KR101793685B1 - 회전축 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

회전축 제어 시스템은, 본체에 회전 가능하게 장착된 회전축과, 본체가 회전하는 본체 회전 속도를 감지하는 제1 감지부와, 회전축을 구동하는 구동부와, 회전축이 회전하는 회전축 속도를 감지하는 제2 감지부와, 회전축과 구동부의 사이를 연결하여 구동력을 전달하는 전달부와, 제1 감지부가 감지한 본체 회전 속도로부터 본체의 회전이 회전축과 구동부와 전달부에 미치는 영향을 보상하기 위한 보상 신호를 발생하는 모션 보상부와, 제2 감지부가 감지한 회전축 속도와 입력 신호의 차이와 보상 신호에 기초하여 구동부를 제어하는 안정화 제어부를 구비한다.

Description

회전축 제어 시스템{Control system for rotating shaft}

실시예들은 회전축 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본체의 회전 운동이 기계적 시스템에 전달되어 미치는 영향을 최소화함으로써 안정화 정밀도가 향상된 회전축 제어 시스템에 관한 것이다.

원격조종무장(remote control weapon station; RCWS)은 근거리나 원거리의 전투임무를 수행할 때 사수가 외부로 노출되지 않도록 원격지에서 무장을 조정하여 표적을 정밀 사격할 수 있게 하는 시스템이다. 원격조종무장은 주로 무인 차량이나 장갑차, 무인 항공기, 무인 경비정 등의 다양한 차량에 장착되어 사용된다.

원격조종무장을 이용하는 사수는 원격에서 화기의 사격 목표 지점을 제어하며 사격을 실시하므로, 원격조종무장의 화기가 향하는 방향이 신속하면서도 정밀하게 제어될 수 있어야 한다.

원격조종무장의 제어 장치에 관한 기술인 한국 특허공개공보 제2010-0101915호는 마찰력을 보상하기 위해 구동부의 출력 속도와 입력 속도의 차이에 의한 오차 신호를 이용한다. 그러나 이러한 제어 장치는 원격조종무장의 내부에서 발생하는 마찰력만을 고려하므로, 원격조종무장이 장착되는 차량의 움직임의 크기 및 운영자가 구동하고자 하는 속도지령에 의한 회전축 구동은 원격조종무장의 기구적 구성 요소에서 발생하는 다양한 마찰 외란의 영향으로부터 자유롭지 못하다.

실시예의 목적은 본체의 회전 운동이 기계적 시스템에 전달되어 미치는 영향을 최소화하여 안정화 정밀도가 향상된 회전축 제어 시스템을 제공하는 데 있다.

실시예의 다른 목적은 본체의 회전 운동이 기계적 시스템에 전달되어 발생하는 에러 성분을 효과적으로 소거할 수 있는 기능을 갖는 회전축 제어 시스템을 제공하는 데 있다.

실시예에 관한 회전축 제어 시스템은, 본체에 회전 가능하게 장착된 회전축과, 본체가 회전하는 본체 회전 속도를 감지하는 제1 감지부와, 회전축을 구동하는 구동부와, 회전축이 회전하는 회전축 속도를 감지하는 제2 감지부와, 회전축과 구동부의 사이를 연결하여 구동력을 전달하는 전달부와, 제1 감지부가 감지한 본체 회전 속도로부터 본체의 회전이 회전축과 구동부와 전달부에 미치는 영향을 보상하기 위한 보상 신호를 발생하는 모션 보상부와, 제2 감지부가 감지한 회전축 속도와 입력 신호의 차이와 보상 신호에 기초하여 구동부를 제어하는 안정화 제어부를 구비한다.

보상 신호는, 회전축과 구동부와 전달부의 동특성을 나타내는 동역학 모델에서, 회전 각가속도 α_h로 회전하는 본체의 회전력이 기어비 N의 전달부와 회전 관성 질량 Jm을 갖는 구동부에 전달되어 발생하는 오차를 상쇄하도록, 하기 수학식 1에 의해 산출된 보상 토크 신호 T_m을 포함할 수 있다.

