KR102324035B1

KR102324035B1 - 모멘텀 교환장치의 각속도 역전현상 방지 및 토크분배성능 최적화를 위한 제어 방법과 그 제어 장치

Info

Publication number: KR102324035B1
Application number: KR1020200100717A
Authority: KR
Inventors: 박주호; 박균상; 이선호
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2021-11-09

Abstract

모멘텀 교환장치의 각속도 역전현상 방지 및 토크분배성능 최적화를 위한 제어 방법과 그 제어 장치가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 제어 방법은, 제어 대상을 구동 제어할 시, 회전 각속도가 0 rpm 을 포함하는 역전현상 방지구간에서 운영되지 않도록 하는 단계와, 회전 각속도의 최대 모멘텀 한계치를 초과하지 않도록 구동 제약 조건을 마련하는 단계와, 상기 제어 대상을 자세 제어할 시, 정해진 타겟 토크의 출력을 위한 회전 각속도 제약 조건을 마련하는 단계와, 입력되는 제어 커맨드에 따라, 상기 구동 제어 및 상기 자세 제어를 수행하는 동안, 상기 제어 대상이 상기 구동 제약 조건 또는 상기 회전 각속도 제약 조건을 만족하는지를 예측하는 단계, 및 상기 예측되는 경우, 상기 구동 제어 또는 상기 자세 제어의 수행을 지속하는 단계를 포함한다.

Description

모멘텀 교환장치의 각속도 역전현상 방지 및 토크분배성능 최적화를 위한 제어 방법과 그 제어 장치{CONTROL METHOD AND CONTROL APPARATUS FOR ZERO-CROSSING PREVENTION AND TORQUE DISTRIBUTION PERFORMANCE OPTIMIZATION OF MOMENTUM EXCHANGE DEVICE}

본 발명은 모델 예측 제어 기반의 자세 제어, 토크분배성능의 최적화 및 회전 각속도 역전 현상 방지를 위한 위성 제어 기술에 연관된다.

인공위성의 자세 제어에 있어, 구동기로는 추력기, 반작용 휠(reaction wheel), 마그네틱 토커 등이 주로 사용되고 있다.

추력기의 경우, 추진제 탱크의 한계로 인해 사용 횟수에 제한이 생기고, 그로 인해 정밀한 자세 제어가 어려울 수 있다. 또한 마그네틱 토커의 경우는, 지구궤도 위성에만 국한되어 사용할 수 있고, 발생시킬 수 있는 토크의 크기가 충분하지 않을 수 있다.

이에 따라 정밀한 자세 제어를 위해, 반작용 휠과 같은 자이로스코픽 구동기가 채택되어 사용되고 있고, 이를 이용한 다목적 실용위성 시리즈가 개발되어 운영되고 있다.

도 1은 종래의 일실시예에 따른 제어 장치를 도시한 도면이다.

도 1에는 제어 대상에 구비된 구동기로서 반작용 휠을 구동 제어하는 제어 장치(100)의 구성이 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 제어 장치(100)는 제1 컨트롤러(110) 및 제2 컨트롤러(120)를 포함하여 구성할 수 있다.

제1 컨트롤러(110)는 제1 제어 루프를 입력으로 가지며 제어 대상인 프로세서(130)의 자세 안정화를 수행할 수 있다.

제2 컨트롤러(120)는 제2 제어 루프를 입력으로 가지며 제어 대상인 프로세서(130)의 구동기(반작용 휠)를 제어할 수 있다.

프로세서(130)는, 제1 컨트롤러(110)와 제2 컨트롤러(120)의 제어에 따라, 제어 대상에 구비된 기기를 제어할 수 있다.

제어 대상은 구동기 이외에 다양한 기기로 구성될 수 있고, 제어 대상의 제어 장치(100)는 각각의 기기 별로 마련된 제어기가 캐스케이드 구조로 연결될 수 있다.

따라서 제어 장치(100)의 구성이 복잡해짐에 따라, 시험 및 검증 절차도 복잡해질 수 있기 때문에, 성능이 뛰어나면서도 심플한 구조를 가지는 제어 장치가 필요하다.

