KR20240044851A - Rotational shaft crack detection system and method using torsional stifness estimation - Google Patents

Rotational shaft crack detection system and method using torsional stifness estimation Download PDF

Info

Publication number
KR20240044851A
KR20240044851A KR1020220124353A KR20220124353A KR20240044851A KR 20240044851 A KR20240044851 A KR 20240044851A KR 1020220124353 A KR1020220124353 A KR 1020220124353A KR 20220124353 A KR20220124353 A KR 20220124353A KR 20240044851 A KR20240044851 A KR 20240044851A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
crack detection
rotation
equation
estimation
model
Prior art date
Application number
KR1020220124353A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김기우
Original Assignee
인하대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인하대학교 산학협력단 filed Critical 인하대학교 산학협력단
Priority to KR1020220124353A priority Critical patent/KR20240044851A/en
Publication of KR20240044851A publication Critical patent/KR20240044851A/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/22Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady torsional forces
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0014Type of force applied
    • G01N2203/0021Torsional
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058Kind of property studied
    • G01N2203/006Crack, flaws, fracture or rupture
    • G01N2203/0062Crack or flaws
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/0202Control of the test
    • G01N2203/0212Theories, calculations
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/025Geometry of the test
    • G01N2203/0252Monoaxial, i.e. the forces being applied along a single axis of the specimen

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)

Abstract

본 발명은 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 시스템 및 방법에 관한 것으로, 회전 제어부가 회전축의 일측 및 타측에 회전 구동을 인가하고, 모델 구축부가 회전축의 각 측에 인가된 회전 정보의 측정값에 대한 노이즈를 최소화하기 위해 공분산 오차를 최소화하고 칼만 게인(Gain)이 역수로 증가하는 망각인자가 업데이트되는 루프 적응형 확장 칼만필터를 사용하여 선형 모델을 구축하며, 크랙 검출부가 구축된 선형모델을 토대로 입력된 회전 정보에 대한 회전축의 비틀림 강성 추정값을 산출하고 산출된 비틀림 강성 추정값으로 회전축의 크랙을 검출하는 구성으로 두 개의 속도 센서만으로 크랙 검출이 가능함에 따라 크랙 검출에 대한 비용을 절감할 수 있으며, 크랙 검출의 신속성이 향상될 수 있다.The present invention relates to a system and method for detecting rotational shaft cracks using torsional stiffness estimation, wherein a rotation control unit applies rotational drive to one side and the other side of the rotational shaft, and a model building unit measures the rotation information applied to each side of the rotational shaft. To minimize noise, a linear model is constructed using a loop adaptive extended Kalman filter in which the covariance error is minimized and the forgetting factor that increases inversely with the Kalman gain is updated, and the input is based on the linear model in which the crack detection unit is built. This system calculates the torsional stiffness estimate of the rotating shaft based on the rotation information and detects cracks in the rotating shaft using the calculated torsional stiffness estimate. As crack detection is possible with only two speed sensors, the cost of crack detection can be reduced. The speed of detection can be improved.

Description

비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 시스템 및 방법{ROTATIONAL SHAFT CRACK DETECTION SYSTEM AND METHOD USING TORSIONAL STIFNESS ESTIMATION}Rotational shaft crack detection system and method using torsional stiffness estimation {ROTATIONAL SHAFT CRACK DETECTION SYSTEM AND METHOD USING TORSIONAL STIFNESS ESTIMATION}

본 발명은 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 시스템 및 방법에 관한 것으로, 비틀림 강성 추정을 통해 회전축의 크랙을 검출할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for detecting cracks in a rotating shaft using torsional stiffness estimation, and to a technology that allows detecting cracks in a rotating shaft through torsional stiffness estimation.

결함을 가진 기계나 건축 등의 구조물은 동일한 하중이 작용하더라도 구조물의 자체 탄성에 의한 변형 에너지 이외에 크랙에 의해서 추가로 변형 에너지가 존재하게 되며, 부가된 에너지만큼 추가 변형이 발생한다. 또한, 크랙을 갖는 구조물에 어떤 하중이나 외력이 작용하게 되면 일정 한계 이상으로 힘을 받지 못하고 크랙을 기점으로 하여 급격히 균열이 전파되어 파괴된다. 따라서, 구조물 또는 회전체에 존재하는 크랙 또는 결함 검출은 지속적인 균열 전파로 돌발적인 고장 발생에 따른 안전 사고를 최소화할 수 있는 중요한 요소이다.Even if the same load is applied to structures such as machines or buildings with defects, additional strain energy exists due to cracks in addition to the strain energy caused by the structure's own elasticity, and additional strain occurs as much as the added energy. In addition, when any load or external force is applied to a structure with a crack, the structure cannot receive the force beyond a certain limit and the crack rapidly propagates from the crack as a starting point and is destroyed. Therefore, detection of cracks or defects in structures or rotating bodies is an important factor in minimizing safety accidents resulting from sudden failures due to continuous crack propagation.

종래의 크랙 검출 방법은 표면 육안 평가, 샘플링 파단 검사 및 방사선 촬영, 자기 입자 검사, 형광 다이 침투 및 초음파 방법과 같은 비파괴 모니터링 기술(non-destructive testing, NDT) 및 딥러닝 알고리즘을 사용하여 작동 중 회전 기계의 동작을 진단하고 모니터링한다. Conventional crack detection methods include surface visual evaluation, sampling fracture inspection and radiography, magnetic particle inspection, non-destructive monitoring techniques (NDT) such as fluorescent die penetration and ultrasonic methods, and deep learning algorithms during operation. Diagnose and monitor machine operation.

표면 육안 검사의 경우, 내부 불량을 검출하기 위해 크랙 검출 전문가의 경험, 기술 정도, 영상의 품질에 따라 검출 속도 및 정확성이 좌우될 수 있어 크랙을 검출하기 위해 효과적인 비파괴 검사가 널리 사용되고 있다. 비파괴검사 장비인 카메라 영상에 의한 크랙 검출 방법은 형태학 연산을 이용하여 초기 크랙을 검출 및 선 형태 요소를 이용한 닫힘 연산을 통해 크랙을 검출하나 추가 시간을 소비하고 전체 요소를 검사해야 하기 때문에 큰 시스템에 적용하는 데 큰 비용이 발생한다.In the case of surface visual inspection, detection speed and accuracy can depend on the experience, level of technology, and image quality of the crack detection expert to detect internal defects, so effective non-destructive testing is widely used to detect cracks. The crack detection method using camera images, which is a non-destructive testing equipment, detects initial cracks using morphological calculations and detects cracks through closing calculations using line shape elements, but it consumes additional time and requires inspecting all elements, so it is not suitable for large systems. It costs a lot to apply it.

최근 고주파에서 발생하는 고유 진동수, 모드 형상 및 진폭 피크의 변화를 분석하여 균열을 감지하나, 이러한 크랙 검출 방법은 고주파 진폭이 너무 작아 정확한 균열을 감지할 수 없으며 조립 공차, 제조 상태 노이즈 및 기타 결함에 의해 생성될 수 있어 정밀한 결함 검출에 어려움이 있다. 또한, 결함 신호를 수집 및 분석하여 이상 징후를 도출하는 알고리즘 역시 신호 분석 알고리즘이 복잡하고 낮은 민감성으로 인해 작은 변화를 감지하지 못하는 문제가 있다.Recently, cracks are detected by analyzing changes in natural frequency, mode shape, and amplitude peak that occur at high frequencies. However, these crack detection methods cannot accurately detect cracks because the high-frequency amplitude is too small and are dependent on assembly tolerances, manufacturing condition noise, and other defects. This makes it difficult to detect defects precisely. In addition, the algorithm that collects and analyzes defect signals to derive abnormalities also has the problem of not being able to detect small changes due to the signal analysis algorithm's complexity and low sensitivity.

대한민국 등록특허 제10-2273705호(2021.07.06)Republic of Korea Patent No. 10-2273705 (2021.07.06)

본 발명은, 시간에 따른 축 강성의 균열 강도를 추정할 수 있는 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.The present invention can provide a rotary shaft crack detection system and method using torsional stiffness estimation that can estimate crack intensity of shaft stiffness over time.

본 발명의 일 측면에 따른 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 시스템은 회전축의 일측 및 타측 각각에 회전 구동을 인가하는 회전 제어부; 상기 회전축의 각 측에 인가된 회전 정보의 측정값에 대한 노이즈를 최소화하기 위해 공분산 오차를 최소화하고 칼만 게인(Gain)이 역수로 증가하는 망각인자가 업데이트되는 루프 적응형 확장 칼만필터를 사용하여 선형 모델을 구축하는 모델 구축부; 및 상기 구축된 선형모델을 토대로 입력된 회전 정보에 대한 회전축의 비틀림 강성 추정값을 산출하고 산출된 비틀림 강성 추정값으로 상기 회전축의 크랙을 검출하는 크랙 검출부를 포함한다. A rotary shaft crack detection system using torsional rigidity estimation according to one aspect of the present invention includes a rotation control unit that applies rotational drive to each of one side and the other side of the rotary shaft; In order to minimize noise in the measured value of rotation information applied to each side of the rotation axis, a loop adaptive extended Kalman filter is used to minimize covariance error and update the forgetting factor whose Kalman gain increases inversely. a model building unit that builds a model; and a crack detection unit that calculates a torsional rigidity estimate of the rotation shaft based on the input rotation information based on the constructed linear model and detects cracks in the rotation shaft using the calculated torsional rigidity estimate.

