KR102419020B1 - 시선 안정화 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시선 안정화 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대상물을 향하는 시선을 이동시키기 위한 김벌의 시선 안정화 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치는, 제어 신호를 입력받아 대상물을 향하는 시선을 이동시키기 위한 김벌의 시선 안정화 제어 장치로서, 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌에 입력되는 제1 제어 신호를 출력하기 위한 추종 제어부; 및 제1 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌을 제어하기 위한 제2 제어 신호를 출력하기 위한 외란 제거부;를 포함한다.

Description

시선 안정화 제어 장치 및 제어 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING LINE OF SIGHT STABILIZATION}

본 발명은 시선 안정화 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대상물을 향하는 시선을 이동시키기 위한 김벌의 시선 안정화 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

시선(LOS, line of sight)이란 지정된 센서 또는 카메라가 바라보는 방향을 나타내는 용어이며, 시선 안정화(stabilization) 시스템은 내부의 센서, 카메라, 무기 등의 시선을 관성 평면 기준으로 흔들림 없이 제어할 수 있게 하는 시스템을 나타낸다. 특히, 항공 정찰을 위한 카메라 시스템에서 촬영하고자 하는 지역 또는 영역에 대한 고품질의 사진을 획득하기 위해서는 고배율의 광학계/카메라 및 이를 안정화하기 위한 김벌(Gimbal)의 설계가 필요하다.

김벌은 시스템이 요구하는 FOR(Field of Regard, 촬영가능영역)의 영역 내에서 요구되는 시간 이내에 시선을 이동할 수 있어야 하며, 시스템의 시선 안정화 정확도를 위해 명령 추종(Command following) 역할과 외란 제한(Disturbance rejection) 역할을 수행한다.

특히, 최근 개발되고 있는 시선안정화 시스템은 고배율의 고화질의 영상 센서를 장착하여, 센서 및 광학계의 화각(FOV, field of view)이 수 도(°, degree) 이내이며, 순간 화각(iFOV instantaneous FOV, 하나의 pixel에 해당하는 화각)이 수 μrad 이내의 값을 갖도록 설계되고 있다. 그러나, 수 μrad 이내의 순간 화각을 가지는 센서의 경우 종래의 시선안정화 시스템에서는 노출시간 동안 시선(LOS)의 흔들림이 수 μrad 이상 발생하게 되면 희미한(Blurred) 영상을 획득할 수 밖에 없는 문제점이 있었다. 또한, 종래의 시스템에서는 영상 신호를 획득하고, 획득한 영상 신호에서 표적 정보를 추출하는 과정에서 발생되는 시간 지연 요소가 발생하여 위상 지연을 증가시키고 시선 안정화 시스템의 불안정성을 초래하는 문제점이 있었다.

KR 10-2020-0052705 A

본 발명은 대상물을 향하는 시선의 정확도를 향상시킬 수 있는 시선 안정화 제어 장치 및 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치는, 제어 신호를 입력받아 대상물을 향하는 시선을 이동시키기 위한 김벌의 시선 안정화 제어 장치로서, 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌에 입력되는 제1 제어 신호를 출력하기 위한 추종 제어부; 및 제1 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌을 제어하기 위한 제2 제어 신호를 출력하기 위한 외란 제거부;를 포함한다.

상기 추종 제어부는, 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌의 상태를 예측하는 상태 신호를 출력하는 상태 검출기; 및 제어 신호와 상태 신호를 합성하여 제1 제어 신호를 출력하는 제어기;를 포함할 수 있다.

상기 외란 제거부는, 제1 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌에 가해지는 외란을 보상하기 위한 보상 신호를 출력하는 외란 검출기; 및 제1 제어 신호와 보상 신호를 합성하여 제2 제어 신호를 출력하는 합성기;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치는, 제어 신호를 입력받아 대상물을 향하는 시선을 이동시키기 위한 김벌의 시선 안정화 제어 장치로서, 제어 신호와 상기 김벌의 상태를 예측하는 상태 신호가 합성된 제1 제어 신호를 출력하기 위한 추종 제어부; 및 제1 제어 신호와 상기 김벌에 가해지는 외란을 보상하기 위한 보상 신호가 합성된 제2 제어 신호를 출력하기 위한 외란 제거부;를 포함한다.

