KR20040055430A - Position Controller And Controlling Method for Time Delay Compensation of the Image Tracker in Electro-Optical Tracking System - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A time delay compensating controller of an image tracker in an electro-optical tracking system(EOTS) and a control method thereof are provided to construct a smith predictor for operating independently relating to an input command and a disturbance input within a loop, thereby controlling effectively the input command follow-up and disturbance compensation function. CONSTITUTION: An image sensor unit(230) is comprised of a subtraction unit(211) for subtracting a chase output signal(y) from the input command. A quantizer(212) quantizes the output of the subtraction unit(211). An image processing unit(220) is comprised of an adder unit(221) for adding the output of the image sensor unit(210) to a quantization error signal(n), a sampling period unit(222) and a laplace converting unit(223) of an image process time delay. A control input(u) and a disturbance(d) of a position controller(240) are added in the adder unit(250) and inputted it to a chase loop. A stabilization drive unit(230) outputs an output signal(y) of a chaser.

Description

전자광학추적기에서 영상 추적부의 시간지연 보상 제어기 및 제어방법{Position Controller And Controlling Method for Time Delay Compensation of the Image Tracker in Electro-Optical Tracking System}Position Controller And Controlling Method for Time Delay Compensation of the Image Tracker in Electro-Optical Tracking System

본 발명은 전자광학추적기(Electro-Optical Tracking System: EOTS)의 추적 제어기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자광학추적기에 사용되는 영상센서의 시간지연으로 인한 영향이 추적 루프 성능에 주는 영향을 최소화하기 위한 시간지연 보상 제어기 및 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to tracking control technology of an Electro-Optical Tracking System (EOTS), and more particularly, to minimize the effect of the time delay of the image sensor used in the electro-optical tracker on the tracking loop performance. The present invention relates to a time delay compensation controller and a control method.

일반적으로, 전자광학추적기(EOTS)는 함정, 전차 및 헬리콥터 등의 항공기에서 관측시스템이 진동과 같은 외란이 존재하는 상황에서도 이동하는 목표물을 자동적으로 추적하면서 관측자에게 목표물에 대한 안정된 시선(Line of sight)을 제공하고 표적의 위치, 속도, 각속도 등의 표적정보를 사격 통제 시스템(Fire control system)에 제공하는 장치이다.In general, an electro-optical tracker (EOTS) provides a stable line of sight to an observer while automatically tracking targets moving in the presence of disturbances such as vibrations in aircraft, such as ships, tanks and helicopters. ) And target information such as target position, velocity, and angular velocity to the fire control system.

이러한 전자광학추적기(EOTS)는 통상 영상센서부와 영상추적부, 안정화구동부로 구성되는데, 안정화구동부는 영상센서를 지지하는 기구부와, 기구부를 움직이는 서보제어부로 구성된다. 그리고 서보제어부는 다시 모터 및 서보 증폭기와 안정화를 위한 자이로스코프, 그리고 이들을 결합시켜주는 하드웨어와 소프트웨어로 구성된다.The electro-optical tracker (EOTS) is usually composed of an image sensor unit, an image tracking unit, and a stabilization driving unit. The stabilization driving unit is composed of a mechanism supporting the image sensor and a servo control unit moving the mechanism. The servo control unit is composed of a motor, a servo amplifier, a gyroscope for stabilization, and hardware and software for combining them.

이와 같이 전자광학추적기(EOTS)의 안정화구동부는 영상추적부로부터 계산되어진 표적의 위치값을 기준으로 추적이 일어나도록 하는 기계적인 모든 장치와 전자적 제어장치로 구성된다. 따라서 비교적 이상적으로 모델링되고 계산되어지는 전자부 뿐만 아니라 비선형적 효과를 포함하는 기계적 장치를 동시에 제어해야 하는 어려움을 동반하게 되며, 추적기의 이동시에 발생되는 기계적인 진동에 의한 외란과 영상처리에 따른 시간지연 등이 전체 전자광학추적기의 성능에 크게 영향을 주게 된다.As described above, the stabilization driving unit of the EOTS is composed of all mechanical devices and electronic control devices for tracking based on the position value of the target calculated from the image tracking unit. Therefore, it is accompanied by the difficulty of simultaneously controlling mechanical devices including non-linear effects as well as electronic parts that are relatively ideally modeled and calculated, and time due to disturbance and image processing due to mechanical vibration generated when the tracker is moved. Delays will greatly affect the performance of the entire electro-optical tracker.