바람직하게는, 상기 회전 정보는 회전 토크, 각속도, 및 일측의 각도와 타측의 각도 차일 수 있다.Preferably, the rotation information may be rotation torque, angular velocity, and angle difference between one side and the other side.

바람직하게는, 상기 루프 적응형 확장 칼만필터는 이산 시간 영역을 기반으로 비선형 모델을 이산화할 수 있다.Preferably, the loop adaptive extended Kalman filter can discretize a nonlinear model based on a discrete time domain.

바람직하게는, 상기 회전 정보로 기 설정된 시간 간격마다 회전축의 일측 및 타측 각각에 인가될 예정 토크, 예정 각속도, 일측의 예정 각도, 및 타측의 예정 각도 중 적어도 하나에 대한 추정값을 도출하는 추정부를 더 포함할 수 있다.Preferably, an estimation unit for deriving an estimate value for at least one of a scheduled torque to be applied to one side and the other side of the rotation axis, a scheduled angular velocity, a scheduled angle of one side, and a scheduled angle of the other side at each time interval preset with the rotation information is further provided. It can be included.

바람직하게는, 상기 모델 구축부는 도출된 망각인자와 추정된 망각인자의 잔차가 기 설정된 수치 이내이면 추정된 망각 인자를 최대값으로 설정할 수 있다.Preferably, the model building unit may set the estimated forgetting factor to the maximum value if the residual between the derived forgetting factor and the estimated forgetting factor is within a preset value.

바람직하게는, 상기 모델 구축부는 이전 추정값을 기반으로 자코비언(Jacobian) 행렬을 연산하여 선형화할 수 있다.Preferably, the model building unit may calculate and linearize a Jacobian matrix based on previous estimates.

바람직하게는, 상기 모델 구축부는 상기 회전 정보의 측정값과 추정값의 잔차가 기 설정된 수치 이내이면 상기 측정값에 가중치를 적용할 수 있다.Preferably, the model building unit may apply a weight to the measured value if the residual between the measured value and the estimated value of the rotation information is within a preset value.

본 발명의 다른 측면에 따른 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 방법은 회전축의 일측 및 타측에 회전 구동이 인가되는 회전 제어 단계; 상기 회전축의 각 측에 인가된 회전 정보의 측정값에 대한 노이즈를 최소화하기 위해 공분산 오차가 최소화되고 칼만 게인(Gain)이 역수로 증가하는 망각인자가 업데이트되는 루프 적응형 확장 칼만필터를 사용하여 선형 모델이 구축되는 모델 구축 단계; 및 상기 구축된 선형모델을 토대로 입력된 회전 정보에 대한 회전축의 비틀림 강성 추정값이 산출되고 산출된 비틀림 강성 추정값으로 상기 회전축의 크랙이 검출되는 크랙 검출 단계를 포함한다. A method of detecting cracks in a rotating shaft using torsional stiffness estimation according to another aspect of the present invention includes a rotation control step of applying rotational drive to one side and the other side of the rotating shaft; In order to minimize noise in the measured value of the rotation information applied to each side of the rotation axis, the covariance error is minimized and the forgetting factor that increases the Kalman gain inversely is updated using a linear linear adaptive extended Kalman filter. A model building stage in which a model is built; and a crack detection step in which a torsional stiffness estimate of the rotation axis is calculated based on the input rotation information based on the constructed linear model, and a crack in the rotation shaft is detected using the calculated torsional rigidity estimate.

바람직하게는, 상기 회전 정보로 기 설정된 시간 간격마다 회전축의 일측 및 타측 각각에 인가될 예정 토크, 예정 각속도, 일측의 예정 각도, 및 타측의 예정 각도 중 적어도 하나에 대한 추정값이 도출되는 추정 단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, an estimation step in which an estimated value for at least one of the scheduled torque to be applied to one side and the other side of the rotation axis, the scheduled angular velocity, the scheduled angle of one side, and the scheduled angle of the other side is derived at each preset time interval using the rotation information More may be included.

바람직하게는, 상기 모델 구축 단계는 도출된 망각인자와 추정된 망각인자의 잔차가 기 설정된 수치 이내이면 추정된 망각 인자를 최대값으로 설정될 수 있다.Preferably, in the model building step, if the residual of the derived forgetting factor and the estimated forgetting factor is within a preset value, the estimated forgetting factor may be set to the maximum value.

바람직하게는, 상기 모델 구축 단계는 이전 추정값을 기반으로 자코비언(Jacobian) 행렬이 연산되어 선형화될 수 있다.Preferably, the model building step can be linearized by calculating a Jacobian matrix based on previous estimates.

바람직하게는, 상기 모델 구축 단계는 상기 회전 정보의 측정값과 추정값의 잔차가 기 설정된 수치 이내이면 상기 측정값에 가중치가 적용될 수 있다.Preferably, in the model building step, if the residual between the measured value and the estimated value of the rotation information is within a preset value, a weight may be applied to the measured value.

본 발명에 따르면, 균열에 의한 강성 감소를 추정할 수 있을 뿐만 아니라 샤프트 비틀림 강성을 직접 추정하여 피로 균열 성장을 정량적으로 평가할 수 있다. 또한, 두 개의 속도 센서만으로 크랙 검출이 가능함에 따라 크랙 검출에 대한 비용을 절감할 수 있으며, 크랙 검출의 신속성이 향상될 수 있다.According to the present invention, not only can the decrease in rigidity due to cracks be estimated, but also the fatigue crack growth can be quantitatively evaluated by directly estimating the shaft torsional rigidity. In addition, since crack detection is possible with only two speed sensors, the cost of crack detection can be reduced and the speed of crack detection can be improved.

도 1은 일 실시예에 따른 회전축 크랙 검출 시스템의 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 회전축 모델링을 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 망각 요인 업데이트와 AEKF 알고리즘을 사용하는 전체 추정 프로세스를 도시한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 일정 시간동안 균열 개시로 인한 강성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 급격한 비틀림 강성 저하에 대한 추정 결과를 나타낸 그래프이다.
그림 6은 일 실시예에 따른 소음 불확실성 하에서 샤프트 강성 추정의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 추정결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 비틀림 강성 추정을 위한 시스템 구성을 나타낸 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 수렴 히스토리 그래프이다.
도 10은 일 실시예에 따른 강성 추정 시스템의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 균열 시나리오에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 전기 센서 노이즈 불확실성에서 추정된 비틀림 강성 응답을 나타낸 그래프이다.
도 13은 일 실시예에 따른 회전축 크랙 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
1 is a configuration diagram of a rotary shaft crack detection system according to an embodiment.
Figure 2 is a diagram illustrating rotation axis modeling according to one embodiment.
Figure 3 is a diagram illustrating the entire estimation process using forgetting factor update and AEKF algorithm according to one embodiment.
Figure 4 is a graph showing stiffness due to crack initiation over a certain period of time according to one embodiment.
Figure 5 is a graph showing the estimation results for a sudden decrease in torsional rigidity according to one embodiment.
Figure 6 is a graph showing simulation results of shaft stiffness estimation under noise uncertainty according to one embodiment.
Figure 7 is a graph showing estimation results according to one embodiment.
Figure 8 is a diagram showing the configuration of a system for estimating torsional rigidity according to an embodiment.
Figure 9 is a convergence history graph according to one embodiment.
Figure 10 is a graph showing experimental results of a stiffness estimation system according to an embodiment.
Figure 11 is a graph showing experimental results for a crack scenario.
Figure 12 is a graph showing the torsional stiffness response estimated from the electrical sensor noise uncertainty.
Figure 13 is a flowchart showing a method of detecting cracks in a rotating shaft according to an embodiment.

이하에서는 본 발명에 따른 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 시스템 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, the rotation axis crack detection system and method using torsional stiffness estimation according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In this process, the thickness of lines or sizes of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the terms described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may vary depending on the operator's intention or custom. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.The purpose and effect of the present invention can be naturally understood or become clearer through the following description, and the purpose and effect of the present invention are not limited to the following description. Additionally, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of known techniques related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

도 1은 일 실시예에 따른 회전축 크랙 검출 시스템의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a rotary shaft crack detection system according to an embodiment.

도 1에서 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 회전축 크랙 검출 시스템은 회전 제어부(100), 모델 구축부(300), 및 크랙 검출부(500)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the rotation shaft crack detection system according to one embodiment includes a rotation control unit 100, a model construction unit 300, and a crack detection unit 500.

