KR20050008568A - A non-contact type attitude measurement system for three axis simulator - Google Patents

A non-contact type attitude measurement system for three axis simulator Download PDF

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KR20050008568A KR1020040108883A KR20040108883A KR20050008568A KR 20050008568 A KR20050008568 A KR 20050008568A KR 1020040108883 A KR1020040108883 A KR 1020040108883A KR 20040108883 A KR20040108883 A KR 20040108883A KR 20050008568 A KR20050008568 A KR 20050008568A
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Abstract

PURPOSE: A posture measurement system of a non-contact typed triaxial simulator is provided to obtain the exact position and posture information by precisely measuring the position and the posture of the triaxial simulator. CONSTITUTION: A posture measurement system contains an air bearing system, a coordinate plate(60), a camera(70) and a computer(80). The air bearing system comprises air-lift typed air bearing balls(20), a simulator(10) connected with rotation shafts(30) of the air bearing balls and a simulator support(50) to include three laser pointers(40). The coordinate plate is installed in the same direction as the rotation shafts outside the air bearing system. The camera photographs an image of the laser pointer on the coordinate plate by installing outside the air bearing system. The computer calculates the position and the posture of the simulator by using the image information from the camera.

Description

비접촉식 3축 시뮬레이터의 자세 측정 시스템{A non-contact type attitude measurement system for three axis simulator}A non-contact type attitude measurement system for three axis simulator}

본 발명은 로켓 자세제어 모의시험 수행중 시뮬레이터 모션의 자세 정보를 실시간으로 계산하여 저장하는 3축 시뮬레이터 자세 측정 시스템에 관한 것으로, 3축 시뮬레이터의 자세를 비접촉식 방식으로 관성 좌표계를 이용하여 정밀하게 측정할 수 있도록 한 비접촉식 3축 시뮬레이터의 자세 측정 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a three-axis simulator attitude measurement system that calculates and stores the attitude information of the simulator motion in real time during the rocket attitude control simulation. The attitude of the three-axis simulator can be precisely measured using the inertial coordinate system in a non-contact manner. A posture measuring system of a non-contact 3-axis simulator is provided.

일반적으로 3축 시뮬레이터는 에어베어링 시스템으로 구성되어 있으며, 에어베어링 시스템은 외부에서 공기의 힘으로 에어베어링 볼을 부양시켜 이에 연결된 시뮬레이터를 부양하는 시스템이다. 그런데 정확히 에어베어링의 자세를 측정하는 것은 어렵기 때문에 3축 시뮬레이터 정확한 위치 및 자세를 측정하는 것은 매우 어려운 일이다.In general, the three-axis simulator is composed of an air bearing system, the air bearing system is a system for supporting the simulator connected to the air bearing ball by the force of the air from the outside. However, it is difficult to accurately measure the position and attitude of the 3-axis simulator because it is difficult to accurately measure the attitude of the air bearing.

하지만, 종래의 경우 3축 시뮬레이터의 정확한 위치 및 자세를 측정하기 위한 방법으로 에어베어링 시스템 상에 설치된 자이로 센서나 마그네틱 컴파스를 이용한다. 이러한 위치 및 자세 측정방법에 있어서 기본적으로 자이로 센서나 마그네틱 컴파스가 에어베어링 시스템 상에 설치되어 있어야 하며, 그리고 자이로 센서나 마그네틱 컴파스 외에 자이로 센서나 마그네틱 컴파스에 의해 측정된 데이터를 저장하고 처리하기 위한 컴퓨터가 또한 에어베어링 시스템 상에 추가로 장착되어야 한다.However, the conventional method uses a gyro sensor or a magnetic compass installed on the air bearing system as a method for measuring the exact position and attitude of the three-axis simulator. In this position and posture measurement method, a gyro sensor or magnetic compass must be installed on the air bearing system, and a computer for storing and processing data measured by the gyro sensor or magnetic compass in addition to the gyro sensor or magnetic compass. Should also be additionally mounted on the air bearing system.

