KR102658751B1 - 제어 모멘트 자이로를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 방법 및 장치 - Google Patents

제어 모멘트 자이로를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제어 모멘트 자이로를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 방법은, 우주비행체를 명령 자세로 기동하기 위한 자세 명령이 입력되면, 우주비행체를 현재 자세에서 명령 자세로 최소 시간으로 기동하기 위한 제1 기동 프로파일을 계산하는 단계; 우주비행체의 자세 및 각속도 측정값과 제1 기동 프로파일에 기초하여 구해지는 우주비행체의 자세 및 각속도 오차를 보상하기 위한 피드백 토크 명령값을 PID 제어 알고리즘을 통해 계산하여 제어 모멘트 자이로에 인가하는 제1 기동 구간 단계 - 제1 기동 구간에서 PID 제어 알고리즘의 비례 게인은 제1 기준값보다 높게 설정되고, 미분 게인은 제2 기준값보다 낮게 설정됨 -; 및 제1 기동 구간 단계 이후, 제2 기동 프로파일에 기초하여 구해지는 우주비행체의 자세 및 각속도 오차를 보상하기 위한 피드백 토크 명령값을 PID 제어 알고리즘을 통해 계산하여 제어 모멘트 자이로에 인가하는 제2 기동 구간 단계 - 제2 기동 구간에서 PID 제어 알고리즘의 비례 게인은 제1 기준값보다 낮게 설정되고, 미분 게인은 제2 기준값보다 높게 설정됨 -;를 포함한다.

Description

제어 모멘트 자이로를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 방법 및 장치{Method and apparatus for controlling the attitude of a spacecraft equipped with a control moment gyro}
본 발명은 제어 모멘트 자이로를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
인공위성을 비롯한 우주비행체의 자세제어에 사용되는 구동기 중 제어모멘트자이로(Control Moment Gyro, CMG)를 사용하는 경우가 많아지고 있다. CMG는 기존에 위성의 정밀자세제어에 사용하던 반작용휠(Reaction wheel)에 비해서 10 ~ 100배 더 큰 제어토크를 발생시킬 수 있으므로, 고속의 자세 기동이 필요한 위성에서 많이 사용되고 있다. CMG는 도 1에 예시한 것과 같이 플라이휠(Flywheel)에 1축 김발(gimbal)을 장치한 구조로 되어 있다.
도 1은 제어모멘트자이로의 구조를 예시한 도면이다.
도 1에서 자이로모터(gyro motor)를 이용하여 플라이휠을 일정한 속도로 회전을 시키게 되면 각운동량(angular momentum)을 가지게 되는데 이 각운동량은 크기와 3차원 방향을 모두 가지는 벡터량이다. 이때 김발모터(Gimbal Motor)를 이용하여 플라이휠을 김발축에 대해서 회전을 시키게 되면, 플라이휠이 가지고 있는 각운동량 벡터의 방향이 바뀌게 되는데, 이는 즉 CMG에 각운동량의 시간당 변화율인 토크(torque)가 작용되는 것과 같다. 그리고 작용/반작용의 법칙에 의해 이 토크와 크기는 같지만 방향은 정반대인 제어토크가 우주비행체(spacecraft, SC)에 작용하게 된다. 이렇게 김발축 방향의 회전각/회전각속도를 조절함으로써 위성체의 자세를 바꾸고 제어할 수 있는 제어모멘텀/토크를 발생시킬 수 있게 된다. CMG의 특징은 비교적 작은 크기의 김발 토크를 이용해 김발각을 조정하는 것으로도 모멘텀 벡터의 방향을 바꿈으로써 매우 큰 제어 토크를 얻을 수 있다는 점이다.
도 2는 제어모멘트자이로를 이용한 고속 자세 기동을 위한 인공위성 자세 제어기의 구성도이다.
한편, 인공위성의 기동 성능을 극대화하기 위하여 도 2에서와 같이 피드 포워드 및 피드백 (feedforward & feedback) 제어 기법을 적용할 수 있다.
