는 장치 및 방법에 연관된다.
일반적으로, 인공위성에 대한 모멘텀 교환장치의 역할을 수행하는 주구동기로 반작용 휠, 모멘텀 휠, 제어모멘트자이로(Control Moment Gyroscope, 이하 CMG) 등이 이용된다. 이 중에서, 제어모멘트자이로는 토크 증폭 특성이 가장 뛰어나, 입력토크에 필요한 적은 양의 소비전력으로도 고토크를 발생시킬 수 있으며, 이로 인해 인공위성의 민첩성을 향상시킬 수 있다.
이러한 제어모멘트자이로(CMG)의 클러스터를 인공위성의 자세제어에 이용하는 경우, 민첩하게 인공위성의 자세를 변화시켜 여러 지역을 관측할 수 있도록 하거나 동일 지역을 앞뒤에서 관측하여 스테레오 영상을 획득함으로써 고품질의 영상을 생성할 수도 있다.
다만, 제어모멘트자이로 클러스터를 이용하여 인공위성의 자세제어를 수행하는 과정에서, 제어모멘트자이로가 원하는 토크 방향으로 더 이상 토크를 발생시키지 못하는 특이점 상태가 발생할 수 있으며, 이는 인공위성의 기동 성능을 저하시키는 요인이 되기도 한다.
일측에 따르면, 제어모멘트자이로 클러스터를 구성하는 적어도 하나의 제어모멘트자이로의 휠 회전에 따른 각 운동량 및 김벌모터의 각속도를 이용하여, 비행체의 자세 제어를 위한 토크 신호를 발생시키는 토크 발생부, 및 상기 김벌모터의 각속도에 영운동 제어 신호 및 디더제어 신호를 포함하는 제어루프를 적용하는 제어부를 포함하는 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치가 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 토크 신호에 대응한 상기 비행체의 자세 제어와 연관하여, 상기 비행체의 회전각 및 각속도 중 적어도 하나의 오차를 계산하는 계산부를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 오차가 미리 지정된 제1 임계치 이상인 경우, 상기 제어루프에서 상기 디더제어 신호에 연관되는 제1 계수를 상기 영운동 제어 신호에 연관되는 제2 계수보다 높게 설정하고, 상기 오차가 미리 지정된 제1 임계치 미만인 경우, 상기 제어루프에서 상기 제2 계수를 상기 제1 계수보다 높게 설정할 수 있다.
또한, 상기 오차가 미리 지정된 제1 임계치 미만인 경우, 상기 제1 계수는 0일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 디더제어 신호는, 삼각파형, 톱니파형, 사각파형, 사다리꼴 파형, 정현파형 중 적어도 하나의 주기성을 가지는 신호일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 제어루프는, 적어도 하나의 제어모멘트자이로에 대한 내부 제어루프 및 외부 제어루프 중 적어도 하나일 수 있다.
다른 일측에 따르면, 제어모멘트자이로 클러스터를 구성하는 적어도 하나의 제어모멘트자이로의 휠 회전에 따른 각 운동량 및 김벌모터의 각속도를 이용하여, 비행체의 자세 제어를 위한 토크 신호를 발생시키는 단계, 및 상기 김벌모터의 각속도에 영운동 제어 신호 및 디더제어 신호를 포함하는 제어루프를 적용하는 단계를 포함하는 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 방법이 제공된다.
일실시예에 따르면, 상기 디더제어 신호는, 삼각파형, 톱니파형, 사각파형, 사다리꼴 파형, 정현파형 중 적어도 하나의 주기성을 가지는 신호일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 제어루프를 적용하는 단계는, 상기 토크 신호에 대응한 상기 비행체의 자세 제어와 연관하여, 상기 비행체의 회전각 및 각속도 중 적어도 하나의 오차를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 오차가 미리 지정된 제1 임계치 이상인 경우, 상기 제어루프에서 상기 디더제어 신호에 연관되는 제1 계수를 상기 영운동 제어 신호에 연관되는 제2 계수보다 높게 설정하고, 상기 오차가 미리 지정된 제1 임계치 미만인 경우, 상기 제어루프에서 상기 제2 계수를 상기 제1 계수보다 높게 설정할 수 있다.
또한, 상기 오차가 미리 지정된 제1 임계치 미만인 경우, 상기 제1 계수는 0일 수 있다.