[수학식 1]

안정화 제어부는 비례 제어기, 적분 제어기, 및 미분 제어기 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.

안정화 제어부는, 회전축 속도와 입력 신호의 차이를 적분하는 적분 제어기와, 회전축 속도를 입력으로 하는 비례-미분 제어기를 구비할 수 있다.

상술한 바와 같은 실시예들에 관한 회전축 제어 시스템은, 모션 보상부와 안정화 제어부의 작용으로 인해 본체의 회전 운동이 기계적 시스템에 전달되어 발생하는 에러 성분을 효과적으로 소거할 수 있어서 안정화 정밀도가 향상된다.

도 1은 일 실시예에 관한 회전축 제어 시스템이 적용된 원격조종무장의 작동 상태를 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 원격조종무장의 구체적 구현예를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 원격조종무장에 적용된 회전축 제어 시스템의 구성 요소들을 도시한 블록선도이다.
도 4는 도 3의 회전축 제어 시스템의 기계적 요소들의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4의 기계적 요소들의 기구적 관계를 간략화하여 도시한 설명도이다.
도 6은 도 5의 기계적 요소들의 관계를 물리적 모델로 도시한 개념도이다.
도 7은 도 6의 물리적 모델을 나타내는 블록선도이다.
도 8은 도 1의 회전축 제어 시스템의 안정화 제어부를 나타낸 블록선도이다.
도 9는 도 3의 회전축 제어 시스템에서 본체에 1Hz의 크기를 갖는 피치 운동을 적용했을 때의 안정화 정밀도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 3의 회전축 제어 시스템에서 본체에 2Hz의 크기를 갖는 피치 운동을 적용했을 때의 안정화 정밀도를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 실시예들에 관한 회전축 제어 시스템의 구성과 작용을 상세히 설명한다.

도 1은 일 실시예에 관한 회전축 제어 시스템이 적용된 원격조종무장의 작동 상태를 도시한 개념도이다.

도 1에 나타난 실시예에 관한 회전축 제어 시스템은 원격조종무장(100)의 구동을 제어하기 위해 사용되는 것으로, 본체(400)에 회전 가능하게 장착된 회전축(20)과, 회전축(20)을 구동하는 구동부(30)와, 본체(400)의 회전 속도를 감지하는 제1 감지부(15)와, 회전축(20)의 회전 속도를 감지하는 제2 감지부(25)와, 회전축(20)과 구동부(30)의 사이를 연결하여 구동력을 전달하는 전달부(40)와, 제어부(50)를 구비한다.

도 1에서 원격조종무장(100)이 설치되는 본체(400)는 차량으로 예시되었으나, 실시예는 이러한 형태의 차량에만 한정되는 것은 아니다. 원격조종무장(100)은 예를 들어 선박이나, 경비정이나, 무인 정찰 로봇 등의 이동 수단에 설치될 수도 있다.

도 1을 참조하면 원격조종무장(100)이 탑재된 본체(400)는 목표 지점을 향하여 이동할 수 있으며, 본체(400)가 이동하는 동안 원격조종무장(100)의 회전축(20)이 ω_L의 회전 속도로 회전하며, 타격 지점(A)에 대한 탐지 및 사격을 수행할 수 있다. 본체(400)는 통과하는 지형에 따라 ω_h의 회전 속도로 회전하기 때문에, 본체(400)에서 발생하는 회전 운동이 원격조종무장(100)의 제어에 영향을 미칠 수 있다.

도 2는 도 1의 원격조종무장의 구체적 구현예를 도시한 사시도이다.

원격조종무장(100)은 무장부(200)와 영상부(110)를 구비할 수 있다. 영상부(110)는 표적이 포함된 영상을 촬영한다. 무장부(200)는 표적에 대하여 발포한다.

