KR20120076895A - 가변속 김발 제어 모멘트 자이로 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일실시예는 가변속 김발 제어 모멘트 자이로에 관한 것으로써, 기존의 정속 이중 김발 제어 모멘트 자이로에 플라이휠의 회전 속도를 가변속 제어하도록 구성하여 3차원 방향의 토크를 원활하게 발생할 수 있으며, 최외각에 김발 유닛을 하나 더 추가하여 토크 오차를 발생하지 않으면서 김발 록 현상을 간편하게 회피할 수 있다.
Description
본 발명은 가변속 김발 제어 모멘트 자이로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인공위성을 비롯한 항공우주비행체의 자세제어를 위하여 3축 방향의 제어 토크를 원하는 크기와 방향으로 원활하게 발생시킬 수 있는 가변속 김발 제어 모멘트 자이로에 관한 것이다.
일반적으로, 항공우주비행체에서는 자세를 제어하기 위하여 외부 운동량 교환 방식과 내부 운동량 교환 방식의 구동장치를 사용하고 있다. 상기 외부 운동량 교환 방식의 구동장치는 추력기(thruster)나 마그네틱 토커(magnetic torquer) 등이 있으며, 상기 내부 운동량 교환 방식의 구동장치는 반작용 휠(reaction wheel)과 제어 모멘트 자이로(control moment gyro) 등이 있다.
그런데, 항공우주비행체의 자세 제어를 정밀하게 수행하기 위하여 내부 운동량 교환 방식의 구동장치를 주로 사용하고 있다. 여기서, 반작용 휠의 경우에는 한 개의 구동장치당 오직 1차원의 고정된 방향으로 토크를 발생시킬 수 있다. 그리고, 단일 김발 제어 모멘트 자이로의 경우에는 플라이휠의 회전 속도가 고정인 경우에 1차원 방향의 토크를, 속도를 가변하는 경우에 2차원 방향의 토크를 발생시킬 수 있다. 마지막으로, 기존의 정속 이중 김발 제어 모멘트 자이로는 플라이휠이 고정된 속도로 회전되되, 두 개의 김발 회전각을 제어함으로써 2차원 방향의 제어 토크를 발생시킬 수 있다.
하지만, 항공우주비행체의 자세를 임의의 3차원 방향으로 제어하기 위해서는 3차원 공간상의 임의의 방향으로 제어 토크를 발생시킬 수 있어야 한다. 기존의 구동 장치에서는 3축 자세 제어를 위해서 복수개의 구동 장치를 조합한 구조로 형성되고 있다. 따라서, 시스템의 무게와 관성 모멘트가 증가되고, 뿐만 아니라 개발, 제작, 발사, 및 유지에 소요되는 비용을 증가시키는 요인이 된다.
본 발명의 실시예는, 기존의 제어 토크 발생 구동 장치가 1차원, 혹은 2차원의 제한된 방향으로만 제어 토크를 발생시킬 수 있다는 한계를 극복하기 위하여 단일의 장치로 3차원 방향의 제어 토크를 원활하게 발생시킬 수 있는 가변속 김발 제어 모멘트 자이로를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는, 정속 이중 김발 제어 모멘트 자이로를 개선하여 플라이휠의 회전 속도를 가변속 제어함으로써, 회전축 방향의 제어 토크를 추가할 수 있는 가변속 김발 제어 모멘트 자이로를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는, 가변속되는 이중 김발 제어 모멘트 자이로에 김발 유닛을 추가함으로써, 일시적인 김발 록(gimbal lock) 현상을 완벽히 회피할 수 있고, 비행체의 위치 제어에 필요한 3차원 방향의 제어 토크를 연속적으로 발생할 수 있는 가변속 김발 제어 모멘트 자이로를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 각운동량을 저장하는 플라이휠, 상기 플라이휠의 회전 속도를 가변시키도록 상기 플라이휠의 회전축과 연결된 플라이휠 구동기, 상기 플라이휠 구동기에 연결되고 상기 플라이휠의 회전축과 직교되는 제1 김발 회전축을 기준으로 상기 플라이휠 구동기를 제1 회전 방향으로 회전시키는 제1 김발 유닛, 상기 제1 김발 유닛에 연결되고, 상기 제1 김발 유닛의 제1 김발 회전축과 직교되는 제2 김발 회전축을 기준으로 상기 제1 김발 유닛을 제2 회전 방향으로 회전시키는 제2 김발 유닛, 및 상기 제2 김발 유닛과 연결되고 상기 플라이휠의 각운동량 변화에 의해 발생되는 반작용 토크를 전달받는 비행체 플랫폼을 포함하는 가변속 김발 제어 모멘트 자이로를 포함한다.
즉, 본 발명의 일실시예에서는 상기 플라이휠 구동기와 상기 제1 김발 유닛 및 상기 제2 김발 유닛에 의해서 상기 플라이휠에 3 방향으로 제어 토크가 발생될 수 있다.
상기 제1 김발 유닛은, 상기 플라이휠 및 상기 플라이휠 구동기와 함께 제1 회전 방향으로 회전되도록 상기 플라이휠 구동기와 연결된 제1 김발 부재, 상기 제1 김발 부재를 제1 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제1 김발 회전축의 일단에 연결되고 상기 제2 김발 유닛의 일측에 연결된 제1 김발 구동기, 및 상기 제1 김발 부재를 회전 가능하게 지지하도록 상기 제1 김발 회전축의 타단에 연결되고 상기 제2 김발 유닛의 타측에 연결된 제1 김발 베어링을 구비할 수 있다.
