KR102292162B1 - 자이로스코프의 필터링 장치 및 그 필터링 방법 - Google Patents

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KR102292162B1 KR1020210074051A KR20210074051A KR102292162B1 KR 102292162 B1 KR102292162 B1 KR 102292162B1 KR 1020210074051 A KR1020210074051 A KR 1020210074051A KR 20210074051 A KR20210074051 A KR 20210074051A KR 102292162 B1 KR102292162 B1 KR 102292162B1
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Abstract

본 발명은 자이로스코프의 필터링 장치 및 그 필터링 방법에 관한 것으로, 회전시의 오차와 더불어, 온도 변화로 인해 발생된 오차값을 자동 보정함으로써 정확한 센서값을 획득할 수 있도록 한 자이로스코프의 필터링 장치 및 그 필터링 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

Description

자이로스코프의 필터링 장치 및 그 필터링 방법{Gyroscope filtering device and method thereof}
본 발명은 자이로스코프의 필터링 장치 및 그 필터링 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 회전시의 오차와 더불어, 온도 변화로 인해 발생된 오차값을 자동 보정함으로써 정확한 센서값을 획득할 수 있도록 한 자이로스코프의 필터링 장치 및 그 필터링 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, DTG는 관성 항법 장치 및 동작 제어 장치 등에서 회전 각속도를 검출하기 위하여 널리 사용되는 장치로서, 그 기구적 구조는 도 1과 같다.
도 1에 도시한 바와 같이 DTG, 특히 2축 DTG는 회전자(로터 : Rotor)(100)가 유니버셜 결합으로 된 서스펜션에 매달려 있어 자이로스코프의 회전축에 따라 회전하게 된다.
따라서, 회전자(100)와 짐발(102)은 스핀 모터축(104)의 회전 속도와 그들의 관성에 의해 결정되는 각 운동량을 갖게 된다.
고정된 케이스의 기준 입력축에 입력 각속도가 있을 경우 회전자(100)는 그의 각 운동량 때문에 원래의 자세를 유지하려고 한다. 그러나, 상기 짐발(102)은 입력 각속도의 크기에 따라 결정되는 진폭 크기로 기울게 된다. 이와 같은 효과를 다이내믹 효과(Dynamic Effect)라 한다.
이 다이내믹 효과에 의한 비틀림자의 음의 스프링 계수와 양의 스프링 계수가 같아지게 되면 회전자(100)와 회전축 사이의 스프링 결합률이 영(Zero)이 되는데 이와 같은 상태를 동조 상태라 하고, 이때의 주파수를 동조주파수(Tuning Frequency)라 한다.
동조된 상태에서는 회전자(100)와 회전축이 서로 비 결합되어 있으므로, 자이로스코프 케이스와 회전자(100)는 서로 자유 상태가 된다. 그러므로, 자이로스코프 케이스와 회전자(100) 간의 편각은 입력 각도에 비례하게 되어 자유 자이로스코프로 동작하게 된다.
한편, 동조 자이로스코프(DTG)의 회전자(100)는 기본적으로 모터에 의해 회전하면서 그 기울림 정도를 픽오프 센서를 이용하여 검출하는 장치인 바, 그 회전자(100)는 장착 대상장치 예컨대, 전차, 탱크, 자주포, 미사일 등의 장치가 정지상태인 경우, 기계적으로 완벽한 평형상태를 유지해야만 한다.
하지만, 만약 상기 회전자(100)가 소정치 기울어진 상태라고 가정한다면, 회전자(100)의 각 회전시마다 픽오프 센서는 노이즈가 포함된 신호를 출력하게 된다.
이하, 본 발명에서는 이러한 노이즈를 1N(1회전당) 노이즈라고 명명한다.
한편, 상기 회전자(100) 전반에 걸친 물성치, 즉 회전자(100)의 임의의 포인트에서 검출한 물성치 예컨대, 투자율이나 자화율 같은 물성치가 각 검출 포인트마다 동일한 값을 가져야만 한다.
만약, 상기 회전자(100)의 물성치가 검출 포인트에 따라 오차가 생긴다면 마찬가지로, 회전자(100)의 각 회전시마다 픽오프 센서는 노이즈가 포함된 신호를 출력하게 된다.
또한, 상기 회전자(100)는 회전축과 수평된 각 포인트마다 정확하게 동일한 무게중심을 유지해야만 회전시 정확한 밸란싱이 이루어지게 되는 바, 만약 상기 회전자(100)의 무게중심이 균일하지 않다면 회전시 상당한 진동이 발생되고, 그로인해 마찬가지로, 회전자(100)의 각 회전시마다 픽오프 센서는 노이즈가 포함된 신호를 출력하게 된다.
따라서, 일반적으로 DTG 제작업체 또는 연구소에서는 기계적 튜닝을 하였다.
여기서 기계적 튜닝이란, 상기 회전자(100)를 회전시키면서 회전자(100)의 진동이나 기울어짐을 측정하는 장치를 이용하여 질량차가 있는 위치를 검출하고, 해당 위치를 찾아서 핀으로 타정한다. 이러한 과정을 반복하여 기계적 튜닝을 수행한다.