상기 추종 제어부 및 외란 제거부는 상기 김벌의 입력단과 출력단에 각각 병렬로 연결될 수 있다.

상기 추종 제어부는 mLQT(modified Linear Quardratic Tracker) 방식으로 제1 제어 신호를 출력하는 시선 안정화 제어 장치.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 방법은, 제어 신호를 입력받아 대상물을 향하는 시선을 이동시키기 위한 김벌의 시선 안정화 제어 방법으로서, 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌에 입력되는 제1 제어 신호를 출력하는 과정; 및 제1 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌을 제어하기 위한 제2 제어 신호를 출력하는 과정;을 포함한다.

상기 제1 제어 신호를 출력하는 과정은, 상기 김벌의 동작 시스템을 상태 방정식으로 정의하는 과정; 제어 신호를 상기 상태 방정식에 대입한 출력 신호로부터 상기 김벌의 상태를 예측하는 상태 신호를 출력하는 과정; 및 제어 신호와 상태 신호를 합성하여 제1 제어 신호를 생성하는 과정;을 포함할 수 있다.

상기 상태 방정식은 하기의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.

[수학식 1]

(여기서, x는 상태 변수, u는 제1 제어 신호, d는 외란 신호, r은 제어 신호, y는 출력 신호, v는 노이즈를 의미한다.)

상기 제1 제어 신호를 생성하는 과정은 하기의 수학식 2에 의하여 이루어질 수 있다.

[수학식 2]

(여기서, P는 정부호 행렬, Q는 추적 에러 값, R은 제1 합성 신호의 가중 값, T는 전치 행렬을 의미한다.)

상기 제2 제어 신호를 출력하는 과정은, 제1 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌에 가해지는 외란을 보상하기 위한 보상 신호를 출력하는 과정; 및 제1 제어 신호와 보상 신호를 합성하여 제2 제어 신호를 생성하는 과정;을 포함할 수 있다.

상기 제2 제어 신호를 생성하는 과정은, 제1 제어 신호, 외란 신호 및 출력 신호를 주파수 영역으로 변환하여 이루어질 수 있다.

상기 제2 제어 신호를 생성하는 과정은 하기의 수학식 3에 의하여 이루어질 수 있다.

[수학식 3]

(여기서, Y(s)는 주파수 영역의 제2 제어 신호, Gp(s)는 주파수 영역의 상태 방정식, U(s)는 주파수 영역의 제1 제어 신호, D(s)는 주파수 영역의 외란 신호를 의미한다.)

본 발명의 실시 예에 따르면, 노이즈 신호와 외란 신호가 상쇄된 제어 신호를 입력하여 김벌의 시선을 이동시킴으로써 고화질의 선명한 영상을 획득할 수 있다.

또한, 상태 방정식으로 정의된 김벌의 동작 시스템으로부터 노이즈 신호와 외란 신호를 각각 추출하여 제거함으로써, 외란의 영향을 최소화하고, 제어 명령에 대한 추종 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 대상물을 향하는 시선을 제어하기 위한 김벌의 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 구동의 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 김벌의 동작 시스템을 나타내는 도면.
도 2는 제어 명령에 따른 김벌의 주파수 응답과 실제 작동된 김벌의 주파수 응답을 나타내는 도면.
도 3은 제어 명령에 따른 김벌의 스텝 응답과 실제 작동된 김벌의 스텝 응답을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치를 개략적으로 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치의 시뮬레이션 모델을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치의 오픈 루프 주파수 응답을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치의 토크 외란 주파수 응답을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치의 Non-white 외란 시간 응답을 나타내는 도면.
도 9는 다풀(DAFUL) 동역학 모델링 플랜트의 시뮬링크 블록을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치의 시선 안정화 정확도를 산출하는 모습을 나타내는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 발명을 상세하게 설명하기 위해 도면은 과장되어 도시될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 김벌의 동작 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 제어 명령에 따른 김벌의 주파수 응답과 실제 작동된 김벌의 주파수 응답을 나타내는 도면이다.