또한 제어 대상에서 구동기로 채택되어 사용되는 반작용 휠의 경우, 구동기의 특성상 마찰력의 영향을 받게 된다. 이러한 마찰력은 반작용 휠이 고속으로 회전하고 있을 때는 선형성을 가지지만, 저속 구간에서는 비선형성을 갖는 특징이 있다. 특히, 반작용 휠의 회전 각속도가 역전하게 되는 현상이 발생하게 되면 비선형성과 불연속성이 매우 두드러지게 나타나며 이는 자세 제어 성능에 무시할 수 없는 영향을 미치게 된다. 이러한 반작용 휠의 회전 각속도 역전현상이 자주 발생하게 될 경우, 구동기의 수명에 직접적인 영향을 주게 되며 제어 대상의 임무수행에 차질이 발생할 수 있다.

이에 따라 제어 대상의 구동기로서 사용되는 반작용 휠의 회전 각속도 역전 현상을 방지하는 동시에, 높은 수준의 자세 제어 성능의 확보가 용이한 보다 심플한 구조의 제어 대상의 제어 장치의 기술 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 실시예는 제어 대상에 대한 높은 수준의 자세 제어와, 토크분배성능의 최적화, 및 회전 각속도 역전 현상 방지를 위한 모델 예측 제어 기반의 제어 장치를 제안하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예는 특정 제어 대상에 대하여, 회전 각속도의 최대 모멘텀 한계치를 초과하지 않기 위한 구동 제약 조건과, 정해진 타겟 토크의 출력을 위한 회전 각속도 제약 조건을 마련해 두고, 상기 구동 제약 조건과 상기 회전 각속도 제약 조건이 만족되도록, 모델 예측 제어 기반으로 제어 대상의 구동 제어/자세 제어를 수행함으로써, 회전 각속도의 역전 현상을 방지하는 동시에, 높은 자세 제어 성능을 확보하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예는 제어 대상을 구성하는 구성요소 별 제약 조건을 모두 고려해 제어 대상의 구동/자세를 뛰어는 제어 성능으로 제어할 수 있는 심플한 구조의 단일의 통합 제어기를 가진 제어 장치를 제안하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 모멘텀 교환장치의 각속도 역전현상 방지 및 토크분배성능 최적화를 위한 제어 방법은, 제어 대상을 구동 제어할 시, 각속도 역전현상 방지를 위하여 0 rpm 을 포함하도록 각속도 운영 방지구간(zero-crossing prevention region)의 제약 조건을 마련하는 단계와, 제어 대상을 구동 제어할 시, 회전 각속도의 최대 모멘텀 한계치를 초과하지 않도록 구동 제약 조건을 마련하는 단계와, 상기 제어 대상을 자세 제어할 시, 정해진 타겟 토크의 출력을 위한 회전 각속도 제약 조건을 마련하는 단계와, 입력되는 제어 커맨드에 따라, 상기 구동 제어 및 상기 자세 제어를 수행하는 동안, 상기 제어 대상이 상기 구동 제약 조건 또는 상기 회전 각속도 제약 조건을 만족하는지를 예측하는 단계, 및 상기 예측되는 경우, 상기 구동 제어 또는 상기 자세 제어의 수행을 지속하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 모멘텀 교환장치의 각속도 역전현상 방지 및 토크분배성능 최적화를 위한 제어 장치는, 제어 대상을 구동 제어할 시, 각속도 역전현상 방지를 위하여 0 rpm 을 포함하도록 각속도 운영 방지구간(zero-crossing prevention region)의 제약 조건과, 제어 대상을 구동 제어할 시, 회전 각속도의 최대 모멘텀 한계치를 초과하지 않기 위한 구동 제약 조건과, 상기 제어 대상을 자세 제어할 시, 정해진 타겟 토크의 출력을 위한 회전 각속도 제약 조건을 유지하는 데이터베이스, 및 입력되는 제어 커맨드에 따라, 상기 구동 제어 및 상기 자세 제어를 수행하는 동안, 상기 제어 대상이 상기 구동 제약 조건 또는 상기 회전 각속도 제약 조건을 만족하는지를 예측하고, 상기 예측되는 경우, 상기 구동 제어 또는 상기 자세 제어의 수행을 지속하는 통합 제어기를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 제어 대상을 구동 제어/자세 제어할 시, 회전 각속도의 역전 현상을 방지하면서 성공적인 자세 안정화를 달성할 수 있는 통합 제어기를 가진 제어 장치를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래에 별도로 존재하는 제1 제어기와 제2 제어기를 하나의 통합 제어기로 설계 구조를 단순화 하면서도 더 높은 성능을 가지도록 설계하여 개발 및 검증의 효율성도 높일 수 있다.