전자광학추적기의 여러 가지 문제점 중 실제로 관측자에게 직접적으로 인지되는 추적영상은 동작원리상 시간지연을 가지고 있으며, 시간지연 특성이 전체 시스템에 주는 영향이 추적 루프 성능에 상당한 영향을 주는 것으로 알려져 있다.Among the various problems of the electro-optical tracker, the tracking image, which is directly perceived by the observer, has a time delay due to the operation principle, and it is known that the effect of the time delay characteristic on the entire system has a significant effect on the tracking loop performance.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 위치 제어기 설계시 스미스(Smith) 예측기를 사용한 성능 개선 방안이 제안된 바 있다. 스미스(Smith) 예측기는 원래 시간지연을 가지는 시스템의 일반적인 제어 루프 설계 방법으로 알려져 있으나 스미스(Smith) 예측기가 가지는 결정적인 단점은 시간지연을 가지는 플랜트에 순수한 적분 모드가 포함되어 있을 경우에 스텝적인 외란이 인가되면 시스템의 출력이 목표치를 더 이상 추종하지 못하는 결과를 얻게 된다.In order to solve this problem, a performance improvement method using a Smith predictor has been proposed in the conventional position controller design. The Smith predictor was originally known as a general control loop design method for systems with time delays, but the crucial disadvantage of Smith predictors is that step-by-step disturbances can occur when a time-delayed plant includes a pure integral mode. When applied, the output of the system will no longer follow the target value.

따라서 이러한 문제점을 보완하기 위해서 현재 스미스(Smith) 예측기에 기반을 둔 여러 가지 변형된 스미스(Smith) 예측기들이 활발히 연구되어지고 있다. 변형된 스미스(Smith) 예측기는 다른 용어로 DTC(Dead time compensator)로 칭하여지며 Watanabe, Matausek, Normey -rico 등에 의하여 계속 연구되어 지고 있다.Therefore, various modified Smith predictors based on the Smith predictor have been actively studied in order to solve these problems. The modified Smith predictor is called Dead Time Compensator (DTC) in other terms and has been studied by Watanabe, Matausek, Normey-rico and others.

한편, 현재 전자광학추적기에서 안정화 짐발의 가공 정밀도가 매우 높아지고 있으며 기존의 시스템에서는 짐발의 감쇠 상수가 전체 시스템에 무시할 수 없는 영향을 주는 수준이었으나 최근의 기술적 발전에 따라 감쇠 상수를 무시할 수 있을 정도의 고정밀 가공이 가능하게 되었다. 과거 저정밀 가공에 의하여 단순한 동작 구현과정에서는 기존의 고전적인 제어 방법인 PI, PID 또는 진지상(Lead-lag) 제어기 등으로 위치제어기를 구성하여 추적루프를 제어하였다.On the other hand, the precision of stabilization gimbal in the electro-optical tracker is very high. In the existing system, the attenuation constant of gimbal has a non-negligible effect on the whole system. High precision machining is now possible. In the past, low-precision machining was used to control the tracking loop by constructing a position controller using PI, PID, or lead-lag controller, which is a classic control method.

그러나 전술한 바와 같은 기존에는 문제시되지 않았던 문제가 고정밀 가공의 실현에 의하여 이상적인 속도 루프 제어가 가능하게 되자 속도 루프가 이상적인 동작 특성을 가지지 않음을 가지고 가정한 스미스(Smith) 예측기를 사용한 방법이 더 이상 적용 가능하지 않는 문제가 발생하게 되었다.However, the problem using the Smith predictor, which assumes that the speed loop does not have the ideal operating characteristics as the problem that has not been considered as described above is possible to achieve the ideal speed loop control by the realization of high precision machining, Problems have arisen that are not applicable.

이러한 스미스(Smith) 예측기의 단점을 보완하고자 Matausek등은 DTC를 발전시켰으나 플랜트가 가지는 시간지연량에 따라 제어기 설계를 달리하여야 하며, 외란 입력에 대하여 최적의 제어 신호를 생성하지는 못하였고, 시간지연값이 변하면 시스템의 안정성도 보장할 수 없는 문제점이 있다.In order to make up for the shortcomings of the Smith predictor, Matausek et al. Developed the DTC, but the controller design had to be changed according to the amount of time delay of the plant, and it was not able to generate the optimal control signal for the disturbance input. If this change, there is a problem that can not guarantee the stability of the system.

즉, 영상 추적 시스템을 사용하여 운행되는 로봇 등에서는 플랜트에 시간지연이 발생할 경우 일반적으로 스미스(Smith) 예측기를 사용하여 폐루프 시스템을 설계하였다. 그러나 이 방법에서는 플랜트가 순수한 적분 모드를 가질 경우에 외란 입력에 대하여 출력에 오차가 발생하는 단점을 가지므로 외란 입력이 존재하는 전자광학추적기와 같은 시스템에서는 효과적으로 적용될 수 없는 문제점이 존재한다.That is, in the case of a robot running by using an image tracking system, when a delay occurs in a plant, a closed loop system is generally designed using a Smith predictor. However, this method has a disadvantage in that an error occurs in the output of the disturbance input when the plant has a pure integration mode, so there is a problem that cannot be effectively applied in a system such as an electro-optical tracker in which the disturbance input exists.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 입력 명령 및 외란 입력에 대하여 각각 독립적으로 동작하는 스미스(Smith) 예측기 구조를 루프 내부에 가지도록 하여 전자광학추적기(EOTS)에서 가장 중요한 성능 지표인 입력 명령 추종 및 외란 보상 기능에 대한 효과적 제어가 가능하게 하는 전자광학추적기에서 영상 추적부의 시간지연 보상 제어기 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above problems, and has a Smith predictor structure that operates independently for the input command and the disturbance input in the loop, which is the most important performance index in the electro-optical tracker (EOTS). An object of the present invention is to provide a time delay compensation controller and a control method of an image tracking unit in an electro-optical tracker that enables effective control of input command tracking and disturbance compensation functions.

