KR102093918B1 - 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법 - Google Patents

조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자광학 표적추적장비(Electronic Optical Targeting Pod, E0_TGP)의 시선(Line of Sight, LOS) 이동 안정화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 김발(Gimbal)의 자세에 따라 조이스틱 명령에 대해 적절한 시선 이동이 이루어질 수 있도록 하는 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법에 의하면, 조종사의 조이스틱 명령에 따라 원하는 방향으로 움직일수 있는 목표 가상 좌표계를 설정하고, 상기 목표 가상 좌표계의 시선 벡터와 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터를 맵핑시킨 후 미분 운동 방정식을 모델링하여 각 김발의 속도 명령으로 변환하고, 이렇게 변환된 각 김발의 속도 명령을 각 김발의 구동모터로 입력하여 상기 각 김발의 구동을 제어함으로써 각 김발의 자세에 따라 조종사가 조이스틱을 통해 입력하는 조이스틱 명령에 대해 적절하게 시선 이동이 이루어질 수 있도록 하여 전자광학 표적추적장비의 시선 이동을 안정화시킬 수 있다.

Description

조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법{LINE OF SIGHT MOVING STABILIZATION METHOD OF ELECTRO-OPTICAL TARGETTING POD FOR JOYSTICK COMMAND}
본 발명은 전자광학 표적추적장비(Electronic Optical Targeting Pod, E0_TGP)의 시선(Line of Sight, LOS) 이동 안정화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 김발(Gimbal)의 자세에 따라 조이스틱 명령에 대해 적절한 시선 이동이 이루어지도록 하는 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법에 관한 것이다.
항공기에 장착되는 전자광학 추적장비(Electro-Optical Tracking System, ETOS)는 표적을 추적하고, 영상을 안정화하는 기능과 더불어 조종사의 명령에 따라 시선을 이동하여 원하는 지역의 영상을 전시하는 등의 다양한 기능이 요구된다. 특히 전투기에 사용되는 전자광학 표적추적장비(Electronic Optical Targeting Pod, EO-TGP)는 조종사의 조이스틱 명령에 대한 시선 이동 기능이 더욱 중요하게 요구된다.
일반적으로, 관측용 전자광학 추적장비는 단순히 조이스틱 명령에 대응되는 방향의 김발(Gimbal)을 구동하여 시선(Line oF Sight, LOS) 이동이 이루어진다. 예를 들어, 조이스틱 명령을 가로방향으로 입력하였을 경우 단순히 방위각 김발을 구동시키고, 세로방향의 명령에 대해서는 고저각 김발을 구동시킴으로써 시선을 이동시킨다.
하지만 대부분의 전자광학 추적장비에서 사용하는 김발은 오일러 각(Euler angle)으로 구성된 2축 구조를 가지고 있는데, 이러한 김발을 사용하는 추적장비는 오일러 각의 특성상 고저각 각도에 따라 방위각 회전에 대해 시선이 단순히 가로방향으로 변화는 것이 아니라 영상의 회전이 발생하면서 세로방향의 변화도 함께 나타난다.
이에 반해, 전자광학 표적추적장비는 롤(Roll), 피치(Pitch), 요(Yaw) 3축으로 구성되어 있지만, 롤 김발이 요 김발을 추종하는 방식의 제어기법을 사용함에 따라 최종적으로는 전자광학 추적장비와 마찬가지로 2축 김발 구조와 같이 동작한다.
이로 인해, 전자광학 표적추적장비 또한 피치 김발의 각도에 의해 시선이 롤 김발과 직교가 아닌 자세에서 조종사가 영상의 수평방향에 존재하는 물체를 관측하기 위해 조이스틱을 가로방향으로 움직여 기존의 방식으로 롤 김발 또는 방위각 김발을 구동시킬 경우에는 영상이 회전하면서 원하는 방향으로 시선이 이동하지 않는 등 조이스틱 명령에 대응하여 안정적인 시선 이동이 이루어지지 않는 문제점이 있었다.
KR 10-2015-0055317 A, 2015. 05. 21. KR 10-2013-0118637 A, 2013. 10. 30. KR 10-2012-0067464 A, 2012. 06. 26. KR 10-2015-0104778 A, 2015. 09. 16.