위성 자세 명령이 입력되면, 최적 기동 프로파일 계산부(Optimal Maneuver Calculation)(10)는 현재의 위성 자세에서 명령 자세(Desired Attitude)로 기동하는 데에 최소의 시간을 가지는 최적 기동 프로파일을 계산한다. 최적 기동 프로파일은 최적 피드 포워드 토크 명령(optimal feedforward torque command) 프로파일, 최적 각속도(body rate) 프로파일 및 자세 쿼터니언(attitude quaternion) 프로파일을 포함한다. 이중 최적 피드 포워드 토크 명령 프로파일에 기초한 최적 피드 포워드 토크 명령은 곧바로 CMG(20)에 전달된다. 그리고 최적 각속도 및 자세 쿼터니언 프로파일(Optimal Attitude and Rate Profile)은 PID 피드백 제어기(30)에 전달된다.
CMG(20)가 인가된 토크 명령에 따라 토크를 발생하면, 위성은 그에 따라 움직인다. 도 2에서 위성체 다이나믹스(Spacecraft Dynamics) 블록(40)은 CMG(20)에서 발생한 토크에 따른 위성의 움직임에 해당하는 물리 현상을 표시한 것이다.
센서(50)는 위성의 움직임에 따른 자세 및 각속도를 측정하고, 자세 및 각속도 측정값(Attitude and Rate Measurement)을 PID 피드백 제어기(30)에 전달한다.
PID 피드백 제어기(30)는 최적 각속도 및 자세 쿼터니언 프로파일에 따른 기준값과 우주비행체의 자세 및 각속도 측정값의 오차를 보상하는 데에 필요한 피드백(feedback) 제어 토크를 계산하여 출력한다. PID 피드백 제어기(30)에서 출력된 피드백(feedback) 제어 토크는 피드 포워드 제어토크 명령에 더해져 CMG(20)로 전달된다.
이때, 최적 피드 포워드 제어 토크는 기동 구간에서 위성의 자세를 움직이는데 필요한 대부분의 토크를 담당하게 되지만, 만일 위성의 관성모멘트(MOI, Moment Of Inertia)나 외란, 구동기 작동 등에 불확실성(uncertainty)이 큰 경우에는 예측한 것보다 큰 자세 오차가 발생하게 될 수도 있다. 그래서, 실제 위성의 구동에서는 초기 운영 기간에 그 성능을 검토한 후 실제 임무 수행 시에 적용할지를 선택하도록 구성되어 있다.
도 3은 김발 마찰력이 없는 경우의 김발 토크를 예시한 그래프이고, 도 4는 비선형 김발 마찰력이 있는 경우 김발 토크를 예시한 그래프이다.
CMG를 이용하여 위성의 자세 기동 제어를 수행하는 경우, 위성이 원하는 자세로의 기동을 끝내게 되면 이론적으로는 김발 모터에 의해 제어되는 김발각은 특정 값으로 수렴을 하여 정지하게 되고 이때 김벌 모터 토크는 zero가 된다(도 3을 참조).
하지만 실제 CMG의 경우에는 김발 베어링에 비선형의 마찰력(nonlinear friction)이 작용하게 되는데, 이러한 비선형 마찰력으로 인해 CMG의 김발 운동은 위성의 기동이 끝난 이후에도 안정화되지 않고 지속적으로 진동을 하는 limit cycle(극한 주기궤도) 현상을 보이게 된다(도 4를 참조). 이러한 현상으로 인해, 위성의 자세도 원하는 자세에 안정화되지 못하고 미세하게 계속 진동하게 되어 위성의 자세 안정화 성능이 떨어지게 된다.
위와 같은 Limit cycle 현상을 피하기 위해서는, 위성의 자세제어에 사용하는 제어 알고리즘인 비례-적분-미분 제어기(PID, Proportional-Integral-Derivative Controller)의 피드백 이득값(feedback gain)을 설정할 때, 비례 이득(Proportional gain)을 작게 설정하고 미분 이득(Derivative gain)을 충분히 크게 설정함으로써 문제를 해결할 수 있다.
그러나, PID 제어기에서 비례 게인(P-gain)은 제어 오차에 대한 반응성을 결정하고, 미분 게인(D-gain)은 시스템의 댐핑(damping)을 크게 하는 효과가 있으므로, 인위적으로 P-gain을 줄이고 D-gain을 크게 설정하면 제어 대상이 설정한 자세로 기동하여 수렴하는 데에 비교적 긴 시간이 필요하게 되어, 인공위성의 자세제어에 적용하는 경우 위성의 기동 성능이 저하된다는 단점이 있다.