도 1은 종래의 일실시예에 따른 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제어 장치에 포함되는 통합 제어기의 내부 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제어 장치의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제어 장치에서 측정되는 회전 각속도의 측정값을 종래와 비교해 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제어 장치에서, 통합 제어기의 작동 알고리즘을 도시한 흐름도이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 일실시예에 따른 제어 장치는, 하나의 통합된 통합 제어기에 의해, 제어 대상을 모델 예측 제어 기반으로 구동 제어/자세 제어함으로써, 높은 수준의 자세 제어와, 토크분배성능 최적화 및 회전 각속도 역전현상 방지를 도모할 수 있다.

구체적으로 제어 장치는, 제어 대상의 사이즈나 특성을 고려하여, 최대 모멘텀 한계치를 초과하지 않는 구동 제약 조건과, 정해진 타겟 토크의 출력을 위한 회전 각속도 제약 조건을 제어 대상의 모델 별로 마련해 두고, 입력된 제어 커맨드에 따라 제어 대상을 구동 제어/자세 제어하는 동안, 매 제어 시점을 기준으로 예컨대 '0.25초 후'와 같은 근미래시점에 상기 구동 제약 조건 또는 상기 회전 각속도 제약 조건이 성립되는지 예측하고, 예측될 경우 구동 제어/자세 제어를 지속적으로 수행함으로써, 저속 구간에서 구동기(반작용 휠)의 회전 각속도가 '0'이 되는 역전 현상을 방지하는 한편, 제어 대상의 자세 제어 성능을 높은 수준으로 유지할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제어 장치를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 모멘텀 교환장치의 각속도 역전현상 방지 및 토크분배성능 최적화를 위한 제어 장치(200)은, 통합 제어기(210), 및 데이터베이스(220)를 포함하여 구성할 수 있다.

데이터베이스(220)는 제어 대상을 구동 제어할 시, 각속도 역전현상 방지를 위하여 0 rpm 을 포함하도록 각속도 운영 방지구간(zero-crossing prevention region)의 제약 조건과, 제어 대상을 구동 제어할 시, 회전 각속도의 최대 모멘텀 한계치를 초과하지 않기 위한 구동 제약 조건과, 상기 제어 대상을 자세 제어할 시, 정해진 타겟 토크의 출력을 위한 회전 각속도 제약 조건을 유지한다.

일례로, 데이터베이스(220)는 위성 모델, 구동기(반작용 휠) 모델 및 각종 제약조건을 저장할 수 있고, 일례로 도 4에 도시한 모델 DB(430)와, 제약 조건 DB(440)를 포함하여 이루어질 수 있다.

모델 DB(430)는 제어 대상의 특성을 규정하는 위성 모델과, 제어 대상에 구비된 구동기인 반작용 휠의 특성을 규정하는 반작용 휠 모델을 포함할 수 있다.

또한 제약 조건 DB(440)는 제어 대상의 회전 각속도 제약 조건과, 반작용 휠에 대한 구동 제약 조건, 제어 커맨드에 관한 제어 입력 제약 조건을 포함할 수 있다.

통합 제어기(210)는, 제어 대상 및 반작용 휠의 모델을 모델 DB(430)로부터 결정하고, 해당 모델의 제어 대상과 반작용 휠에 관해 유지된 제약 조건들을 제약 조건 DB(440)로부터 읽어 들일 수 있다.

통합 제어기(210)는 입력되는 제어 커맨드에 따라 제어 대상을 자세 제어하고, 제어 대상에 구비된 구동기(반작용 휠)를 통해 구동 제어를 수행한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제어 장치에 포함되는 통합 제어기(210)의 내부 구성을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 통합 제어기(210)는 자세 안정화부(211) 및 토크 할당부(212)로 구성될 수 있고, 이를 통해 통합 제어기(210)는 자세 안정화와 토크 분배의 2가지 문제를, 상태 및 입력 제약 조건을 고려한 최적화 문제의 하나로서 다룰 수 있다.

통합 제어기(210)는 상기 구동 제어 및 상기 자세 제어를 수행하는 동안, 상기 제어 대상이 상기 구동 제약 조건 또는 상기 회전 각속도 제약 조건을 만족하는지를 예측하고, 상기 예측되는 경우, 상기 구동 제어 또는 상기 자세 제어의 수행을 지속한다.

만일 상기 구동 제약 조건 또는 상기 회전 각속도 제약 조건을 만족하지 않는 것으로 예측되면, 통합 제어기(210)는 상기 구동 제어 또는 상기 자세 제어를 중지할 수 있다.