도 1은 제어모멘트자이로 클러스터를 이용한 비행체의 자세 제어 방식을 설명하는 개념도이다.
도 2는 일실시예에 따른 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치를 도시하는 블록도이다.
도 3은 일실시예에 따른 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 과정에서의 오차 판단에 대한 알고리즘을 설명하는 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 디더제어 방식을 적용하지 않은 일반적인 제어장치의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 일실시예에 따라 내부제어루프에 디더제어 방식을 적용한 제어 장치의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 일실시예에 따라 내부제어루프 및 외부제어루프에 영운동제어 및 디더제어 방식을 적용한 제어 장치의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 일실시예에 따른 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 방법을 도시하는 흐름도이다.
이하에서, 일부 실시예들을, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다.
또한 특정한 경우는 이해를 돕거나 및/또는 설명의 편의를 위해 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
도 1은 제어모멘트자이로 클러스터를 이용한 비행체의 자세 제어 방식을 설명하는 개념도이다.
제어모멘트자이로(CMG)는 특정한 속도로 회전하는 휠(Flywheel)과 그 축에 직교하는 김벌(Gimbal)축을 이용하여 동작한다. 보다 구체적으로, 제어모멘트자이로의 휠은 일정한 속도로 회전하여 일정한 각운동량(h)을 가지는데, 이 회전축에 직교하는 김벌축으로 김벌모터를 각속도
Figure 112014123280386-pat00001
로 회전시킴으로써, 두 축에 직교하는 축으로 자이로스코픽 원리에 의한 토크(
Figure 112014123280386-pat00002
)가 발생한다.
도 1에서는, 이러한 제어모멘트자이로 4개를 피라미드 구조로 배치한 일반적인 형태의 제어모멘트자이로 클러스터를 도시하고 있다.
도 1에서와 같이, 제어모멘트자이로 4개로 이루어진 클러스터(CMG #1 내지 #4)를 이용하는 경우, 위성의 기준좌표계(Spacecraft Reference Axis)로 3축 고기동 자세제어가 가능해지지만, 원하는 방향으로 토크를 계속적으로 발생시키지 못하는 특이점 상태가 발생하기도 한다.
이러한 특이점 상태를 회피하기 위해, 제어모멘트자이로의 제어과정에 디더제어(Dither Control) 방식을 적용해볼 수 있다.
디더제어 방식은 1960-70년대 제어 방법으로, 비선형 시스템에서 시스템의 성능저하 및 불안정성을 완화시키고, 시스템의 선형성을 증가시키기 위해 고안한 방법이다.
디더제어의 기본 원리는, 비선형적 입력신호에 적절한 고주파수 신호(high frequency signal)를 추가하는 경우, 평균 입력-출력 관계가 평활화(smooth) 되는 데 있다. 이를 위해, 비선형적 특성을 갖는 입력신호에 삼각파형, 톱니파형, 사각파형, 사다리꼴 파형, 정현 파형 등의 주기성을 갖는 신호를 추가 입력할 수 있다.
제어모멘트자이로 클러스터 제어 과정에서 특이점 상태에 빠지는 경우, 원하는 축으로 토크를 발생시키지 못하는 문제점이 있으나, 디더제어를 통해 다른 축으로 미세한 외란토크 발생 효과를 주어 김벌각을 조절함으로써, 특이점을 회피할 수 있게 된다.
일반적으로, 제어모멘트자이로 기반 위성의 3축 자세제어기는 외부제어루프(Outer Loop)로서 피드백 제어기가 있다. 위성에 대한 제어 입력토크(u)는 PID 제어, 리아프노프 피드백 제어(Lyapunov Feedback Control)등의 로직으로 구성될 수 있는데, 제어모멘트자이로를 장착한 위성의 운동방정식은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014123280386-pat00003
상기 제어입력토크(u)는 제어모멘트자이로 구동법칙에서 김벌각속도 벡터(Gimbal Rate,
Figure 112014123280386-pat00004
)를 명령함으로써, 구현될 수 있다. 이에 따라, 제어모멘트자이로의 모멘텀 변화율, 즉 제어모멘트자이로가 발생하는 토크(
Figure 112014123280386-pat00005
)는 식을 변형하여 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014123280386-pat00006
여기에, 쿼터니언 자세오차 벡터인 e = [e1 e2 e3]T를 적용하면, 제어입력토크 u는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014123280386-pat00007
수학식 3과 같이 제어기를 설계하면, 자이로스코픽 토크항(
Figure 112014123280386-pat00008
)을 서로 상쇄시켜 줄 수 있게 된다. 그리고, 여기서 K, C는 적당하게 결정되어야 하는 제어기 이득의 항으로 볼 수 있다.
