KR102128548B1 - Line of sight stabilization system with canceling disturbance - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물체에 가해지는 외란을 상쇄하여, 물체가 안정적으로 목표하는 시선을 추종하도록 제어하는 시선 안정화 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템은 제1축 및 제2축으로 구동하는 김벌(gimbal), 상기 물체의 시선 각속도를 측정하기 위한 각속도 센서, 및 상기 김벌을 제어하는 신호를 출력하는 서보제어기를 포함한다. 이때, 상기 각속도 외란은 상기 김벌의 구동축이 아닌 제3축으로 유입되는 외란을 포함한다.
본 발명에서는 상기 각속도 외란을 해석적으로 산출하고, 이를 상쇄하기 위한 서보제어기를 구성하므로, 상기 각속도 외란을 완전히 제거하는 것이 가능하며 카메라 모듈이 안정하게 영상을 촬영하는 것이 가능하다.
The present invention relates to a gaze stabilization system for controlling an object to stably follow a target gaze by canceling the disturbance applied to the object.
The gaze stabilization system according to an embodiment of the present invention includes a gimbal driven in the first and second axes, an angular velocity sensor for measuring the gaze angular velocity of the object, and a servo outputting a signal for controlling the gimbal Includes a controller. At this time, the angular velocity disturbance includes a disturbance flowing into the third axis rather than the driving axis of the gimbal.
In the present invention, since the angular velocity disturbance is analytically calculated and a servo controller for canceling it is configured, it is possible to completely remove the angular velocity disturbance and the camera module can stably shoot an image.

Description

외란을 상쇄하는 시선 안정화 시스템{Line of sight stabilization system with canceling disturbance}Line of sight stabilization system with canceling disturbance}

본 발명은 물체에 가해지는 외란을 상쇄하여, 물체가 안정적으로 목표하는 시선을 추종하도록 제어하는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for controlling an object to stably follow a target gaze by canceling the disturbance applied to the object.

장거리 관측을 위해 카메라 시스템은 항공기 등에 탑재되어 운용된다. 카메라 시스템은 영상센서와 광학계를 내장한 카메라 모듈, 카메라 모듈을 지지하고 원하는 방향으로 카메라 시선을 이동하기 위한, 김벌 및 서보제어기로 이루어진 안정화 구동기, 그리고 이들을 결합하는 시스템 제어기 등으로 구성된다. 안정화 구동기는 기계 프레임으로서의 김벌, 관성평면의 각속도를 센싱하기 위한 자이로, 구동신호를 발생하는 서보제어기, 그리고 서보증폭기 및 서보모터 등으로 이루어진다.For long-distance observation, the camera system is mounted on an aircraft and operated. The camera system consists of a camera module that incorporates an image sensor and an optical system, a stabilizing driver consisting of a gimbal and a servo controller to support the camera module and move the camera's gaze in a desired direction, and a system controller that combines them. The stabilized driver consists of a gimbal as a machine frame, a gyro for sensing the angular velocity of the inertial plane, a servo controller generating a drive signal, and a servo amplifier and servo motor.

카메라 시스템은 장거리 관측을 위한 장거리 시야를 확보하도록 높은 고도로 비행하는 항공기 등에 탑재되며, 장거리의 미세한 표적을 확대하도록 카메라 모듈에 높은 배율의 광학계를 사용한다. 높은 배율의 광학계는 카메라의 흔들림에 민감하게 반응하여 외부로부터 유입되는 진동에 의하여 영상의 떨림이 발생하므로, 이를 방지하기 위하여 카메라 모듈은 김벌이 포함된 안정화 구동기에 의해 지지된다.The camera system is mounted on an aircraft flying at a high altitude to secure a long-range field of view for long-distance observation, and uses a high magnification optical system in the camera module to enlarge a small target at a long distance. Since the optical system of high magnification reacts sensitively to the shaking of the camera, the shaking of the image occurs due to vibration introduced from the outside, so to prevent this, the camera module is supported by a stabilizing driver including gimbal.

외부로부터의 진동은 항공기 진동뿐만 아니라 풍압, 폭음 등에 의한 진동을 포함한다. 외부로부터의 진동은 카메라 모듈에 각 변위를 유발하는 각 진동 외란(angular oscillation disturbance)으로 카메라 모듈에 전달될 수 있다. 이러한 외란으로 인해 영상의 품질이 저하될 수 있으므로, 외란을 완전히 제거시킬 수 있는 안정화 시스템이 요구된다.Vibration from the outside includes not only aircraft vibration but also vibration due to wind pressure, explosion, and the like. Vibration from the outside may be transmitted to the camera module with angular oscillation disturbance, which causes angular displacement in the camera module. Since the quality of the image may be deteriorated due to such disturbance, a stabilization system capable of completely removing the disturbance is required.

[1] J.M. Hikert, “Inertially Stabilized Platform Technology”, IEEE Control Systems Magazine, pp26-46, Feb. 2008[1] J.M. Hikert, “Inertially Stabilized Platform Technology”, IEEE Control Systems Magazine, pp26-46, Feb. 2008 [2] 김성수 외, “항공기 pitch 요동의 영상안정화 영향성 분석,” 2017 학술대회논문집, pp247-248, 한국군사과학기술학회, 2017.6[2] Seongsu Kim et al., “Analysis of image stabilization impact of aircraft pitch fluctuation,” 2017 Conference Papers, pp247-248, Korean Military Science and Technology Society, 2017.6 [3] Richard L. Pio, “Symbolic Representation of Coordinate Transformations”, IEEE Tractions on Aerospace and Navigational Electronics, Vol. ANE-11, June, 1964, pp128-134 [3] Richard L. Pio, “Symbolic Representation of Coordinate Transformations”, IEEE Tractions on Aerospace and Navigational Electronics, Vol. ANE-11, June, 1964, pp128-134 [4] BERTIL EKSTRAND, “Equations of Motion for a Two-Axes Gimbal System,” IEEE TRANSACTIONS ON AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS VOL. 37, NO. 3 JULY 2001[4] BERTIL EKSTRAND, “Equations of Motion for a Two-Axes Gimbal System,” IEEE TRANSACTIONS ON AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS VOL. 37, NO. 3 JULY 2001 [5] Xia Yun-xia et al, 2-Port Internal Model Control for Gyro Stabilized Platform of Electro-Optical Tracking System,“ Acquisition, Tracking, Pointing, and Laser Systems Technologies XXVI, Proc. of SPIE Vol. 8395, 83950M, 2012[5] Xia Yun-xia et al, 2-Port Internal Model Control for Gyro Stabilized Platform of Electro-Optical Tracking System, “Acquisition, Tracking, Pointing, and Laser Systems Technologies XXVI, Proc. of SPIE Vol. 8395, 83950M, 2012

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 물체에 원하지 않는 각 변위를 유발하는 각속도 외란으로부터 물체의 시선을 안정화할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다. 상기 각속도 외란은 김벌의 구동축이 아닌 다른 축을 따라 유입되는 외란을 포함하며, 본 발명에서는 이러한 각속도 외란까지 완전히 제거가 가능한 시선 안정화 시스템을 제공하고자 한다.The problem to be solved by the present invention is to provide a system capable of stabilizing the gaze of an object from angular velocity disturbances that cause unwanted angular displacement in the object. The angular velocity disturbance includes a disturbance flowing along an axis other than the drive shaft of the gimbal, and the present invention is to provide a gaze stabilization system capable of completely removing even the angular velocity disturbance.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 상기 각속도 외란을 해석적으로 산출하는 방법을 제공하는 것이다. 나아가, 본 발명에서는 상기 해석된 각속도 외란을 상쇄시키도록 제어기를 구성하여, 상기 각속도 외란을 완전히 제거하는 것이 가능한 시선 안정화 시스템을 제공하고자 한다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a method for analytically calculating the angular velocity disturbance. Furthermore, the present invention is to provide a gaze stabilization system capable of completely removing the angular velocity disturbance by configuring a controller to cancel the analyzed angular velocity disturbance.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 일 실시예에 따른 물체의 시선 안정화 시스템은 제1축 및 제2축으로 구동하는 김벌(gimbal); 상기 물체의 시선 각속도를 측정하기 위한 각속도 센서; 및 상기 김벌을 제어하는 신호를 출력하는 서보제어기를 포함하고, 상기 서보제어기는, 명령 입력(command input) 및 상기 물체의 시선 각속도의 피드백 입력에 따라, 상기 물체가 목표하는 시선을 추종하도록 상기 김벌을 제어하는 추종 제어 신호를 출력하는 추종제어기; 및 상기 물체에 가해지는 각속도 외란을 상쇄하도록 상기 김벌을 제어하는 외란 제어 신호를 출력하는 외란제어기를 포함하고, 상기 각속도 외란은 상기 김벌의 구동축이 아닌 제3축으로 유입되는 외란이다.As a means for solving the above-described technical problem, the gaze stabilization system of an object according to an embodiment includes a gimbal driven in a first axis and a second axis; An angular velocity sensor for measuring the gaze angular velocity of the object; And a servo controller outputting a signal for controlling the gimbal, wherein the servo controller is configured to follow the gaze targeted by the object according to a command input and a feedback input of the angular velocity of the gaze of the object. A follower controller for outputting a follower control signal for controlling the; And a disturbance controller that outputs a disturbance control signal for controlling the gimbal so as to cancel the angular velocity disturbance applied to the object, and the angular velocity disturbance is a disturbance flowing into the third axis rather than the driving axis of the gimbal.

일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서, 상기 외란제어기는, 상기 측정된 물체의 시선 각속도를 입력 받아 상기 각속도 외란을 상쇄하도록 상기 외란 제어 신호를 출력한다.In the gaze stabilization system according to an embodiment, the disturbance controller receives the gaze angular velocity of the measured object and outputs the disturbance control signal to cancel the angular velocity disturbance.

일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서, 상기 외란제어기는, 해석적으로 산출되는 상기 각속도 외란을 상쇄하도록 설계된다.In the gaze stabilization system according to an embodiment, the disturbance controller is designed to cancel the angular velocity disturbance calculated analytically.

일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서, 상기 각속도 외란은 하기 수학식에 의해 산출되고,In the gaze stabilization system according to an embodiment, the angular velocity disturbance is calculated by the following equation,

(수학식)(Mathematics)

wR1z = wLOSz*cosΘ - wLOSx*sinΘwR1z = wLOSz*cosΘ-wLOSx*sinΘ

상기 wR1z은 상기 각속도 외란을, 상기 wLOSz은 시선 좌표계의 상기 제3축에 대한 상기 물체의 시선 각속도를, 상기 wLOSx은 시선 좌표계의 상기 제1축에 대한 상기 물체의 시선 각속도를, 상기 Θ는 상기 제2축에 대한 상기 김벌의 구동 각도를 나타낸다.The wR1z is the angular velocity disturbance, the wLOSz is the gaze angular velocity of the object with respect to the third axis of the gaze coordinate system, the wLOSx is the gaze angular velocity of the object with respect to the first axis of the gaze coordinate system, and the Θ is the It represents the driving angle of the gimbal with respect to the second axis.

