KR101813610B1 - Three-dimensional nonlinear path-following guidance system and method based on differential geometry - Google Patents

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KR101813610B1 KR1020140142510A KR20140142510A KR101813610B1 KR 101813610 B1 KR101813610 B1 KR 101813610B1 KR 1020140142510 A KR1020140142510 A KR 1020140142510A KR 20140142510 A KR20140142510 A KR 20140142510A KR 101813610 B1 KR101813610 B1 KR 101813610B1
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조남훈
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    • B64C13/00Control systems or transmitting systems for actuating flying-control surfaces, lift-increasing flaps, air brakes, or spoilers
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    • B64C13/16Initiating means actuated automatically, e.g. responsive to gust detectors
    • B64C13/18Initiating means actuated automatically, e.g. responsive to gust detectors using automatic pilot

Abstract

곡선의 미분 기하에 기반한 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템은, 이동체가 목표 경로를 추종하도록 유도하는 경로 추종 유도 시스템으로서, 제어대상이 되는 상기 이동체의 위치와 속도를 제어대상 정보로 획득하는 제어대상 정보획득부; 상기 목표 경로에 대해 상기 이동체의 위치에 해당하는 최근접점을 계산하는 최근접점 계산부; 상기 목표 경로에 대해 미분 기하적 특성을 계산하는 목표 경로 특성 계산부; 상기 제어대상 정보, 상기 최근접점 정보, 상기 목표 경로의 미분 기하적 특성을 기반으로 하여 전방주시각 및 방사상 이격거리로 계산되는 전방주시 벡터를 구하고, 가속도로 주어지는 유도 명령을 생성하는 유도 명령 생성부; 및 상기 유도 명령에 따라 상기 이동체의 움직임을 제어하는 이동 제어부를 포함할 수 있다. A three-dimensional nonlinear path following derivation system and method based on the derivative of a curve is disclosed. A three-dimensional nonlinear path following guidance system according to an embodiment of the present invention is a system for deriving a path following guidance that guides a moving object to follow a target path. The system includes a control for acquiring the position and velocity of the moving object to be controlled as control target information A target information obtaining unit; A closest point calculating unit for calculating a closest point corresponding to a position of the moving object with respect to the target path; A target path characteristic calculation unit for calculating a differential geometry characteristic with respect to the target path; An induction command generator for obtaining a forward look-up vector calculated as a front main time and a radial distance based on the control subject information, the nearest point information, and the differential geometric characteristics of the target path and generating an induction command given by acceleration, ; And a movement controller for controlling the movement of the moving object according to the guidance command.

Description

곡선의 미분 기하에 기반한 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템 및 방법{Three-dimensional nonlinear path-following guidance system and method based on differential geometry}[0001] The present invention relates to a three-dimensional nonlinear path following guidance system and method based on differential geometry of a curve,

본 발명은 곡선의 미분 기하에 기반한 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a three-dimensional nonlinear path following induction system and method based on the derivative of a curve.

경로 추종 문제는 기체 및/또는 차체와 같은 이동체(vehicle)가 목표 경로를 따르도록 하는 유도 명령을 설계하는 것으로 정의될 수 있다. 이러한 경로 추종은 무인기의 자율 운행을 위한 중요한 문제 중의 하나이다. 최근 무인기의 자율 비행에 관련된 임무들이 점점 복잡해지고 있어, 정확하고 효과적인 3차원 경로 추종 유도 기술이 요구된다. The path-following problem can be defined as designing an induction command such that a vehicle such as a gas and / or a vehicle follows a target path. This path following is one of the important problems for autonomous operation of UAV. Recently, the tasks related to autonomous flight of UAV are increasingly complicated, and accurate and effective three-dimensional path follow-up technology is required.

경로 추종을 위해 다양한 유도 기법이 개발되었지만, 대부분의 방법들은 2차원 경로 추종에 관한 것으로서, 크게 오차 운동학/역학 기반 방식(error kinematics/dynamics based approach), 벡터 필드 기반 방식(vector field based approach), 가상 목표 추적방식(virtual target following approach)와 같은 3가지 방식으로 분류될 수 있다. Various induction techniques have been developed for path tracking, but most of them are related to two-dimensional path tracing. They are largely based on error kinematics / dynamics based approach, vector field based approach, And the virtual target following approach.

오차 운동학/역학 기반 방식에서는 경로 추종 문제를 고려하는데 있어 오차 변수가 정의되어 적용되었다. 오차 변수의 운동학/역학 모델이 유도되고, 선형 혹은 비선형 제어 모델이 오차 조절을 위해 적용된다. 이 방식은 직접적인 오차 피드백으로부터 안정성 및 신뢰성 있는 추종 성능이 보장되는 장점이 있다. 하지만, 유도 명령이 다소 복잡하고 모델 종속적이게 된다. 또한, 특이점 문제(singularity problem)가 실행 가능한 초기 조건 집합(set of feasible initial conditions)을 제한할 수 있다. In the error kinematics / mechanics - based approach, error parameters were defined and applied to account for path - following problems. Kinematic / dynamic models of error variables are derived, and linear or nonlinear control models are applied for error control. This approach has the advantage of ensuring stability and reliable tracking performance from direct error feedback. However, the instruction is somewhat complicated and model dependent. In addition, a singularity problem may limit the set of feasible initial conditions.

벡터 필드 기반 방식에서는 각 지점에서 희망 코스 각 혹은 속도를 지정하는 벡터 필드가 수립되면 이동체가 벡터 필드를 따라 목표 경로로 수렴하게 한다. 이 방식의 장점은 직선 및 원형 경로의 추종에서는 전역 수렴이 된다는 것이다. 하지만, 일반적인 공간 곡선에서는 적용할 수 없다는 단점이 있다. In the vector field based method, when a vector field for specifying the desired course angle or speed is established at each point, the moving object converges to the target path along the vector field. The advantage of this approach is that it is global convergence in the case of straight and circular paths. However, it has a disadvantage that it can not be applied to general space curves.

가상 목표 추적 방식 혹은 전방주시점 기반 방식(look-ahead point based approach)에서는 유도 명령이 목표 경로 상의 가상 목표점을 추적하도록 설계된다. 이 방식은 전통적인 시선 유도 기법에서 유래된 것으로서, 유도명령의 단순성, 모델 독립성, 그리고 우수한 추적 및 바람 효과 보상을 가능하게 하는 전방주시 효과를 가진다. 또한, 외란에 대해서도 견고성을 제공해주기도 한다. 하지만, 이동체의 초기 위치가 목표 경로로부터 특정 전방주시 거리 이내에 있어야 하고, 목표 경로가 3차원의 일반 곡선과 같이 이형의 복잡한 곡선들이 결합되어 이루어진 경우에는 전방주시점을 결정하기 어려운 문제점이 있다. In a virtual target tracking or a look-ahead point based approach, the inductive command is designed to track the virtual target on the target path. This approach, derived from traditional gaze induction techniques, has a simplicity of induction command, model independence, and a front-sight effect that enables good tracking and wind effect compensation. It also provides robustness against disturbances. However, if the initial position of the moving object should be within a specific forward viewing distance from the target path, and the target path is formed by combining complex curves of three-dimensional general curves, it is difficult to determine the forward main point.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.The above-described background technology is technical information that the inventor holds for the derivation of the present invention or acquired in the process of deriving the present invention, and can not necessarily be a known technology disclosed to the general public prior to the filing of the present invention.

경로 추종과 관련된 선행문헌으로는, 한국공개특허 10-2011-0138090호에 목표 주차 경로를 추종하기 위한 차량의 조향 제어 방법 및 장치가 개시되어 있다. 이에 의하면, 차량 내부 정보를 이용하여 차량의 현재 운동 자세를 연산하고, 목표 주차 경로를 이용하여 현재 운동 자세로부터 차량의 목표 운동 자세를 도출하며, 현재 운동 자세 및 목표 운동 자세를 이용하여 제어 조향각을 연산하게 되는데. 이는 차량의 평행주차 상황에만 국한되어 개발된 것으로서 조향각이 명령으로 주어지고 한 축 방향의 추종 오차만이 피드백되는 한계가 있다.
As a prior art related to the path following, Korean Patent Laid-open Publication No. 10-2011-0138090 discloses a vehicle steering control method and apparatus for following a target parking path. According to the present invention, the current vehicle attitude is calculated using the vehicle internal information, the target attitude of the vehicle is derived from the current attitude using the target parking path, the control attitude angle is calculated using the current attitude and the target attitude . It is developed only for the parallel parking situation of the vehicle. There is a limit that the steering angle is given as command and only one axial tracking error is fed back.

한국공개특허 10-2011-0138090호Korean Patent Publication No. 10-2011-0138090

본 발명은 무인기와 같은 이동체가 3차원 일반 경로 추종 시에 기존 전방주시점 기반 경로 추종 유도기법에서 발생하는 경로 추종 오차를 제거하고, 경로 추종 자동 비행을 시작할 수 있는 초기 위치 및 속도에 대한 제약을 완화시키는 곡선의 미분 기하에 기반한 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention eliminates the path-following error generated in a conventional forward-point-of-view-based tracking algorithm for a three-dimensional general path following a moving object such as a UAV and restricts the initial position and speed Dimensional nonlinear path follow-up guidance system based on the differential geometry of the curvilinear curves.

본 발명은 목표 경로 위에 상정한 가상의 목표물을 추적하는 기존 기법과 달리 목표 경로의 미분 기하적 특성을 직접 활용하여 계산한 전방주시 벡터를 이용함으로써 수치 계산 측면에서 더 용이하고 실시간성이 더욱 향상된 곡선의 미분 기하에 기반한 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.In contrast to the conventional technique of tracking a virtual target on a target path, the present invention uses a forward look-up vector calculated by directly utilizing the differential geometry of a target path, Dimensional nonlinear path following induction system based on the differential geometry of the three-dimensional nonlinear path following induction system.