상기와 다르게, 상기 제1 김발 유닛은, 상기 플라이휠 및 상기 플라이휠 구동기와 함께 제1 회전 방향으로 회전되도록 상기 플라이휠 구동기와 연결된 제1 김발 부재, 및 상기 제1 김발 부재를 제1 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제1 김발 회전축의 양단에 각각 연결되고 상기 제2 김발 유닛에 연결된 제1 김발 구동기를 구비할 수도 있다.
상기 제2 김발 유닛은, 상기 플라이휠과 상기 플라이휠 구동기 및 상기 제1 김발 유닛과 함께 제2 회전 방향으로 회전되도록 상기 제1 김발 유닛과 연결된 제2 김발 부재, 상기 제2 김발 부재를 제2 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제2 김발 회전축의 일단에 연결되고 상기 비행체 플랫폼의 일측에 연결된 제2 김발 구동기, 및 상기 제2 김발 부재를 회전 가능하게 지지하도록 상기 제2 김발 회전축의 타단에 연결되고 상기 비행체 플랫폼의 타측에 연결된 제2 김발 베어링을 구비할 수 있다.
상기와 다르게, 상기 제2 김발 유닛은, 상기 플라이휠과 상기 플라이휠 구동기 및 상기 제1 김발 유닛과 함께 제2 회전 방향으로 회전되도록 상기 제1 김발 유닛과 연결된 제2 김발 부재, 및 상기 제2 김발 부재를 제2 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제2 김발 회전축의 양단에 각각 연결되고 상기 비행체 플랫폼에 연결된 제2 김발 구동기를 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 각운동량을 저장하는 플라이휠, 상기 플라이휠의 회전 속도를 가변시키도록 상기 플라이휠의 회전축과 연결된 플라이휠 구동기, 상기 플라이휠 구동기에 연결되고 상기 플라이휠의 회전축과 직교되는 제1 김발 회전축을 기준으로 상기 플라이휠 구동기를 제1 회전 방향으로 회전시키는 제1 김발 유닛, 상기 제1 김발 유닛에 연결되고 상기 제1 김발 회전축에 직교되는 제2 김발 회전축을 기준으로 상기 제1 김발 유닛을 제2 회전 방향으로 회전시키는 제2 김발 유닛, 및 상기 제2 김발 유닛에 연결되고 상기 제2 김발 회전축에 직교되는 제3 김발 회전축을 기준으로 상기 제2 김발 유닛을 제1 회전 방향으로 회전시키는 제3 김발 유닛, 및 상기 제3 김발 유닛과 연결되고 상기 플라이휠의 각운동량 변화에 의해 발생되는 반작용 토크를 전달받는 비행체 플랫폼을 포함하는 가변속 김발 제어 모멘트 자이로를 포함한다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에서는 상기 플라이휠 구동기, 상기 제1 김발 유닛, 상기 제2 김발 유닛, 및 상기 제3 김발 유닛에 의해서 상기 플라이휠에 3 방향으로 제어 토크가 발생될 수 있다.
상기 제1 김발 유닛은, 상기 플라이휠 및 상기 플라이휠 구동기와 함께 제1 회전 방향으로 회전되도록 상기 플라이휠 구동기와 연결된 제1 김발 부재, 상기 제1 김발 부재를 제1 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제1 김발 회전축의 일단에 연결되고 상기 제2 김발 유닛의 일측에 연결된 제1 김발 구동기, 및 상기 제1 김발 부재를 회전 가능하게 지지하도록 상기 제1 김발 회전축의 타단에 연결되고 상기 제2 김발 유닛의 타측에 연결된 제1 김발 베어링을 구비할 수 있다.
상기와 다르게, 상기 제1 김발 유닛은, 상기 플라이휠 및 상기 플라이휠 구동기와 함께 제1 회전 방향으로 회전되도록 상기 플라이휠 구동기와 연결된 제1 김발 부재, 및 상기 제1 김발 부재를 제1 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제1 김발 회전축의 양단에 각각 연결되고 상기 제2 김발 유닛에 연결된 제1 김발 구동기를 구비할 수 있다.
상기 제2 김발 유닛은, 상기 플라이휠과 상기 플라이휠 구동기 및 상기 제1 김발 유닛과 함께 제2 회전 방향으로 회전되도록 상기 제1 김발 유닛과 연결된 제2 김발 부재, 상기 제2 김발 부재를 제2 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제2 김발 회전축의 일단에 연결되고 상기 제3 김발 유닛의 일측에 연결된 제2 김발 구동기, 및 상기 제2 김발 부재를 회전 가능하게 지지하도록 상기 제2 김발 회전축의 타단에 연결되고 상기 제3 김발 유닛의 타측에 연결된 제2 김발 베어링을 구비할 수 있다.
상기와 다르게, 상기 제2 김발 유닛은, 상기 플라이휠과 상기 플라이휠 구동기 및 상기 제1 김발 유닛과 함께 제2 회전 방향으로 회전되도록 상기 제1 김발 유닛과 연결된 제2 김발 부재, 및 상기 제2 김발 부재를 제2 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제2 김발 회전축의 양단에 각각 연결되고 상기 제3 김발 유닛에 연결된 제2 김발 구동기를 구비할 수 있다.
상기 제3 김발 유닛은, 상기 플라이휠, 상기 플라이휠 구동기, 상기 제1 김발 유닛, 및 상기 제2 김발 유닛과 함께 제1 회전 방향으로 회전되도록 상기 제2 김발 유닛과 연결된 제3 김발 부재, 상기 제3 김발 부재를 제1 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제3 김발 회전축의 일단에 연결되고 상기 비행체 플랫폼의 일측에 연결된 제3 김발 구동기, 및 상기 제3 김발 부재를 회전 가능하게 지지하도록 상기 제3 김발 회전축의 타단에 연결되고 상기 비행체 플랫폼의 타측에 연결된 제3 김발 베어링을 구비할 수 있다.