이와 같이 본 발명에서 사용되는 제어기 구조는 제어루프 설계시 입력 명령 및 외란 보상 제어 상수 설정시 독립적인 제어 상수 설정이 가능하고, 시스템의 안정성을 항상 보장하는 장점을 가진다.As such, the controller structure used in the present invention is capable of setting independent control constants when setting input commands and disturbance compensation control constants when designing a control loop, and has the advantage of always ensuring stability of the system.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전자광학추적기에서 영상 추적부의 시간지연 보상 제어기는, 영상센서부와 영상처리부, 위치제어기 및 안정화 구동부를 갖는 전자광학추적장치에 있어서, 상기 위치 제어기가 입력 명령 신호(r)와 외란 입력 신호(d)에 각각 반응하여 스미스(Smith) 예측기를 최적으로 배치하여 루프를 구성하게 하는 외란 관측 모델과, 위치 제어기 보조 제어상수 부분을 포함하는 것을 특징으로 한다.In the electro-optical tracker of the present invention for achieving the above object, a time delay compensation controller of an image tracking unit includes an image sensor unit, an image processing unit, a position controller, and a stabilization driving unit. and a disturbance observation model for optimally arranging a Smith predictor in response to (r) and a disturbance input signal (d) to form a loop, and a position controller auxiliary control constant portion.

또한 본 발명의 전자광학추적기에서 영상 추적부의 시간지연 보상 제어방법은, 전자광학추적기를 이용한 목표물 추적 방법에 있어서, 입력 명령 신호(r)와 외란 입력 신호(d)에 각각 반응하여 스미스(Smith) 예측기에 외란 관측 모델과, 위치제어기 보조 제어상수 부분을 추가하여 제어함으로써 단위 계단 입력이 인가될 경우, 상기 입력 명령(r)은 목표치로 수렴되게 하고, 상기 외란 입력(d)은 제거되게 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of controlling the time delay compensation of the image tracking unit in the electro-optical tracker of the present invention, in the target tracking method using the electro-optical tracker, in response to the input command signal (r) and the disturbance input signal (d) respectively Smith (Smith) When the unit step input is applied by adding and controlling the disturbance observation model and the position controller auxiliary control constant part to the predictor, the input command r converges to the target value and the disturbance input d is removed. It features.

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 일반적인 전자광학추적기의 전체 구성 블럭도,1 is a block diagram of a general configuration of an electro-optical tracker to which the present invention can be applied;

도 2은 본 발명이 적용되는 전자광학추적기(EOTS)의 전체 시스템 블록선도,2 is a block diagram of an entire system of an electro-optical tracker (EOTS) to which the present invention is applied;

도 3은 본 발명에 따른 전자광학 추적기(EOTS)의 위치 제어 루프 블록선도,3 is a block diagram of a position control loop of an electro-optical tracker (EOTS) in accordance with the present invention;

도 4a는 종래 PI 제어기를 가지는 추적루프의 응답특성 중 입력 명령 및 외란에 대한 응답 특성을 도시한 그래프,4A is a graph illustrating response characteristics of an input command and disturbance among response characteristics of a tracking loop having a conventional PI controller;

도 4b는 종래 PI 제어기를 가지는 추적루프의 응답특성 중 추적 오차를 도시한 그래프,Figure 4b is a graph showing the tracking error of the response characteristics of the tracking loop having a conventional PI controller,

도 5a는 본 발명에 따른 제어기를 가지는 추적루프의 응답특성 중 입력 명령 및 외란에 대한 응답 특성을 도시한 그래프,5A is a graph illustrating response characteristics of an input command and disturbance among response characteristics of a tracking loop having a controller according to the present invention;

도 5b는 본 발명에 따른 제어기를 가지는 추적 루프의 응답 특성중 추적 오차를 도시한 그래프.5b is a graph illustrating tracking error in response characteristics of a tracking loop having a controller according to the present invention;

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on main parts of the drawing

210: 영상센서부 220: 영상처리부210: image sensor unit 220: image processing unit

230: 안정화구동부 240,320: 위치제어기230: stabilization drive unit 240, 320: position controller

340: 시간지연을 가지는 적분형 플랜트340: integral plant with time delay

401: 입력 파형 402: 출력 파형401: input waveform 402: output waveform

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 일반적인 전자광학추적기(EOTS)의 전체 구성 블럭도이다.1 is a block diagram of an overall configuration of an electro-optical tracker (EOTS) to which the present invention can be applied.