회전 제어부(100)는 회전축의 일측 및 타측 각각에 회전 구동을 인가한다. 회전 제어부(100)는 일측 및 타측 각각에 속도 센서가 구비되어 각 방향으로 회전함에 따라 발생되는 각속도를 측정할 수 있다.The rotation control unit 100 applies rotational drive to each of one side and the other side of the rotation shaft. The rotation control unit 100 is equipped with speed sensors on one side and the other side, and can measure the angular speed generated as it rotates in each direction.

모델 구축부(300)는 상기 회전축의 각 측에 인가된 회전 정보의 측정값에 대한 노이즈를 최소화하기 위해 공분산 오차를 최소화하고 칼만 게인(Gain)이 역수로 증가하는 망각인자가 업데이트되는 루프 적응형 확장 칼만필터를 사용하여 선형 모델을 구축한다.The model building unit 300 uses a loop adaptive loop in which the covariance error is minimized to minimize noise in the measured value of the rotation information applied to each side of the rotation axis, and the forgetting factor is updated in which the Kalman gain increases inversely. Build a linear model using the extended Kalman filter.

크랙 검출부(500)는 상기 구축된 선형 모델을 토대로 입력된 회전 정보에 대한 회전축의 비틀림 강성 추정값을 산출하고 산출된 비틀림 강성 추정값으로 상기 회전축의 크랙을 검출한다.The crack detection unit 500 calculates a torsional rigidity estimate of the rotation shaft for the input rotation information based on the constructed linear model and detects cracks in the rotation shaft using the calculated torsional rigidity estimate.

여기서, 상기 회전 정보로 기 설정된 시간 간격마다 회전축의 일측 및 타측 각각에 인가될 예정 토크, 예정 각속도, 일측의 예정 각도, 및 타측의 예정 각도 중 적어도 하나에 대한 추정값을 도출하는 추정부를 더 포함할 수 있다.Here, it may further include an estimation unit that derives an estimated value for at least one of a scheduled torque to be applied to one side and the other side of the rotation axis, a scheduled angular velocity, a scheduled angle of one side, and a scheduled angle of the other side at each time interval preset by the rotation information. You can.

상기 회전 정보는 회전 토크, 각속도, 및 일측의 각도와 타측의 각도 차일 수 있다. 상기 루프 적응형 확장 칼만필터는 이상 시간 영역을 기반으로 비선형 모델을 이산화할 수 있다.The rotation information may be rotational torque, angular velocity, and the angle difference between one side and the other side. The loop adaptive extended Kalman filter can discretize a nonlinear model based on an abnormal time domain.

상기 모델 구축부(300)는 도출된 망각인자와 추정된 망각인자의 잔차가 기 설정된 수치 이내이면 추정된 망각 인자를 최대값으로 설정할 수 있고, 이전 추정값을 기반으로 자코비언(Jacobian) 행렬을 연산하여 선형화할 수 있으며, 상기 회전 정보의 측정값과 추정값의 잔차가 기 설정된 수치 이내이면 상기 측정값에 가중치를 적용할 수 있다.The model building unit 300 may set the estimated forgetting factor to the maximum value if the residual of the derived forgetting factor and the estimated forgetting factor are within a preset value, and calculate the Jacobian matrix based on the previous estimate value. It can be linearized, and if the residual between the measured value and the estimated value of the rotation information is within a preset value, a weight can be applied to the measured value.

도 2는 일 실시예에 따른 회전축 모델링을 도시한 도면이고, 도 3은 일 실시예에 따른 망각 요인 업데이트와 AEKF 알고리즘을 사용하는 전체 추정 프로세스를 도시한 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating rotation axis modeling according to an embodiment, and FIG. 3 is a diagram illustrating the entire estimation process using forgetting factor update and the AEKF algorithm according to an embodiment.

도 2 및 도 3에서 나타낸 바와 같이, AEKF 알고리즘을 사용하는 전체 추정 프로세스의 시스템 모델은 실제 구동 라인과 유사하게 토크와 회전 속도가 함께 적용된 동적 원형 샤프트를 기반으로 할 수 있다. 시스템 요소는 제안된 알고리즘의 실험적 검증을 위해 구동부하 모터 다이나모(Dynamo)를 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 샤프트를 연결하는 벨로우즈 커플링의 강성과 베어링 스탠드의 감쇠 효과는 무시될 수 있다. 도 2와 같이 회전축 모델은 4개의 구성요소로 구성될 수 있다. 샤프트 회전에 대한 지배 방정식은 다음과 같이 주어질 수 있다.As shown in Figures 2 and 3, the system model of the entire estimation process using the AEKF algorithm can be based on a dynamic circular shaft with torque and rotational speed applied together, similar to an actual drive line. System elements can perform simulations of the drive load motor Dynamo to experimentally verify the proposed algorithm. The stiffness of the bellows coupling connecting the shaft and the damping effect of the bearing stand can be neglected. do As shown in 2, the rotation axis model can be composed of four components. The governing equations for shaft rotation can be given as:

[수학식 1][Equation 1]

[수학식 2][Equation 2]

수학식 1 및 2에서, 은 관성 모멘트(구동 모터), 는 관성 모멘트(부하 모터), 는 샤프트의 비틀림 강성, 는 구동 모터의 점성 마찰 감쇠 계수이다. 부하 모터에 의해 토크가 가해지면 두 모터를 연결하는 축의 강성으로 인해 양측의 각속도 차이가 발생할 수 있다. 칼만 필터 알고리즘을 구현하기 위해서는 동적 모델을 상태 공간 모델로 표현해야 하며, 이는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.In equations 1 and 2, is the moment of inertia (drive motor), is the moment of inertia (load motor), is the torsional stiffness of the shaft, is the viscous friction damping coefficient of the drive motor. When torque is applied by a load motor, a difference in angular velocity on both sides may occur due to the rigidity of the shaft connecting the two motors. In order to implement the Kalman filter algorithm, the dynamic model must be expressed as a state space model, which can be expressed as the following equation.

[수학식 3][Equation 3]

[수학식 4][Equation 4]

수학식 3 및 4에서, x는 상태 벡터, u는 입력 벡터, 는 상태 벡터의 시간 도함수이다. 수학식 3에서 A는 상태행렬이고, B는 입력행렬이다. 수학식 4에서, y는 측정변수이고, C는 측정행렬이며, D는 피드포워드(Feed-forward) 행렬이다. 강성 추정을 위한 3개의 상태변수는 다음 수학식으로 표현될 수 있다. In equations 3 and 4, x is the state vector, u is the input vector, is the time derivative of the state vector. In Equation 3, A is the state matrix and B is the input matrix. In Equation 4, y is a measurement variable, C is a measurement matrix, and D is a feed-forward matrix. The three state variables for stiffness estimation can be expressed by the following equation.

[수학식 5][Equation 5]

[수학식 6][Equation 6]

수학식 5에서, 는 양쪽의 각변위의 차이이고, 는 부하 모터의 각속도이다. 네 번째 상태 변수 는 구동 모터의 각속도이다. 구동 모터 토크는 시스템에 대한 입력이다. 상태 공간 방정식은 수학식 1 및 2로부터 유도될 수 있으며, 다음 수학식으로 나타낼 수 있다.In equation 5, is the difference between the angular displacements of both sides, is the angular velocity of the load motor. fourth state variable is the angular velocity of the driving motor. Drive motor torque is the input to the system. The state space equation can be derived from Equations 1 and 2 and can be expressed as the following equation.

[수학식 7][Equation 7]

[수학식 8][Equation 8]

수학식 7에서, 재구성된 시스템 모델 f(x,u)는 비선형 모델이고, 수학식 8에서, 측정 모델 h(x)는 실제 측정 가능한 각속도 값을 출력으로 하는 선형모델이다. 비틀림 강성 추정을 위해서는 비선형 모델을 선형화하는 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter, EKF)가 고려되며, 추정 성능을 향상시키기 위해 P-적응 루프를 갖는 적응형 EKF(Adaptive EKF, AEKF)가 제안된다. 제안하는 AEKF 알고리즘은 이산시간 영역을 기반으로 하므로 연속방정식은 다음 수학식으로 표현되는 Euler 방법을 사용하여 이산화하였다.In Equation 7, the reconstructed system model f(x,u) is a non-linear model, and in Equation 8, the measurement model h(x) is a linear model whose output is the actual measurable angular velocity value. For torsional stiffness estimation, an Extended Kalman Filter (EKF), which linearizes a nonlinear model, is considered, and an adaptive EKF (Adaptive EKF, AEKF) with a P-adaptive loop is proposed to improve estimation performance. Since the proposed AEKF algorithm is based on the discrete time domain, the continuity equation was discretized using the Euler method expressed as the following equation.

[수학식 9][Equation 9]

수학식 9에서, 는 시간 단계이고, 에서의 순간 시간을 나타낸다. 수학식 7을 수학식 9에 대입하면 다음 수학식으로 정의될 수 있다.In equation 9, is the time step, Is and It represents the instantaneous time in . By substituting equation 7 into equation 9, it can be defined as the following equation.