도 5는 높은 P-gain과 낮은 D-gain을 사용한 경우의 위성의 자세 및 각속도 제어 오차를 나타낸 도면이고, 도 6은 낮은 P-gain과 높은 D-gain을 사용한 경우의 위성의 자세 및 각속도 제어 오차를 나타낸 도면이다.
즉, 위성의 기동성능을 빠르게 하기 위하여 P-gain 값을 높이고 D-gain 값을 낮춘 제어기를 사용하면, 기동 구간에서의 자세제어 오차가 비교적 작게 유지되어서 원하는 자세로의 기동을 짧은 시간에 마칠 수 있지만, 기동이 끝난 후에도 자세가 안정화되지 못하고 Limit cycle 현상이 발생하게 된다(도 5를 참조).
그러나, 반면에 이러한 현상을 피하려고 P-gain을 낮추고 D-gain을 높이게 되면 반대로 기동 구간에서의 제어 오차가 크게 발생하게 되어 제어 오차가 zero로 수렴하는 데에 걸리는 시간이 늘어나 전체 기동 성능은 떨어지게 된다(도 6을 참조).
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 Limit cycle 현상을 방지하고 높은 자세 안정화 성능을 제공하는 제어 모멘트 자이로를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 제어 모멘트 자이로를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 방법은, 상기 우주비행체를 명령 자세로 기동하기 위한 자세 명령이 입력되면, 상기 우주비행체를 현재 자세에서 상기 명령 자세로 최소 시간으로 기동하기 위한 제1 기동 프로파일을 계산하는 단계; 상기 우주비행체의 자세 및 각속도 측정값과 상기 제1 기동 프로파일에 기초하여 구해지는 상기 우주비행체의 자세 및 각속도 오차를 보상하기 위한 피드백 토크 명령값을 PID(proportional integral derivative) 제어 알고리즘을 통해 계산하여 상기 제어 모멘트 자이로에 인가하는 제1 기동 구간 단계 - 상기 제1 기동 구간에서 PID 제어 알고리즘의 비례 게인(Proportional gain)은 제1 기준값보다 높게 설정되고, 미분 게인(Derivative gain)은 제2 기준값보다 낮게 설정됨 -; 및 상기 제1 기동 구간 단계 이후, 제2 기동 프로파일에 기초하여 구해지는 상기 우주비행체의 자세 및 각속도 오차를 보상하기 위한 피드백 토크 명령값을 PID 제어 알고리즘을 통해 계산하여 상기 제어 모멘트 자이로에 인가하는 제2 기동 구간 단계 - 상기 제2 기동 구간에서 PID 제어 알고리즘의 비례 게인은 상기 제1 기준값보다 낮게 설정되고, 미분 게인은 상기 제2 기준값보다 높게 설정됨 -; 를 포함한다.
상기 제1 기동 프로파일은 최적 각속도 프로파일 및 최적 자세 쿼터니언 프로파일을 포함할 수 있다.
상기 우주비행체의 자세 및 각속도 오차는 상기 최적 각속도 프로파일 및 상기 최적 자세 쿼터니언 프로파일에 기초한 기준값과 상기 우주비행체의 자세 및 각속도 측정값의 차이로 구해질 수 있다.
상기 제1 기동 프로파일은 최적 피드 포워드 토크 명령 프로파일을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 기동 구간에서 상기 최적 피드 포워드 토크 명령 프로파일에 기초하여 최적 피드 포워드 토크 명령값을 상기 제어 모멘트 자이로에 인가하되 상기 피드백 토크 명령값을 더하여 인가할 수 있다.
상기 제2 기동 프로파일은, 상기 제1 기동 구간 이후 상기 우주비행체 자세 제어를 위한 각속도 프로파일 및 자세 쿼터니언 프로파일을 포함할 수 있다.
상기 제2 기동 구간은 상기 제1 기동 구간보다 상대적으로 저속으로 상기 우주비행체를 기동할 수 있다.
상기 제1 기동 구간 이후 미리 정해진 시간 경과 후에 상기 제2 기동 구간으로 전환할 수 있다.