도면을 참조하면, 전자광학추적기(EOTS)는 영상신호를 얻기 위한 영상센서부(Image sensor: 10), 영상(Image data)으로부터 표적정보(Position/Velocity Information)를 얻어 시선을 안정화시키면서 추적하는 영상추적부(Image tracker: 20) 및 안정화 구동부(Stabilization gimbal:30)를 포함한다. 이때 안정화 구동부(30)는 다시 광결합(Optical coupling)을 통해 영상센서부(10)에 감지된다.Referring to the drawing, an electro-optical tracker (EOTS) obtains target information (Position / Velocity Information) from an image sensor unit (10) and image data for obtaining an image signal, and stabilizes the image while tracking the eye. An image tracker 20 and a stabilization driver 30 are included. In this case, the stabilization driver 30 is again sensed by the image sensor unit 10 through optical coupling.

도 2은 본 발명이 적용되는 전자광학추적기(EOTS)의 전체 시스템 블록선도로서, 영상센서부(210)와 영상처리부(220), 위치제어기(240), 안정화 구동부(230)가 도시되어 있다.2 is an overall system block diagram of an electro-optical tracker (EOTS) to which the present invention is applied, and shows an image sensor 210, an image processor 220, a position controller 240, and a stabilization driver 230.

영상센서부(210)는 표적이동에 따른 입력명령(r)에 추적출력신호(y)를 감산하는 감산부(211)와, 감산부(211)의 출력을 양자화하는 양자화기(212), 센서 샘플링 지연시간의 라플라스 변환부(213)로 이루어지고, 영상처리부(220)는 영상센서부(210)의 출력에 양자화 오차신호(n)를 더하는 가산부(221)와, 샘플링 주기부(222), 영상 처리 시간지연의 라플라스 변환부(223)로 이루어진다.The image sensor 210 includes a subtractor 211 which subtracts the tracking output signal y from the input command r according to the target movement, a quantizer 212 that quantizes the output of the subtracter 211, and a sensor. An image processing unit 220 includes an adder 221 for adding a quantization error signal n to an output of the image sensor unit 210, and a sampling period unit 222. And the Laplace transform unit 223 of the image processing time delay.

그리고 위치제어기(240)의 제어입력(u)과 외란(d)이 가산부(250)에서 더해져 추적 루프로 입력되고, 안정화 구동부(230)는 안정화 루프의 등가모델부(231), 속도-위치 변환 동특성부(232), 위치센서 이득부(233)로 이루어져 추적기 출력신호(y)를 출력한다.And the control input (u) and the disturbance (d) of the position controller 240 is added in the adder 250 is input to the tracking loop, the stabilization driver 230 is the equivalent model unit 231, speed-position of the stabilization loop The conversion dynamics section 232 and the position sensor gain section 233 output the tracker output signal y.

도 2를 참조하면, 영상센서부(210)는 TV 카메라나 열상장비(Thermal image sensor)등으로부터 영상을 받아 디지털 영상데이타로 변환한 후 이를 영상처리부(220)에 제공하여 주면, 영상처리부(220)는 영상 데이타를 처리하여 표적을 인식하고 추적하여 그 정보를 안정화 구동부(230)로 전달한다. 안정화 구동부(230)는 영상처리부(220)로부터 들어오는 위치나 속도 정보를 이용하여 영상센서부(210)를 구동시켜 계속적으로 표적을 추적하게 된다.Referring to FIG. 2, the image sensor unit 210 receives an image from a TV camera or a thermal image sensor, converts the image into digital image data, and provides the image to the image processor 220. ) Processes the image data to recognize and track the target and transmits the information to the stabilization driver 230. The stabilization driver 230 drives the image sensor unit 210 by using the position or velocity information coming from the image processor 220 to continuously track the target.

안정화 구동기(230)는 영상추적부에서 제공해주는 표적과 원점의 위치오차를 받아서 영상센서부(210)를 표적방향으로 이동시켜 주는 장치를 말하나, 정밀추적을 위한 표적 추적용 구동기는 내부에 안정화 루프를 포함하고 있어 '시선 안정화 구동기'라고도 한다.Stabilization driver 230 refers to a device for moving the image sensor unit 210 in the target direction by receiving a position error of the target and the origin provided by the image tracking unit, the target tracking driver for precise tracking is a stabilization loop therein It also includes a 'stabilization driver'.

즉, 안정화구동부(230)는 영상추적부로부터 인가된 신호를 바탕으로 표적을 추적하고, 전자광학추적기(EOTS)가 탑재된 이동체가 이동 중에 발생하는 외란(d)을 보상하여 표적 주위에 대한 안정된 시선을 제공하여 관측자에게 보다 안정된 관측환경을 제공하는 역할을 담당한다.That is, the stabilization driver 230 tracks the target based on the signal applied from the image tracking unit, and compensates the disturbance (d) generated during the movement of the moving object equipped with the electro-optical tracker (EOTS) to stabilize the target surroundings. It is responsible for providing a more stable observation environment to the observer by providing an eye.