상기와 다르게, 상기 제3 김발 유닛은, 상기 플라이휠, 상기 플라이휠 구동기, 상기 제1 김발 유닛, 및 상기 제2 김발 유닛과 함께 제1 회전 방향으로 회전되도록 상기 제2 김발 유닛과 연결된 제3 김발 부재, 및 상기 제3 김발 부재를 제1 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제3 김발 회전축의 양단에 각각 연결되고, 상기 비행체 플랫폼에 연결된 제3 김발 구동기를 구비할 수 있다.
한편, 상기 플라이휠의 회전축과 상기 제2 김발 회전축이 서로 평행하게 배치되는 김발 록 현상이 발생되면, 상기 제1 김발 유닛과 상기 제3 김발 유닛은 상호 반대 방향으로 동일 각도로 회전될 수 있다. 즉, 상기 제1 김발 유닛과 상기 제3 김발 유닛이 상호 반대 방향을 향해 동일한 회전 각도로 회전되므로, 상기 플라이휠의 각운동량 벡터는 변화되지 않으면서 김발 록 상태가 회피될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로는, 기존의 정속 이중 김발 제어 모멘트 자이로를 개선하여 플라이휠의 회전속도를 가변속 제어하므로, 항공우주비행체의 자세 제어를 위한 3차원 방향의 토크를 발생시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예는 항공우주비행체의 자세를 보다 원활하고 정밀하게 제어할 수 있으며, 기존의 정속 이중 김발 제어 모멘트 자이로를 이용하여 간편하게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로는, 기존의 정속 이중 김발 제어 모멘트 자이로를 개선하여 플라이휠의 회전속도를 가변속 제어함과 아울러 김발 유닛을 더 추가하여 자유도를 증가시키므로, 항공우주비행체의 자세 제어를 위한 3차원 방향의 토크를 발생시킬 수 있고, 일시적인 김발 록 현상도 해소할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로는, 기존의 정속 이중 김발 제어 모멘트 자이로로부터 매우 간편하게 제작할 수 있으며, 토크의 오차가 발생하지 않으면서 김발 록 현상을 회피할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로가 도시된 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 가변속 김발 제어 모멘트 자이로의 김발 록 상태를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로가 도시된 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 가변속 김발 제어 모멘트 자이로의 김발 록 상태를 나타낸 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 김발 록 상태의 해소 방법을 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 가변속 김발 제어 모멘트 자이로의 김발 록 상태를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로가 도시된 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 가변속 김발 제어 모멘트 자이로의 김발 록 상태를 나타낸 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 김발 록 상태의 해소 방법을 나타낸 구성도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)가 도시된 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)의 김발 록 상태를 나타낸 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)은 플라이휠(110), 플라이휠 구동기(120), 제1 김발 유닛(130), 제2 김발 유닛(140), 및 비행체 플랫폼(150)을 포함한다. 이와 같은 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)는 기존의 정속 이중 김발 제어 모멘트 자이로를 개선한 것으로써, 플라이휠(110)의 회전속도를 가변속 제어하여 항공우주비행체의 자세 제어를 위한 3차원 방향의 토크를 발생시킬 수 있다.
플라이휠(110)은 각운동량을 저장하는 부재이고, 플라이휠 구동기(120)는 플라이휠(110)을 회전시키는 부재이다. 플라이휠 구동기(120)는 플라이휠(110)의 회전축(112)과 연결될 수 있다. 이와 같은 플라이휠 구동기(120)는 플라이휠(110)의 회전 속도를 다양한 속도로 가변시킬 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 플라이휠 구동기(120)로 전동기가 사용되는 것으로 설명하지만, 그에 한정되는 것은 아니며 플라이휠(110)에 구동력을 제공하는 다양한 종류의 구동장치가 사용될 수 있다.
도 1를 참조하면, 제1 김발 유닛(130)은 플라이휠(110)의 회전축(112)과 직교되는 제1 김발 회전축(132)을 기준으로 플라이휠 구동기(120)를 제1 회전 방향(B)으로 회전시키는 부재이다. 제1 김발 유닛(130)은, 플라이휠 구동기(120)와 연결될 수 있으며, 제2 김발 유닛(140)에 회전 가능하게 지지될 수 있다. 따라서, 플라이휠(110)과 플라이휠 구동기(120)는 제1 김발 유닛(130)에 의해 제1 회전 방향(B)으로 회전될 수 있다.
일예로, 제1 김발 유닛(130)은, 플라이휠(110) 및 플라이휠 구동기(120)와 함께 제1 회전 방향(B)으로 회전되도록 플라이휠 구동기(120)와 연결된 제1 김발 부재(134), 제1 김발 부재(134)를 제1 회전 방향(B)으로 회전시키도록 제1 김발 회전축(132)의 일단에 연결되고 제2 김발 유닛(140)의 일측에 연결된 제1 김발 구동기(136), 및 제1 김발 부재(134)를 회전 가능하게 지지하도록 제1 김발 회전축(132)의 타단에 연결되고 제2 김발 유닛(140)의 타측에 연결된 제1 김발 베어링(138)을 구비할 수 있다. 따라서, 제1 김발 구동기(136)에 의해 제1 김발 부재(134)가 회전될 수 있고, 제1 김발 부재(134)가 회전됨에 따라 플라이휠(110)과 플라이휠 구동기(120)도 함께 회전될 수 있다.