김벌은 시스템이 요구하는 FOR(Field of Regard, 촬영가능영역)의 영역 내에서 요구되는 시간 이내에 시선을 이동할 수 있어야 하며, 시스템의 시선 안정화 정확도를 위해 명령 추종(Command following) 역할과 외란 제한(Disturbance rejection) 역할을 수행한다. 김벌의 구동축은 방위각축(coarse axis), 방위각축(fine axis), 고각축(내부)을 포함하는 3개의 축으로 구성되어 있으며, 외부로부터 인가되는 외란(Disturbance)을 기구적으로 최소화 할 수 있도록 설계된다.

이와 같은 김벌은 도 1과 같이 직류 모터/부하 시스템으로 표현할 수 있으며, 직류 모터/부하 시스템은 하기의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, vm 은 입력 전압, im은 입력전압, ω는 회전각속도, τD 는 외란 토크를 나타낸다.

위와 같은 관계식으로 상태 방정식을 유도하면, 하기의 수학식 2와 같이 A/B/C/D 매트릭스를 구할 수 있다. 매트릭스를 구성하는 제어파라미터는 하기의 표 1과 같다.

[수학식 2]

[표 1]

이와 같이, 모델링한 시선안정화 제어 플랜트에 대해 실제 플랜트와의 비교 시험을 수행하였다. 도 2는 플랜트 주파수 응답, 도 3은 스텝 응답 비교 그래프이다. 주파수 응답 및 스텝 응답 특성 시험을 진행하면서, 실제 플랜트와 모델링 플랜트 간에 유사한 특성을 확보하기 위해, 제어파라미터 값의 튜닝 작업을 수행하였다. 주파수 응답은 200 Hz까지 동일한 특성을 나타나지만 , 200 Hz 이상의 응답에서는 출력되는 센서의 신호가 노이즈 레벨 수준으로 떨어지기 때문에 모델링 플랜트와의 이격이 나타남을 확인할 수 있다.

결국, 모델링한 플랜트(김벌)를 기반으로 하는 전자광학 시스템에서 영상 촬영 시에 선명한 화질의 사진 촬영을 위해서 시선 안정화 제어 장치의 설계가 필요하다. 기존에 개발되는 제어 장치는 PID 제어기를 적용하여 운용중이며, 현재 시스템의 규격(시선 안정화 정확도)은 만족하는 성능을 보여주고 있으나, Disturbance rejection의 성능이 미진하여, 규격 상의 마진이 적은 상태를 가진다. 따라서, 양산 등의 추후 제작을 고려하여, 시스템의 외란에 대한 시선 안정화 정확도 규격상의 여유를 확보할 필요성이 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 mLQT(modified Linear Quadratic Tracker) 및 DOB (Disturbance observer)를 이용하여, 방위각축,고각축에 대한 시선 안정화 제어 장치를 설계하였다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치는, 제어 신호를 입력받아 대상물을 향하는 시선을 이동시키기 위한 김벌(10)의 시선 안정화 제어 장치로서, 제어 신호와 상기 김벌(10)로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌(10)에 입력되는 제1 제어 신호를 출력하기 위한 추종 제어부(100) 및 제1 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌을 제어하기 위한 제2 제어 신호를 출력하기 위한 외란 제거부(200)를 포함한다.