여기서, 전자광학추적기(EOTS)는 짐발(gimbal) 주위의 외란 감지를 위하여 각속도 또는 각도 정보 검출을 위하여 자이로스코프를 사용하고, 감지된 각속도 또는 각도 정보를 피드백 루프내에 가지게 하여 시선의 안정화를 이룬 상태에서 지속적으로 목표물을 추적할 수 있도록 하는 장비이다.Here, the electro-optical tracker (EOTS) uses a gyroscope to detect angular velocity or angle information for detecting disturbance around gimbal, and stabilizes the gaze by having the detected angular velocity or angle information in the feedback loop. To keep track of your targets.

도 3은 본 발명에 따른 전자광학추적기(EOTS)의 위치 제어 루프 블록선도이다.3 is a block diagram of a position control loop of an electro-optical tracker (EOTS) in accordance with the present invention.

전자광학추적기(EOTS)의 목표 추적순서는 먼저 안정화 시스템을 가동시켜 고화질을 얻는다. 그리고 조작자에 의해 목표를 탐색, 감시하면서 포착하여 인식하는 수동모드로 동작시키고, 목표물이 선택되면 목표물에 대한 정보가 획득되고 목표물을 고정시키는 단계를 거쳐 추적모드로 들어간다.The target tracking sequence of the electro-optical tracker (EOTS) first achieves high image quality by operating the stabilization system. In addition, the operator operates in the manual mode of capturing and recognizing the target while searching and monitoring the target. When the target is selected, information on the target is obtained and the target is fixed to enter the tracking mode.

도 3을 참조하면, 표적 이동에 따른 입력 명령 신호(r)와 위치제어 루프의 피드백 출력이 감산부(301)를 거쳐 위치 제어기(320)로 입력되고, 위치 제어기(320)는 위치제어기 제어신호(Ur)에 외란보상신호(^d)를 보상한 제어신호를 제공하고, 가산부(330)에서 외란입력(d)과 합해져 외란(d)에 따른 영향이 제거된 제어신호는 시간지연을 갖는 적분형 플랜트(340)로 인가된다.Referring to FIG. 3, the input command signal r according to the target movement and the feedback output of the position control loop are input to the position controller 320 through the subtractor 301, and the position controller 320 is a position controller control signal. The control signal compensated for the disturbance compensation signal (^ d) to (Ur), and in addition to the disturbance input (d) in the adder 330, the control signal is removed from the influence of the disturbance (d) has a time delay Is applied to the integral plant 340.

여기서, 본 발명에 따른 위치 제어기(320)는 스미스(Smith) 예측기의 구조에 위치 제어기 보조 제어상수(Ko: 309)와, 외란 관측모델(310)이 추가된 변형된 스미스 예측기이다.Here, the position controller 320 according to the present invention is a modified Smith predictor in which a position controller auxiliary control constant (Ko) 309 and a disturbance observation model 310 are added to the structure of the Smith predictor.

한편, 도 2와 도 3과의 관계는 입력명령(r), 외란입력(d), 양자화오차입력(n)등의 각종 입력신호의 위치를 비교하면 알 수 있는데, 도 2와 도 3의 상관 관계는 다음 수학식 1의 설명으로 이해할 수 있다.On the other hand, the relationship between FIG. 2 and FIG. 3 can be understood by comparing the positions of various input signals such as an input command r, a disturbance input d, and a quantization error input n. The relationship can be understood by the description of Equation 1 below.

상기 수학식 1은 전자광학추적기의 시간지연인 센서 샘플링 시간지연(213)과 영상 처리 시간지연(223)의 합과 속도 제어 루프(231) 및 위치 변환 함수(232)를 등가적으로 표현하는 것으로 G_p ^* (s)는 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.Equation 1 is equivalent to expressing the sum of the sensor sampling time delay 213 and the image processing time delay 223, the speed control loop 231, and the position conversion function 232, which are time delays of the electro-optical tracker. G_p ^ * (s) may be expressed as Equation 2 below.