상기 미리 정해진 시간은, 상기 제1 기동 구간에서 상기 최적 피드 포워드 토크 명령값을 상기 제어 모멘트 자이로에 인가하는 경우보다 상기 최적 피드 포워드 토크 명령값을 인가하지 않는 경우에 보다 길게 설정될 수 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 제어 모멘트 자이로를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 장치는, 상기 우주비행체를 명령 자세로 기동하기 위한 자세 명령이 입력되면, 상기 우주비행체를 현재 자세에서 상기 명령 자세로 최소 시간으로 기동하기 위한 제1 기동 프로파일을 계산하는 기동 프로파일 계산부; 및 상기 우주비행체의 자세 및 각속도 오차를 보상하기 위한 피드백 토크 명령값을 PID 제어 알고리즘을 통해 계산하여 상기 제어 모멘트 자이로에 인가하는 피드백 컨트롤러; 를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 상기 방법 중 어느 하나를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램을 기록한다.
본 발명에 의하면 최적 기동 구간과 안정화 기동 구간 각각에 대한 PID 제어 게인 셋을 준비하여 스위칭을 하는 방법을 적용함으로써, 최적에 가까운 기동 성능을 얻을 수 있으면서 동시에 Limit cycle 현상을 방지하여 높은 자세 안정화 성능을 얻을 수 있다.
도 1은 제어모멘트자이로의 구조를 예시한 도면이다.
도 2는 제어모멘트자이로를 이용한 고속 자세 기동을 위한 인공위성 자세 제어기의 구성도이다.
도 3은 김발 마찰력이 없는 경우의 김발 토크를 예시한 그래프이다.
도 4는 비선형 김발 마찰력이 있는 경우 김발 토크를 예시한 그래프이다.
도 5는 높은 P-gain과 낮은 D-gain을 사용한 경우의 위성의 자세 및 각속도 제어 오차를 나타낸 도면이다.
도 6은 낮은 P-gain과 높은 D-gain을 사용한 경우의 위성의 자세 및 각속도 제어 오차를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 장치의 구성 설명을 위한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 게인 스위칭을 하여 자세 제어를 하되 최적 피드 포워드 토크 명령값을 사용한 경우에 우주비행체의 자세 및 각속도 에러를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 게인 스위칭을 하여 자세 제어를 하되 최적 피드 포워드 토크 명령값을 사용하지 않은 경우에 우주비행체의 자세 및 각속도 에러를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 장치의 동작 설명을 위한 흐름도이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 장치의 구성 설명을 위한 블록도이다.
도 7을 참고하면, 본 발명에 따른 제어 모멘트 자이로를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 장치는 컨트롤러부(110), 제어 모멘트 자이로(control moment gyro, CMG)(210) 및 센서(230)를 포함할 수 있다.
컨트롤러부(110)는 우주비행체를 명령 자세로 기동하기 위한 자세 명령이 입력되면, 자세 명령에 따라 우주비행체를 현재 자세에서 명령 자세로 기동하기 위해 CMG(210)를 제어한다. 우주비행체는 인공위성 등과 같은 우주 우주비행체일 수 있다.
우주비행체에 대한 자세 기동은 위성을 명령 자세로 최소 시간으로 기동하기 위해서, 현재 자세에서 명령 자세로 큰 각도로 고속으로 기동하는 최적 기동 구간(Optimal maneuver period))과, 명령 자세로 최적 기동한 후에 해당하는 안정화 구간(Stabilization period)으로 나눌 수 있다.
CMG(210)는 컨트롤러부(110)에서 인가되는 토크 명령값에 따라 제어토크를 발생하여 우주비행체에 작용시켜서 우주비행체의 자세를 변경할 수 있다.
우주비행체 다이나믹스 블록(220)은 CMG(210)에서 발생한 토크에 따른 위성의 움직임에 해당하는 물리 현상을 표시한 것이다.
센서(230)는 CMG(210)에서 발생한 토크에 따른 우주비행체의 움직임에 해당하는 물리 현상에 따른 우주비행체의 자세 및 각속도를 측정할 수 있다.
컨트롤러부(110)는 기동 프로파일 계산부(111)와 피드백 컨트롤러(113)를 포함할 수 있다.
기동 프로파일 계산부(111)는 우주비행체를 명령 자세로 기동하기 위한 자세 명령이 입력되면, 우주비행체를 현재 자세에서 명령 자세로 최소 시간으로 기동하기 위한 최적 기동 프로파일을 계산할 수 있다.