추종 제어부(100)는 제어 신호와 상기 김벌(10)로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌(10)에 입력되는 제1 제어 신호를 출력한다. 즉, 추종 제어부(100)는 제어 신호와 상기 김벌의 상태를 예측하는 상태 신호가 합성된 제1 제어 신호를 출력한다. 여기서, 추종 제어부(100)는, 김벌(10)로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌(10)의 상태를 예측하는 상태 신호를 출력하는 상태 검출기(120) 및 제어 신호와 상태 신호를 합성하여 제1 제어 신호를 출력하는 제어기(140)를 포함할 수 있다.

이때, 추종 제어부(100)는 김벌(10)의 입력단과 출력단에 병렬로 연결되며, 추종 제어부(100)는 제어 신호를 입력받아 mLQT(modified Linear Quadratic Tracker) 방식으로 제1 제어 신호를 출력할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서 제어 대상, 즉 김벌(10)은 하기의 수학식 3과 같은 시스템으로 가정할 수 있다.

[수학식 3]

여기서, x는 상태 변수, u는 제1 합성 제어 신호, d는 외란 신호, r은 제어 신호, y는 출력 신호, v는 노이즈 신호를 의미한다.

mLQT는 하기의 수학식 4와 같은 가격 함수(cost function, J)을 최소화하는 제어기를 설계하는 문제로 귀결된다.

[수학식 4]

Q 와 R은 각각 Tracking error(e), input(u)에 대한 Weighting factor이다. 시스템의 안정성을 보장하기 위해서 Q 와 R은 정부호 행렬(Positive definite matrix)로 선택하여야 한다.

하기의 수학식 5는 Hamiltonian equation(H)을 나타낸다.

[수학식 5]

여기서, λ는 Lagrange multiplier를 나타낸다.

수학식 5에서 cost function을 최소화하기 위한 Necessary condition은 하기의 수학식 6과 같다.

[수학식 6]

수학식 6으로부터 tracking controller는 하기의 수학식 7과 같이 유도될 수 있다. 또한, LQT에서 Lagrange multiplier는 시스템의 상태(state)와 비례하다고 가정하므로, 하기의 수학식 8 및 수학식 9가 유도될 수 있다.

[수학식 7]

[수학식 8]

[수학식 9]

수학식 1, 4, 6, 7 및 8을 이용하면 하기의 수학식 10을 유도할 수 있다.

[수학식 10]

상기의 수학식 10은 모든 x에 대해서 성립하여야 하므로, 하기의 수학식 11도 만족하여야 한다.

[수학식 11]

수학식 11에서 시간을 무한대로 보내면, 하기의 수학식 12가 유도된다.

[수학식 12]

수학식 6, 7, 12로부터 하기의 수학식 13과 같은 LQT controller를 유도할 수 있다.

[수학식 13]

여기서 외란은 측정 가능하지 않기 때문에, 위 수학식을 구현하기 위해서는 외란을 예측하여야 한다. 본래의 LQT의 경우 외란 항을 무시하고 구현하기 때문에, 외란 제한 성능이 좋지 않으므로, modified LQT에서는 외란 제한 성능 향상을 위해서 외란 term을 예측하게 된다.

먼저 Luenberger observer를 하기의 수학식 14와 같이 정의한다.

[수학식 14]

여기서, L은 observer gain을 의미한다.

modified LQT controller를 유도하기 위해서 하기의 수학식 15와 같이 Lagrange multiplier를 시스템의 상태 방정식(x)에 비례하고 g의 덧셈으로 이루어졌다고 가정한다.

[수학식 15]

수학식 4와 수학식 15의 λ는 동일한 것이기 때문에, 수학식 4, 6, 13, 14, 15로부터 하기의 수학식 16을 유도할 수 있다.

[수학식 16]

실제적으로 수학식 16의 noise term(ν)은 무시할 수 있으며, 시간이 무한대로 갈 경우 하기의 수학식 17과 같이 유도된다.

[수학식 17]

modified LQT controller는 수학식 14, 15, 17로부터 하기의 수학식 18과 같이 유도된다.

