KR102499292B1 - 운용 범위 마진을 기반으로 큐잉 알고리즘을 구현하는 모션 플랫폼의 제어 방법 - Google Patents

운용 범위 마진을 기반으로 큐잉 알고리즘을 구현하는 모션 플랫폼의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

복수의 구동기 (Actuator) 및 복수의 구동기에 의해 움직임 (Motion) 이 제어되는 플레이트를 포함하는 모션 플랫폼 (Motion-platform) 을 제어하기 위한 방법으로서, 방법은, 상기 모션 플랫폼의 운용 범위 보다 미리 결정한 수치만큼 감소된 운용 범위인 수정 운용 범위를 결정하는 단계; 및 상기 수정 운용 범위 내에서 상기 모션 플랫폼의 움직임에 따른 자세를 제어하기 위한 자세 제어 명령을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

운용 범위 마진을 기반으로 큐잉 알고리즘을 구현하는 모션 플랫폼의 제어 방법{A METHOD FOR CONTROLLING MOTION FLATFORM WITH QUEING ALGORITHM BASED ON OPERATION RANGE MARGIN}
본 발명은 모션 플랫폼에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 모션 플랫폼의 허용되는 운용 범위에 대한 마진을 이용하여 보다 실감나는 큐잉 알고리즘을 구현하는 모션 플랫폼의 제어 방법에 관한 것이다.
유인비행체 가상훈련 시뮬레이터 (Manned Flight Virtual Training Simulator) 는 유인항공기에서 발생할 수 있는 가상의 환경과 상황을 제공하여 훈련자에게 실제와 유사한 훈련 효과를 제공하는 장비이다.
예를 들어 유인비행체 가상훈련 시뮬레이터와 같은 시뮬레이터는, 시청각적 모사와 함께 시뮬레이터 이용자에게 모의 대상 개체에 탑승한 것과 유사한 움직임을 제공하도록 구성된다. 이와 같은 움직임의 모사를 제공하기 위해 예를 들어 스튜어트 플랫폼 (Stewart-platform) 과 같은 모션 플랫폼이 사용될 수 있다.
스튜어트 플랫폼은 1965년에 Stewart에 의하여 제안된 병렬 운동기구이며, 비행체운동을 시뮬레이션하기 위하여 병렬로 연결된 6개의 구동 액튜에이터 (Actuator) 를 이용한 병렬 운동기구로서 제안되었다. 이러한 기구는 비행체나 헬리콥터 등과 같이 고도로 숙련된 조종술을 요구하는 조종사의 훈련을 보다 안전하고 효과적으로 수행하기 위하여 개발되어 왔으며, 근래에는 시뮬레이션을 위한 시뮬레이터로 응용분야가 점차 확대되어가고 있다.
다만, 예를 들어 스튜어트 플랫폼과 같은 모션 플랫폼은 허용되는 운용 범위에 제한을 가진다. 예를 들어 유인비행체와 같은 시뮬레이터의 모사 대상은 소정 방향에 대해서 예를들어 90 도 이상의 회전까지도 경험할 수 있지만, 모션 플랫폼은 각각의 방향으로 90 도 까지의 회전을 재현하기에는 물리적인 한계를 가진다. 즉, 통상적인 스튜어트 플랫폼과 같은 모션 플랫폼은 제한적인 각도와 위치의 운용 범위를 가지므로, 이러한 제약 하에서 모사 대상의 움직임을 최대한 더욱 실감나게 재현하기 위한 방안이 요구된다.
한국 공개특허공보 제 10-2015-0117309 호 ("탑승형 스튜어트 플랫폼을 이용한 가상환경 멀미 극복 장치 및 방법", 한국전자기술연구원)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 모션 플랫폼의 허용되는 운용 범위에 대해 소정 범위만큼 감소된 수정된 운용 범위 내에서 모션 플랫폼의 자세를 제어하도록 함으로써 획득되는 운용 범위의 마진을 이용하여 보다 실감나는 큐잉 알고리즘을 구현할 수 있는 모션 플랫폼을 제공하는 것이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 모션 플랫폼의 허용되는 운용 범위에 대해 소정 범위만큼 감소된 수정된 운용 범위 내에서 모션 플랫폼의 자세를 제어하도록 함으로써 획득되는 운용 범위의 마진을 이용하여 보다 실감나는 큐잉 알고리즘을 구현하도록 모션 플랫폼을 제어할 수 있는 제어 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 제어 방법은, 복수의 구동기 (Actuator) 및 상기 복수의 구동기에 의해 움직임 (Motion) 이 제어되는 플레이트를 포함하는 모션 플랫폼 (Motion-platform) 을 제어하기 위한 방법으로서, 상기 방법은, 상기 모션 플랫폼의 운용 범위 보다 미리 결정한 수치만큼 감소된 운용 범위인 수정 운용 범위를 결정하는 단계; 및 상기 수정 운용 범위 내에서 상기 모션 플랫폼의 움직임에 따른 자세를 제어하기 위한 자세 제어 명령을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 방법은, 상기 모션 플랫폼의 움직임에 대한 가속도 변화를 구현하기 위한 가속도 제어 명령을 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 가속도 제어 명령은, 상기 모션 플랫폼의 운용 범위 내에서 상기 수정 운용 범위를 넘어서는 범위까지 상기 모션 플랫폼의 움직임을 제어하는 것이 허용되도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 가속도 제어 명령은, 상기 모션 플랫폼의 운용 범위 내에서 상기 수정 운용 범위를 제외한 나머지 범위를 이용하여 상기 모션 플랫폼에 대한 큐잉 (Queing) 알고리즘을 구현하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 자세 제어 명령을 생성하는 단계는, 상기 모션 플랫폼을 통해 재현 하고자하는 모사 대상의 움직임 정도에 관한 값을 입력받아 상기 수정 운용 범위에 속하는 모션 플랫폼의 목표 제어량에 관한 값을 출력하는 제한 함수를 기반으로 상기 목표 제어량을 지시하는 자세 제어 명령을 생성하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 제한 함수는, 상기 모션 플랫폼을 통해 재현 하고자하는 모사 대상의 움직임 범위에 속하는 복수의 움직임 정도에 관한 값들 각각을 상기 수정 운용 범위에 속하는 복수의 목표 제어량에 관한 값들 각각에 매핑시키도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제한 함수는, 상기 모사 대상의 움직임 범위로부터 미리 결정한 수치만큼 축소된 모사 제한 범위를 결정하고, 상기 모사 제한 범위에 속하는 복수의 움직임 정도에 관한 값들 각각을 상기 수정 운용 범위에 속하는 복수의 목표 제어량에 관한 값들 각각에 매핑시키도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제한 함수는, 상기 모사 대상의 더 낮은 변위 레벨 - 여기서, 상기 변위 레벨은 초기 기준 위치로부터 상기 모사 대상이 움직인 정도를 나타냄 - 에서의 이동량이 상기 모션 플랫폼의 목표 제어량에 반영되는 정도가 상기 모사 대상의 더 높은 변위 레벨에서의 이동량이 상기 모션 플랫폼의 목표 제어량에 반영되는 정도보다 더 크도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제한 함수는, 시그모이드 (Sigmoid) 함수를 y 축 방향으로 -0.5 평행 이동하고, 평행 이동이 완료된 출력값에 2 를 곱하는 것에 의해 생성되는 시그모이드 제한 함수 또는 하이퍼볼릭 탄젠트 (Hyperbolic tangent) 함수를 기반으로 생성되는 하이퍼볼릭 탄젠트 제한 함수 중 적어도 하나에 기초할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제한 함수는, 상기 시그모이드 제한 함수의 출력값에 상기 수정 운용 범위를 나타내는 움직임 범위 제한 값을 더 곱하는 것에 의해 생성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제한 함수는, 상기 시그모이드 제한 함수의 입력값에 튜닝 상수를 곱하는 것에 의해 변위 레벨에 따른 모션 플랫폼의 목표 제어량 반영 정도가 제어될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제한 함수는, 상기 시그모이드 함수를 이용함에 따라 상기 모사 대상이 모사 제한 범위를 넘어서는 상태에서 상기 모사 제한 범위 이내의 상태로 진입할 때 발생하는 이질감을 감소시키도록 구성될 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼 및 그 제어 방법에 따르면, 모션 플랫폼의 허용되는 운용 범위에 대해 소정 범위만큼 감소된 수정된 운용 범위 내에서 모션 플랫폼의 자세를 제어하도록 함으로써 획득되는 운용 범위의 마진을 이용하여 보다 실감나는 큐잉 알고리즘을 구현할 수 있다.