[수학식 10][Equation 10]

[수학식 11][Equation 11]

여기서, 이산 시간 방정식은 다음 수학식으로 표현될 수 있다.Here, the discrete time equation can be expressed as the following equation.

[수학식 12][Equation 12]

재귀 구조로 노이즈에 의해 오염된 측정값을 기반으로 선형 동적 시스템의 상태를 최적으로 추정한다. KF를 설계하는 데 필요한 일반 선형 이산 시간 시스템 모델은 다음과 같다.The recursive structure optimally estimates the state of a linear dynamic system based on measurements contaminated by noise. The general linear discrete-time system model needed to design a KF is:

[수학식 13][Equation 13]

수학식 13에서, 는 공분산 행렬이 있는 다변량 가우스 분포 시스템의 잡음 변수이고, 는 공분산 행렬이 있는 다변량 가우스 분포 측정 변수이다. 여기서, 측정 모델에 입력이 없고, EKF의 적용은 비선형 모델을 기반으로 한다. 일반적인 이산 시간 방정식은 다음 수학식으로 표현될 수 있다.In equation 13, is the noise variable of a multivariate Gaussian distribution system with a covariance matrix, is a multivariate Gaussian distributed measurement variable with a covariance matrix. Here, there is no input to the measurement model, and the application of EKF is based on a nonlinear model. The general discrete time equation can be expressed as the following equation.

[수학식 14][Equation 14]

수학식 14에서, 확장 칼만 필터는 모델의 선형성 대신 상태 변경 함수의 미분성을 가정할 수 있다. 비선형 시스템 모델은 Jacobian을 이용하여 선형화하였으며, 이전 추정치를 기반으로 Jacobian 행렬을 계산하여 다음 수학식으로 표현될 수 있다.In Equation 14, the extended Kalman filter can assume the differentiability of the state change function instead of the linearity of the model. The nonlinear system model is linearized using Jacobian, and the Jacobian matrix can be calculated based on the previous estimate and expressed in the following equation.

[수학식 15][Equation 15]

[수학식 16][Equation 16]

수학식 15와 수학식 16을 이용하여 선형화된 회전축 시스템 모델의 행렬 A와 B는 다음과 같다.The matrices A and B of the linearized rotation axis system model using Equation 15 and Equation 16 are as follows.

[수학식 17][Equation 17]

[수학식 18][Equation 18]

[수학식 19][Equation 19]

여기서, (*)는 Jacobian을 사용하여 선형화된 시스템 모델 행렬을 나타낸다. 이산 시간 EKF 알고리즘의 형식은 k = 0에서 초기 추정 단계, 예측 단계, 및 수정 단계로 구성될 수 있으며, 각 단계는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.Here, (*) represents the system model matrix linearized using Jacobian. The form of the discrete-time EKF algorithm can be composed of an initial estimation step, a prediction step, and a correction step at k = 0, and each step can be expressed by the following equation.

[수학식 20][Equation 20]

[수학식 21][Equation 21]

[수학식 22][Equation 22]

[수학식 23][Equation 23]

수학식 20은 K=0에서 초기 추정 단계이고, 수학식 21은 예측 단계이고, 수학식 22 및 23은 수정 단계이다. 수학식 20에서, E는 확률 변수의 기대값을 나타내고 수학식 15에서 Jacobian 행렬을 이용하여 행렬을 미분하였다. 예측 단계에서 예측된 변수는 선험적 상태 변수와 오차 공분산 행렬이다.Equation 20 is the initial estimation step at K=0, Equation 21 is the prediction step, and Equations 22 and 23 are the correction steps. In Equation 20, E represents the expected value of the random variable, and in Equation 15, the matrix was differentiated using the Jacobian matrix. The variables predicted in the prediction step are the a priori state variables and the error covariance matrix.

필터 추정은 과거 데이터에 의존하기 때문에 EKF를 사용하여 시변 매개변수(샤프트 강성)를 추정하기 어렵고 과거 데이터가 재귀적 추정 방법에 적합하지 아니한 경우 상태 추정이 발산할 수 있다. 따라서, 이러한 기술적 한계를 해결하기 위해 망각 인자()를 갖는 AEKF를 사용한다. 업데이트된 망각 인자는 오차 공분산 행렬을 수정하고 칼만 게인 행렬은 망각 인자의 역수만큼 증가한다. 망각 요인은 일정한 조정 매개변수로 간주된다. 그러나 비선형 모델과 같이 불확실성이 크면 감소한다. 따라서, 측정값과 추정값 사이의 잔차를 이용하여 최근 데이터에 더 많은 가중치를 적용하기 위해 적응 루프를 사용할 수 있다. AEKF 방정식은 오차 공분산 방정식의 망각 인자를 제외하고는 수학식 21의 EKF와 동일하고, λ (k) ≥1 일 때, 다음 수학식으로 표현될 수 있다.Because the filter estimation depends on historical data, it is difficult to estimate time-varying parameters (shaft stiffness) using EKF, and the state estimation may diverge if the historical data is not suitable for the recursive estimation method. Therefore, to solve this technical limitation, the forgetting factor ( ) is used. The updated forgetting factor modifies the error covariance matrix and the Kalman gain matrix increases by the reciprocal of the forgetting factor. The forgetting factor is considered a constant tuning parameter. However, it decreases when uncertainty is large, such as in non-linear models. Therefore, an adaptive loop can be used to apply more weight to recent data using the residual between measured and estimated values. The AEKF equation is the same as the EKF in Equation 21 except for the forgetting factor of the error covariance equation, and when λ (k) ≥1, it can be expressed as the following equation.

[수학식 24][Equation 24]

따라서, 가장 최근에 측정된 데이터가 상태 및 매개변수에 미치는 영향을 고려하여 발산을 방지할 수 있다. AEKF의 성능은 망각 요인에 전적으로 의존하기 때문에 가장 중요한 요인이다. 여기서, 잔차 z(k)는 측정값과 추정값 간의 차이로 정의되고, 최적의 필터링 이득이 사용될 때의 백색 잡음 시퀀스이며, 잔차는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.Therefore, divergence can be prevented by considering the impact of the most recently measured data on the state and parameters. The performance of AEKF is completely dependent on the forgetting factor, so it is the most important factor. Here, the residual z(k) is defined as the difference between the measured value and the estimated value, and is the white noise sequence when the optimal filtering gain is used, and the residual can be expressed by the following equation.

[수학식 25][Equation 25]

여기서, 모든 이득에 대해 잔차의 공분산은 다음과 같이 표현될 수 있다.Here, the covariance of the residuals for all gains can be expressed as follows.

[수학식 26][Equation 26]

잔차의 자기 공분산은 다음 수학식으로 표현될 수 있다.The autocovariance of the residuals can be expressed by the following equation.

[수학식 27][Equation 27]

수학식 27에서, 는 수학식 22와 수학식 26을 수학식 27에 대입할 때 0과 같으며, 이는 최적 이득을 적용할 때 잔차 시퀀스가 상관관계가 없음을 의미할 수 있다. 그러나 잔차 의 실제 공분산은 시스템 모델 매개변수 및 잡음 공분산의 오차로 인해 이론상 공분산과 다를 수 있다. 따라서, 는 0이 아닐 수 있다. 이에 따라, 수학식 27에서 의 마지막 항이 0이 되도록 망각 인자를 도출할 수 있고, 이는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.In equation 27, is equal to 0 when substituting Equation 22 and Equation 26 into Equation 27, which may mean that the residual sequence is uncorrelated when applying optimal gain. But the residual The actual covariance of may differ from the theoretical covariance due to errors in system model parameters and noise covariance. thus, may not be 0. Accordingly, in Equation 27 The forgetting factor can be derived so that the last term of is 0, and this can be expressed as the following equation.

[수학식 28][Equation 28]

수학식 28에서, 최적 조건에서 는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.In Equation 28, under optimal conditions and can be expressed by the following equation:

[수학식 29][Equation 29]

[수학식 30][Equation 30]

칼만 필터의 최적성은 스칼라 함수인 수학식 29를 통해 결정될 수 있으며, 의 (i, j) 번째 요소이다. 가 작을수록 최적의 필터가 생성되므로 망각 인자 를 선택하여 를 최소화해야 한다. 시간에 따라 변하는 매개변수를 추적하기 위해 망각 요인 업데이트를 사용한 재귀적 추정 방법을 도입할 수 있다. 또한, 상수 망각 계수는 다음 방정식(즉, 경사 하강법)에 따라 최적으로 업데이트될 수 있고, 이는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.The optimality of the Kalman filter can be determined through Equation 29, which is a scalar function. Is It is the (i, j)th element of . The smaller is the optimal filter, so the forgetting factor By selecting must be minimized. To track parameters that change over time, a recursive estimation method using forgetting factor updates can be introduced. Additionally, the constant forgetting coefficient can be optimally updated according to the following equation (i.e., gradient descent), which can be expressed as the following equation:

[수학식 31][Equation 31]

수학식 31의 초기 조건에 대한 수학식은 다음과 같다.The equation for the initial conditions in Equation 31 is as follows.

