KR20080026382A - 예측모델을 이용한 물체 이동 및 자세 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 이동물체에 탑재된 컴퓨터 등에 의하여 실시되는 예측모델을 이용한 물체 이동 및 자세 제어 방법에 관한 것으로 특히, 비행체나 지상 주행 물체, 해상 이동 수단 및 기타 움직임을 갖는 모든 물체의 이동 제어시 미리 작성된 예측모델을 이용하여 이동을 제어하고 기울어짐 등의 자세를 제어하기 위한 예측모델을 이용한 물체 이동 및 자세 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 비행체나 지상 주행 물체, 해상 이동 수단 및 기타 움직임을 갖는 모든 물체의 이동 제어시 INS나 GPS등에 의하여 제공되는 변수에 해당하는 미리 설정된 예측 모델을 선정하여 이에 의하여 이동체의 이동 및 자세 제어를 위한 수단들을 제어함으로써, 이동을 예측하기 어려운 이동 물체라도 최적 이동 결과를 얻을 수 있도록 한 물체 이동 및 자세 제어 방법을 제공함에 있다.

Description

예측모델을 이용한 물체 이동 및 자세 제어 방법{Rigid Body Moving and Attitude Control Method Using Predictive Model}

도1은 본 발명을 적용하기 위한 비행제어컴퓨터 및 주변장치를 보인 설명도.

도2는 본 발명에 의한 예측모델을 이용한 물체 이동 및 자세 제어 방법을 보인 흐름도.

도3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 예측모델을 이용한 물체 이동 및 자세 제어 방법을 보인 흐름도.

본 발명은 이동물체에 탑재된 컴퓨터 등에 의하여 실시되는 예측모델을 이용한 물체 이동 및 자세 제어 방법에 관한 것으로 특히, 비행체나 지상 주행 물체, 해상 이동 수단 및 기타 움직임을 갖는 모든 물체의 이동 제어시 미리 작성된 예측모델을 이용하여 이동을 제어하고 기울어짐 등의 자세를 제어하기 위한 예측모델을 이용한 물체 이동 및 자세 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 비행체등 종래의 이동물체에 탑재된 컴퓨터에서는 물체의 이동을 제어하기 위하여 아래와 같은 운동 역학 방정식을 활용하였다.

: 운동 상태를 나타내는 식

:각도 상태를 나타내는 식

여기서

은 물질 질량,

는 물질의 무게 중심의 속도,

는 물질에 최종 작용하는 힘,

는 물질의 무게 중심에 대해 작용하는 모멘트 량,

은 무게 중심에 대해 작용하는 최종 모멘트이다. 즉 3축에 대한 운동 3자유도, 3 축에 대한 각도 3자유도식으로 6자유도 비선형 운동식이 된다.

이를 비행기를 예로 들어 설명하면 비행체의 움직임을 종운동과 횡운동 방정식 두그룹으로 나누어 구현한다. 그러므로 비행체의 경우 옆바람등으로 인하여 동체가 좌우로 롤링하는 경우 종,횡운동이 복합되는 경우이므로, 대부분의 물체 이동과 자세를 정확히 제어하는 출력을 얻기 어렵다.

더구나, 비행체는 불규칙한 움직임을 유발하는 환경에서 비행하므로 선형화 시킨 상기 종,횡 방정식으로는 비행체의 이동을 정확히 제어할 수 없다.

실제로, 비행기의 경우 롤링 발생시 비행기에 탑재된 컴퓨터는 이를 INS에 의하여 감지하고, 무수히 많은 종운동 방정식 및 횡운동 방정식을 계산하여 최적화된 비행체의 이동 및 자세를 위하여 엔진 추력, 플랩, 수직날개, 수평날개를 제어하여 롤링을 극복하도록 하였던 것이다.

그 결과 최적제어를 위하여 변위량에 기초하여 수치해석을 위한 많은 량의 계산하여야 하므로, 계산량이 과다하게 되어 컴퓨터 시스템에 과중한 부하가 발생되는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 이러한 롤링이 있는 종방향 방정식과 횡방향 방정식 두그룹으로 분리된 이동 물체 해석 방법으로는 이동 물체의 최종적인 이동 및 자세 제어를 위한 크로스 루프(close loop)가 형성되어 이상적인 이동 결과를 얻지 못하는 경우가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 비행체나 지상 주행 물체, 해상 이동 수단 및 기타 움직임을 갖는 모든 물체의 이동 제어시 INS나 GPS등에 의하여 제공되는 변수에 해당하는 미리 설정된 예측 모델을 선정하여 이에 의하여 이동체의 이동 및 자세 제어를 위한 수단들을 제어함으로써, 이동을 예측하기 어려운 이동 물체라도 최적 이동결과를 얻을 수 있도록 한 물체 이동 및 자세 제어 방법을 제공함에 있다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 INS, GPS 데이터를 초기조건으로 설정하여 현재의 자세 및 속도, 하중계수를 규정하고, 자세각도값과 속도값, 하중계수을 참조하여 이동 물체의 가속도, 이동 속도, 자세값을 구한다.