본 발명은 경로 추종을 기반으로 하는 무인기의 다양한 임무에 활용 가능하며, 특히 장애물 등으로 인해 복잡한 경로를 비행해야 하는 경우 혹은 무인기의 3차원 고기동이 요구되는 경우 해당 무인기가 보다 안전하고 정밀하게 임무를 수행할 수 있도록 하는 곡선의 미분 기하에 기반한 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention can be applied to various tasks of the UAV based on the route follow-up. Especially, when a complicated route is required due to obstacles or the like, or when the 3D elevation of the UAV is required, the UAV is safer and more precise Dimensional nonlinear path follow-induction system based on the derivative of a curve that can be performed by the user.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
Other objects of the present invention will become readily apparent from the following description.

본 발명의 일 측면에 따르면, 이동체가 목표 경로를 추종하도록 유도하는 경로 추종 유도 시스템으로서, 제어대상이 되는 상기 이동체의 위치와 속도를 제어대상 정보로 획득하는 제어대상 정보획득부; 상기 목표 경로에 대해 상기 이동체의 위치에 해당하는 최근접점을 계산하는 최근접점 계산부; 상기 목표 경로에 대해 미분 기하적 특성을 계산하는 목표 경로 특성 계산부; 상기 제어대상 정보, 상기 최근접점 정보, 상기 목표 경로의 미분 기하적 특성을 기반으로 하여 전방주시각 및 방사상 이격거리로 계산되는 전방주시 벡터를 구하고, 가속도로 주어지는 유도 명령을 생성하는 유도 명령 생성부; 및 상기 유도 명령에 따라 상기 이동체의 움직임을 제어하는 이동 제어부를 포함하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템이 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a route follow-up guidance system for guiding a mobile object to follow a target route, comprising: a control object information obtaining unit for obtaining a position and a speed of the mobile object to be controlled as control object information; A closest point calculating unit for calculating a closest point corresponding to a position of the moving object with respect to the target path; A target path characteristic calculation unit for calculating a differential geometry characteristic with respect to the target path; An induction command generator for obtaining a forward look-up vector calculated as a front main time and a radial distance based on the control subject information, the nearest point information, and the differential geometric characteristics of the target path, ; And a movement control unit for controlling the movement of the moving object in accordance with the instruction to guide the 3D nonlinear path following guidance system.

상기 목표 경로는 매개화된 곡선이며, 상기 목표 경로 특성 계산부는 상기 최근접점에서 상기 목표 경로의 단위 접벡터, 단위 법벡터, 곡률을 계산할 수 있다.The target path may be a mediated curve, and the target path characteristic calculating unit may calculate a unit tangent vector, an unit vector, and a curvature of the target path at the nearest point.

상기 유도 명령의 생성 이전에 설계 변수인 유도 이득 및 경계층 두께의 값이 선택될 수 있다.The values of the inductive gain and the boundary layer thickness, which are design variables, can be selected prior to the generation of the inductive command.

상기 유도 명령은 상기 이동체가 상기 목표 경로 위에 있도록 하고, 상기 이동체의 속도 방향이 상기 목표 경로의 접선 방향과 일치하도록 할 수 있다.The induction command may make the moving body above the target path and make the velocity direction of the moving body coincide with the tangential direction of the target path.

정속 대기속도 경로 추종을 하고자 하는 경우, 상기 유도 명령 생성부는 바람 속도가 반영된 상기 이동체의 상대속도 벡터에 직교하는 측면 유도 명령을 생성할 수 있다.When it is desired to follow the constant speed airspeed path, the induction command generator may generate a side induction command that is orthogonal to the relative speed vector of the moving object in which the wind speed is reflected.

한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 이동체가 목표 경로를 추종하도록 유도하는 경로 추종 유도 시스템에서 수행되는 경로 추종 유도 방법 및 이를 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a path-following induction method performed in a path-following induction system for inducing a mobile body to follow a target path, and a recording medium on which a program for performing the method is recorded.

일 실시예에 따른 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법은, 제어대상이 되는 상기 이동체의 위치와 속도를 제어대상 정보로 획득하는 단계; 상기 목표 경로에 대해 상기 이동체의 위치에 해당하는 최근접점을 계산하는 단계; 상기 목표 경로에 대해 미분 기하적 특성을 계산하는 단계; 상기 제어대상 정보, 상기 최근접점 정보, 상기 목표 경로의 미분 기하적 특성을 기반으로 하여 전방주시각 및 방사상 이격거리로 계산되는 전방주시 벡터를 구하는 단계; 상기 전방주시 벡터를 이용하여 가속도로 주어지는 유도 명령을 생성하는 단계; 및 상기 유도 명령에 따라 상기 이동체의 움직임을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a three-dimensional nonlinear path following induction method, comprising: obtaining position and speed of a moving object to be controlled as control target information; Calculating a closest point corresponding to a position of the moving object with respect to the target path; Calculating a differential geometry characteristic for the target path; Obtaining a forward look-up vector calculated as a front main time and a radial distance based on the control subject information, the nearest point information, and the differential geometric characteristics of the target path; Generating an induction command given by an acceleration using the forward look-up vector; And controlling the movement of the moving object according to the guidance command.

상기 목표 경로는 매개화된 곡선이며, 상기 목표 경로 특성 계산 단계는 상기 최근접점에서 상기 목표 경로의 단위 접벡터, 단위 법벡터, 곡률을 계산할 수 있다.The target path may be a mediated curve, and the target path characteristic calculating step may calculate a unit tangent vector, an unit vector, and a curvature of the target path at the nearest point.

상기 유도 명령의 생성 이전에 설계 변수인 유도 이득 및 경계층 두께의 값이 선택되는 단계를 더 포함할 수 있다.And selecting a value of the inductive gain and the boundary layer thickness, which are design variables, before the generation of the inductive command.

상기 유도 명령은 상기 이동체가 상기 목표 경로 위에 있도록 하고, 상기 이동체의 속도 방향이 상기 목표 경로의 접선 방향과 일치하도록 할 수 있다.The induction command may make the moving body above the target path and make the velocity direction of the moving body coincide with the tangential direction of the target path.

정속 대기속도 경로 추종을 하고자 하는 경우, 상기 유도 명령 생성 단계는 바람 속도가 반영된 상기 이동체의 상대속도 벡터에 직교하는 측면 유도 명령을 생성할 수 있다.When it is desired to follow the constant speed airspeed path, the induction command generation step may generate a side induction command that is orthogonal to the relative speed vector of the moving object in which the wind speed is reflected.

다른 실시예에 따른 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법은, 매개화된 곡선으로 상기 목표 경로가 주어지는 단계; 상기 이동체의 위치 및 속도 정보(

Figure 112014100325213-pat00001
,
Figure 112014100325213-pat00002
,
Figure 112014100325213-pat00003
)를 획득하는 단계; 설계 변수인 유도이득 k 및 경계층 두께
Figure 112014100325213-pat00004
의 값을 선택하는 단계; 상기 이동체의 위치에 해당하는 상기 목표 경로 상의 최근접점 P을 계산하는 단계; 오차 벡터
Figure 112014100325213-pat00005
를 계산하는 단계; 상기 최근접점에서의 단위 접벡터
Figure 112014100325213-pat00006
, 단위 법벡터
Figure 112014100325213-pat00007
, 곡률
Figure 112014100325213-pat00008
을 계산하는 단계; 상기 유도이득, 상기 경계층 두께, 상기 곡률을 이용하여 방사상 이격거리
Figure 112014100325213-pat00009
를 계산하는 단계; 이동된 오차 벡터
Figure 112014100325213-pat00010
를 계산하는 단계; 상기 경계층 두께에 대한 상기 이동된 오차 벡터의 크기의 비의 함수로 주어지는 전방주시각
Figure 112014100325213-pat00011
을 계산하는 단계; 상기 방사상 이격거리 및 상기 전방주시각을 이용하여 전방주시 벡터
Figure 112014100325213-pat00012
를 계산하는 단계; 상기 전방주시 벡터를 이용하여 수직 가속도 명령
Figure 112014100325213-pat00013
을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a 3D nonlinear path following induction method, comprising: a step of giving the target path as an intermediate curve; The position and velocity information of the moving object
Figure 112014100325213-pat00001
,
Figure 112014100325213-pat00002
,
Figure 112014100325213-pat00003
); The design variables k and the thickness of the boundary layer
Figure 112014100325213-pat00004
Selecting a value of < RTI ID = 0.0 > Calculating a nearest point P on the target path corresponding to the position of the moving object; Error vector
Figure 112014100325213-pat00005
; The unit vector at the last contact
Figure 112014100325213-pat00006
, Unit vector
Figure 112014100325213-pat00007
, Curvature
Figure 112014100325213-pat00008
; Using the induction gain, the thickness of the boundary layer, and the curvature,
Figure 112014100325213-pat00009
; The shifted error vector
Figure 112014100325213-pat00010
; And a ratio of the magnitude of the shifted error vector to the thickness of the boundary layer,
Figure 112014100325213-pat00011
; Using the radial spacing distance and the front main clock,
Figure 112014100325213-pat00012
; Using the forward look-up vector,
Figure 112014100325213-pat00013
For example,

상기 방사상 이격거리는 전방주시각 함수가

Figure 112014100325213-pat00014
인 경우
Figure 112014100325213-pat00015
로 계산될 수 있다.The radial spacing is determined by the following equation:
Figure 112014100325213-pat00014
If
Figure 112014100325213-pat00015
Lt; / RTI >

또는 상기 방사상 이격거리는 전방주시각 함수가

Figure 112014100325213-pat00016
인 경우
Figure 112014100325213-pat00017
로 계산될 수 있다.Or the radial spacing is such that the forward principal visual function
Figure 112014100325213-pat00016
If
Figure 112014100325213-pat00017
Lt; / RTI >

정속 대기속도 경로 추종을 하고자 하는 경우, 바람 속도

Figure 112014100325213-pat00018
가 반영된 상대속도
Figure 112014100325213-pat00019
를 계산하는 단계; 상기 수직 가속도 명령 및 상기 상대속도를 이용하여 상기 상대속도 벡터에 직교하는 측면 유도 명령을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 측면 유도 명령은 다음 수학식과 같이 주어질 수 있다.If you want to follow the constant-speed airspeed path,
Figure 112014100325213-pat00018
Relative speed
Figure 112014100325213-pat00019
; Generating the lateral guidance command orthogonal to the relative velocity vector using the vertical acceleration command and the relative velocity. The side guidance command can be given by the following equation.