다른 예로, 제1 김발 유닛(130)은, 플라이휠(110) 및 플라이휠 구동기(120)와 함께 제1 회전 방향(B)으로 회전되도록 플라이휠 구동기(120)와 연결된 제1 김발 부재(134), 및 제1 김발 부재(134)를 제1 회전 방향으로 회전시키도록 제1 김발 회전축(132)의 양단에 각각 연결되고 제2 김발 유닛(140)에 연결된 제1 김발 구동기(136)를 구비할 수 있다. 즉, 제1 김발 유닛(130)의 다른 예는 2개의 제1 김발 구동기(136)를 이용하여 제1 김발 부재(134)의 작동을 제어하므로, 제1 김발 유닛(130)의 일예보다 더욱 신속하게 회전각을 제어할 수 있다.
이하, 본 실시예에서는 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)에 제1 김발 유닛(130)의 일예가 적용된 것으로 설명한다.
도 1를 참조하면, 제2 김발 유닛(140)은 제1 김발 유닛(130)의 제1 김발 회전축(132)과 직교되는 제2 김발 회전축(142)을 기준으로 제1 김발 유닛(130)을 제2 회전 방향(C)으로 회전시키는 부재이다. 제2 김발 유닛(140)은, 제1 김발 유닛(130)과 연결될 수 있으며, 비행체 플랫폼(150)에 회전 가능하게 지지될 수 있다. 따라서, 플라이휠(110)과 플라이휠 구동기(120) 및 제1 김발 유닛(130)은 제2 김발 유닛(140)에 의해 제2 회전 방향(C)으로 회전될 수 있다.
일예로, 제2 김발 유닛(140)은, 플라이휠(110)과 플라이휠 구동기(120) 및 제1 김발 유닛(130)과 함께 제2 회전 방향(C)으로 회전되도록 제1 김발 유닛(130)과 연결된 제2 김발 부재(144), 제2 김발 부재(144)를 제2 회전 방향(C)으로 회전시키도록 제2 김발 회전축(142)의 일단에 연결되고 비행체 플랫폼(150)의 일측에 연결된 제2 김발 구동기(146), 및 제2 김발 부재(144)를 회전 가능하게 지지하도록 제2 김발 회전축(142)의 타단에 연결되고 비행체 플랫폼(150)의 타측에 연결된 제2 김발 베어링(148)을 구비할 수 있다. 따라서, 제2 김발 구동기(146)에 의해 제2 김발 부재(144)가 회전될 수 있고, 제2 김발 부재(144)가 회전됨에 따라 플라이휠(110)과 플라이휠 구동기(120) 및 제1 김발 유닛(130)도 함께 회전될 수 있다.
다른 예로, 제2 김발 유닛(140)은, 플라이휠(110)과 플라이휠 구동기(120) 및 제1 김발 유닛(130)과 함께 제2 회전 방향(C)으로 회전되도록 제1 김발 유닛(130)과 연결된 제2 김발 부재(144), 및 제2 김발 부재(144)를 제2 회전 방향(C)으로 회전시키도록 제2 김발 회전축(142)의 양단에 각각 연결되고 비행체 플랫폼(150)에 연결된 제2 김발 구동기(146)를 구비할 수 있다. 즉, 제2 김발 유닛(140)의 다른 예는 2개의 제2 김발 구동기(146)를 이용하여 제2 김발 부재(144)의 작동을 제어하므로, 제2 김발 유닛(140)의 일예보다 더욱 신속하게 회전각을 제어할 수 있다.
이하, 본 실시예에서는 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)에 제2 김발 유닛(140)의 일예가 적용된 것으로 설명한다.
도 1을 참조하면, 비행체 플랫폼(150)은 플라이휠(110)의 각운동량 변화에 의해 발생되는 반작용 토크를 전달받는 부재이다. 비행체 플랫폼(150)은 제2 김발 유닛(140)을 지지하기 위하여 제2 김발 유닛(140)과 연결될 수 있다. 즉, 비행체 플랫폼(150)에는 제2 김발 구동기(146)와 제2 김발 베어링(148)이 서로 다른 위치에 고정될 수 있다.
도 1과 도 2를 참조하면, 상기와 같이 구성된 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)는 전반적으로 기존의 정속 이중 김발 제어 모멘트 자이로와 유사한 기계적 구조를 가지고 있으나, 플라이휠(110)의 회전 속도를 플라이휠 구동기(120)를 이용하여 가변속 제어를 한다는 점에서 차이가 있다. 즉, 플라이휠 구동기(120)에 의해서 플라이휠(110)에 회전축(112)의 회전 방향(A)으로 토크를 발생시킬 수 있다.
그리고, 기존 정속 이중 김발 제어 모멘트 자이로와 마찬가지로, 제1 김발 구동기(136)와 제2 김발 구동기(146)에 의해 제1 김발 부재(134)과 제2 김발 부재(144)의 회전각을 조절하여 플라이휠(110)의 회전 방향을 제어할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)는 일시적인 김발 록 상태를 제외하면 항시 3차원 방향의 토크를 발생시킬 수 있다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 본 실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)는, 플라이휠(110)의 회전 속도를 플라이휠 구동기(120)를 이용하여 가변속 제어를 함으로써, 플라이휠(110)의 각운동량을 회전축(112) 방향으로 변화시켜 토크를 발생시킬 수 있다. 또한, 제1 김발 구동기(136)에 의한 제1 김발 부재(134)의 회전, 및 제2 김발 구동기(146)에 의한 제2 김발 부재(144)의 회전에 의해서 플라이휠(110)의 각운동량 벡터의 방향이 변화되면, 2차원의 토크가 발생될 수 있다. 따라서, 플라이휠(110)의 각운동량을 회전축(112)의 회전 방향(A)으로 변화시켜 발생된 토크가 제1 김발 유닛(130)과 제2 김발 유닛(140)에 의해 발생된 2차원의 토크에 더해져서 3차원 방향으로의 토크를 발생시킬 수 있다.