이와 같이 하여 얻은 가속도를 활용하여 예측 시간 범위에서 적분을 시행하 면 예측시간 후의 이동 속도, 자세, 하중계수 및 이동 거리를 알 수 있게 된다.

이러한 이동 속도, 자세, 하중계수에 상응하여 엔진추력, 플랩, 수직날개, 수평날개 등 이동 물체의 이동제어수단을 제어함으로써, 변화된 INS, GPS 값을 다시 얻게 된다. 이러한 값을 다시 초기 조건으로 설정하여 전술한 바와 같은 과정을 반복하게 되는 것이다.

이와 같이 하여 본 발명은 비선형적으로 변화되는 INS, GPS의 현재 값을 이용하여 이동 물체의 설정된 시간 이후의 속도, 자세를 예측하고 이동 물체의 이동 제어 수단을 제어함으로써, 예측하기 어려운 이동 상태에서도 목표하는 최종 이동 상태를 얻을 수 있게 되는 것이다.

이에 따라, 본 발명은 계산량이 크게 줄어들어 컴퓨터의 부하를 감소시킬 수 있으며, 롤이 있는 이동 물체의 운동을 정확하게 해석하여 효율적인 이동결과를 얻을 수 있게 되어 이동 물체의 이동을 위한 유류 등 비용 절감에도 기여할 수 있다.

또한, 이동 물체의 자세 안정화가 신속하게 이루어지므로, 비행체에 적용시 더욱 안정적 비행이 가능하게 되어 승객의 불편을 덜어 줄 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.

이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

이러한 본 발명을 실시하기 위하여 도 1로 도시한 바와 같이 비행기에 적용한 예를 들어 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에서는 전원GPS와 INS(Integrated Navigation System)에서 출력되는 각종 데이터 값을 비행 제어 컴퓨터로 전송하고, 비행제어 컴퓨터에서는 입 출력 인터페이스를 통하여 엔진 스로틀, 플랩, 수직날개, 수평날개 등을 구동하는 서보모우터군을 제어하게 되는 것이다. 이러한 하드웨어를 기반으로 비행 제어 컴퓨터에 도2로 보인 바와 같은 예측모델을 이용한 물체 이동 및 자세 제어 방법을 프로그램화하여 탑재하여 본 발명을 실시하게 되는 것이다.

이러한 본 발명을 실시하기 위하여 도 2로 도시한 바와 같이 비행기에 적용한 예를 들어 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에서는 전원이 공급되고, 비행기가 정상적인 비행을 시작하면, GPS와 INS(Integrated Navigation System)에서 출력되는 각종 데이터 값이 비행 제어 컴퓨터로 전송된다. 비행제어컴퓨터는 이러한 각종 데이터 값을 초기값으로 설정한다.…………………(단계 1)

이어서, 비행기의 자세 각도값을 계산하고 속도값을 산출하며, 하중 계수를 참조하여 비행기의 가속도, 이동 속도, 자세값을 구한다.

실제로는 비행 제어 컴퓨터에 내장된 프로그램에 다음의 산출식을 포함시켜 비행기의 가속도, 이동 속도, 자세값을 산출하게 되는 것이다. …………………(단계2)

, (

)

여기서

,

은 오일러각이다.

이를 더욱 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

비행체 비행경로는, 공간상에서 비행경로에 따라 임의의 곡선형태가 된다. 이때 비행체는 필히 비행시간 동안 상태벡터로 지정된 값을 유지하면서 지정된 지점으로 비행할 수 있어야 한다.

하강하는 비행체 또는 임의의 경로를 갖는 비행체는 결합 좌표계(기체고정좌표계)에서 전적으로 일정한 하중과 각속도에서 나선 예측 역학 모델을 사용할 수 있다. 이 모델은 15 개의 운동 예측 상태 벡터로 구성된다.

결합좌표계에서 하중이 일정할 때, 비행체 무게 중심은 벡터 영역에서 운동한다고 할때, 나선 예측 모델식은 다음과 같은 식으로 구성된다.