[수학식 18]

한편, 외란 제거부(200)는 제1 제어 신호와 상기 김벌(10)로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌(10)을 제어하기 위한 제2 제어 신호를 출력한다. 즉, 외란 제거부(200)는 제1 제어 신호와 상기 김벌(10)에 가해지는 외란을 보상하기 위한 보상 신호가 합성된 제2 제어 신호를 출력한다. 여기서, 외란 제거부(200)는 제1 제어 신호와 상기 김벌(10)로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌(10)에 가해지는 외란을 보상하기 위한 보상 신호를 출력하는 외란 검출기(220) 및 제1 제어 신호와 보상 신호를 합성하여 제2 제어 신호를 출력하는 합성기(240)를 포함할 수 있다.

이때, 외란 제거부(200)는 김벌(10)의 입력단과 출력단에 병렬로 연결되며, 외란 제거부(200)는 제1 제어 신호를 입력받아 DOB(Disturbance Observer) 방식으로 외란 성분이 제거한 제2 제어 신호를 출력한다.

외란 제거부(200)는 Single input-single output, minimum phase Linear system에 대한 DOB 기본 구조를 적용하였다. 또한, 외란 제거부(200)는 공칭시스템(Nominal system, Gn)의 입력과 출력을 바꾼 역공칭 시스템(Gn-1) 을 이용하며, 외란 검출기(220)는 시스템의 출력 y와 입력 u를 입력으로 하고, 외란 및 시스템의 불확실성의 영향에 대한 관측치를 보상하도록 보상 신호를 출력하는 내부 제어기이다.

이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 방법을 설명하기로 한다. 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 방법은 전술한 시선 안정화 제어 장치를 이용하는 것으로, 시선 안정화 제어 방법에 대한 설명에 있어서 전술한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 방법은, 제어 신호를 입력받아 대상물을 향하는 시선을 이동시키기 위한 김벌(10)의 시선 안정화 제어 방법으로서, 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌에 입력되는 제1 제어 신호를 출력하는 과정 및 제1 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌을 제어하기 위한 제2 제어 신호를 출력하는 과정을 포함한다.

제1 제어 신호를 출력하는 과정은 전술한 추종 제어부(100)에 의하여 이루어질 수 있다. 이때, 제1 제어 신호를 출력하는 과정은, 상기 김벌(10)의 동작 시스템을 상태 방정식으로 정의하는 과정, 제어 신호를 상기 상태 방정식에 대입한 출력 신호로부터 상기 김벌의 상태를 예측하는 상태 신호를 출력하는 과정 및 제어 신호와 상태 신호를 합성하여 제1 제어 신호를 생성하는 과정을 포함할 수 있다.

상태 방정식으로 정의하는 과정은 김벌(10)의 동작 시스템을 전술한 수학식 3에 의하여 상태 방정식으로 정의한다.

상태 방정식으로 김벌(10)의 동작 시스템이 정의되면, 제1 제어 신호를 출력하는 과정에서는 mLQT(modified Linear Quardratic Tracker) 방식으로 제1 제어 신호를 출력한다. 즉, 제1 제어 신호는 외란 제한 성능을 향상시키기 위하여 전술한 수학식 18과 같이 생성될 수 있다.

제2 제어 신호를 출력하는 과정은 전술한 외란 제거부(200)에 의하여 이루어질 수 있다. 이때, 제2 제어 신호를 출력하는 과정은, 제1 제어 신호와 상기 김벌(10)로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌(10)에 가해지는 외란을 보상하기 위한 보상 신호를 출력하는 과정 및 제1 제어 신호와 보상 신호를 합성하여 제2 제어 신호를 생성하는 과정을 포함할 수 있다.

여기서, 제2 제어 신호를 생성하는 과정은, 제1 제어 신호, 외란 신호 및 출력 신호를 주파수 영역으로 변환하여 이루어질 수 있다. 즉, 제2 제어 신호를 생성하는 과정은 하기의 수학식 19와 같이, 제1 제어 신호, 외란 신호 및 출력 신호를 주파수 영역으로 변환하여 이루어질 수 있다.