하지만, 이러한 기계적 튜닝방법은 매우 복잡하고 정밀한 작업을 직접 숙련된 작업자가 오랜 시간을 걸쳐 수행해야 하므로 생산성이 심각하게 저하된다는 문제가 있었으며, 이러한 튜닝과정을 오래동안 진행하여도 결국 오차를 개선하지 못하는 경우도 존재하므로 생산수율도 매우 낮다는 문제가 있었다.
따라서, 기계적 튜닝방법과 병행하여 필터를 사용한 신호처리 방식도 사용하고 있다.
이때, 사용되는 필터는 로우패스필터(LPF)가 필수적으로 사용되는 바, 로우패스필터(LPF)는 일정 대역의 노이즈를 효과적으로 제거하는 효과가 있는 필터이다.
하지만, 이러한 로우패스필터(LPF)는 그 회로 자체로 위상지연이 발생되는 바, DTG가 장착되는 장치는 전차, 탱크, 자주포, 미사일 등의 고속 응답이 필요한 장치들이므로, 위상지연이 발생되는 로우패스필터(LPF)는 노이즈를 제거하여 신호가 안정화되는 장점 대비, 위상지연으로 인한 응답속도 저하라는 더 심각한 부작용이 발생되는 문제가 있었다.
따라서, 현재 양산되는 DTG는 기계적 튜닝을 최대한 수행하고, 필터를 통한 필터링도 함께 병행하여 다소의 위상지연을 감내하고, 다소의 노이즈를 포함한 검출신호로 자이로가 작동되고 있는 실정이다.
즉, 이러한 종래의 DTG는 포에 적용되는 경우, 탱크나 자주포가 이동하면서 검출한 자이로 출력신호는 빠른 응답속도로 검출되는 정확한 신호가 아니므로 이동체의 위치변동시 표적에 대한 빠르고 정확한 타겟팅이나 에이밍이 이루어지지 못한다는 심각한 문제가 존재하였다.
한편, 동조 자이로스코프(DTG)의 회전자(100)는 기본적으로 모터에 의해 회전하면서 그 기울림 정도를 픽오프 센서를 이용하여 검출하는 장치인 바, 동조 자이로스코프(DTG)의 내부에는 코일이 구성되어서 일정 전류에 대해 일정한 자계를 발생시키도록 설계되어져 있다.
하지만, 이러한 동조 자이로스코프(DTG)의 부품들은 온도에 의해 상당한 영향을 받게 되는 바, 픽오프 센서로부터 검출된 센서값이 온도의 영향으로 인해 정확한 값이 아니라는 문제가 있었다.
즉, 온도로 인해 발생되는 오차는 결국, 실제보다 더 큰 각속도가 검출되게 되고, 그 큰 각속도는 실제로는 이동체가 작은 위치변화값을 발생시켰는데, 큰 위치변화가 발생된 것으로 오판하는 심각한 문제를 야기하게 되므로 자이로스코프에 있어서는 매우 심각한 오류라는 문제가 있었다.
선행기술문헌: 특허등록 10-551699, 특허등록 10-541409호
본 발명은 상기한 종래 기술의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 회전시의 오차와 더불어, 온도 변화로 인해 발생된 오차값을 자동 보정함으로써 정확한 센서값을 획득할 수 있도록 한 자이로스코프의 필터링 장치 및 그 필터링 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 a) 정지상태에서 서로 다른 온도조건하에서의 자이로 센서값을 입력받는 과정과; b) 최소 제곱법을 이용하여 해당 센서값의 온도게인을 산출하여 제로보정하는 과정과; c) 특정온도에서 10.000v가 되도록 스케일링을 수행하여, 온도보상 파라미터를 산출하는 과정과; d) 온도를 변경해가면서 측정한 자이로 센서값으로 형성된 추세선으로 찾은 교점을 Torg(각속도가 0이 되는 X절편)으로 특정하는 과정과; e) 상기 Torg를 이용하여 보정값을 산출하는 과정과; f) 상기 보정값을 적용한 자이로 센서의 출력값을 온도 보상처리하는 과정으로 이루어짐으로써 자이로 센서값에 대해 온도 오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 b) 과정에서 상기 제로보정은 하기의 식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 방법이 제공된다.
Figure 112021065982344-pat00001
X: 센서입력 X/Y,
Y: 제로보정된 출력 X/Y,
T: 자이로 내부 현재온도,
a: 정지상태 출력의 기울기,
b: 정지상태 출력의 절편.
바람직하게, 상기 c) 과정은 40℃에서 10.000v가 되도록 스케일링하는 과정과; 하기의 선형 근사식을 이용하여 온도가 40℃일 때의 출력을 연산하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 방법이 제공된다.
Figure 112021065982344-pat00002
X: 센서입력 X/Y,
Y1: 제로보정 및 스케일링된 출력 X1/Y1,
T: 자이로 내부 현재온도,
a: 정지상태 출력의 기울기,
b: 정지상태 출력의 절편,
k: +- 10.000v 스케일링 게인.