제어모멘트자이로 구동방식에 관해서는 이미 많은 연구가 이루어졌는데, 기존 방식 중 영운동(Null-Motion)을 이용하거나 특이점에서 머무르게 하기 위한 특이점 강건역(Singularity Robustness Inverse) 방법을 대표적으로 들 수 있다.
이 중, 최소 에너지로 구동하는 'Moore-Penrose Pseudoinverse' 구동방식의 경우, 도 4에 제시된 것처럼 4개의 CMG 클러스터에 적용하면 토크명령
Figure 112014123280386-pat00009
이 5.5초 동안 주어진다 해도 실제 4-CMG 클러스터는 동일한 토크를 약 1초 동안만 출력한다. 또한, 특정 시간구간 이후에는 토크를 더 이상 발생시키지 못하므로, 위성의 기동성이 현저하게 떨어질 수 밖에 없다. 다시 말해, 'Moore-Penrose Pseudoinverse' 구동방식에서는 내부특이점 상태 발생으로 인해, 일정한 토크 명령을 오랜 시간동안 지속적으로 줄 수 없다.
특이점 강건역 방법의 경우, 특이점을 회피하기 위해 제안된 방법으로, 0에 가까운 정해진 임계값(
Figure 112014123280386-pat00010
) 보다 m = det(JJT)이 더 작으면 k를 증가시키거나, 특이점에 가까이 갈수록 k를 급속히 증가시켜 실질적으로 원하는 토크에 해당되는 김벌각속도(
Figure 112014123280386-pat00011
)가 아닌 다른 값을 정하고자 하였다. 그러나, 이 구동방식의 경우에도, 특이점에 도달하면
Figure 112014123280386-pat00012
이 되어 실질적으로 제어모멘트자이로의 특이점을 피하는 데 효과가 없다.
이러한 문제점을 보완하고자 제안된 일반화된 특이점 강건역 방법에서는, 특이방향과 원하는 토크 방향(τ)이 일치하여 특이점에서 머무르며 김벌각속도가 0이 되는 상태(
Figure 112014123280386-pat00013
)를 회피(Singularity Avoidance)하면서도 원하는 토크 방향(τ)에 접근하기 위해, 아래 수학식 4와 같이 디더제어(Dither Control) 방식을 적용하였다.
Figure 112014123280386-pat00014
수학식 4에서는, 대각외(Off-Diagonal)항에 디더제어의 개념을 적용하여
Figure 112014123280386-pat00015
를 추가하였다.
그러나, 일반화된 특이점 강건역 방법을 이용하는 경우에도, 특이점 상태에서 벗어나더라도 토크 에러가 발생하는 문제점이 발생한다. 다시 말해, 일반화된 특이점 강건역 방법은 특이점을 회피하는 과정에서 원하는 토크벡터 방향과 다른 방향의 토크를 발생시키는 김벌각속도를 추가하는 방식으로 볼 수 있다. 이 경우, 설계자가 입력해야 할 변수는
Figure 112014123280386-pat00016
인데, 이 값들이 클수록 토크 에러는 크지만 최대 김벌각속도는 작아지게 된다.
따라서, 인공위성의 자세 제어를 위해 제어모멘트자이로를 탑재하는 경우, 토크 증폭 특성을 이용하면서도, 특이점 상태 회피 및 이에 대한 반복성을 보장하기 위한 개선방안이 요구된다.
도 2는 일실시예에 따른 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치를 도시하는 블록도이다.
상기 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치(200)는 토크 발생부(210) 및 제어부(220)를 포함할 수 있다.
상기 토크 발생부(210)는 제어모멘트자이로 클러스터를 구성하는 적어도 하나의 제어모멘트자이로의 휠 회전에 따른 각 운동량 및 김벌모터의 각속도를 이용하여 비행체의 자세 제어를 위한 토크 신호를 발생시킬 수 있다.