일례로 통합 제어기(210)는 입력되는 제어 커맨드에 따라, 상기 제어 대상을 구동 제어하고, 상기 구동 제어하는 동안, 매 제어 시점으로부터 일정시간이 경과한 미래시점(예, 0.25초 후)에서, 상기 구동 제약 조건 또는 상기 회전 각속도 제약 조건이 성립되는지 예측할 수 있다.

구체적으로, 통합 제어기(210)는 회전 속도계(Tachometer)를 통해 상기 제어 대상의 회전 각속도를 측정하고, 상기 미래시점(예, 매 0.25초 후)에서의 상기 회전 각속도의 측정값이 설정된 범위에 속하면, 상기 구동 제약 조건이 성립되는 것으로 예측할 수 있다.

또한 통합 제어기(210)는 자이로스코프(Gyroscope)를 통해 복수의 제어 대상 중, 가장 상위의 제어 대상(예를 들어, 휠 같은 구동기가 장착된 위성이나 드론 같은 전체 시스템을 지칭함)의 회전 각속도를 측정하고, 상기 미래시점에서의 상기 회전 각속도의 측정값이 설정된 범위에 속하면, 상기 구동 제약 조건이 성립되는 것으로 예측할 수 있다. 이 경우, 통합 제어기(210)는 모멘텀 교환 장치(예, 반작용 휠)와 상기 가장 상위의 제어 대상(예, 가장 상위제어 대상으로 위성이나 드론 같은 전체 시스템을 지칭함) 간의 모멘텀 교환을 예측할 수 있다.

또한 통합 제어기(210)는 자세 센서를 통해, 상기 제어 대상의 자세를 측정하고, 상기 미래시점에서의 상기 자세의 측정값이, 설정된 오차 범위 이내이면, 상기 회전 각속도 제약 조건이 성립되는 것으로 예측할 수 있다.

통합 제어기(210)는 상기 구동 제약 조건 및 상기 회전 각속도 제약 조건을 이용하여, 상기 제어 대상에 대한 통합 제약 조건을 작성하고, 상기 제어 커맨드의 입력에 따라 상기 구동 제어 및 상기 자세 제어를 수행하는 시점으로부터, 일정시간이 경과한 미래시점에서, 상기 통합 제약 조건이 성립되도록, 상기 제어 대상을 구동 제어 또는 자세 제어할 수 있다.

여기서, 통합 제약 조건은, 위성 시스템, 항공기 및 드론 중 어느 하나로 정해지는 상기 제어 대상 별로 각각 작성(마련)될 수 있다.

구체적으로 통합 제어기(210)는 상기 제어 대상의 반작용 휠에 구비된 회전 속도계(Tachometer)를 통해, 상기 반작용 휠의 회전 각속도를 측정하고, 상기 회전 각속도의 측정값이, 상기 회전 각속도 제약 조건 내 최대값 이하로 유지되도록 상기 구동 제어하여, 상기 반작용 휠의 최대 속도 초과를 방지할 수 있다.

또한 통합 제어기(210)는 상기 회전 각속도의 측정값이, 상기 회전 각속도 제약 조건 내 최소값 이상으로 유지되도록 상기 구동 제어하여, 상기 반작용 휠의 속도 역전 현상을 방지할 수 있다.

여기서 회전 각속도의 역전 현상이란, 구동기인 반작용 휠의 회전 각속도가 '0' rpm이 되거나, '0' rpm을 통과하는 상태를 나타내고, 이에 따라, 회전 각속도 역전현상을 방지하기 위하여 제약 조건으로는, 예를 들어, -1000~-50 rpm 과 +50~+1000 rpm 범위로 지정될 수 있다. 이 경우 -50~+50 rpm 사이에서는 반작용휠이 운용되지 않도록 제약조건을 설정한 것과 마찬가지가 되어 각속도 역전현상이 방지될 수 있다

통합 제어기(210)는 상기 미래시점에서, 상기 통합 제약 조건의 이탈이 예측되면, 상기 구동 제어 또는 상기 자세 제어를 즉시 중지할 수 있다. 이에 따라, 회전 각속도의 역전 현상의 발생을 원천적으로 차단할 수 있다.

다시 말해, 통합 제어기(210)는, 입력되는 제어 커맨드에 따라 제어 대상을 구동 제어/자세 제어하는 동안의 측정값을 피드백으로 입력 받아, 구동 제약 조건과, 회전 각속도 제약 조건이 만족되도록 제어 대상을 제어할 수 있고, 제어하는 매 시점마다 일정시간(예, 0.25초 후)의 미래시점에서, 통합 제약 조건의 이탈이 예측되면, 상기 구동 제어 또는 상기 자세 제어를 즉시 중지할 수 있다.