즉, 종래 3축 시뮬레이터의 정확한 위치 및 자세를 측정하기 위해서는 자이로 센서 또는 마그네틱 컴파스와 컴퓨터가 상호 물리적으로 연결되어 일체로 구성되어야만 가능한 접촉식(contact type) 방식이다.That is, in order to measure the exact position and posture of the conventional three-axis simulator, the gyro sensor or the magnetic compass and the computer must be physically connected to each other to be integrally configured as a contact type.

3축 시뮬레이터를 운용하기 위해서는 에어베어링이 정밀하게 밸런싱이 유지되어야 하기 때문에 상기처럼 자이로 센서나 마그네틱 컴파스 외에 추가로 컴퓨터의 무게가 추가되면 밸런싱 유지를 다시 수행하여야 하는 어려움이 있다.In order to operate the 3-axis simulator, the air bearing must be precisely maintained, so when the weight of the computer is added in addition to the gyro sensor or the magnetic compass, it is difficult to perform the balancing maintenance again.

그리고, 자이로 센서는 측정시간 마다 저장하여 시간을 곱하여 3축 시뮬레이터의 자세를 추정하기 때문에, 즉 수치 적분을 이용하여 몸체 좌표축의 자세를 추정할 수밖에 없기 때문에 이에 따른 정밀한 실시간 컴퓨터 시스템이 필요하다. 그리고 시간이 경과하면 할 수록 측정 오차가 계속 누적되어 정확한 위치 및 자세 정보를 제공하지 못하는 문제점이 있다.In addition, since the gyro sensor stores each measurement time and multiplies the time to estimate the attitude of the three-axis simulator, that is, the attitude of the body coordinate axis must be estimated using numerical integration, and thus a precise real-time computer system is required. In addition, as time passes, measurement errors continue to accumulate, thus providing a problem of failing to provide accurate position and posture information.

또한, 마그네틱 컴파스는 주변의 자기장의 변화에 민감하여 3축 시뮬레이터 내의 컴퓨터나 기타 장비에서 발생하는 자기장의 영향을 받기 때문에 정밀한 위치 및 자세 정보를 제공하는데 한계를 갖고 있다.In addition, the magnetic compass is sensitive to changes in the surrounding magnetic field and is affected by the magnetic field generated by a computer or other equipment in the three-axis simulator, which has limitations in providing accurate position and attitude information.

본 발명은 상기와 종래의 같은 단점들을 보완하여 개선하고자 안출된 것으로, 3축 시뮬레이터의 위치 및 자세를 외부에서 정밀하게 측정하여 그 정확한 위치 및 자세 정보를 획득할 수 있도록 하는 비접촉식 3축 시뮬레이터의 자세 측정 시스템을 제공하는데 그 주요 목적이 있다.The present invention has been made to improve the above-mentioned disadvantages and to improve, the position of the non-contact three-axis simulator to accurately measure the position and attitude of the three-axis simulator from the outside to obtain the correct position and attitude information Its main purpose is to provide a measurement system.

도 1은 본 발명의 사시도1 is a perspective view of the present invention

도 2는 본 발명의 레이저 포인터 장착도Figure 2 is a laser pointer mounting of the present invention

도 3은 본 발명의 좌표 및 롤 각 측정 개념도3 is a conceptual diagram of the coordinate and roll angle measurement of the present invention

도 4는 본 발명의 피치 각 및 요 각 계산 개념도4 is a conceptual diagram of the pitch angle and yaw angle calculation of the present invention

도 5는 본 발명의 좌표 플레이트 측면 및 상면 형상의 개략도5 is a schematic view of the coordinate plate side and top shape of the present invention.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **** Explanation of symbols for main parts of drawings **

