KR20220076151A - Apparatus and method for controlling line of sight stabilization and a recording medium storing a computer program - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시선 안정화 제어 장치, 제어 방법 및 컴퓨터 프로그램을 저장한 기록 매체에 관한 것으로서, 제어 신호를 입력받아 대상물을 향하는 시선을 이동시키기 위한 김벌의 시선 안정화 제어 장치로서, 명령 입력, 상기 김벌의 각속도 및 시선 오차의 피드백 입력에 따라 상기 김벌 내의 마찰을 보상하기 위한 제1합성 제어 신호를 출력하기 위한 추종 제어부; 및 제어 신호 및 상기 제1 합성 제어 신호를 이용하여 상기 김벌에 가해지는 외란에 의한 영향을 보상하기 위한 제2합성 제어 신호를 출력하기 위한 안정화 제어부;를 포함하고, 불특정 외란에 대해서도 정밀하고 안정화된 성능을 구현할 수 있다.The present invention relates to an apparatus for controlling gaze stabilization, a control method, and a recording medium storing a computer program, as an apparatus for controlling gaze stabilization of a gimbal for moving a gaze toward an object by receiving a control signal, input of a command, and angular velocity of the gimbal and a tracking control unit configured to output a first synthesis control signal for compensating for friction within the gimbal according to a feedback input of a gaze error. and a stabilization control unit for outputting a second synthesis control signal for compensating for the effect of disturbance applied to the gimbal using a control signal and the first synthesis control signal; performance can be implemented.
Description
본 발명은 시선 안정화 제어 장치, 제어 방법 및 컴퓨터 프로그램을 저장한 기록 매체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 불특정 외란에 대해서도 정밀하고 안정화된 성능을 구현할 수 있는 시선 안정화 제어 장치, 제어 방법 및 컴퓨터 프로그램을 저장한 기록 매체에 관한 것이다.The present invention relates to a gaze stabilization control device, a control method, and a recording medium storing a computer program, and more particularly, to a gaze stabilization control device, a control method, and a computer program capable of realizing precise and stable performance against unspecified disturbances. It relates to the storage medium.
시선(LOS, line of sight)이란 지정된 센서 또는 카메라가 바라보는 방향을 나타내는 용어이며, 시선 안정화(stabilization) 시스템은 내부의 센서, 카메라, 무기 등의 시선을 관성 평면 기준으로 흔들림 없이 제어할 수 있게 하는 시스템을 나타낸다. Line of sight (LOS) is a term that indicates the direction in which a designated sensor or camera is looking. represents a system that
일반적인 시선 안정화 시스템은, 비례-적분-미분(Proportional-Integrator-Derivative, 이하 PID라 함) 제어 방식이나, 진상 보상기(Lead Compensator)를 적용한 PI-Lead 제어 방식을 통해 제어 목표 성능을 구현하고 있다. 이러한 제어 방식은 시선 안정화 시스템의 사용 목적에 따라 선택적으로 적용되고 있으며, 예컨대 비교적 고정밀도의 안정화 성능이 요구되는 경우, 시스템의 안정도를 높일 수 있는 PI-Lead 제어 방식이 채택되고 있다. A general gaze stabilization system implements a control target performance through a proportional-integrator-derivative (PID) control method or a PI-lead control method to which a lead compensator is applied. This control method is selectively applied according to the purpose of use of the gaze stabilization system, and, for example, when a relatively high-precision stabilization performance is required, a PI-lead control method capable of increasing the stability of the system is adopted.
한편, 시선 안정화 시스템은 온도, 조립 및 가공 공차, 윤활의 상태 등 다양한 내/외부 요인에 의해 가변적인 마찰 특성을 가진다. 예를 들어, 군사적 목적의 서보 시스템의 경우 일반적으로 영하 32℃에서 영상 45℃에 이르는 고/저온의 환경에서 임무수행이 가능해야 하는데, 이러한 온도변화는 부품간의 열응력을 발생시키고 윤활유의 점성의 변화를 초래하는 등 시선 안정화 시스템의 마찰의 특성 변화를 초래한다. 또한, 시선 안정화 시스템을 양산하는 과정에서 발생하는 조립공차, 베어링의 예압량 편차 등과 같은 가공 오차는 시스템의 마찰 특성을 변화시키는 요인으로 작용하고 있다. 따라서 시선 안정화 시스템은 제어 장치의 설계나 검증 과정에서 가변적인 마찰에 대한 특성을 추정하고, 추정된 마찰을 보상하여 시스템의 정밀도를 확보할 수 있는 방안이 요구되고 있다. On the other hand, the gaze stabilization system has variable friction characteristics depending on various internal/external factors such as temperature, assembly and processing tolerances, and lubrication conditions. For example, in the case of a military-purpose servo system, it should be possible to perform missions in a high/low temperature environment ranging from -32°C to +45°C in general. resulting in a change in the properties of friction of the gaze stabilization system, such as causing a change. In addition, machining errors such as assembly tolerances and deviations in preload amount of bearings that occur in the process of mass-producing the gaze stabilization system act as factors that change the friction characteristics of the system. Therefore, there is a need for a method for securing the accuracy of the gaze stabilization system by estimating the characteristics of the variable friction in the design or verification process of the control device and compensating for the estimated friction.
본 발명은 불규칙한 외란이 인가되는 조건에서 마찰의 불확실성을 추정하고 이를 보상할 수 있는 시선 안정화 제어 장치, 제어 방법 및 컴퓨터 프로그램을 저장한 기록 매체를 제공한다.The present invention provides a gaze stabilization control apparatus capable of estimating and compensating for friction uncertainty in a condition in which irregular disturbance is applied, a control method, and a recording medium storing a computer program.
본 발명은 시스템의 내부 및 외부 환경에 따라 변동하는 마찰을 보상하여, 높은 정밀도의 안정화 성능을 구현할 수 있는 시선 안정화 제어 장치, 제어 방법 및 컴퓨터 프로그램을 저장한 기록 매체를 제공한다.The present invention provides an apparatus for controlling gaze stabilization capable of realizing high-precision stabilization performance by compensating for friction that fluctuates according to internal and external environments of a system, a control method, and a recording medium storing a computer program.
본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치는, 제어 신호를 입력받아 대상물을 향하는 시선을 이동시키기 위한 김벌의 시선 안정화 제어 장치로서, 명령 입력, 상기 김벌의 각속도 및 시선 오차의 피드백 입력에 따라 상기 김벌 내의 마찰을 보상하기 위한 제1합성 제어 신호를 출력하기 위한 추종 제어부; 및 제어 신호 및 상기 제1 합성 제어 신호를 이용하여 상기 김벌에 가해지는 외란에 의한 영향을 보상하기 위한 제2합성 제어 신호를 출력하기 위한 안정화 제어부;를 포함할 수 있다. The gaze stabilization control device according to an embodiment of the present invention is a gaze stabilization control device for a gimbal for receiving a control signal to move a gaze toward an object, and according to a command input, a feedback input of the angular velocity of the gimbal and a gaze error, the a tracking control unit for outputting a first synthesis control signal for compensating for friction in the gimbal; and a stabilization control unit configured to output a second synthesis control signal for compensating for an effect of disturbance applied to the gimbal by using a control signal and the first synthesis control signal.
상기 추종 제어부는, 상기 김벌의 피드백 입력으로부터 상기 김벌의 마찰 변수를 추정하기 위한 변수 추정기; 및 상기 명령 입력과 추정된 마찰 변수를 이용하여 김벌의 마찰 토크를 계산하고, 계산된 마찰 토크를 보상하기 위한 상기 제1합성 제어 신호를 출력하기 위한 마찰 관측기;를 포함할 수 있다.The following control unit may include: a variable estimator for estimating the friction variable of the gimbal from the feedback input of the gimbal; and a friction observer for calculating the friction torque of the gimbal by using the command input and the estimated friction variable, and outputting the first synthesized control signal for compensating for the calculated friction torque.
상기 추종 제어부는, 슬라이딩 모드를 기반으로 하는 정현파 구동에 대한 적응 제어 방식을 이용하여 상기 김벌의 마찰 변수를 추정할 수 있다.The following control unit may estimate the friction variable of the gimbal using an adaptive control method for sinusoidal driving based on the sliding mode.
상기 추종 제어부는 상기 김벌의 피드백 입력에 따라 업데이트된 제1 합성 제어 신호를 출력할 수 있다.The tracking controller may output an updated first composite control signal according to the feedback input of the gimbal.