Figure 112014100325213-pat00020
Figure 112014100325213-pat00020

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
Other aspects, features, and advantages will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.

본 발명의 실시예에 따르면, 무인기와 같은 이동체가 3차원 일반 경로 추종 시에 기존 전방주시점 기반 경로 추종 유도기법에서 발생하는 경로 추종 오차를 제거하고, 경로 추종 자동 비행을 시작할 수 있는 초기 위치 및 속도에 대한 제약을 완화시키는 효과가 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to eliminate a path following error generated in a conventional front viewpoint-based path follow-up technique at the time of a three-dimensional general path following of a moving object such as UAV, There is an effect of alleviating the restriction on the speed.

또한, 목표 경로 위에 상정한 가상의 목표물을 추적하는 기존 기법과 달리 목표 경로의 미분 기하적 특성을 직접 활용하여 계산한 전방주시 벡터를 이용함으로써 수치 계산 측면에서 더 용이하고 실시간성이 더욱 향상된 효과가 있다.In addition, unlike the existing technique of tracking the virtual target assumed on the target path, the use of the forward look-up vector calculated by directly utilizing the differential geometry of the target path makes numerical calculation easier and real- have.

또한, 경로 추종을 기반으로 하는 무인기의 다양한 임무에 활용 가능하며, 특히 장애물 등으로 인해 복잡한 경로를 비행해야 하는 경우 혹은 무인기의 3차원 고기동이 요구되는 경우 해당 무인기가 보다 안전하고 정밀하게 임무를 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.
In addition, it can be applied to various missions of UAV based on path following. Especially, when a complicated route is required due to obstacles or the like, or when a 3-dimensional high-speed operation of UAV is required, the UAV is safer and more precise There is an effect to be able to do.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 곡선의 미분 기하에 기반한 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템의 구성 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡선의 미분 기하에 기반한 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법의 순서도,
도 3은 3차원 경로 추종 문제의 기하적 개념 및 목표 경로의 프레넷-세렛 프레임(Frenet-Serret frame)을 나타낸 도면,
도 4는 곡선의 미분 기하에 기반한 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법의 기하 개념을 나타낸 도면,
도 5는 유도 명령의 방향을 나타낸 도면,
도 6은 유도 명령 설계 과정에서 사용되는 전방주시각 함수를 나타낸 도면,
도 7은 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법의 순서도,
도 8은 3차원 나선형 경로를 목표 경로로 하는 경우의 3차원 궤적을 나타낸 도면,
도 9는 기존 유도 기법 대비 각 축마다의 가속도 성분을 도시한 도면,
도 10은 기존 유도 기법 대비 오차 벡터의 크기에 대한 시간 궤적을 나타낸 도면.
1 is a block diagram of a 3D nonlinear path following guidance system based on a derivative of a curve according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a flowchart of a three-dimensional nonlinear path following induction method based on a differential geometry of a curve according to an embodiment of the present invention;
3 is a diagram showing a geometric concept of a three-dimensional path following problem and a Frenet-Serret frame of a target path,
4 is a diagram showing a geometric concept of a three-dimensional nonlinear path following induction method based on a differential geometry of a curve,
5 is a diagram showing the direction of an instruction instruction,
FIG. 6 is a diagram showing a forward principal time function used in the derivation instruction designing process,
FIG. 7 is a flowchart of a three-dimensional nonlinear path following induction method,
8 is a view showing a three-dimensional trajectory when a three-dimensional helical path is used as a target path,
9 is a graph showing acceleration components for each axis in comparison with a conventional induction method,
10 is a diagram showing a time trajectory with respect to a magnitude of an error vector with respect to a conventional induction technique;

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Also, the terms " part, "" module," and the like, which are described in the specification, mean a unit for processing at least one function or operation, and may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.It is to be understood that the components of the embodiments described with reference to the drawings are not limited to the embodiments and may be embodied in other embodiments without departing from the spirit of the invention. It is to be understood that although the description is omitted, multiple embodiments may be implemented again in one integrated embodiment.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 곡선의 미분 기하에 기반한 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템의 구성 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡선의 미분 기하에 기반한 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법의 순서도이다. FIG. 1 is a block diagram of a three-dimensional nonlinear path following guidance system based on a differential geometry of a curve according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram of a three-dimensional nonlinear And FIG.

본 발명의 일 실시예에 따른 곡선의 미분 기하에 기반한 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템(100)은 곡선의 미분 기하적 특성인 단위 접벡터, 단위 법벡터, 곡률, 곡률 중심 등을 이용하여 전방주시 벡터를 설계하고, 이 전방주시 벡터를 추적 방향벡터로 삼는 수직 가속도 명령을 생성하는 것을 특징으로 한다. The 3D nonlinear path following guidance system 100 based on the differential geometry of the curved line according to an embodiment of the present invention can be applied to a system that uses a differential unit geometry characteristic of a curve, unit vector, curvature, And generating a vertical acceleration command for designating the forward viewing vector as a tracking direction vector.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템(100)은 제어대상 정보획득부(110), 최근접점 계산부(120), 목표 경로 특성 계산부(130), 유도 명령 생성부(140), 이동 제어부(150)를 포함한다. Referring to FIG. 1, a 3D nonlinear path following system 100 according to the present embodiment includes a control object information obtaining unit 110, a closest point calculating unit 120, a target path characteristic calculating unit 130, A generation unit 140, and a movement control unit 150.

제어대상 정보획득부(110)는 제어대상이 되는 이동체의 위치와 속도를 제어대상 정보로 획득한다(단계 S210). The control object information obtaining unit 110 obtains the position and speed of the moving object to be controlled as control object information (step S210).

이동체의 위치, 속도, 가속도 등은 이동체에 설치된 센서를 통해 측정되거나 이동체를 원격 제어하는 관제센터(미도시)를 통해 획득될 수 있다. The position, speed, acceleration, etc. of the moving object can be obtained through a sensor installed on the moving object or through a control center (not shown) for remotely controlling the moving object.

최근접점 계산부(120)는 매개화된 곡선으로 주어지는 목표 경로에 대해 매 순간 이동체의 위치에 해당하는 최근접점을 계산한다(단계 S220). 여기서, 최근접점은 제어대상 이동체로부터 가장 가까이에 있는 목표 경로 상의 한 점을 의미한다. The nearest point calculation unit 120 calculates a nearest point corresponding to the position of the moving object at every moment with respect to the target path given by the mediated curve (step S220). Here, the closest point means a point on the target path closest to the controlled object.

목표 경로 특성 계산부(130)는 목표 경로에 대해 미분 기하적 특성을 계산한다(단계 S230).The target path characteristic calculation unit 130 calculates a differential geometry characteristic with respect to the target path (step S230).

목표 경로는 매개화된 곡선인 바, 곡선의 미분 기하적 특성인 최근접점에서의 단위 접벡터, 단위 법벡터, 곡률을 계산한다. The target path computes the unit tangent vector, the unit vector, and the curvature at the nearest point, which is the differential geometry of the bar, the bar being the median curve.

유도 명령 생성부(140)는 제어대상 정보, 최근접점 정보, 목표 경로의 미분 기하적 특성을 기반으로 하여 전방주시각 및 방사상 이격거리로 계산되는 전방주시 벡터를 구한다(단계 S240). 그리고 최종적으로 가속도로 주어지는 유도 명령을 생성한다(단계 S250). The induction command generator 140 obtains a forward look-up vector calculated by the front main time and the radial distance based on the control object information, the closest contact information, and the differential geometry of the target path (step S240). Finally, an induction command given by the acceleration is generated (step S250).

여기서, 유도 명령의 생성에 앞서 설계 변수인 유도 이득 및 경계층 두께의 값이 선택될 수 있다. Here, the values of the inductive gain and the boundary layer thickness, which are design variables, can be selected prior to generation of the induction command.

전방주시 벡터의 산출 및 유도 명령의 생성에 대해서는 추후 관련 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. The generation of the forward viewing vector and the generation of the induction command will be described in detail later with reference to the related drawings.

이동 제어부(150)는 유도 명령 생성부(140)에서 생성된 유도 명령에 따라 제어대상인 이동체의 가속도를 제어하여 이동체의 움직임을 제어한다(단계 S260).
The movement control unit 150 controls the movement of the moving object by controlling the acceleration of the moving object to be controlled according to the induction command generated by the induction command generating unit 140 (step S260).

이하에서는 본 실시예에 따른 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템에서 수행되는 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the 3D nonlinear path following induction method performed in the 3D nonlinear path following inducing system according to the present embodiment will be described in detail.

본 실시예에 따른 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법을 적용함에 있어, 다음과 같이 가정하기로 한다. In applying the 3D nonlinear path following induction method according to the present embodiment, the following assumption is made.

가정 1. 목표 경로의 평활도 조건(smoothness condition of desired path)Assumptions 1. The smoothness condition of the desired path

목표 경로는 매개화될 수 있으며(parameterized), 2차 미분 가능한 공간 곡선(twice differentiable space curve)이다.The target path can be parameterized and is a twice differentiable space curve.

가정 2. 참조점의 유일성(uniqueness of reference path)Assumption 2. Uniqueness of reference path

목표 경로 상의 최근접점(closest projection point)은 참조점으로서 유일하게 결정될 수 있다.The closest projection point on the target path can be uniquely determined as a reference point.

가정 3. 단위 접벡터의 방향(direction of unit tangent vector)Assumption 3. Direction of unit tangent vector

목표 경로의 단위 접벡터의 방향은 목표 경로 추종 방향에 의해 결정된다.
The direction of the unit tangent vector of the target path is determined by the target path following direction.