이처럼 본 발명에 따르면, 제어 대상을 구동 제어/자세 제어할 시, 회전 각속도의 역전 현상을 방지하면서 성공적인 자세 안정화를 달성할 수 있는 통합 제어기를 가진 제어 장치를 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 종래에 별도로 존재하는 제1 제어기와 제2 제어기를 하나의 통합 제어기로 설계 구조를 단순화 하면서도 더 높은 성능을 가지도록 설계하여 개발 및 검증의 효율성도 높일 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제어 장치의 상세 구성을 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 모멘텀 교환장치의 각속도 역전현상 방지 및 토크분배성능 최적화를 위한 제어 장치(400)는 통합 제어기(410), 반작용 휠 동역학(421), 위성 동역학(422), 운동학(Kinematic)(423), 모델 DB(430) 및 제약 조건 DB(440) 및 측정기(450)를 포함하여 구성할 수 있다.

모델 DB(430)는 제어 대상의 특성을 규정하는 위성 모델과, 제어 대상에 구비된 구동기인 반작용 휠의 특성을 규정하는 반작용 휠 모델을 포함하여 구성할 수 있다.

제약 조건 DB(440)는 제어 대상의 회전 각속도 제약 조건과, 반작용 휠에 대한 구동 제약 조건, 제어 커맨드에 관한 제어 입력 제약 조건을 포함하여 구성할 수 있다.

통합 제어기(410)는, 제어 대상 및 반작용 휠의 모델을 모델 DB(430)로부터 결정하고, 해당 모델의 제어 대상과 반작용 휠에 관해 유지된 제약 조건들을 제약 조건 DB(440)로부터 읽어 들일 수 있다.

통합 제어기(410)는, 입력되는 제어 커맨드에 따라 제어 대상을 구동 제어/자세 제어하는 동안, 측정기(450)로부터의 측정값을 피드백으로 입력 받아, 리드한 제약 조건들이 만족되도록 제어 대상을 제어할 수 있다.

측정기(450)는 회전 속도계(451), 자이로스코프(452) 및 자세 센서(453)을 포함하여 구성할 수 있다.

즉 통합 제어기(410)는 운동학(423)을 통해 제어 대상을 자세 제어하는 동안, 자세 센서(453)을 통해 측정한 자세의 측정값이 설정된 오차 범위를 초과하면, 상기 회전 각속도 제약 조건이 성립되지 않는 것으로 예측하여 자세 제어를 중지할 수 있다.

또한 통합 제어기(410)는 반작용 휠 동역학(421)을 통해 구동 제어하는 동안, 회전 속도계(451)를 통해 측정한 회전각 속도의 측정값이 설정된 범위(예, -1000~-50 rpm 과 +50~+1000 rpm 범위)를 벗어나면, 구동 제약 조건이 성립되지 않는 것으로 예측하여 구동 제어를 중지할 수 있다.

도 5의 그래프(520)를 참조하면, 0 rpm 을 포함하는 제약조건 이탈구간(예, -50 ~ +50 rpm)의 경우는 반작용 휠 각속도 역전현상을 방지하기 위한 휠속도 제한구간(Zero-crossing prevention region)(521)으로 설정된다.

상기 구동 제어를 중지한 후에, 통합 제어기(410)는 회전 속도계(451)를 통해 측정한 반작용 휠의 회전 속도가 설정된 범위 내로 들어오면, 상기 구동 제어를 재개할 수 있다.

또한 통합 제어기(410)는 반작용 휠 동역학(421)을 통해 구동 제어하는 동안, 자이로스코프(452)를 통해 측정한 위성체 회전각 속도의 측정값이 설정된 범위(예, -2.0 ~ +2.0 deg/sec 범위)를 벗어나면, 구동 제약 조건이 성립되지 않는 것으로 예측하여 구동 제어를 중지할 수 있다.