영상부(110)는 영상 구동부(120)에 의해 무장부(200)에 결합된다. 영상부(110)는 입력 영상을 촬영하며 무장부(200)로부터 표적까지의 거리에 해당하는 표적 거리를 측정할 수 있다. 영상 구동부(120)는 영상부(110)를 적어도 일축에 대하여 회전시킬 수 있다.

영상부(110)는 주간 카메라, 야간 카메라, 및 거리 측정기를 구비할 수 있다. 주간 카메라는 주간의 영상을 촬영할 수 있고, 야간 카메라는 야간의 영상을 촬영할 수 있다. 거리 측정기는 표적 거리를 측정할 수 있다.

영상 구동부(120)는 영상 구동모터(121), 엔코더(122), 및 감속기(123)를 구비할 수 있다. 영상 구동모터(121)는 영상부(110)를 적어도 일방향으로 회전시키는 구동력을 제공한다. 엔코더(122)는 영상부(110)의 회전량을 검출한다. 감속기(123)는 영상 구동모터(121)의 회전량을 변화시켜 영상부(110)로 전달한다.

무장부(200)는 표적을 향하여 발포하는 사격부(210)를 구비할 수 있다. 사격부(210)는 표적을 향하여 사격할 수 있는 총기류 또는 포 등이 될 수 있다.

무장부(200)의 구동부(30)는 사격부(210)를 제1 축(Xt)을 중심으로 회전시킬 수 있다. 무장부(200)는 구동력을 발생시키는 구동부(30)와, 구동부(30)의 회전력을 회전축(20; 도 1에 도시됨)에 전달하는 전달부(40), 회전축의 회전 속도를 감지하는 제2 감지부(25)를 구비할 수 있다.

구동부(30)는 사격부(210)를 적어도 제1 축(Xt)을 중심으로 회전시키기 위한 구동력을 발생시킨다. 제2 감지부(25)는 사격부(210)의 회전 속도를 검출한다. 전달부(40)는 구동부(30)의 회전량을 변화시켜 사격부(210)로 전달한다.

무장부(200)의 사격부(210)는 회전축(20; 도 1에 도시됨)에 의해 본체(400)에 회전 가능하게 설치된다. 또한 무장부(200)는 수평 회전 구동부(410)에 의해 수직 방향의 제2 축(Xp)을 중심으로 회전 가능하도록 본체(400)에 결합할 수 있다.

상술한 구성의 원격조종무장(100)에 의하면 사격부(210)가 제1 축(Xt)을 중심으로 회전하는 틸팅 회전 운동(고저 회전 운동), 제2 축(Xp)을 중심으로 회전하는 패닝(tilting) 회전 운동(상하 회전 운동)을 수행하며, 표적에 대한 탐지 및 사격을 수행할 수 있다.

도 1을 참조하면 원격조종무장(100)은 본체(400)가 회전하는 본체 회전 속도를 감지하는 제1 감지부(15)를 구비할 수 있다. 본체(400)의 흔들림은 원격조종무장(100)의 순간적으로 급격한 변위 변화를 초래할 수 있다. 표적에 대한 탐지 및 사격 임무를 수행하기 위해 본체(400)가 산악 지형과 같이 험악한 지형을 운행하는 동안에도 원격조종무장(100)이 표적을 지향하도록 하기 위해 구동부(30)가 동력을 발생시킴으로써 부하인 원격조종무장(100)을 안정화(stabilization)시켜야 한다.

본 실시예에 관한 회전축 제어 시스템은 원격조종무장(100)을 구성하는 기계적 구동 메커니즘에 대한 분석에 기초하여, 원격조종무장(100)의 제어 동작을 안정화할 수 있는 안정화 제어 알고리즘이 적용된 시스템이다. 이러한 회전축 제어 시스템에 의하면 목표물에 대한 지향 능력이 크게 향상될 수 있다.