도 3은 3차원 경로 추종 문제의 기하적 개념을 보여주며, 목표 경로의 프레넷-세렛 프레임(Frenet-Serret frame)이 도시되어 있다. FIG. 3 shows a geometric concept of a three-dimensional path-following problem, and a Frenet-Serret frame of the target path is shown.

도 3에서 P는 목표 경로(desired path)의 최근접점, M은 제어대상 이동체, r은 관성계(inertial frame)에서 정의된 위치 벡터, v는 속도 벡터,

Figure 112014100325213-pat00021
는 각각 프레넷-세렛 프레임을 구성하는 단위 접벡터(unit tangent vector), 단위 법벡터(unit normal vector) 및 단위 종법벡터(unit binormal vector),
Figure 112014100325213-pat00022
Figure 112014100325213-pat00023
로 매개화된 목표 경로, s 및
Figure 112014100325213-pat00024
는 각각 목표 경로 및 이동체 경로(vehicle path)에 따른 거리를 나타낸다. In Fig. 3, P is a nearest point of a desired path, M is a moving object to be controlled, r is a position vector defined in an inertial frame, v is a velocity vector,
Figure 112014100325213-pat00021
A unit tangent vector, a unit normal vector, and a unit binormal vector, which constitute a frame of a prefetch-let frame,
Figure 112014100325213-pat00022
silver
Figure 112014100325213-pat00023
The target path, s, and
Figure 112014100325213-pat00024
Represents the distance along the target path and the vehicle path, respectively.

설정된 목표 경로

Figure 112014100325213-pat00025
에서, 최근접점 P는 다음과 같이 정의된다.Set Goal Path
Figure 112014100325213-pat00025
, The nearest point P is defined as follows.

(1)

Figure 112014100325213-pat00026
(One)
Figure 112014100325213-pat00026

여기서, 오차 벡터

Figure 112014100325213-pat00027
이다. Here,
Figure 112014100325213-pat00027
to be.

수학식 (1)에 의해 정의된 최근접점에서는 다음과 같이 오차 벡터와 단위 접벡터가 직교한다는 조건이 만족된다.At the nearest point defined by equation (1), the condition that the error vector and the unit tangent vector are orthogonal is satisfied as follows.

(2)

Figure 112014100325213-pat00028
(2)
Figure 112014100325213-pat00028

이동체는

Figure 112014100325213-pat00029
이라는 유도기법에 따라 명령되어지는 것에 똑같은 가속도를 만들어내는 내부 루프 컨트롤러(inner-loop controller)를 구비하고 있는 것으로 가정한다. 여기서, 내부 루프 컨트롤러는 앞서 설명한 이동 제어부(150)에 해당한다.The moving body
Figure 112014100325213-pat00029
It is assumed that it has an inner-loop controller that produces the same acceleration as that commanded by the induction technique of < RTI ID = 0.0 > Here, the inner loop controller corresponds to the movement controller 150 described above.

도 3에 도시된 개념도에서 추론 가능하듯이 정밀 경로 추종이란 다음의 두가지를 만족시키는 것이 목적이다. As can be deduced from the conceptual diagram shown in FIG. 3, the precision path tracking is intended to satisfy the following two conditions.

첫째는 이동체가 목표 경로 위에 있도록 하는 것(on-track)으로, 이것은 M과 P 사이의 거리가 0에 수렴한다는 위치 오차의 수렴성에 대한 것이다. First, it is on-track that the mobile is on the target path, which is about the convergence of the position error that the distance between M and P converges to zero.

둘째는 이동체의 속도 방향이 목표 경로의 접선 방향과 일치하도록 하는 것으로, 이것은

Figure 112014100325213-pat00030
로 표기되는 이동체의 속도 벡터와
Figure 112014100325213-pat00031
사이의 각도가 0에 수렴한다는 속도 방향 오차의 수렴성에 대한 것이다. Second, the velocity direction of the moving object coincides with the tangential direction of the target path,
Figure 112014100325213-pat00030
The velocity vector of the moving object
Figure 112014100325213-pat00031
The convergence of the velocity direction error that the angle between the two angles converges to zero.

즉, 경로 추종 문제는 수학적으로 이동체가

Figure 112014100325213-pat00032
되면 다음 조건을 만족하도록 유도 명령
Figure 112014100325213-pat00033
이 설계됨으로써 해결 가능하게 된다.In other words, the path-following problem is mathematically
Figure 112014100325213-pat00032
The instruction to satisfy the following condition
Figure 112014100325213-pat00033
So that it can be solved.

(3)

Figure 112014100325213-pat00034
(3)
Figure 112014100325213-pat00034

(4)

Figure 112014100325213-pat00035
(4)
Figure 112014100325213-pat00035

수학식 (3)이 만족된다면, 이동체는 목표 경로 상에 있게 될 것이며, 이는 위치 수렴(position convergence)을 의미한다. If Equation (3) is satisfied, the mobile will be on the target path, which means position convergence.

수학식 (4)가 만족된다면, 이동체는 목표 경로의 방향을 따르게 될 것이며, 이는 속도 방향 수렴(velocity direction convergence)을 의미한다.If Equation (4) is satisfied, the moving object will follow the direction of the target path, which means velocity direction convergence.

또한,

Figure 112014100325213-pat00036
인 경우 이동체는 온-트랙(on-track) 상태에 있고,
Figure 112014100325213-pat00037
인 경우 이동체는 정렬(aligned) 상태에 있는 것으로 정의할 수 있다.
Also,
Figure 112014100325213-pat00036
The moving object is in an on-track state,
Figure 112014100325213-pat00037
The moving object can be defined as being in an aligned state.

본 실시예에서는 목표 경로 곡선에 따른 움직임을 설명하기 위해 수정된 프레넷-세렛 프레임을 사용한다. In the present embodiment, a modified Fretnet-Setlet frame is used to describe motion along the target path curve.

미분 기하 관점에서 질점의 속도 및 가속도는 다음과 같이 표현될 수 있다.From the differential geometry perspective, the velocity and acceleration of the particle can be expressed as:

(5)

Figure 112014100325213-pat00038
(5)
Figure 112014100325213-pat00038

(6)

Figure 112014100325213-pat00039
(6)
Figure 112014100325213-pat00039

여기서,

Figure 112014100325213-pat00040
는 곡률(curvature)이다. here,
Figure 112014100325213-pat00040
Is a curvature.

공간 곡선의 형상(shape)은 곡률에만 종속된다. 곡선을 따르는 속력(speed)은 곡선의 형상에 영향을 미치지 않는다. 그러므로, 수학식 (6)에서 수직 가속도 성분인

Figure 112014100325213-pat00041
가 곡선의 형상을 결정한다. The shape of the spatial curve depends only on the curvature. The speed along the curve does not affect the shape of the curve. Therefore, in Expression (6), the vertical acceleration component
Figure 112014100325213-pat00041
Determines the shape of the curve.

그리고 수학식 (6)으로 인해, 공간 곡선을 따른 가속도는 종법선 성분을 가지지 않는다.
And (6), the acceleration along the spatial curve does not have a normal normal component.

본 실시예에 따른 경로 추종 유도 방법에 의해 생성된 이동체의 가속도 명령은 다음 조건을 만족하게 된다. The acceleration command of the moving object generated by the path following induction method according to the present embodiment satisfies the following condition.

정밀 경로 추종을 위해 이동체가 온-트랙 상태 및 정렬 상태를 유지하기 위해서는 다음 명령 조건을 만족할 필요가 있다. In order to keep the on-track state and the alignment state of the mobile body in order to follow the precise path, it is necessary to satisfy the following command condition.

(7)

Figure 112014100325213-pat00042
(7)
Figure 112014100325213-pat00042

(8)

Figure 112014100325213-pat00043
(8)
Figure 112014100325213-pat00043

여기서,

Figure 112014100325213-pat00044
는 수직 가속도에 대한 명령이다. here,
Figure 112014100325213-pat00044
Is a command for vertical acceleration.

수학식 (7)은 이동체 경로의 곡률이 목표 경로의 곡률과 동일해야 함을 나타내고, 수학식 (8)은 비행체의 가속도가 목표 경로에 대해 종법선 성분을 가지지 않아야 함을 의미한다. Equation (7) indicates that the curvature of the moving object path should be the same as the curvature of the target path, and Equation (8) means that the acceleration of the object should not have the normal normal component to the target path.

3차원 비선형 경로 추종 유도 방법을 적용함에 있어 도 4에 도시된 것과 같은 유도 기하 개념이 고려될 수 있다. In applying the 3D nonlinear path following induction method, the induction geometry concept as shown in FIG. 4 can be considered.

도 4는 곡선의 미분 기하에 기반한 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법의 기하 개념을 나타낸 도면이고, 도 5는 유도 명령의 방향을 나타낸 도면이며, 도 6은 유도 명령 설계 과정에서 사용되는 전방주시각 함수를 나타낸 도면이다. 4 is a diagram showing a geometric concept of a three-dimensional nonlinear path following induction method based on a differential geometry of a curve, FIG. 5 is a diagram showing a direction of an induction instruction, Fig.

본 실시예에 따른 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법에서의 유도 명령은 다음과 같이 표현될 수 있다.The induction command in the 3D nonlinear path following induction method according to the present embodiment can be expressed as follows.

(9)

Figure 112014100325213-pat00045
(9)
Figure 112014100325213-pat00045

여기서,

Figure 112014100325213-pat00046
는 수직 유도 명령,
Figure 112014100325213-pat00047
는 유도 이득,
Figure 112014100325213-pat00048
는 이동체의 관성 속도,
Figure 112014100325213-pat00049
은 전방주시 벡터(look-ahead vector)이다. here,
Figure 112014100325213-pat00046
A vertical induction command,
Figure 112014100325213-pat00047
Is the induction gain,
Figure 112014100325213-pat00048
Is the inertia velocity of the moving body,
Figure 112014100325213-pat00049
Is a look-ahead vector.