[수학식 32][Equation 32]

수학식 31 및 32에서, 는 시계열이고 은 순간의 반복 시간이다. 는 단계 길이다(즉, 학습률, 0 < <1). p번째 반복(즉, 수렴)에서 수학식 33을 만족하면 반복을 중지하고 수학식 34를 이용하여 최적 망각 인자를 결정한다.In equations 31 and 32, is a time series is the repetition time of the moment. is the step length (i.e. learning rate, 0 < <1). If Equation 33 is satisfied at the pth iteration (i.e., convergence), the iteration is stopped and the optimal forgetting factor is determined using Equation 34.

[수학식 33][Equation 33]

[수학식 34][Equation 34]

그러나 반복적인 수치적 방법은 실시간 처리를 보장하지 아니한다. 마지막으로 이 계산 부담을 해결하기 위해 onestep AEFK 알고리즘이 사용될 수 있다. 주어진 시스템에서 상태 방정식인 수학식 14, 20 및 21은 다음과 같은 가정을 가질 수 있다. [가정 1: Q(k), R(k) 및 P(0)은 양의 정부호] 및 [가정 2: 측정 행렬 H(k)는 완전히 순위가 매겨짐] 이에 따라, 최적의 망각 요인은 다음과 같이 계산할 수 있다.However, iterative numerical methods do not guarantee real-time processing. Finally, the onestep AEFK algorithm can be used to solve this computational burden. For a given system, the state equations (14, 20, and 21) can have the following assumptions: [Assumption 1: Q(k), R(k) and P(0) are positive definite] and [Assumption 2: The measurement matrix H(k) is fully ranked] Accordingly, the optimal forgetting factor is It can be calculated as follows:

[수학식 35][Equation 35]

수학식 35에서, 는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.In equation 35, and can be expressed by the following equation:

[수학식 36][Equation 36]

[수학식 37][Equation 37]

수학식 37에서, 값은 다음과 같은 재귀 방정식을 사용하여 추정될 수 있다.In equation 37, The value can be estimated using the following recursive equation:

[수학식 38][Equation 38]

[수학식 39][Equation 39]

[수학식 40][Equation 40]

초기 조건 에서, 수학식 35, 36, 및 37의 증명은 수학식 28에 칼만 게인 값을 유도하는 수학식 22를 대입하여 유도하였고, 이는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.initial conditions and In, the proof of Equations 35, 36, and 37 was derived by substituting Equation 22, which derives the Kalman gain value, into Equation 28, which can be expressed as the following equation.

[수학식 41][Equation 41]

[수학식 42][Equation 42]

수학식 42는 가정 1 및 2에서 수학식 28에 개시된 최적 조건이 수학식 26과 동일함을 의미할 수 있다. 따라서, 수학식 16을 수학식 42에 대입하고 재구성하면 다음과 같이 생성될 수 있다.Equation 42 can mean that under assumptions 1 and 2, the optimal condition disclosed in Equation 28 is the same as Equation 26. Therefore, by substituting Equation 16 into Equation 42 and reorganizing, it can be generated as follows.

[수학식 43][Equation 43]

제안된 알고리즘을 기반으로 맷트랩(MATLAB)을 사용하여 샤프트 손상으로 인해 크랙이 발생하는 상황을 시물레이션할 수 있다. 실제 회전축 시스템에는 베어링, 샤프트 등 다양한 연결구조가 존재하지만, 본 시뮬레이션의 주요 목적은 변화하는 강성 추정치를 단순화된 모델로 검증하는 것이다. 시스템 모델의 매개변수 값은 표 1에 나타낼 수 있다.Based on the proposed algorithm, MATLAB can be used to simulate a situation in which cracks occur due to shaft damage. Although there are various connection structures such as bearings and shafts in the actual rotating shaft system, the main purpose of this simulation is to verify the changing stiffness estimates with a simplified model. The parameter values of the system model can be shown in Table 1.

지속적인 순환으로 인한 균열을 모방하기 위해 사인파 토크 입력이 적용될 수 있다(주파수 1Hz, Tm(t) = 10,000sin(2ðt) Nmm). 시뮬레이션 모델의 각속도 측정 데이터는 백색 가우스 랜덤 노이즈 v(k) = N(0,(103)2)에 의해 오염되도록 설정될 수 있다. A sinusoidal torque input can be applied (frequency 1 Hz, Tm(t) = 10,000 sin(2ðt) Nmm) to mimic cracking due to continuous cycling. The angular velocity measurement data of the simulation model can be set to be contaminated by white Gaussian random noise v(k) = N(0,(10 3 ) 2 ).

도 4는 일 실시예에 따른 일정 시간동안 균열 개시로 인한 강성을 나타낸 그래프이다.Figure 4 is a graph showing stiffness due to crack initiation over a certain period of time according to one embodiment.

균열 개시 시나리오의 경우 도 4에서 나타낸 바와 같이, 20초 시간 데이터에서 균열 개시로 인해 10초 동안 강성이 735,000에서 345,000 Nmm/rad로 감소한다.For the crack initiation scenario, as shown in Figure 4, in the 20-second time data, the stiffness decreases from 735,000 to 345,000 Nmm/rad over 10 seconds due to crack initiation.

Parameters (unit)Parameters (unit) ValueValue Inertia moment of load motor Jl (Nmm2)Inertia moment of load motor J l (Nmm 2 ) 580580 Inertia moment of driving motor Jm (Nmm2)Inertia moment of driving motor J m (Nmm 2 ) 180180 Damping constant cm (Nmm·s/rad)Damping constant cm (Nmm·s/rad) 1,0001,000 Shaft torsional stiffness ks (Nmm/rad)Shaft torsional stiffness ks (Nmm/rad) 735,000735,000

추정을 위한 초기 상태값과 오차 공분산은 다음 수학식으로 표현될 수 있다.The initial state value and error covariance for estimation can be expressed by the following equation.

[수학식 44][Equation 44]

수학식 23 및 수학식 24에 대한 시스템 잡음 공분산 행렬 Q와 측정 잡음 공분산 R은 다음과 같이 다양한 경우에 조정되었고 최적의 추정치가 도출될 수 있다.The system noise covariance matrix Q and the measurement noise covariance R for Equation 23 and Equation 24 were adjusted in various cases as follows and the optimal estimate can be derived.

[수학식 45][Equation 45]

AEKF의 기본 추정 성능을 평가하기 위해 보다 정밀한 분석을 위해 k번째 시점의 RMSE(Root-mean-squared error)를 계산할 수 있고, 이는 다음 수학식으로 나타낼 수 있다.To evaluate the basic estimation performance of AEKF, the root-mean-squared error (RMSE) at the kth time point can be calculated for more precise analysis, which can be expressed in the following equation.

[수학식 46][Equation 46]

수학식 46에서 k는 에서 시간 순간이고, 는 각각 참 및 추정값이다. 이후 RMSE(MRMSE)의 정상 상태 평균을 계산하여 과도 동작의 영향을 제외할 수 있다. In equation 46, k is At the time moment, and are the true and estimated values, respectively. The steady-state average of the RMSE (MRMSE) can then be calculated to exclude the effects of transient behavior.

도 5는 일 실시예에 따른 급격한 비틀림 강성 저하에 대한 추정 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 5 is a graph showing the estimation results for a sudden decrease in torsional rigidity according to one embodiment.

도 5에서 나타낸 바와 같이, AEKF는 급격한 비틀림 강성 변화를 정확하게 추정할 수 있다. 대조적으로, EKF는 시간에 따른 샤프트 강성 변화를 추적하지 아니한다. 망각 인자는 강성이 10초에 급격히 감소할 때 P-적응 루프에 의해 적절하게 변경된다. 노이즈 및 매개변수 모델 불확실성 하에서 제안된 추정 모델의 견고성은 센서 노이즈 및 주요 매개변수에 섭동을 도입하여 분석된다. 노이즈 및 매개변수 불확실성 하에서의 견고성을 평가하기 위해 명목 값에 대한 상대 오차(즉, 정규화된 성능 측정)를 정량적으로 계산할 수 있고, 이는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.As shown in Figure 5, AEKF can accurately estimate rapid torsional stiffness changes. In contrast, EKF does not track shaft stiffness changes over time. The forgetting factor is changed appropriately by the P-adaptation loop when the stiffness decreases rapidly at 10 s. The robustness of the proposed estimation model under noise and parameter model uncertainty is analyzed by introducing sensor noise and perturbations to the main parameters. To assess robustness under noise and parameter uncertainty, the relative error (i.e., normalized performance measure) with respect to the nominal value can be quantitatively calculated, which can be expressed as the following equation:

[수학식 47][Equation 47]

센서 정보는 본질적으로 전기적 노이즈에 의해 오염되기 때문에 전기적 노이즈가 추정 성능에 미치는 영향이 고려된다. 센서 데이터는 백색 가우스 랜덤 노이즈를 추가하여 오염될 수 있다. Since sensor information is inherently contaminated by electrical noise, the impact of electrical noise on estimation performance is considered. Sensor data can be contaminated by adding white Gaussian random noise.