일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서, 상기 추종 제어 신호 및 상기 외란 제어 신호는 상기 김벌이 상기 제1축에 대해 회전하는 각속도를 제어하는 신호이다.In the gaze stabilization system according to an embodiment, the tracking control signal and the disturbance control signal are signals that control the angular velocity at which the gimbal rotates about the first axis.

일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서, 상기 외란제어기에서 출력되는 상기 외란 제어 신호는 상기 추종제어기로 입력된다.In the gaze stabilization system according to an embodiment, the disturbance control signal output from the disturbance controller is input to the following controller.

일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서, 상기 추종제어기와 상기 외란제어기는 독립하여 구성된다.In the gaze stabilization system according to an embodiment, the tracking controller and the disturbance controller are configured independently.

일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서, 상기 외란제어기에서 출력되는 상기 외란 제어 신호는 상기 추종제어기에서 출력되는 상기 추종 제어 신호와 합해진다.In the gaze stabilization system according to an embodiment, the disturbance control signal output from the disturbance controller is summed with the tracking control signal output from the following controller.

일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서, 상기 물체의 시선 각속도는 상기 각속도 센서에 의해 직접 측정되거나, 측정된 다른 각속도를 좌표 변환하여 상기 물체의 시선 각속도를 산출하는 방식으로 간접 측정된다.In the gaze stabilization system according to an embodiment, the gaze angular velocity of the object is directly measured by the angular velocity sensor, or is indirectly measured by calculating coordinates of other measured angular velocity to calculate the gaze angular velocity of the object.

일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서, 상기 각속도 센서는, 1축에 대한 각속도 센싱이 가능한 1축 센서, 2축에 대한 각속도 센싱이 가능한 2축 센서, 또는 3축에 대한 각속도 센싱이 가능한 3축 센서로 구성된다.In the gaze stabilization system according to an embodiment, the angular velocity sensor may include a 1-axis sensor capable of sensing angular velocity on 1 axis, a 2-axis sensor capable of sensing angular velocity on 2 axes, or a 3-axis capable of sensing angular velocity on 3 axes. It consists of sensors.

일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템은, 상기 김벌의 외부에 장착되고, 1축 이상의 자유도를 갖는 적어도 하나의 외부 김벌을 더 포함한다.The gaze stabilization system according to an embodiment further includes at least one external gimbal mounted on the outside of the gimbal and having one or more degrees of freedom.

일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서, 상기 제1축 및 상기 제2축은 방위축(azimuth axis) 및 고도축(elevation axis)으로, 상기 제3축은 롤축(roll axis, horizon axis)으로 구성된다.In the gaze stabilization system according to an embodiment, the first axis and the second axis are azimuth axis and elevation axis, and the third axis is a roll axis (horizontal axis).

일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서, 상기 제1축, 상기 제2축, 및 상기 제3축은 롤축(roll axis), 피치축(pitch axis), 및 요축(yaw axis)로 구성된다.In the gaze stabilization system according to an embodiment, the first axis, the second axis, and the third axis are composed of a roll axis, a pitch axis, and a yaw axis.

일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템은, 상기 물체와 함께 항공기에 장착된다.The gaze stabilization system according to an embodiment is mounted on an aircraft together with the object.

일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서, 상기 물체는 카메라 모듈이다.In the gaze stabilization system according to an embodiment, the object is a camera module.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 제1축 및 제2축으로 구동하는 김벌을 이용한 물체의 시선 안정화 방법에 있어서, 물체의 시선 각속도를 측정하는 단계; 명령 입력(command input) 및 상기 물체의 시선 각속도의 피드백 입력에 따라, 상기 물체가 목표하는 시선을 추종하도록 상기 김벌을 제어하는 추종 제어 신호를 출력하는 단계; 및 상기 물체에 가해지는 각속도 외란을 상쇄하도록 상기 김벌을 제어하는 외란 제어 신호를 출력하는 단계를 포함하고, 상기 각속도 외란은 상기 김벌의 구동축이 아닌 제3축으로 유입되는 외란이다.As a means for solving the above-described technical problem, a method for stabilizing a gaze of an object using gimbals driven in a first axis and a second axis, the method comprising: measuring a gaze angular velocity of the object; Outputting a tracking control signal controlling the gimbal so that the object follows a target gaze according to a command input and a feedback input of the angular velocity of the gaze of the object; And outputting a disturbance control signal for controlling the gimbal to cancel the angular velocity disturbance applied to the object, wherein the angular velocity disturbance is a disturbance flowing into the third axis rather than the driving axis of the gimbal.

일 실시예에 따른 시선 안정화 방법에 있어서, 상기 외란 제어 신호를 출력하는 단계는, 상기 측정된 물체의 시선 각속도로부터 상기 각속도 외란을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 각속도 외란을 상쇄시키도록 상기 외란 제어 신호를 구성하는 단계를 포함한다.In the gaze stabilization method according to an embodiment, the step of outputting the disturbance control signal includes: calculating the angular velocity disturbance from the gaze angular velocity of the measured object; And configuring the disturbance control signal to cancel the calculated angular velocity disturbance.

일 실시예에 따른 시선 안정화 방법에 있어서, 상기 각속도 외란은 하기 수학식에 의해 산출되고,In the gaze stabilization method according to an embodiment, the angular velocity disturbance is calculated by the following equation,

(수학식)(Mathematics)

wR1z = wLOSz*cosΘ - wLOSx*sinΘwR1z = wLOSz*cosΘ-wLOSx*sinΘ

상기 wR1z은 각속도 외란을, 상기 wLOSz은 시선 좌표계의 상기 제3축에 대한 상기 물체의 시선 각속도를, 상기 wLOSx은 시선 좌표계의 상기 제1축에 대한 상기 물체의 시선 각속도를, 상기 Θ는 상기 제2축에 대한 상기 김벌의 구동 각도를 나타낸다.The wR1z is the angular velocity disturbance, the wLOSz is the gaze angular velocity of the object with respect to the third axis of the gaze coordinate system, the wLOSx is the gaze angular velocity of the object with respect to the first axis of the gaze coordinate system, and the Θ is the first It represents the driving angle of the gimbal with respect to the two axes.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 상기 시선 안정화 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체에 기록된다.As a means for solving the above-described technical problem, the gaze stabilization method is recorded on a recording medium in which a program for execution on a computer is recorded.

본 발명에서는 김벌의 구동축이 아닌 다른 축으로 유입되는 각속도 외란을 해석적으로 산출하고, 이를 상쇄하기 위한 서보제어기를 구성한다. 즉, 본 발명에서는 각속도 외란을 해석적으로 산출하므로 이를 상쇄하기 위한 제어 신호를 출력함으로써 각속도 외란을 완전히 제거하는 것이 가능하다. 따라서 카메라 모듈이 안정하게 영상을 촬영하는 것이 가능하다.In the present invention, an angular velocity disturbance flowing into an axis other than the drive axis of the gimbal is analytically calculated, and a servo controller for canceling it is constructed. That is, in the present invention, since the angular velocity disturbance is analytically calculated, it is possible to completely remove the angular velocity disturbance by outputting a control signal for canceling it. Therefore, it is possible for the camera module to stably shoot an image.

또한 본 발명에서는 시선 추종을 위한 추종제어기와 외란 제거를 위한 외란제어기가 독립하여 구성된다. 따라서 외란제어기 추가로 인해 추종제어기의 설계가 복잡해지거나 추종제어기의 성능이 저하되지 않는다.In addition, in the present invention, the tracking controller for tracking the eye and the disturbance controller for removing the disturbance are configured independently. Therefore, the design of the tracking controller does not become complicated or the performance of the tracking controller does not deteriorate due to the addition of the disturbance controller.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.The effect according to the present invention is not limited by the contents exemplified above, and more various effects are included in the present specification.

도 1은 일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템을 나타낸다.
도 2는 항공기의 기체 좌표계(body frame)를 나타낸다.
도 3은 기체 좌표계(body frame), 김벌의 내부 좌표계와 외부 좌표계, 및 카메라 모듈의 시선 좌표계(LOS frame)를 나타낸다.
도 4 내지 도 7은 각속도 외란이 카메라 모듈로 유입되는 과정을 나타낸다.
도 8은 롤축에 대한 목표 시선 추종을 위한 제어 구조를 나타낸 블록도이다.
도 9 및 도 10은 일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템의 제어 구조를 나타낸 블록도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서 김벌 좌표계를 나타낸다.
도 12는 다른 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서 각속도 외란이 카메라 모듈로 유입되는 과정을 나타낸다.
도 13은 방위축에 대한 목표 시선 추종을 위한 제어 구조를 나타낸 블록도이다.
도 14 및 도 15는 다른 실시예에 따른 시선 안정화 시스템의 제어 구조를 나타낸 블록도이다.
도 16 및 도 17은 시선 안정화 방법을 나타낸 순서도이다.
1 shows a gaze stabilization system according to an embodiment.
2 shows the aircraft's body frame.
FIG. 3 shows a body frame, an internal and external coordinate system of gimbal, and a LOS frame of a camera module.
4 to 7 illustrate a process in which angular velocity disturbance flows into the camera module.
8 is a block diagram showing a control structure for following a target line of sight for a roll axis.
9 and 10 are block diagrams showing a control structure of a gaze stabilization system according to an embodiment.
11 shows a gimbal coordinate system in a gaze stabilization system according to another embodiment.
12 is a view illustrating a process in which angular velocity disturbance is introduced into a camera module in a gaze stabilization system according to another embodiment.
13 is a block diagram showing a control structure for following a target line of sight with respect to an azimuth axis.
14 and 15 are block diagrams showing a control structure of a gaze stabilization system according to another embodiment.
16 and 17 are flowcharts illustrating a method for stabilizing the gaze.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 하기 설명은 실시예들을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 당해 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It goes without saying that the following description is only for the purpose of embodying the embodiments and does not limit or limit the scope of the invention. From the detailed description and examples, what can be easily inferred by experts in the art is interpreted as belonging to the scope of rights.