본 발명은 전자광학 표적추적장비 김발의 기구학적 분석을 통해 김발의 자세에 따라 조종사의 조이스틱 명령에 대해 적절하게 시선 이동이 이루어질 수 있도록 하는 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은 조이스틱을 통해 입력하는 조종사의 조이스틱 명령을 수신받아 롤 김발, 피치 김발 및 요 김발의 속도 명령으로 변환하고, 변환된 상기 롤 김발, 피치 김발 및 요 김발의 속도 명령을 이용하여 상기 롤 김발, 상기 피치 김발 및 상기 요 김발을 제어하는 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법을 제공한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은 조종사의 조이스틱 조작에 의해 생성되는 조이스틱 명령을 수신하는 과정; 전자광학 표적추적장비의 좌표계로부터 상기 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터를 산출하는 과정; 상기 조이스틱 명령에 따라 원하는 방향으로 움직일 수 있는 목표 가상 좌표계의 시선 벡터를 설정하는 과정; 상기 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터와 상기 목표 가상 좌표계의 시선 벡터를 맵핑하는 과정; 맵핑된 상기 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터와 상기 목표 가상 좌표계의 시선 벡터를 야코비안(Jacobian) 미분운동 방정식을 이용하여 모델링하여 상기 롤 김발, 상기 피치 김발 및 상기 요 김발의 속도 명령을 생성하는 과정; 및 생성된 상기 롤 김발, 상기 피치 김발 및 상기 요 김발의 속도 명령에 대응하여 상기 롤 김발, 상기 요 김발 및 상기 피치 김발을 제어하는 과정을 포함하는 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법을 제공한다.
또한, 상기 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터는 아래의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112019043552508-pat00001
또한, 상기 목표 가상 좌표계는 상기 조이스틱 명령이 가로방향에 대해
Figure 112019043552508-pat00002
만큼 회전하였을 때, 아래의 수학식과 같은 회전행렬로 나타내고,
Figure 112019043552508-pat00003
상기 목표 가상 좌표계는 상기 조이스틱 명령이 세로방향에 대해
Figure 112019043552508-pat00004
만큼 회전하였을 때 아래의 수학식과 같은 회전행렬로 나타내고,
Figure 112019043552508-pat00005
상기 목표 가상 좌표계는 상기 조이스틱 명령이 다시 가로방향으로
Figure 112019043552508-pat00006
만큼 이동하였을 때, 아래의 수학식과 같은 회전행렬로 나타내고,
Figure 112019043552508-pat00007
상기 회전행렬들을 이용하여 상기 조이스틱 명령에 대한 상기 목표 가상 좌표계를 일반화하면, 아래의 수학식과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112019043552508-pat00008
또한, 상기 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터와 상기 목표 가상 좌표계의 시선 벡터를 맵핑하는 과정은 상기 목표 가상 좌표계의 시선 이동과 같이 상기 전자광학 표적추적장비의 시선이 이동할 수 있도록 상기 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터와 상기 목표 가상 좌표계의 시선 벡터를 맴핑시켜 일치시키기 위해 아래의 수학식과 같이 맵핑할 수 있다.