그림 6은 일 실시예에 따른 소음 불확실성 하에서 샤프트 강성 추정의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 6 is a graph showing simulation results of shaft stiffness estimation under noise uncertainty according to one embodiment.

도 6에서 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 확률 밀도 함수는 예시로 도 6의 (a)와 (b)에 나타낼 수 있고, 랜덤 노이즈(오차) 분포는 분산이 있는 정규 가우스 분포에 맞출 수 있음을 고려할 수 있고(σ2 = 0.00197, Case 1; σ2 = 0.00298, Case 2), 백색 가우스 랜덤 노이즈로 확인할 수 있다. 제안된 AEKF는 도 6의 (c) 및 (d)와 같이 추정 결과가 원본 데이터와 유사하고 큰 차이가 없어 센서 데이터에서 추출한 가우시안 랜덤 노이즈에 대해 강건한 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 6, the probability density function according to one embodiment can be shown in (a) and (b) of FIG. 6 as an example, and the random noise (error) distribution can be fit to a normal Gaussian distribution with variance. can be considered (σ 2 = 0.00197, Case 1; σ 2 = 0.00298, Case 2), and can be confirmed with white Gaussian random noise. As shown in Figures 6 (c) and (d), the estimation results are similar to the original data and there is no significant difference, indicating that the proposed AEKF is robust against Gaussian random noise extracted from sensor data.

도 7은 일 실시예에 따른 추정결과를 나타낸 그래프이다. Figure 7 is a graph showing estimation results according to one embodiment.

도 7에서 나타낸 바와 같이, AEKF 모델의 추정 성능은 관성 모멘트와 같은 모수적 불확실성 하에서 평가될 수 있다. 양쪽 관성 모멘트는 커플링의 크기, 무게 및 연결 구조에 따라 달라지므로 중요한 모델 불확실성일 수 있다. 부하 모터의 관성 모멘트(580 Nmm2)에 대한 공칭 값은 -20%(464 Nmm2) 및 +20%(696 Nmm2)에 의해 섭동되었으며 구동 모터(180 Nmm2)의 공칭 관성 모멘트도 같이 변경될 수 있다. -20%(144 Nmm2) 및 +20%(216 Nmm2)에 의해 섭동될 수 있다. 감쇠 계수는 베어링 윤활 조건에 따라 정상 작동 조건(800~1200 Nmm·s/rad)에서 다양하고, 추정 결과는 다양한 모수적 불확실성에서 합리적인 범위 내에서 명목 값과 유사하므로 도 7-(d)와 같이 제안 모델의 견고성을 입증한다.As shown in Figure 7, the estimation performance of the AEKF model can be evaluated under parametric uncertainty such as the moment of inertia. Both moments of inertia can be important model uncertainties because they depend on the size, weight, and connection structure of the coupling. The nominal value for the moment of inertia of the load motor (580 Nmm 2 ) was perturbed by -20% (464 Nmm 2 ) and +20% (696 Nmm 2 ), and the nominal moment of inertia of the drive motor (180 Nmm 2 ) was also changed. It can be. It can be perturbed by -20% (144 Nmm 2 ) and +20% (216 Nmm 2 ). The damping coefficient varies under normal operating conditions (800~1200 Nmm·s/rad) depending on the bearing lubrication conditions, and the estimation results are similar to the nominal value within a reasonable range under various parametric uncertainties, as shown in Figure 7-(d). It demonstrates the robustness of the proposed model.

도 8은 일 실시예에 따른 비틀림 강성 추정을 위한 시스템 구성을 나타낸 도면이다.Figure 8 is a diagram showing the configuration of a system for estimating torsional rigidity according to an embodiment.

도 8에 나타낸 바와 같이, 제안된 샤프트 상태 모니터링 방법은 회전 제어부(100)로 토크 발전기를 사용하여 실험적으로 검증되었다. 알루미늄 중공봉 시편(o D : 20 mm, i D : 18.2 mm, L: 550 mm)은 도 8과 같이 회전축에 사용되었다. 토크 발전기는 구동 모터와 토크 제어 부하 모터로 구성될 수 있다. (Mitsubishi HG-SR152, 10Hz 대역폭). 사인파 토크(Tm(t) = 10,000sin(2π t) Nmm)는 5.23rad/s(50RPM)의 회전 속도에서 적용되었다. 샤프트 크랙 시나리오의 경우 크랙이 없는 일반 샤프트에서 45° 방향으로 크랙 샤프트로 샤프트를 도 8(b)과 같이 교대로 교체하였다.As shown in Figure 8, the proposed shaft condition monitoring method was experimentally verified using a torque generator as the rotation control unit 100. An aluminum hollow bar specimen (o D: 20 mm, i D: 18.2 mm, L: 550 mm) was used for the rotation axis as shown in Figure 8. The torque generator may be composed of a drive motor and a torque-controlled load motor. (Mitsubishi HG-SR152, 10Hz bandwidth). A sinusoidal torque (Tm(t) = 10,000 sin(2π t) Nmm) was applied at a rotational speed of 5.23 rad/s (50 RPM). In the case of the shaft crack scenario, the shafts were alternately replaced from a normal shaft without cracks to a cracked shaft at a 45° direction, as shown in Figure 8(b).

균열 깊이는 샤프트 강성이 원래 값에서 갑자기 떨어질 수 있도록 5mm로 설정되었고, 비접촉 각속도 센서(타코미터)의 적용 가능성을 검토하기 위해 측정 모델은 회전축 양쪽의 각속도 값을 고려했다. 양측의 각속도는 광전검출기형 회전속도센서(ONO SOKKI, 모델명: LG-930)를 이용하여 측정하였으며, 1회전당 기어에 반사되는 빛을 펄스로 계산하여 회전속도를 계산하였다. 실시간 모니터링 성능은 dSPACE® 시스템(DS1104)을 이용하여 평가하였다.The crack depth was set to 5 mm to allow the shaft stiffness to suddenly drop from its original value, and to examine the applicability of a non-contact angular velocity sensor (tachometer), the measurement model considered angular velocity values on both sides of the rotation axis. The angular velocities on both sides were measured using a photoelectric detector-type rotational speed sensor (ONO SOKKI, model name: LG-930), and the rotational speed was calculated by calculating the light reflected by the gear per rotation as a pulse. Real-time monitoring performance was evaluated using the dSPACE® system (DS1104).

여기서, RLSE(Recursive Least Square Estimator)를 사용하여 알려지지 않은 모델 매개변수를 식별했다. 이에 따라 상술한 회전축 모델인 수학식 1 및 수학식 2는 다음과 같이 매트릭스 형태로 재구성될 수 있다.Here, the Recursive Least Square Estimator (RLSE) was used to identify unknown model parameters. Accordingly, the above-described rotation axis model, Equation 1 and Equation 2, can be reconstructed in matrix form as follows.

[수학식 48][Equation 48]

[수학식 49][Equation 49]

센서에서 측정된 데이터 외에도 두 행렬 에 대해 다른 정보가 필요로 한다. 필요 정보에 대한 수학식은 다음으로 표현될 수 있다.In addition to the data measured from the sensor, two matrices and Other information is needed about . The mathematical equation for the necessary information can be expressed as follows.

[수학식 50][Equation 50]

[수학식 51][Equation 51]

[수학식 52][Equation 52]

[수학식 53][Equation 53]

[수학식 54][Equation 54]

수학식 50 및 51은 초기 평가 수식이고, 수학식 52는 칼만 이득 계산식이고, 수학식 53은 파라미터 업데이트 수식이며, 수학식 54는 공분산 업데이트 식이다. 먼저, 도 8과 같이 인라인 토크 센서를 이용하여 수학식 52의 입력 토크(Tm)를 측정하였다. 행렬 에 대한 각변위()와 두 개의 각가속도()는 각속도 신호의 저역 통과 필터링을 사용하여 직접 미분 및 적분하여 도출했다. 그런 다음 RLSE는 다음과 같이 설계되었다.Equations 50 and 51 are the initial evaluation equations, Equation 52 is the Kalman gain calculation equation, Equation 53 is the parameter update equation, and Equation 54 is the covariance update equation. First, the input torque (T m ) of Equation 52 was measured using an in-line torque sensor, as shown in FIG. 8. procession Angular displacement for ( ) and two angular accelerations ( ) was derived by direct differentiation and integration using low-pass filtering of the angular velocity signal. Then RLSE was designed as follows:

도 9는 일 실시예에 따른 수렴 히스토리 그래프이다.Figure 9 is a convergence history graph according to one embodiment.