또한, 기준 위치로부터 변화량이 크지 않은 위치에서의 움직임에 대해, 기준 위치로부터 변화량이 큰 위치에서의 움직임보다 모션 플랫폼이 더 많이 반영하여 움직이도록 함으로써 더 높은 빈도로 처하는 상황에 대해 모션 플랫폼이 더 많이 움직이도록 구현할 수 있다.
따라서, 종래 스튜어트 플랫폼의 한계를 극복하고 스튜어트 플랫폼을 이용한 시뮬레이터의 사용자로 하여금 더욱 실감나게 모사 대상의 움직임을 체감하도록 할 수 있다.
도 1 은 스튜어트 플랫폼을 활용한 시뮬레이터의 예시도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 구성을 나타낸다.
도 3 은 예시적인 모션 플랫폼의 구동 사양을 나타낸다.
도 4 는 모션 고전 제어 (Classical-motion-control) 의 블록 구조도를 나타낸다.
도 5 는 모션 고전 제어에 대한 설명도이다.
도 6 은 일 측면에 따른 회전 변환을 수반하는 모션 플랫폼에 대한 제어의 블록 구조도를 나타낸다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼 제어 방법의 흐름도이다.
도 8 은 일 측면에 따른 시그모이드 (Sigmoid) 제한 함수를 나타낸다.
도 9 는 종래의 제한 함수와 시그모이드 제한 함수의 유닛 함수를 나타낸다.
도 10 은 일 측면에 따른 시그모이드 (Sigmoid) 제한 함수의 튜닝 상수에 대한 설명도이다.
도 11 은 시그모이드 제한 함수의 적용에 따른 모사 대상의 움직임과 그에 따른 목표 제어량의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법의 제어 결과를 나타낸다.
도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법이 구동될 수 있는 컴퓨팅 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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 본 발명이 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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
개요
유인항공기에서 발생할 수 있는 가상의 환경과 상황을 제공하여 훈련자에게 실제와 유사한 훈련 효과를 제공하기 위한 유인비행체 가상훈련 시뮬레이터 (Manned Flight Virtual Training Simulator) 가 널리 활용되고 있으며, 이러한 시뮬레이터의 이용자에게 모의 대상 개체에 탑승한 것과 유사한 움직임을 제공하기 위해 예를 들어 스튜어트 플랫폼 (Stewart-platform) 과 같은 모션 플랫폼이 사용될 수 있다.
다만, 예를 들어 스튜어트 플랫폼과 같은 모션 플랫폼은 허용되는 운용 범위에 제한을 가진다. 예를 들어 유인비행체와 같은 시뮬레이터의 모사 대상은 소정 방향에 대해서 예를들어 90 도의 회전까지도 경험할 수 있지만, 모션 플랫폼은 각 방향으로 90 도 까지의 회전을 재현하기에는 물리적인 한계를 가진다. 즉, 통상적인 스튜어트 플랫폼과 같은 모션 플랫폼은 제한적인 각도와 위치의 운용 범위를 가지므로, 이러한 제약 하에서 모사 대상의 움직임을 최대한 더욱 실감나게 재현하기 위한 방안이 요구된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 모션 플랫폼의 허용되는 운용 범위에 대해 소정 범위만큼 감소된 수정된 운용 범위 내에서 모션 플랫폼의 자세를 제어하도록 함으로써 획득되는 운용 범위의 마진을 이용하여 보다 실감나는 큐잉 알고리즘을 구현할 수 있다. 보다 구체적으로, 모션 플랫폼의 허용되는 운용 범위 전체를 모션 플랫폼의 자세 제어를 위해 사용하지 않고, 허용되는 운용 범위 중 일부분을 제외한 수정된 운용 범위 내에서만 모션 플랫폼의 자세를 제어하고, 모션 플랫폼의 허용되는 운용 범위의 나머지 부분을 이용하여 예를 들어 가속도 제어를 포함할 수 있는, 큐잉 (Queing) 알고리즘을 구현할 수 있다. 따라서, 모사 대상이 자세 제어를 위해 허용된 최대 범위를 넘어선 상태에서도 모사 대상의 변화에 대해 시뮬레이터의 사용자에게 자극을 전달할 수 있어 보다 실감나는 시뮬레이션을 제공할 수 있다.
또한, 일 측면에 따르면, 모션 플랫폼의 자세 제어를 위해 허용된 범위 내에서도, 모사 대상이 초기의 기준 위치에서 자세가 변경된 정도에 따라, 모사 대상의 움직임이 모션 플랫폼의 움직임에 반영되는 정도를 달리할 수 있다. 예를 들어, 모사 대상은 초기의 기준 위치에서 소정 범위까지의 움직임은 더 높은 빈도로 경험하는 반면, 소정 범위를 넘어선 큰 변경 정도의 움직임은 비교적 낮은 빈도로 경험하게 된다. 따라서, 모션 플랫폼의 제한된 운용 범위를 더 효과적으로 사용하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 모사 대상이 초기 기준위치로부터 낮은 변경 범위 내에서 경험하는 움직임은 모션 플랫폼이 더 많이 반영하도록 하고, 모사 대상이 초기 기준 위치로부터 높은 변경 범위 내에서 경험하는 움직임은 모션 플랫폼이 비교적 적게 반영하도록 할 수 있다. 따라서, 예를 들어 각도를 기준으로 설명할 때, 예를 들어 피치 (Pitch) 의 측면에서, 낮은 변경 범위에서 모사 대상이 5 도의 회전을 경험 (예를 들어, 5 도의 피치에서 10도의 피치로 변경) 할 때, 예를 들어 모션 플랫폼이 4 도의 피치 변화를 수행하도록 하는 반면, 높은 변경 범위에서 모사 대상이 5 도의 회전을 경험 (예를 들어, 20 도의 피치에서 25 도의 피치로 변경) 할 때, 예를 들어 모션 플랫폼은 2 도의 피치 변화를 수행하도록 구성할 수 있다. 따라서, 사용자는 자주 경험하는 움직임에 대해 보다 높은 재현감을 느끼도록 할 수 있다. 다만, 본 발명은 위와 같은 수치 범위의 제어로 한정되지 않으며, 구체적인 제어량은 본 발명의 구현 예시에 따라 상이할 수 있다.