상기 안정화 제어부는, 상기 김벌에 설치되는 센서에서 출력되는 외란 신호를 추출하기 위한 외란 검출기; 및 상기 제1 합성 제어 신호, 제어 신호 및 외란 신호를 합성하여 제2 합성 제어 신호를 출력하기 위한 합성기;를 포함할 수 있다.The stabilization control unit, the disturbance detector for extracting the disturbance signal output from the sensor installed in the gimbal; and a synthesizer configured to synthesize the first synthesized control signal, the control signal, and the disturbance signal to output a second synthesized control signal.
상기 안정화 제어부는 PI-LEAD 제어 방식으로 상기 김벌에 가해지는 외란에 의한 영향을 보상할 수 있다. The stabilization control unit may compensate for the effect of disturbance applied to the gimbal in a PI-LEAD control method.
본 발명의 실시 형태에 따른 시선 안정화 제어 방법은, 제어 신호를 입력받아 대상물을 향하는 시선을 이동시키기 위한 김벌의 시선 안정화 제어 방법으로서, 명령 입력, 상기 김벌의 각속도 및 시선 오차의 피드백 입력에 따라 상기 김벌 내의 마찰을 보상하기 위한 제1 합성 제어 신호를 출력하는 과정; 및 제어 신호 및 상기 제1 합성 제어 신호를 이용하여 상기 김벌에 가해지는 외란에 의한 영향을 보상하기 위한 제2 합성 제어 신호를 출력하는 과정;을 포함할 수 있다.A gaze stabilization control method according to an embodiment of the present invention is a gaze stabilization control method of a gimbal for receiving a control signal to move a gaze toward an object, and according to a command input, a feedback input of the angular velocity of the gimbal and a gaze error, the outputting a first composite control signal for compensating for friction in the gimbal; and outputting a second combined control signal for compensating for an effect of disturbance applied to the gimbal by using a control signal and the first combined control signal.
상기 제1 합성 제어 신호를 출력하는 과정은 슬라이딩 모드를 기반으로 하는 정현파 구동에 대한 적응 제어 방식을 이용하여 상기 김벌의 마찰 변수를 추정하는 과정을 포함할 수 있다.The step of outputting the first composite control signal may include the step of estimating the friction variable of the gimbal using an adaptive control method for sinusoidal driving based on a sliding mode.
상기 제1 합성 제어 신호를 출력하는 과정은, 명령 입력으로부터 상기 김벌의 목적하는 위치에 대한 위치 오차와 속도 오차를 조합한 새로운 오차(r)를 오차 방정식으로 정의하는 과정; 상기 오차 방정식으로부터 상기 김벌의 내부 상태 변수를 추정하기 위한 상태 방정식을 정의하는 과정; 및 상기 상태 방정식으로부터 상기 김벌의 마찰 변수를 포함하는 제1 합성 제어 신호를 도출하는 과정;을 포함할 수 있다.The step of outputting the first composite control signal may include defining a new error (r) obtained by combining a position error and a speed error for a desired position of the gimbal from a command input as an error equation; defining a state equation for estimating the internal state variable of the gimbal from the error equation; and deriving a first synthetic control signal including the friction variable of the gimbal from the state equation.
상기 오차 방정식은 하기의 수학식 1과 같이 정의된다. The error equation is defined as in
[수학식 1][Equation 1]
(여기에서 , θ는 실제 목적 위치, θd는 목적 위치, w는 실제 각속도, wd는 목적 각속도이다. )(From here , θ is the actual target position, θ d is the target position, w is the actual angular velocity, and w d is the target angular velocity. )
상기 상태 방정식은 하기의 수학식 2와 같이 정의된다. The state equation is defined as in
[수학식 2][Equation 2]
(여기서, z^'는 내부 상태변수의 변화율dz/dt의 추정값, z^ 는 내부 상태 변수 z의 추정값, w는 김벌의 각속도, μ0는 설계 변수로서 양의 상수값, sgn은 부호 함수(sgn(양수)=+부호 반환, sgn(음수)=-부호반환, g(w)는 스트라이벡 효과를 나타내는 각속도의 함수를 의미한다.)(where z ^' is the estimated value of the rate of change dz/dt of the internal state variable, z^ is the estimated value of the internal state variable z, w is the angular velocity of the gimbal, μ 0 is the design variable, a positive constant value, and sgn is the sign function ( sgn (positive number) = + sign return, sgn (negative number) = - sign return, g(w) denotes a function of angular velocity representing the Strivek effect.)
상기 제1 합성 제어 신호를 도출하는 과정은 하기의 수학식 3에 의하여 이루어진다.The process of deriving the first composite control signal is performed by the following Equation (3).
[수학식 3][Equation 3]
(여기서, u는 제1 합성 제어 신호, kd, λ는 설계 변수, 목적하는 시선(θd)에 대한 위치 오차를 e=θ-θd 라했을 때, r은 위치 오차와 속도 오차를 조합한 새로운 오차, σ^0, σ^1, σ^2는 추정된 마찰 변수, z^는 김벌의 내부 상태 변수 추정값, z^'는 김벌의 내부 상태 변수의 변화율dz/dt의 추정값, e'는 목적 각속도와 실제 각속도 사이의 오차, θd '' 는 김벌의 목적 위치 추정값, J는 시스템의 관성 모멘트임).(Where u is the first synthesis control signal, k d and λ are design variables, and when e=θ-θ d is the position error with respect to the target line of sight (θ d ), r is the combination of the position error and the speed error. one new error, σ ^0 , σ ^1 , σ ^2 is the estimated friction variable, z^ is the estimate of the gimbal's internal state variable, z^' is the estimate of the rate of change of the gimbal's internal state variable dz/dt, e' is the error between the target angular velocity and the actual angular velocity, θ d '' is the estimate of the target position of the gimbal, and J is the moment of inertia of the system).
상기 제1 합성 제어 신호를 도출하는 과정은 하기 수학식 4 내지 6을 이용하여 상기 새로운 오차(r)를 0으로 수렴시키는 마찰 변수를 산출하는 과정을 포함할 수 있다.The process of deriving the first composite control signal may include calculating a friction variable that converges the new error r to 0 using Equations 4 to 6 below.
[수학식 4][Equation 4]
[수학식 5][Equation 5]
[수학식 6][Equation 6]
(여기서, γ0, γ1, γ2는 설계 변수로 양의 상수값)(Here, γ 0 , γ 1 , and γ 2 are positive constant values as design variables)
상기 김벌의 피드백 입력에 따라 추정된 마찰 변수 σ^0, σ^1, σ^2 각각을 업데이트하는 과정을 포함할 수 있다.The method may include updating each of the estimated friction variables σ ^ 0 , σ ^ 1 , and σ ^ 2 according to the feedback input of the gimbal.
상기 제2 합성 제어 신호를 출력하는 과정은, 상기 김벌에 설치되는 센서에서 출력되는 신호로부터 외란 신호를 추출하는 과정; 및 제어 신호, 제1 합성 제어 신호와 외란 신호를 합성하여 제2 합성 제어 신호를 도출하는 과정;을 포함할 수 있다.The outputting of the second composite control signal may include: extracting a disturbance signal from a signal output from a sensor installed in the gimbal; and synthesizing the control signal, the first synthesized control signal, and the disturbance signal to derive a second synthesized control signal.
상기 제2 합성 제어 신호를 출력하는 과정은, PI-LEAD 제어 방식을 사용한다.A process of outputting the second composite control signal uses a PI-LEAD control method.
본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 방법은, 상기의 방법을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 기록 매체에도 적용될 수 있다.The gaze stabilization control method according to an embodiment of the present invention may be applied to a recording medium storing a computer program for performing the above method.
본 발명의 실시 예에 따르면, 김벌의 내부 및 외부 환경에 따라 발생하는 마찰을 추정하고, 보상함으로써 시스템의 시선 안정화 성능을 향상시킬 수 있다. 특히, 실험적으로 측정하기 어려운 마찰의 동적 변수를 추정하고, 추정된 동적 변수를 통해 마찰을 보상할 수 있다. 또한, 김벌의 사용 중 발생할 수 있는 예측 불가능한 외란에 대해 마찰을 보상하여 시선 안정화 성능을 실시간으로 안정화시킬 수 있다. 따라서 김벌의 시선을 안정적으로 이동시켜 고화질의 선명한 영상을 획득할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to improve the gaze stabilization performance of the system by estimating and compensating for friction that occurs according to the internal and external environments of the gimbal. In particular, it is possible to estimate a dynamic variable of friction, which is difficult to measure experimentally, and compensate for friction through the estimated dynamic variable. In addition, it is possible to stabilize the gaze stabilization performance in real time by compensating for friction for unpredictable disturbances that may occur during the use of the gimbal. Therefore, it is possible to obtain a high-definition and clear image by stably moving the gaze of the gimbal.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치가 적용되는 시선 안정화 장치의 2축 김벌을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치를 개략적으로 보여주는 블록도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치의 안정화 제어부를 개략적으로 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에서 적용하는 LuGre 마찰모델의 개념도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치의 제어 흐름도.