수학식 3에서 시간지연 변수 T는 전체 시간지연량을 나타내고, 이는 단순히 영상센서 샘플링 시간지연(T s )와 영상신호처리부(220)의 시간지연(T d )의 합으로 계산된다. 또한 수학식 4에서 τ는 플랜트 시간지연T의 추정값을 나타내는데, 전자광학추적기에서 시간지연량T는 시스템의 특성상 상수이므로 τ는T값을 그대로 사용한다. 또한 플랜트의 이득 추정값 Kp는 플랜트의 실제 이득 K를 알 수 있으므로 상기 수학식 5와 같이, 같은 값으로 놓을 수 있다.Variable time delay T in the equation (3) indicates a total time delay amount, which is calculated simply as the sum of the image sensor sampling delay time (T s) and the video signal time delay (T d) of the processor 220. In addition, to indicate the estimated value of τ is a delay time T from the plant equation (4), the delay time in the amount of electro-optical tracker T because it is the nature of the system constant τ uses the T value as it is. In addition, since the gain estimate K p of the plant can know the actual gain K of the plant, it can be set to the same value as in Equation 5 above.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 외란관측 모델(310)과 위치 제어기 보조 제어상수(309) 부분을 추가하여 전자광학추적기의 위치 제어기(320)를 설계할 경우, 입력 명령 신호(r)의 응답 특성 뿐만 아니라 외란입력(d)에 대해서도 최적의 보상 신호(^d)를 생성시켜 전자광학추적기(EOTS)가 가지는 시간지연 효과를 제거하는 제어가 가능한 방법이다.As shown in FIG. 3, when the disturbance observation model 310 and the position controller auxiliary control constant 309 are added to design the position controller 320 of the electro-optical tracker according to the present invention, the input command signal r The optimal compensation signal ^ d is generated for the disturbance input d as well as the response characteristic of the C.sub.2, thereby eliminating the time delay effect of the EOTS.

이를 위하여 본 발명은 입력 명령 신호(r)와 외란 입력 신호(d)에 각각 반응하여 스미스(Smith) 예측기를 최적으로 배치하여 루프를 구성하게 하는 블록(310)을 구성하여 서로 독립적인 동작을 보증하며, 각각의 응답 특성을 서로 다른 상수를 사용하여 조정할 수 있도록 한 것이다.To this end, the present invention constitutes a block 310 that optimally arranges a Smith predictor in response to the input command signal r and the disturbance input signal d to form a loop, thereby ensuring independent operation. Each response characteristic can be adjusted using different constants.

즉, 도 2의 위치 제어기(240)와의 관계를 살펴보면, 위치 제어 루프의 성능을 향상시키기 위하여 본 발명에 따른 위치 제어 루프의 블록도는 도 3과 같다.That is, referring to the relationship with the position controller 240 of FIG. 2, the block diagram of the position control loop according to the present invention is shown in FIG. 3 to improve the performance of the position control loop.

만약, 플랜트와 모델이 상기 수학식 4와 수학식 5를 만족하면, 본 발명에 따른 제어 방법을 사용한 전자광학추적기의 전달 특성은 다음 수학식 6, 및 수학식 7로 유도된다.If the plant and the model satisfy the equations (4) and (5), the transmission characteristics of the electro-optical tracker using the control method according to the present invention are derived by the following equations (6) and (7).

수학식 7의 분모의 극점은 모두 원점과 좌반 평면에 존재한다. 따라서 본 발명에 따른 제어방법을 사용하면 플랜트가 가지는 시간지연 값에 관계없이 전체 시스템은 항상 안정함을 알 수 있다.The poles of the denominator of Equation 7 all exist at the origin and the left half plane. Therefore, using the control method according to the invention it can be seen that the entire system is always stable regardless of the time delay value of the plant.

또 입력 명령(r) 및 외란 입력(d)에 단위 계단 입력이 인가될 경우 상기 수학식 6 및 수학식 7에 각각 최종치 정리(final value theorem)를 적용하면, 다음 수학식 8에서 보는 바와 같이 입력 명령(r)은 목표치로 수렴함을 알 수 있다. 또 수학식 9에서 보는 바와 같이 외란 입력(d)은 제거됨을 알 수 있다.When the unit step input is applied to the input command r and the disturbance input d, the final value theorem is applied to Equations 6 and 7, respectively, as shown in Equation 8 below. It can be seen that the input command r converges to the target value. In addition, as shown in Equation 9, it can be seen that the disturbance input d is removed.

수학식 6에서 보이는 바와 같이, 제안된 DTC의 입력 명령에 대한 출력의 응답 시정수 Tr은 1/(KpKr)로 주어진다. 따라서 단위 계단 입력 명령에 대한 출력의 정착시간은 T+5 /( KrKp)로 나타내어질 수 있다.As shown in Equation 6, the response time constant T r of the output for the input command of the proposed DTC is given by 1 / (K p K r ). Therefore, the settling time of the output for the unit step input command can be expressed as T + 5 / (K r K p ).

외란 입력(d)에 대한 외란 보상 출력(^d)의 응답 속도를 구하기 위하여 외란 입력 d에 대한 외란 보상 출력(^d)을 유도하면 그 결과는 다음 수학식 10으로 주어진다.Deriving the disturbance compensation output (^ d) for the disturbance input d to obtain the response speed of the disturbance compensation output (^ d) to the disturbance input (d) is given by the following equation (10).

상기 수학식 10에서 보는 바와 같이 제안된 방법은 T+5 /( KoKp) 시간 이후에는 정확한 외란 보상 신호의 출력이 가능하다는 것이 확인된다. 여기에서 한 가지 주목하여야 할 점은 상기 수학식 6 및 수학식 10의 분모에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법은 추적기의 시간지연의 크기에 관계없이 독립적으로 제어변수를 설정할 수 있다는 것이다.As shown in Equation 10, it is confirmed that the proposed method can accurately output the disturbance compensation signal after the time T + 5 / (K O K p ). One thing to note here is that, as can be seen in the denominators of Equations 6 and 10, the method of the present invention can set the control variables independently regardless of the magnitude of the time delay of the tracker.