도 9에서 나타낸 바와 같이, 도 9의 (a)는 부하 모터의 관성 모멘트이고, (b)는 구동 모터의 관성 모멘트이고, (c)는 댐핑 상수이며, (d)는 샤프트 비틀림 강성이다. 5000번의 반복 후에 정상 상태 최종 양수 값으로 수렴하기 때문에 성공적으로 추정되었다. 회전 샤프트 모델의 식별된 시스템 매개변수는 표 2에 나열되어 있다.As shown in Figure 9, (a) in Figure 9 is the moment of inertia of the load motor, (b) is the moment of inertia of the drive motor, (c) is the damping constant, and (d) is the shaft torsional stiffness. It was estimated successfully because it converged to the steady-state final positive value after 5000 iterations. The identified system parameters of the rotating shaft model are listed in Table 2.

Parameters (unit)Parameters (unit) ValueValue Inertia moment of load motor Jl (Nmm2)Inertia moment of load motor J l (Nmm 2 ) 595595 Inertia moment of driving motor Jm (Nmm2)Inertia moment of driving motor J m (Nmm 2 ) 2020 Damping constant cm (Nmm·s/rad)Damping constant cm (Nmm·s/rad) 280280 Shaft torsional stiffness ks (Nmm/rad)Shaft torsional stiffness ks (Nmm/rad) 13,00013,000

도 10은 일 실시예에 따른 강성 추정 시스템의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 10 is a graph showing experimental results of a stiffness estimation system according to an embodiment.

도 10에서 나타낸 바와 같이, (a) 및 (b) 비틀림 강성의 추정된 응답이고, (c) 및 (d)는 각속도 입력이며, (a)와 (c)는 균열이 없는 그래프이고, (b)와 (d)는 균열(균열 깊이 5mm)인 그래프이다. AEKF 추정 모델의 경우 초기 상태를 설정하고 두 개의 소음 공분산 행렬(Q 및 R)을 시행 착오를 통해 P0 diag[0.1 1 650000 1], Q는 diag[1 2.1 2 2.1]×105, R은 diag[9 9]×108 으로 조정되었다. 제안된 알고리즘을 사용하여 추정한 샤프트 강성을 도 10에서 비교하였으며, 추정된 강성은 두 경우 모두 15초 후에 정상 상태가 되었다. 또한, 제안된 알고리즘의 효율성을 추가로 조사하기 위해 다른 균열 시나리오가 설정될 수 있다. 균열 깊이는 단면적의 감소로 인해 15,000 Nmm/rad에서 7,500 Nmm/rad 미만으로 급격하게 감소하도록 증가(11 mm)되었다(크랙 세그먼트 면적과 원래 단면적의 비율은 65 %). 도 10과 유사하게 제안된 알고리즘은 도 11과 같이 심한 균열로 인한 강성 저하를 추적할 수 있다. 제안된 추정 모델은 균열에 의한 강성 감소를 추정할 수 있을 뿐만 아니라 샤프트 비틀림 강성을 직접 추정하여 피로 균열 성장을 정량적으로 평가할 수 있다.As shown in Figure 10, (a) and (b) are the estimated responses of torsional stiffness, (c) and (d) are the angular velocity inputs, (a) and (c) are graphs without cracks, and (b) are the estimated responses of torsional stiffness. ) and (d) are graphs of cracks (crack depth 5 mm). For the AEKF estimation model, by setting the initial state and the two noise covariance matrices (Q and R) through trial and error, P 0 is diag[0.1 1 650000 1], Q was adjusted to diag[1 2.1 2 2.1]×10 5 , and R was adjusted to diag[9 9]×10 8 . The shaft stiffness estimated using the proposed algorithm is compared in Figure 10, and the estimated stiffness reached a steady state after 15 seconds in both cases. Additionally, different crack scenarios can be set up to further investigate the effectiveness of the proposed algorithm. The crack depth was increased (11 mm) to rapidly decrease from 15,000 Nmm/rad to less than 7,500 Nmm/rad due to the decrease in cross-sectional area (the ratio of the crack segment area to the original cross-sectional area was 65%). Similar to Figure 10, the proposed algorithm can track stiffness degradation due to severe cracking, as shown in Figure 11. The proposed estimation model can not only estimate the stiffness reduction due to cracking, but also can quantitatively evaluate fatigue crack growth by directly estimating shaft torsional stiffness.

도 11은 균열 시나리오에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 12는 전기 센서 노이즈 불확실성에서 추정된 비틀림 강성 응답을 나타낸 그래프이다.Figure 11 is a graph showing experimental results for a crack scenario. Figure 12 is a graph showing the torsional stiffness response estimated from the electrical sensor noise uncertainty.

도 11에서 (a)는 균열 없음을 나타내고, (b)는 균열 있음(균열 깊이: 11mm)을 나타내며, 도 12에서 (a)는 균열 깊이 5 mm이고, (b)는 균열 깊이 11 mm이고, (c)는 원래 센서 신호에서 추출한 센서 노이즈의 확률 밀도 분포이며, (d)는 공칭에 대한 상대 오차이다.In Figure 11, (a) indicates no crack, (b) indicates the presence of a crack (crack depth: 11 mm), and in Figure 12, (a) indicates a crack depth of 5 mm, (b) indicates a crack depth of 11 mm, (c) is the probability density distribution of sensor noise extracted from the original sensor signal, and (d) is the relative error to nominal.

노이즈 불확실성 하에서 제안된 추정 모델의 견고성은 센서 노이즈에 섭동을 도입하여 평가되었다. 원래 센서 신호는 디지털 이동 평균 필터(위상 지연 없음)로 필터링되었다. 저역 통과 필터링은 작고(케이스 1, 덜 오염됨) 꺼짐(케이스 2, 더 오염됨, 즉, 원시 데이터)에 따라 두 개의 손상된 신호가 생성되었다. 원래 센서 신호에서 추출한 센서 노이즈의 확률 밀도 분포는 그림 12(c)와 같이 가우스 분포와 유사하다. The robustness of the proposed estimation model under noise uncertainty was assessed by introducing perturbations to the sensor noise. The original sensor signal was filtered with a digital moving average filter (no phase delay). Low-pass filtering produced two corrupted signals: small (case 1, less polluted) and off (case 2, more polluted, i.e. raw data). The probability density distribution of sensor noise extracted from the original sensor signal is similar to a Gaussian distribution, as shown in Figure 12(c).

추정 모델은 그림 12(a), (b)와 같이 오염 정도에 상관없이 추정 결과가 유사하여 모든 센서 데이터에서 가우시안 랜덤 노이즈에 대해 강건한 것으로 보였다. 심한 균열(균열 깊이 11mm)의 경우 제안된 추정 모델이 그림 12(d)와 같이 가우스 랜덤 노이즈에 대해 더 강건한 것으로 나타낸다.The estimation model appeared to be robust against Gaussian random noise in all sensor data, as the estimation results were similar regardless of the degree of contamination, as shown in Figure 12(a) and (b). For severe cracks (crack depth 11 mm), the proposed estimation model is shown to be more robust to Gaussian random noise, as shown in Figure 12(d).

도 13은 일 실시예에 따른 회전축 크랙 검출 방법을 나타낸 순서도이다.Figure 13 is a flowchart showing a method of detecting cracks in a rotating shaft according to an embodiment.

도 13에서 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 회전축 크랙 검출 방법은 회전 제어 단계(S100), 모델 구축 단계(S300), 및 크랙 검출 단계(S500)를 포함하고, 추정 단계를 더 포함할 수 있다.As shown in FIG. 13, the method for detecting cracks in a rotating shaft according to an embodiment includes a rotation control step (S100), a model building step (S300), and a crack detection step (S500), and may further include an estimation step. .

회전 제어 단계(S100)는 회전축의 일측 및 타측에 회전 구동이 인가된다.In the rotation control step (S100), rotational drive is applied to one side and the other side of the rotation shaft.

모델 구축 단계(S300)는 상기 회전축의 각 측에 인가된 회전 정보의 측정값에 대한 노이즈를 최소화하기 위해 공분산 오차가 최소화되고 칼만 게인(Gain)이 역수로 증가하는 망각인자가 업데이트되는 루프 적응형 확장 칼만필터를 사용하여 선형 모델이 구축될 수 있다.The model building step (S300) is a loop adaptive loop in which the covariance error is minimized and the forgetting factor is updated in which the Kalman gain increases inversely to minimize noise in the measured value of the rotation information applied to each side of the rotation axis. A linear model can be built using an extended Kalman filter.

여기서, 상기 모델 구축 단계(S300)는 도출된 망각인자와 추정된 망각인자의 잔차가 기 설정된 수치 이내이면 추정된 망각 인자를 최대값으로 설정될 수 있고, 이전 추정값을 기반으로 자코비언(Jacobian) 행렬이 연산되어 선형화될 수 있으며, 상기 회전 정보의 측정값과 추정값의 잔차가 기 설정된 수치 이내이면 상기 측정값에 가중치가 적용될 수 있다.Here, in the model building step (S300), if the residual of the derived forgetting factor and the estimated forgetting factor is within a preset value, the estimated forgetting factor can be set to the maximum value, and the Jacobian matrix is calculated based on the previous estimate. This can be calculated and linearized, and if the residual between the measured value and the estimated value of the rotation information is within a preset value, a weight can be applied to the measured value.