도 6은 추종 제어부에서의 제어 흐름도. 1 is a view schematically showing a two-axis gimbal of a gaze stabilization device to which a gaze stabilization control device according to an embodiment of the present invention is applied.
2 is a block diagram schematically showing an apparatus for controlling gaze stabilization according to an embodiment of the present invention.
3 is a view schematically showing a stabilization control unit of the gaze stabilization control apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a conceptual diagram of a LuGre friction model applied in an embodiment of the present invention.
5 is a control flowchart of an apparatus for controlling gaze stabilization according to an embodiment of the present invention.
Fig. 6 is a control flow chart in the following control unit;
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 발명을 상세하게 설명하기 위해 도면은 과장되어 도시될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only the embodiments of the present invention allow the disclosure of the present invention to be complete, and the scope of the invention to those of ordinary skill in the art It is provided to fully inform In order to describe the invention in detail, the drawings may be exaggerated, and like reference numerals refer to like elements in the drawings.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치가 적용되는 시선 안정화 장치의 2축 김벌을 개략적으로 보여주는 도면이다.1 is a view schematically showing a two-axis gimbal of a gaze stabilization device to which a gaze stabilization control device according to an embodiment of the present invention is applied.
김벌은 시스템이 요구하는 FOR(Field of Regard, 촬영가능영역)의 영역 내에서 요구되는 시간 이내에 시선을 이동할 수 있어야 하며, 시스템의 시선 안정화 정확도를 위해 명령 추종(Command following) 역할과 외란 제한(Disturbance rejection) 역할을 수행한다. 김벌은 이동하는 플랫폼에 고정하기 위한 바디 프레임(B)과, 선회 방향의 운동을 하도록 바디 프레임(B)에 연결되는 방위각 김벌과, 고저 방향의 운동을 하도록 방위각 김벌에 연결되는 고각 김벌을 포함할 수 있다. 김벌은 방위각 김벌의 방위각 축(Azimuth axis)과 고각 김벌의 고각축(elevation axis)이 외부로부터 인가되는 외란(Disturbance)을 기구적으로 최소화할 수 있도록 설계된다. 이러한 김벌은 직류 전동기에 의해 구동되며, 리졸버(Resolver, 미도시)와 자이로(Gyro) 센서(미도시)를 포함하고 있어 위치 및 속도 신호 제어가 가능하다. The gimbal must be able to move its gaze within the required time within the field of FOR (Field of Regard) required by the system. rejection). The gimbal includes a body frame (B) for fixing to a moving platform, an azimuth gimbal connected to the body frame (B) to move in a turning direction, and a high-angle gimbal connected to an azimuth gimbal to perform a movement in the high-low direction. can The gimbal is designed to mechanically minimize the disturbance applied from the outside to the azimuth axis and the elevation axis of the azimuth gimbal. This gimbal is driven by a DC motor, and includes a resolver (not shown) and a gyro sensor (not shown) to control position and speed signals.
본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치는, 김벌에 외란이 인가되는 조건에서 김벌의 내부 및 외부 마찰의 불확실성을 추정하고, 이를 보상하여 고정밀의 안정화 성능을 구현할 수 있다. The gaze stabilization control apparatus according to an embodiment of the present invention may implement high-precision stabilization performance by estimating the uncertainty of internal and external friction of the gimbal under a condition in which disturbance is applied to the gimbal, and compensating for this.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치를 개략적으로 보여주는 블록도이다. 2 is a block diagram schematically showing an apparatus for controlling gaze stabilization according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치(100)는, 명령 입력, 김벌(10)의 각속도 및 시선 오차의 피드백 입력에 따라 김벌(10)의 마찰을 보상하기 위한 제1합성 제어 신호를 출력하기 위한 추종 제어부(110) 및 제어 신호 및 제1 합성 제어 신호를 이용하여 김벌(10)에 가해지는 외란에 의한 영향을 보상하기 위한 제2합성 제어 신호를 출력하기 위한 안정화 제어부(120)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치(100)는 주제어부(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 장치(100)는, 시스템에 전원이 인가되면 김벌, 카메라, 열상 장비 등의 점검이 이루어지며, 이때 추종 제어부(110)는 김벌의 각속도 및 시선 오차를 피드백 받아 김벌의 마찰 변수를 포함하는 제1 합성 제어 신호를 출력하고, 안정화 제어부(120)로 전달할 수 있다. 이후 시스템의 점검이 완료되면 안정화 제어부(120)를 통해 제어 신호 또는 제어 신호와 외란 신호를 이용하여 제3 합성 제어 신호를 출력하여 김벌에 가해지는 외란에 의한 영향을 보상할 수 있다. 그리고 필요에 따라 추종 제어부(110)를 작동시켜 김벌의 마찰 변수를 포함하는 제1 합성 신호를 출력하여 안정화 제어부(120)로 전달할 수 있다. 이때, 추종 제어부(110)와 안정화 제어부(120)는 주제어부를 통해 제어될 수 있다. Referring to FIG. 2 , the gaze stabilization control apparatus 100 according to an embodiment of the present invention provides a first method for compensating for friction of the
추종 제어부(110)는 김벌의 피드백 입력으로부터 김벌의 마찰 변수를 추정하기 위한 변수 추정기(미도시) 및 명령 입력과 추정된 마찰 변수를 이용하여 제1합성 제어 신호를 출력하기 위한 마찰 관측기(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 변수 추정기는 적응 제어 방식을 통해 김벌의 마찰 변수를 추정할 수 있고, 마찰 관측기는 슬라이딩 모드를 기반으로 하여, 제1 합성 제어 신호를 출력할 수 있다. 또한, 추종 제어부(110)는 김벌의 피드백 입력에 따라 제1 합성 제어 신호를 업데이트하여 출력할 수 있고, 업데이트되는 제1합성 제어 신호를 상기 안정화 제어부로 전달할 수 있다.The
안정화 제어부(120)는 김벌에 가해지는 외란 신호를 추출하기 위한 외란 검출기(미도시) 및 제1 합성 제어 신호, 제어 신호 및 외란 신호를 합성하여 제2 합성 제어 신호를 출력하기 위한 합성기(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 안정화 제어부(120)는 외란 검출기에서 추출되는 외란 신호를 추종 제어부(110)의 변수 추정기로 피드백시키기 위한 외란 전달기를 포함할 수 있다. 이러한 안정화 제어부(120)는 기본적으로 PI-Lead 제어 방식으로 외란을 제거하며, 추종 제어부(110)를 통해 제1 합성 제어 신호가 입력되면 마찰이 제거 또는 보상된 제2 합성 제어 신호를 출력하여 김벌의 외란을 제거할 수 있다. 여기에서 김벌의 외란을 제거하는다는 것은 외란에 의해 김벌에 가해지는 영향을 보상하는 것을 의미한다.The
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 방법에 대해서 설명한다. Hereinafter, a gaze stabilization control method according to an embodiment of the present invention will be described.
먼저, 김벌의 운동 방정식을 유도하기 위해 상기에서 고려한 강체들의 운동에너지와 위치 에너지를 고려한 Lagrange 방정식은 다음과 같다. First, the Lagrange equation considering the kinetic energy and potential energy of the rigid bodies considered above to derive the equation of motion of the gimbal is as follows.
[수학식 1][Equation 1]
여기서, T는 운동에너지, V는 위치에너지, qi는 일반화된 좌표 및 Qi는 외력을 나타낸다. Here, T is kinetic energy, V is potential energy, qi is a generalized coordinate, and Qi is an external force.
회전부의 마찰에 의한 동적 거동이 본 연구의 주요 관심 사항이므로 시스템의 운동 방정식을 유도를 단순화하기 위한 다음의 가정을 하였다.Since the dynamic behavior of the rotating part due to friction is the main concern of this study, the following assumptions were made to simplify the derivation of the system's motion equation.