Figure 112019043552508-pat00009
또한, 상기 롤 김발, 피치 김발 및 요 김발의 속도 명령을 생성하는 과정에서는, 맵핑된 상기 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터와 상기 목표 가상 좌표계의 시선 벡터를 아래의 수학식으로 표현되는 야코비안(Jacobian) 미분운동 방정식으로 모델링하고,
Figure 112019043552508-pat00010
상기 야코비안(Jacobian) 미분운동 방정식의 모델링을 통해 상기 롤 김발, 상기 피치 김발 및 상기 요 김발 각각의 속도 명령을 아래의 수학식과 같이 산출하고,
Figure 112019043552508-pat00011
상기
Figure 112019043552508-pat00012
는 상기 목표 가상 좌표계를 미분으로 계산한 미분 행렬로서 아래의 수학식으로 나타내고,
Figure 112019043552508-pat00013
상기
Figure 112019043552508-pat00014
는 상기 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터를 미분하여 계산된 야코비안 행렬로서, 아래의 수학식으로 나타내고,
Figure 112019043552508-pat00015
상기
Figure 112019043552508-pat00016
는 야코비안 역행렬을 이용하여 계산하기 위해 수도 역행렬을 이용하여 아래의 수학식으로 계산하고,
Figure 112019043552508-pat00017
최종적으로, 상기 롤 김발 및 상기 피치 김발에 대한 속도가 아래의 수학식과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112019043552508-pat00018
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 또 다른 측면에 따른 본 발명은 프로세서에 의해 실행되는 것을 통하여 상기한 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법을 실현하는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법에 의하면, 조종사가 조이스틱을 통해 입력한 시선 이동 명령을 전자광학 표적추적장비의 김발 속도 명령으로 변환시키는 알고리즘을 설계하여 조종사가 화면상에서 관측하고 싶은 영역으로 시선을 이동시키기 위해 조이스틱 명령을 입력하였을 때, 김발의 현재 자세와 상관없이 영상을 기준으로 시선이 이동되도록 한다.
즉, 본 본 발명의 실시예에 따른 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법은 조종사의 조이스틱 명령에 따라 원하는 방향으로 움직일수 있는 목표 가상 좌표계를 설정하고, 상기 목표 가상 좌표계의 시선 벡터와 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터를 맵핑시킨 후 미분 운동 방정식을 모델링하여 각 김발의 속도 명령으로 변환한 다음 각 김발의 속도 명령을 각 김발의 구동모터로 입력함으로써 각 김발의 자세(위치)와 무관하게 조종사가 조이스틱을 통해 입력하는 조이스틱 명령과 동일한 시선 이동이 안정적으로 이루어질 수 있도록 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전자광학 표적추적장비를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 시선 이동 제어기를 설명하기 위해 도시한 블럭도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도.
도 4는 도 3에 도시된 김발의 속도 명령으로 변환하는 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 변화를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 전자광학 표적추적장비의 롤 김발 구동에 따른 영상의 회전을 설명하기 위해 도시한 도면들.
도 7은 본 발명에 따른 전자광학 표적추적장비의 조이스틱 명령에 따라 이동한 가상 좌표계의 시선 변화를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 전자광학 표적추적장비의 가로방향 명령에 대한 시선 이동 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 전자광학 표적추적장비의 세로방향 명령에 대한 시선 이동 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 따른 전자광학 표적추적장비의 대각방향 명령에 대한 시선 이동 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
본 발명은 전자광학 표적추적장비 김발의 기구학적 분석을 통해 김발의 자세에 따라 조종사의 조이스틱 명령에 대응하여 적절하게 시선 이동이 이루어질 수 있도록 하는 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법을 제공한다.
이를 위해, 본 발명은 조종사가 조이스틱을 통해 입력한 시선 이동 명령을 전자광학 표적추적장비의 김발 속도 명령으로 변환시키는 알고리즘을 설계하여 조종사가 화면상에서 관측하고 싶은 영역으로 시선을 이동시키기 위해 조이스틱 명령을 입력하였을 때, 김발의 현재 자세와 상관없이 영상을 기준으로 시선이 이동되도록 한다.
본 발명은 먼저 조종사의 조이스틱 명령에 따라 원하는 방향으로 움직일 수 있는 목표 가상 좌표계를 설정하고, 롤 김발과 요 김발을 종속제어로 구성하여 전자광학 표적추적장비를 롤 김발에서 피치 김발로 구동되는 2축 좌표계로 가정하였다.
그리고 가상 좌표계의 시선 벡터와 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터를 맵핑시킨 후 미분운동 방정식을 모델링하여 롤 김발과 피치 김발의 속도 명령으로 변환하는 알고리즘을 제안하였다. 그리고, 최종적으로 MATLAB Simulink를 이용한 시뮬레이션을 통해 각 방향으로 인가되는 조이스틱 명령에 대한 시선 이동을 검증하였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 전자광학 표적추적장비를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자광학 표적추적장비는 '롤(Roll) → 피치(Pitch) → 요(Yaw)' 김발 순으로 회전하는 3축 김발 구조로 이루어진다.