최적 기동 프로파일은 최적 피드 포워드 토크 명령 프로파일, 최적 각속도 프로파일 및 최적 자세 쿼터니언 프로파일을 포함할 수 있다. 실시예에 따라서 최적 피드 포워드 토크 명령을 사용하지 않는 경우에는 최적 기동 프로파일은 최적 각속도 프로파일 및 최적 자세 쿼터니언 프로파일만 포함할 수도 있다.
최적 피드 포워드 토크 명령(optimal feedforward torque command) 프로파일은, 기동 프로파일 계산부(111)에서 바로 CMG(210)로 최적 기동 구간 동안 인가되는 토크 명령값의 프로파일이다.
최적 피드 포워드 토크 명령을 사용하는 경우, 도 7에서 스위치를 ① 상태로 하고, 기동 프로파일 계산부(111)에서 바로 CMG(210)로 최적 기동 구간 동안 인가되게 할 수 있다. 한편 최적 피드 포워드 토크 명령을 사용하지 않는 경우, 도 7에서 스위치를 ② 상태로 하고, 기동 프로파일 계산부(111)에서 CMG(210)로 최적 피드 포워드 토크 명령이 인가되지 않게 할 수도 있다.
최적 각속도(optimal body rate) 프로파일은 최적 기동 구간 동안의 우주비행체의 각속도 기준값 프로파일이다.
최적 자세 쿼터니언(optimal attitude quaternion) 프로파일은 최적 기동 구간 동안의 우주비행체의 자세 쿼터니언 기준값 프로파일이다.
한편 기동 프로파일 계산부(111)는 안정화 구간에 대한 기동 프로파일을 계산할 수도 있다. 안정화 구간에 대한 기동 프로파일은 미리 준비되어 기동 프로파일 계산부(111)나 피드백 컨트롤러(113)에 저장될 수도 있다. 안정화 구간에 대한 기동 프로파일은 명령 자세로 최적 기동 후에 임무 수행 등을 위해 상대적으로 최적 기동 구간보다 저속으로 우주비행체 자세를 기동하기 위한 각속도 프로파일 및 자세 쿼터니언 프로파일을 포함할 수 있다.
기동 프로파일 계산부(111)에서 계산된 최적 각속도 프로파일 및 최적 자세 쿼터니언 프로파일은 피드백 컨트롤러(113)에 제공된다. 그리고 안정화 구간에 대한 기동 프로파일도 피드백 컨트롤러(113)에 제공될 수 있다.
피드백 컨트롤러(113)는 우주비행체의 자세 및 각속도 오차를 보상하기 위한 피드백 토크 명령값을 PID 제어 알고리즘을 통해 계산하여 CMG(210)에 인가할 수 있다.
구체적으로 피드백 컨트롤러(113)는 센서(230)에서 측정된 우주비행체의 자세 및 각속도 측정값과 최적 기동 프로파일에 기초하여 구해지는 우주비행체의 자세 및 각속도 오차를 보상하기 위한 피드백 토크 명령값을 PID 제어 알고리즘을 통해 계산하여 CMG(210)에 인가한다.
피드백 컨트롤러(113)는, 최적 피드 포워드 토크 명령을 사용하는 경우, 최적 피드 포워드 토크 명령값에 피드백 토크 명령값을 더하여 CMG(210)에 인가할 수 있다. 한편 피드백 컨트롤러(113)는, 최적 피드 포워드 토크 명령을 사용하지 않는 경우, 피드백 토크 명령값을 계산하여 CMG(210)에 인가할 수 있다.
우주비행체의 자세 및 각속도 오차는 최적 각속도 프로파일 및 최적 자세 쿼터니언 프로파일에 기초한 기준값과 우주비행체의 자세 및 각속도 측정값의 차이로 구할 수 있다.