상기 제어부(220)는 상기 김벌모터의 각속도에 영운동 제어 신호 및 디더제어 신호를 포함하는 제어루프를 적용할 수 있다.
여기서, 상기 디더제어 신호는 삼각파형, 톱니파형, 사각파형, 사다리꼴파형, 정현파형 중 적어도 하나의 주기성을 가지는 신호일 수 있다.
또한, 상기 제어루프는 상기 적어도 하나의 제어모멘트자이로에 대한 내부 제어루프 및 외부 제어루프 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 제어부(220)는 상기 토크 발생부(210)에서 생성한 토크 신호에 대응한 상기 비행체의 자세 제어와 연관하여, 상기 비행체의 회전각 및 각속도 중 적어도 하나의 오차를 계산하는 계산부를 포함할 수 있다.
상기 제어부(220)는, 상기 계산부의 오차 계산 결과에 따라 상기 김벌모터의 각속도에 적용되는 상기 제어루프를 각기 다른 방식으로 구성할 수 있다.
만약, 상기 오차 계산 결과, 상기 오차가 미리 지정된 제1 임계치 이상이라면, 상기 제어부(220)는 상기 제어루프에서 디더제어 신호에 연관되는 제1 계수를, 영운동 제어 신호에 연관되는 제2 계수보다 높게 설정할 수 있다.
상기 오차가 제1 임계치 이상인 경우, 디더제어 신호에 대한 가중치를 (영운동제어 신호의 가중치보다)높여, 김벌각속도 제어 시 디더제어 알고리즘이 반영되도록 한다.
반면에, 상기 오차 계산 결과, 상기 오차가 제1 임계치 미만이라면, 상기 제어부(220)는 상기 제어루프에서 상기 영운동 제어 신호에 연관되는 제2 계수를, 상기 디더제어 신호에 연관되는 제1 계수보다 높게 설정할 수 있다.
상기 오차가 제1 임계치 미만인 경우, 디더제어 신호에 연관되는 제1 계수는 0으로 설정하고, 영운동제어 신호에 대한 가중치를 높여, 상기 토크 신호에 영운동 제어 알고리즘이 반영되도록 한다.
비행체의 자세 제어를 위해 제어모멘트자이로 클러스터를 탑재하는 경우, 외부제어루프를 통해 입력되는 제어 토크신호는 수학식 5와 같이 유도될 수 있다.
Figure 112014123280386-pat00017
여기서, IS /C는 비행체의 관성모멘트(Moment of Inertia) 값이다. 이 중 첫째 항의 IS/C 값에 디더제어 방식을 적용하면, 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014123280386-pat00018
여기서,
Figure 112014123280386-pat00019
로, 정현파(Sinusoidal Wave) 형태의 디더제어 신호를 적용한 것으로 정의할 수 있으며, 이는 사각파 등의 다양한 형태로 변경하여 적용 가능하다.
디더제어에서 사용자가 정할 수 있는
Figure 112014123280386-pat00020
를 너무 큰 값으로 적용하면, 외부제어루프에 원하지 않는 외란 요소가 발생할 수 있어, 원하는 기동각에 수렴하지 않을 수 있다. 따라서, 최소한 작은 값으로 정할 필요가 있으나, 너무 작은 값을 적용하면 디더제어의 효과가 떨어질 수 있다는 점 또한 유의해야 한다.
디더제어를 적용하는 경우, 기동하는 중간에 토크 에러가 발생할 수 있고, 이는 곧 비행체의 자세 오차로 나타나게 된다. 다만, 외부제어루프에 디더제어 알고리즘을 적용하는 경우,
Figure 112014123280386-pat00021
항을 적용하면서 특이점 상태에 빠지지 않았을 때는
Figure 112014123280386-pat00022
로 매우 유사해져서, 디더제어의 영향성이 최소화된다.
상술한 바와 같이, 외부제어루프에 디더제어 알고리즘을 적용한 시뮬레이션 결과는 도 5와 같이 나타날 수 있다.
도 5의 그래프를, 디더제어를 적용하지 않은 기존 구동제어 결과인 도 4의 그래프와 비교하면, 디더제어 적용을 통해 기동시간이 소정만큼 빨라진다는 것을 확인할 수 있다.