수직 유도 명령은 관성 속도에 수직한 가속도 성분인 수직 가속도에 대한 유도 명령이다. 도 4에 도시된 것과 같이 전방 주시 벡터

Figure 112014100325213-pat00050
은 d의 방향에서
Figure 112014100325213-pat00051
의 방향으로
Figure 112014100325213-pat00052
의 각도만큼 회전한 단위 벡터이다. The vertical guidance command is an induction command for vertical acceleration, which is an acceleration component perpendicular to the inertia velocity. As shown in FIG. 4,
Figure 112014100325213-pat00050
In the direction of d
Figure 112014100325213-pat00051
In the direction of
Figure 112014100325213-pat00052
Of the unit vector.

수직 가속도

Figure 112014100325213-pat00053
은 벡터 삼중적(vector triple product)에 의해 다음과 같이 표현될 수 있다. Vertical acceleration
Figure 112014100325213-pat00053
Can be expressed by a vector triple product as follows.

(10)

Figure 112014100325213-pat00054
(10)
Figure 112014100325213-pat00054

여기서,

Figure 112014100325213-pat00055
은 임의의 값이다. here,
Figure 112014100325213-pat00055
Is an arbitrary value.

수학식 (5)에서

Figure 112014100325213-pat00056
이고, 수학식 (6)에서
Figure 112014100325213-pat00057
이므로, 다음과 같은 수학식을 얻을 수 있다.In equation (5)
Figure 112014100325213-pat00056
(6)
Figure 112014100325213-pat00057
, The following equation can be obtained.

(11)

Figure 112014100325213-pat00058
(11)
Figure 112014100325213-pat00058

수학식 (11)을 다시 쓰면 다음과 같다.Equation (11) can be rewritten as follows.

(12)

Figure 112014100325213-pat00059
(12)
Figure 112014100325213-pat00059

Figure 112014100325213-pat00060
을 만족하는 몇몇 T에 대해서
Figure 112014100325213-pat00061
라는 사실을 이용하면, 수학식 (12)는 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.
Figure 112014100325213-pat00060
For some Ts that satisfy
Figure 112014100325213-pat00061
, The equation (12) can be rewritten as follows.

(13)

Figure 112014100325213-pat00062
(13)
Figure 112014100325213-pat00062

수학식 (10)에서 수직 가속도 명령은

Figure 112014100325213-pat00063
Figure 112014100325213-pat00064
에 상응하는 벡터 q의 삼중적으로 생성될 수 있다. 그러므로, 유도 기법은 적절한 q의 선택에 의해 구성될 수 있다. 본 실시예에서 q가 후술할 전방주시 효과(look-ahead effect)를 실현하도록
Figure 112014100325213-pat00065
이 제시된다. The vertical acceleration command in equation (10)
Figure 112014100325213-pat00063
and
Figure 112014100325213-pat00064
Lt; RTI ID = 0.0 > q. ≪ / RTI > Therefore, the derivation technique can be constructed by choosing an appropriate q. In this embodiment, q is set so as to realize a look-ahead effect to be described later
Figure 112014100325213-pat00065
.

Figure 112014100325213-pat00066
이라면, 유도 명령의 방향은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014100325213-pat00066
, The direction of the induction command can be expressed as follows.

(14)

Figure 112014100325213-pat00067
(14)
Figure 112014100325213-pat00067

여기서,

Figure 112014100325213-pat00068
이고, b에 수직한 벡터 성분이다(도 5 참조). here,
Figure 112014100325213-pat00068
And is a vector component perpendicular to b (see Fig. 5).

수학식 (9) 및 (10)에 의하면,

Figure 112014100325213-pat00069
의 방향 벡터는 다음과 같이 쓸 수 있다.According to equations (9) and (10)
Figure 112014100325213-pat00069
Can be written as follows.

(15)

Figure 112014100325213-pat00070
(15)
Figure 112014100325213-pat00070

수학식 (9)와 같은 유도 명령에 따른 이동체는 관성속도

Figure 112014100325213-pat00071
을 전방주시 벡터
Figure 112014100325213-pat00072
에 정렬되도록 한다. 전방주시 효과라 칭해지는 이러한 특징은 추적 유도의 속성에서 기인한다.
The moving object according to the induction command such as the equation (9)
Figure 112014100325213-pat00071
Forward vector
Figure 112014100325213-pat00072
. This feature, referred to as the front-viewing effect, is attributed to the trait-inducing nature.

도 4를 참조하면, 전방주시 벡터

Figure 112014100325213-pat00073
는 전방주시각(look-ahead angle)
Figure 112014100325213-pat00074
과 방사상 이격거리(radially shifted distance)
Figure 112014100325213-pat00075
에 의해 만들어진다. 도 4에서 C는 최근접점 P에서 곡률 중심이고, W는 P에서 C로의 직선 상에 정의되는 지점이다. Referring to FIG. 4,
Figure 112014100325213-pat00073
Is a look-ahead angle.
Figure 112014100325213-pat00074
And a radially shifted distance
Figure 112014100325213-pat00075
Lt; / RTI > 4, C is the center of curvature at the nearest point P, and W is a point defined on a straight line from P to C.

Figure 112014100325213-pat00076
는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014100325213-pat00076
Can be expressed as follows.

(16)

Figure 112014100325213-pat00077
(16)
Figure 112014100325213-pat00077

오차 벡터

Figure 112014100325213-pat00078
이므로, M에서 W로의 거리 벡터는 다음과 같이 표현될 수 있다.Error vector
Figure 112014100325213-pat00078
, The distance vector from M to W can be expressed as follows.

(17)

Figure 112014100325213-pat00079
(17)
Figure 112014100325213-pat00079

Figure 112014100325213-pat00080
라 하면, 전방주시 벡터
Figure 112014100325213-pat00081
는 다음과 같이 만들어질 수 있다.
Figure 112014100325213-pat00080
, The front view vector
Figure 112014100325213-pat00081
Can be created as follows.

(18)

Figure 112014100325213-pat00082

(18)
Figure 112014100325213-pat00082

방사상 이격거리

Figure 112014100325213-pat00083
의 값은 수학식 (7) 및 (8)을 이용하여 설명한 바 있는 정밀 경로 추종 조건을 만족시키도록 결정될 수 있다. Radial spacing
Figure 112014100325213-pat00083
Can be determined so as to satisfy the precise path following condition described using equations (7) and (8).

이동체가 온-트랙 상태에 있다면,

Figure 112014100325213-pat00084
이고,
Figure 112014100325213-pat00085
이다. 따라서, 다음과 같은 수학식을 얻을 수 있다.If the mobile is in the on-track state,
Figure 112014100325213-pat00084
ego,
Figure 112014100325213-pat00085
to be. Therefore, the following equation can be obtained.

(19)

Figure 112014100325213-pat00086
(19)
Figure 112014100325213-pat00086

여기서,

Figure 112014100325213-pat00087
Figure 112014100325213-pat00088
의 함수로서 지정된다. here,
Figure 112014100325213-pat00087
silver
Figure 112014100325213-pat00088
. ≪ / RTI >

온-트랙 상태에 더하여, 이동체가 정렬 상태에 있다면,

Figure 112014100325213-pat00089
이고, 따라서 다음과 같은 수학식을 얻을 수 있다.In addition to the on-track state, if the moving object is in an aligned state,
Figure 112014100325213-pat00089
Thus, the following equation can be obtained.

(20)

Figure 112014100325213-pat00090
(20)
Figure 112014100325213-pat00090

수학식 (19)와 (20)을 수학식 (9)에 대체하면, 온-트랙 상태 및 정렬 상태에서 생성되는 명령은 다음과 같이 표현될 수 있다.If the equations (19) and (20) are substituted into the equation (9), the command generated in the on-track state and the alignment state can be expressed as follows.

(21)

Figure 112014100325213-pat00091
(21)
Figure 112014100325213-pat00091

수학식 (8)이 수학식 (21)에 의해 만족됨을 알 수 있다. It can be seen that equation (8) is satisfied by equation (21).

또한, 수학식 (21)의 유도 명령은 다음과 같이 수학식 (7)을 만족해야 한다. In addition, the induction command of Equation (21) must satisfy Equation (7) as follows.

(22)

Figure 112014100325213-pat00092
(22)
Figure 112014100325213-pat00092

따라서, 방사상 이격거리

Figure 112014100325213-pat00093
는 정밀 경로 추종을 위해 다음 조건을 만족해야 한다.Therefore,
Figure 112014100325213-pat00093
The following conditions must be met for precise path following.

(23)

Figure 112014100325213-pat00094
(23)
Figure 112014100325213-pat00094

경로 추종에서 전방주시 효과를 실현하기 위해 전방주시각

Figure 112014100325213-pat00095
은 몇가지 조건을 만족시킬 필요가 있다. In order to realize the effect of forward gaze on pathfinding,
Figure 112014100325213-pat00095
It is necessary to satisfy several conditions.

도 4에 도시된 것과 같이 W를 관통하고

Figure 112014100325213-pat00096
에 평행한 축 주위에서 반경
Figure 112014100325213-pat00097
을 가지는 가상의 실린더를 가정한다. 이 실린더는 경계층(boundary layer)이라 칭하고,
Figure 112014100325213-pat00098
은 경계층 두께라 한다. As shown in Fig. 4,
Figure 112014100325213-pat00096
Lt; RTI ID = 0.0 >
Figure 112014100325213-pat00097
Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI > This cylinder is referred to as a boundary layer,
Figure 112014100325213-pat00098
Is the boundary layer thickness.

유도 명령 설계 과정에서 전방주시각

Figure 112014100325213-pat00099
은 경계층 두께
Figure 112014100325213-pat00100
에 대한 d 벡터(이동된 오차 벡터)의 크기의 비의 함수로 주어지며, 전방주시각 함수로 다음의 두 가지 중 한 가지를 선택하여 사용하면 된다. In the induction command design process,
Figure 112014100325213-pat00099
Boundary Layer Thickness
Figure 112014100325213-pat00100
And the size of the d vector (the shifted error vector). The following two functions can be selected as the forward principal visual function.