최적 기동 구간은 우주비행체를 명령 자세로 최소 시간으로 기동하기 위해서, 우주비행체가 실제 큰 각도의 자세 기동을 하는 구간이기 때문에 우주비행체를 최적 각속도 프로파일 및 최적 자세 쿼터니언 프로파일에 최대한 근접한 자세를 유지할 필요가 있는 반면, Limit cycle 현상에 대한 우려는 없는 구간이다. 따라서 최적 기동 구간에서는 PID 제어 알고리즘의 비례 게인과 미분 게인은 위성체에 따라 그 값이 달라질 수 있으나 비례 게인(P-gain)은 미리 정해진 기준값보다 높고, 미분 게인(D-gain)은 미리 정해진 기준값보다 낮은 조합을 사용하는 것이 좋다.
반면에 안정화 구간은 우주비행체의 기동이 끝나서 최적 피드 포워드 토크 명령 값이 0이 되는 구간으로, 남아있는 작은 크기의 자세 오차를 '0'으로 안정화 시키는 것이 중요한데, 이때는 limit cycle 현상이 발생하면 위성의 자세 안정화 성능 조건을 만족할 수 없기 때문에, 비례 게인은 미리 정해진 기준값보다 낮고, 미분 게인은 미리 정해진 기준값보다 높은 조합을 사용하는 것이 좋다.
한편 최적 기동 구간에서도 최적 피드 포워드 토크 명령을 사용하지 않고, 최적 각속도 프로파일 및 최적 자세 쿼터니언 프로파일만을 사용해서 현재 자세에서 명령 자세로 큰 각도로 고속으로 기동하는 최적 기동을 할 수도 있다. 이 경우에도 앞서 살펴본 것과 같이 최적 기동 구간에서는 비례 게인은 미리 정해진 기준값보다 높고, 미분 게인은 미리 정해진 기준값보다 낮은 조합을 사용하고, 안정화 구간에서는 비례 게인은 미리 정해진 기준값보다 낮고, 미분 게인은 미리 정해진 기준값보다 높은 조합을 사용할 수 있다.
비례 게인과 미분 게인의 기준값은 서로 다르게 설정될 수 있다. 최적 기동 구간에서 비례 게인을 안정화 구간에서 보다 미리 정해진 기준 이상으로 높게 설정하고, 반대로 최적 기동 구간에서 미분 게인을 안정화 구간에서 보다 미리 정해진 기준 이상으로 낮게 설정할 수 있다. 비례 게인과 미분 게인의 설정 기준값은 위성체에 따라 다르게 설정될 수 있다.
피드백 컨트롤러(113)는 최적 기동 구간이 끝난 후 일정한 시간 오프셋(time offset), 즉 미리 정해진 시간이 경과한 후 안정화 구간으로 전환하여 비례 게인(P-gain)과 미분 게인(D-gain) 조합 설정을 스위칭할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 게인 스위칭을 하여 자세 제어를 하되 최적 피드 포워드 토크 명령값을 사용한 경우에 우주비행체의 자세 및 각속도 에러를 나타낸 도면이다.
도 8을 참고하면, 위성체가 X-Y축의 대각선 방향으로 30도를 기동한다고 가정했을 때, 최적 기동이 완료되는 시점(약 13.7초)으로부터 시간 오프셋인 0.5초 후에 비례 게인(P-gain)과 미분 게인(D-gain) 스위칭을 수행한 결과를 나타낸 그림이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 게인 스위칭을 하여 자세 제어를 하되 최적 피드 포워드 토크 명령값을 사용하지 않은 경우에 우주비행체의 자세 및 각속도 에러를 나타낸 도면이다.
도 9를 참고하면, 최적 피드 포워드 토크 명령을 사용하지 않는 경우, 기동 구간에서의 위성의 자세/각속도 오차가 최적 피드 포워드 토크 명령을 사용할 경우보다 좀 더 커지는 경향이 있을 수 있다. 그 이유는 피드백 제어기는 기본적으로 자세/각속도 오차가 발생해야 제어 토크 값이 계산되기 때문에 기동의 초기에는 최적 기동에 필요한 제어 토크보다 적은 토크가 계산되어 CMG(210)에 가해지게 된다. 따라서, 이러한 경우에는 우주비행체의 최적 기동 프로파일에 의한 최적 기동이 끝나는 시점에서 좀 더 큰 시간 오프셋을 적용해야 적절한 기동 성능을 얻을 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 모멘트 자이로를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 방법의 흐름도이다.