상기 구동 제어를 중지한 후에, 통합 제어기(410)는 자이로스코프(452)를 통해 측정한 반작용 휠의 회전 속도가 설정된 범위 내로 들어오면, 상기 구동 제어를 재개할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 특정 제어 대상에 대하여 구동 제어/자세 제어할 시에 만족되어야 하는 제약 조건을 마련해 두고, 상기 제약 조건이 만족되도록 제어 대상을 모델 예측 제어 기반으로 제어함으로써, 회전 각속도의 역전 현상을 방지하고 높은 자세 제어 성능을 확보할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 제어 대상을 구성하는 "구성요소 별 제약 조건"을 모두 고려해 제어 대상을 제어할 수 있는 통합 제어기(410)를 통해, 심플한 구조로 뛰어난 제어 성능을 구현할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제어 장치에서 측정되는 회전 각속도의 측정값을 종래와 비교해 도시한 그래프이다.

도 5의 그래프(510)에는 종래의 제어 장치에서 제어 대상에 구비된 4개의 반작용 휠(RWA#1~ RWA#4)을 구동 제어하는 동안 측정한 회전 각속도가 도시되어 있다.

도 5의 그래프(520)에는 본 발명의 제어 장치에서 제어 대상에 구비된 4개의 반작용 휠(RWA#1~ RWA#4)을 구동 제어하는 동안 측정한 회전 각속도가 도시되어 있다.

두 그래프(510, 520)를 비교하면, 종래의 제어 장치에서는 제어 대상의 자세 제어와 구동 제어에 관한 제약 조건을 고려하지 않고, 반작용 휠(RWA#1~ RWA#4)을 구동하기 때문에, 도 5의 그래프(510)에 도시된 것처럼, RWA #2와 RWA #3의 저속 구간에서, 회전 각속도의 역전 현상을 나타내는 Zero-Crossing(530)이 발생하는 것을 알 수 있다.

반면 본 발명의 제어 장치에서는 반작용 휠(RWA#1~ RWA#4)의 구동 시, 제어 대상의 자세 제어와 구동 제어에 관한 제약 조건을 모두 고려하기 때문에, 도 5의 그래프(520)에 도시된 것처럼, Zero-crossing prevention 구간(521)이 설정되어 저속 구간에서 Zero-Crossing이 발생되지 않으며 이에 따라 제어 대상은 주어진 임무를 완수할 수 있게 된다.

이처럼 본 발명에 따르면, 하나의 통합 제어기로 제어 대상을 구성하는 구성요소들의 제약 조건을 모두 고려해 구동 제어/자세 제어를 실시함으로써, 회전 각속도의 역전 현상을 방지하며 제어 대상의 성공적인 자세 안정화를 달성할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제어 장치에 포함되는 통합 제어기의 작동 알고리즘을 도시한 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 통합 제어기는 모델 예측 제어를 수행할 반작용 휠 및 위성의 모델을 결정하고(단계(610)), 상태 및 제어 입력 제약 조건을 결정하고(단계(620)), 최적 해 산출을 위한 비용 함수(Cost Function)을 결정한다(단계(630)).

통합 제어기는 상기 비용 함수를 이용하여, 상기 상태 및 제어 입력 제약 조건 하에서, 현재 시간에서의 반작용 휠의 토크 커맨드 시퀀스의 최적 해를 산출한다(단계(640)).

예를 들어 통합 제어기는, 주어진 제약 조건을 고려하여 상기 비용 함수를 계산하여, 정해진 토크 커맨드 시퀀스 중에서 최적의 해(제1 토크 커맨드)를 산출할 수 있다.

통합 제어기는 토크 커맨드 시퀀스로부터 제1 토크 커맨드 만을 선택해 모멘텀 교환 장치에 적용하여(단계(650)), 토크 할당 문제를 최적화할 수 있다.

통합 제어기는 상기 모멘텀 교환 장치로부터 제어 토크를 생성해 제어 대상에 적용하여(단계(660)), 자세 안정화 문제를 최적화할 수 있다.

이러한 통합 제어기에 의해서는, 반작용 휠의 저속 구간에서 비선형적인 마찰력의 영향으로 토크 커맨드와 실제 제어 대상에 작용하는 토크의 간극이 크게 발생해 버리는 회전 각속도의 역전 현상을 방지할 수 있고, 회전 각속도의 역전 현상이 일어나지 않도록 반작용 휠을 구동 제어하면서, 토크 커맨드에 따라 가능한 최대의 토크를 출력할 수 있도록 제어 대상의 자세 제어를 높은 정밀도로 구현할 수 있으며, 기존 제어기의 단점을 극복하여 실제적인 상황에서 주어지는 다양한 제약 조건을 반영하여 제어 성능을 최적화할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 특정 제어 대상에 대하여 구동 제어/자세 제어할 시에 회피해야 하는 제약 조건을 마련해 두고, 상기 제약 조건이 만족되지 않도록, 제어 대상을 모델 예측 제어 기반으로 제어함으로써, 회전 각속도의 역전 현상을 방지하고 높은 자세 제어 성능을 확보할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 하나의 통합된 제어기로 제어 대상을 구성하는 구성요소 별 제약 조건을 모두 고려해 제어 대상을 제어함으로써, 심플한 구조로 뛰어난 제어 성능을 가지는 통합 제어기를 구현할 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