1) 몸체 프레임의 운동은 없다.1) There is no movement of the body frame.
2) 회전축에 대해 각 김벌 별 회전체의 무게중심은 일치한다.2) The center of gravity of the rotating body for each gimbal is the same with respect to the axis of rotation.
3) 김벌 시스템은 선회 방향과 고저 방향이 독립적으로 움직인다.3) The gimbal system moves independently in the direction of turning and the direction of elevation.
편의를 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 4개의 좌표계를 고려한다. 여기서, i^ E, j^ E, k^ E는 관성 좌표계이고, i^ B, j^ B, k^ B는 몸체 프레임에 고정된 좌표계이다. i^ p, j^ p, k^ p는 방위각 김벌에 고정된 좌표계이고, i^ T, j^ T, k^ T 는 고각 김벌에 고정된 좌표계이다.For convenience, four coordinate systems are considered as shown in FIG. 1 . Here, i ^ E , j ^ E , and k ^ E are inertial coordinate systems, and i ^ B , j ^ B , k ^ B are coordinate systems fixed to the body frame. i ^ p , j ^ p , and k ^ p are coordinate systems fixed to the azimuth gimbal, and i ^ T , j ^ T , k ^ T are coordinate systems fixed to the elevation gimbal.
방위각 김벌은 몸체 프레임에 대해 선회 방향 회전만 가능하므로, k^ E 축에 대한 회전만 가능하며, 각도 η 만큼의 회전이 발생했을 경우 두 좌표계의 변환 행렬은 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. (여기서 RB P 는 바디프레임(B)과 방위각 김벌 프레임(P) 사이의 좌표변환 행렬을 의미함. C는 삼각함수 cos를 의미하고, 는 삼각함수 sin 을 의미함)Since the azimuth gimbal can rotate only in the turning direction with respect to the body frame, only the rotation about the k ^ E axis is possible. . (Here, R B P means the coordinate transformation matrix between the body frame (B) and the azimuth gimbal frame (P). C means trigonometric function cos, and means trigonometric function sin)
[수학식 2][Equation 2]
각 좌표계의 각속도를 구하기 위해 각 좌표계와 관련된 각속도 성분을 수학식 3과 같이 정의한다.In order to obtain the angular velocity of each coordinate system, an angular velocity component related to each coordinate system is defined as in Equation (3).
[수학식 3][Equation 3]
방위각 김벌의 각속도 wP는 몸체 프레임의 각속도, wB에 상대적인 각속도를 더하면 하기의 수학식 4와 같이 구해진다. (여기서 wP는 방위각 김벌의 각속도, wT는 고각 김벌의 각속도를 의미함)The angular velocity w P of the azimuth gimbal is obtained as in Equation 4 below by adding the relative angular velocity to the angular velocity w B of the body frame. (where w P is the angular velocity of the azimuth gimbal and w T is the angular velocity of the elevation gimbal)
[수학식 4][Equation 4]
고각 김벌은 방위각 김벌에 연결되어 축을 기준으로 상대적인 고저 방향 회전만 가능하며, 각도 ε 만큼 회전이 발생하였을 때 두 좌표계의 변환 행렬 및 각속도는 방위각 김벌의 경우과 동일한 방법으로 유도할 수 있다. (여기서 RP T 는 방위각 김벌 프레임(P)과 고각 김벌 프레임(T) 사이의 좌표변환 행렬을 의미함)The elevation gimbal is connected to the azimuth gimbal. Only relative high-low rotation is possible based on the axis, and when rotation occurs by an angle ε, the transformation matrix and angular velocity of the two coordinate systems can be derived in the same way as in the case of azimuth gimbal. (Here, R P T means the coordinate transformation matrix between the azimuth gimbal frame (P) and the elevation gimbal frame (T))
[수학식 5][Equation 5]
[수학식 6][Equation 6]
앞에서 구한 각속도를 이용하여 각 강체의 운동에너지를 구하면 전체 김벌의 운동에너지(T)는 하기의 수학식 7과 같이 표현된다.When the kinetic energy of each rigid body is obtained using the angular velocity obtained earlier, the kinetic energy (T) of the entire gimbal is expressed as in Equation 7 below.
[수학식 7][Equation 7]
(여기서, TP는 방위각 김벌의 운동에너지, TT는 고각 김벌의 운동에너지, Pi 는 방위각 김벌의 관성모멘트, Ti는 고각 김벌의 관성모멘트를 의미함)(Here, T P is the kinetic energy of the azimuth gimbal, T T is the kinetic energy of the high-angle gimbal, Pi is the moment of inertia of the azimuth gimbal, and Ti is the moment of inertia of the high-angle gimbal)
몸체 프레임, 방위각 김벌, 고각 김벌의 질량은 mB, mP, mT이고, 무게중심 위치가 관성 좌표계의 k^ E를 기준으로 각각 GB, GP, GT 라고 하면 안정화 장치의 전체 위치에너지는 하기의 수학식 8과 같이 김벌시스템의 각 강체의 중력에 의한 위치에너지의 합과 같다.If the masses of the body frame, azimuth gimbal, and elevation gimbal are m B , m P , m T , and the position of the center of gravity is GB , G P , G T based on k ^ E of the inertial coordinate system, the overall position of the stabilization device Energy is equal to the sum of potential energy due to gravity of each rigid body of the gimbal system as shown in Equation 8 below.
[수학식 8][Equation 8]
일반화 힘들은 외부에서 작용하는 시간에 따라 변하는 힘과 위치에너지로부터 유도할 수 없는 비 보존력들을 포함한다. 일반 좌표 qi는 방위각 김벌 회전각 η, 고각 김벌의 회전각 ε 이며 일반 좌표에 대응하는 일반화 힘들은 하기의 수학식 9 및 10과 같이 표현된다.Generalized forces include time-varying forces acting externally and non-conservative forces that cannot be derived from potential energy. The general coordinate qi is the azimuth gimbal rotation angle η and the elevation gimbal rotation angle ε, and generalized forces corresponding to the general coordinates are expressed as
[수학식 9][Equation 9]
[수학식 10][Equation 10]
여기서, up는 시스템을 선회 방향으로 회전시키는 외부 토크를 의미하며, uT는 고저 방향으로 회전시키는 외부 토크를 나타낸다. 또한 TPf, TTF는 각각 선회 방향 및 고저 방향 구동부의 마찰을 나타낸다.Here, u p denotes an external torque that rotates the system in the turning direction, and u T denotes an external torque that rotates the system in the high-low direction. In addition, T Pf and T TF represent the friction of the driving part in the turning direction and the vertical direction, respectively.
상기 수학식 1의 Lagrange 방정식에 의해 방위각 김벌과 고각 김벌의 운동 방정식을 구할 수 있으며, 앞서 가정에 의해 간략화하면 각각의 구동부에 대해 하기의 수학식 11을 유도할 수 있다.The motion equations of the azimuth gimbal and the elevation gimbal can be obtained by the Lagrange equation of
[수학식 11][Equation 11]
여기서, J는 관성모멘트, u는 입력토크, Tf는 마찰토크를 의미한다.Here, J is the moment of inertia, u is the input torque, and T f is the friction torque.