도 10을 참고하면, 먼저 우주비행체를 명령 자세로 기동하기 위한 자세 명령이 입력되면(S1010), 컨트롤러부(110)는 우주비행체를 현재 자세에서 명령 자세로 최소 시간으로 기동하기 위한 최적 기동 프로파일을 계산할 수 있다(S1020).
다음으로 컨트롤러부(110)는 센서(230)에서 측정되는 우주비행체의 자세 및 각속도 측정값과 최적 기동 프로파일에 기초하여 구해지는 우주비행체의 자세 및 각속도 오차를 보상하기 위한 피드백 토크 명령값을 PID 제어 알고리즘을 통해 계산하여 CMG(210)에 인가할 수 있다(S1030). 단계(S1030)에서 PID 제어 알고리즘의 비례 게인은 제1 기준값보다 높게 설정되고, 미분 게인은 제2 기준값보다 낮게 설정될 수 있다.
최적 기동 구간 즉 단계(S1030)가 끝나고 미리 정해진 시간이 경과한 후(S1040), 비례 게인과 미분 게인을 단계(S1030)에서와 반대로 비례 게인은 제1 기준값보다 낮게 설정하고, 미분 게인은 제2 기준값보다 높게 설정하여 게인 스위칭을 한 후에, 컨트롤러부(110)는 센서(230)에서 측정되는 우주비행체의 자세 및 각속도 측정값과 최적 기동 프로파일에 기초하여 구해지는 우주비행체의 자세 및 각속도 오차를 보상하기 위한 피드백 토크 명령값을 PID 제어 알고리즘을 통해 계산하여 CMG(210)에 인가하는 안정화 구간 기동을 수행할 수 있다(S1050).
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
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 장치에 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.
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.
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.

Claims (13)

  1. 제어 모멘트 자이로(control moment gyro)를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 방법에 있어서,
    상기 우주비행체를 명령 자세로 기동하기 위한 자세 명령이 입력되면, 상기 우주비행체를 현재 자세에서 상기 명령 자세로 최소 시간으로 기동하기 위한 제1 기동 프로파일을 계산하는 단계;
    상기 우주비행체의 자세 및 각속도 측정값과 상기 제1 기동 프로파일에 기초하여 구해지는 상기 우주비행체의 자세 및 각속도 오차를 보상하기 위한 피드백 토크 명령값을 PID(proportional integral derivative) 제어 알고리즘을 통해 계산하여 상기 제어 모멘트 자이로에 인가하는 제1 기동 구간 단계 - 상기 제1 기동 구간에서 PID 제어 알고리즘의 비례 게인(Proportional gain)은 제1 기준값보다 높게 설정되고, 미분 게인(Derivative gain)은 제2 기준값보다 낮게 설정됨 -; 및
    상기 제1 기동 구간 단계 이후, 제2 기동 프로파일에 기초하여 구해지는 상기 우주비행체의 자세 및 각속도 오차를 보상하기 위한 피드백 토크 명령값을 PID 제어 알고리즘을 통해 계산하여 상기 제어 모멘트 자이로에 인가하는 제2 기동 구간 단계 - 상기 제2 기동 구간에서 PID 제어 알고리즘의 비례 게인은 상기 제1 기준값보다 낮게 설정되고, 미분 게인은 상기 제2 기준값보다 높게 설정됨 -; 를 포함하고,
    상기 제1 기동 프로파일은 제1 각속도 프로파일 및 제1 자세 쿼터니언 프로파일을 포함하고,
    상기 우주비행체의 자세 및 각속도 오차는 상기 제1 각속도 프로파일 및 상기 제1 자세 쿼터니언 프로파일에 기초한 기준값과 상기 우주비행체의 자세 및 각속도 측정값의 차이로 구해지며,
    상기 제2 기동 프로파일은, 상기 제1 기동 구간 이후 상기 우주비행체 자세 제어를 위한 제2 각속도 프로파일 및 제2 자세 쿼터니언 프로파일을 포함하고,
    상기 제2 기동 구간은 상기 제1 기동 구간보다 상대적으로 저속으로 상기 우주비행체를 기동하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에서,
    상기 제1 기동 프로파일은 제1 피드 포워드 토크 명령 프로파일을 더 포함하고,
    상기 제1 기동 구간에서 상기 제1 피드 포워드 토크 명령 프로파일에 기초하여 제1 피드 포워드 토크 명령값을 상기 제어 모멘트 자이로에 인가하되 상기 피드백 토크 명령값을 더하여 인가하는 방법.