이하에서는 원격조종무장(100)의 제1 축(Xt)을 중심으로 한 기계적 구동 메커니즘을 안정화하기 위한 예를 설명하였으나, 본 실시예에 관한 회전축 제어 시스템은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 예를 들어 제2 축(Xp)을 중심으로 한 원격조종무장(100)의 회전 운동의 제어나, 영상부(110)의 회전 운동의 제어에도 회전축 제어 시스템이 응용될 수 있다.

도 3은 도 1의 원격조종무장에 적용된 회전축 제어 시스템의 구성 요소들을 도시한 블록선도이다.

도 3에 나타난 실시예에 관한 회전축 제어 시스템은, 본체(400; 도 1 참조)에 회전 가능하게 장착된 회전축(20)과, 회전축(20)을 구동하는 구동부(30)와, 본체가 회전하는 본체 회전 속도(ω_h)를 감지하는 제1 감지부(15; 도 1 참조)와, 회전축(20)이 회전하는 회전축 속도(ω_L)를 감지하는 제2 감지부(25; 도 1 참조)와, 회전축(20)과 구동부(30)의 사이를 연결하여 구동력을 전달하는 전달부(40)와, 본체 회전 속도로 인한 영향을 보상하기 위한 보상 신호를 발생하는 모션 보상부(55)와, 회전축 속도(ω_L)와 입력 신호(ω_r)의 차이와 보상 토크 신호(T_m)에 기초하여 구동부(30)를 제어하는 안정화 제어부(51)를 구비한다.

모션 보상부(55)와 안정화 제어부(51)는 구동부(30)와 전달부(40)와 회전축(20)과 부하(70) 등으로 이루어지는 기계 시스템(10)의 구동을 제어하는 제어부(50)를 형성한다.

제어부(50)는 예를 들어 각종 전자 부품과 회로패턴을 갖는 인쇄회로기판으로 구현되거나, 소프트웨어나 회로가 내장된 반도체 칩으로 구현되거나, 컴퓨터에서 실행될 수 있는 소프트웨어로 구현될 수 있다.

또한 모션 보상부(55)와 안정화 제어부(51)의 각각은 별도의 인쇄회로기판이나, 반도체 칩이나, 인쇄회로기판 상의 일부 회로나, 소프트웨어 중 적어도 하나의 형태로 구현될 수 있다.

도 4는 도 3의 회전축 제어 시스템의 기계적 요소들의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 5는 도 4의 기계적 요소들의 기구적 관계를 간략화하여 도시한 설명도이다.

도 4는 도 3의 회전축 제어 시스템에서 제어부(50)에 의해 제어되는 기계 시스템(10)의 기계적 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한다. 도 3 및 도 4 등에서 부하(27)는 사격부(210)와 같이 회전축(20)에 의해 회전하는 요소들을 가리킨다.

도 5를 참조하면 부하(27)가 안정화되는 과정에서 차량의 움직임(ω_h)이 기계 시스템(10)에 어떠한 영향을 미치는 해석할 수 있다.

도 5에서 점 A와 B의 선속도는 수학식 1로 표현되며, 전체 기계 시스템의 기어비는 수학식 2로 나타낼 수 있다.

수학식 1에서 ω2를 기준으로 정리하면 하기 수학식 3을 얻을 수 있다.

구동부의 회전 속도 ω1은 수학식 4의 전개를 거쳐 구할 수 있다.

도 6은 도 5의 기계적 요소들의 관계를 물리적 모델로 도시한 개념도이다.

본체(400)의 움직임을 고려하여 기계적 시스템을 구성하는 기계적 요소들의 물리적 모델은 도 6과 같은 두 개의 질량체 시스템(two-mass system)으로 나타낼 수 있다.

도 3 및 도 6에 도시된 구동부(30)의 회전 관성 질량을 Jm, 부하(27)의 회전 관성 질량을 Jo, 전달부(40)에 의한 전체 기어비를 N이라고 하고, 구동부(30)의 보상 토크를 T_m, 외란에 의한 토크를 T_d(마찰 혹은 불균형에 의한 모멘트에 해당함), 구동부(30)로부터 부하(27)를 연결하는 기계적 요소들의 전체 비틀림 변형 스프링 상수를 Keq,m 이라고 하고, 구동부(30)의 회전 각도를 θ_m, 부하(27)의 회전 각도를 θ_L, 구동부(30)와 부하(27)의 사이의 기계적 요소들의 전체 비틀림을 고려한 오차에 의한 비틀림 회전 각도를 θ₁이라고 하면, 수학식 5와 같은 운동 방정식을 유도할 수 있다.