결론적으로, 본 발명에 따른 방법을 사용하면 시간지연을 가지는 플랜트의 입력 명령에 대한 출력의 수렴 속도는 제어 변수 Kr에 의하여 결정될 수 있으며, 외란 입력에 대한 외란 보상 신호의 생성 속도는 Ko를 사용하여 Kr값과 무관하게 독립적으로 수렴속도를 조정할 수 있다.In conclusion, using the method according to the present invention, the convergence rate of the output for the input command of the plant with time delay can be determined by the control variable K r , and the generation rate of the disturbance compensation signal for the disturbance input is K o . The convergence speed can be adjusted independently of the K r value.

또한 상기 수학식 7의 분모에서 확인할 수 있는 바와 같이, Kr및 Ko변수의 설정에서 어떤 변수도 안정도 문제를 유발하지 않으므로 제어 변수값 선정은 요구되어지는 성능에 따라서 자유롭게 설정할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 제어 방법을 사용할 경우, 전자광학추적기의 영상추적부 시간지연 성능과 관계없이 추적루프를 설계할 수 있다는 의미를 가진다.In addition, as can be seen in the denominator of Equation 7, since no variables cause stability problems in the setting of K r and K o variables, the selection of control variable values can be freely set according to the required performance. This means that when using the control method according to the present invention, the tracking loop can be designed regardless of the time delay performance of the image tracking unit of the electro-optical tracker.

본 발명에 따른 제어방법의 타당성 확인을 위하여 도 3의 제어루프와 제어 시스템 모의실험 소프트웨어인 Matlab을 사용하여 모의 실험을 실시하였다. 모의 실험에서 속도 이득 상수 Kp는 실제 시스템에서 위치 센서로 사용되는 레졸버의 위치 이득 상수인 25.4를 사용하였으며, 본 발명에 따른 방법과 PI 제어방법을 사용한 결과와 비교하였다. PI 제어 방법에 사용한 제어 변수중 속도 이득 P의 이득은 100, 적분 이득 I 값은 30을 사용하였으며, 본 발명에 따른 방법에서는 Kr값을 100으로 상수 이득 만을 사용하였다.In order to confirm the validity of the control method according to the present invention, a simulation was performed using Matlab, the control loop and control system simulation software of FIG. In the simulation, the speed gain constant K p is used as the position gain constant of the resolver used as a position sensor in the actual system, 25.4, which is compared with the result of using the method according to the present invention and the PI control method. Among the control variables used in the PI control method, the gain of the speed gain P was 100 and the integral gain I value was 30. In the method according to the present invention, only the constant gain was used as the K r value was 100.

또한 모의 실험를 나타낸 도 4a,b와 도 5a,b의 파형에서 실선은 입력 명령을 나타내고, 점선은 플랜트의 출력을 나타낸다. 입력 파형은 기동 물체의 움직임을 표현하기 위하여 가속 이동 구간, 정속 이동 구산, 감속 이동 구간으로 표현되는 신호를 사용하였고, 최대 진폭은 ±1을 가지고 4초의 주기를 가지는 파형을 사용하였다. 또한 외란 보상 특성을 알아보기 위하여 모의실험 시작 후 0.1초 후에 도 3에서 외란(d) 값을 -0.5값으로 입력하였다.In addition, in the waveforms of FIGS. 4A, B and 5A, B showing the simulation, the solid line represents the input command, and the dotted line represents the output of the plant. For the input waveform, the signals represented by the acceleration movement section, the constant speed calculation, and the deceleration movement section are used to represent the movement of the moving object, and the maximum amplitude is ± 1 and the waveform has a period of 4 seconds. In addition, in order to determine the disturbance compensation characteristics, the disturbance (d) value was input as -0.5 value in FIG. 3 after 0.1 second after the start of the simulation.

도 4a에서 보는 바와 같이 PI 제어기를 사용하였을 경우에 0.1초 이전에는 플랜트의 시간지연 특성으로 인하여 출력파형이 지연되는 특성을 보이며, 0.1초 이후 외란이 입력되면 시스템이 입력되는 외란을 정확하게 보상하지 못하여 출력 파형이 입력 파형에 비하여 큰 오차를 가지면 추적하게 됨을 알 수 있다. 이때 추적 오차를 도 4b에 나타내었다.As shown in FIG. 4A, when the PI controller is used, the output waveform is delayed due to the time delay characteristic of the plant before 0.1 second, and when the disturbance is input after 0.1 second, the system cannot accurately compensate the disturbance that is input. It can be seen that if the output waveform has a large error compared to the input waveform, it will be traced. The tracking error is shown in Figure 4b.