  4. 삭제
  5. 제 3 항에서,
    상기 제1 기동 구간 이후 미리 정해진 시간 경과 후에 상기 제2 기동 구간으로 전환하는 방법.
  6. 제 5 항에서,
    상기 미리 정해진 시간은,
    상기 제1 기동 구간에서 상기 제1 피드 포워드 토크 명령값을 상기 제어 모멘트 자이로에 인가하는 경우보다 상기 제1 피드 포워드 토크 명령값을 인가하지 않는 경우에 보다 길게 설정되는 방법.
  7. 컴퓨터에 제1항, 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  8. 제어 모멘트 자이로를 탑재한 우주비행체의 자세 제어 장치에 있어서,
    상기 우주비행체를 명령 자세로 기동하기 위한 자세 명령이 입력되면, 상기 우주비행체를 현재 자세에서 상기 명령 자세로 최소 시간으로 기동하기 위한 제1 기동 프로파일을 계산하는 기동 프로파일 계산부; 및
    상기 우주비행체의 자세 및 각속도 오차를 보상하기 위한 피드백 토크 명령값을 PID 제어 알고리즘을 통해 계산하여 상기 제어 모멘트 자이로에 인가하는 피드백 컨트롤러; 를 포함하고,
    상기 피드백 컨트롤러는,
    제1 기동 구간에서 상기 우주비행체의 자세 및 각속도 측정값과 상기 제1 기동 프로파일에 기초하여 구해지는 상기 우주비행체의 자세 및 각속도 오차를 보상하기 위한 피드백 토크 명령값을 PID 제어 알고리즘을 통해 계산하여 상기 제어 모멘트 자이로에 인가하고,
    상기 제1 기동 구간 이후 제2 기동 구간에서 제2 기동 프로파일에 기초하여 구해지는 상기 우주비행체의 자세 및 각속도 오차를 보상하기 위한 피드백 토크 명령값을 PID 제어 알고리즘을 통해 계산하여 상기 제어 모멘트 자이로에 인가하며,
    상기 제1 기동 구간에서 PID 제어 알고리즘의 비례 게인은 제1 기준값보다 높게 설정되고, 미분 게인은 제2 기준값보다 낮게 설정되고,
    상기 제2 기동 구간에서 PID 제어 알고리즘의 비례 게인은 상기 제1 기준값보다 낮게 설정되고, 미분 게인은 상기 제2 기준값보다 높게 설정되며,
    상기 제1 기동 프로파일은 제1 각속도 프로파일 및 제1 자세 쿼터니언 프로파일을 포함하고,
    상기 우주비행체의 자세 및 각속도 오차는 상기 제1 각속도 프로파일 및 상기 제1 자세 쿼터니언 프로파일에 기초한 기준값과 상기 우주비행체의 자세 및 각속도 측정값의 차이로 구해지며,
    상기 제2 기동 프로파일은, 상기 제1 기동 구간 이후 상기 우주비행체 자세 제어를 위한 제2 각속도 프로파일 및 제2 자세 쿼터니언 프로파일을 포함하고,
    상기 제2 기동 구간은 상기 제1 기동 구간보다 상대적으로 저속으로 상기 우주비행체를 기동하는 장치.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에서,
    상기 제1 기동 프로파일은 제1 피드 포워드 토크 명령 프로파일을 더 포함하고,
    상기 제1 기동 구간에서 상기 제1 피드 포워드 토크 명령 프로파일에 기초하여 제1 피드 포워드 토크 명령값을 상기 제어 모멘트 자이로에 인가하되 상기 피드백 토크 명령값을 더하여 인가하는 장치.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에서,
    상기 제1 기동 구간 이후 미리 정해진 시간 경과 후에 상기 제2 기동 구간으로 전환하는 장치.
  13. 제 12 항에서,
    상기 미리 정해진 시간은,
    상기 제1 기동 구간에서 상기 제1 피드 포워드 토크 명령값을 상기 제어 모멘트 자이로에 인가하는 경우보다 상기 제1 피드 포워드 토크 명령값을 인가하지 않는 경우에 보다 길게 설정되는 장치.
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