또한 수학식 4를 적분하여 각속도를 각도로 환산하면 수학식 6을 얻을 수 있다.

수학식 6을 수학식 5에 대입하여 정리하면 수학식 7이 된다.

수학식 7을 미분하여 정리하면 수학식 8이 된다.

도 7은 도 6의 물리적 모델을 나타내는 블록선도이다.

수학식 8로 표현될 수 있는 도 6의 두 개의 질량체 시스템(two-mass system)은, 도 7의 블록선도로 나타낼 수 있다.

수학식 8과 도 7의 블록선도에서 알 수 있는 것과 같이 두 개의 질량체 시스템에 해당하는 원격조종무장은 부하의 각속도 ω_L를 제어 시스템의 입력으로 피드백시키는 피드백 제어를 통해 원격조종무장의 안정화를 도모할 수 있다. 그러나 원격조종무장의 물리적 모델의 내부에 본체의 움직임(ω_h)의 영향으로 인한 값이 포함되므로, ω_L를 피드백시킬 때에 제어 시스템의 입력에 에러가 유입되어 원격조종무장의 안정화 성능을 저하시킬 수 있다.

원격조종무장을 안정화시키려면 부하의 회전 각도 θ_L를 0이 되도록 만들어야 한다. 수학식 7로부터 부하의 회전 각도 θ_L를 출력값으로 하고 구동부의 보상 토크 T_m을 입력값으로 하는 전달함수를 구하면, 수학식 9와 수학식 10으로 표현될 수 있다.

수학식 9에 포함된 α_h는 본체의 움직임의 회전 속도를 미분한 각가속도에 해당한다. 수학식 9에서 각가속도 성분을 소거하기 위한 보상 토크 T_m의 값을 구하면 수학식 11과 같이 된다.

수학식 11을 수학식 9에 대입하면, 부하의 회전 각도 θ_L를 출력값으로 하고 외란에 의한 토크를 T_d로 하는 전달함수를 수학식 12로 얻을 수 있다.

수학식 12는 원격조종무장을 제어하는 제어 시스템에서 구동부의 보상 토크 T_m을 본체의 움직임에 의한 에러를 소거하도록 설정할 수 있음과 아울러 외란에 의한 토크 T_d의 영향을 최소화하도록 원격조종무장의 제어 시스템을 설계하면, 안정화 제어를 위한 부하의 회전 각도 θ_L를 0으로 만들 수 있음을 의미한다.

외란에 의한 토크 T_d의 영향을 최소화하기 위한 방법으로는 원격조종무장의 제어 시스템의 설계 시에 부하의 불균형 모멘트를 줄이고 마찰을 최소화하는 것이 있으며, 또한 외란에 의한 토크 T_d의 영향을 제거할 수 있게 도 3에 도시된 안정화 제어부(51)를 설계할 수 있다.

도 8은 도 1의 회전축 제어 시스템의 안정화 제어부를 나타낸 블록선도이다.

도 1의 회전축 제어 시스템에 포함된 안정화 제어부(51)는 여러 가지 형태로 구현될 수 있으며, 도 8은 하나의 예를 도시한 것이다. 안정화 제어부(51)는 부하의 속도인 회전축 속도 ω_L와 입력 신호 ω_r의 차이 e(ω_r-ω_L)를 적분하는 적분기(52)와 회전축 속도 ω_L를 입력으로 하는 비례-미분 제어기(53)를 구비할 수 있다. 안정화 제어부(51)는 보상 토크 신호 T_m과 상기 적분기(52)의 출력 신호를 합산하고, 비례-미분 제어기의 출력 신호를 감산하여 제어 신호 Tc를 출력할 수 있다.