본 명세서에서 사용되는 '구성된다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.As used herein, terms such as'consist of' or'comprises' should not be construed as including all of the various components or various steps described in the specification, and some components or some of them. It should be construed that they may not be included, or may further include additional components or steps.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the present specification have selected general terms that are currently widely used as possible while considering functions in the present invention, but this may be changed according to intentions or precedents of a person skilled in the art or the appearance of new technologies. In addition, in certain cases, some terms are arbitrarily selected by the applicant, and in this case, their meanings will be described in detail in the description of the applicable invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the entire contents of the present invention, not a simple term name.

도 1은 일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템을 나타낸다. 일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템(100)은 김벌(110), 각속도 센서(120), 서보제어기(130), 서보증폭기(미도시), 및 서보모터(미도시)를 포함한다.1 shows a gaze stabilization system according to an embodiment. The gaze stabilization system 100 according to an embodiment includes a gimbal 110, an angular velocity sensor 120, a servo controller 130, a servo amplifier (not shown), and a servo motor (not shown).

일 실시예에서 시선 안정화 시스템(100)의 적용 대상이 되는 물체는 카메라 모듈이다. 일 실시예에서 카메라 모듈은 김벌(110)에 탑재되고 항공기 배면에 장착되어 항공기의 직하방 및 측방을 촬영한다.In one embodiment, the object to which the gaze stabilization system 100 is applied is a camera module. In one embodiment, the camera module is mounted on the gimbal 110 and mounted on the back of the aircraft to shoot directly and sideways of the aircraft.

카메라 모듈은 장거리의 미세한 표적을 확대 캡쳐 가능한 높은 배율의 광학계가 사용되는 전자광학/적외선(electro optical infra-red, EO/IR) 카메라 모듈일 수 있다. 항공기 배면에 장착된 카메라 모듈은 장거리 사각 사진 촬영(long range oblique photography, LOROP)에 사용될 수 있다.The camera module may be an electro optical infra-red (EO/IR) camera module in which a high magnification optical system capable of enlarging and capturing a small target over a long distance is used. The camera module mounted on the rear of the aircraft can be used for long range oblique photography (LOROP).

또는 카메라 모듈은 CCD(charge-coupled device camera) 카메라 모듈, 줌 타입 카메라 모듈, 돔 타입 카메라 모듈, PTZ(pan-tilt-zoom) 카메라 모듈, 어안 카메라 모듈 등 다양한 종류의 카메라 모듈일 수 있으며 나열된 종류에 제한되지 않는다.Alternatively, the camera module may be various types of camera modules such as a charge-coupled device camera (CCD) camera module, a zoom type camera module, a dome type camera module, a PTZ (pan-tilt-zoom) camera module, and a fisheye camera module. Is not limited to.

이와 같이 시선 안정화 시스템(100)의 적용 대상을 카메라 모듈로 특정하는 것은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 그 적용 대상을 한정하는 것은 아니다. 시선 안정화 시스템(100)은 위성 안테나, 우주 망원경 등과 같은 시선 안정화가 필요한 모든 물체에 적용 가능하다.In this way, specifying the target of the gaze stabilization system 100 as a camera module is for convenience of description and does not limit the target. The gaze stabilization system 100 is applicable to any object that requires gaze stabilization, such as a satellite antenna or a space telescope.

또한 카메라 모듈이 항공기에 장착된 것으로 특정하는 것도 설명의 편의를 위한 것일 뿐이며, 카메라 모듈이 다른 동체 또는 고정체에 장착된 경우에도 시선 안정화 시스템(100)의 적용이 가능하다.In addition, specifying that the camera module is mounted on the aircraft is only for convenience of description, and even when the camera module is mounted on another fuselage or a fixed body, the gaze stabilization system 100 can be applied.

시선 안정화 시스템(100)은 각속도 외란으로부터 카메라 모듈의 시선(line of sight, LOS)을 안정화시키기 위한 시스템이다. 카메라 모듈에는 외부로부터 다양한 요인으로 인해 진동이 유입될 수 있다. 예를 들어, 김벌 자체의 공진모드에 의해, 김벌 내의 방진구에 의하여 발생하는 회전모드에 의해 진동이 발생할 수 있다. 이러한 진동 중에서 카메라 모듈에 각 변위를 유발하는 각속도 외란은 카메라 모듈의 시선에 영향을 미치게 된다. 선형 진동의 경우도 김벌로 전달되는 과정에서 각속도 외란으로 변환될 수 있다. 시선 안정화 시스템(100)은 이러한 각속도 외란을 상쇄하여, 카메라 모듈이 안정한 영상을 획득할 수 있도록 한다.The gaze stabilization system 100 is a system for stabilizing the line of sight (LOS) of the camera module from angular velocity disturbance. Vibration may be introduced into the camera module due to various factors from the outside. For example, vibration may be generated by the resonance mode of the gimbal itself, or by the rotation mode generated by the anti-vibration hole in the gimbal. Among these vibrations, the angular velocity disturbance that causes angular displacement in the camera module affects the gaze of the camera module. In the case of linear vibration, it can also be converted into angular velocity disturbance in the process of being transmitted to gimbal. The gaze stabilization system 100 compensates for this angular velocity disturbance, so that the camera module can acquire a stable image.

김벌(110)은 카메라 모듈이 장착되는 내부 김벌과 외부 환경으로부터 카메라 모듈을 보호하기 위한 외부 김벌로 구성된다. 외부 김벌은 외부 환경으로부터 카메라 모듈을 보호하기 위한 덮개(shroud)와 일체를 이루도록 구성될 수 있다.The gimbal 110 is composed of an internal gimbal where the camera module is mounted and an external gimbal to protect the camera module from the external environment. The external gimbal may be configured to be integral with a shroud to protect the camera module from the external environment.

내부 김벌은 2개의 구동축으로 구성되고, 외부 김벌은 1개의 구동축으로 구성된다. 내부 김벌은 롤축 및 피치축으로 구동 가능하나, 요축에 대해서는 구동 가능하지 않다. 또한 외부 김벌은 롤축으로 구동 가능하다.The inner gimbal consists of two drive shafts, and the outer gimbal consists of one drive shaft. The internal gimbal can be driven by the roll axis and the pitch axis, but not by the yaw axis. In addition, the external gimbal can be driven by a roll shaft.

이와 같이 김벌(110)의 구조를 특정하는 것 또한 설명의 편의를 위해서일 뿐, 김벌(110)의 구조를 한정하는 것은 아니다. 이후 본 명세서에서는 특정된 김벌(110)의 구조를 바탕으로 각속도 외란을 해석하고, 제어기를 설계하는 방법을 설명할 것이다. 이후 본 명세서에서 설명될 것이나, 본 발명은 다른 구조의 김벌에도 적용이 가능하며, 일 실시예에 따라 특정된 김벌(110)의 구조는 적용 가능한 구조들 중 하나일 뿐이다.As such, specifying the structure of the gimbal 110 is also for convenience of explanation, and does not limit the structure of the gimbal 110. Hereinafter, in this specification, a method of analyzing the angular velocity disturbance and designing a controller based on the specified structure of the gimbal 110 will be described. Although it will be described later in the present specification, the present invention can be applied to gimbals of other structures, and the structure of the gimbal 110 specified according to an embodiment is only one of applicable structures.

각속도 센서(120)는 카메라 모듈의 시선 각속도를 측정하기 위한 센서이다. 각속도 센서(120)는 카메라 모듈에 장착되어 시선 각속도를 직접 측정한다. 이와 달리, 각속도 센서(120)는 항공기의 동체에 장착되어 동체 각속도를 측정한 뒤 좌표 변환하여 시선 각속도를 산출하는 방식으로, 카메라 모듈의 시선 각속도를 간접 측정하도록 구성될 수 있다.The angular velocity sensor 120 is a sensor for measuring the gaze angular velocity of the camera module. The angular velocity sensor 120 is mounted on the camera module to directly measure the gaze angular velocity. Alternatively, the angular velocity sensor 120 may be configured to indirectly measure the angular velocity of the camera module by measuring the angular velocity of the fuselage and converting coordinates to calculate the gaze angular velocity.

각속도 센서(120)는 관성 좌표계(inertia frame)에 대한 각속도를 측정하는 센서로, 자이로 센서 등과 같은 관성 센서로 구성될 수 있다.The angular velocity sensor 120 is a sensor that measures angular velocity with respect to an inertia frame, and may be configured with an inertial sensor such as a gyro sensor.

또한 각속도 센서(120)는 3축에 대한 각속도 센싱이 가능한 3축 센서로 구성될 수 있다. 또는 각속도 센서(120)는 1축에 대한 각속도 센싱이 가능한 1축 센서 3개로 구성되거나, 2축에 대한 각속도 센싱이 가능한 2축 센서와 1축 센서로 구성될 수 있다.In addition, the angular velocity sensor 120 may be configured as a 3-axis sensor capable of sensing angular velocity with respect to 3 axes. Alternatively, the angular velocity sensor 120 may be composed of three single-axis sensors capable of sensing angular velocity about one axis, or may be composed of a two-axis sensor capable of sensing angular velocity about two axes and a single axis sensor.

서보제어기(130)는 카메라 모듈이 목표하는 시선을 추종하면서 동시에 안정한 영상 획득이 가능하도록 김벌(110)을 제어하는 신호를 출력한다.The servo controller 130 outputs a signal that controls the gimbal 110 so that a stable image can be obtained while following the target gaze of the camera module.

서보제어기(130)는 사용자로부터 명령을 입력 받아 카메라 모듈이 목표하는 시선을 추종하도록 추종 제어 신호를 출력하는 추종제어기(131) 및 각속도 외란을 상쇄하기 위한 외란 제어 신호를 출력하는 외란제어기(132)를 포함한다.The servo controller 130 receives a command from a user, and a tracking controller 131 outputting a tracking control signal to follow a target line of sight of the camera module, and a disturbance controller 132 outputting a disturbance control signal for canceling the angular velocity disturbance. It includes.

서보제어기(130)에서 출력되는 추종 제어 신호 및 외란 제어 신호는 서보증폭기에서 증폭되어 서보모터에 입력된다.The tracking control signal and the disturbance control signal output from the servo controller 130 are amplified by the servo amplifier and input to the servo motor.

이상 일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템(100)의 구성에 대해 설명하였다. 이상에서 설명한 시선 안정화 시스템(100)의 구성을 바탕으로, 이하에서는 각속도 외란이 카메라 모듈로 유입되는 과정을 설명하고, 물체의 시선 각속도로부터 각속도 외란을 산출하는 방법을 설명한다. 그리고 산출된 각속도 외란을 이용하여 카메라 모듈의 시선을 안정화시키는 제어 방법에 대해 설명한다.The configuration of the gaze stabilization system 100 according to one embodiment has been described above. Based on the configuration of the gaze stabilization system 100 described above, the following describes a process in which the angular velocity disturbance flows into the camera module, and a method of calculating the angular velocity disturbance from the gaze angular velocity of the object will be described. In addition, a control method for stabilizing the gaze of the camera module using the calculated angular velocity disturbance will be described.