200: 제어 장치
210: 통합 제어기
220: 데이터베이스

Claims

제어 대상을 구동 제어할 시, 각속도 역전현상 방지를 위하여 0 rpm 을 포함하도록 각속도 운영 방지구간(zero-crossing prevention region)의 제약 조건을 마련하는 단계;
제어 대상을 구동 제어할 시, 회전 각속도의 최대 모멘텀 한계치를 초과하지 않도록 구동 제약 조건을 마련하는 단계;
상기 제어 대상을 자세 제어할 시, 정해진 타겟 토크의 출력을 위한 회전 각속도 제약 조건을 마련하는 단계;
입력되는 제어 커맨드에 따라, 상기 구동 제어 및 상기 자세 제어를 수행하는 동안, 상기 제어 대상이 상기 구동 제약 조건 또는 상기 회전 각속도 제약 조건을 만족하는지를 예측하는 단계; 및
상기 예측되는 경우, 상기 구동 제어 또는 상기 자세 제어의 수행을 지속하는 단계
를 포함하는 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 예측하는 단계는,
상기 구동 제어 및 상기 자세 제어를 수행하는 매 시점으로부터 일정시간이 경과한 미래시점에서, 상기 구동 제약 조건 또는 상기 회전 각속도 제약 조건이 성립되는지 예측하는 단계
를 포함하는 제어 방법.
제2항에 있어서,
상기 예측하는 단계는,
회전 속도계(Tachometer)를 통해 상기 제어 대상의 회전 각속도를 측정하는 단계; 및
상기 미래시점에서의 상기 회전 각속도의 측정값이 설정된 범위에 속하면, 상기 구동 제약 조건이 성립되는 것으로 예측하는 단계
를 포함하는 제어 방법.
제2항에 있어서,
상기 예측하는 단계는,
자이로스코프(Gyroscope)를 통해 복수의 제어 대상 중, 가장 상위의 제어 대상의 회전 각속도를 측정하는 단계; 및
상기 미래시점에서의 상기 회전 각속도의 측정값이 설정된 범위에 속하여, 상기 구동 제약 조건이 성립되는 것으로 예측되면,
모멘텀 교환 장치와 상기 가장 상위의 제어 대상 간의 모멘텀 교환을 예측하는 단계
를 포함하는 제어 방법.
제2항에 있어서,
상기 예측하는 단계는,
자세 센서(Attitude Sensor)를 통해, 상기 제어 대상의 자세를 측정하는 단계; 및
상기 미래시점에서의 상기 자세의 측정값이, 설정된 오차 범위 이내이면, 상기 회전 각속도 제약 조건이 성립되는 것으로 예측하는 단계
를 포함하는 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 제어 대상의 반작용 휠에 구비된 회전 속도계(Tachometer)를 통해, 상기 반작용 휠의 회전 각속도를 측정하는 단계;
상기 회전 각속도의 측정값이, 상기 회전 각속도 제약 조건 내 최대값 이하로 유지되도록 상기 구동 제어하여, 상기 반작용 휠의 최대 속도 초과를 방지하는 단계; 및
상기 회전 각속도의 측정값이, 상기 회전 각속도 제약 조건 내 최소값 이상으로 유지되도록 상기 구동 제어하여, 상기 반작용 휠의 속도 역전 현상을 방지하는 단계
를 더 포함하는 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 구동 제약 조건 및 상기 회전 각속도 제약 조건을 이용하여, 상기 제어 대상에 대한 통합 제약 조건을 작성하는 단계; 및
상기 제어 커맨드의 입력에 따라 상기 구동 제어 및 상기 자세 제어를 수행하는 시점으로부터, 일정시간이 경과한 미래시점에서, 상기 통합 제약 조건이 성립되도록, 상기 제어 대상을 구동 제어 또는 자세 제어하는 단계
를 더 포함하는 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 미래시점에서, 상기 통합 제약 조건의 이탈이 예측되면,
상기 구동 제어 또는 상기 자세 제어를 중지하는 단계