[수학식 19]

여기서, Y(s)는 주파수 영역의 제2 제어 신호, Gp(s)는 주파수 영역의 상태 방정식, U(s)는 주파수 영역의 제1 제어 신호, D(s)는 주파수 영역의 외란 신호를 의미한다. 또한, 외란의 크기는 저주파에서의 값으로 제한될 수 있다.

이하에서는, 도 5 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치의 시뮬레이션 결과를 설명한다.

시선 안정화 제어 장치는 매트랩/시뮬링크를 이용하여, ①PID, ②mLQT, ③PID+DOB, ④PID+Dual_DOB, 그리고 제안된 ⑤mLQT+DOB를 동시에 설계하였다.

먼저 기존에 적용중인 PID 제어기에 대해서 실제 제어기와 유사한 35 Hz의 대역폭(Bandwidth), 60 °의 위상 여유(Phase margin)을 확보하도록 설계하였고, mLQT에 대해서도 이와 유사하게 Q, R의 튜닝을 수행하였다. 여기에 DOB 및 Dual DOB를 더하여, 위의 시뮬레이션 5가지 모델을 완성하였다.

주파수 영역에서는 Bode plot을 통해 안정성에 대해 검증하였고, 토크 외란 주파수 응답을 통해 외란에 대한 제한 성능을 확인하였다. 또한, 시간 영역에서 non-white 외란에 대한 특성을 확인하고, 시스템에서 최종적으로 확인하게 되는 시선안정화 정확도를 측정하였다. 그리고, 다풀(DAFUL, 동역학 소프트웨어)을 이용하여, 동역학 모델링을 수행한 후 Matlab 과의 Co-simulation을 통해 시선 안정화 정확도를 확인하는 작업을 수행하였다.

시뮬레이션을 위한 추가 적용한 파라미터로는 자이로 센서 오차, 위치 센서 오차, 방진구 Cutoff frequency, 방진구 resonance peak, 내부 김벌 unbalance등 이 있으며, 진동 특성은 MIL-STD 810G Method 514.6 진동에 따라 시스템에 특성에 의해 수정된 요구사항이며, 이를 시뮬레이션에 적용하여 수행하였다.

본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치에 대하여 매트랩/시뮬링크 상으로 구현하였고, 도 5는 제안된 mLQT+ DOB 제어기에 대한 시뮬레이션 모델을 나타낸다.

실제로 적용중인 방위각축 PID 제어기 설계치 약 대역폭 30 Hz, 위상여유 50°이상, 고각축 PID제어기 설계치 약 대역폭 40 Hz, 위상여유 50°이상이 되도록 튜닝을 수행하였고, mLQT에 대해 유사한 대역폭, 위상 여유를 확보하도록 튜닝을 수행하였다. 또한, 50°이상의 위상여유를 확보하도록 DOB를 설계하여, 도 6과 같은 오픈루프 주파수 응답 결과를 확인하였다.

도 7은 토크 외란에 대한 주파수 응답이다. 기준 플랜트 대비 감쇠율이 높은 것은 PID+Dual DOB > mLQT+DOB > PID+DOB > mLQT > PID 순으로 확인 할 수 있으며, PID+Dual DOB의 경우 8Hz∼30Hz 대역에서 다른 제어기 대비 외란 특성이 5dB이상 좋지 않은 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 따라서 20∼30Hz 사이에 큰 진동규격을 가지고 있는 시스템 특성상 mLQT가 가장 좋은 성능을 가지고 있다고 판단할 수 있다.

도 8은 Non-white 외란에 대한 시간 응답으로 PID+DOB 와 mLQT+DOB가 Non-white(스텝) 외란에 대해 가장 우수한 시간 응답 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 내부(방위각)축 시선안정화 제어기에 대해 동역학 프로그램인 다풀과 매트랩/시뮬링크를 이용하여 Co-simulation을 수행하였다. 먼저 3D모델링을 기반으로 다풀 동역학 모델링(도 9 참조)을 생성하였다.