모션 플랫폼
도 1 은 스튜어트 플랫폼을 활용한 시뮬레이터의 예시도이다. 본 발명의 일 측면에 따른 모션 플랫폼은 예를 들어 스튜어트 플랫폼으로 분류될 수 있고, 예를 들어 도 1 에 도시된 바와 같이 모션 플랫폼 (10) 의 상부에 배치되는 시뮬레이터 (20) 의 모사 대상이 되는 객체의 위치나 각도 변화와 같은 움직임을 모사하여 시뮬레이터 (20) 의 사용자에게 제공함으로써, 사용자로 하여금 보다 현실감 있게 시뮬레이션을 체험하도록 할 수 있다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 구성을 나타낸다. 이하, 도 2 를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼 및 그 제어 방법에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼 (Motion-platform) (100) 은, 복수의 구동기 (Actuator) (110-1, 110-2, 110-3, 110-4, 110-5, 110-6) 및 복수의 구동기에 의해 움직임 (Motion) 이 제어되는 플레이트 (120) 를 포함할 수 있다. 이러한 모션 플랫폼은, 예를 들어 스튜어트 플랫폼 (Stewart-platform) 으로 분류될 수 있으나, 본 발명의 실시예들에 따른 모션 플랫폼은 스튜어트 플랫폼으로 한정되는 것은 아니며, 플레이트 (120) 의 움직임을 제어하는 임의의 모션 플랫폼이 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있다고 이해되어야 할 것이다.
관련하여, 스튜어트 플랫폼은 1965년에 Stewart에 의하여 제안된 병렬 운동기구이며, 비행체운동을 시뮬레이션하기 위하여 병렬로 연결된 6개의 구동 액튜에이터 (Actuator) 를 이용한 병렬 운동기구로서 제안되었다. 이러한 기구는 비행체나 헬리콥터 등과 같이 고도로 숙련된 조종술을 요구하는 조종사의 훈련을 보다 안전하고 효과적으로 수행하기 위하여 개발되어 왔으며, 시뮬레이터로 응용분야가 확대되고 있다.
스튜어트 플랫폼과 관련하여, 기구학 해석과 제어 측면이 고려될 수 있다. 기구학 해석은 각 구동기 (Actuator) 의 길이에 대한 정보를 기반으로 플랫폼의 형상을 계산하는 순기구학 해석과, 플랫폼의 형상을 기반으로 각 구동기의 길이를 계산하는 역기구학 해석을 포함한다. 순기구학의 해를 구하기 위해서는 반복적인 수치해석 방법, 해석적 방법, 그리고 추정기를 이용하는 방법을 포함할 수 있다. 수치해석적 방법으로는 주로 Newton-Raphson 방법이 이용될 수 있다. 추정기를 이용하는 방법은 칼만필터 알고리즘을 이용한 방법과 신경망 (neural network) 을 이용하는 방법이 고려될 수 있다.
스튜어트 플랫폼의 제어와 관련하여, 단일 입출력 제어 및 다변수 제어가 고려될 수 있다. 단일 입출력 제어는 구동기 각각의 길이에 대한 제어기를 설계하는 방식으로 제어기 구성이 간단하고 제어 입력 계산이 간단하지만, 운동 상태에 따라 변화되는 각 액튜에이터의 외부 부하를 고정된 부하로 가정하므로 대용량의 부하를 고속 정밀 제어하기에 어려움이 있다. 다변수 제어에서는 제어 대상이 각 구동기의 길이가 아니라 상부 플레이트의 6자유도 변위를 대상으로 하므로, 제어 출력을 각 구동기에서 작동해야할 힘으로 하고 제어 입력을 운동 재현기의 6자유도 운동변위로 선정한다. 순기구학을 통하여 제어입력으로 사용될 6자유도 운동 변위를 구하고, 출력인 요구되는 구동력을 발생시키기 위한 구동기의 힘 피드백이 필요한 작용력 부제어기가 필요하다.
다시 도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 모션 플랫폼은 복수의 구동기 (110-1, 110-2, 110-3, 110-4, 110-5, 110-6) 및 복수의 구동기에 의해 움직임 (Motion) 이 제어되는 플레이트 (120) 를 포함한다. 즉, 복수의 구동기 (110-1, 110-2, 110-3, 110-4, 110-5, 110-6) 들 각각의 길이가 조정되는 것에 따라 플레이트 (120) 의 위치 및/또는 각도가 제어될 수 있다. 모션 플랫폼은 롤 (Roll), 피치 (Pitch), 요 (Yaw) 와 서지 (Surge), 스웨이 (Sway) 및 히브 (Heave) 를 포함하는 6 자유도의 움직임을 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 도 2 를 참조하면, 선택적으로는, 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼은 플레이트와 평행한 평면 내에서 회전 가능한 턴테이블 (130) 을 더 포함할 수도 있다. 복수의 구동기 (110-1, 110-2, 110-3, 110-4, 110-5, 110-6) 를 기반으로 하는 플레이트의 움직임 제어는 가동 범위에 제한을 가질 수 있으므로, 플레이트 (120) 와 평행한 평면 내에서 회전 가능한 턴테이블 (130) 을 더 구비하는 것에 의해, 모션 플랫폼의 상부에 배치되는 대상에 대해 적어도 헤딩 각 (Yaw) 의 변화 범위를 무제한으로 확장시킬 수 있다. 일 측면에 따르면, 턴테이블 (130) 은, 플레이트 (120) 의 상부에 배치될 수 있다. 턴테이블 (130) 이 플레이트 (120) 상부에 배치될 때, 모션 플랫폼 (100) 의 구동기 (110-1, 110-2, 110-3, 110-4, 110-5, 110-6) 들에 대한 제어 명령이 회전 변환될 수 있다.
도 3 은 예시적인 모션 플랫폼의 구동 사양을 나타낸다. 본 발명의 실시예들에 따른 모션 플랫폼으로서, 예를 들어 도 3 에 도시된 바와 같은 사양을 가지는 모션 플랫폼이 적용될 수 있다. 예를 들어, 모션 플랫폼은 주식회사 젠스템에 의해 제작된 6 축 모션일 수 있다. 선택적으로, 6축 모션의 상부 플레이트에 턴테이블이 적용된 7 축 모션이 사용될 수도 있다. 가용 하중은 턴테이블 구조물을 포함하여 2 ton 일 수 있고, 스트로크가 최대 600mm 인 Parker 사의 eth80 실린더에 LS 산전 선보모터를 적용한 엑츄에이터를 6 축 스튜어트 플랫폼 형태로 제작된 것일 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예들에 관련된 모션 플랫폼은 이에 한정되지 아니한다.