먼저, 도 2 내지 도 7을 참조하여 각속도 외란이 카메라 모듈로 전달되는 양상을 살펴본다.First, an aspect in which the angular velocity disturbance is transmitted to the camera module will be described with reference to FIGS. 2 to 7.

도 2는 항공기의 기체 좌표계(body frame)를 나타낸다. 도 3은 기체 좌표계(body frame), 김벌의 내부 좌표계와 외부 좌표계, 및 카메라 모듈의 시선 좌표계(LOS frame)를 나타낸다. 도 4 내지 도 7은 각속도 외란이 카메라 모듈로 유입되는 과정을 나타낸다.2 shows the aircraft's body frame. FIG. 3 shows a body frame, an internal and external coordinate system of gimbal, and a LOS frame of a camera module. 4 to 7 illustrate a process in which angular velocity disturbance flows into the camera module.

도 2 내지 도 7에서 B0f는 항공기의 기체 좌표계(body frame)를 나타낸다. 기체 좌표계는 항공기에 고정된 좌표계로, B0x는 기체 좌표계(B0f)의 롤축(roll axis), B0y는 피치축(pitch axis), B0z는 요축(yaw axis)을 나타낸다. wB0x, wB0y, wB0z는 각각 롤축(B0x), 피치축(B0y), 요축(B0z)의 각속도를 나타낸다.2 to 7, B0f represents the aircraft's body frame. The aircraft coordinate system is a coordinate system fixed to the aircraft, B0x represents a roll axis of the aircraft coordinate system B0f, B0y represents a pitch axis, and B0z represents a yaw axis. wB0x, wB0y, and wB0z indicate the angular velocity of the roll axis B0x, the pitch axis B0y, and the yaw axis B0z, respectively.

또한 R0f는 외부 김벌에 고정된 좌표계인 외부 좌표계로, R0x는 외부 좌표계(R0f)의 롤축, R0y는 피치축, R0z는 요축을 나타낸다. wR0x, wR0y, wR0z는 각각 롤축(R0x), 피치축(R0y), 요축(R0z)의 각속도를 나타낸다. In addition, R0f is an external coordinate system that is a fixed coordinate system to the external gimbal, R0x is a roll axis of the external coordinate system (R0f), R0y is a pitch axis, and R0z is a yaw axis. wR0x, wR0y, and wR0z indicate the angular velocity of the roll axis R0x, the pitch axis R0y, and the yaw axis R0z, respectively.

또한 R1f는 내부 김벌에 고정된 좌표계인 내부 좌표계로, R1x는 내부 좌표계(R1f)의 롤축, R1y는 피치축, R1z는 요축을 나타낸다. wR1x, wR1y, wR1z는 각각 롤축(R1x), 피치축(R1y), 요축(R1z)의 각속도를 나타낸다.In addition, R1f is an internal coordinate system that is a fixed coordinate system in the internal gimbal, R1x is a roll axis of the internal coordinate system R1f, R1y is a pitch axis, and R1z is a yaw axis. wR1x, wR1y, and wR1z indicate the angular velocity of the roll axis R1x, the pitch axis R1y, and the yaw axis R1z, respectively.

또한 LOSf는 카메라 모듈의 시선 좌표계(LOS frame)로, LOSx는 시선 좌표계(LOSf)의 롤축, LOSy는 피치축, LOSz는 요축을 나타낸다. wLOSx, wLOSy, wLOSz는 각각 롤축(LOSx), 피치축(LOSy), 요축(LOSz)의 각속도를 나타낸다.In addition, LOSf is the LOS frame of the camera module, LOSx is the roll axis of the LOSf, LOSy is the pitch axis, and LOSz is the yaw axis. wLOSx, wLOSy, and wLOSz indicate the angular velocity of the roll axis (LOSx), the pitch axis (LOSy), and the yaw axis (LOSz), respectively.

도 1을 참조한 설명에서, 외부 김벌은 롤축(R0x)이 구동축으로, 내부 김벌은 롤축(R1x) 및 피치축(R1y)이 구동축으로 구성되었다. φ0는 외부 김벌의 롤각(roll angle)을, φ1는 내부 김벌의 롤각(roll angle)을, Θ1는 내부 김벌의 피치각(pitch angle)을 나타낸다.In the description with reference to FIG. 1, the outer gimbal has a roll axis R0x as a drive shaft, and the inner gimbal has a roll axis R1x and a pitch axis R1y as a drive shaft. φ0 indicates the roll angle of the outer gimbal, φ1 indicates the roll angle of the inner gimbal, and Θ1 indicates the pitch angle of the inner gimbal.

일 실시예에서 김벌의 롤각과 피치각은 각각 -85°<φ0<+85°, -5°<φ1<+5°, -15°<Θ1<15°의 구동범위를 갖도록 구성될 수 있다.In one embodiment, the roll angle and pitch angle of the gimbal may be configured to have a driving range of -85°<φ0<+85°, -5°<φ1<+5°, -15°<Θ1<15°, respectively.

김벌의 회전 중심은 카메라 모듈의 중심이지만, 도 3 내지 도 6에서는 설명의 편의를 위해 좌표계를 모터가 위치한 부분에 표시하였다.The center of rotation of the gimbal is the center of the camera module, but in FIGS. 3 to 6, for convenience of explanation, the coordinate system is displayed on the part where the motor is located.

도 4에서 B0x와 R0x는 동일 회전축 상에 있는데, 이를테면 모터의 회전자(rotor)와 고정자(stator)가 결합된 것과 동일하다. 만약 회전자유도 없이 기계적으로 고정되어 있다면 wB0x = wR0x가 된다.In FIG. 4, B0x and R0x are on the same axis of rotation, for example, the same as the combination of a rotor and a stator of a motor. If it is mechanically fixed without rotating freedom, wB0x = wR0x.

김벌의 배치와 형상을 고려하여 각 좌표계간의 각속도 결합 벡터도를 도 4 내지 도 6과 같이 나타낼 수 있다. 도 4 내지 도 6으로부터 항공기 동체의 각속도가 외부 좌표계(R0f)와 내부 좌표계(R1f)를 거쳐 카메라 모듈의 시선으로 결합되는 양상을 다음의 수학식 1.a 내지 수학식 1.f와 같이 구할 수 있다.In consideration of the arrangement and shape of the gimbal, an angular velocity combination vector diagram between each coordinate system may be represented as in FIGS. 4 to 6. From FIG. 4 to FIG. 6, an aspect in which the angular velocity of the aircraft fuselage is combined with the gaze of the camera module through the external coordinate system R0f and the internal coordinate system R1f can be obtained as in the following Equations 1.a to 1.f. have.

수학식 1.a 및 수학식 1.b는 도 4에 도시된 것과 같이, 기체 좌표계(B0f)의 각속도가 외부 좌표계(R0f)로 결합되는 것을 나타낸다.Equation 1.a and Equation 1.b show that the angular velocity of the gas coordinate system B0f is coupled to the external coordinate system R0f, as shown in FIG. 4.

(수학식 1.a)(Equation 1.a)

wR0z = wB0z*cos(φ0) - wB0y*sin(φ0)wR0z = wB0z*cos(φ0)-wB0y*sin(φ0)

(수학식 1.b)(Equation 1.b)

wR0y = wB0y*cos(φ0) + wB0z*sin(φ0)wR0y = wB0y*cos(φ0) + wB0z*sin(φ0)

수학식 1.c 및 수학식 1.d는 도 5에 도시된 것과 같이, 외부 좌표계(R0f)의 각속도가 내부 좌표계(R1f)로 결합되는 것을 나타낸다.Equation 1.c and Equation 1.d indicate that the angular velocity of the external coordinate system R0f is coupled to the internal coordinate system R1f, as shown in FIG. 5.

(수학식 1.c)(Equation 1.c)

wR1z = wR0z*cos(φ1) - wR0y*sin(φ1)wR1z = wR0z*cos(φ1)-wR0y*sin(φ1)

(수학식 1.d)(Equation 1.d)

wR1y = wR0y*cos(φ1) + wR0z*sin(φ1)wR1y = wR0y*cos(φ1) + wR0z*sin(φ1)

수학식 1.e 및 수학식 1.f는 도 6에 도시된 것과 같이, 내부 좌표계(R1f)의 각속도가 시선 좌표계(LOSf)로 결합되는 것을 나타낸다.Equation 1.e and Equation 1.f indicate that the angular velocity of the internal coordinate system R1f is coupled to the gaze coordinate system LOSf, as shown in FIG. 6.

(수학식 1.e)(Equation 1.e)

wLOSx = wR1x*cosΘ - wR1z*sinΘwLOSx = wR1x*cosΘ-wR1z*sinΘ

(수학식 1.f)(Equation 1.f)

wLOSz = wR1z*cosΘ + wR1x*sinΘwLOSz = wR1z*cosΘ + wR1x*sinΘ

이상의 수학식 1.a 내지 수학식 1.f를 도면으로 표현하면 도 7이 된다. 도 7에서 각속도를 표현하기 위한 접두사인 w가 생략되었다. 도 7에서 Cφ0는 cos(φ0)를, Sφ0는 sin(φ0)를, Cφ1는 cos(φ1)를, Sφ1는 sin(φ1)를, CΘ는 cosΘ를, SΘ는 sinΘ를 나타낸다.When the above equations 1.a to 1.f are expressed as drawings, it becomes FIG. 7. In FIG. 7, the prefix w for expressing angular velocity is omitted. In FIG. 7, Cφ0 represents cos(φ0), Sφ0 represents sin(φ0), Cφ1 represents cos(φ1), Sφ1 represents sin(φ1), CΘ represents cosΘ, and SΘ represents sinΘ.

수학식 1.a 내지 수학식 1.f에서 서보모터의 회전자(rotor)와 고정자(stator) 간의 마찰결합은 무시되었는데, 실제로 무시 가능한 정도이다.In Equations 1.a to 1.f, frictional coupling between the rotor and the stator of the servomotor was neglected, which is actually negligible.