방향 코사인 행렬ε 는 푸아송 운동 역학 식의 시간에 따른 적분으로 얻을 수 있다.

이하 논문 1의 공식 및 도표 설명 부분 도입 기재 요함.

아울러, 본 발명에서는 비행경로와 자세 제어를 위하여 이하 논문 2의 공식 및 도표 설명 부분 도입 기재 요함.

이와 같이 본 발명에서는 산출된 가속도를 활용하여 예측 시간 범위에서 적분을 시행하여 예측시간 후의 이동 속도, 자세, 하중계수 및 이동 거리를 알 수 있게 된다.…………………(단계3,4)

이러한 이동 속도, 자세, 하중계수에 상응하여 서보모우터군을 제어함으로써, 엔진추력, 플랩, 수직날개, 수평날개 등 이동 물체의 이동제어수단을 제어하게 된다.…………………(단계5)

이어서, 본 발명에서는 예측 시간 이후 비행제어컴퓨터에 변화된 INS, GPS 값이 다시 입력된다.…………………(단계6)

이러한 값을 다시 초기 조건과 같이 취급하여 전술한 바와 같은 과정을 반복함으로써, 비행제어컴퓨터에 의하여 서보모우터군을 연속되어 하게 되는 것이다.

이와 같이 하여 본 발명은 비선형적으로 변화되는 INS, GPS의 현재 값을 이용하여 이동 물체의 설정된 시간 이후의 속도, 자세를 예측하고 이동 물체의 이동 제어 수단을 제어함으로써, 예측하기 어려운 이동 상태에서도 목표하는 최종 이동 상태 및 최종 자세를 얻을 수 있게 되는 것이다.

아울러, 도3에는 (단계6)에서 (단계2)로 보인 전술한 바와 같은 과정을 실시함과 아울러, 예측시간 구간 t₁ 내지 t₂ 를 변화시켜 예를 들면 속도가 빠른 경우에는 예측시간 구간을 단축시키고, 속도가 낮은 경우에는 예측시간 구간을 증가시키며, 자세의 기울기가 심한 경우에는 예측시간 구간을 단축시키고, 기울기가 작은 경우에는 예측시간 구간을 증가시켜 계산량을 합리화할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이 하여 본 발명은 계산량이 크게 줄어들어 컴퓨터의 부하를 감소시킬 수 있으며, 롤이 있는 이동 물체의 운동을 정확하게 해석하여 효율적인 이동결과를 얻을 수 있게 되어 이동 물체의 이동을 위한 유류 등 비용 절감에도 기여할 수 있다. 또한, 이동 물체의 자세 안정화가 신속하게 이루어지므로, 비행체에 적용시 더욱 안정적 비행이 가능하게 되어 승객의 불편을 덜어 줄 수 있게 되는 유용한 효과가 있다.

Claims (4)

1. INS, GPS 데이터를 초기조건으로 설정하여 현재의 자세 및 속도, 하중계수를 규정하는 단계와,

   자세각도값과 속도값, 하중계수을 참조하여 이동 물체의 가속도, 이동 속도, 자세값을 구하는 단계와,

   가속도값을 활용하여 입력시킨 예측 시간 범위에서 적분을 시행하여 예측시간 후의 이동 속도, 자세, 하중계수 및 이동 거리를 산출하는 단계와,

   이러한 이동 속도, 자세, 하중계수에 상응하여 엔진추력, 플랩, 수직날개, 수평날개 등 이동 물체의 이동제어수단을 제어하는 단계와,

   제어된 결과 변화된 INS, GPS 값인 상태값을 다시 얻고, 이를 초기 조건으로 설정하여 전술한 바와 같은 과정을 반복하게 됨을 특징으로 하는 예측모델을 이용한 물체 이동 및 자세 제어 방법.
2. 제1항에 있어서,

   전술한 상태값을 검출하여 속도, 자세값에 상응하여 예측 시간 범위를 증가 또는 감소시킴을 특징으로 하는 예측모델을 이용한 물체 이동 및 자세 제어 방법.
3. 제1항에 있어서,

   전술한 이동제어수단은 서보모우터군임을 특징으로 하는 예측모델을 이용한 물체 이동 및 자세 제어 방법.
4. 제1항에 있어서,

   전술한 상태값을 검출하여 속도, 자세값에 상응하여 예측 시간 범위를 증가 또는 감소시킴을 특징으로 하는 예측모델을 이용한 물체 이동 및 자세 제어 방법.

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