(24)

Figure 112014100325213-pat00101
(24)
Figure 112014100325213-pat00101

(25)

Figure 112014100325213-pat00102
(25)
Figure 112014100325213-pat00102

도 6에는 유도 명령 설계 과정에서 사용되는 전방주시각 함수가 도시되어 있으며, 각각 BL 함수(수학식 (24))와 acos 함수(수학식 (25))를 나타낸다. FIG. 6 shows the forward main visual functions used in the inductive command design process, and shows the BL function (equation (24)) and the acos function (equation (25)), respectively.

방사상 이격거리는 전방주시각을 어느 것으로 택하느냐에 달려 있다. 만약 전방주시각 함수로 첫번째의 BL 함수(수학식 (24))를 선택할 경우에는 다음과 같이 계산된다.The radial distance depends on which frontal view is taken. If the first BL function (Equation (24)) is selected as the forward principal visual function, then it is calculated as follows.

(26)

Figure 112014100325213-pat00103
(26)
Figure 112014100325213-pat00103

그리고 전방주시각 함수로 두번째의 acos 함수(수학식 (25))를 선택할 경우에는 다음과 같이 계산된다.And the second acos function (equation (25)) is selected as the forward principal visual function, it is calculated as follows.

(27)

Figure 112014100325213-pat00104
(27)
Figure 112014100325213-pat00104

유도 명령의 크기는

Figure 112014100325213-pat00105
에 의해 한계를 가진다(bounded). The size of the induction command is
Figure 112014100325213-pat00105
And is bounded by.

본 실시예에 따른 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법에서는 2개의 설계 변수가 존재하며, 이는 유도 이득 k와 경계층 두께

Figure 112014100325213-pat00106
이다. In the 3D nonlinear path following induction method according to the present embodiment, there are two design variables, which are the induction gain k and the boundary layer thickness
Figure 112014100325213-pat00106
to be.

유도 이득 k는 명령의 양에 영향을 미친다. 이동체의 초기 위치가 경계층 외부에 있다면, 경계층 두께는 이동체가 속도 벡터를 목표 경로의 방향으로 조종하기 시작하는 위치를 결정한다. 따라서, 본 실시예에 따른 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법은 이동체의 초기 위치에 관계없이 자율 비행 모드를 적용할 수 있다. The derivative gain k affects the amount of instruction. If the initial position of the moving body is outside the boundary layer, the thickness of the boundary layer determines the position at which the moving body starts to steer the velocity vector in the direction of the target path. Therefore, the 3D nonlinear path following induction method according to the present embodiment can apply the autonomous flight mode irrespective of the initial position of the moving object.

또한, 본 실시예에 따른 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법은 특이점 문제가 발생하지 않는다. In addition, the 3D nonlinear path following induction method according to the present embodiment does not cause a problem of singularity.

본 실시예에 따른 유도 방법과 기존의 전방주시점 기반 유도 방법의 주요 차이점은 본 실시예에 따른 유도 방법이 전방주시점이 아니라 전방주시각에 의한 전방주시 효과를 실체화하고 있다는 것이다. The main difference between the induction method according to the present embodiment and the conventional forward main point-based induction method is that the induction method according to the present embodiment realizes the forward-looking effect by the front main point, not the forward point of view.

전방주시점에 기반한 경로 추종 유도 방법은 다음과 같이 주어진다.The path follow-up method based on the forward viewpoint is given as follows.

(28)

Figure 112014100325213-pat00107
(28)
Figure 112014100325213-pat00107

Figure 112014100325213-pat00108
은 이동체에 대해 특정 거리
Figure 112014100325213-pat00109
만큼 전방에 위치하고 있는, 목표 경로 상의 전방주시점의 상대적인 위치 벡터에 의해 정의되는 전방주시 벡터이다. 이 유도 방법은 목표 경로가 일정한 곡률을 가지는 2차원 곡선이 아닌 경우에는 정밀 경로 추종 조건을 만족할 수 없게 된다.
Figure 112014100325213-pat00108
Lt; RTI ID = 0.0 >
Figure 112014100325213-pat00109
And is a forward-looking vector defined by the relative position vector of the forward main view on the target path. This derivation method can not satisfy the precise path following condition if the target path is not a two-dimensional curve having a constant curvature.

이는 이동체가 온-트랙 상태 및 정렬 상태에 있을지라도 다음과 같은 결과를 보이기 때문이다. This is because even if the moving object is in an on-track state and an alignment state, the following result is obtained.

Figure 112014100325213-pat00110

Figure 112014100325213-pat00110

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 정속 대기속도(constant airspeed) 경로 추종을 위해 유도 명령 생성 과정에서 일부 수정이 이루어질 수 있다. In accordance with another embodiment of the present invention, some modifications may be made to the induction command generation process for constant airspeed path tracking.

바람 속도

Figure 112014100325213-pat00111
가 0(zero)이 아닐 때, 관성 속도
Figure 112014100325213-pat00112
는 바람의 영향으로 상대속도
Figure 112014100325213-pat00113
와 동일하지 않게 된다. 그러므로, 수직 유도 명령
Figure 112014100325213-pat00114
Figure 112014100325213-pat00115
에 접하는 성분을 가지며, 실제 대기속도(airspeed)를 변경하는 것은 쉽지 않기 때문에 이상적이지 않게 된다. 따라서 실제 비행 상황에서 정속 대기속도를 유지하는 것이 정속 대지속도(constant ground speed)를 유지하는 것보다 우수한 성능을 나타낸다. Wind speed
Figure 112014100325213-pat00111
Is not zero, the inertial velocity < RTI ID = 0.0 >
Figure 112014100325213-pat00112
The relative speed
Figure 112014100325213-pat00113
. ≪ / RTI > Therefore,
Figure 112014100325213-pat00114
silver
Figure 112014100325213-pat00115
And it is not ideal to change the actual airspeed because it is not easy to change the airspeed. Therefore, maintaining the constant airspeed in real flight conditions is superior to maintaining the constant ground speed.

수직 유도 명령

Figure 112014100325213-pat00116
에서 다음의 명령 수정 로직에 따라 수정된
Figure 112014100325213-pat00117
를 측면 유도 명령(side guidance command)이라 하기로 한다. Vertical induction command
Figure 112014100325213-pat00116
Modified according to the following command modification logic
Figure 112014100325213-pat00117
Is referred to as a side guidance command.

정속 대기속도를 유지하기 위해서는 이동체의 가속도가 다음의 조건을 만족해야 하므로 상대속도

Figure 112014100325213-pat00118
에 직교(orthogonal)해야 한다. In order to maintain the constant speed, the acceleration of the moving object must satisfy the following condition,
Figure 112014100325213-pat00118
To be orthogonal.

(29)

Figure 112014100325213-pat00119
(29)
Figure 112014100325213-pat00119

앞서 설명한 것과 같이 곡선의 형상은 곡선을 따른 관성 속력이 아니라 수직 가속도에만 종속적이다. 그러므로 접선 가속도가 무엇이던지 간에 경로 추종 능력을 보존하기 위해 수직 가속도는 수학식 (9)와 동일해야 하므로, 다음 조건이 만족되어야 한다. As described above, the shape of the curve depends not only on the inertia velocity along the curve but also on the vertical acceleration. Therefore, whatever the tangential acceleration, the vertical acceleration must be equal to Equation (9) in order to preserve the path following ability, so the following condition must be satisfied.

(30)

Figure 112014100325213-pat00120
(30)
Figure 112014100325213-pat00120

수학식 (30)을 다시 쓰면 다음과 같다.Equation (30) can be rewritten as follows.

(31)

Figure 112014100325213-pat00121
(31)
Figure 112014100325213-pat00121

측면 유도 명령은 종법선 성분의 생성을 피하기 위해

Figure 112014100325213-pat00122
Figure 112014100325213-pat00123
에 의해 정의된 평면에 놓여져야 하므로, 다음과 같다.Side-guided commands are used to avoid generating
Figure 112014100325213-pat00122
And
Figure 112014100325213-pat00123
As shown in the following table.

(32)

Figure 112014100325213-pat00124
(32)
Figure 112014100325213-pat00124

수학식 (29), (31), (32)를 행렬 방정식으로 다시 쓰면 다음과 같다.The equations (29), (31), and (32) can be rewritten as matrix equations as follows.

(33)

Figure 112014100325213-pat00125
(33)
Figure 112014100325213-pat00125

결과적으로 수정된 측면 유도 명령은 다음과 같이 주어질 수 있다.As a result, the modified side derivation command can be given as follows.

(34)

Figure 112014100325213-pat00126

(34)
Figure 112014100325213-pat00126

지금까지 설명한 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법의 순서도가 도 7에 도시되어 있다. 도 7의 각 단계들은 도 1에 도시된 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템(100)의 각 구성요소에 의해 수행될 수 있다. A flowchart of the three-dimensional nonlinear path following induction method described so far is shown in Fig. 7 may be performed by each component of the 3D nonlinear path following guidance system 100 shown in FIG.

제어대상 정보획득부(110)에는 매개화된 곡선으로 목표 경로

Figure 112014100325213-pat00127
가 주어진다. 그리고 제어대상 정보획득부(110)는 이동체의 위치 및 속도 정보(
Figure 112014100325213-pat00128
,
Figure 112014100325213-pat00129
,
Figure 112014100325213-pat00130
)를 획득하고, 설계변수인 유도이득 k, 경계층 두께
Figure 112014100325213-pat00131
의 값을 선택한다(단계 S310). The control target information obtaining section 110 is provided with a target curve
Figure 112014100325213-pat00127
Is given. The control object information obtaining unit 110 obtains the position and velocity information of the moving object
Figure 112014100325213-pat00128
,
Figure 112014100325213-pat00129
,
Figure 112014100325213-pat00130
), And the design variable k, the boundary layer thickness
Figure 112014100325213-pat00131
(Step S310).