10 : 시뮬레이터 20 : 에어베어링 볼10: simulator 20: air bearing ball

30 : 회전축 40 : 레이저 포인터30: rotation axis 40: laser pointer

50 : 시뮬레이터 받침대 60 : 좌표 플레이트50: simulator stand 60: coordinate plate

70 : 카메라 80 : 컴퓨터70: camera 80: computer

상술한 본 발명의 목적은 에어베어링 볼의 회전축에 연결되어 있는 시뮬레이터와 3개의 레이저 포인터가 설치된 시뮬레이터 받침대로 이루어진 에어베어링 시스템과; 상기 에어베어링 시스템 외부에 에어베어링 볼 회전축과 일치되게 동일방향으로 설치된 좌표 플레이트와; 상기 에어베어링 시스템 외부에 설치되어 상기 좌표 플레이트상의 레이저 포인터의 영상을 측정하는 카메라; 및 상기 카메라에 의해 획득된 영상정보를 이용하여 시뮬레이터의 위치 및 자세를 계산하는 컴퓨터를 포함하여 달성된다.An object of the present invention described above is an air bearing system comprising a simulator connected to a rotating shaft of an air bearing ball and a simulator pedestal equipped with three laser pointers; A coordinate plate installed in the same direction outside the air bearing system to coincide with an air bearing ball rotation axis; A camera installed outside the air bearing system to measure an image of a laser pointer on the coordinate plate; And a computer for calculating the position and attitude of the simulator using the image information acquired by the camera.

이러한 본 발명의 구성에 의해 에어베어링으로 구성되어 있는 3축 시뮬레이터의 자세를 측정하게 되는데, 시뮬레이터에 고정된 레이저 포인터들이 지시하는 위치를 카메라로 영상을 획득하여 데이터 처리를 통하여 정확한 시뮬레이터의 정확한 위치 및 자세를 측정할 수 있다.The configuration of the present invention is to measure the posture of the three-axis simulator consisting of air bearings, the position of the laser pointer fixed to the simulator to obtain the image of the camera to obtain the exact position of the exact simulator and through the data processing You can measure posture.

이하, 본 발명의 기술구성을 첨부된 도면에 의해 상세하게 기술하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명의 3축 시뮬레이터 자세 측정 시스템의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 레이저 포인터 장착도이고, 도 3은 본 발명의 좌표 및 롤 각 측정 개념도이고, 도 4는 본 발명의 피치 각 및 요 각 계산 개념도이며, 도 5는 본 발명의 좌표 플레이트의 측면 및 상면 형상의 개략도이다.Hereinafter, described in detail by the accompanying drawings the technical configuration of the present invention. 1 is a perspective view of a three-axis simulator posture measuring system of the present invention, Figure 2 is a laser pointer mounting of the present invention, Figure 3 is a schematic diagram of the coordinate and roll angle measurement of the present invention, Figure 4 is a pitch angle of the present invention And a yaw angle calculation conceptual view, and Fig. 5 is a schematic view of the side and top shape of the coordinate plate of the present invention.

본 발명의 비접촉식 3축 시뮬레이터의 자세 측정 시스템은 도 1에 도시된 바처럼, 공기부양식 에어베어링 볼(20)과, 이 에어베어링 볼 회전축(30)에 연결되어 있는 시뮬레이터(10), 및 3개의 레이저 포인터(40)가 고정설치된 시뮬레이터 받침대(50)로 이루어진 에어베어링 시스템과; 상기 에어베어링 시스템 외부에 에어베어링 볼 회전축(30)과 일치되게 동일방향으로 설치된 좌표 플레이트(60)와; 상기 에어베어링 시스템 외부에 설치되어 상기 좌표 플레이트(60)상의 레이저 포인터(40)의 영상을 측정하는 카메라(70); 및 상기 카메라(70)에 의해 측정되어 획득된 영상정보(신호)를 이용(저장 및 처리)하여 시뮬레이터(10)의 위치 및 자세를 계산하는 컴퓨터(80)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the posture measuring system of the non-contact three-axis simulator according to the present invention includes an air floating air bearing ball 20, a simulator 10 connected to the air bearing ball rotating shaft 30, and 3. An air bearing system comprising a simulator pedestal 50 having two laser pointers 40 fixed thereto; A coordinate plate (60) installed in the same direction to coincide with the air bearing ball rotating shaft (30) outside the air bearing system; A camera 70 installed outside the air bearing system to measure an image of the laser pointer 40 on the coordinate plate 60; And a computer 80 that calculates the position and posture of the simulator 10 by using (storing and processing) the image information (signal) measured and acquired by the camera 70.