다만, 도 5의 그래프 중 제어모멘트자이로 클러스터에 대한 김벌각(Gimbal Angle)을 나타내는 520을 보면, 4개의 제어모멘트자이로에 대한 김벌각이 약 [+180 0 -180 0]deg로 종료한다. 이는, 반복성이 보장되지 않는다는 문제점을 보여준다.
제어모멘트자이로 클러스터의 경우, 비행체의 다양한 임무촬영을 위해, 회전축으로 자세기동을 한차례만 수행하는 것이 아니라, 동일한 축으로 여러 번 수행하거나 또는 (회전축 외에도)피치축이나 요축으로 기동해야 하는 상황이 발생할 수 있다.
따라서, 도 5의 결과와 같이 한차례의 기동이 끝난 후 다른 기동이 불가능한 상태를 보완하여, 한차례 기동이 끝나면 원래 시작했던 초기각으로 복귀할 필요가 있다.
상기 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치(200)에서는, 이러한 반복성 문제를 보완하기 위해 영운동(Null Motion) 알고리즘을 추가 적용하였으며, 이는 아래 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014123280386-pat00023
수학식 7을 보면, 수학식 6의 외부제어루프용 토크를 입력으로 받는 첫번째 항과 영운동 제어 및 디더제어를 적용하는 두번째 항의 합으로 구성되어 있다. 수학식 7의 출력 값인
Figure 112014123280386-pat00024
는 내부제어루프용 김벌각속도를 의미한다. 또한,
Figure 112014123280386-pat00025
는 원하는 김벌각과 현재 김벌각의 차이를 나타낸다.
상기 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치(200)에서, 일실시예에 따라 외부제어루프 및 내부제어루프 모두에 디더제어 방식을 적용하고 내부제어루프에 반복성을 확보한 시뮬레이션 결과는 도 6을 통해 확인할 수 있다.
도 6의 그래프 중 김벌각의 시뮬레이션 결과를 나타내는 620을 보면, 도 5와는 달리 한차례의 기동이 끝난 후 초기 김벌각 [0 0 0 0]deg로 복귀함을 알 수 있다.
상기 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치(200)에 대해, 초기 20초 동안에는 특이점 상태를 회피하기 위해 첫번째 항의 비중을 키우고, 상대적으로 영운동 제어에 들어가는 이득값 k는 작게 조정한다. 20초 이후에는 k값을 키우고 대각외항 값을 모두 0으로 처리한다(p1 = p2 = p3 = q1 = q2 = q3 = 0).
20초 이전에는 디더제어를 위한 대각외항이 0이 아닌 정현파의 형태로 존재해야 특이점 회피가 가능하지만, 20초 이후에는 0이 아닌 값이 들어갈 경우 실질적인 영운동이 아닌 원치않는 토크를 발생시키기 때문이다.
이와 같이, 상기 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치(200)는 영운동 제어 및 디더제어를 동시에 적용하면서, 상황에 따라 이들 파라미터에 다른 가중치를 두는 방식으로 특이점 상태 회피 및 반복성 확보를 수행할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 과정에서의 오차 판단에 대한 알고리즘을 설명하는 도면이다.
제어모멘트자이로 클러스터의 제어 과정에서, 특이점 상태 회피 및 반복성 확보를 위해 제어루프에 영운동 제어 및 디더제어를 적용하는 방식은 비행체(위성)의 회전각 및 각속도에 대한 오차 판단을 통해 결정될 수 있다.
상기 비행체가 영상촬영을 수행하기 위해서는, 제어모멘트자이로 클러스터의 3축에 대한 회전각도 명령과 각속도 명령을 주어야 하는데, 상기 회전각도 명령 및 상기 각속도 명령(제어하고자 하는 회전각 및 각속도를 의미함)과 현재의 각도 및 각속도의 차이를 계산함으로써, 상기 오차 판단이 가능하다.
도 3의 310에서와 같이, 비행체 기준 3축자세 및 각속도의 오차 판단을 수행한 결과, 계산된 오차가 제1 임계치 이상이면 특이점 상태 회피를 위한 디더제어를 적용(321)하고, 상기 계산된 오차가 제1 임계치 미만이면 영운동 제어를 적용(322)한다.