전자광학 표적추적장비의 상기 피치 김발과 요 김발에는 각각 각속도를 측정할 수 있는 자이로 센서가 부착되어 있다. 그리고, 상기 롤 김발, 상기 피치 김발 및 상기 요 김발에는 각각 위치 정보를 획득하기 위한 엔코더 센서가 부착되어 있다.
하기 [표 1]은 본 발명의 실시예에 따른 전자광학 표적추적장비에서 요구하는 롤 김발, 피치 김발, 요 김발에 필요한 성능을 나타낸 표이다.
김발 관성
[kg·m·s2]		 구동범위
[deg)

롤(Roll)
0.7
360

피치(Pitch)
0.05
155~35

요(Yaw)
0.05
-5~+5
상기 [표 1]과 같이, 본 발명에서는 요 김발의 구동범위가 롤과 피치 김발에 비해 작기 때문에 롤 김발이 요 김발을 추종하는 추종 제어방식을 기본 제어구조로 설정한다. 즉, 요 김발은 자이로 센서의 각속도 정보를 입력받아 속도 제어(안정화)를 구현하고, 롤 김발은 요 김발의 엔코더 정보를 오차로 입력받아 추종 제어를 한다.
도 2는 본 발명에 따른 시선 이동 제어기를 설명하기 위해 도시한 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 시선 이동 제어기(10)는 시선 이동 명령부(11)와, 롤 및 요 김발 속도 제어부(12)와, 피치 김발 속도 제어부(13)를 포함한다.
본 발명에 따른 시선 이동 제어기(10)는 롤 김발이 요 김발을 추종하는 추종 제어방식으로 구성한다.
시선 이동 명령부(11)는 조종사의 조이스틱 명령(Hor_command, Ver_command), 즉 가로방향 명령(수평방향 명령)(Hor_command) 및 세로방향 명령(수직방향 명령)(Ver_command)을 입력받아 각 김발(롤, 요 및 피치)의 속도 명령으로 변환하여 롤 및 요 김발 속도 제어부(12) 및 피치 김발 속도 제어부(13)로 제공한다.
이러한 시선 이동 명령부(11)는 상기 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터를 산출하는 산출부와, 상기 조이스틱 명령에 따라 원하는 방향으로 움직일 수 있는 목표 가상 좌표계의 시선 벡터를 설정하는 설정부와, 상기 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터와 상기 목표 가상 좌표계의 시선 벡터를 맵핑하는 맵핑부와, 야코비안(Jacobian) 미분운동 방정식을 이용하여 맵핑된 상기 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터와 상기 목표 가상 좌표계의 시선 벡터를 모델링하여 상기 롤 김발, 상기 피치 김발 및 상기 요 김발 각각의 속도 명령을 계산하는 속도 명령 생성부를 포함한다.
롤 및 요 김발 속도 제어부(12)는 시선 이동 명령부(11)를 통해 변환된 각 김발의 속도 명령을 제공받고, 상기 속도 명령에 대응하여 롤 김발 및 요 김발의 속도를 제어(안정화)한다. 즉, 상기 속도 명령에 응답하여 롤 김발 및 요 김발을 구동하는 구동모터의 구동을 제어한다.
롤 및 요 김발 속도 제어부(12)에서 요 김발 속도 제어부는 기본적으로 요 김발에 부착된 자이로 센서에서 측정된 회전속도를 피드백 받아 속도를 제어하고, 롤 및 요 김발 속도 제어부(12)에서 롤 김발 속도 제어부는 요 김발의 엔코더 센서값을 오차로 입력받아 롤 김발과 요 김발 사이의 각도차가 발생하지 않도록 추종한다.
피치 김발 속도 제어부(13)는 시선 이동 명령부(11)를 통해 변환된 각 김발의 속도 명령을 제공받고, 상기 속도 명령에 대응하여 피치 김발의 속도를 제어하는 것으로, 요 김발과 마찬가지로 자이로 센서에서 데이터를 입력받아 피치 김발의 속도를 제어한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법(알고리즘)을 설명하기 위해 도시한 흐름도이고, 도 4는 도 3에 도시된 김발의 속도 명령으로 변환하는 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 먼저 조이스틱 명령을 수신받는다(S1). 즉, 조종사가 영상을 기준으로 조이스틱 명령을 입력(인가)하면, 시선 이동 제어기(10)의 시선 이동 명령부(11)를 통해 조이스틱 명령(Hor_command, Ver_command)을 수신한다.