원판의 시뮬레이터 받침대(50)에 3개의 레이저 포인터(40)를 고정설치하되,도 2에 도시한 바와 같이, 레이저 포인터(40)를 상부 중앙에 1개, 중앙에 1개 그리고 중앙 좌측에 1개가 고정설치되어 구성된다. 그리고 상기 좌표 플레이트(60)는 에어베어링 볼(20)과 원주방향으로 일정하게 고정된다.Three laser pointers 40 are fixedly installed on the simulator pedestal 50 of the disc, as shown in FIG. 2, one laser pointer 40 at the top center, one at the center, and one at the left side of the center. It is fixedly installed. The coordinate plate 60 is fixed to the air bearing ball 20 in the circumferential direction.

한편, 좌표 플레이트(60)는 카메라(70)에 의한 영상정보 획득시 좌표 측정이 용이하도록 도 1에서 처럼 색깔이 다른 두색으로 도색하고, 에어베어링 볼(20)과 같은 회전축이 되도록 도 5에서 처럼, 좌표 플레이트 측면과 상면의 형상을 둥글게 제작한다. 그리고 카메라(70)는 구체적으로 컴퓨터(80)의 영상처리보드(도시안됨)에 연결된다.On the other hand, the coordinate plate 60 is painted in two different colors as shown in Figure 1 to facilitate the coordinate measurement when the image information obtained by the camera 70, as shown in Figure 5 so as to be the same axis of rotation as the air bearing ball 20 , Make the shape of the side and the top of the coordinate plate round. The camera 70 is specifically connected to an image processing board (not shown) of the computer 80.

이러한 본 발명의 기술구성은 공기부양에 의해 에어베어링 시스템이 움직이면 에어베어링 시스템에 장착된 레이저 포인터(40)들도 에어베어링 시스템과 동일한 모션으로 좌표 플레이트 상에서 움직이게 된다. 이때 카메라(70)는 이를 감지하여 컴퓨터(80)에 영상을 전송하고, 컴퓨터(80) 내부에서 영상을 처리하여 시뮬레이터(10)의 현재 위치 및 자세를 계산하여 저장하게 된다.According to the technical configuration of the present invention, when the air bearing system is moved by air support, the laser pointers 40 mounted on the air bearing system are also moved on the coordinate plate in the same motion as the air bearing system. At this time, the camera 70 detects this and transmits the image to the computer 80, processes the image in the computer 80, calculates and stores the current position and posture of the simulator 10.

이와 같은 본 발명의 작동과정을 기술하기로 한다.This operation of the present invention will be described.

본 발명은 에어베어링 시스템 상의 시뮬레이터 받침대(50)에 장착된 레이저 포인터(40)들이 항상 시뮬레이터(10)와 동일한 모션을 한다는 것을 이용한 것이다.The present invention utilizes that the laser pointers 40 mounted on the simulator pedestal 50 on the air bearing system always perform the same motion as the simulator 10.

즉 레이저 포인터(40)가 형성한 삼각형은 시뮬레이터(10)의 몸체 좌표계와 일치한다. 이것은 레이저 포인트(40)가 항상 직진성의 광선이기 때문에 가능한 것이다.That is, the triangle formed by the laser pointer 40 coincides with the body coordinate system of the simulator 10. This is possible because the laser point 40 is always a straight ray of light.

그리고 카메라(70)를 이용하여 시뮬레이터(10)에 접촉하지 않고 레이저 포인트(40)들의 영상을 획득한다. 획득한 영상은 컴퓨터(80)의 영상처리보드에서 영상처리를 통하여 삼각형 이미지 픽셀들의 위치를 가지고 삼각형의 정확한 좌표를 계산하게 된다.The camera 70 acquires images of the laser points 40 without contacting the simulator 10. The acquired image is computed the exact coordinates of the triangle with the position of the triangle image pixels through the image processing in the image processing board of the computer 80.