바람직하게, 상기 f) 과정의 온도보상된 센서값은 하기의 식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 방법이 제공된다.
Figure 112021065982344-pat00003
Y1: 제로보정된 출력 X/Y,
Y2: 온도보상 필터 출력 X/Y,
Torg: 자이로 출력이 0V인 온도,
tempt: 자이로 출력이 원하는 스케일로 나오는 온도,
T: 자이로 내부의 현재온도.
바람직하게, 상기 a) 과정이전에, 포함되는 1회전당 노이즈를 제거하는 과정은, g) 동조 자이로스코프로부터 수신된 회전당 노이즈값을 샘플링하는 과정과; h) 회전당 노이즈값을 각 구간별로 샘플링하여 저장하는 과정과; i) 상기 동조 자이로스코프에 포함된 픽오프-감지부로부터 감지신호
Figure 112021065982344-pat00004
를 입력받는 과정과; j) 입력신호 수신 이전 한 주기 지점의 저장된 노이즈값을 추출하는 과정과; k) 입력신호에서 그 노이즈값을 감산하여 출력값을 산출하는 과정으로 이루어지고, 그 노이즈 제거 출력값은 하기의 식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 방법이 제공된다.
Figure 112021065982344-pat00005
단,
Figure 112021065982344-pat00006
는 입력신호임.
바람직하게, 상기 k)과정에서 이전 주기구간의 노이즈값은 하기의 식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 방법이 제공된다.
Figure 112021065982344-pat00007
Figure 112021065982344-pat00008
는 입력(n-25), 1/320sec 이전 데이터를 나타내고,
Figure 112021065982344-pat00009
는 d step 이전의 25개 데이터의 평균값을 나타냄.
한편, 본 발명은 자이로스코프의 내부 온도를 검출하는 온도감지부(22)와; 최소 제곱법을 이용하여 자이로 센서값의 온도게인을 산출하는 온도게인 산출부(26)와, 산출된 온도게인을 이용하여 제로보정을 수행하는 제로보정 처리부(28)와, 특정온도에서 10.000v가 되도록 스케일링을 수행하여, 온도보상 파라미터를 산출하는 스케일링 처리부(30)로 이루어진 온도보상 파라미터 산출부(25)와; 온도를 변경해가면서 측정한 자이로 센서값으로 형성된 추세선으로 찾은 교점을 Torg(각속도가 0이 되는 X절편)으로 특정하고, 그 상기 Torg를 이용하여 보정값을 산출하고, 상기 보정값을 적용한 자이로 센서의 출력값을 온도 보상처리하는 온도보상 처리부(32)로 구성된 온도보상 필터부(24)를 포함한 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 온도보상 처리부(32)를 통해 산출한 Torg를 저장하는 저장부가 더 포함된 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 온도보상 필터부(24)의 전단에, 1N 노이즈 보상 필터부(4)가 구성되며; 그 1N 노이즈 보상 필터부(4)는 픽-오프 감지부(110)로부터 인가된 회전당 노이즈값을 일정주기로 샘플링하는 보상신호 연산부(8)와; 상기 보상신호 연산부(8)에서 샘플링된 회전당 노이즈값을 실시간으로 저장하는 보상신호 저장부(10)와; 동조 자이로스코프로부터 신규 입력신호가 인가되면, 이전 주기의 1회전당 노이즈값을 추출하고, 그 입력신호에서 이전 주기의 1회전당 노이즈값을 감산하여 출력값을 산출하는 보상 처리부(12)로 이루어진 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 보상 처리부(12)는 하기의 식을 통해 노이즈를 보상처리하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 장치가 제공된다.
Figure 112021065982344-pat00010
Figure 112021065982344-pat00011
: 출력(n),
Figure 112021065982344-pat00012
: 입력(n),
Figure 112021065982344-pat00013
: 입력(n-25), 1/320sec 이전 데이터,
Figure 112021065982344-pat00014
: d step 이전의 25개 데이터의 평균을 나타냄.
본 발명에 따른 자이로스코프의 필터링 장치 및 그 필터링 방법은 온도 변화로 인해 발생된 오차값을 자동 보정함으로써 정확한 센서값을 획득할 수 있고, 로터의 회전시 반복적으로 발생되는 일정 패턴의 회전당 노이즈를 검출하고, 저장하여, 그 노이즈 패턴을 신규 입력값에 대해 예측 보상함으로써 회전당 노이즈를 제거하는 장점이 있다.
도 1은 종래의 동조 자이로스코프의 구성을 도시한 구조도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치의 구성을 도시한 블록구성도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치의 회로구성을 도시한 회로도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치의 신호흐름도,
도 6a, 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치에 포함된 제로보정 입출력 비교 그래프,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치를 이용하여 Torg을 산출하는 도면,
도 8a, 8b, 8c, 8d는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 회전상태에서의 필터링 전후 출력을 비교하는 그래프,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치에 포함된 1N 노이즈 보상필터부를 통과한 정지상태의 파형과, 대비되는 노이즈 성분이 포함된 파형을 나타내는 파형도,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치의 1N 노이즈 보상필터부를 통과한 각 주파수별 파형과, 대비되는 노이즈 성분이 포함된 파형을 나타내는 파형도이다.