동역학 모델링을 기반으로 매트랩에서 연동제어가 가능한 블록을 생성하여, 시선안정화 제어기의 시뮬링크 모델에서 플랜트 블록을 다풀 동역학 플랜트 블록으로 대체 후, 시뮬레이션으로 속도 출력을 로깅하여, 시선안정화 정확도 산출하였다. 여기서, 시선안정화 정확도 산출은 도 10과 같은 프로세스로 진행하였다.

산출 결과, 하기의 표 2과 같은 시선 안정화 정확도에 대한 결과를 얻었으며, 기존에 동역학이 적용되지 않은 시뮬링크 모델 대비 약 50% 정도 떨어지는 결과 값을 획득하였다. 이는, 동역학 모델링에 포함된 적외선카메라 쿨러 진동/방진구 특성 및 Unbalance에 대한 중력의 영향 등의 비선형적인 특성이 포함되어 있었기 때문이라고 추정한다.

[표 2]

결론적으로, 먼저 시선 안정화에 대한 모델링을 직류 모터/부하 시스템을 가정하여 수행하고, 실제 시스템의 플랜트 응답을 DSA로 측정하여, 모델링 플랜트 응답과 비교하여 검증하고, mLQT 와 DOB를 이용하여, 제어기를 설계하였다. 비교 검증을 위한 제어기로 PID, mLQT, PID+DOB, PID+Dual DOB 에 대한 설계를 수행하고, 시뮬레이션(매트랩/시뮬링크)을 통해 개루프 주파수 응답, 토크 외란 주파수 응답, Non-white 외란 응답특성을 확인하였다.

그리고, 동역학 소프트웨어(다풀)를 이용하여, 플랜트 모델링을하고, 시뮬링크와의 Co-simulation을 통해, 시선 안정화 정확도를 산출하여, 성능을 검증하였다. 본 발명의 실시 예에 따른 mLQT+DOB 제어 장치는 기존에 운용중인 PID 제어기에 비해 방위각축, 고각축 각각 약 24%, 약39%의 시선안정화 정확도 성능 향상, PID+DOB 대비 약 10%, 약25%의 성능 향상을 확인하였다. 제어 장치에 따른 시선 안정화의 양상은 mLQT+DOB→mLQ T→PID+DO→PID→PID+DualDOB 순으로 우수한 결과가 나옴을 확인하였다. mLQT+DOB 제어 장치는 20~30Hz 대역에서의 주파수 특성, 과도 응답 특성, 또한 시스템 요구사항인 시선 안정화 정확도 특성에서 가장 뛰어난 특성을 나타내었다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 방법은 상기의 방법을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 기록 매체에도 적용될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 방법은 기록 매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그래밍 언어 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 플래시 메모리, 솔리드 스테이트 디스크(SSD) 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터 간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 노이즈 신호와 외란 신호가 상쇄된 제어 신호를 입력하여 김벌의 시선을 이동시킴으로써 고화질의 선명한 영상을 획득할 수 있다.

또한, 상태 방정식으로 정의된 김벌의 동작 시스템으로부터 노이즈 신호와 외란 신호를 각각 추출하여 제거함으로써, 외란의 영향을 최소화하고, 제어 명령에 대한 추종 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 대상물을 향하는 시선을 제어하기 위한 김벌의 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 구동의 정확도를 향상시킬 수 있다.