이때 삼각형의 좌표는 시뮬레이터(10)의 몸체 좌표계가 되고, 카메라(70)는 시뮬레이터(10) 외부에 고정되어 있기 때문에 카메라(70)에서 획득한 영상은 관성 좌표축에서 측정한 것으로 생각할 수 있다. 측정된 영상에서 삼각형의 좌표 값을 구할 수 있다. 이 좌표 값을 이용하여 시뮬레이터(10)의 위치 및 자세 정보를 유출할 수 있다.In this case, the coordinates of the triangle become the body coordinate system of the simulator 10, and since the camera 70 is fixed to the outside of the simulator 10, the image obtained by the camera 70 may be considered to be measured in the inertial coordinate axis. The coordinate values of the triangle can be obtained from the measured image. Using this coordinate value, the position and attitude information of the simulator 10 can be leaked.

도 4는 본 발명의 피치 각 및 요 각 계산 개념도를 나타낸 것으로, 일반적으로 원호의 길이는라는 수학공식을 사용하면 된다. 에어베어링 볼(20)은 회전의 중심이 되고, 좌표 플레이트(60)는 시뮬레이터(10)의 회전축(30)으로부터 일정한 거리(r)를 유지하고 있기 때문에 좌표 플레이트(60) 상에서 움직인 거리는 도 4에서 처럼가 된다.Figure 4 shows a conceptual diagram of the pitch angle and yaw angle calculation of the present invention, generally the length of the arc You can use this mathematical formula. Since the air bearing ball 20 is the center of rotation and the coordinate plate 60 maintains a constant distance r from the axis of rotation 30 of the simulator 10, the distance moved on the coordinate plate 60 is shown in FIG. 4. Like in Becomes

이렇게 움직인 거리는 좌표 플레이트(60) 상의 x축(좌표)과 y축(좌표)으로 구할 수 있다. 즉, 컴퓨터에서 획득한 영상은 픽셀단위로 표현된다. 미리 길이를 알고 있는 것은 컴퓨터 영상 상에서 픽셀의 수를 계산하면 픽셀 단위당 길이를 구할 수 있다. 도 4처럼 움직이면 초기 위치의 픽셀과 현재의 위치 픽셀 사이의 x축 픽셀 개수를 계산하면 x축(좌표)를 구할 수 있다. y축 픽셀 개수를 계산하면 y축(좌표)를 구할 수 있다. x축 좌표는 x축 거리가 되기 =때문에의 관계식에서x축 거리는 이미 픽셀당 거리에서 구할 수 있다. 그리고는 에어베어링 볼 가운데와 좌표 플레이트 사이 거리이기 때문에 이미 알고 있는 값이다.는 x축 거리를로 나누면 구할 수 있다. 이 각()이 피치(pitch) 각이 된다. y축 좌표는 y축 거리가 되기 때문에의 관계식에서 y축 거리는 이미 픽셀당 거리에서 구할 수 있다. 그리고는 에어베어링 볼 가운데와 좌표 플레이트 사이 거리이기 때문에 이미 알고 있는 값이다.는 y축 거리를로 나누면 구할 수 있다. 이 각()이 요(yaw) 각이다.The distance moved in this way can be obtained from the x-axis (coordinate) and the y-axis (coordinate) on the coordinate plate 60. That is, the image obtained from the computer is represented in pixel units. Knowing the length in advance, we can calculate the number of pixels on a computer image by calculating the number of pixels. As shown in FIG. 4, the x-axis (coordinate) can be obtained by calculating the number of x-axis pixels between the pixel of the initial position and the current position pixel. By calculating the number of y-axis pixels, you can find the y-axis (coordinate). Because x-axis coordinates are x-axis distances, The x-axis distance can be obtained from the distance per pixel. And Is a known value because the distance between the center of the air bearing ball and the coordinate plate. Is the x-axis distance Divide by to get. This angle ( ) Is the pitch angle. because the y-axis coordinates are the y-axis distance, The y-axis distance can be obtained from the distance per pixel. And Is a known value because the distance between the center of the air bearing ball and the coordinate plate. Is the y-axis distance Divide by to get. This angle ( ) Is the yaw angle.

도 3은 본 발명의 좌표 및 롤 각 측정 개념도를 나타낸 것으로, 이에 나타낸 바와 같이, 현재 삼각형에서 초기 삼각형의 y축과 평행한 직선을 가상으로 두고, 이 가상의 직선과 현재 삼각형의 point 1과 point 2 사이의 각을 구하면 이것이 롤(roll) 각이 된다.3 is a conceptual diagram of the coordinate and roll angle measurement of the present invention. As shown therein, a straight line parallel to the y-axis of the initial triangle in the current triangle is assumed to be virtual, and the virtual straight line and the point 1 and point of the current triangle are shown. If you find the angle between two, this is the roll angle.