이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치의 구성을 도시한 블록구성도, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치의 회로구성을 도시한 회로도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치(20)는 회전시의 오차와 더불어, 온도 변화로 인해 발생된 오차값을 자동 보정함으로써 정확한 센서값을 획득할 수 있도록 한 장치이다.
보다 상세하게, 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치(20)는 크게, 1N 노이즈 보상필터부(4)와, 온도보상 필터부(24)로 이루어진 보상 필터링장치이다.
먼저, 상기 1N 노이즈 보상필터부(4)는 로터의 회전시 반복적으로 발생되는 일정 패턴의 회전당 노이즈를 검출하고, 저장하여, 그 노이즈 패턴을 신규 입력값에서 예측 보상함으로써 회전당 노이즈를 제거하는 필터부이다.
또한, 상기 온도보상 필터부(24)는 온도에 의해 센서값이 변경되는 것을 보상하기 위한 필터부이다.
보다 상세하게, 본 발명의 자이로스코프는 그 내부에, 동조 자이로스코프(120)의 회전으로 인해 검출 각도를 출력신호로 출력하는 픽-오프 감지부(110)와; 그 픽-오프감지부(110)의 신호를 전기적 신호로 변환하는 감지신호 처리부(112)가 구성된다.
이때, 상기 온도보상 필터부(24)는 자이로스코프의 내부 온도를 검출하는 온도감지부(22)와; 최소 제곱법을 이용하여 자이로 센서값의 온도게인을 산출하는 온도게인 산출부(26)와, 산출된 온도게인을 이용하여 제로보정을 수행하는 제로보정 처리부(28)와, 특정온도에서 10.000v가 되도록 스케일링을 수행하여, 온도보상 파라미터를 산출하는 스케일링 처리부(30)로 이루어진 온도보상 파라미터 산출부(25)가 포함되어 구성되며; 온도를 변경해가면서 측정한 자이로 센서값으로 형성된 추세선으로 찾은 교점을 Torg(각속도가 0이 되는 X절편)으로 특정하고, 그 상기 Torg를 이용하여 보정값을 산출하고, 상기 보정값을 적용한 자이로 센서의 출력값을 온도 보상처리하는 온도보상 처리부(32)로 구성된다.
한편, 상기 온도보상 처리부(32)를 통해 산출한 Torg를 저장하는 저장부가 더 포함되어져 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치(20)는 저장된 Torg를 빠르게 추출하여 온도에 따른 자이로 센서값의 보상처리를 수행할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치의 신호흐름도, 도 6a, 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치에 포함된 제로보정 입출력 비교 그래프, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치를 이용하여 Torg을 산출하는 도면, 도 8a, 8b, 8c, 8d는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 회전상태에서의 필터링 전후 출력을 비교하는 그래프이다.
보다 상세하게, 상기 온도보상 필터부(24)를 통한 필터링은 크게, 두가지 스텝으로 구분되는 바, 그 중 하나는 제로보정과 스케일링 스텝이고, 다른 하나는 이전 스텝으로 인해 얻어진 온도보상 파라미터를 이용하여 온도보정을 수행하는 스텝이다.
상세하게 설명하면, 먼저 상기 정지상태, 즉 본 발명의 자이로스코프가 장착된 이동체를 정지상태로 유지한 상태에서 각 온도에 따른 자이로의 출력값을 측정한다.
실제로는 온도보상 파라미터를 산출하고, 이를 저장하기 위해 실험실에서 레이트 테이블을 정지상태(0deg/s)로 두고 챔버(미도시)의 온도를 변경해가면서 자이로의 출력값을 측정한다.
온도시험 결과(정지상태)
T 33X 33Y
37.828 -0.04612354 -0.01550362
70.320 -0.03470777 -0.03470777
89.464 -0.04081405 0.05817092
이어서, 상기 온도게인 산출부(26)에서 최소제곱법을 이용하여 출력의 기울기와 절편을 찾는다.
제로 보정을 위한 온도 게인
X axis Y axis
a 0.00012918 0.00138742
b -0.04905811 -0.07090344
그리고, 상기 제로보정 처리부(28)는 상기 온도게인 산출부(26)에서 산출된 온도게인을 이용하여 아래의 식으로 제로보정을 적용한다.
여기서, a는 기울기이며, b는 절편을 의미한다.
Figure 112021065982344-pat00015
X: 센서입력 X/Y,
Y: 제로보정된 출력 X/Y,
T: 자이로 내부 현재온도,
a: 정지상태 출력의 기울기,
b: 정지상태 출력의 절편.
제로보정 된 온도시험 결과(정지상태)
T outputX outputY
37.828 -0.00195232 0.00291618
70.320 0.00526589 -0.00786565
89.464 -0.00331356 0.00494947
이때, 도 6a는 제로보정 이전의 센서값을 각 온도별로 측정하여 나타낸 것이며, 도 6b는 센서값이 제로보정된 상태를 표시한 것이다.