여기서, 상기 제1 임계치는 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 과정에서 디더제어 방식 및 영운동제어 방식 중 어느 부분에 가중치를 주어 적용할지를 결정하는 판단 기준으로, 상기 회전각도 명령 및 상기 각속도 명령에 따라 달리 적용될 수 있다.
이를 테면, 기동각이 20도 명령인 경우에는, 위의 수학식 7에서 k 값 및 대각외항 값을 20초를 기준으로 달리 설정하여, 디더제어 및 영운동 제어를 상황에 적합하도록 적용할 수 있다.
또한, 310의 오차 판단 과정에서
Figure 112014123280386-pat00026
를 초과하는 경우에는, 321에서 디더제어를 위한 가중치에 더욱 큰 값을 주면 된다. 반대로, 그 이하인 경우에는, 322에서 영운동 제어를 위한 가중치에 더 큰 값을 주면 된다.
도 4 내지 도 6은 각 실시예에 따른 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치의 시뮬레이션 결과에 대한 그래프이다.
먼저, 도 4는 디더제어 방식을 적용하지 않은 일반적인 제어장치의 시뮬레이션 결과이고, 도 5는 내부제어루프에 디더제어 방식을 적용한 제어 장치의 시뮬레이션 결과를, 도 6은 내부제어루프 및 외부제어루프에 영운동제어 및 디더제어 방식을 적용한 제어 장치의 시뮬레이션 결과를 각각 나타내고 있다.
도 4와 같이, 디더제어 방식을 적용하지 않고 특이점 강건역 방법만을 적용하는 경우에는 특이점 상태에서 빠져나오지 못하면서 자세까지 수렴하지 못하게 된다.
이에 반해, 비행체의 20도 자세기동 명령에 대해 내부제어루프 혹은 외부제어루프 중 어느 한쪽에라도 디더제어 방식을 적용하는 경우(도 5 및 도 6)에는, 특이점 상태를 회피하면서도 20도 기동각에 정상적으로 수렴함을 확인할 수 있다. 도 5 및 도 6에서는 특이점 상태 회피로 인해 약 18초에 20도까지 정상적으로 수렴하고, 이후에 자세오차도 1% 이내를 유지한다.
다만, 도 5의 경우, 한차례의 기동이 끝난 후 4개의 제어모멘트자이로에 대한 김벌각이 초기각으로 복귀하지 않아, 이후 다른 기동이 불가능하지만(반복성이 보장되지 않음), 도 6에서는 디더제어 방식 및 영운동제어 방식의 적절한 적용을 통해 반복성까지 보완함으로써 한차례 기동 이후에도 추가 기동이 가능하다.
도 7은 일실시예에 따른 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 방법을 도시하는 흐름도이다.
단계 710에서는, 토크 발생부가 제어모멘트자이로 클러스터를 구성하는 적어도 하나의 제어모멘트자이로의 휠 회전에 따른 각 운동량 및 김벌모터의 각속도를 이용하여 비행체의 자세 제어를 위한 토크 신호를 발생시킬 수 있다.
단계 720에서는, 단계 710에서 생성된 상기 토크 신호에 대응한 상기 비행체의 자세 제어와 연관하여, 제어부가 상기 비행체의 회전각 및 각속도 중 적어도 하나의 오차를 계산할 수 있다.
그리고, 단계 730에서는 상기 제어부가 상기 오차 계산 결과에 기초하여, 상기 김벌모터의 각속도에 영운동 제어 신호 및 디더제어 신호를 포함하는 제어루프를 적용할 수 있다.
단계 730에서, 상기 제어부는 상기 오차 계산 결과에 따라 상기 김벌모터의 각속도에 적용되는 상기 제어루프를 각기 다른 방식으로 구성할 수 있다.
만약, 상기 오차 계산 결과, 상기 오차가 미리 지정된 제1 임계치 이상이라면, 상기 제어부는 상기 제어루프에서 디더제어 신호에 연관되는 제1 계수를, 영운동 제어 신호에 연관되는 제2 계수보다 높게 설정할 수 있다.
상기 오차가 제1 임계치 이상인 경우, 디더제어 신호에 대한 가중치를 (영운동제어 신호의 가중치보다)높여, 김벌각속도 제어 시 디더제어 알고리즘이 반영되도록 한다.