김벌의 3개의 구동축에 대한 서보모터의 출력은 해당 축의 각속도, 즉 wR0x, wR1x, 및 wLOSy로 표현된다. 또한 카메라 모듈에 부착된 각속도 센서에 의해 시선 좌표계의 각속도 wLOSx, wLOSy, 및 wLOSz가 센싱된다.The outputs of the servomotors for the three drive shafts of Gimbal are expressed by the angular velocity of the corresponding axes, that is, wR0x, wR1x, and wLOSy. In addition, the angular velocity wLOSx, wLOSy, and wLOSz of the gaze coordinate system are sensed by the angular velocity sensor attached to the camera module.

카메라 모듈의 시선 안정화를 위한 내부 김벌의 구동축은 롤축 및 피치축이다. 피치축의 경우, 서보모터가 wLOSy를 직접 제어할 수 있으므로 유입되는 각속도 외란이 서보모터의 회전자유도에 의해 차단된다.The drive shaft of the inner gimbal for stabilizing the gaze of the camera module is a roll axis and a pitch axis. In the case of the pitch axis, since the servo motor can directly control wLOSy, the incoming angular velocity disturbance is blocked by the rotational freedom of the servo motor.

반면, 수학식 1.e를 참조하면, 롤축은 서보모터의 출력 wR1x가 cosΘ를 거쳐서 wLOSx에 전달되며, wR1z도 -sinΘ만큼 유입된다. 서보모터는 wR1x를 직접 제어할 수 있지만, R1z이 김벌의 구동축이 아니므로 wR1z를 직접 제어할 수 없다. 따라서, wR1z는 카메라 모듈의 시선에 원하지 않는 각 변위를 유발하는 각속도 외란으로 작용한다.On the other hand, referring to Equation 1.e, in the roll axis, the output wR1x of the servo motor is transmitted to wLOSx through cosΘ, and wR1z also flows -sinΘ. The servo motor can directly control wR1x, but cannot control wR1z directly because R1z is not the drive shaft of Kimber. Therefore, wR1z acts as an angular velocity disturbance that causes an undesired angular displacement in the gaze of the camera module.

도 8은 롤축에 대한 목표 시선 추종을 위한 제어 구조를 나타낸 블록도이다. 도 8에서 서보제어기는 외란제어기 없이 추종제어기(Gc(s))로만 구성되어 있다.8 is a block diagram showing a control structure for following a target line of sight for a roll axis. In FIG. 8, the servo controller is composed of only a follower controller Gc(s) without a disturbance controller.

서보증폭기와 서보모터는 전류구동형으로 운용하는 경우이며, 이때의 전달함수는 토크상수 Kt로 간략화 할 수 있다. 또한 김벌 내의 질량 불균일 및 각 축간의 상호운동에 의한 결합성은 도 8에서 Tqr_dstb로 표현된 토크 외란으로 입력된다. 블록도의 출력인 wLOSx는 롤축의 각속도이며 카메라 모듈에 장착된 각속도 센서로부터 센싱된다.The servo amplifier and servo motor are operated in the current driving type, and the transfer function at this time can be simplified to the torque constant Kt. In addition, the unevenness of mass within the gimbal and the coupling due to mutual motion between the axes are input as a torque disturbance expressed by Tqr_dstb in FIG. 8. The block diagram output, wLOSx, is the angular velocity of the roll axis and is sensed from the angular velocity sensor mounted on the camera module.

시선 안정화를 위해서는 각속도 외란이 카메라에 유입되더라도 wLOSx가 0이 되도록 작동되어야 한다. 그런데 wR1x는 서보제어기의 명령 입력(wc)으로 제어가 가능한 반면, wR1z는 롤축과 다른 방향에서 입력되므로 제거하기가 쉽지 않다. 또 결합량이 -sinΘ이므로 피치각(Θ)이 증가할수록 영상의 안정화 성능도 함께 저하된다. 이를 회피하려면 피치각(Θ)을 0으로 고정하면 되나, 이는 구동각을 제한하여 촬영각의 제약을 가져오는 문제가 발생한다.In order to stabilize the gaze, wLOSx must be operated so that even if an angular velocity disturbance enters the camera. However, while wR1x can be controlled by the command input (wc) of the servo controller, wR1z is not easy to remove because it is input from a different direction from the roll axis. In addition, since the bonding amount is -sinΘ, the stabilization performance of the image decreases as the pitch angle Θ increases. To avoid this, the pitch angle Θ may be fixed to 0, but this causes a problem of limiting the driving angle, resulting in limitation of the shooting angle.

도 8에 도시된 블록도를 수식으로 표현하면 다음의 수학식 2와 같다. The block diagram shown in FIG. 8 is expressed by Equation 2 below.

(수학식 2)(Equation 2)

Figure 112018110564808-pat00022
Figure 112018110564808-pat00022

Figure 112018110564808-pat00023
Figure 112018110564808-pat00023

Figure 112018110564808-pat00024
Figure 112018110564808-pat00024

명령 입력(wc)은 대역폭 내에서 wLOSx에 구현된다. 또 토크외란(Tqr_dstb, T_d(s))도 수학식 2처럼 개루프 전달함수 특성에 따라서 제어기에 의하여 비교적 용이하게 감쇠시킬 수 있다.Command input (wc) is implemented in wLOSx within the bandwidth. Also, the torque disturbances (Tqr_dstb, T_d(s)) can be attenuated relatively easily by the controller according to the characteristics of the open loop transfer function as shown in Equation (2).

그러나 wR1z의 경우, 높은 주파수에서 Gopen(s)이 0으로 수렴하더라도 그 영향이 0이 되지 않고 -sinΘ만큼 wLOSx에 남아있게 된다. 그 결과 영상의 흔들림이 존재하여 영상의 품질이 저하된다.However, in the case of wR1z, even if Gopen(s) converges to 0 at a high frequency, the effect is not 0 and remains at wLOSx by -sinΘ. As a result, the image is shaken and the quality of the image is deteriorated.

내부 김벌의 구동축은 롤축 및 피치축이므로, 구동축이 아닌 요축에 의한 각속도 외란인 wR1z를 직접 제어할 수 없다. 따라서 카메라 모듈의 시선 안정화를 위해서는 wR1z를 제거하기 위한 방안이 요구된다.Since the drive shaft of the inner gimbal is a roll axis and a pitch axis, it is not possible to directly control wR1z, which is an angular velocity disturbance caused by a yaw axis, rather than a drive axis. Therefore, a method for removing wR1z is required to stabilize the gaze of the camera module.

이를 위해 본 발명에서는, 요축 각속도(wR1z)를 해석적으로 산출하는 방법을 제안한다.To this end, the present invention proposes a method for analytically calculating the yaw axis angular velocity wR1z.

시선 좌표계의 롤축 각속도 및 요축 각속도를 출력하는 수학식 1.e 및 수학식 1.f에 각각 sinΘ와 cosΘ를 곱하면 수학식 3.a 및 수학식 3.b가 된다.Multiplying sinΘ and cosΘ by Equation 1.e and Equation 1.f for outputting the angular velocity of the roll axis and the angular velocity of the yaw axis of the gaze coordinate system are Equation 3.a and Equation 3.b.

(수학식 3.a) (Equation 3.a)

wLOSz*cosΘ = wR1zcos2Θ + wR1x*sinΘ*cosΘwLOSz*cosΘ = wR1zcos 2 Θ + wR1x*sinΘ*cosΘ

(수학식 3.b)(Equation 3.b)

wLOSx*sinΘ = wR1x*cosΘ*sinΘ - wR1z*sin2ΘwLOSx*sinΘ = wR1x*cosΘ*sinΘ-wR1z*sin 2 Θ

상기 수학식 3.a에서 수학식 3.b를 빼면 다음의 수학식 4가 도출된다.Subtracting Equation 3.b from Equation 3.a results in Equation 4 below.

(수학식 4)(Equation 4)

wLOSz*cosΘ - wLOSx*sinΘ = wR1zwLOSz*cosΘ-wLOSx*sinΘ = wR1z

수학식 4와 같이, 각속도 외란(wR1z)은 wLOSx와 wLOSz로부터 산출할 수 있다. 즉, 각속도 외란(wR1z)은 카메라 모듈의 각속도를 센싱하는 각속도 센서의 출력(wLOSx, wLOSz)으로부터 산출될 수 있다.As shown in Equation 4, the angular velocity disturbance wR1z can be calculated from wLOSx and wLOSz. That is, the angular velocity disturbance wR1z may be calculated from the outputs of the angular velocity sensor sensing the angular velocity of the camera module (wLOSx, wLOSz).

다음으로, 수학식 4 및 블록도 8을 이용하여 각속도 외란(wR1z)을 제거하기 위한 외란 제어 신호를 생성하는 방법을 살펴본다.Next, a method of generating a disturbance control signal for removing angular velocity disturbance wR1z using Equation 4 and block diagram 8 will be described.

도 8의 블록도로부터 다음의 수학식 5를 얻는다.The following equation (5) is obtained from the block diagram of FIG.

(수학식 5)(Equation 5)

wLOSx = -wR1z*sinΘ + Gr(s)*cosΘ*(wc - wLOSx) wLOSx = -wR1z*sinΘ + Gr(s)*cosΘ*(wc-wLOSx)

⇔ wLOSx*(1 + Gr(s)*cosΘ) = -wR1z*sinΘ + Gr(s)*cosΘ*wc⇔ wLOSx*(1 + Gr(s)*cosΘ) = -wR1z*sinΘ + Gr(s)*cosΘ*wc

여기서, Gr(s) = Gc(s)*Kt/(Js)이다.Here, Gr(s) = Gc(s)*Kt/(Js).

상기 수학식 5에서 wR1z*sinΘ를 제거하도록 명령 입력(wc)에 외란 제어 신호(wR1z*sinΘ/(Gr(s)*cosΘ))를 추가하여 수학식 6을 얻는다. In Equation 5, the disturbance control signal wR1z*sinΘ/(Gr(s)*cosΘ) is added to the command input wc to remove wR1z*sinΘ to obtain Equation 6.

(수학식 6)(Equation 6)

wLOSx*(1 + Gr(s)*cosΘ) wLOSx*(1 + Gr(s)*cosΘ)

= -wR1z*sinΘ + Gr(s)*cosΘ*{wc + wR1z*sinΘ/(Gr(s)*cosΘ)} = -wR1z*sinΘ + Gr(s)*cosΘ*{wc + wR1z*sinΘ/(Gr(s)*cosΘ)}

= Gr(s)*cosΘ*wc = Gr(s)*cosΘ*wc

이와 같이, 각속도 센서의 출력(wLOSx, wLOSz)으로부터 각속도 외란(wR1z)을 계산하고, 이를 제거하기 위한 외란 제어 신호를 입력함으로써, 카메라 모듈의 시선 각속도(wLOSx)에서 각속도 외란(wR1z)을 완전히 제거할 수 있다.Thus, by calculating the angular velocity disturbance (wR1z) from the output of the angular velocity sensor (wLOSx, wLOSz), and inputting a disturbance control signal for removing it, the angular velocity disturbance (wR1z) is completely removed from the gaze angular velocity (wLOSx) of the camera module. can do.