해당 도면을 참조하면, 온도 변화 즉, 온도가 상승하더라도 자이로스코프가 정지상태에 있는 경우라면 각속도는 0 deg/s가 출력되어야 하지만, 도 6a에 도시된 바와 같이 온도변화에 따라 자이로 출력값이 각각 제로보다 높은 값을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 상기 제로보정 처리부(28)에서 아래와 같은 제로보정을 수행하여, 도 6b와 같이 자이로 출력값이 온도와 무관하게 모두 제로가 되도록 한다.
레이트 테이블을 X축 +100deg/s의 각속도로 회전시키고, 챔버의 온도를 바꾸어 가면서 자이로의 출력을 측정한다.
자이로스코프가 정지된 상태에서 계산한 온도 게인을 가지고 측정된 데이터를 제로보정 한다.
제로보정 된 온도시험 결과(X+100deg/s 회전상태)
T outputX outputY
41.140 10.05786770 -0.06234858
72.182 10.19569245 -0.08328456
91.872 10.27982249 -0.06597249
그리고, 상기 스케일링 처리부(30)는 최소제곱법을 사용하여 기울기와 절편을 구하고, 특정온도에서 10.000V가 되도록 온도게인값을 얻기 위한 스케일링을 수행한다. 특정 온도를 tempt=40°C로 정하여 계산하면 다음과 같다.
추세선의 기울기와 절편
X axis Y axis
C 0.00438087 -0.00012557
D 9.87815135 -0.06194645
선형근사를 사용하여 온도가 40°C일 때 출력을 계산한다.
Figure 112021065982344-pat00016
온도가 40°C일 때 출력이 10.000V가 나오게 하는 게인값을 계산한다.
Figure 112021065982344-pat00017
다시 output으로 돌아가서 temperature gain을 곱하면 output1이 계산된다.
Figure 112021065982344-pat00018
X: 센서입력 X/Y,
Y1: 제로보정 및 스케일링된 출력 X1/Y1,
T: 자이로 내부 현재온도,
a: 정지상태 출력의 기울기,
b: 정지상태 출력의 절편,
k: +- 10.000v 스케일링 게인.
필터출력(정지상태)
temperature output1X output1Y
37.828 -0.00194245 0.00304536
70.320 0.00523792 -0.00821917
89.464 -0.00329681 0.00516871
필터출력(X+100deg/s 회전상태)
temperature output1X output1Y
41.140 10.00445769 -0.06515086
72.182 10.14155055 -0.08702781
91.872 10.22523383 -0.06893765
상기한 과정을 통해, 온도보상 파라미터가 산출되면, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 온도보상 처리부(32)는 그 파라미터와 측정 온도값을 이용하여 Torg를 특정한다.
이때, 상기 Torg는 각속도가 0이 되는 X 절편으로, 온도가 극저온이 되면 각속도가 O가 되는 포인트가 존재하고, 이러한 Torg를 활용하여 보상값을 산출한다.
여기서 온도를 바꾸어 가면서 측정한 데이터는 3개이다. 그 데이터의 추세선과 Y=0이라는 직선(제로 보정한 결과)의 교점을 Torg으로 정한다.
상기 DTG 자이로 스코프(120)의 픽-오프 감지부(110)를 수용하는 하우징(미도시)의 내부에 온도감지부(22)가 구성되는 바, 본 발명은 다양한 온도를 상기 DTG 자이로 스코프(120)에 가하기 위한 챔버를 활용한다.
제로보정과 스케일링된 출력 (X+100deg/s 회전상태)
temperature output1X output1Y
41.140 10.00445769 -0.06515086
72.182 10.14155055 -0.08702781
91.872 10.22523383 -0.06893765
추세선의 기울기와 절편
X Y
gainE 0.00435761 -0.00013121
gainF 9.82569568 -0.06473065
Figure 112021065982344-pat00019
자이로스코프가 특정 온도(temperature)에서 X+100deg/s로 회전하면 출력값은 output1X 이 나오는데, 정상적이라면 10.000V가 나와야 하므로 보정 값을 더해야 한다.
보정 값은 기울기 곱하기 온도 변화량입니다.
Figure 112021065982344-pat00020
출력 값 (X+100deg/s 회전상태)
tempGyro output1X Corretion value output2X
41.140 10.00445769 -0.00496742 9.99949027
72.182 10.14155055 -0.14025472 10.00129583
91.872 10.22523383 -0.22602008 9.99921376
즉, 온도보상 파라미터가 산출된 상태에서, Torg가 특정되면 회전하는 자이로스코프의 픽-오프 감지부(110)로부터 인가된 센서값에 대해 온도로 인한 오차값이 포함되어져 있는 바, 상기 온도보상 처리부(32)는 하기의 식으로 센서값에 포함된 온도 오차값을 보상 처리한다.
Figure 112021065982344-pat00021
이러한 온도 보상처리를 통해 구현되는 데이터를 살펴보면, 도 8a, 8b, 8c, 8d와 같다.