도 1의 회전축 제어 시스템의 실시예는 도 8에 도시된 안정화 제어부(51)의 구체적 구성에 의해 한정되는 것은 아니며, 안정화 제어부(51)는 다른 형태로 변형될 수 있다. 예를 들어, 안정화 제어부(51)는 비례 제어기, 적분 제어기, 및 미분 제어기 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.

도 9는 도 3의 회전축 제어 시스템에서 본체에 1Hz의 크기를 갖는 피치 운동을 적용했을 때의 안정화 정밀도를 나타낸 그래프이고, 도 10은 도 3의 회전축 제어 시스템에서 본체에 2Hz의 크기를 갖는 피치 운동을 적용했을 때의 안정화 정밀도를 나타낸 그래프이다.

도 9 및 도 10에서 w/ VMC의 선은 도 3에서 모션 보상부(55)를 작동시켜 모션 보상 기능을 실행했을 때의 결과를 나타내고, w/o VMC의 선은 모션 보상부(55)를 작동시키지 않아 본체의 운동이 안정화 정밀도에 미치는 영향을 나타낸다. 본체의 피치 운동은 6-자유도 시뮬레이터를 사용하여 인가하였다.

도 9 및 도 10에 나타난 안정화 정밀도 측정 결과를 정리하면 표 1과 같다. 실시예에 관한 회전축 제어 시스템을 이용하면 안정화 정밀도가 최대 42%의 수준으로 개선됨을 알 수 있다.

상술한 실시예들에 대한 구성과 효과에 대한 설명은 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 기계 시스템 70: 부하
15: 제1 감지부 100: 원격조종무장
20: 회전축 110: 영상부
25: 제2 감지부 120: 영상 구동부
27: 부하 121: 영상 구동모터
30: 구동부 122: 엔코더
40: 전달부 123: 감속기
50: 제어부 200: 무장부
51: 안정화 제어부 210: 사격부
52: 적분기 400: 본체
53: 비례-미분 제어기 410: 수평 회전 구동부
55: 모션 보상부

Claims (4)

1. 본체에 회전 가능하게 장착된 회전축;
   상기 본체가 회전하는 본체 회전 속도를 감지하는 제1 감지부;
   상기 회전축을 구동하는 구동부;
   상기 회전축이 회전하는 회전축 속도를 감지하는 제2 감지부;
   상기 회전축과 상기 구동부의 사이를 연결하여 구동력을 전달하는 전달부;
   상기 제1 감지부가 감지한 상기 본체 회전 속도로부터 상기 본체의 회전이 상기 회전축과 상기 구동부와 상기 전달부에 미치는 영향을 보상하기 위한 보상 신호를 발생하는 모션 보상부; 및
   상기 제2 감지부가 감지한 상기 회전축 속도와 입력 신호의 차이와 상기 보상 신호에 기초하여 상기 구동부를 제어하는 안정화 제어부;를 구비하고,
   상기 보상 신호는, 상기 회전축과 상기 구동부와 상기 전달부의 동특성을 나타내는 동역학 모델에서, 회전 각가속도 α_h로 회전하는 상기 본체의 회전력이 기어비 N의 상기 전달부와 회전 관성 질량 Jm을 갖는 상기 구동부에 전달되어 발생하는 오차를 상쇄하도록, 하기 수학식 1에 의해 산출된 보상 토크 신호 T_m을 포함하는, 회전축 제어 시스템:
   [수학식 1]
   

   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 안정화 제어부는 비례 제어기, 적분 제어기, 및 미분 제어기 중의 적어도 하나를 포함하는, 회전축 제어 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 안정화 제어부는, 상기 회전축 속도와 입력 신호의 차이를 적분하는 적분 제어기와, 상기 회전축 속도를 입력으로 하는 비례-미분 제어기를 구비하는, 회전축 제어 시스템.

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