즉, 플라이휠(110)의 각운동량 벡터는, 플라이휠(110)의 회전속도를 Ω라 하고 제1 김발 부재(134)의 회전각을 γ1, 제2 김발 부재(144)의 회전각을 γ2라고 할 때, 아래와 같이 수학식 1로 나타낼 수 있다.
한편, 토크 벡터는 각운동량 벡터를 시간에 대해 미분으로 나타낼 수 있으므로, 아래와 같이 수학식 2로 나타낼 수 있다.
이때, C는 3×3 크기의 자코비안 행렬로서, 아래의 수학식 3으로 정의될 수 있다.
그리고, u는 3×1 크기의 제어 입력 벡터로서, 아래의 수학식 4로 정의될 수 있다.
따라서, 자세 제어 로직에서 제어에 필요한 토크 T를 계산하면, 이 제어 토크를 발생시키기 위해서 제어 모멘트 자이로에 제공하는 제어 입력은 아래와 같은 수학식 5로 계산할 수 있다.
즉, 자코비안 행렬 C의 역행렬이 존재한다고 가정하면, 임의의 3차원 방향의 토크 T가 필요할 때, 수학식 5를 이용하여 3개의 제어 입력을 계산할 수 있고, 이 값을 플라이휠 구동기, 제1 김발 구동기(136), 및 제2 김발 구동기(146)에 전달하여 토크 T를 발생시킬 수 있다.
그런데, 본 실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)는 제1 김발 유닛(130)과 제2 김발 유닛(140)의 회전각에 따라 일시적으로 3차원 방향의 토크를 발생시키지 못하고, 단지 2차원 방향의 제한된 방향으로만 토크를 발생시킬 수 있는 상태가 존재한다. 이를 김발 락 현상이라고 하며, 이때는 자코비안 행렬 C의 랭크가 2가 되어 역행렬이 존재하지 않는 상태이다. 물리적으로는, 도 2에 도시된 바와 같이 플라이휠(110)의 회전축(112) 및 제2 김발 회전축(142)의 방향이 서로 일치하거나 또는 서로 정반대인 상황에서 발생된다.
하지만, 위에서 설명한 바와 같이 김발 락 현상은 일시적으로만 발생되는 현상이다. 즉, 김발 락 상태에서는 3차원 방향의 토크를 발생시킬 수 없지만, 특이점 강성 방법(Singularity Robustness Method) 등을 사용하여 회피할 수 있다. 이와 같은 방법은 김발 락이 발생하는 구간에서는 제어 토크 오차가 일시적으로 발생될 수 있지만, 그 밖의 영역에서는 원하는 3차원 방향의 토크를 원활하게 발생시킬 수 있으며, 일시적인 제어 토크 오차를 허용하는 제어 모드에서는, 예를 들어 정지 자세에서 다른 정지 자세로의 기동(rest-to-rest maneuver)에서는 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)는, 일시적인 상태를 제외한 대부분의 경우에 있어서 3차원 방향의 토크를 발생시킬 수 있으므로, 하나의 장치만을 이용해도 비행체의 자세를 바꾸는 기동 등에 효과적으로 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)가 도시된 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시된 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)의 김발 록 상태를 나타낸 구성도이며, 도 5는 도 4에 도시된 김발 록 상태의 해소 방법을 나타낸 구성도이다.
도 3 내지 도 5에서 도 1과 도 2에 도시된 참조부호와 동일 유사한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 이하에서는 도 1과 도 2에 도시된 단말기 장치(100)와 상이한 점을 중심으로 서술하도록 한다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)가 도 1과 도 2에 도시된 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)와 상이한 점은, 제2 김발 유닛(140)의 외부에 제3 김발 유닛(210)을 추가하여 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)의 자유도를 증가시킨다는 점이 상이하다.
구체적으로 설명하면, 본 실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)는 플라이휠(110), 플라이휠 구동기(120), 제1 김발 유닛(130), 제2 김발 유닛(140), 제3 김발 유닛(210) 및 비행체 플랫폼(150)을 포함하되, 플라이휠(110), 플라이휠 구동기(120), 제1 김발 유닛(130), 제2 김발 유닛(140), 및 비행체 플랫폼(150)은 도 1과 도 2에 도시된 구성과 동일 유사하기 때문에 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
다만, 본 실시예에서는 제3 김발 유닛(210)이 제2 김발 유닛(140)과 비행체 플랫폼(150) 사이에 위치되므로, 제2 김발 유닛(140) 및 비행체 플랫폼(150)의 연결 관계가 도 1과 도 2에 도시된 제2 김발 유닛(140) 및 비행체 플랫폼(150)과 일부 상이하다. 즉, 본 실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)에서는, 제2 김발 유닛(140)의 제2 김발 구동기(146) 또는 제2 김발 베어링(148)이 제3 김발 유닛(210)에 연결될 수 있고, 비행체 플랫폼(150)이 제3 김발 유닛과 연결될 수 있다.
일예로, 제2 김발 유닛(140)은, 플라이휠(110)과 플라이휠 구동기(120) 및 제1 김발 유닛(130)과 함께 제2 회전 방향(C)으로 회전되도록 제1 김발 유닛(130)과 연결된 제2 김발 부재(144), 제2 김발 부재(144)를 제2 회전 방향(C)으로 회전시키도록 제2 김발 회전축(142)의 일단에 연결되고 제3 김발 유닛(210)의 일측에 연결된 제2 김발 구동기(146), 및 제2 김발 부재(144)를 회전 가능하게 지지하도록 제2 김발 회전축(142)의 타단에 연결되고 제3 김발 유닛(210)의 타측에 연결된 제2 김발 베어링(148)을 구비할 수 있다.