즉, 동 도면은 상기 자이로스코프를 각속도가 X+100deg/s, X-100deg/s, Y+100deg/s, Y-100deg/s에서의 자이로 출력값 상태와, 상기 온도보상 필터부(24)를 통과하였을 때 보상된 값을 표시한 것이다.
온도 보정전 자이로 출력은 파랜색으로 표시되어져 있으며, 온도 변화에 따라 대략 0.1 내지 0.3V 정도의 출력값에 오차성분이 존재함을 확인할 수 있으며, 온도 보정된 이후의 출력 즉, 상기 온도보상 처리부(32)의 온도보상 후의 출력은 빨간색으로 표시되어져 있으며, 온도 변화에 따라 변경되지 않은 측정값을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치(20)는 그 내부에, 1N 노이즈 보상필터부(4)가 더 포함되는 바, 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다.
픽-오프 감지부(110)로부터 인가된 회전당 노이즈값을 일정주기로 샘플링하는 보상신호 연산부(8)와; 상기 보상신호 연산부(8)에서 샘플링된 회전당 노이즈값을 실시간으로 저장하는 보상신호 저장부(10)와; 동조 자이로스코프(120)로부터 신규 입력신호가 인가되면, 이전 주기의 1회전당 노이즈값을 추출하고, 그 입력신호에서 이전 주기의 1회전당 노이즈값을 감산하여 출력값을 산출하는 보상 처리부(12)로 이루어진다.
상기 1N 노이즈 보상필터부(4)를 통해 노이즈신호가 제거된 출력값은 아래의 수학식 8과 같다.
Figure 112021065982344-pat00022
Figure 112021065982344-pat00023
: 출력(n),
Figure 112021065982344-pat00024
: 입력(n),
Figure 112021065982344-pat00025
: 입력(n-25), 1/320sec 이전 데이터,
Figure 112021065982344-pat00026
: d step 이전의 25개 데이터의 평균을 나타냄.
따라서, 위의 수학식 8에서
Figure 112021065982344-pat00027
는 구간 n-24에서 d를 뺀 위치로부터, n에서 d를 뺀 위치까지의 산술평균값을 나타낸 것이며, 결과적으로
Figure 112021065982344-pat00028
는
Figure 112021065982344-pat00029
에 포함된 노이즈값을 의미한다.
보다 상세하게,
Figure 112021065982344-pat00030
는 1주기 이전 시점으로부터 그 이전의 12개 데이터와, 1주기 이전시점의 데이터 및, 1주기 이전 시점의 이후 12개 데이터를 합한 총 25개의 데이터를 산술 평균한 값인 바, 1주기 이전시점 이전과 이후 시구간에서의 평균값이고, 해당 값은 노이즈가 제거된 값의 평균을 나타낸다.
즉, 상기 보상신호 연산부(8)는 회전당 노이즈값 샘플링에 대해, 하기의 식으로 샘플링한다.
Figure 112021065982344-pat00031
Figure 112021065982344-pat00032
는 입력(n-25), 1/320sec 이전 데이터를 나타내고,
Figure 112021065982344-pat00033
는 d step 이전의 25개 데이터의 평균값을 나타냄.
한편, 상기 1N 노이즈 보상필터장치(4)는 상기 감지신호 처리부(112)로부터 출력되는 출력신호를 입력받으나, 아래의 로우패스 필터를 매개할 수 있다. 하지만 하기 로우패스 필터는 필수 구성은 아니다.
입력신호
Figure 112021065982344-pat00034
는 로우패스 필터의 출력값이고, 하기의 식으로 산출된다.
Figure 112021065982344-pat00035
Figure 112021065982344-pat00036
는 n번째의 로우패스 필터 출력(n)을 나타내고,
Figure 112021065982344-pat00037
는 n-1번째의 로우패스 필터 출력(n-1)을 나타내고,
Figure 112021065982344-pat00038
는 로우패스 필터로 인가되는 입력(n)을 나타내고, a는 로우패스 필터 게인을 나타냄.
이를 통해, 상기 1N 노이즈 보상필터부(4)는 상기 로우패스 필터로부터
Figure 112021065982344-pat00039
이라는 입력신호를 인가받은 경우라면, 그 입력신호
Figure 112021065982344-pat00040
에서 이전 주기 구간의 노이즈값인
Figure 112021065982344-pat00041
를 감산한
Figure 112021065982344-pat00042
가 실질적으로 노이즈가 제거된 출력
Figure 112021065982344-pat00043
이 된다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 1N 노이즈 보상필터부(4)에 포함된 상기 보상 처리부(12)는 하기의 식을 통해 노이즈를 보상처리한다.
Figure 112021065982344-pat00044
Figure 112021065982344-pat00045
: 출력(n),
Figure 112021065982344-pat00046
: 입력(n),
Figure 112021065982344-pat00047
: 입력(n-25), 1/320sec 이전 데이터,
Figure 112021065982344-pat00048
: d step 이전의 25개 데이터의 평균을 나타냄.