이후, 시선 이동 명령부(11)는 조이스틱 명령(Hor_command, Ver_command)을 수신받은 후, 도 2와 같이 각 김발(롤, 요 및 피치 김발)의 속도 명령으로 변환하여 롤 및 요 김발 속도 제어부(12) 및 피치 김발 속도 제어부(13)로 각각 인가한다(S2).
이후, 롤 및 요 김발 속도 제어부(12) 및 피치 김발 속도 제어부(13)는 시선 이동 명령부(11)로부터 각 김발의 속도 명령을 입력받고, 상기 각 김발의 속도 명령에 대응하여 각 김발의 동작을 제어한다(S3).
한편, 도 4와 같이, 각 김발(롤, 요 및 피치 김발)의 속도 명령으로 변환하는 과정(S2)은 먼저 전자광학 표적추적장비(EO-TGP)의 시선 벡터를 산출하는 과정(S21)과, 가상 좌표계의 시선 벡터를 설정하는 과정(S22)과, 전자광학 표적추적장비(EO-TGP)의 시선 벡터와 가상 좌표계의 시선 벡터를 맵핑하는 과정(S23)과, 미분운동 방정식으로 모델링하는 과정(S24)과, 김발의 속도 명령을 생성하는 과정(S25)을 포함한다.
전자광학 표적추적장비(EO-TGP)의 시선 벡터
도 1과 같이, 전자광학 표적추적장비 김발 좌표계는 '롤 → 피치 → 요' 순서의 오일러(Euler) 각으로 구성된다. 롤 김발이 요 김발을 추종하는 종속제어를 기본으로 적용하면, 최종 구동 자유도는 롤과 피치의 2축 김발 구조를 가지게 된다.
따라서, 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터를 계산하면 하기의 수학식들로 표현할 수 있다.
Figure 112019043552508-pat00019
Figure 112019043552508-pat00020
Figure 112019043552508-pat00021
Figure 112019043552508-pat00022
Figure 112019043552508-pat00023
Figure 112019043552508-pat00024
상기 [수학식 6]은 최종적으로 산출된 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터로서, [수학식 5]의 회전행렬에서 첫 번째 열이 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터를 의미한다.
상기 벡터를 이용하여 피치 각도에 따라 롤 김발을 구동시켰을 때 시선이 어떻게 변하는지를 도 5에 도시하였다.
도 5는 김발 각도에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 변화를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5와 같이, 피치 각도가 0°에 가까워질수록 시선은 밑면의 넓이가 작아지는 원뿔형상을 이룬다. 가로방향 명령에 대해 롤 김발을 구동하고, 세로방향 명령에 대해서는 피치 김발을 구동한다면 김발에 부착된 카메라에서 촬영된 영상의 이동은 도 6과 같다.
도 6은 롤 김발 구동에 따른 영상의 회전을 설명하기 위해 도시한 도면들로서, (a)는 롤 김발 구동 전 영상이고, (b)는 롤 김발 구동 후 영상을 도시한 도면이다.
도 6과 같이, 피치 각도가 존재할 때 롤 김발을 구동하게 되면 영상에서 롤 구동에 의한 회전이 발생하게 된다. 즉, 조종사가 (a) 위치에서 수평으로 시선을 이동하기 위해 가로방향의 명령을 입력하게 되면, (b)와 같이, 회전된 영상을 얻게 된다. 따라서, 김발 각도에 따라 조이스틱 명령과 동일한 시선 이동의 안정화가 필요하다.
가상 좌표계의 시선 벡터
본 발명에 따른 시선 이동 안정화 방법은 조종사가 원하는 향으로 시선을 이동시킬 수 있는 가상 좌표계를 설정(S22)한다. 즉, 목표 좌표계를 설정한다. 이후, 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터와 가상 좌표계의 시선 벡터를 맵핑(S23) 시켜 일치시킨 후 미분운동 방정식을 모델링한다(S24). 이를 통해 조이스틱 명령, 즉 조종사의 시선 이동 명령을 각 김발의 속도 명령으로 변환하여 각 김발의 구동을 제어한다.