도 3 에 예시된 모션 플랫폼과 같이, 모션 플랫폼들은 통상 한정된 운용 범위를 가진다. 일 측면에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 플레이트 상부에 배치되는 시뮬레이터는, 비행체의 조종석에 대한 시뮬레이터일 수 있는데, 예를 들어, Pitch 의 경우 시뮬레이터의 모사 대상이 되는 비행체는 이론적으로는 90도 이상까지의 변화를 경험할 수 있는 반면, 도 3 에 도시된 바와 같이 모션 플랫폼은 ±23.8 도와 같은 한정적인 운용 범위만을 가진다. 따라서, 이러한 제약 조건 하에서 최대한 실감나게 비행체의 움직임을 모사하기 위한 모션 플랫폼의 제어 방법이 필요하며, 아래에서 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 제어 방법에 대해 설명한다.
모션 플랫폼의 제어 방법
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼 제어 방법의 흐름도이다. 이하, 도 7 을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼을 제어하기 위한 방법에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 제어 방법은, 복수의 구동기 (110-1, 110-2, 110-3, 110-4, 110-5, 110-6) 및 복수의 구동기에 의해 움직임 (Motion) 이 제어되는 플레이트 (120) 를 포함하는 모션 플랫폼 (Motion-platform) 을 제어하기 위한 방법으로서, 방법은, 모션 플랫폼의 운용 범위 보다 미리 결정한 수치만큼 감소된 운용 범위인 수정 운용 범위를 결정 (단계 710) 하고, 수정 운용 범위 내에서 모션 플랫폼의 움직임에 따른 자세를 제어하기 위한 자세 제어 명령을 생성 (단계 720) 하며, 모션 플랫폼의 움직임에 대한 가속도 변화를 구현하기 위한 가속도 제어 명령을 생성 (단계 730) 할 수 있다. 여기서, 가속도 제어 명령은, 모션 플랫폼의 운용 범위 이내라면, 설정한 수정 운용 범위를 넘어서는 범위까지 모션 플랫폼의 움직임을 제어하는 것이 허용될 수 있다.
관련하여, 도 4 는 모션 고전 제어 (Classical-motion-control) 의 블록 구조도를 나타내고, 도 5 는 모션 고전 제어에 대한 설명도이다. 도 4 및 도 5 를 참조하여, 모션 플랫폼의 자세 제어 명령 및 가속도 제어 명령에 대해서 설명한다.
모션 플랫폼은 제한적인 각도와 위치의 운용 범위를 가진다. 따라서, 일반적으로 적용 대상 시뮬레이션 모델의 가속도 명령에 대하여 Wash-out filter 를 적용하여 일종의 체감 효과를 적용하고 중력에 의한 자세 변화 체감에 있어서는 적절한 작용 함수나 튜닝 요소, 로우 패스 필터 (Low-pass-filter) 를 적용하여 구성 (coordination angle) 한다. 이러한 모션 시스템 제어방식을 모션 고전 제어 (Classical Motion Control) 라고 하며, 본 발명의 일 측면에 따른 모션 플랫폼의 제어 방법은 종래의 모션 고전 제어에 따른 방법을 기초로 할 수 있다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 모션 고전 제어에서는 제어 목표가 되는 구동기의 길이 (Actuator Lenth) 를 결정 (410) 함에 있어서, 구현하고자 하는 움직임에 대한 제어 명령들을 기반으로 할 수 있다. 제어 명령은 각도 명령 (Angle CMD), 위치 명령 (Position CMD) 을 포함할 수 있고, 제어를 위해 기준이 되는 명령 기준 위치 (Command Reference Position, CRP) 를 포함할 수 있다.
각도 및 위치와는 다른 관점에서, 제어 명령은 자세 제어 명령 및 가속도 제어 명령을 포함할 수 있다. 자세 제어 명령은 롤 (Roll), 피치 (Pitch), 요 (Yaw) 와 같은 각도 제어 명령에 주로 관련될 수 있다. 가속도 제어 명령은 롤 (Roll), 피치 (Pitch), 요 (Yaw) 와 같은 각도 제어 명령과 서지 (Surge), 스웨이 (Sway) 및 히브 (Heave) 와 같은 위치 제어 명령에 각각 관련될 수 있다.
구체적으로, 위치를 예를 들어 설명하면, 1 초에도 수백 m 를 이동할 수 있는 항공기와 달리 시뮬레이터를 구동시키는 모션 플랫폼은 예를 들어 도 3 에 도시된 바와 같이 0.45 m 의 서지 변화만을 구현할 수 있다. 따라서, 모사 대상의 위치 변화를 그대로 구현할 수 없으므로 가속도 명령을 생성하여 가속도 명령에 대해 Wash-out filter 를 적용하게 된다. 따라서 가속도 명령에 따라서 모션 플랫폼은 순간적인 위치의 변화를 겪고 서서히 종래의 위치로 돌아오게 된다. 다만, 예를 들어 중력에 의한 자세 변화 체감이나 급 출발, 급 정지, 기타 체감 효과를 증대시키기 위해 추가적인 제어가 동반될 수 있다.
한편 각도의 측면에서는, 비록 항공기와 같은 모사 대상의 각도 변화를 그대로 구현할 수는 없지만, 자세 제어 명령은 각도 변화를 운용 범위 내에서 가능한 유사하게 재현하도록 할 수 있다. 또한 각도의 측면에서는 자세 제어 명령 뿐만 아니라 가속도 제어 명령에 의해 큐잉 알고리즘과 같은 추가적인 체감 효과의 구현이 가능하다. 또한, 각도의 측면에서도 앞서 살핀 바와 같이 모사 대상의 모든 회전 범위를 모션 플랫폼에 적용할 수 없으므로, 모션 플랫폼이 재현하도록 하는 모사 대상의 모사 제한 범위를 넘어선 순간에는 자세 제어가 수행되지 않더라도 가속도 제어를 수행하는 것에 의해 시뮬레이터의 실감 효과를 증대시키는 것이 가능하다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 앞서 도 7 을 참조하여 설명한 바와 같이 먼저 모션 플랫폼의 최대 운용 범위보다 감소된 수정 운용 범위를 결정하고, 수정된 운용 범위 내에서 모션 플랫폼의 움직임에 따른 자세를 제어하기 위한 자세 제어 명령을 할 수 있다. 따라서, 모션 플랫폼이 모사하는 모사 대상의 최대 범위까지 모사 대상의 자세가 변경된 상태에서도 모션 플랫폼의 자세가 더욱 변경되도록 하는 마진을 확보할 수 있다. 여기서, 본 발명의 일 측면에 따르면 모션 플랫폼의 움직임에 대한 가속도 변화를 구현하기 위한 가속도 제어 명령을 생성하되, 가속도 제어 명령은, 모션 플랫폼의 운용 범위 이내라면, 설정한 수정 운용 범위를 넘어서는 범위까지 모션 플랫폼의 움직임을 제어하는 것이 허용될 수 있다. 따라서, 모사 대상의 모사 범위가 한계에 이른 상태에서도, 예를 들어 모사 대상이 추가적인 자세 변화를 경험하거나 기타 진동이나 충돌과 같은 변화를 겪었을 때도 가속도 제어 명령을 통해 더욱 실감나게 시뮬레이션을 제공하는 것이 가능하다.