그러나 도 5a에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 제어방법을 사용하였을 경우에는 입력 파형에 대하여 출력 파형이 외란이 입력되더라도 PI제어기를 사용한 방법에 비하여 우수한 제어 특성을 가짐을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 방법이 수학식 10에서 설명한 바와 같이 입력 외란을 보상할 수 있는 구조를 가지기 때문인데, 도 5b에 나타난 추적오차 특성에서 보이는 바와 같이 기존의 방법에 비하여 우수한 추적 오차 특성을 가짐을 확인할 수 있다.However, when using the control method according to the present invention as shown in Figure 5a it can be seen that even if the output waveform disturbance input to the input waveform has a superior control characteristics compared to the method using the PI controller. This is because the method according to the present invention has a structure capable of compensating for the input disturbance as described in Equation 10. As shown in the tracking error characteristic shown in FIG. 5B, the method has better tracking error characteristics than the conventional method. You can check it.

이러한 결과는 향후 차세대 전자광학추적기의 설계 및 구현시 영상센서의 시간지연 문제해결의 결과로 사용될 수 있으며, 무인 감시시스템, 무인 경비시스템, 무인 도로 주행 장비 등 영상시스템을 기반으로 하는 추적 시스템에 대하여서도 적용이 가능할 것이다.These results can be used as a result of solving the time delay problem of the image sensor in the design and implementation of the next-generation electro-optical tracker.For the tracking system based on the video system such as unmanned surveillance system, unmanned guard system, unmanned road driving equipment, etc. It may also be applicable.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 전자광학추적기에서 영상 추적부의 시간지연 보상 제어기 및 제어방법을 설명한 하나의 실시 예에 불과한 것으로써, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다고 할 것이다.What has been described above is only one embodiment that describes a time delay compensation controller and a control method of an image tracking unit in an electro-optical tracker according to the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the following claims Without departing from the gist of the present invention claimed in the scope, anyone of ordinary skill in the art to which the present invention extends to the technical idea of the present invention to the extent that various modifications can be made.

Claims (4)

영상센서부와 영상처리부, 위치제어기, 및 안정화 구동부를 갖는 전자광학추적장치에 있어서,In the electro-optical tracking device having an image sensor unit, an image processing unit, a position controller, and a stabilization driving unit, 상기 위치 제어기는,The position controller, 입력 명령 신호(r)와 외란 입력 신호(d)에 각각 반응하여 스미스(Smith) 예측기를 최적으로 배치하여 루프를 구성하게 하는 외란 관측 모델과, 위치 제어기 보조 제어상수 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자광학추적기에서 영상 추적부의 시간지연 보상 제어기.A disturbance observation model for optimally arranging a Smith predictor in response to the input command signal r and the disturbance input signal d, respectively, to form a loop, and a position controller auxiliary control constant portion. Time Delay Compensation Controller of Image Tracer in Electro-optical Tracker. 제 1항에 있어서, 상기 전자광학추적기의 전달특성이 수학식로 정의되고, 입력 명령(r) 및 외란 입력(d)에 단위 계단 입력이 인가될 경우, 상기 입력 명령(r)은 목표치로 수렴되고, 상기 외란 입력(d)은 제거되는 것을 특징으로 하는 전자광학추적기에서 영상 추적부의 시간지연 보상 제어기.The method of claim 1, wherein the transmission characteristics of the electro-optical tracker and And a unit step input is applied to the input command r and the disturbance input d, the input command r converges to a target value and the disturbance input d is removed. Time Delay Compensation Controller of Image Tracker in Optical Tracker. 제 2항에 있어서, 상기 외란 입력(d)에 대한 외란 보상 출력(^d)의 응답 속도를 구하기 위하여 외란 입력 d에 대한 외란 보상 출력(^d)이 수학식3. The disturbance compensation output (^ d) for the disturbance input d is calculated by the equation of claim 2, in order to obtain a response speed of the disturbance compensation output (d) for the disturbance input (d). 으로 정의되는 것을 특징으로 하는 전자광학추적기에서 영상 추적부의 시간지연 보상 제어기. Time delay compensation controller of the image tracker in the electro-optical tracker, characterized in that defined as. 전자광학추적기를 이용한 목표물 추적 방법에 있어서,In the target tracking method using an electro-optical tracker, 입력 명령 신호(r)와 외란 입력 신호(d)에 각각 반응하여 스미스(Smith) 예측기에 외란 관측 모델과, 위치 제어기 보조 제어상수 부분을 추가하여 제어하는 것에 의해 단위 계단 입력이 인가될 경우, 상기 입력 명령(r)은 목표치로 수렴되게 하고, 상기 외란 입력(d)은 제거되게 하는 것을 특징으로 하는 전자광학추적기에서 영상 추적부의 시간지연 보상 제어방법.When the unit step input is applied by adding and controlling the disturbance observation model and the position controller auxiliary control constant part to the Smith predictor in response to the input command signal r and the disturbance input signal d, respectively, And the input command (r) converges to a target value, and the disturbance input (d) is removed.
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