한편, 시선 안정화 시스템은 안정화 기본적으로 안정화 제어부(120)에 의해 제어되며, 안정화 제어부(120)는 저역통과 필터(Low Pass Filter) - PI제어기 - 진상보상기로 구성된다. 이러한 시선 안정화 시스템은 기본적으로 PI-LEAD 제어 방식은 전통적인 PID 제어방식에서 나타나는 미분기의 고주파 잡음에 대한 취약성으로 인한 발산 가능성이 커서, 안정도가 요구되는 시스템에 적용하기 어려운 단점을 보완하고 적분기가 가지는 시간 지연의 문제를 진상 보상기를 이용하여 보상함으로써 시스템의 강인성 및 안정성을 높여줄 수 있다. On the other hand, the gaze stabilization system is basically controlled by the
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 장치의 안정화 제어부를 개략적으로 보여주는 도면이다.3 is a diagram schematically illustrating a stabilization control unit of an apparatus for controlling gaze stabilization according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 안정화 제어부(120)는 저역통과 필터를 이용하여 센서 신호의 고주파 잡음을 제거하여 아날로그-디지털 변환 시 발생할 수 있는 주파수 왜곡(Frequency aliasing) 현상을 방지할 수 있다. 저역통과 필터를 거친 오차 신호는 PI 동작을 거치고 진상 보상을 통해 직류 전동기 제어 신호한다. limit1은 적분 동작에서 발생하는 신호의 포화를 방지하여 Anti-Windup 기능을 수행하고, limit2는 제어기의 최종 제어 신호를 디지털-아날로그 변환기에 전달하기 전에 신호에 제한을 걸어 디지털-아날로그 변환기 입력 범위에 맞춘다. 안정화 제어부(120)의 PI-LEAD 보상기의 주파수 응답특성은 저주파 영역에서 적분동작 특성이 주를 이루고, 적분동작으로 저주파 이득을 크게 하여 2축 안정화 김벌 시스템에 존재하는 비선형 요소인 마찰 영향을 제거하고 오차를 최소화할 수 있다. 적분동작은 저주파 이득을 키울 수 있지만, 시간 지연의 문제가 있어 시스템을 불안정한 영역으로 전이시킬 수 있으므로, 진상보상을 적용하여 이러한 문제를 해결할 수 있다. 이처럼 PI-LEAD 제어 방식은 PID 제어 방식에서 고주파 잡음에 취약한 미분 보상 대신 진상보상을 적용하여 적분동작으로 발생하는 시간 지연을 보상하고 시스템의 응답속도를 빠르게 하여 성능 및 안정도를 향상시킬 수 있다.Referring to FIG. 3 , the
움직임이 없는 두 물체의 접촉표면은 미세적인 관점에서 볼 때 매우 거친 상태로 서로 결합되어 있다고 볼 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시 예에서 적용하는 LuGre 마찰모델의 개념도로서, LuGre 마찰모델은 이러한 접촉면의 특성을 강모(Bristle)로 모델링 하여 마찰을 이러한 강모들의 굽힘에 의한 강성과 댐핑항으로 등가화한 해석모델이다. 본 발명의 실시 예에서는 김벌의 마찰을 보상하기 위한 마찰 변수를 추정하는데, LuGre 마찰 모델을 적용한다. 이러한 LuGre 마찰 모델의 장점은 정지마찰 영역, 낮은 속도 영역 및 속도가 비교적 큰 영역을 포함하여 마찰 현상을 하나의 함수로 표현할 수 있다. LuGre 마찰 모델은 일반적인 마찰의 동적특성 즉, 히스테리시스(hysteresis), 마찰지연 (Friction lag), 외부 작용력에 따른 항복력(Break-away force)의 변화, 스틱-슬립(Stick-slip), 제어 시스템과 결부하여 리밋사이클(Limit cycle), 스트라이벡 효과(Stribeck effect) 등이 발생하는 현상들을 보여주는 장점이 있다. From a microscopic point of view, the contact surfaces of two non-moving objects are very rough and can be seen as bonded to each other. 4 is a conceptual diagram of a LuGre friction model applied in an embodiment of the present invention. The LuGre friction model models the characteristics of such a contact surface with bristle, and the friction is equivalent to the stiffness and damping terms due to bending of these bristle. analysis model. In an embodiment of the present invention, a friction variable for compensating for friction of a gimbal is estimated, and a LuGre friction model is applied. The advantage of this LuGre friction model is that it can express the friction phenomenon as a function, including the static friction region, the low velocity region, and the relatively high velocity region. LuGre friction model is based on the dynamic characteristics of general friction, i.e., hysteresis, friction lag, change of break-away force according to external force, stick-slip, control system and It has the advantage of showing phenomena such as the limit cycle and the Stribeck effect in connection.
LuGre 마찰 모델은 강모들의 평균 굽힘변위 z를 하기의 수학식 12 및 13으로 제시한다. The LuGre friction model presents the average bending displacement z of the bristles as Equations 12 and 13 below.
[수학식 12][Equation 12]
[수학식 13][Equation 13]
여기서 g(w)는 스트라이벡 효과를 나타내는 각속도의 함수이다.where g(w) is a function of the angular velocity representing the Strevek effect.
LuGre 모델에서 전체 마찰토크(Tf)는 강모들의 굽힘으로부터 발생하는 스프링-댐퍼 힘과 접촉면의 상대 각속도에 비례하는 점성 마찰이 더해진 형태로 하기의 수학식 14로 표현될 수 있다. In the LuGre model, the total friction torque (T f ) can be expressed by the following Equation 14 in the form of adding the spring-damper force generated from the bending of the bristles and the viscous friction proportional to the relative angular velocity of the contact surface.
[수학식 14][Equation 14]
상기 수학식 12 내지 14로 부터 LuGre 마찰모델은 6개의 변수 즉, σ0, σ1, σ2, fs, fc, ws에 의해 구현할 수 있음을 알 수 있다.From Equations 12 to 14, it can be seen that the LuGre friction model can be implemented by six variables, ie, σ 0 , σ 1 , σ 2 , f s , f c , and w s .
시스템의 속도가 일정한 정상상태에서 내부 상태변수 zss와 마찰토크 Tfss는 각각 수학식 15와 16으로 표현될 수 있다. In a steady state in which the speed of the system is constant, the internal state variable z ss and the friction torque T fss can be expressed by Equations 15 and 16, respectively.
[수학식 15][Equation 15]
[수학식 16][Equation 16]
여기서, fs는 정지마찰, fc는 쿨롱마찰, ws 는 스트라이벡 속도를 의미하는 정적 파라미터이다.Here, f s is static friction, f c is Coulomb friction, and w s is a static parameter meaning the Strike speed.
한편, 속도가 거의 없는 스틱션(Stiction) 구간에 대해서는 하기의 수학식 17과 같이 상태변수를 근사화할 수 있다. On the other hand, for a stiction section having little speed, the state variable can be approximated as in Equation 17 below.
[수학식 17][Equation 17]
수학식 11에 수학식 14와 17을 대입하여 정리하면 시스템의 평형 방정식을 하기의 수학식 18과 같은 2차 시스템으로 선형화할 수 있다.By substituting Equations 14 and 17 into Equation 11 and rearranging them, the equilibrium equation of the system can be linearized into a quadratic system such as Equation 18 below.
[수학식 18][Equation 18]
여기서, σ0과 σ1은 각각 강모의 강성 및 감쇠 계수를 나타내고 σ2는 점성마찰계수를 의미하는 동적 파라미터이다.Here, σ 0 and σ 1 represent the stiffness and damping coefficient of the bristle, respectively, and σ 2 is a dynamic parameter meaning the viscous friction coefficient.
속도제어 모드에서 PI-LEAD 제어만으로 마찰변수의 불확실성에 대한 강인성을 확보하지 못하였으므로 마찰 관측기를 이용하여 마찰을 보상하는 방안을 검토하였다. In the speed control mode, the PI-LEAD control alone could not secure the robustness against the uncertainty of the friction variable, so a method of compensating for friction using a friction observer was reviewed.
마찰 보상을 위한 마찰 관측기 설계에 있어 다양한 방법들이 연구되어 활용되고 있는데, 본 발명의 실시 예에서는 마찰 관측기의 효율적인 설계를 위해 기존의 PI-LEAD 제어를 활용하면서 이미 일정 영역으로 추정된 마찰 변수를 활용한 방안을 고려한다. Various methods have been studied and utilized in designing a friction observer for friction compensation. In the embodiment of the present invention, friction variables already estimated in a certain area are utilized while utilizing the existing PI-LEAD control for efficient design of the friction observer. consider one option.
우선, 목적하는 시선(θd)에 대한 위치오차 e와 속도오차 e'를 하기의 수학식 19와 같이 정의한다.First, the position error e and the velocity error e' with respect to the target gaze θ d are defined as in Equation 19 below.
[수학식 19][Equation 19]
마찰 변수들을 모두 알고 있다고 가정할 경우, Canudas de Wit는 하기의 수학식 20 및 21과 같이 마찰의 내부 상태변수를 추정하는 마찰 관측기를 제안하고, 제어입력 및 H(s)를 하기의 수학식 22 및 23과 같이 정의하였다. Assuming that all friction variables are known, Canudas de Wit proposes a friction observer for estimating internal state variables of friction as shown in Equations 20 and 21 below, and controls input and H(s) in Equation 22 below and 23.