일 측면에 따르면, 가속도 제어 명령은, 모션 플랫폼의 운용 범위 내에서 수정 운용 범위를 제외한 나머지 범위를 이용하여 모션 플랫폼에 대한 큐잉 (Queing) 알고리즘을 구현하도록 구성된 것일 수 있다. 예를 들어, 모션 플랫폼의 전체 운용 범위 중에서, 수정된 운용 범위는 모션 플랫폼의 자세 제어를 위해서 활용될 수 있고, 수정 운용 범위를 제외한 나머지 운용 범위가 모션 플랫폼의 가속도 제어를 위해 활용될 수 있다. 또한 일 측면에 따르면, 모션 플랫폼의 가속도 제어는 큐잉 알고리즘을 구현하기 위한 것일 수 있다.
예를 들어, 도 3 에 도시된 바와 같이, ±23.8 도의 피치에 대한 운용 범위를 가지는 모션 플랫폼에 있어서, ±15 도의 운용 범위를 수정 운용 범위로 설정하여 ±15 도의 범위 내에서만 모션 플랫폼의 자세 제어가 수행되도록 할 수 있고, 나머지 ±7.8 도의 운용 범위는 큐잉 알고리즘을 위한 가속도 제어를 위해 활용하도록 할 수 있다. 따라서, 예를 들어 모션 플랫폼이 + 15 도까지 피치 측면의 자세가 변경된 상태에서도, 피치 측면에서의 가속도 제어가 + 7.8 도의 범위를 활용하여 수행될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 모션 플랫폼은 근본적으로 제한된 각도 범위내에서 동작한다. 따라서, 모션 플랫폼의 자세 제어는 모사 대상의 움직임을 모션 플랫폼의 운용 범위로 제한하는 제한 함수를 기반으로 수행될 수 있다.
보다 구체적으로, 다시 도 7 을 참조할 때 본 발명의 일 측면에 따른 자세 제어 명령을 생성 (단계 720) 함에 있어서, 모션 플랫폼을 통해 재현 하고자하는 모사 대상의 움직임 정도에 관한 값을 입력받아 수정 운용 범위에 속하는 모션 플랫폼의 목표 제어량에 관한 값을 출력하는 제한 함수를 기반으로 목표 제어량을 지시하는 자세 제어 명령을 생성하도록 구성될 수 있다. 제한 함수는, 모션 플랫폼을 통해 재현 하고자하는 모사 대상의 움직임 범위에 속하는 복수의 움직임 정도에 관한 값들 각각을 수정 운용 범위에 속하는 복수의 목표 제어량에 관한 값들 각각에 매핑시키도록 구성될 수 있다.
즉, 모션 플랫폼은 제한된 운용 범위를 가지므로, 각도를 기준으로 설명할 때, 모션 플랫폼에 의해 구동되는 시뮬레이터의 모사 대상이 실제 회전하는 정도를, 모션 플랫폼의 구동점이 회전하는 정도로 조정하여 적용할 필요가 있다. 예를 들어, 모사 대상이 40 도 회전하였을 때 40 이 제한 함수의 입력이 되고, 이에 대응하여 모션 플랫폼이 15 도 회전하도록 한다면 15 가 제한 함수의 출력이 될 수 있다. 이와 같은 제한 함수를 통해, 모사 대상의 움직임의 정도에 관한 값을 모션 플랫폼의 목표 제어량으로 변환하고, 이와 같이 변환된 목표 제어량 만큼 모션 플랫폼이 작동하도록 자세 제어 명령을 생성할 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 자세 제어를 위한 운용 범위는 모션 플랫폼의 최대 운용 가능한 범위보다도 일정 수치 축소된 수정 운용 범위이므로, 제한 함수의 출력값은 수정 운용 범위에 속하도록 결정될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제한 함수는, 모사 대상의 움직임 범위로부터 미리 결정한 수치만큼 축소된 모사 제한 범위를 결정하고, 모사 제한 범위에 속하는 복수의 움직임 정도에 관한 값들 각각을 상기 수정 운용 범위에 속하는 복수의 목표 제어량에 관한 값들 각각에 매핑시키도록 구성될 수 있다. 이론적으로, 예를 들어 비행체와 같은 모사 대상은 무제한의 회전 각도로 회전할 수도 있다. 그러나 모션 플랫폼이 이와 같은 정도의 회전을 구현하는 것은 실질적으로 용이하지 않다. 또한, 회전의 정도에 있어서도 모사 대상이 높은 변화 범위 (예를 들어 80 도) 까지 회전하는 것은 낮은 빈도를 가짐에도, 이러한 높은 변화 범위까지 고려하여 모션 플랫폼의 가능한 운용 범위를 할당하는 것은 낮은 변화 범위 (예를 들어 20 도) 의 회전은 높은 빈도로 발생함에도 모사 대상의 회전에 따른 모션 플랫폼의 회전 정도가 작아지게 되어 비효율적이고 낮은 체감 효과를 나타내게 된다. 따라서, 모사 대상의 회전에 대해서도 소정 범위 (예를 들어 30도) 까지의 변화만을 모션 플랫폼이 모사하도록 모사 제한 범위를 설정하여 해당 범위 내에서의 모사 대상의 회전만을 모션 플랫폼에 자세 제어에 반영하도록 할 수 있다. 한편, 모사 제한 범위를 넘어서는 모사 대상의 변화에 대해서는 가속도 제어 명령을 통해 최대한의 시뮬레이션 효과를 나타내도록 할 수 있다.
다시 제한 함수에 대해서 설명하면, 모션 고전 제어 (Classical control) 의 로우-패스 필터 (low-pass filter) 가 적용된 coordination channel 항공기 자세각 모의부에 일반적으로 사용하는 제한 함수를 적용하는 경우, 해당 각도 이상을 모의하는 시뮬레이션 상황에서 다시 제한 범위 이내로 일정한 각속도로 진입하는 구간에서 순간적인 움직임을 보이게 되고 이때 이질감이 동반될 수 있다. 모사 대상의 동일한 각속도의 움직임에 대해서 일정 시간 구간 동안 모션 플랫폼이 아무런 반응을 하지 않다가도, 동일한 각속도의 움직임이 지속되던 특정 시점부터 모션 플랫폼이 움직임을 개시하게 된다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 이러한 이질감을 줄이기 위한 제한 함수가 사용될 수 있다. 일 측면에 따르면 본 발명의 일 측면에 따른 제한 함수는, 모사 대상의 더 낮은 변위 레벨에서의 이동량이 모션 플랫폼의 목표 제어량에 반영되는 정도가, 모사 대상의 더 높은 변위 레벨에서의 이동량이 모션 플랫폼의 목표 제어량에 반영되는 정도보다 더 크도록 구성될 수 있다. 여기서, 변위 레벨은 초기 기준 위치로부터의 변경 범위로서 이해될 수도 있으며, 초기 기준 위치로부터 모사 대상이 움직인 정도를 나타낼 수 있다.