도 7은 조이스틱 명령에 따라 이동한 가상 좌표계의 시선 변화를 설명하기 위해 도시한 도면으로서, 3축의 가상 좌표계에서 가로방향 명령과 세로방향 명령에 대한 시선 이동을 순서대로 도시하였다.
도 7의 (a)는 가로방향에 대해
Figure 112019043552508-pat00025
만큼 회전하였을 때 시선 이동을 나타낸다. 가로방향의 회전은 3축의 오일러 좌표계에서 요(Yaw) 축을 회전시켰을 경우와 동일한 움직임을 보이고, 그 움직임을 하기 [수학식 7]과 같이 회전행렬로 나타낼 수 있다.
Figure 112019043552508-pat00026
상기 [수학식 7]에서,
Figure 112019043552508-pat00027
는 조이스틱 명령에 의해 이동되는 가상 좌표계를 의미한다.
도 7의 (b)는 세로방향의 명령에 대해
Figure 112019043552508-pat00028
만큼 회전하였을 때의 시선 이동이다. 세로방향의 회전은 피치(Pitch) 축을 회전시켰을 경우와 동일하다. 상기 [수학식 7]과 마찬가지로 회전행렬은 하기 [수학식 8]과 같이 회전행렬로 나타낼 수 있다.
Figure 112019043552508-pat00029
상기 [수학식 8]에서
Figure 112019043552508-pat00030
는 상기 [수학식 7]과 같다. 즉, 새로운 조이스틱 명령에 대한 시선 이동은 현재 자세에서 입력된 명령과 대응되는 축으로의 회전과 같다.
도 7의 (c)은 다시 가로방향으로
Figure 112019043552508-pat00031
만큼 이동하였을 때의 시선 이동이다. 마찬가지로, 회전행렬로 표현하면 하기 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019043552508-pat00032
상기 [수학식 9]에서
Figure 112019043552508-pat00033
는 상기 [수학식 8]과 같다. 따라서, 위의 계산들을 통해 조이스틱 명령에 대한 가상 좌표계를 일반화시키면 하기 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019043552508-pat00034
미분운동 방정식 모델링
상기 수학식들을 통해 각각 산출된 전자광학 표적추적장비(EO_TGP)의 시선 벡터(LOS 벡터)와 가상 좌표계의 시선 벡터(LOS 벡터)를 맵핑하여 일치시킨 후 미분운동 방정식을 통해 최종적으로 김발을 구동하는 구동모터(미도시_로 입력되는 명령을 생성한다.
먼저, 가상 좌표계의 시선과 같이 전자광학 표적추적장비의 시선이 이동할 수 있도록 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터와 가상 좌표계의 시선 벡터를 맵핑한다.
Figure 112019043552508-pat00035
Figure 112019043552508-pat00036
상기 [수학식 12]는 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터와 가상 좌표계의 시선 벡터를 맵핑시킨 수식이다.
전술한 바와 같이, 조종사가 조이스틱으로 입력하는 조이스틱 명령은 어느 한 지역에 대한 좌표 명령이 아니라 지속적으로 시선을 이동시킬 수 있는 속도 명령이다. 즉, 조종사가 영상을 기준으로 조이스틱 명령을 인가하면 이를 롤 김발 및 피치 김발의 속도 명령으로 변환시켜 일정한 속도로 시선이 이동할 수 있도록 해야 한다.
이에 따라, 상기 [수학식 12]와 같이, 맵핑된 전자광학 표적추적장비의 좌표계와 목표 가상 좌표계의 시선 벡터에 대해 야코비안(Jacobian)을 이용하여 미분운동 방정식으로 모델링하고, 이를 통해 최종적으로 김발의 속도 명령을 계산해야 한다.
야코비안은 벡터 미적분학에서 다변수 벡터 함수의 도함수 행렬을 의미한다.