이때, 상기 1N 노이즈 보상필터부(4)의 보상신호 연산부(8)는 320Hz 주기의 신호를 125㎲ 간격으로 25개씩 실시간으로 샘플링하여 평균값을 산출하고, 이를 통해 산출된 노이즈값을 실시간으로 상기 보상신호 저장부(10)에 저장함으로써 신규 입력값 에 포함된 노이즈 성분을 즉시 추출해내고 상기 보상처리부(12)를 통해 그 노이즈 성분을 제거할 수 있으므로 정확도가 매우 높은 출력값 을 매우 빠른 응답속도로 산출해낼 수 있다.
이를 통해, 상기 1N 노이즈 보상필터부(4)는 위상지연이 전혀 없이 정확한 출력값을 산출해낼 수 있으므로, 노이즈 제거를 위해 적용된 각종 필터 특히, LPF나 Sum filter류와는 비교할 수 없을 만큼 빠른 응답속도를 나타낸다.
이때, 상기 1N 노이즈 보상필터부(4)가 노이즈값의 누적 갱신하여 저장하는 이유는 동조 자이로스코프의 회전자(100)를 포함한 부품들이 온도나 투자율, 자화율, 기타 물리적 조건 변화에 따라 1회전시 발생되는 노이즈값에 미세한 변화가 있을 수 있으므로 더욱 정확한 출력값을 산출하기 위해 측정 시점 이전 주기에서 추출된 노이즈값을 각 시점별로 누적 갱신한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치에 포함된 1N 노이즈 보상필터부를 통과한 정지상태의 파형과, 대비되는 노이즈 성분이 포함된 파형을 나타내는 파형도, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치의 1N 노이즈 보상필터부를 통과한 각 주파수별 파형과, 대비되는 노이즈 성분이 포함된 파형을 나타내는 파형도이다.
이를 참조하면, 이러한 본 발명에 따른 자이로 1N 노이즈 예측 필터링 장치(4)를 통한 노이즈 예측 필터링 구현은 도 5와 같이, 동조 자이로스코프(120)가 탑재된 이동체가 정지상태일 때, 1V의 320㎐ 노이즈 성분이 있고, 입력신호가 X(N)일 때, 1N 노이즈 예측 필터링 장치(4)를 통과한 신호는 실선으로 이루어진 평활 상태의 신호이고, 노이즈 성분이 완벽하게 제거되었음을 확인할 수 있다.
또한, 동조 자이로스코프(120)가 탑재된 이동체가 이동함으로써 상기 동조 자이로스코프(120)가 진동하면서 회전될 경우, 도 6a, 6b, 6c와 같이, 1V의 320㎐ 노이즈 성분이 있고, 입력신호가 X(N)일 때, 1N 노이즈 예측 필터링 장치(4)를 통과한 신호는 사인파로 표시되는 신호를 출력한다.
이때, 도 6a는 10㎐ 주파수 응답인 경우이고, 도 6b는 20㎐ 주파수 응답인 경우이며, 도 6c는 100㎐ 주파수 응답인 경우이지만, 세가지 구현 예 모두 픽-오프로부터 입력되는 신호에 1회전당 노이즈신호가 포함되어 있는 경우라도, 전혀 시간지연없이 완벽하게 1회전당 노이즈를 미리 예측하여 제거할 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 자이로 1N 노이즈 예측 필터링 장치 및 그 방법은 최소한의 기계적 튜닝을 거친 동조 자이로스코프에 대해 적용됨으로써, 매우 빠른 응답속도로 원 입력신호를 검출해낼 수 있으므로 생산성이 향상되고, 생산 수율이 효과적으로 개선됨은 물론이고, 군사 장비나 일반 장비의 이동체에 장착되어 에이밍과 같은 후속 동작을 정확하고 빠르게 수행할 수 있으므로 장비 전체의 신뢰도를 크게 개선할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 자이로스코프의 필터링 장치 및 그 필터링 방법은 단지 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.
4:1N 노이즈 보상필터부, 8:보상신호 연산부,
10:보상신호 저장부, 12:보상처리부,
20:자이로스코프 필터링장치, 22:온도감지부,
24:온도보상 필터부, 25:온도보상 파라미터 산출부,
26:온도게인 산출부, 28:제로보정 처리부,
30:스케일링 처리부, 32:온도보상 처리부,
100:회전자, 110:픽-오프 감지부,
112:감지신호 처리부, 120:DTG 자이로스코프.

Claims (10)

  1. a) 정지상태에서 서로 다른 온도조건하에서의 자이로 센서값을 입력받는 과정과;
    b) 최소 제곱법을 이용하여 해당 센서값의 온도게인을 산출하여 제로보정하는 과정과;
    c) 특정온도에서 10.000v가 되도록 스케일링을 수행하여, 온도보상 파라미터를 산출하는 과정과;
    d) 온도를 변경해가면서 측정한 자이로 센서값으로 형성된 추세선으로 찾은 교점을 Torg(각속도가 0이 되는 X절편)으로 특정하는 과정과;
    e) 상기 Torg를 이용하여 보정값을 산출하는 과정과;
    f) 상기 보정값을 적용한 자이로 센서의 출력값을 온도 보상처리하는 과정으로 이루어짐으로써 자이로 센서값에 대해 온도 오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 b) 과정에서 상기 제로보정은 하기의 식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 방법.