를 더 포함하는 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 통합 제약 조건을 작성하는 단계는,
위성 시스템, 항공기 및 드론 중 어느 하나로 정해지는 상기 제어 대상 각각으로, 상기 통합 제약 조건을 작성하는 단계
를 포함하는 제어 방법.
제어 대상을 구동 제어할 시, 각속도 역전현상 방지를 위하여 0 rpm 을 포함하도록 각속도 운영 방지구간(zero-crossing prevention region)의 제약 조건과, 제어 대상을 구동 제어할 시, 회전 각속도의 최대 모멘텀 한계치를 초과하지 않기 위한 구동 제약 조건과, 상기 제어 대상을 자세 제어할 시, 정해진 타겟 토크의 출력을 위한 회전 각속도 제약 조건을 유지하는 데이터베이스; 및
입력되는 제어 커맨드에 따라, 상기 구동 제어 및 상기 자세 제어를 수행하는 동안, 상기 제어 대상이 상기 구동 제약 조건 또는 상기 회전 각속도 제약 조건을 만족하는지를 예측하고, 상기 예측되는 경우, 상기 구동 제어 또는 상기 자세 제어의 수행을 지속하는 통합 제어기
를 포함하는 제어 장치.
제10항에 있어서,
상기 통합 제어기는,
상기 구동 제어 및 상기 자세 제어를 수행하는 매 시점으로부터 일정시간이 경과한 미래시점에서, 상기 구동 제약 조건 또는 상기 회전 각속도 제약 조건이 성립되는지 예측하는
제어 장치.
제11항에 있어서,
상기 통합 제어기는,
회전 속도계(Tachometer)를 통해 상기 제어 대상의 회전 각속도를 측정하고,
상기 미래시점에서의 상기 회전 각속도의 측정값이 설정된 범위에 속하면, 상기 구동 제약 조건이 성립되는 것으로 예측하는
제어 장치.
제11항에 있어서,
상기 통합 제어기는,
자이로스코프(Gyroscope)를 통해 복수의 제어 대상 중, 가장 상위의 제어 대상의 회전 각속도를 측정하고,
상기 미래시점에서의 상기 회전 각속도의 측정값이 설정된 범위에 속하여, 상기 구동 제약 조건이 성립되는 것으로 예측되면,
모멘텀 교환 장치와 상기 가장 상위의 제어 대상 간의 모멘텀 교환을 예측하는
제어 장치.
제11항에 있어서,
상기 통합 제어기는,
자세 센서를 통해, 상기 제어 대상의 자세를 측정하고,
상기 미래시점에서의 상기 자세의 측정값이, 설정된 오차 범위 이내이면, 상기 회전 각속도 제약 조건이 성립되는 것으로 예측하는
제어 장치.
제10항에 있어서,
상기 통합 제어기는,
상기 제어 대상의 반작용 휠에 구비된 회전 속도계(Tachometer)를 통해, 상기 반작용 휠의 회전 각속도를 측정하고,
상기 회전 각속도의 측정값이, 상기 회전 각속도 제약 조건 내 최대값 이하로 유지되도록 상기 구동 제어하여, 상기 반작용 휠의 최대 속도 초과를 방지하고,
상기 회전 각속도의 측정값이, 상기 회전 각속도 제약 조건 내 최소값 이상으로 유지되도록 상기 구동 제어하여, 상기 반작용 휠의 속도 역전 현상을 방지하는
제어 장치.
제10항에 있어서,
상기 통합 제어기는,
상기 구동 제약 조건 및 상기 회전 각속도 제약 조건을 이용하여, 상기 제어 대상에 대한 통합 제약 조건을 작성하고,
상기 제어 커맨드의 입력에 따라 상기 구동 제어 및 상기 자세 제어를 수행하는 시점으로부터, 일정시간이 경과한 미래시점에서, 상기 통합 제약 조건이 성립되도록, 상기 제어 대상을 구동 제어 또는 자세 제어하는
제어 장치.
제16항에 있어서,
상기 통합 제어기는,
상기 미래시점에서, 상기 통합 제약 조건의 이탈이 예측되면,
상기 구동 제어 또는 상기 자세 제어를 중지하는
제어 장치.
제16항에 있어서,
상기 통합 제어기는,
위성 시스템, 항공기 및 드론 중 어느 하나로 정해지는 상기 제어 대상 각각으로, 상기 통합 제약 조건을 작성하는
제어 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.