최근접점 계산부(120)는 매 순간 이동체의 위치에 해당하는 최근접점 P를 수학식 (1)에 의해 결정한다(단계 S320). 오차 벡터(error vector)

Figure 112014100325213-pat00132
도 계산할 수 있다. The nearest point calculation unit 120 determines the nearest point P corresponding to the position of the mobile at every moment by using the equation (1) (step S320). The error vector
Figure 112014100325213-pat00132
Can also be calculated.

목표 경로 특성 계산부(130)는 최근접점에서 단위 접벡터

Figure 112014100325213-pat00133
, 단위 법벡터
Figure 112014100325213-pat00134
, 곡률
Figure 112014100325213-pat00135
를 계산한다(단계 S330). The target path characteristic calculation unit 130 calculates the target path characteristic
Figure 112014100325213-pat00133
, Unit vector
Figure 112014100325213-pat00134
, Curvature
Figure 112014100325213-pat00135
(Step S330).

유도 명령 생성부(140)는 수학식 (27)(혹은 수학식 (26))에 의해 방사상 이격거리

Figure 112014100325213-pat00136
를 계산한다(단계 S340).The induction command generation unit 140 generates the induction command by using the equation (27) (or the equation (26)
Figure 112014100325213-pat00136
(Step S340).

그리고 수학식 (16)에 의해 경계층 중심점(W)의 거리벡터

Figure 112014100325213-pat00137
, 수학식 (17)에 의해 이동체(M)에서 W로의 거리벡터, 즉 이동된 오차 벡터(shifted error vector) d, 수학식 (25)(혹은 수학식 (24))에 의해 전방주시각
Figure 112014100325213-pat00138
을 계산한다(단계 S350). Then, the distance vector of the center point W of the boundary layer is calculated by the equation (16)
Figure 112014100325213-pat00137
, A distance vector from the moving object M to W, that is, a shifted error vector d, and Equation (25) (or Equation (24)) by Equation (17)
Figure 112014100325213-pat00138
(Step S350).

그리고 수학식 (18)에 의해 전방주시 벡터

Figure 112014100325213-pat00139
을 계산한다(단계 S360). Then, according to the equation (18)
Figure 112014100325213-pat00139
(Step S360).

이후 수학식 (19)에 의해 수직 유도 명령

Figure 112014100325213-pat00140
을 계산하고(단계 S370), 이를 출력한다(단계 S380). Thereafter, the vertical induction command < RTI ID = 0.0 >
Figure 112014100325213-pat00140
(Step S370), and outputs it (step S380).

도면에서는 도시되지 않았지만, 단계 S380 이전에 정속 대기속도 경로 추종이 요구되는 경우에는 수학식 (34)에 따라 측면 유도 명령

Figure 112014100325213-pat00141
를 계산하고, 이를 출력할 수도 있다. Although it is not shown in the drawing, when the constant-speed-of-air-speed-path following is required before step S380,
Figure 112014100325213-pat00141
And output it.

도 2 및/또는 도 7에 도시된 곡선 미분에 기반한 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법은 디지털 처리 장치(3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템(100))에 내장되거나 설치된 프로그램 등에 의해 시계열적 순서에 따른 자동화된 절차로 수행될 수도 있음은 당연하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 디지털 처리 장치가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 디지털 처리 장치에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체를 포함한다.The three-dimensional nonlinear path following induction method based on the curved differential shown in FIG. 2 and / or FIG. 7 can be implemented by a time series sequential automation by a program built in or installed in a digital processing apparatus (three- dimensional nonlinear path following system 100) It is of course also possible to carry out this procedure. The codes and code segments that make up the program can be easily deduced by a computer programmer in the field. In addition, the program is stored in a computer readable medium readable by the digital processing apparatus, and is read and executed by the digital processing apparatus to implement the method. The information storage medium includes a magnetic recording medium and an optical recording medium.

본 실시예에 따른 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법의 성능을 보여주는 수치 시뮬레이션 수행 결과에 대해 관련 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 경로 추종 성능의 비교를 위해 기존의 유도 기법에 대한 수치 시뮬레이션도 같이 수행되었다. The results of the numerical simulation showing the performance of the 3D nonlinear path following induction method according to the present embodiment will be described with reference to the related drawings. Numerical simulations of the conventional induction method were also performed for comparison of the path following performance.

도 8은 3차원 나선형 경로를 목표 경로로 하는 경우의 3차원 궤적을 나타낸 도면이고, 도 9는 기존 유도 기법 대비 각 축마다의 가속도 성분을 도시한 도면이며, 도 10은 기존 유도 기법 대비 오차 벡터의 크기에 대한 시간 궤적을 나타낸 도면이다. FIG. 8 is a view showing a three-dimensional trajectory when a three-dimensional spiral path is used as a target path, FIG. 9 is a diagram showing acceleration components for each axis with respect to a conventional induction technique, Of FIG.

도 8을 참조하면, 3차원 궤적이 나타나 있으며, 빨간 선(410)은 주어진 목표 경로, 파란 선(420)은 본 실시예에 따른 유도 기법의 결과, 검정 선(430)은 기존 유도 기법의 결과를 나타낸다. Referring to FIG. 8, a three-dimensional trajectory is shown, a red line 410 is a given target path, a blue line 420 is a result of the induction technique according to the present embodiment, a black line 430 is a result of a conventional induction technique .

도면에서 확인할 수 있듯이 본 실시예에 따른 유도 기법의 결과는 목표 경로와 거의 일치하는 모습을 보인다. 이를 통해 기존 유도 기법에 비해 경로 추종 오차가 더 작음을 알 수 있다. As can be seen from the figure, the result of the induction technique according to the present embodiment almost coincides with the target path. This shows that the path tracking error is smaller than the conventional induction method.

도 9를 참조하면, 각 축마다의 가속도 성분이 도시되어 있다. 본 실시예에 따른 유도 기법과 기존 유도 기법 모두 입력의 양에 해당하는 유도 명령의 크기는 크게 차이가 없음을 알 수 있다. 보통 입력/명령의 크기가 클수록 오차가 작음을 고려할 때, 본 실시예에 따른 유도 기법은 기존 유도 기법과 명령의 크기를 비슷한 정도이면서도 더 작은 경로 추종 오차를 보인다는 장점이 있다. Referring to Fig. 9, acceleration components for each axis are shown. It can be seen that the size of the induction command corresponding to the amount of input is not greatly different in both the induction technique and the conventional induction technique according to the present embodiment. Considering the fact that the larger the size of the input / command is, the smaller the error, the induction technique according to the present embodiment is advantageous in that the induction technique and the command size are similar to each other but a smaller path following error is exhibited.

도 10을 참조하면, 오차 벡터의 크기에 대한 시각 궤적이 나타나 있다. 앞서 3차원 궤적에서 예측하였던 것과 같이 기존 유도 기법에 비해 본 실시예에 따른 유도 기법이 더 작은 경로 추종 오차를 나타냄을 알 수 있고, 기존 유도 기법의 경우 어느 시간 이후로는 더 이상 경로 추종 오차가 감소하지 않음을 알 수 있다. Referring to FIG. 10, a visual trajectory for the magnitude of the error vector is shown. It can be seen that the induction method according to the present embodiment shows a smaller path following error than the conventional induction method as previously predicted from the three-dimensional trajectory. In the case of the conventional induction method, the path following error It can be seen that it does not decrease.

도 8 내지 도 10을 종합적으로 살펴볼 때 기존 유도 기법에 비해 본 실시예에 따른 유도 기법이 우수한 경로 추종 성능을 보임을 알 수 있다. 8 to 10, it can be seen that the induction method according to the present embodiment shows superior path following performance as compared with the conventional induction technique.

본 실시예에 따른 경로 추종 유도 기법은 지정된 경로를 추종하도록 하는 명령을 생성하므로, 고정익 또는 회전익 항공기는 물론 차량과 선박 및 잠수정 등의 이동체가 정해진 경로를 따라 가면서 수행해야 하는 다양한 임무에 활용이 가능하다. 따라서, 다양한 시스템의 정밀한 자동 운용에 적용될 수 있으며, 일례로 적절한 경로 생성 방법과 연계될 경우 유무인 항공기 또는 자동차의 충돌 회피 및 사고 방지에 활용이 가능할 것이다.
The route follow-induction technique according to the present embodiment generates an instruction to follow a designated route, so that it can be used for various tasks that must be performed while following a fixed route, such as a fixed wing or a rotary wing aircraft, Do. Accordingly, the present invention can be applied to precise automatic operation of various systems. For example, it can be used to avoid collision of an aircraft or an automobile when there is an appropriate path generation method, and to prevent an accident.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the following claims And changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention.

100: 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템
110: 제어대상 정보획득부 120: 최근접점 계산부
130: 목표 경로 특성 계산부 140: 유도 명령 생성부
150: 이동 제어부
100: 3D nonlinear path following guidance system
110: Control target information acquisition unit 120: Nearest point calculation unit
130: Target path characteristic calculation unit 140: Induction command generation unit
150:

Claims (16)