다른 예로, 제2 김발 유닛(140)은, 플라이휠(110)과 플라이휠 구동기(120) 및 제1 김발 유닛(130)과 함께 제2 회전 방향(C)으로 회전되도록 제1 김발 유닛(130)과 연결된 제2 김발 부재(144), 및 제2 김발 부재(144)를 제2 회전 방향(C)으로 회전시키도록 제2 김발 회전축(142)의 양단에 각각 연결되고 제3 김발 유닛(210)에 연결된 제2 김발 구동기(146)를 구비할 수도 있다.
이하, 본 실시예에서는 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)에 제2 김발 유닛(140)의 일예가 적용된 것으로 설명한다.
도 3을 참조하면, 제3 김발 유닛(210)은 제2 김발 유닛(140)의 제2 김발 회전축(142)에 직교되는 제3 김발 회전축(212)을 기준으로 제2 김발 유닛(140)을 제1 회전 방향(B)으로 회전시키는 부재이다. 제3 김발 유닛(210)은, 제2 김발 유닛(140)과 연결될 수 있으며, 비행체 플랫폼(150)에 회전 가능하게 지지될 수 있다. 따라서, 플라이휠(110), 플라이휠 구동기(120), 제1 김발 유닛(130), 및 제2 김발 유닛(140)은 제3 김발 유닛(210)에 의해 제1 회전 방향(B)으로 회전될 수 있다.
일예로, 제3 김발 유닛(210)은, 플라이휠(110), 플라이휠 구동기(120), 제1 김발 유닛(130), 및 제2 김발 유닛(140)과 함께 제1 회전 방향(B)으로 회전되도록 제2 김발 유닛(140)과 연결된 제3 김발 부재(214), 제3 김발 부재(214)를 제1 회전 방향(B)으로 회전시키도록 제3 김발 회전축의 일단에 연결되고 비행체 플랫폼(150)의 일측에 연결된 제3 김발 구동기(216), 및 제3 김발 부재(214)를 회전 가능하게 지지하도록 제3 김발 회전축(212)의 타단에 연결되고 비행체 플랫폼(150)의 타측에 연결된 제3 김발 베어링(218)을 구비할 수 있다. 따라서, 제3 김발 구동기(216)에 의해 제3 김발 부재(214)가 회전될 수 있고, 제3 김발 부재(214)가 회전됨에 따라 플라이휠(110), 플라이휠 구동기(120), 제1 김발 유닛(130), 및 제2 김발 유닛(140)도 함께 회전될 수 있다.
다른 예로, 제3 김발 유닛(210)은, 플라이휠(110), 플라이휠 구동기(120), 제1 김발 유닛(130), 및 제2 김발 유닛(140)과 함께 제1 회전 방향(B)으로 회전되도록 제2 김발 유닛(140)과 연결된 제3 김발 부재(214), 및 제3 김발 부재(214)를 제1 회전 방향(B)으로 회전시키도록 제3 김발 회전축(212)의 양단에 각각 연결되고 비행체 플랫폼(150)에 연결된 제3 김발 구동기(216)를 구비할 수 있다. 즉, 제3 김발 유닛(210)의 다른 예는 2개의 제3 김발 구동기(216)를 이용하여 제3 김발 부재(214)의 작동을 제어하므로, 제3 김발 유닛(210)의 일예보다 더욱 신속하게 회전각을 제어할 수 있다.
이하, 본 실시예에서는 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)에 제3 김발 유닛(210)의 일예가 적용된 것으로 설명한다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기와 같이 구성된 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)는 도 1과 도 2에 도시된 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)에 제3 김발 유닛(210)을 추가한 구조로써, 김발 록 상태를 회피할 수 있어 항상 3차원 방향의 토크를 발생할 수 있다. 즉, 본 실시예의 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)는 하나의 장치에서 비행체의 3축 자세제어를 위한 토크를 생성하므로, 하나의 장치로 3축 자세제어 시스템을 구현할 수 있다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 본 실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)는, 시간에 대한 연속 함수로 주어진 자세 명령을 연속적으로 추종해야만 하는 모드에 사용될 수 있다.
예를 들면, 위성체의 카메라 또는 안테나가 넓은 영역을 주사하여 촬영하거나 혹은 장시간 동안 특정한 방향의 대상을 촬영해야만 하는 모드의 경우에는 일시적인 제어 토크 오차도 허용될 수 없다. 따라서, 도 1과 도 2에 도시된 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)를 사용할 경우, 하나만 사용하여 비행체의 자세 제어를 수행하는 것은 불가능하며, 둘 이상의 조합으로 사용해야만 한다. 반면에, 본 실시예의 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)는 항상 3차원 방향의 토크가 발생되므로, 하나만 사용하여 비행체의 자세 제어를 수행할 수 있다.
한편, 제3 김발 유닛(210)의 회전각을 γ3이라고 하면, 플라이휠(110)의 각운동량과 토크는 아래와 같이 수학식 6 내지 수학식 9로 나타낼 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(100)와 비교하면, 제어 입력 변수가 하나 더 많아질 수 있으며, 원하는 토크 벡터를 발생시키기 위한 입력은 입력 벡터의 크기를 최소화하도록 준역행렬(pseudo-inverse matrix) C+을 이용하여 아래의 수학식 10으로 계산할 수 있다.