[수학식 20][Equation 20]
[수학식 21][Equation 21]
[수학식 22][Equation 22]
[수학식 23][Equation 23]
이때, 전달함수 G(s)가 Positive Real이 되도록 적절한 H(s)를 선정한다면, 관측기 오차, Tf-T^ f 및 속도오차 e'가 0으로 수렴하게 된다. (여기서, H(s) 는 G(s)가 Positive Real이 되는 임의의 값, e 는 위치오차, m 은 질량, s 는 라플라스 변환에 의한 S-공간 변수를 의미함)At this time, if an appropriate H(s) is selected so that the transfer function G(s) becomes Positive Real, the observer error, T f -T ^ f , and the velocity error e' converge to zero. (Here, H(s) is an arbitrary value for which G(s) is a Positive Real, e is a position error, m is a mass, and s is an S-space variable by Laplace transform)
이와 유사한 방법으로 마찰 토크에 대한 마찰 관측기를 포함하는 추종 제어부(110)와 PI-LEAD 제어 방식의 안정화 제어부(120)를 이용하여 김벌을 제어하는 방법을 고려할 수 있다. In a similar way, a method of controlling the gimbal using the
추종하고자 하는 속도가 0인, PI-LEAD 제어입력(U PIL )을 Laplace Domain으로 나타내면 수학식 24와 같다.If the PI-LEAD control input ( U PIL ), the speed to be followed is 0, is expressed in Laplace Domain as in Equation 24.
[수학식 24][Equation 24]
마찰 토크에 대한 관측기 오차, ET(s)=Tf-T^ f라고 하고, 시스템의 전달함수를 G(s)=(Js)-1 이라고 할 때, ET 와 W 사이의 전달함수는 하기의 수학식 25와 같다. (여기서, kp 는 비례제어기(P) gain(이득값), ki 는 적분제어기(I) gain(이득값), W 는 김벌의 각속도, z 와 p 는 Lead 보상기의 pole과 zero 값을 의미함)Observer error for friction torque, E T (s)=T f -T ^ f , and the transfer function of the system is G(s)=(Js) -1 , the transfer function between E T and W is Equation 25 below. (here, k p is the proportional controller (P) gain, ki is the integral controller (I) gain, W is the angular velocity of the gimbal, and z and p are the pole and zero values of the lead compensator. )
[수학식 25][Equation 25]
따라서, 수학식 23과 동일한 방법으로 전달함수가 Positive Real이 되도록 PI 제어기의 이득값 및 LEAD 제어기의 극점, 영점 값을 선택한다면 오차가 0으로 수렴하는 안정적인 시스템 설계가 가능하다. 하지만, 마찰변수를 모두 알고 있을 때 가능한 결과이며, 실제 마찰변수가 변화하는 경우 시스템의 안정성을 확신할 수 없다.Therefore, if the gain value of the PI controller and the pole and zero values of the LEAD controller are selected so that the transfer function becomes Positive Real in the same way as in Equation 23, a stable system design in which the error converges to 0 is possible. However, this is a possible result when all friction variables are known, and the stability of the system cannot be confirmed when the actual friction variables change.
그러나 마찰변수의 불확실성을 추정할 수 있다면 앞서 제시된 시스템의 안정성을 확보할 수 있다. However, if the uncertainty of the friction variable can be estimated, the stability of the system presented above can be secured.
모든 변수를 추정하는 변수 추정기의 설계는 복잡하고 효율성이 떨어지므로 시스템의 응답특성에 영향성이 큰 동적 변수만 추정하는 방안을 고려하였다. Since the design of the variable estimator for estimating all variables is complicated and inefficient, the method of estimating only dynamic variables that have a large influence on the response characteristics of the system was considered.
기존 연구들이 다양한 방법으로 동적 마찰 변수에 대한 적응제어 방안을 제시하고 있는데, 본 발명에서는 그 중 Wen-Fang Xie가 제시한 슬라이딩 모드 관측기에 기반한 적응제어 방식을 응용하여 변수 추정기를 설계한다. Existing studies have suggested adaptive control methods for dynamic friction variables in various ways. In the present invention, the variable estimator is designed by applying the adaptive control method based on the sliding mode observer suggested by Wen-Fang Xie.
우선, 목적하는 시선(θd)에 대한 위치 오차를 e= θ-θd라고 할 때, 위치오차와 속도오차를 조합한 새로운 오차 r을 하기의 수학식 26과 같이 슬라이딩 평면으로 정의한다.First, when the position error with respect to the target line of sight θ d is e= θ-θ d , a new error r combining the position error and the velocity error is defined as a sliding plane as shown in Equation 26 below.
[수학식 26][Equation 26]
(여기에서 , θ는 실제 목적 위치, θd는 목적 위치, w는 실제 각속도, wd는 목적 각속도이다. 설계변수 λ는 0 이하이다(λ>0).)(From here , θ is the actual target position, θ d is the target position, w is the actual angular velocity, and w d is the target angular velocity. The design variable λ is less than or equal to 0 (λ > 0).
수학식 26을 미분하여 수학식 11에 대입하면, 하기의 수학식 27이 유도된다. By differentiating Equation 26 and substituting it in Equation 11, Equation 27 below is derived.
[수학식 27][Equation 27]
각속도의 절대값을 스트라이벡 함수 g(w)로 나눈 값을 새로운 함수 α(w)라고 할 때, 마찰의 내부 상태변수 z를 추정하는 마찰 관측기는 하기의 수학식 28로 정의한다. When the value obtained by dividing the absolute value of the angular velocity by the Stribeck function g(w) is a new function α(w), the friction observer for estimating the internal state variable z of friction is defined by Equation 28 below.
[수학식 28][Equation 28]
(여기서, z^'는 내부 상태변수의 변화율dz/dt의 추정값, z^ 는 내부 상태 변수 z의 추정값, w는 김벌의 각속도, μ0는 설계 변수로서 양의 상수값, sgn은 부호 함수(sgn(양수)=+부호 반환, sgn(음수)=-부호반환, g(w)는 스트라이벡 효과를 나타내는 각속도의 함수를 의미한다.)(where z ^' is the estimated value of the rate of change dz/dt of the internal state variable, z^ is the estimated value of the internal state variable z, w is the angular velocity of the gimbal, μ 0 is the design variable, a positive constant value, and sgn is the sign function ( sgn (positive number) = + sign return, sgn (negative number) = - sign return, g(w) denotes a function of angular velocity representing the Strivek effect.)
수학식 28에서 수학식 12를 뺀 마찰 관측기의 오차에 대한 식은 하기의 수학식 29와 같다. The equation for the error of the friction observer by subtracting Equation 12 from Equation 28 is as Equation 29 below.
[수학식 29][Equation 29]
여기서 [*~]=[*^]-[*]이다. Here, [*~]=[*^]-[*].
이때, 추정된 변수들에 의한 제어입력을 수학식 30과 같이 정의하면, 추정된 변수들에 대한 업데이트 법칙(Update Laws)은 하기의 수학식 31 내지 33과 같이 오차 r의 함수로 유도된다.In this case, if the control input by the estimated variables is defined as in Equation 30, update laws for the estimated variables are derived as a function of the error r as shown in Equations 31 to 33 below.
[수학식 30][Equation 30]
(여기서, u는 제어 입력(제1 합성 제어 신호), kd, λ는 설계 변수, 목적하는 시선(θd)에 대한 위치 오차를 e=θ-θd 라했을 때, r은 위치 오차와 속도 오차를 조합한 새로운 오차, σ^0, σ^1, σ^2는 추정된 마찰 변수, z^는 김벌의 내부 상태 변수 추정값, z^'는 김벌의 내부 상태 변수의 변화율dz/dt의 추정값, e'는 목적 각속도와 실제 각속도 사이의 오차, θd '' 는 김벌의 목적 위치 추정값, J는 시스템의 관성 모멘트임)(Here, u is a control input (first synthesized control signal), k d , λ is a design variable, and when e=θ-θ d is the position error with respect to the target line of sight (θ d ), r is the position error and The new error combined with the velocity error, σ ^0 , σ ^1 , σ ^2 is the estimated friction variable, z^ is the estimated value of the gimbal's internal state variable, z^' is the rate of change of the gimbal's internal state variable dz/dt Estimated value, e' is the error between the target angular velocity and the actual angular velocity, θ d '' is the estimated value of the target position of the gimbal, and J is the moment of inertia of the system)
[수학식 31][Equation 31]
[수학식 32][Equation 32]
[수학식 33][Equation 33]
여기서, γ0, γ1, γ2는 추정 변수의 적응 속도를 결정하는 양의 상수이다.Here, γ 0 , γ 1 , and γ 2 are positive constants that determine the adaptation rate of the estimated variable.