수학식 6을 반영한 블록도는 도 9와 같다. 도 9에서 외란 제어 신호는 음영된 블록들에 의해 발생되며, 음영된 블록들이 각속도 외란(wR1z) 제거를 위한 외란제어기에 해당한다.The block diagram reflecting Equation 6 is shown in FIG. 9. In FIG. 9, the disturbance control signal is generated by the shaded blocks, and the shaded blocks correspond to the disturbance controller for removing the angular velocity disturbance (wR1z).

또는 수학식 6을 다음의 수학식 7과 같이 고쳐 쓸 수 있다.Alternatively, Equation 6 can be rewritten as Equation 7 below.

(수학식 7)(Equation 7)

wLOSx (1 + Gr(s)*cosΘ ) wLOSx (1 + Gr(s)*cosΘ)

= -wR1z*sinΘ + Gr(s)*cosΘ*wc + Kt/Js*cosΘ*wR1z*sinΘ/(Kt/Js*cosΘ) = -wR1z*sinΘ + Gr(s)*cosΘ*wc + Kt/Js*cosΘ*wR1z*sinΘ/(Kt/Js*cosΘ)

= Gr(s)*cosΘ*wc = Gr(s)*cosΘ*wc

수학식 6을 수학식 7과 같이 정리한 것은 도 9의 블록도에서 도 10과 같이 외란 제어 신호의 입력위치를 바꾸는 것과 같다. 도 10에서 음영된 블록들이 외란제어기에 해당한다.Summarizing Equation 6 as in Equation 7 is equivalent to changing the input position of the disturbance control signal as shown in FIG. 10 in the block diagram of FIG. 9. The blocks shaded in FIG. 10 correspond to the disturbance controller.

도 10에 도시된 것과 같이 서보제어기를 구성하면, 표적 추종을 위한 추종제어기(Gc(s))의 형태에 관계없이 서보증폭기의 입력단에 외란 제어 신호를 인가할 수 있다. 즉 각속도 명령을 잘 추종하도록 구현하는 추종제어기(Gc(s))의 설계와 외란을 제거하기 위한 외란제어기(음영된 블록들)의 설계를 독립적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.When the servo controller is configured as shown in FIG. 10, the disturbance control signal can be applied to the input terminal of the servo amplifier regardless of the type of the tracking controller Gc(s) for target tracking. That is, there is an advantage that the design of the tracking controller (Gc(s)) to implement the angular velocity command well and the design of the disturbance controller (shaded blocks) to remove the disturbance can be performed independently.

도 9 및 도 10과 같이 외란제어기를 설계하면, 상태관측기(state observer)에 의한 외란의 추정이 필요 없이 각속도 외란(wR1z)을 각속도 센서의 출력(wLOSx, wLOSz)을 이용하여 측정 및 계산이 가능하다. 또한 표적 추종을 위한 추종제어기(Gc(s))의 변경 없이 도 9 및 도 10의 음영된 블록들을 소프트웨어적으로 추가하면 된다.When the disturbance controller is designed as shown in FIGS. 9 and 10, the angular velocity disturbance (wR1z) can be measured and calculated using the output of the angular velocity sensor (wLOSx, wLOSz) without the need for estimation of the disturbance by a state observer. Do. In addition, the shaded blocks of FIGS. 9 and 10 may be added in software without changing the tracking controller Gc(s) for target tracking.

이상 일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서 카메라 모듈에 유입되는 각속도 외란을 상쇄하기 위한 제어 방법에 대해 살펴보았다. 일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서 김벌은 롤축으로 구동 가능한 외부 김벌 및 롤/피치축으로 구동 가능한 내부 김벌로 구성되었다. 이상에서 설명한 제어 방법은 김벌이 다른 구조를 갖더라도 적용 가능하며, 이에 대한 설명을 위해 방위축(azimuth axis) 및 고도축(elevation axis)을 구동축으로 하는 김벌이 장착된 시선 안정화 시스템에 대해 살펴본다.The control method for canceling the angular velocity disturbance flowing into the camera module in the gaze stabilization system according to the embodiment has been described above. In the gaze stabilization system according to an embodiment, the gimbal consists of an external gimbal that can be driven by a roll axis and an internal gimbal that can be driven by a roll/pitch axis. The control method described above can be applied even if the gimbal has a different structure, and for this explanation, a gaze stabilization system equipped with a gimbal using azimuth axis and elevation axis as drive axes will be described. .

도 11은 다른 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서 김벌 좌표계를 나타낸다. 도 12는 다른 실시예에 따른 시선 안정화 시스템에서 각속도 외란이 카메라 모듈로 유입되는 과정을 나타낸다. 다른 실시예에 따른 시선 안정화 시스템은 도 1에 도시된 일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템과 김벌의 구조만 다르며, 중복되는 부분에 대한 설명은 생략한다.11 shows a gimbal coordinate system in a gaze stabilization system according to another embodiment. 12 illustrates a process in which angular velocity disturbance is introduced into the camera module in the gaze stabilization system according to another embodiment. The gaze stabilization system according to another embodiment differs only in the structure of the gaze stabilization system and the gimbal according to the embodiment illustrated in FIG. 1, and descriptions of overlapping parts are omitted.

도 11 및 도 12에서 B0 frame(B0f)은 항공기의 기체 좌표계(body frame)를 나타낸다. 기체 좌표계는 항공기에 고정된 좌표계로, B0x는 기체 좌표계(B0f)의 롤축(roll axis), B0y는 피치축(pitch axis), B0z는 요축(yaw axis)을 나타낸다. wB0x, wB0y, wB0z는 각각 롤축(B0x), 피치축(B0y), 요축(B0z)의 각속도를 나타낸다.11 and 12, the B0 frame (B0f) represents the aircraft's body frame. The aircraft coordinate system is a coordinate system fixed to the aircraft, B0x represents a roll axis of the aircraft coordinate system B0f, B0y represents a pitch axis, and B0z represents a yaw axis. wB0x, wB0y, and wB0z indicate the angular velocity of the roll axis B0x, the pitch axis B0y, and the yaw axis B0z, respectively.

또한 A0 frame(A0f)는 김벌에 고정된 좌표계인 김벌 좌표계로, A0x는 김벌 좌표계(A0f)의 롤축, A0y는 고도축(elevation axis), A0z는 방위축(azimuth axis)을 나타낸다. wA0x, wA0y, wA0z는 각각 롤축(A0x), 고도축(A0y), 방위축(A0z)의 각속도이다. In addition, A0 frame (A0f) is a gimbal coordinate system that is a fixed coordinate system in gimbal, A0x is a roll axis of the gimbal coordinate system (A0f), A0y is an elevation axis, and A0z is an azimuth axis. wA0x, wA0y, and wA0z are the angular speeds of the roll axis A0x, the elevation axis A0y, and the azimuth axis A0z, respectively.

또한 E0 frame(E0f)는 카메라 모듈의 시선 좌표계(LOS frame)로, E0x는 시선 좌표계(E0f)의 롤축, E0y는 피치축, E0z는 요축을 나타낸다. wLOSx, wLOSy, wLOSz는 각각 롤축(E0x), 피치축(E0y), 요축(E0z)의 각속도를 나타낸다.In addition, E0 frame (E0f) is the LOS frame of the camera module, E0x is the roll axis of the gaze coordinate system (E0f), E0y is the pitch axis, and E0z is the yaw axis. wLOSx, wLOSy, and wLOSz represent the angular velocity of the roll axis E0x, the pitch axis E0y, and the yaw axis E0z, respectively.

김벌은 고도축(A0y) 및 방위축(A0z)이 구동축으로 구성된다. η0는 김벌의 방위각(azimuth angle)을, ε0는 김벌의 고도각(elevation angle)을 나타낸다.As for the gimbal, the elevation axis (A0y) and the azimuth axis (A0z) are composed of drive shafts. η0 is the azimuth angle of the gimbal, and ε0 is the elevation angle of the gimbal.

도 12로부터 항공기 동체의 각속도가 김벌 좌표계(A0f)를 거쳐 카메라 모듈의 시선으로 결합되는 양상은 다음의 수학식 8.a 내지 수학식 8.d와 같이 구할 수 있다. 도 12에서 Cη0는 cos(η0)를, Sη0는 sin(η0)를, Cε0는 cos(ε0)를, Sε0는 sin(ε0)를 나타낸다.The aspect in which the angular velocity of the aircraft fuselage from FIG. 12 is combined with the gaze of the camera module through the gimbal coordinate system (A0f) can be obtained as shown in Equations 8.a to 8.d. In FIG. 12, Cη0 represents cos(η0), Sη0 represents sin(η0), Cε0 represents cos(ε0), and Sε0 represents sin(ε0).

수학식 8.a 및 수학식 8.b는 기체 좌표계(B0f)의 각속도가 김벌 좌표계(A0f)로 결합되는 것을 나타낸다.Equations 8.a and 8.b show that the angular velocity of the gas coordinate system B0f is combined into the gimbal coordinate system A0f.

(수학식 8.a)(Equation 8.a)

wA0x = wB0x*cos(η0) + wB0y*sin(η0)wA0x = wB0x*cos(η0) + wB0y*sin(η0)

(수학식 8.b)(Equation 8.b)

wA0y = wB0y*cos(η0) - wB0x*sin(η0)wA0y = wB0y*cos(η0)-wB0x*sin(η0)

수학식 8.c 및 수학식 8.d는 김벌 좌표계(A0f)의 각속도가 시선 좌표계(E0f)로 결합되는 것을 나타낸다.Equation 8.c and Equation 8.d indicate that the angular velocity of the gimbal coordinate system A0f is combined into the gaze coordinate system E0f.

(수학식 8.c)(Equation 8.c)

wLOSx = wA0x*cos(ε0) - wA0z*sin(ε0)wLOSx = wA0x*cos(ε0)-wA0z*sin(ε0)

(수학식 8.d)(Equation 8.d)

wLOSz = wA0z*cos(ε0) + wA0x*sin(ε0)wLOSz = wA0z*cos(ε0) + wA0x*sin(ε0)

김벌의 2개의 구동축에 대한 서보모터의 출력은 해당 축의 각속도, 즉 wA0z 및 wLOSy로 표현된다. 또한 카메라 모듈에 부착된 각속도 센서에 의해 시선 좌표계의 각속도 wLOSx, wLOSy, 및 wLOSz가 센싱된다.The output of the servomotor for the two drive shafts of Gimbal is expressed by the angular velocity of the corresponding axis, that is, wA0z and wLOSy. In addition, the angular velocity wLOSx, wLOSy, and wLOSz of the gaze coordinate system are sensed by the angular velocity sensor attached to the camera module.