보다 구체적으로, 모사 대상이 초기 기준 위치로부터 낮은 변경 범위 내에서 경험하는 움직임은 모션 플랫폼이 더 많이 반영하도록 하고, 모사 대상이 초기 기준 위치로부터 높은 변경 범위 내에서 경험하는 움직임은 모션 플랫폼이 비교적 적게 반영하도록 할 수 있다. 따라서, 예를 들어 각도를 기준으로 설명할 때, 예를 들어 피치 (Pitch) 의 측면에서, 낮은 변경 범위에서 모사 대상이 5 도의 회전을 경험 (예를 들어, 5 도의 피치에서 10도의 피치로 변경) 할 때, 예를 들어 모션 플랫폼이 4 도의 피치 변화를 수행하도록 하는 반면, 높은 변경 범위에서 모사 대상이 5 도의 회전을 경험 (예를 들어, 20 도의 피치에서 25 도의 피치로 변경) 할 때, 예를 들어 모션 플랫폼은 2 도의 피치 변화를 수행하도록 구성할 수 있다. 따라서, 모션 플랫폼의 제한된 운용 범위를 더 효과적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 앞서 살핀 바와 같은 제한 위치를 넘어선 위치로부터 복귀하는 경우의 이질감 역시 완화할 수 있다.
더욱 구체적으로는, 본 발명의 일 측면에 따른 제한 함수는, 시그모이드 함수에 기초할 수 있다. 도 8 은 일 측면에 따른 시그모이드 (Sigmoid) 제한 함수를 나타내고, 도 9 는 종래의 제한 함수와 시그모이드 제한 함수의 유닛 함수를 나타내며, 도 10 은 일 측면에 따른 시그모이드 (Sigmoid) 제한 함수의 튜닝 상수에 대한 설명도이다. 이하, 도 8 내지 도 10 을 참조하여, 본 발명의 일 측면에 따른 시그모이드 제한 함수에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 모사 대상의 움직임에 관한 값을 모션 플랫폼의 목표 제어량으로 변환하기 위한 제한 함수는, 시그모이드 (Sigmoid) 함수를 y 축 방향으로 -0.5 평행 이동하고, 평행 이동이 완료된 출력값에 2 를 곱하는 것에 의해 생성되는 시그모이드 제한 함수에 기초할 수 있다. 일 측면에 따르면, 제한 함수는, 시그모이드 제한 함수의 출력값에 수정 운용 범위를 나타내는 움직임 범위 제한 값을 더 곱하는 것에 의해 생성될 수 있으며, 또한, 제한 함수는, 시그모이드 제한 함수의 입력값에 튜닝 상수를 곱하는 것에 의해 변위 레벨에 따른 모션 플랫폼의 목표 제어량 반영 정도가 제어되도록 구성될 수 있다. 따라서, 제한 함수는, 시그모이드 함수를 이용함에 따라 모사 대상이 모사 제한 범위를 넘어서는 상태에서 모사 제한 범위 이내의 상태로 진입할 때 발생하는 이질감을 감소시키도록 구성될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 도 8 에 도시된 바와 같이 시그모이드 (Sigmoid) 함수를 활용한 시그모이드 제한 함수 (sigmoidLIMIT) 를 생성하고 적용할 수 있다. 여기서, k1은 제한 값이며, k2는 입력에 관한 튜닝 상수일 수 있다.
제한 값은 움직임 범위 제한 값으로서 지칭될 수도 있으며, 수정 운용 범위를 나타낼 수 있다. 시그모이드 함수를 y 축 방향으로 -0.5 평행 이동하고, 평행 이동이 완료된 출력값에 2 를 곱하는 것의 의해 도 9 에 도시된 바와 같이 -1 내지는 1 의 출력값을 가지는 함수가 생성될 수 있다. 여기에, 수정 운용 범위를 나타내는 움직임 범위 제한 값을 곱해주는 것에 의해, 모션 플랫폼의 수정된 운용 범위를 출력으로 가지는 함수가 생성될 수 있다. 예를 들어 도 10 에 도시된 바와 같이, 예를 들어, k1 = 17 deg 로 제한하여 자세각을 모의할 수 있다. 이는, 예를 들어 도 3 에 도시된 바와 같은 사양의 모션 제한 범위 ±23.8 도 내에서 Rotational-High-pass filter 큐잉 요소에 적용될 모션 자세 운용 범위를 7.8 도 확보할 수 있음을 의미한다.
한편, 일 측면에 따르면, 제한 함수는, 시그모이드 제한 함수의 입력값에 튜닝 상수를 곱하는 것에 의해 변위 레벨에 따른 모션 플랫폼의 목표 제어량 반영 정도가 제어되도록 구성될 수 있다. 튜닝 상수는 예를 들어 k2 로 표현될 수 있다. 예를 들어 k2 = 0.1 을 적용할 수 있고 또는 0.15 를 적용할 수도 있다. 도 10 에서 확인하는 바와 같이, 튜닝 상수를 더 낮은 값으로 설정하는 것에 의해 모사 대상의 낮은 움직임 범위에서 모션 플랫폼이 반응하는 정도를 더욱 크게 조절할 수 있다. 구현되는 형태에 따라, 모사 대상이 더 낮은 범위에서 더 높은 빈도로 움직임을 가지는 경우에 튜닝 상수를 낮게 설정하여 모션의 체감 효과를 상승시킬 수 있다. 반면, 좀 더 높은 범위까지의 움직임도 어느 정도의 빈도를 가지는 모사 대상이라면, 튜닝 상수를 낮게 설정하여 높은 범위에서의 모사 대상의 움직임에 대한 모션 플랫폼 반영 정도를 튜닝 상수가 높은 경우에 비해서는 비교적 높게 할 수 있다.
도 11 은 턴테이블을 구비하지 않는 모션 플랫폼에서 시그모이드 제한 함수를 적용한 시뮬레이션 결과로서 미분 가능한 형태로 제한 영역에서 부드러운 모션 제어 명령을 보임을 확인 할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른 제한 함수는, 하이퍼볼릭 탄젠트 (Hyperbolic tangent) 함수를 기반으로 생성되는 하이퍼볼릭 탄젠트 제한 함수에 기초할 수 있다. 하이퍼볼릭 탄젠트 (Hyperbolic tangent) 함수는 전술한 시그모이드 함수와 유사한 취지로, 입력의 변화 정도가 높은 범위일수록 동일한 변화량에 대한 출력의 변화량이 감소하는 형태를 가질 수 있다. 하이퍼볼릭 탄젠트 함수의 경우 튜닝 게인을 적용하는 것만으로도 본 발명의 일 측면에 따른 제한 함수로서 활용될 수 있다.
관련하여, 시그모이드 함수 또는 하이퍼볼릭 탄젠트 함수를 제한 함수의 예시로서 언급하였으나 본 발명의 기술적 사상에 따른 제한 함수가 이들 함수에 한정되는 것은 아니다.