제안된 변수 추정기를 블록다이어그램으로 표현하면 다음과 같이 나타낼 수 있으며, 안정성은 다음의 정리와 증명에 의해 입증되어진다. 여기에서는 비선형 방정식으로 기술되는 시스템의 안정성을 점검하는 방법의 하나인 리아프노프 함수(Lyapunov Function)을 이용하여 안정성을 증명한다. 리아프노프 함수는 제어계의 평형점 이외의 전체 상태 공간에서 항상 양(+)이 되고 시간 미분이 그 전체 공간에서 항상 음(-)이 되는 것으로, 시스템의 일반화된 에너지 함수가 시간 경과에 따라 감소하는 경우에는 시스템이 안정되어 있음을 의미한다. The proposed variable estimator can be expressed as a block diagram as follows, and its stability is proven by the following theorem and proof. Here, the stability is demonstrated using the Lyapunov function, which is one of the methods to check the stability of a system described by a nonlinear equation. The Liafnov function is always positive (+) in the entire state space other than the equilibrium point of the control system, and the time derivative is always negative (-) in the entire space, and the generalized energy function of the system decreases with time. This means that the system is stable.
정리 : 수학식 12와 14에 의해 주어진 마찰을 가지는 수학식 11의 시스템 및 수학식 28의 슬라이딩 모드 관측기와, 수학식 31 내지 33의 업데이트 법칙에 의해 마찰 변수를 추정하는 수학식 30의 변수 추정기를 고려하면, 추적 오차는 0으로 수렴하고 모든 폐루프의 신호들은 유계한 값을 가진다. Theorem: The system of Equation 11 having friction given by Equations 12 and 14, the sliding mode observer of Equation 28, and the variable estimator of Equation 30 for estimating friction variables by the update rule of Equations 31 to 33 Considering that, the tracking error converges to zero and all closed-loop signals have bounded values.
증명: 리아프노프 함수를 수학식 34와 같이 정의한다.Proof: The Liafnov function is defined as in Equation 34.
[수학식 34][Equation 34]
수학식 34의 양변을 미분하고, 수학식 27 내지 33을 대입하여 정리하면 하기의 수학식 35를 도출할 수 있다. By differentiating both sides of Equation 34 and substituting Equations 27 to 33 to organize them, Equation 35 below can be derived.
[수학식 35][Equation 35]
수학식 35에서 산술 기하 평균 부등식 ab<1/2(a2+b2)의 성질을 이용하면 하기의 수학식 36과 같은 부등식이 성립하게 된다.In Equation 35, if the property of the arithmetic geometric mean inequality ab<1/2(a 2 +b 2 ) is used, an inequality as shown in Equation 36 below is established.
[수학식 36][Equation 36]
수학식 36에서 하기의 수학식 37과 38 두 가지 조건이 만족한다면, 수학식 39와 같은 부등식이 성립한다.In Equation 36, if two conditions of Equations 37 and 38 below are satisfied, the inequality of Equation 39 is established.
[수학식 37][Equation 37]
[수학식 38][Equation 38]
[수학식 39][Equation 39]
수학식 34의 리아프노프 함수가 positive definite 이고, V'≤0 이므로 V는 유계하며, 이는 관측기 오차 z~, 추적 오차 r, 마찰 변수 추정 오차 σ~ 0, σ~ 1, σ~B 가 모두 유계한 값을 가진다는 것을 의미한다. 그리고, 마찰 변수 추정값 σ^ 0, σ^ 1, σ^ 2 과 위치오차 e, 제어입력 u 도 유계하다.Since the Liafnov function in Equation 34 is positive definite and V'≤0, V is bounded, which means that the observer error z ~ , the tracking error r, and the friction variable estimation error σ ~ 0 , σ ~ 1 , and σ ~B are all It means that it has a bounded value. In addition, the friction variable estimates σ ^ 0 , σ ^ 1 , σ ^ 2 , the position error e, and the control input u are also bound.
r∈L2, e∈L2∩L∞ 이므로 시간 t→∞이고 e' ∈L2에 따라 e는 연속이고 0으로 수렴한다. r∈L2 이고, θd, wd, w' d∈L∞이므로, 수학식 5 및 8로부터 r'∈L∞로 결정되어 진다. r∈L∞이고 r'∈LINF라는 사실을 이용하면, 시간이 0에 가까워지면, r도 0에 접근하게 되고, 따라서 속도오차 e'도 0으로 수렴하게 된다.Since r∈L 2 , e∈L 2 ∩L ∞ , the time t→∞ and according to e ' ∈L 2 , e is continuous and converges to zero. Since r∈L 2 and θ d , w d , and w ' d ∈L ∞ , r ' ∈L ∞ is determined from Equations 5 and 8. Using the fact that r∈L ∞ and r ' ∈L INF , when time approaches 0, r also approaches 0, and thus the velocity error e ' also converges to 0.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 방법은 상기의 방법을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 저장한 기록 매체에도 적용될 수 있다.Meanwhile, the gaze stabilization control method according to an embodiment of the present invention may be applied to a recording medium storing a computer program for performing the above method.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 시선 안정화 제어 방법은 기록 매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그래밍 언어 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 플래시 메모리, 솔리드 스테이트 디스크(SSD) 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터 간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.That is, the gaze stabilization control method according to an embodiment of the present invention may be implemented in the form of a computer-readable programming language code recorded on a recording medium. The computer-readable recording medium may be any data storage device readable by the computer and capable of storing data. For example, the computer-readable recording medium may be a ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical disk, hard disk drive, flash memory, solid state disk (SSD), or the like. In addition, the computer-readable code or program stored in the computer-readable recording medium may be transmitted through a network connected between computers.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 외란이 인가된 상태에서도 김벌의 마찰을 보상할 수 있으므로 제어 명령에 대한 추종 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 대상물을 향하는 시선을 제어하기 위한 김벌의 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 구동의 정확도를 향상시킬 수 있다.As such, according to an embodiment of the present invention, it is possible to compensate the friction of the gimbal even in a state in which a disturbance is applied, so that it is possible to improve the performance of following a control command. That is, it is possible to improve the accuracy of the roll (roll), pitch (pitch) and yaw (yaw) driving of the gimbal for controlling the gaze toward the object.
상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been described and illustrated using specific terms, but such terms are only for clearly explaining the present invention, and the embodiments of the present invention and the described terms are the spirit of the following claims And it is obvious that various changes and changes can be made without departing from the scope. Such modified embodiments should not be individually understood from the spirit and scope of the present invention, but should be said to fall within the scope of the claims of the present invention.
Claims (17)
명령 입력, 상기 김벌의 각속도 및 시선 오차의 피드백 입력에 따라 상기 김벌 내의 마찰을 보상하기 위한 제1합성 제어 신호를 출력하기 위한 추종 제어부; 및
제어 신호 및 상기 제1 합성 제어 신호를 이용하여 상기 김벌에 가해지는 외란에 의한 영향을 보상하기 위한 제2합성 제어 신호를 출력하기 위한 안정화 제어부;를 포함하는 시선 안정화 제어 장치. As a gaze stabilization control device of a gimbal for receiving a control signal and moving a gaze toward an object,
a following control unit for outputting a first synthesis control signal for compensating for friction within the gimbal according to a command input, a feedback input of the angular velocity of the gimbal, and a gaze error; and
and a stabilization control unit for outputting a second synthesis control signal for compensating for an effect of disturbance applied to the gimbal by using a control signal and the first synthesis control signal.
상기 추종 제어부는,
상기 김벌의 피드백 입력으로부터 상기 김벌의 마찰 변수를 추정하기 위한 변수 추정기; 및
상기 명령 입력과 추정된 마찰 변수를 이용하여 김벌의 마찰 토크를 계산하고, 계산된 마찰 토크를 보상하기 위한 상기 제1합성 제어 신호를 출력하기 위한 마찰 관측기;를 포함하는 시선 안정화 제어 장치. The method according to claim 1,
The following control unit,
a variable estimator for estimating the friction variable of the gimbal from the feedback input of the gimbal; and
and a friction observer for calculating the friction torque of the gimbal using the command input and the estimated friction variable, and outputting the first combined control signal for compensating for the calculated friction torque.
상기 추종 제어부는, 슬라이딩 모드를 기반으로 하는 정현파 구동에 대한 적응 제어 방식을 이용하여 상기 김벌의 마찰 변수를 추정할 수 있는 시선 안정화 제어 장치. The method according to claim 1,
The tracking control unit is a gaze stabilization control device capable of estimating the friction variable of the gimbal using an adaptive control method for sinusoidal driving based on a sliding mode.