Figure 112019043552508-pat00037
Figure 112019043552508-pat00038
상기 [수학식 13]은 야코비안을 이용한 미분운동 방정식이다.
상기 [수학식 13]에서,
Figure 112019043552508-pat00039
는 가상 좌표계의 미분을 통해 계산된 시선의 속도이고,
Figure 112019043552508-pat00040
는 전자광학 표적추적장비의 좌표계의 미분식으로 계산된 야코비안 행렬이다.
상기 [수학식 14]은 최종적으로 계산된 김발의 속도 명령이다.
위 식에서
Figure 112019043552508-pat00041
는 하기 [수학식 15]으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019043552508-pat00042
상기 [수학식 15]는 가상 좌표계의 미분으로 계산된 미분 행렬이다. 여기서,
Figure 112019043552508-pat00043
는 조이스틱을 통해 입력되는 시선 속도 명령이 된다.
상기 [수학식 13]에서 오른쪽 항의 야코비안 행렬인
Figure 112019043552508-pat00044
은 하기 [수학식 16]으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019043552508-pat00045
상기 [수학식 16]은 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터를 미분하여 계산된 야코비안 행렬이다.
상기 [수학식 14]와 같은 수식을 만들기 위해 야코비안 역행렬을 이용하여
Figure 112019043552508-pat00046
를 계산한다. 하지만 [수학식 16]에서 알 수 있듯이,
Figure 112019043552508-pat00047
은 정방행렬이 아니므로 역행렬을 계산할 수 없다.
따라서, 수도 역행렬을 이용하여 하기 [수학식 17]과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112019043552508-pat00048
Figure 112019043552508-pat00049
최종적으로, 상기 [수학식 18]과 같이, 롤 김발 및 피치 김발에 대한 속도로 계산될 수 있다.
시뮬레이션 결과
조이스틱 명령에 대한 본 발명에 따른 시선 이동 제어기(10)의 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션은 가로방향, 세로방향 및 대각방향 명령에 대해 진행하였다.
- 가로방향 조이스틱 명령
먼저, 가로방향 명령에 대한 시뮬레이션을 진행하였다. 시험조건은 아래 표 2와 같다.
롤 김발
초기 위치
[deg]		 피치 김발
초기 위치
[deg]		 가로방향
명령
[rad/s]		 세로방향
명령
[rad/s]
0 1 1 0
상기 조건에서 피치 김발의 초기 위치를 0°로 설정하지 않은 이유는 롤 김발과 요 김발의 추종제어에서 피치 김발이 0°가 되면 NADIR 포인트가 되면서 롤 김발의 구동이 발산하게 된다.
도 8은 가로방향 명령에 대한 시선 이동 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면으로서, (a)는 전자광학 표적추적장비 시선 이동, (b)는 김발 각도, (c)는 김발 속도를 나타낸다.
도 8과 같이, 초기 위치에서 롤 김발 및 피치 김발이 동시에 구동하면서 시선이 가로방향으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 위 시뮬레이션에서 피치 김발이 0°근처일 때, 롤 김발이 발산하지 않도록 시선 이동 명령을 감소시켜 시스템에 입력한다. 따라서, 실제 시스템 운용상에서도 피치 김발이 특정 범위 안에 위치할 경우 시선 이동 명령을 제한시키도록 해야 한다.
- 세로방향 조이스틱 명령
세로방향 명령에 대한 시뮬레이션을 진행하였다. 세로방향 명령에 대해서는 피치 김발만 구동함으로써 시선을 이동시킬 수 있다. 시험 조건은 하기 [표 3]과 같다.
롤 김발
초기 위치
[deg]		 피치 김발
초기 위치
[deg]		 가로방향
명령
[rad/s]		 세로방향
명령
[rad/s]
0 1 0 1
도 9는 세로방향 명령에 대한 시선 이동 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면으로서, (a)는 전자광학 표적추적장비 시선 이동, (b)는 김발 각도, (c)는 김발 속도를 나타낸다.
도 9의 (b)와 같이, 김발 각도를 확인해 보면 세로방향으로 시선을 이동하기 위해서 단순히 피치 각도만 이동한 것을 알 수 있다. 이를 통해, 시선 이동 알고리즘에서 가로방향과 세로방향으로의 시선 이동을 위해 적절하게 김발의 속도 명령을 생성하고 있다는 것을 확인할 수 있다.