한편, 일 측면에 따르면, 본 발명의 실시예들에 있어서 제어 명령은 플레이트 상부의 소정 지점인 명령 기준 위치 (Command Reference Position, CRP) 의 움직임을 목적 수치만큼 제어하도록 구동기를 작동시키기 위한 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 명령 기준 위치 (CRP) 는, 예를 들어 플레이트 상부의 소정 지점일 수 있으며, 본 발명의 실시예들에 따라 제어하고자 하는 움직임의 기준이 되는 위치일 수 있다. 플레이트 또는 턴테이블의 상부에는 시뮬레이터가 배치될 수 있으며, 재현하고자 하는 움직임은 시뮬레이터의 이용자를 기준으로 재현될 수록 보다 정확하고 현실감있는 시뮬레이션의 제공이 가능하다. 재현하고자 하는 위치나 각도의 제어는 이와 같은 기준 위치를 기준으로 수행될 수 있으며, 예를 들어 명령 기준 위치 (CRP) 로서 지칭될 수 있다.
한편, 선택적으로는 본 발명의 일 측면에 따르면 상부에 턴테이블이 구비된 모션 플랫폼을 제어하도록 구성될 수도 있다. 도 6 은 본 발명의 선택적인 일 측면에 따른 회전 변환을 수반하는 모션 플랫폼에 대한 제어의 블록 구조도를 나타낸다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 예를 들어 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 제어에 있어서는 회전 변환된 변환 제어 명령이 생성될 수 있다.
관련하여, 도 6 을 참조하여 설명하면, 변환 되기 전의 제어 명령 (620 의 입력) 은, 각도 제어 명령 (Angle) 및 위치 제어 명령 (Position) 을 포함할 수 있다. 여기서 각도 제어 명령은, 롤 (Roll) 각 제어 명령 및 피치 (Pitch) 각 제어 명령을 포함할 수 있으며, 위치 제어 명령은, 서지 (Surge) 변화량 제어 명령 및 스웨이 (Sway) 변화량 제어 명령을 포함할 수 있다. 일 측면에 따르면, 요 (Yaw) 각의 제어는 턴테이블에 수행될 수 있으나, 다른 측면에 따르면 요 (Yaw) 각의 제어에 대해 구동기의 제어 및 턴테이블의 제어가 하이브리드 방식으로 구현될 수도 있으며, 이 경우 각도 제어 명령은 요 (Yaw) 각 제어 명령을 더 포함할 수도 있다. 또한, 일 측면에 따르면 히브 (Heave) 에 대한 변화량의 제어 명령이 위치 제어 명령에 더 포함될 수도 있다.
변환 제어 명령을 생성 (620) 함에 있어서는, 턴테이블의 회전을 반영하는 각도 (Motion Heading Angle) 가 기반이 될 수 있다. 모션 시스템 헤딩 제어 명령을 기반으로 제어 명령을 회전 변환 함으로써, 변환 제어 명령을 생성할 수 있다. 변환 제어 명령은 롤 각 제어 명령에 대한 변환된 값과 피치 각 제어 명령에 대한 변환된 값을 포함하는 변환된 각도 제어 명령 (Angle_turned) 과, 서지 변화량 제어 명령에 대한 변환된 값과 스웨이 변화량 제어 명령에 대한 변환된 값을 포함하는 변환된 위치 제어 명령 (Position_turend) 을 포함할 수 있다. 한편, 앞서 살핀 바와 같이 변환 전의 명령 기준 위치 (CRP position) 를 기반으로, 변환된 변환 명령 기준 위치 (CRP_turned) 역시 산출될 수 있다.
이를 기반으로 구동기의 길이에 대한 제어 목표를 결정 (610) 함에 있어서는, 변환 제어 명령을 기준으로 역기구학 해석을 통해 구동기의 길이를 결정할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예들에 따른 모션 플랫폼의 제어 방법은 도 4 내지 도 6 에 도시된 바와 같이 구동기의 길이를 기반으로 하는 순기구학 해석을 수행함으로써 플레이트의 현 상태를 감지하여 오픈 루프 방식의 제어를 수행하도록 할 수 있다.
실험예
도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법의 제어 결과를 나타낸다. 시뮬레이션 테스트 조건으로 항공기 초기 조건과 모션 시스템 시작 조건은 헤딩 오프셋을 통해 일치시킨 후 이륙하고 좌우 선회비행을 실시하며 자유 비행을 수행하였다. 도 12 에 도시된 바와 같이, 시그모이드 제한 함수가 반영되어 모션 상부 플랫폼의 자세 각은 제한된 ± 17 도의 각도를 벗어나지 않고 부드럽게 모의됨을 확인할 수 있다.
컴퓨팅 시스템
도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법이 수행될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 13 을 참조하면, 컴퓨팅 시스템 (800) 은 플래시 스토리지 (810) , 프로세서 (820), RAM (830), 입출력 장치 (840) 및 전원 장치 (850) 를 포함할 수 있다. 또한, 플래시 스토리지 (810) 는 메모리 장치 (811) 및 메모리 컨트롤러 (812) 를 포함할 수 있다. 한편, 도 13 에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템 (800) 은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트 (port) 들을 더 포함할 수 있다.
컴퓨팅 시스템 (800) 은 퍼스널 컴퓨터로 구현되거나, 노트북 컴퓨터, 휴대폰, PDA (personal digital assistant) 및 카메라 등과 같은 휴대용 전자 장치로 구현될 수 있다.
프로세서 (820) 는 특정 계산들 또는 태스크 (task) 들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서 (820) 는 마이크로프로세서 (micro-processor), 중앙 처리 장치 (Central Processing Unit, CPU)일 수 있다. 프로세서 (820) 는 어드레스 버스 (address bus), 제어 버스 (control bus) 및 데이터 버스 (data bus) 등과 같은 버스 (860) 를 통하여 RAM (830), 입출력 장치 (840) 및 플래시 스토리지 (810) 와 통신을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따라, 프로세서 (820) 는 주변 구성요소 상호연결 (Peripheral Component Interconnect, PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다.
RAM (830) 는 컴퓨팅 시스템 (800) 의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 디램 (DRAM), 모바일 디램, 에스램 (SRAM), 피램 (PRAM), 에프램 (FRAM), 엠램 (MRAM), 알램 (RRAM) 을 포함하는 임의의 유형의 랜덤 액세스 메모리가 RAM (830)으로 이용될 수 있다.
입출력 장치 (840) 는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 전원 장치 (850) 는 컴퓨팅 시스템 (800) 의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명에 따른 제어 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래시 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.