수학식 8.d를 참조하면, 구동축이 아닌 롤축에 의한 각속도 외란 wA0x가 sin(ε0)만큼 유입된다. 각속도 외란(wA0x)을 해석적으로 산출하기 위해, 수학식 8.c 및 수학식 8.d에 각각 cos(ε0)와 sin(ε0)를 곱하면 수학식 9.a 및 수학식 9.b가 된다.Referring to Equation 8.d, the angular velocity disturbance wA0x due to the roll axis rather than the drive axis flows by sin(ε0). In order to analytically calculate the angular velocity disturbance (wA0x), when Equation 8.c and Equation 8.d are multiplied by cos(ε0) and sin(ε0), respectively, Equation 9.a and Equation 9.b do.

(수학식 9.a) (Equation 9.a)

wLOSx*cos(ε0) = wA0xcos2(ε0) - wA0z*sin(ε0)*cos(ε0)wLOSx*cos(ε0) = wA0xcos 2 (ε0)-wA0z*sin(ε0)*cos(ε0)

(수학식 9.b) (Equation 9.b)

wLOSz*sin(ε0) = wA0z*cos(ε0)*sin(ε0) + wA0x*sin2(ε0)wLOSz*sin(ε0) = wA0z*cos(ε0)*sin(ε0) + wA0x*sin 2 (ε0)

상기 수학식 9.a에 수학식 9.b를 더하면 다음의 수학식 10이 도출된다.When Equation 9.b is added to Equation 9.a, Equation 10 below is derived.

(수학식 10)(Equation 10)

wLOSx*cos(ε0) + wLOSz*sin(ε0) = wA0xwLOSx*cos(ε0) + wLOSz*sin(ε0) = wA0x

수학식 10과 같이, 각속도 외란(wA0x)은 wLOSx와 wLOSz로부터 산출할 수 있다. 즉, 각속도 외란(wA0x)은 카메라 모듈의 각속도를 센싱하는 각속도 센서의 출력(wLOSx, wLOSz)으로부터 산출될 수 있다.As shown in Equation 10, the angular velocity disturbance wA0x can be calculated from wLOSx and wLOSz. That is, the angular velocity disturbance wA0x may be calculated from the outputs of the angular velocity sensors sensing the angular velocity of the camera module (wLOSx, wLOSz).

다른 실시예에 따른 시선 안정화 시스템은 도 1에 도시된 일 실시예에 따른 시선 안정화 시스템과 김벌의 구조만 상이하다. 따라서 다른 실시예에 따른 시선 안정화 시스템의 제어 구조는 도 8과 유사하게 도 13의 블록도와 같이 구성될 수 있으며, 이로부터 다음의 수학식 11을 얻을 수 있다.The gaze stabilization system according to another embodiment differs only in the structure of the gaze stabilization system and the gimbal according to the embodiment illustrated in FIG. 1. Therefore, the control structure of the gaze stabilization system according to another embodiment may be configured as the block diagram of FIG. 13 similarly to FIG. 8, from which the following Equation 11 can be obtained.

(수학식 11)(Equation 11)

wLOSz = wA0x*sin(ε0) + Gr(s)*cos(ε0)*(wc - wLOSz) wLOSz = wA0x*sin(ε0) + Gr(s)*cos(ε0)*(wc-wLOSz)

⇔ wLOSz*(1 + Gr(s)*cos(ε0)) = wA0x*sin(ε0) + Gr(s)*cos(ε0)*wc⇔ wLOSz*(1 + Gr(s)*cos(ε0)) = wA0x*sin(ε0) + Gr(s)*cos(ε0)*wc

여기서, Gr(s) = Gc(s)*Kt/(Js)이다.Here, Gr(s) = Gc(s)*Kt/(Js).

상기 수학식 11에서 wA0x*sin(ε0)를 제거하도록 명령 입력(wc)에 외란 제어 신호(-wA0x*sin(ε0)/(Gr(s)*cosΘ))를 추가하여 수학식 12를 얻는다. Equation 12 is obtained by adding a disturbance control signal (-wA0x*sin(ε0)/(Gr(s)*cosΘ)) to the command input wc to remove wA0x*sin(ε0) from Equation (11).

(수학식 12)(Equation 12)

wLOSz*(1 + Gr(s)*cos(ε0))wLOSz*(1 + Gr(s)*cos(ε0))

= wA0x*sin(ε0) + Gr(s)*cos(ε0)*{wc -wA0x*sin(ε0)/(Gr(s)*cosΘ)} = wA0x*sin(ε0) + Gr(s)*cos(ε0)*{wc -wA0x*sin(ε0)/(Gr(s)*cosΘ)}

= Gr(s)*cos(ε0)*wc = Gr(s)*cos(ε0)*wc

이와 같이, 각속도 센서의 출력(wLOSx, wLOSz)으로부터 각속도 외란(wA0x)을 계산하고, 이를 제거하기 위해 외란 제어 신호(-wA0x*sin(ε0)/(Gr(s)*cosΘ))를 추가함으로써, 카메라 모듈의 시선 각속도(wLOSz)에서 각속도 외란(wA0x)을 완전히 제거할 수 있다.As described above, by calculating the angular velocity disturbance (wA0x) from the outputs of the angular velocity sensor (wLOSx, wLOSz) and adding the disturbance control signal (-wA0x*sin(ε0)/(Gr(s)*cosΘ)) to remove it , The angular velocity disturbance (wA0x) can be completely removed from the gaze angular velocity (wLOSz) of the camera module.

수학식 12을 반영한 블록도는 도 14와 같다. 도 14에서 외란 제어 신호는 음영된 블록들에 의해 발생되며, 음영된 블록들이 외란제어기에 해당한다.14 is a block diagram reflecting Equation 12. In FIG. 14, the disturbance control signal is generated by the shaded blocks, and the shaded blocks correspond to the disturbance controller.

또는 수학식 12를 다음의 수학식 13과 같이 고쳐 쓸 수 있다.Alternatively, Equation 12 can be rewritten as Equation 13 below.

(수학식 13)(Equation 13)

wLOSz*(1 + Gr(s)*cos(ε0))wLOSz*(1 + Gr(s)*cos(ε0))

= wA0x*sin(ε0) + Gr(s)*cos(ε0)*wc = wA0x*sin(ε0) + Gr(s)*cos(ε0)*wc

- Kt/Js*cos(ε0)*wA0x*sin(ε0)/(Kt/Js*cos(ε0))}-Kt/Js*cos(ε0)*wA0x*sin(ε0)/(Kt/Js*cos(ε0))}

= Gr(s)*cos(ε0)*wc = Gr(s)*cos(ε0)*wc

수학식 12를 수학식 13과 같이 정리한 것은 도 14의 블록도에서 도 15와 같이 외란 제어 신호의 입력위치를 바꾸는 것과 같다. 도 15에서 음영된 블록들이 외란제어기에 해당한다.Summarizing Equation 12 as shown in Equation 13 is equivalent to changing the input position of the disturbance control signal as shown in FIG. 15 in the block diagram of FIG. 14. The blocks shaded in FIG. 15 correspond to the disturbance controller.

이와 같이 김벌의 구동축인 방위축(A0z)으로 유입되는 각속도 외란(wA0x)을 각속도 센서의 출력(wLOSx, wLOSz)을 이용하여 계산할 수 있으며, 각속도 외란(wA0x)을 완전히 제거할 수 있다.Thus, the angular velocity disturbance (wA0x) flowing into the azimuth axis (A0z), which is the driving axis of the gimbal, can be calculated using the outputs of the angular velocity sensors (wLOSx, wLOSz), and the angular velocity disturbance (wA0x) can be completely eliminated.

내부 2축 외부 2축으로 구성된 4축 김벌의 경우에는 2축 김벌의 각속도 결합구조가 2번 반복되는 형태로 각속도 결합도를 구성할 수 있다. 이 경우에도 최종적인 안정화가 작동되는 부분은 내부 김벌 2축이므로 동일한 논의를 적용할 수 있다.In the case of a 4-axis gimbal composed of an internal 2-axis and an external 2-axis, the angular velocity coupling degree can be configured in a manner in which the angular velocity coupling structure of the 2-axis gimbal is repeated twice. In this case, the part where the final stabilization works is the internal gimbal 2 axis, so the same discussion can be applied.

지금까지 실시예들에 따른 시선 안정화 시스템의 구성 및 각속도 외란으로부터 카메라 모듈의 시선을 안정화시키는 제어 방법에 대해 살펴보았다. 이상의 논의에 따른 시선 안정화 방법을 정리하면 도 16 및 도 17과 같다.So far, the configuration of the gaze stabilization system according to the embodiments and the control method for stabilizing the gaze of the camera module from angular velocity disturbances have been described. The method for stabilizing the gaze according to the above discussion is as shown in FIGS. 16 and 17.

도 16 및 도 17을 참조하면, 각속도 센서가 물체의 시선 각속도를 측정하면(S11), 추종제어기는 측정된 물체의 시선 각속도를 피드백 받아 추종 제어 신호를 출력한다(S12). 외란제어기는 각속도 외란을 완전히 상쇄할 수 있는 외란 제어 신호를 출력하는데(S13), 각속도 외란은 측정된 물체의 시선 각속도로부터 해석적으로 산출되며(S131), 해석적으로 산출된 각속도 외란을 제거할 수 있도록 외란 제어 신호가 구성된다(S132). 서보증폭기 및 서보모터에 추종 제어 신호 및 외란 제어 신호가 인가되어 김벌이 구동됨에 따라(S14), 카메라 모듈은 시선의 흔들림 없이 안정한 영상을 촬영할 수 있다.16 and 17, when the angular velocity sensor measures the gaze angular velocity of the object (S11), the tracking controller receives the measured gaze angular velocity of the object and outputs a tracking control signal (S12). The disturbance controller outputs a disturbance control signal that can completely cancel the angular velocity disturbance (S13), and the angular velocity disturbance is analytically calculated from the gaze angular velocity of the measured object (S131), and removes the analytically calculated angular velocity disturbance. The disturbance control signal is configured to be possible (S132). As the follower control signal and the disturbance control signal are applied to the servo amplifier and the servomotor to drive the gimbal (S14), the camera module can take a stable image without shaking the gaze.