- 대각방향 조이스틱 명령
대각방향으로 조이스틱 명령을 인가한 경우에 대해 시뮬레이션을 진행하였다. 대각방향 명령은 가로바향과 세로 방향의 명령이 혼합된 상태를 의미한다. 시험 조건은 [표 4]와 같다.
롤 김발
초기 위치
[deg]		 피치 김발
초기 위치
[deg]		 가로방향
명령
[rad/s]		 세로방향
명령
[rad/s]
0 1 1 1
도 10은 대각방향 명령에 대한 시선 이동 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면으로서, (a)는 전자광학 표적추적장비 시선 이동, (b)는 김발 각도, (c)는 김발 속도를 나타낸다.
도 10의 (b)와 같이, 김발 각도를 보면 앞 절의 가로방향 명령 결과와 비슷해 보이지만, 피치 김발이 훨씬 더 빠르게 움직이면서 세로방향의 시선 변화를 만들어 내고 있다.
이와 같, 본 발명의 실시예에 따른 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법은 조종사가 조이스틱을 통해 입력한 시선 이동 명령을 전자광학 표적추적장비의 김발 속도 명령으로 변환시키는 알고리즘을 제안하고 검증하였다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법은 조종사의 조이스틱 명령에 따라 원하는 방향으로 움직일수 있는 목표 가상 좌표계를 설정하고, 롤 김발과 요 김발을 종속제어로 구성하고, 전자광학 표적 추적장비를 롤→ 피치로 구동되는 2축 좌표계로 가정하여 가상 좌표계의 시선 벡터와 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터를 맵핑시킨 후 미분 운동 방정식을 모델링하여 롤 김발 및 피치 김발의 속도 명령으로 변환할 수 있는 시선 알고리즘을 제안하였다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법은 시선 이동 제어기(10)에서 실행될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 기록 매체의 형태(또는 컴퓨터 프로그램 제품)로 구현될 수 있다. 여기에서, 컴퓨터 판독 가능 매체라 함은 컴퓨터 저장 매체(예를 들어, 메모리, 하드디스크, 자기/광학 매체 또는 SSD(Solid-State Drive) 등)를 포함할 수 있다. 그리고, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있는데, 예를 들어, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법은 전체 또는 일부가 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하며, 컴퓨터 프로그램은 프로세서에 의해 처리되는 프로그래밍 가능한 기계 명령어를 포함하고, 고레벨 프로그래밍언어(High-level Programming Language), 객체 지향 프로그래밍 언어(Object-oriented Programming Language), 어셈블리 언어 또는 기계 언어 등으로 구현될 수 있다.
상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
10 : 시선 이동 제어기
11 : 시선 이동 명령부
12 : 롤 및 요 김발 속도 제어부
13 : 피치 김발 속도 제어부

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 조종사의 조이스틱 조작에 의해 생성되는 조이스틱 명령을 수신하는 과정;
    전자광학 표적추적장비의 좌표계로부터 상기 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터를 산출하는 과정;
    상기 조이스틱 명령에 따라 원하는 방향으로 움직일 수 있는 목표 가상 좌표계의 시선 벡터를 설정하는 과정;
    상기 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터와 상기 목표 가상 좌표계의 시선 벡터를 맵핑하는 과정;
    맵핑된 상기 전자광학 표적추적장비의 시선 벡터와 상기 목표 가상 좌표계의 시선 벡터를 야코비안(Jacobian) 미분운동 방정식을 이용하여 모델링하여 롤 김발, 피치 김발 및 요 김발의 속도 명령을 생성하는 과정; 및
    생성된 상기 롤 김발, 상기 피치 김발 및 상기 요 김발의 속도 명령에 대응하여 상기 롤 김발, 상기 요 김발 및 상기 피치 김발을 제어하는 과정;
    을 포함하는 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 프로세서에 의해 실행되는 것을 통하여 제 2 항에 기재된 조이스틱 명령에 따른 전자광학 표적추적장비의 시선 이동 안정화 방법을 실현하는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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