이때, 자코비안 행렬 C는 3×4의 크기를 갖는 행렬인데, 전술한 수학식 1 내지 수학식 5의 경우와 마찬가지로 C의 랭크가 2가 되면 (CCT)-1가 존재하지 않아 수학식 10을 이용하여 제어 입력(u)를 계산할 수 없다.
도 4에 도시된 바와 같이, 플라이휠(110)의 회전축(112)의 회전 방향(A)이 제2 김발 유닛(140)의 제2 회전 방향(C)과 일치하면, 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)는 김발 록 상황이 된다.
하지만 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)는 토크의 오차를 발생시키지 않으면서 김발 록 상황을 회피할 수 있다. 즉, 제3 김발 유닛(210)에 회전각을 주고, 그와 동시에 제1 김발 유닛(130)에 반대 방향으로 동일 크기의 회전각을 준다. 그렇게 되면, 플라이휠(110)의 각운동량 벡터에는 아무런 변화를 주지 않으면서 김발 록 상태에서 벗어날 수 있다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이 플라이휠(110)의 회전축(112)과 제2 김발 회전축(142)이 서로 평행하게 배치되는 김발 록 현상이 발생되면, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 김발 유닛(130)과 제3 김발 유닛(210)을 상호 반대 방향으로 동일 각도로 회전시킬 수 있다. 이와 같이 제1 김발 유닛(130)과 제3 김발 유닛(210)이 반대 방향으로 동일한 회전 각도로 회전되면, 플라이휠(110)의 각운동량 벡터는 변화되지 않으면서 김발 록 상태가 원활하게 회피될 수 있다.
이와 같은 원리를 이용하여 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)가 김발 록 상태에 이르기 직전에 적절히 회피하면, 언제나 자코비안 행렬 C의 랭크를 3으로 유지시켜 항상 원하는 방향과 크기의 토크를 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변속 김발 제어 모멘트 자이로(200)는, 언제나 3차원 방향의 토크를 발생시킬 수 있으므로, 하나의 장치를 이용해서 비행체의 자세를 계획된 궤적을 따라 연속으로 추종하는 경우에 효과적으로 사용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100, 200: 가변속 김발 제어 모멘트 자이로
110: 플라이휠
112: 플라이휠 회전축
120: 플라이휠 구동기
130: 제1 김발 유닛
140: 제2 김발 유닛
150: 비행체 플랫폼
210: 제3 김발 유닛
110: 플라이휠
112: 플라이휠 회전축
120: 플라이휠 구동기
130: 제1 김발 유닛
140: 제2 김발 유닛
150: 비행체 플랫폼
210: 제3 김발 유닛
Claims (13)
- 각운동량을 저장하는 플라이휠;
상기 플라이휠의 회전 속도를 가변시키도록 상기 플라이휠의 회전축과 연결된 플라이휠 구동기;
상기 플라이휠 구동기에 연결되고, 상기 플라이휠의 회전축과 직교되는 제1 김발 회전축을 기준으로 상기 플라이휠 구동기를 제1 회전 방향으로 회전시키는 제1 김발 유닛;
상기 제1 김발 유닛에 연결되고, 상기 제1 김발 유닛의 제1 김발 회전축과 직교되는 제2 김발 회전축을 기준으로 상기 제1 김발 유닛을 제2 회전 방향으로 회전시키는 제2 김발 유닛; 및
상기 제2 김발 유닛과 연결되고, 상기 플라이휠의 각운동량 변화에 의해 발생되는 반작용 토크를 전달받는 비행체 플랫폼;
를 포함하는 가변속 김발 제어 모멘트 자이로.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 김발 유닛은,
상기 플라이휠 및 상기 플라이휠 구동기와 함께 제1 회전 방향으로 회전되도록 상기 플라이휠 구동기와 연결된 제1 김발 부재;
상기 제1 김발 부재를 제1 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제1 김발 회전축의 일단에 연결되고, 상기 제2 김발 유닛의 일측에 연결된 제1 김발 구동기; 및
상기 제1 김발 부재를 회전 가능하게 지지하도록 상기 제1 김발 회전축의 타단에 연결되고, 상기 제2 김발 유닛의 타측에 연결된 제1 김발 베어링;
를 구비한 가변속 김발 제어 모멘트 자이로.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 김발 유닛은,
상기 플라이휠 및 상기 플라이휠 구동기와 함께 제1 회전 방향으로 회전되도록 상기 플라이휠 구동기와 연결된 제1 김발 부재; 및
상기 제1 김발 부재를 제1 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제1 김발 회전축의 양단에 각각 연결되고, 상기 제2 김발 유닛에 연결된 제1 김발 구동기;
를 구비한 가변속 김발 제어 모멘트 자이로.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 김발 유닛은,
상기 플라이휠과 상기 플라이휠 구동기 및 상기 제1 김발 유닛과 함께 제2 회전 방향으로 회전되도록 상기 제1 김발 유닛과 연결된 제2 김발 부재;
상기 제2 김발 부재를 제2 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제2 김발 회전축의 일단에 연결되고, 상기 비행체 플랫폼의 일측에 연결된 제2 김발 구동기; 및
상기 제2 김발 부재를 회전 가능하게 지지하도록 상기 제2 김발 회전축의 타단에 연결되고, 상기 비행체 플랫폼의 타측에 연결된 제2 김발 베어링;
를 구비한 가변속 김발 제어 모멘트 자이로.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 김발 유닛은,
상기 플라이휠과 상기 플라이휠 구동기 및 상기 제1 김발 유닛과 함께 제2 회전 방향으로 회전되도록 상기 제1 김발 유닛과 연결된 제2 김발 부재; 및
상기 제2 김발 부재를 제2 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제2 김발 회전축의 양단에 각각 연결되고, 상기 비행체 플랫폼에 연결된 제2 김발 구동기;
를 구비한 가변속 김발 제어 모멘트 자이로.