반면에, 상기 오차 계산 결과, 상기 오차가 제1 임계치 미만이라면, 상기 제어부는 상기 제어루프에서 상기 영운동 제어 신호에 연관되는 제2 계수를, 상기 디더제어 신호에 연관되는 제1 계수보다 높게 설정할 수 있다.
상기 오차가 제1 임계치 미만인 경우, 디더제어 신호에 연관되는 제1 계수는 0으로 설정하고, 영운동제어 신호에 대한 가중치를 높여, 상기 토크 신호에 영운동 제어 알고리즘이 반영되도록 한다.
여기서, 상기 디더제어 신호는 삼각파형, 톱니파형, 사각파형, 사다리꼴파형, 정현파형 중 적어도 하나의 주기성을 가지는 신호일 수 있다.
또한, 상기 제어루프는 상기 적어도 하나의 제어모멘트자이로에 대한 내부 제어루프 및 외부 제어루프 중 적어도 하나일 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 제어모멘트자이로 클러스터를 구성하는 적어도 하나의 제어모멘트자이로의 휠 회전에 따른 각 운동량 및 김벌모터의 각속도를 이용하여, 비행체의 자세 제어를 위한 토크 신호를 발생시키는 토크 발생부;
    상기 토크 신호에 대응한 상기 비행체의 자세 제어와 연관하여, 상기 토크 신호에 대응하는 회전각 및 각속도 명령과 상기 비행체의 현재 회전각 및 각속도의 차이를 기초로 오차를 계산하는 계산부; 및
    상기 김벌모터의 각속도에 영운동 제어 신호 및 디더제어 신호를 포함하는 제어루프를 적용하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 오차가 미리 지정된 제1 임계치 이상인 경우, 상기 제어루프에서 상기 디더제어 신호에 연관되는 제1 계수를 상기 영운동 제어 신호에 연관되는 제2 계수보다 높게 설정하고,
    상기 오차가 미리 지정된 제1 임계치 미만인 경우, 상기 제어루프에서 상기 제2 계수를 상기 제1 계수보다 높게 설정하는 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오차가 미리 지정된 제1 임계치 미만인 경우, 상기 제1 계수는 0인 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 디더제어 신호는, 삼각파형, 톱니파형, 사각파형, 사다리꼴 파형, 정현파형 중 적어도 하나의 주기성을 가지는 신호인 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어루프는, 상기 적어도 하나의 제어모멘트자이로에 대한 내부 제어루프 및 외부 제어루프 중 적어도 하나인 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 장치.
  7. 제어모멘트자이로 클러스터를 구성하는 적어도 하나의 제어모멘트자이로의 휠 회전에 따른 각 운동량 및 김벌모터의 각속도를 이용하여, 비행체의 자세 제어를 위한 토크 신호를 발생시키는 단계;
    상기 토크 신호에 대응한 상기 비행체의 자세 제어와 연관하여, 상기 토크 신호에 대응하는 회전각 및 각속도 명령과 상기 비행체의 현재 회전각 및 각속도의 차이를 기초로 오차를 계산하는 단계; 및
    상기 김벌모터의 각속도에 영운동 제어 신호 및 디더제어 신호를 포함하는 제어루프를 적용하는 단계
    를 포함하며,
    상기 제어루프를 적용하는 단계는,
    상기 오차가 미리 지정된 제1 임계치 이상인 경우, 상기 제어루프에서 상기 디더제어 신호에 연관되는 제1 계수를 상기 영운동 제어 신호에 연관되는 제2 계수보다 높게 설정하고,
    상기 오차가 미리 지정된 제1 임계치 미만인 경우, 상기 제어루프에서 상기 제2 계수를 상기 제1 계수보다 높게 설정하는 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 디더제어 신호는, 삼각파형, 톱니파형, 사각파형, 사다리꼴 파형, 정현파형 중 적어도 하나의 주기성을 가지는 신호인 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제7항에 있어서,
    상기 오차가 미리 지정된 제1 임계치 미만인 경우, 상기 제1 계수는 0인 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 방법.
  12. 제7항, 제8항 및 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어모멘트자이로 클러스터의 제어 방법을 수행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능 기록매체.
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서현호, 최홍택. 제어모멘트자이로 클러스터의 특이점 회피를 위한 디더제어 방안. 한국항공우주학회 학술발표회 논문집, 한국항공우주학회. 2013년 4월, 760-764*

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