이동체가 목표 경로를 추종하도록 유도하는 경로 추종 유도 시스템으로서,
제어대상이 되는 상기 이동체의 위치와 속도를 제어대상 정보로 획득하는 제어대상 정보획득부;
매개화된 곡선으로 주어지는 상기 목표 경로에 대해 상기 이동체의 위치에 해당하는 최근접점을 계산하는 최근접점 계산부;
상기 목표 경로에 대해 미분 기하적 특성을 계산하는 목표 경로 특성 계산부;
상기 제어대상 정보, 상기 최근접점 정보, 상기 목표 경로의 미분 기하적 특성을 기반으로 하여 전방주시각 및 방사상 이격거리로 계산되는 전방주시 벡터를 구하고, 가속도로 주어지는 유도 명령을 생성하는 유도 명령 생성부; 및
상기 유도 명령에 따라 상기 이동체의 움직임을 제어하는 이동 제어부를 포함하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템.
A path following guidance system for guiding a mobile body to follow a target path,
A control object information obtaining unit that obtains the position and speed of the moving object to be controlled as control object information;
A nearest point calculating unit for calculating a nearest point corresponding to a position of the moving object with respect to the target path given by a mediated curve;
A target path characteristic calculation unit for calculating a differential geometry characteristic with respect to the target path;
An induction command generator for obtaining a forward look-up vector calculated as a front main time and a radial distance based on the control subject information, the nearest point information, and the differential geometric characteristics of the target path and generating an induction command given by acceleration, ; And
And a movement controller for controlling the movement of the moving object according to the induction command.
제1항에 있어서,
상기 목표 경로 특성 계산부는 상기 최근접점에서 상기 목표 경로의 단위 접벡터(unit tangent vector), 단위 법벡터(unit normal vector), 곡률(curvature)을 계산하는 것을 특징으로 하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the target path characteristic calculation unit calculates a unit tangent vector, a unit normal vector, and a curvature of the target path at the nearest point, .
제1항에 있어서,
상기 유도 명령의 생성 이전에 설계 변수인 유도 이득 및 경계층 두께의 값이 선택되는 것을 특징으로 하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein a value of the inductive gain and the boundary layer thickness, which are design variables, is selected prior to the generation of the induction command.
제1항에 있어서,
상기 유도 명령은 상기 이동체가 상기 목표 경로 위에 있도록 하고, 상기 이동체의 속도 방향이 상기 목표 경로의 접선 방향과 일치하도록 하는 것을 특징으로 하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the induction command causes the moving body to be on the target path so that the velocity direction of the moving body coincides with the tangential direction of the target path.
제1항에 있어서,
정속 대기속도(constant airspeed) 경로 추종을 하고자 하는 경우,
상기 유도 명령 생성부는 바람 속도가 반영된 상기 이동체의 상대속도 벡터에 직교(orthogonal)하는 측면 유도 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 시스템.
The method according to claim 1,
If you want to follow a constant airspeed path,
Wherein the induction command generator generates a side induction command that is orthogonal to a relative speed vector of the moving object in which the wind speed is reflected.
이동체가 목표 경로를 추종하도록 유도하는 경로 추종 유도 시스템에서 수행되는 경로 추종 유도 방법으로서,
제어대상이 되는 상기 이동체의 위치와 속도를 제어대상 정보로 획득하는 단계;
매개화된 곡선으로 주어지는 상기 목표 경로에 대해 상기 이동체의 위치에 해당하는 최근접점을 계산하는 단계;
상기 목표 경로에 대해 미분 기하적 특성을 계산하는 단계;
상기 제어대상 정보, 상기 최근접점 정보, 상기 목표 경로의 미분 기하적 특성을 기반으로 하여 전방주시각 및 방사상 이격거리로 계산되는 전방주시 벡터를 구하는 단계;
상기 전방주시 벡터를 이용하여 가속도로 주어지는 유도 명령을 생성하는 단계; 및
상기 유도 명령에 따라 상기 이동체의 움직임을 제어하는 단계를 포함하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법.
A path following induction method performed in a path following guidance system for inducing a mobile body to follow a target path,
Obtaining position and speed of the moving object to be controlled as control object information;
Calculating a closest point corresponding to the position of the mobile object with respect to the target path given by the mediated curve;
Calculating a differential geometry characteristic for the target path;
Obtaining a forward look-up vector calculated as a front main time and a radial distance based on the control subject information, the nearest point information, and the differential geometric characteristics of the target path;
Generating an induction command given by an acceleration using the forward look-up vector; And
And controlling the movement of the moving object according to the induction command.
제6항에 있어서,
상기 목표 경로 특성 계산 단계는 상기 최근접점에서 상기 목표 경로의 단위 접벡터(unit tangent vector), 단위 법벡터(unit normal vector), 곡률(curvature)을 계산하는 것을 특징으로 하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the target path characteristic calculation step calculates a unit tangent vector, a unit normal vector, and a curvature of the target path at the nearest point, Way.
제6항에 있어서,
상기 유도 명령의 생성 이전에 설계 변수인 유도 이득 및 경계층 두께의 값이 선택되는 단계를 더 포함하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법.
The method according to claim 6,
Further comprising the step of selecting values of the inductive gain and the boundary layer thickness which are design variables before the generation of the inductive command.
제6항에 있어서,
상기 유도 명령은 상기 이동체가 상기 목표 경로 위에 있도록 하고, 상기 이동체의 속도 방향이 상기 목표 경로의 접선 방향과 일치하도록 하는 것을 특징으로 하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the induction command causes the moving body to be on the target path so that the velocity direction of the moving body coincides with the tangential direction of the target path.
제6항에 있어서,
정속 대기속도(constant airspeed) 경로 추종을 하고자 하는 경우,
상기 유도 명령 생성 단계는 바람 속도가 반영된 상기 이동체의 상대속도 벡터에 직교(orthogonal)하는 측면 유도 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법.
The method according to claim 6,
If you want to follow a constant airspeed path,
Wherein the induction command generation step generates a side induction command that is orthogonal to a relative speed vector of the moving object in which the wind speed is reflected.
이동체가 목표 경로를 추종하도록 유도하는 경로 추종 유도 시스템에서 수행되는 경로 추종 유도 방법으로서,
상기 목표 경로가 매개화된 곡선으로 주어지는 단계;
상기 이동체의 위치 및 속도 정보(
Figure 112016108491431-pat00172
,
Figure 112016108491431-pat00173
,
Figure 112016108491431-pat00174
)를 획득하는 단계;
설계 변수인 유도이득k 및 경계층 두께
Figure 112016108491431-pat00175
의 값을 선택하는 단계;
상기 이동체의 위치에 해당하는 상기 목표 경로 상의 최근접점P을 계산하는 단계;
오차 벡터
Figure 112016108491431-pat00176
를 계산하는 단계;
상기 최근접점에서의 단위 접벡터
Figure 112016108491431-pat00177
, 단위 법벡터
Figure 112016108491431-pat00178
, 곡률
Figure 112016108491431-pat00179
을 계산하는 단계;
상기 유도이득, 상기 경계층 두께, 상기 곡률을 이용하여 방사상 이격거리
Figure 112016108491431-pat00180
를 계산하는 단계;
이동된 오차 벡터
Figure 112016108491431-pat00181
를 계산하는 단계;
상기 경계층 두께에 대한 상기 이동된 오차 벡터의 크기의 비의 함수로 주어지는 전방주시각
Figure 112016108491431-pat00182
을 계산하는 단계;
상기 방사상 이격거리 및 상기 전방주시각을 이용하여 전방주시 벡터
Figure 112016108491431-pat00183
를 계산하는 단계;
상기 전방주시 벡터를 이용하여 수직 가속도 명령
Figure 112016108491431-pat00184
을 생성하는 단계를 포함하는3차원 비선형 경로 추종 유도 방법.
A path following induction method performed in a path following guidance system for inducing a mobile body to follow a target path,
The target path being given as a mediated curve;
The position and velocity information of the moving object
Figure 112016108491431-pat00172
,
Figure 112016108491431-pat00173
,
Figure 112016108491431-pat00174
);
The design variables k and the thickness of the boundary layer
Figure 112016108491431-pat00175
Selecting a value of < RTI ID = 0.0 >
Calculating a nearest point P on the target path corresponding to the position of the moving object;
Error vector
Figure 112016108491431-pat00176
;
The unit vector at the last contact
Figure 112016108491431-pat00177
, Unit vector
Figure 112016108491431-pat00178
, Curvature
Figure 112016108491431-pat00179
;
Using the induction gain, the thickness of the boundary layer, and the curvature,
Figure 112016108491431-pat00180
;
The shifted error vector
Figure 112016108491431-pat00181
;
And a ratio of the magnitude of the shifted error vector to the thickness of the boundary layer,
Figure 112016108491431-pat00182
;
Using the radial spacing distance and the front main clock,
Figure 112016108491431-pat00183
;
Using the forward look-up vector,
Figure 112016108491431-pat00184
Dimensional nonlinear path following induction method.
제11항에 있어서,
상기 방사상 이격거리는 전방주시각 함수가
Figure 112014100325213-pat00155
인 경우
Figure 112014100325213-pat00156
로 계산되는 것을 특징으로 하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법.
12. The method of claim 11,
The radial spacing is determined by the following equation:
Figure 112014100325213-pat00155
If
Figure 112014100325213-pat00156
Dimensional nonlinear path following induction method.
제11항에 있어서,
상기 방사상 이격거리는 전방주시각 함수가
Figure 112014100325213-pat00157
인 경우
Figure 112014100325213-pat00158
로 계산되는 것을 특징으로 하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법.
12. The method of claim 11,
The radial spacing is determined by the following equation:
Figure 112014100325213-pat00157
If
Figure 112014100325213-pat00158
Dimensional nonlinear path following induction method.
제11항에 있어서,
정속 대기속도(constant airspeed) 경로 추종을 하고자 하는 경우,
바람 속도
Figure 112014100325213-pat00159
가 반영된 상대속도
Figure 112014100325213-pat00160
를 계산하는 단계;
상기 수직 가속도 명령 및 상기 상대속도를 이용하여 상기 상대속도 벡터에 직교(orthogonal)하는 측면 유도 명령을 생성하는 단계를 더 포함하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법.
12. The method of claim 11,
If you want to follow a constant airspeed path,
Wind speed
Figure 112014100325213-pat00159
Relative speed
Figure 112014100325213-pat00160
;
Generating a lateral induction command orthogonal to the relative velocity vector using the vertical acceleration command and the relative velocity.
제14항에 있어서,
상기 측면 유도 명령은 다음 수학식과 같이 주어지는 것을 특징으로 하는 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법.
Figure 112014100325213-pat00161

15. The method of claim 14,
Wherein the side guidance command is given by the following equation: < EMI ID = 1.0 >
Figure 112014100325213-pat00161

제6항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 3차원 비선형 경로 추종 유도 방법을 수행하기 위해 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 프로그램을 기록한 기록매체.
A recording medium on which a program that can be read by a digital processing apparatus is recorded for performing the three-dimensional nonlinear path following guidance method according to any one of claims 6 to 15.
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