이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.Although the embodiments have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also provided. Belongs to

100: 시선 안정화 시스템
110: 김벌
120: 각속도 센서
130: 서보제어기
131: 추종제어기
132: 외란제어기
100: gaze stabilization system
110: Kim Beol
120: angular velocity sensor
130: servo controller
131: tracking controller
132: disturbance controller

Claims (19)

물체의 시선 안정화 시스템에 있어서,
제1축 및 제2축으로 구동하는 김벌(gimbal);
상기 물체의 시선 각속도를 측정하기 위한 각속도 센서; 및
상기 김벌을 제어하는 신호를 출력하는 서보제어기를 포함하고,
상기 서보제어기는,
명령 입력(command input) 및 상기 물체의 시선 각속도의 피드백 입력에 따라, 상기 물체가 목표하는 시선을 추종하도록 상기 김벌을 제어하는 추종 제어 신호를 출력하는 추종제어기; 및
상기 물체에 가해지는 각속도 외란을 상쇄하도록 상기 김벌을 제어하는 외란 제어 신호를 출력하는 외란제어기를 포함하고,
상기 각속도 외란은 상기 김벌의 구동축이 아닌 제3축으로 유입되는 외란이고,
상기 추종제어기와 상기 외란제어기는 독립하여 구성되고,
상기 외란제어기에서 출력되는 상기 외란 제어 신호는 상기 추종제어기에서 출력되는 상기 추종 제어 신호와 합해지고,
상기 합해진 외란 제어 신호 및 추종 제어 신호는 상기 김벌을 구동하기 위하여 서보증폭기 및 서보모터로 제공되는, 시선 안정화 시스템.
In the gaze stabilization system of the object,
A gimbal driven by the first and second axes;
An angular velocity sensor for measuring the gaze angular velocity of the object; And
And a servo controller outputting a signal for controlling the gimbal,
The servo controller,
A tracking controller that outputs a tracking control signal for controlling the gimbal to follow the target gaze, according to a command input and a feedback input of the angular velocity of the gaze of the object; And
And a disturbance controller outputting a disturbance control signal for controlling the gimbal to cancel the angular velocity disturbance applied to the object,
The angular velocity disturbance is a disturbance flowing into the third axis rather than the driving axis of the gimbal,
The tracking controller and the disturbance controller are configured independently,
The disturbance control signal output from the disturbance controller is summed with the following control signal output from the following controller,
The combined disturbance control signal and tracking control signal are provided to a servo amplifier and a servo motor to drive the gimbal, a gaze stabilization system.
제1항에 있어서,
상기 외란제어기는,
상기 측정된 물체의 시선 각속도를 입력 받아 상기 각속도 외란을 상쇄하도록 상기 외란 제어 신호를 출력하는, 시선 안정화 시스템.
According to claim 1,
The disturbance controller,
A gaze stabilization system that receives the measured angular velocity of the measured object and outputs the disturbance control signal to cancel the angular velocity disturbance.
제1항에 있어서,
상기 외란제어기는,
해석적으로 산출되는 상기 각속도 외란을 상쇄하도록 설계되는, 시선 안정화 시스템.
According to claim 1,
The disturbance controller,
A gaze stabilization system designed to cancel the analytically calculated angular velocity disturbance.
제3항에 있어서,
상기 각속도 외란은 하기 수학식에 의해 산출되고,
(수학식)
wR1z = wLOSz*cosΘ - wLOSx*sinΘ
상기 wR1z은 상기 각속도 외란을, 상기 wLOSz은 시선 좌표계의 상기 제3축에 대한 상기 물체의 시선 각속도를, 상기 wLOSx은 시선 좌표계의 상기 제1축에 대한 상기 물체의 시선 각속도를, 상기 Θ는 상기 제2축에 대한 상기 김벌의 구동 각도를 나타내는, 시선 안정화 시스템.
According to claim 3,
The angular velocity disturbance is calculated by the following equation,
(Mathematics)
wR1z = wLOSz*cosΘ-wLOSx*sinΘ
The wR1z is the angular velocity disturbance, the wLOSz is the gaze angular velocity of the object with respect to the third axis of the gaze coordinate system, the wLOSx is the gaze angular velocity of the object with respect to the first axis of the gaze coordinate system, and the Θ is the A gaze stabilization system indicating the driving angle of the gimbal with respect to the second axis.
제1항에 있어서,
상기 추종 제어 신호 및 상기 외란 제어 신호는 상기 김벌이 상기 제1축에 대해 회전하는 각속도를 제어하는 신호인, 시선 안정화 시스템.
According to claim 1,
The tracking control signal and the disturbance control signal are signals that control the angular velocity at which the gimbal rotates with respect to the first axis.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 물체의 시선 각속도는 상기 각속도 센서에 의해 직접 측정되거나, 측정된 다른 각속도를 좌표 변환하여 상기 물체의 시선 각속도를 산출하는 방식으로 간접 측정되는, 시선 안정화 시스템.
According to claim 1,
The gaze angular velocity of the object is measured directly by the angular velocity sensor, or indirectly measured in a manner of calculating the gaze angular velocity of the object by converting coordinates of other measured angular velocity.
제1항에 있어서,
상기 각속도 센서는,
1축에 대한 각속도 센싱이 가능한 1축 센서, 2축에 대한 각속도 센싱이 가능한 2축 센서, 또는 3축에 대한 각속도 센싱이 가능한 3축 센서로 구성되는, 시선 안정화 시스템.
According to claim 1,
The angular velocity sensor,
A gaze stabilization system consisting of a 1-axis sensor capable of sensing angular velocity on 1 axis, a 2-axis sensor capable of sensing angular velocity on 2 axes, or a 3-axis sensor capable of sensing angular velocity on 3 axes.
제1항에 있어서,
상기 김벌의 외부에 장착되고, 1축 이상의 자유도를 갖는 적어도 하나의 외부 김벌을 더 포함하는, 시선 안정화 시스템.
According to claim 1,
A gaze stabilization system further comprising at least one external gimbal mounted on the outside of the gimbal and having at least one axis of freedom.
제1항에 있어서,
상기 제1축 및 상기 제2축은 방위축(azimuth axis) 및 고도축(elevation axis)으로, 상기 제3축은 롤축(roll axis, horizon axis)으로 구성되는, 시선 안정화 시스템.
According to claim 1,
The first axis and the second axis is an azimuth axis and an elevation axis, and the third axis is a roll axis (horizontal axis).
제1항에 있어서,
상기 제1축, 상기 제2축, 및 상기 제3축은 롤축(roll axis), 피치축(pitch axis), 및 요축(yaw axis)로 구성되는, 시선 안정화 시스템.
According to claim 1,
The first axis, the second axis, and the third axis is a roll axis (roll axis), a pitch axis (pitch axis), and yaw axis (yaw axis), the gaze stabilization system.
제1항에 있어서,
상기 물체와 함께 항공기에 장착되는, 시선 안정화 시스템.
According to claim 1,
A gaze stabilization system mounted on the aircraft together with the object.
제1항에 있어서,
상기 물체는 카메라 모듈인, 시선 안정화 시스템.
According to claim 1,
The object is a camera module, gaze stabilization system.
제1축 및 제2축으로 구동하는 김벌을 이용한 물체의 시선 안정화 방법에 있어서,
물체의 시선 각속도를 측정하는 단계;
명령 입력(command input) 및 상기 물체의 시선 각속도의 피드백 입력에 따라, 상기 물체가 목표하는 시선을 추종하도록 상기 김벌을 제어하는 추종 제어 신호를 출력하는 단계; 및
상기 물체에 가해지는 각속도 외란을 상쇄하도록 상기 김벌을 제어하는 외란 제어 신호를 출력하는 단계를 포함하고,
상기 각속도 외란은 상기 김벌의 구동축이 아닌 제3축으로 유입되는 외란이고,
상기 외란 제어 신호와 상기 추종 제어 신호를 합하는 단계; 및
상기 합해진 외란 제어 신호 및 추종 제어 신호를 상기 김벌을 구동하기 위하여 서보증폭기 및 서보모터로 제공하는 단계를 더 포함하는, 시선 안정화 방법.
In the method of stabilizing the gaze of an object using gimbal driven in the first axis and the second axis,
Measuring the gaze angular velocity of the object;
Outputting a tracking control signal controlling the gimbal so that the object follows a target gaze according to a command input and a feedback input of the angular velocity of the gaze of the object; And
And outputting a disturbance control signal for controlling the gimbal to cancel the angular velocity disturbance applied to the object,
The angular velocity disturbance is a disturbance flowing into the third axis rather than the driving axis of the gimbal,
Summing the disturbance control signal and the following control signal; And
And providing the combined disturbance control signal and tracking control signal to a servo amplifier and a servo motor to drive the gimbal.
제16항에 있어서,
상기 외란 제어 신호를 출력하는 단계는,
상기 측정된 물체의 시선 각속도로부터 상기 각속도 외란을 산출하는 단계; 및
상기 산출된 각속도 외란을 상쇄시키도록 상기 외란 제어 신호를 구성하는 단계를 포함하는, 시선 안정화 방법.
The method of claim 16,
The step of outputting the disturbance control signal,
Calculating the angular velocity disturbance from the measured angular velocity of the object; And
And constructing the disturbance control signal to cancel the calculated angular velocity disturbance.
제17항에 있어서,
상기 각속도 외란은 하기 수학식에 의해 산출되고,
(수학식)
wR1z = wLOSz*cosΘ - wLOSx*sinΘ
상기 wR1z은 각속도 외란을, 상기 wLOSz은 시선 좌표계의 상기 제3축에 대한 상기 물체의 시선 각속도를, 상기 wLOSx은 시선 좌표계의 상기 제1축에 대한 상기 물체의 시선 각속도를, 상기 Θ는 상기 제2축에 대한 상기 김벌의 구동 각도를 나타내는, 시선 안정화 방법.
The method of claim 17,
The angular velocity disturbance is calculated by the following equation,
(Mathematics)
wR1z = wLOSz*cosΘ-wLOSx*sinΘ
The wR1z is an angular velocity disturbance, the wLOSz is the gaze angular velocity of the object with respect to the third axis of the gaze coordinate system, the wLOSx is a gaze angular velocity of the object with respect to the first axis of the gaze coordinate system, and the Θ is the first A gaze stabilization method, which represents the driving angle of the gimbal with respect to the two axes.
제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 기록매체.A recording medium recording a program for executing a method according to any one of claims 16 to 18 on a computer.
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