이상, 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
구체적으로, 설명된 특징들은 디지털 전자 회로, 또는 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 또는 그들의 조합들 내에서 실행될 수 있다. 특징들은 예컨대, 프로그래밍 가능한 프로세서에 의한 실행을 위해, 기계 판독 가능한 저장 디바이스 내의 저장장치 내에서 구현되는 컴퓨터 프로그램 제품에서 실행될 수 있다. 그리고 특징들은 입력 데이터 상에서 동작하고 출력을 생성함으로써 설명된 실시예들의 함수들을 수행하기 위한 지시어들의 프로그램을 실행하는 프로그래밍 가능한 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 설명된 특징들은, 데이터 저장 시스템으로부터 데이터 및 지시어들을 수신하기 위해, 및 데이터 저장 시스템으로 데이터 및 지시어들을 전송하기 위해 결합된 적어도 하나의 프로그래밍 가능한 프로세서, 적어도 하나의 입력 디바이스, 및 적어도 하나의 출력 디바이스를 포함하는 프로그래밍 가능한 시스템 상에서 실행될 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들 내에서 실행될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 소정 결과에 대해 특정 동작을 수행하기 위해 컴퓨터 내에서 직접 또는 간접적으로 사용될 수 있는 지시어들의 집합을 포함한다. 컴퓨터 프로그램은 컴파일된 또는 해석된 언어들을 포함하는 프로그래밍 언어 중 어느 형태로 쓰여지고, 모듈, 소자, 서브루틴(subroutine), 또는 다른 컴퓨터 환경에서 사용을 위해 적합한 다른 유닛으로서, 또는 독립 조작 가능한 프로그램으로서 포함하는 어느 형태로도 사용될 수 있다.
지시어들의 프로그램의 실행을 위한 적합한 프로세서들은, 예를 들어, 범용 및 특수 용도 마이크로프로세서들 둘 모두, 및 단독 프로세서 또는 다른 종류의 컴퓨터의 다중 프로세서들 중 하나를 포함한다. 또한 설명된 특징들을 구현하는 컴퓨터 프로그램 지시어들 및 데이터를 구현하기 적합한 저장 디바이스들은 예컨대, EPROM, EEPROM, 및 플래쉬 메모리 디바이스들과 같은 반도체 메모리 디바이스들, 내부 하드 디스크들 및 제거 가능한 디스크들과 같은 자기 디바이스들, 광자기 디스크들 및 CD-ROM 및 DVD-ROM 디스크들을 포함하는 비휘발성 메모리의 모든 형태들을 포함한다. 프로세서 및 메모리는 ASIC들(application-specific integrated circuits) 내에서 통합되거나 또는 ASIC들에 의해 추가되어질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 일련의 기능 블록들을 기초로 설명되고 있지만, 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 실시 예들의 조합은 전술한 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 구현 및/또는 필요에 따라 전술한 실시예들 뿐 아니라 다양한 형태의 조합이 제공될 수 있다.
전술한 실시 예들에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로서 순서도를 기초로 설명되고 있으나, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 순서도에 나타난 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나, 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시 예는 다양한 양태의 예시들을 포함한다. 다양한 양태들을 나타내기 위한 모든 가능한 조합을 기술할 수는 없지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 다른 조합이 가능함을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이하의 특허청구범위 내에 속하는 모든 다른 교체, 수정 및 변경을 포함한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 복수의 구동기 (Actuator) 및 상기 복수의 구동기에 의해 움직임 (Motion) 이 제어되는 플레이트를 포함하는 모션 플랫폼 (Motion-platform) 을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 방법은,
    상기 모션 플랫폼의 운용 범위 보다 미리 결정한 수치만큼 감소된 운용 범위인 수정 운용 범위를 결정하는 단계;
    상기 수정 운용 범위 내에서 상기 모션 플랫폼의 움직임에 따른 자세를 제어하기 위한 자세 제어 명령을 생성하는 단계; 및
    상기 모션 플랫폼의 움직임에 대한 가속도 변화를 구현하기 위한 가속도 제어 명령을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 가속도 제어 명령은, 상기 모션 플랫폼의 운용 범위 내에서 상기 수정 운용 범위를 넘어서는 범위까지 상기 모션 플랫폼의 움직임을 제어하는 것이 허용되도록 구성된, 모션 플랫폼을 제어하기 위한 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가속도 제어 명령은,
    상기 모션 플랫폼의 운용 범위 내에서 상기 수정 운용 범위를 제외한 나머지 범위를 이용하여 상기 모션 플랫폼에 대한 큐잉 (Queing) 알고리즘을 구현하도록 구성되는, 모션 플랫폼을 제어하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자세 제어 명령을 생성하는 단계는,
    상기 모션 플랫폼을 통해 재현 하고자하는 모사 대상의 움직임 정도에 관한 값을 입력받아 상기 수정 운용 범위에 속하는 모션 플랫폼의 목표 제어량에 관한 값을 출력하는 제한 함수를 기반으로 상기 목표 제어량을 지시하는 자세 제어 명령을 생성하도록 구성되고,
    상기 제한 함수는, 상기 모션 플랫폼을 통해 재현 하고자하는 모사 대상의 움직임 범위에 속하는 복수의 움직임 정도에 관한 값들 각각을 상기 수정 운용 범위에 속하는 복수의 목표 제어량에 관한 값들 각각에 매핑시키도록 구성되는, 모션 플랫폼을 제어하기 위한 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제한 함수는,
    상기 모사 대상의 움직임 범위로부터 미리 결정한 수치만큼 축소된 모사 제한 범위를 결정하고, 상기 모사 제한 범위에 속하는 복수의 움직임 정도에 관한 값들 각각을 상기 수정 운용 범위에 속하는 복수의 목표 제어량에 관한 값들 각각에 매핑시키도록 구성되는, 모션 플랫폼을 제어하기 위한 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제한 함수는,
    상기 모사 대상의 더 낮은 변위 레벨 - 여기서, 상기 변위 레벨은 초기 기준 위치로부터 상기 모사 대상이 움직인 정도를 나타냄 - 에서의 이동량이 상기 모션 플랫폼의 목표 제어량에 반영되는 정도가 상기 모사 대상의 더 높은 변위 레벨에서의 이동량이 상기 모션 플랫폼의 목표 제어량에 반영되는 정도보다 더 크도록 구성되는, 모션 플랫폼을 제어하기 위한 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제한 함수는,
    시그모이드 (Sigmoid) 함수를 y 축 방향으로 -0.5 평행 이동하고, 평행 이동이 완료된 출력값에 2 를 곱하는 것에 의해 생성되는 시그모이드 제한 함수 또는 하이퍼볼릭 탄젠트 (Hyperbolic tangent) 함수를 기반으로 생성되는 하이퍼볼릭 탄젠트 제한 함수 중 적어도 하나에 기초하는, 모션 플랫폼을 제어하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제한 함수는,
    상기 시그모이드 제한 함수의 출력값에 상기 수정 운용 범위를 나타내는 움직임 범위 제한 값을 더 곱하는 것에 의해 생성되는, 모션 플랫폼을 제어하기 위한 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제한 함수는,
    상기 시그모이드 제한 함수의 입력값에 튜닝 상수를 곱하는 것에 의해 변위 레벨에 따른 모션 플랫폼의 목표 제어량 반영 정도가 제어되는, 모션 플랫폼을 제어하기 위한 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제한 함수는,
    상기 시그모이드 함수를 이용함에 따라 상기 모사 대상이 모사 제한 범위를 넘어서는 상태에서 상기 모사 제한 범위 이내의 상태로 진입할 때 발생하는 이질감을 감소시키도록 구성되는, 모션 플랫폼을 제어하기 위한 방법.
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