상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

Claims (14)

1. 제어 신호를 입력받아 대상물을 향하는 시선을 이동시키기 위한 김벌의 시선 안정화 제어 장치로서,
   제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌에 입력되는 제1 제어 신호를 출력하기 위한 추종 제어부; 및
   제1 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌을 제어하기 위한 제2 제어 신호를 출력하기 위한 외란 제거부;를 포함하며,
   상기 추종 제어부는,
   상기 김벌로부터 출력되고, 제어 신호를 상기 김벌의 동작 시스템을 정의하는 상태 방정식에 대입한 출력 신호를 입력받아, 상기 김벌의 상태를 예측하는 상태 신호를 출력하는 상태 검출기; 및
   제어 신호와 상태 신호를 합성하여 제1 제어 신호를 출력하는 제어기;를 포함하고,
   상기 상태 방정식은 하기의 수학식 1과 같이 정의되는 시선 안정화 제어 장치.
   [수학식 1]
   

   

   
   (여기서, x는 상태 변수, u는 제1 제어 신호, d는 외란 신호, r은 제어 신호, y는 출력 신호, v는 노이즈를 의미한다.)
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 외란 제거부는,
   제1 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌에 가해지는 외란을 보상하기 위한 보상 신호를 출력하는 외란 검출기; 및
   제1 제어 신호와 보상 신호를 합성하여 제2 제어 신호를 출력하는 합성기;를 포함하는 시선 안정화 제어 장치.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 추종 제어부 및 외란 제거부는 상기 김벌의 입력단과 출력단에 각각 병렬로 연결되는 시선 안정화 제어 장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 추종 제어부는 mLQT(modified Linear Quardratic Tracker) 방식으로 제1 제어 신호를 출력하는 시선 안정화 제어 장치.
7. 제어 신호를 입력받아 대상물을 향하는 시선을 이동시키기 위한 김벌의 시선 안정화 제어 방법으로서,
   제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌에 입력되는 제1 제어 신호를 출력하는 과정; 및
   제1 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌을 제어하기 위한 제2 제어 신호를 출력하는 과정;을 포함하며,
   상기 제1 제어 신호를 출력하는 과정은,
   상기 김벌의 동작 시스템을 상태 방정식으로 정의하는 과정;
   제어 신호를 상기 상태 방정식에 대입한 출력 신호로부터 상기 김벌의 상태를 예측하는 상태 신호를 출력하는 과정; 및
   제어 신호와 상태 신호를 합성하여 제1 제어 신호를 생성하는 과정;을 포함하고,
   상기 상태 방정식은 하기의 수학식 1과 같이 정의되는 시선 안정화 제어 방법.
   [수학식 1]
   

   

   
   (여기서, x는 상태 변수, u는 제1 제어 신호, d는 외란 신호, r은 제어 신호, y는 출력 신호, v는 노이즈를 의미한다.)
8. 삭제
9. 삭제
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 제어 신호를 생성하는 과정은 하기의 수학식 2에 의하여 이루어지는 시선 안정화 제어 방법.
    [수학식 2]
    

    

    
    (여기서, P는 정부호 행렬, Q는 추적 에러 값, R은 제1 합성 신호의 가중 값, T는 전치 행렬을 의미한다.)
11. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 제어 신호를 출력하는 과정은,
    제1 제어 신호와 상기 김벌로부터 출력되는 출력 신호를 입력받아 상기 김벌에 가해지는 외란을 보상하기 위한 보상 신호를 출력하는 과정; 및
    제1 제어 신호와 보상 신호를 합성하여 제2 제어 신호를 생성하는 과정;을 포함하는 시선 안정화 제어 방법.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 제어 신호를 생성하는 과정은, 제1 제어 신호, 외란 신호 및 출력 신호를 주파수 영역으로 변환하여 이루어지는 시선 안정화 제어 방법.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 제어 신호를 생성하는 과정은 하기의 수학식 3에 의하여 이루어지는 시선 안정화 제어 방법.
    [수학식 3]
    

    

    
    (여기서, Y(s)는 주파수 영역의 제2 제어 신호, Gp(s)는 주파수 영역의 상태 방정식, U(s)는 주파수 영역의 제1 제어 신호, D(s)는 주파수 영역의 외란 신호를 의미한다.)
14. 청구항 7, 청구항 10 내지 청구항 13 중 어느 한 청구항에 기재된 시선 안정화 제어 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.

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