상기 추종 제어부는 상기 김벌의 피드백 입력에 따라 업데이트된 제1 합성 제어 신호를 출력할 수 있는 시선 안정화 제어 장치. 4. The method of claim 2 or 3,
The tracking control unit may output an updated first composite control signal according to the feedback input of the gimbal.
상기 안정화 제어부는,
상기 김벌에 설치되는 센서에서 출력되는 외란 신호를 추출하기 위한 외란 검출기; 및
상기 제1 합성 제어 신호, 제어 신호 및 외란 신호를 합성하여 제2 합성 제어 신호를 출력하기 위한 합성기;를 포함하는 시선 안정화 제어 장치.The method according to claim 1,
The stabilization control unit,
a disturbance detector for extracting a disturbance signal output from a sensor installed in the gimbal; and
and a synthesizer for outputting a second composite control signal by synthesizing the first composite control signal, the control signal, and the disturbance signal.
상기 안정화 제어부는 PI-LEAD 제어 방식으로 상기 김벌에 가해지는 외란에 의한 영향을 보상할 수 있는 시선 안정화 제어 장치. The method according to claim 1,
The stabilization control unit is a gaze stabilization control device capable of compensating for the effect of the disturbance applied to the gimbal in a PI-LEAD control method.
명령 입력, 상기 김벌의 각속도 및 시선 오차의 피드백 입력에 따라 상기 김벌 내의 마찰을 보상하기 위한 제1 합성 제어 신호를 출력하는 과정; 및
제어 신호 및 상기 제1 합성 제어 신호를 이용하여 상기 김벌에 가해지는 외란에 의한 영향을 보상하기 위한 제2 합성 제어 신호를 출력하는 과정;을 포함하는 시선 안정화 제어 방법.As a gaze stabilization control method of a gimbal for receiving a control signal and moving a gaze toward an object,
outputting a first synthesized control signal for compensating for friction within the gimbal according to a command input, a feedback input of the angular velocity of the gimbal, and a gaze error; and
and outputting a second composite control signal for compensating for an effect of disturbance applied to the gimbal by using a control signal and the first composite control signal.
상기 제1 합성 제어 신호를 출력하는 과정은 슬라이딩 모드를 기반으로 하는 정현파 구동에 대한 적응 제어 방식을 이용하여 상기 김벌의 마찰 변수를 추정하는 과정을 포함하는 시선 안정화 제어 방법.8. The method of claim 7,
The step of outputting the first composite control signal includes the step of estimating the friction variable of the gimbal using an adaptive control method for sinusoidal driving based on a sliding mode.
상기 제1 합성 제어 신호를 출력하는 과정은,
명령 입력으로부터 상기 김벌의 목적하는 위치에 대한 위치 오차와 속도 오차를 조합한 새로운 오차(r)를 오차 방정식으로 정의하는 과정;
상기 오차 방정식으로부터 상기 김벌의 내부 상태 변수를 추정하기 위한 상태 방정식을 정의하는 과정; 및
상기 상태 방정식으로부터 상기 김벌의 마찰 변수를 포함하는 제1 합성 제어 신호를 도출하는 과정;을 포함하는 시선 안정화 제어 방법.8. The method of claim 7,
The process of outputting the first composite control signal comprises:
The process of defining a new error (r) by combining the position error and the velocity error for the desired position of the gimbal from the command input as an error equation;
defining a state equation for estimating the internal state variable of the gimbal from the error equation; and
The process of deriving a first composite control signal including the friction variable of the gimbal from the state equation;
상기 오차 방정식은 하기의 수학식 1과 같이 정의되는 시선 안정화 제어 방법.
[수학식 1]
(여기에서 , θ는 실제 목적 위치, θd는 목적 위치, w는 실제 각속도, wd는 목적 각속도이다. )10. The method of claim 9,
The error equation is a gaze stabilization control method defined as in Equation 1 below.
[Equation 1]
(From here , θ is the actual target position, θ d is the target position, w is the actual angular velocity, and w d is the target angular velocity. )
상기 상태 방정식은 하기의 수학식 2와 같이 정의되는 시선 안정화 제어 방법.
[수학식 2]
(여기서, z^'는 내부 상태변수의 변화율dz/dt의 추정값, z^ 는 내부 상태 변수 z의 추정값, w는 김벌의 각속도, μ0는 설계 변수로서 양의 상수값, sgn은 부호 함수(sgn(양수)=+부호 반환, sgn(음수)=-부호반환, g(w)는 스트라이벡 효과를 나타내는 각속도의 함수를 의미한다.)11. The method of claim 10,
The state equation is a gaze stabilization control method defined as in Equation 2 below.
[Equation 2]
(where z ^' is the estimated value of the rate of change dz/dt of the internal state variable, z^ is the estimated value of the internal state variable z, w is the angular velocity of the gimbal, μ 0 is the design variable, a positive constant value, and sgn is the sign function ( sgn (positive number) = + sign return, sgn (negative number) = - sign return, g(w) denotes a function of angular velocity representing the Strivek effect.)
상기 제1 합성 제어 신호를 도출하는 과정은 하기의 수학식 3에 의하여 이루어지는 시선 안정화 제어 방법.
[수학식 3]
(여기서, u는 제1 합성 제어 신호, kd, λ는 설계 변수, 목적하는 시선(θd)에 대한 위치 오차를 e=θ-θd 라했을 때, r은 위치 오차와 속도 오차를 조합한 새로운 오차, σ^0, σ^1, σ^2는 추정된 마찰 변수, z^는 김벌의 내부 상태 변수 추정값, z^'는 김벌의 내부 상태 변수의 변화율dz/dt의 추정값, e'는 목적 각속도와 실제 각속도 사이의 오차, θd '' 는 김벌의 목적 위치 추정값, J는 시스템의 관성 모멘트임).12. The method of claim 11,
The process of deriving the first composite control signal is a gaze stabilization control method performed by Equation 3 below.
[Equation 3]
(Where u is the first synthesis control signal, k d and λ are design variables, and when e=θ-θ d is the position error with respect to the target line of sight (θ d ), r is the combination of the position error and the speed error. one new error, σ ^0 , σ ^1 , σ ^2 is the estimated friction variable, z^ is the estimate of the gimbal's internal state variable, z^' is the estimate of the rate of change of the gimbal's internal state variable dz/dt, e' is the error between the target angular velocity and the actual angular velocity, θ d '' is the estimate of the target position of the gimbal, and J is the moment of inertia of the system).
상기 제1 합성 제어 신호를 도출하는 과정은 하기 수학식 4 내지 6을 이용하여 상기 새로운 오차(r)를 0으로 수렴시키는 마찰 변수를 산출하는 과정을 포함하는 시선 안정화 제어 방법.
[수학식 4]
[수학식 5]
[수학식 6]
(여기서, γ0, γ1, γ2는 설계 변수로 양의 상수값)13. The method of claim 12,
The process of deriving the first composite control signal includes calculating a friction variable that converges the new error r to 0 using Equations 4 to 6 below.
[Equation 4]
[Equation 5]
[Equation 6]
(Here, γ 0 , γ 1 , and γ 2 are positive constant values as design variables)
상기 김벌의 피드백 입력에 따라 추정된 마찰 변수 σ^0, σ^1, σ^2 각각을 업데이트하는 과정을 포함하는 시선 안정화 제어 방법.14. The method of claim 13,
and updating each of the estimated friction variables σ ^ 0 , σ ^ 1 , and σ ^ 2 according to the feedback input of the gimbal.
상기 제2 합성 제어 신호를 출력하는 과정은,
상기 김벌에 설치되는 센서에서 출력되는 신호로부터 외란 신호를 추출하는 과정; 및
제어 신호, 제1 합성 제어 신호와 외란 신호를 합성하여 제2 합성 제어 신호를 도출하는 과정;을 포함하는 시선 안정화 제어 방법.8. The method of claim 7,
The process of outputting the second synthesis control signal comprises:
extracting a disturbance signal from a signal output from a sensor installed in the gimbal; and
A gaze stabilization control method comprising: a process of deriving a second synthesized control signal by synthesizing a control signal, a first synthesized control signal, and a disturbance signal.
상기 제2 합성 제어 신호를 출력하는 과정은, PI-LEAD 제어 방식을 사용하는 시선 안정화 제어 방법.16. The method of claim 15,
The outputting of the second composite control signal is a gaze stabilization control method using a PI-LEAD control method.
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