    Figure 112021065982344-pat00049

    X: 센서입력 X/Y,
    Y: 제로보정된 출력 X/Y,
    T: 자이로 내부 현재온도,
    a: 정지상태 출력의 기울기,
    b: 정지상태 출력의 절편.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 c) 과정은 40℃에서 10.000v가 되도록 스케일링하는 과정과;
    하기의 선형 근사식을 이용하여 온도가 40℃일 때의 출력을 연산하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 방법.
    Figure 112021065982344-pat00050

    X: 센서입력 X/Y,
    Y1: 제로보정 및 스케일링된 출력 X1/Y1,
    T: 자이로 내부 현재온도,
    a: 정지상태 출력의 기울기,
    b: 정지상태 출력의 절편,
    k: +- 10.000v 스케일링 게인.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 f) 과정의 온도보상된 센서값은 하기의 식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 방법.
    Figure 112021065982344-pat00051

    Y1: 제로보정된 출력 X/Y,
    Y2: 온도보상 필터 출력 X/Y,
    Torg: 자이로 출력이 0V인 온도,
    tempt: 자이로 출력이 원하는 스케일로 나오는 온도,
    T: 자이로 내부의 현재온도.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 a) 과정이전에, 포함되는 1회전당 노이즈를 제거하는 과정은,
    g) 동조 자이로스코프로부터 수신된 회전당 노이즈값을 샘플링하는 과정과;
    h) 회전당 노이즈값을 각 구간별로 샘플링하여 저장하는 과정과;
    i) 상기 동조 자이로스코프에 포함된 픽오프-감지부로부터 감지신호 를 입력받는 과정과;
    j) 입력신호 수신 이전 한 주기 지점의 저장된 노이즈값을 추출하는 과정과;
    k) 입력신호에서 그 노이즈값을 감산하여 출력값을 산출하는 과정으로 이루어지고, 그 노이즈 제거 출력값은 하기의 식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 방법.
    Figure 112021065982344-pat00052

    단,
    Figure 112021065982344-pat00053
    는 입력신호임.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 k)과정에서 이전 주기구간의 노이즈값은 하기의 식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 자이로 스코프의 필터링 방법.
    Figure 112021065982344-pat00054

    Figure 112021065982344-pat00055
    는 입력(n-25), 1/320sec 이전 데이터를 나타내고,
    Figure 112021065982344-pat00056
    는 d step 이전의 25개 데이터의 평균값을 나타냄.
  7. 자이로스코프의 내부 온도를 검출하는 온도감지부(22)와;
    최소 제곱법을 이용하여 자이로 센서값의 온도게인을 산출하는 온도게인 산출부(26)와, 산출된 온도게인을 이용하여 제로보정을 수행하는 제로보정 처리부(28)와, 특정온도에서 10.000v가 되도록 스케일링을 수행하여, 온도보상 파라미터를 산출하는 스케일링 처리부(30)로 이루어진 온도보상 파라미터 산출부(25)와;
    온도를 변경해가면서 측정한 자이로 센서값으로 형성된 추세선으로 찾은 교점을 Torg(각속도가 0이 되는 X절편)으로 특정하고, 그 상기 Torg를 이용하여 보정값을 산출하고, 상기 보정값을 적용한 자이로 센서의 출력값을 온도 보상처리하는 온도보상 처리부(32)로 구성된 온도보상 필터부(24)를 포함한 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 온도보상 처리부(32)를 통해 산출한 Torg를 저장하는 저장부가 더 포함된 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 온도보상 필터부(24)의 전단에, 1N 노이즈 보상 필터부(4)가 구성되며;
    그 1N 노이즈 보상 필터부(4)는 픽-오프 감지부(110)로부터 인가된 회전당 노이즈값을 일정주기로 샘플링하는 보상신호 연산부(8)와;
    상기 보상신호 연산부(8)에서 샘플링된 회전당 노이즈값을 실시간으로 저장하는 보상신호 저장부(10)와;
    동조 자이로스코프로부터 신규 입력신호가 인가되면, 이전 주기의 1회전당 노이즈값을 추출하고, 그 입력신호에서 이전 주기의 1회전당 노이즈값을 감산하여 출력값을 산출하는 보상 처리부(12)로 이루어진 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 보상 처리부(12)는 하기의 식을 통해 노이즈를 보상처리하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 필터링 장치.
    Figure 112021065982344-pat00057

    Figure 112021065982344-pat00058
    : 출력(n),
    Figure 112021065982344-pat00059
    : 입력(n),
    Figure 112021065982344-pat00060
    : 입력(n-25), 1/320sec 이전 데이터,
    Figure 112021065982344-pat00061
    : d step 이전의 25개 데이터의 평균을 나타냄.
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