이러한 시뮬레이터의 움직임을 컴퓨터(80)에서 프로그램으로 카메라 영상을 처리하여 삼각형의 좌표 및 삼각형의 회전각을 주기적으로 계산하여 시뮬레이터(10)의 자세각, 즉 피치 각, 롤 각, 요 각들을 구하게 되는 것이다.The motion of the simulator is processed by the computer 80 using a program to process the camera image, and the coordinates of the triangle and the rotation angle of the triangle are periodically calculated to obtain the attitude angle, that is, the pitch angle, the roll angle, and the yaw angle of the simulator 10. will be.

이상 기술한 본 발명은 에어베어링 시스템이나 기타 시스템의 자세를 비접촉식 방식으로 측정할 수 있는 자세 측정 시스템으로서, 종래 3축 시뮬레이터의 정확한 위치 및 자세 정보를 관성 좌표축에서 측정하는 시스템이 없었기 때문에 자이로센서나 마그네틱 컴파스를 장착하여 수치 적분을 이용하여 몸체 좌표축의 자세를 추정할 수밖에 없었지만 본 발명에 의한 비접촉식 자세 측정 시스템을 이용하면, 정확한 3축 시뮬레이터의 위치 및 자세 정보를 획득할 수 있게 되는 것이다.The present invention described above is a posture measuring system that can measure the posture of an air bearing system or other system in a non-contact manner, and since there is no system for measuring the exact position and posture information of the conventional 3-axis simulator in the inertial coordinate axis, Equipped with a magnetic compass to estimate the position of the body coordinate axis using the numerical integration, but using the non-contact attitude measurement system according to the present invention, it is possible to obtain the accurate position and attitude information of the three-axis simulator.

로켓 자세제어 외의 기타 산업에서도 비접촉식으로 자세를 측정하려고할 때 유용하게 사용될 수 있다.Other industries besides rocket attitude control can also be useful when attempting to measure attitude without contact.

Claims (3)

에어베어링 볼과, 이 에어베어링 볼 회전축에 연결되어 있는 시뮬레이터, 및 3개의 레이저 포인터가 고정설치된 시뮬레이터 받침대로 이루어진 에어베어링 시스템과; 상기 에어베어링 시스템 외부에 에어베어링 볼 회전축과 일치되게 동일방향으로 설치된 좌표 플레이트와; 상기 에어베어링 시스템 외부에 설치되어 상기 좌표 플레이트상의 레이저 포인터의 영상을 측정하는 카메라; 및 상기 카메라에 의해 측정되어 획득된 영상정보를 이용하여 시뮬레이터의 위치 및 자세를 계산하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 3축 시뮬레이터의 자세 측정 시스템.An air bearing system comprising an air bearing ball, a simulator connected to the air bearing ball rotating shaft, and a simulator pedestal fixed to three laser pointers; A coordinate plate installed in the same direction outside the air bearing system to coincide with an air bearing ball rotation axis; A camera installed outside the air bearing system to measure an image of a laser pointer on the coordinate plate; And a computer for calculating a position and a posture of the simulator using the image information measured and acquired by the camera. 청구항 1에 있어서, 상기 좌표 플레이트는 카메라에 의한 영상정보 획득시 좌표 측정이 용이하도록 색깔이 다른 두가지 색으로 도색한 것을 특징으로 하는 비접촉식 3축 시뮬레이터의 자세 측정 시스템.The system of claim 1, wherein the coordinate plate is painted in two different colors to facilitate coordinate measurement when acquiring image information by a camera. 청구항 1에 있어서, 상기 좌표 플레이트의 측면과 상면의 형상을 둥글게 형성한 것을 특징으로 하는 비접촉식 3축 시뮬레이터의 자세 측정 시스템.The posture measuring system of the non-contact 3-axis simulator according to claim 1, wherein a shape of a side surface and an upper surface of the coordinate plate is rounded.
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