- 각운동량을 저장하는 플라이휠;
상기 플라이휠의 회전 속도를 가변시키도록 상기 플라이휠의 회전축과 연결된 플라이휠 구동기;
상기 플라이휠 구동기에 연결되고, 상기 플라이휠의 회전축과 직교되는 제1 김발 회전축을 기준으로 상기 플라이휠 구동기를 제1 회전 방향으로 회전시키는 제1 김발 유닛;
상기 제1 김발 유닛에 연결되고, 상기 제1 김발 회전축에 직교되는 제2 김발 회전축을 기준으로 상기 제1 김발 유닛을 제2 회전 방향으로 회전시키는 제2 김발 유닛; 및
상기 제2 김발 유닛에 연결되고, 상기 제2 김발 회전축에 직교되는 제3 김발 회전축을 기준으로 상기 제2 김발 유닛을 제1 회전 방향으로 회전시키는 제3 김발 유닛; 및
상기 제3 김발 유닛과 연결되고, 상기 플라이휠의 각운동량 변화에 의해 발생되는 반작용 토크를 전달받는 비행체 플랫폼;
를 포함하는 가변속 김발 제어 모멘트 자이로.
- 제6항에 있어서,
상기 제1 김발 유닛은,
상기 플라이휠 및 상기 플라이휠 구동기와 함께 제1 회전 방향으로 회전되도록 상기 플라이휠 구동기와 연결된 제1 김발 부재;
상기 제1 김발 부재를 제1 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제1 김발 회전축의 일단에 연결되고, 상기 제2 김발 유닛의 일측에 연결된 제1 김발 구동기; 및
상기 제1 김발 부재를 회전 가능하게 지지하도록 상기 제1 김발 회전축의 타단에 연결되고, 상기 제2 김발 유닛의 타측에 연결된 제1 김발 베어링;
를 구비한 가변속 김발 제어 모멘트 자이로.
- 제6항에 있어서,
상기 제1 김발 유닛은,
상기 플라이휠 및 상기 플라이휠 구동기와 함께 제1 회전 방향으로 회전되도록 상기 플라이휠 구동기와 연결된 제1 김발 부재; 및
상기 제1 김발 부재를 제1 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제1 김발 회전축의 양단에 각각 연결되고, 상기 제2 김발 유닛에 연결된 제1 김발 구동기;
를 구비한 가변속 김발 제어 모멘트 자이로.
- 제6항에 있어서,
상기 제2 김발 유닛은,
상기 플라이휠과 상기 플라이휠 구동기 및 상기 제1 김발 유닛과 함께 제2 회전 방향으로 회전되도록 상기 제1 김발 유닛과 연결된 제2 김발 부재;
상기 제2 김발 부재를 제2 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제2 김발 회전축의 일단에 연결되고, 상기 제3 김발 유닛의 일측에 연결된 제2 김발 구동기; 및
상기 제2 김발 부재를 회전 가능하게 지지하도록 상기 제2 김발 회전축의 타단에 연결되고, 상기 제3 김발 유닛의 타측에 연결된 제2 김발 베어링;
를 구비한 가변속 김발 제어 모멘트 자이로.
- 제6항에 있어서,
상기 제2 김발 유닛은,
상기 플라이휠과 상기 플라이휠 구동기 및 상기 제1 김발 유닛과 함께 제2 회전 방향으로 회전되도록 상기 제1 김발 유닛과 연결된 제2 김발 부재; 및
상기 제2 김발 부재를 제2 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제2 김발 회전축의 양단에 각각 연결되고, 상기 제3 김발 유닛에 연결된 제2 김발 구동기;
를 구비한 가변속 김발 제어 모멘트 자이로.
- 제6항에 있어서,
상기 제3 김발 유닛은,
상기 플라이휠, 상기 플라이휠 구동기, 상기 제1 김발 유닛, 및 상기 제2 김발 유닛과 함께 제1 회전 방향으로 회전되도록 상기 제2 김발 유닛과 연결된 제3 김발 부재;
상기 제3 김발 부재를 제1 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제3 김발 회전축의 일단에 연결되고, 상기 비행체 플랫폼의 일측에 연결된 제3 김발 구동기; 및
상기 제3 김발 부재를 회전 가능하게 지지하도록 상기 제3 김발 회전축의 타단에 연결되고, 상기 비행체 플랫폼의 타측에 연결된 제3 김발 베어링;
를 구비한 가변속 김발 제어 모멘트 자이로.
- 제6항에 있어서,
상기 제3 김발 유닛은,
상기 플라이휠, 상기 플라이휠 구동기, 상기 제1 김발 유닛, 및 상기 제2 김발 유닛과 함께 제1 회전 방향으로 회전되도록 상기 제2 김발 유닛과 연결된 제3 김발 부재; 및
상기 제3 김발 부재를 제1 회전 방향으로 회전시키도록 상기 제3 김발 회전축의 양단에 각각 연결되고, 상기 비행체 플랫폼에 연결된 제3 김발 구동기;
를 구비한 가변속 김발 제어 모멘트 자이로.
- 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라이휠의 회전축과 상기 제2 김발 회전축이 서로 평행하게 배치되는 김발 록 현상이 발생되면, 상기 제1 김발 유닛과 상기 제3 김발 유닛은 상호 반대 방향으로 동일 각도로 회전되는 가변속 김발 제어 모멘트 자이로.
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