크랙 검출 단계(S500)는 상기 구축된 선형모델을 토대로 입력된 회전 정보에 대한 회전축의 비틀림 강성 추정값이 산출되고 산출된 비틀림 강성 추정값으로 상기 회전축의 크랙이 검출될 수 있다.In the crack detection step (S500), a torsional stiffness estimate of the rotation axis is calculated based on the input rotation information based on the constructed linear model, and a crack in the rotation shaft can be detected using the calculated torsional rigidity estimate.

추정 단계는 상기 회전 정보로 기 설정된 시간 간격마다 회전축의 일측 및 타측 각각에 인가될 예정 토크, 예정 각속도, 일측의 예정 각도, 및 타측의 예정 각도 중 적어도 하나에 대한 추정값이 도출될 수 있다.In the estimation step, an estimated value for at least one of a scheduled torque to be applied to one side and the other side of the rotation axis, a scheduled angular velocity, a scheduled angle of one side, and a scheduled angle of the other side at each preset time interval may be derived from the rotation information.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다. Although the present invention has been described in detail through representative embodiments above, those skilled in the art will understand that various modifications can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. will be. Therefore, the scope of rights of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims described later, but also by all changes or modified forms derived from the claims and the concept of equivalents.

100: 회전 제어부 300: 모델 구축부
500: 크랙 검출부
100: rotation control unit 300: model construction unit
500: Crack detection unit

Claims (12)

회전축의 일측 및 타측 각각에 회전 구동을 인가하는 회전 제어부;
상기 회전축의 각 측에 인가된 회전 정보의 측정값에 대한 노이즈를 최소화하기 위해 공분산 오차를 최소화하고 칼만 게인(Gain)이 역수로 증가하는 망각인자가 업데이트되는 루프 적응형 확장 칼만필터를 사용하여 선형 모델을 구축하는 모델 구축부; 및
상기 구축된 선형모델을 토대로 입력된 회전 정보에 대한 회전축의 비틀림 강성 추정값을 산출하고 산출된 비틀림 강성 추정값으로 상기 회전축의 크랙을 검출하는 크랙 검출부를 포함하는 회전축 크랙 검출 시스템.
a rotation control unit that applies rotational drive to each of one side and the other side of the rotation axis;
In order to minimize noise in the measured value of rotation information applied to each side of the rotation axis, a loop adaptive extended Kalman filter is used to minimize covariance error and update the forgetting factor whose Kalman gain increases inversely. a model building unit that builds a model; and
A rotation shaft crack detection system comprising a crack detection unit that calculates a torsional rigidity estimate of the rotation shaft for input rotation information based on the constructed linear model and detects cracks in the rotation shaft using the calculated torsional rigidity estimate.
제 1 항에 있어서,
상기 회전 정보는 회전 토크, 각속도, 및 일측의 각도와 타측의 각도 차인 것을 특징으로 하는 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 시스템.
According to claim 1,
A rotation shaft crack detection system using torsional stiffness estimation, characterized in that the rotation information is rotation torque, angular velocity, and the angle difference between one side and the other side.
제 1 항에 있어서,
상기 루프 적응형 확장 칼만필터는 이산 시간 영역을 기반으로 비선형 모델을 이산화하는 것을 특징으로 하는 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 시스템.
According to claim 1,
The loop adaptive extended Kalman filter is a rotation axis crack detection system using torsional stiffness estimation, characterized in that it discretizes a nonlinear model based on a discrete time domain.
제 1 항에 있어서,
상기 회전 정보로 기 설정된 시간 간격마다 회전축의 일측 및 타측 각각에 인가될 예정 토크, 예정 각속도, 일측의 예정 각도, 및 타측의 예정 각도 중 적어도 하나에 대한 추정값을 도출하는 추정부를 더 포함하는 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 시스템.
According to claim 1,
Torsional rigidity further comprising an estimation unit that derives an estimate for at least one of a scheduled torque to be applied to each of one side and the other side of the rotation axis, a scheduled angular velocity, a scheduled angle of one side, and a scheduled angle of the other side at preset time intervals using the rotation information. Rotational axis crack detection system using estimation.
제 1 항에 있어서,
상기 모델 구축부는 도출된 망각인자와 추정된 망각인자의 잔차가 기 설정된 수치 이내이면 추정된 망각 인자를 최대값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 시스템.
According to claim 1,
The model construction unit sets the estimated forgetting factor to the maximum value if the residual of the derived forgetting factor and the estimated forgetting factor is within a preset value. A rotation axis crack detection system using torsional stiffness estimation.
제 1 항에 있어서,
상기 모델 구축부는 이전 추정값을 기반으로 자코비언(Jacobian) 행렬을 연산하여 선형화하는 것을 특징으로 하는 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 시스템.
According to claim 1,
A rotation axis crack detection system using torsional stiffness estimation, wherein the model building unit calculates a Jacobian matrix based on the previous estimate and linearizes it.
제 1 항에 있어서,
상기 모델 구축부는 상기 회전 정보의 측정값과 추정값의 잔차가 기 설정된 수치 이내이면 상기 측정값에 가중치를 적용하는 것을 특징으로 하는 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 시스템.
According to claim 1,
A rotation axis crack detection system using torsional stiffness estimation, wherein the model building unit applies a weight to the measured value if the residual between the measured value and the estimated value of the rotation information is within a preset value.
회전축의 일측 및 타측에 회전 구동이 인가되는 회전 제어 단계;
상기 회전축의 각 측에 인가된 회전 정보의 측정값에 대한 노이즈를 최소화하기 위해 공분산 오차가 최소화되고 칼만 게인(Gain)이 역수로 증가하는 망각인자가 업데이트되는 루프 적응형 확장 칼만필터를 사용하여 선형 모델이 구축되는 모델 구축 단계; 및
상기 구축된 선형모델을 토대로 입력된 회전 정보에 대한 회전축의 비틀림 강성 추정값이 산출되고 산출된 비틀림 강성 추정값으로 상기 회전축의 크랙이 검출되는 크랙 검출 단계를 포함하는 회전축 크랙 검출 방법.
A rotation control step in which a rotational drive is applied to one side and the other side of the rotation shaft;
In order to minimize noise in the measured value of the rotation information applied to each side of the rotation axis, a linear loop adaptive extended Kalman filter is used in which the covariance error is minimized and the forgetting factor that increases the Kalman gain inversely is updated. A model building stage in which a model is built; and
A crack detection step of calculating a torsional stiffness estimate of the rotating shaft for input rotation information based on the constructed linear model and detecting a crack in the rotating shaft using the calculated torsional stiffness estimate.
제 8 항에 있어서,
상기 회전 정보로 기 설정된 시간 간격마다 회전축의 일측 및 타측 각각에 인가될 예정 토크, 예정 각속도, 일측의 예정 각도, 및 타측의 예정 각도 중 적어도 하나에 대한 추정값이 도출되는 추정 단계를 더 포함하는 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 방법.
According to claim 8,
Torsion further comprising an estimation step of deriving an estimated value for at least one of a scheduled torque to be applied to each of one side and the other side of the rotation axis, a scheduled angular velocity, a scheduled angle of one side, and a scheduled angle of the other side at preset time intervals using the rotation information. Rotational axis crack detection method using stiffness estimation.
제 8 항에 있어서,
상기 모델 구축 단계는 도출된 망각인자와 추정된 망각인자의 잔차가 기 설정된 수치 이내이면 추정된 망각 인자를 최대값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 방법.
According to claim 8,
In the model building step, if the residual of the derived forgetting factor and the estimated forgetting factor is within a preset value, the estimated forgetting factor is set to the maximum value. A rotation axis crack detection method using torsional stiffness estimation.
제 8 항에 있어서,
상기 모델 구축 단계는 이전 추정값을 기반으로 자코비언(Jacobian) 행렬이 연산되어 선형화되는 것을 특징으로 하는 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 방법.
According to claim 8,
In the model building step, a rotation axis crack detection method using torsional stiffness estimation is characterized in that a Jacobian matrix is calculated and linearized based on the previous estimate.
제 8 항에 있어서,
상기 모델 구축 단계는 상기 회전 정보의 측정값과 추정값의 잔차가 기 설정된 수치 이내이면 상기 측정값에 가중치가 적용되는 것을 특징으로 하는 비틀림 강성 추정을 이용한 회전축 크랙 검출 방법.
According to claim 8,
In the model building step, if the residual between the measured value and the estimated value of the rotation information is within a preset value, a weight is applied to the measured value. A rotation axis crack detection method using torsional stiffness estimation.
KR1020220124353A 2022-09-29 2022-09-29 Rotational shaft crack detection system and method using torsional stifness estimation KR20240044851A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220124353A KR20240044851A (en) 2022-09-29 2022-09-29 Rotational shaft crack detection system and method using torsional stifness estimation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220124353A KR20240044851A (en) 2022-09-29 2022-09-29 Rotational shaft crack detection system and method using torsional stifness estimation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240044851A true KR20240044851A (en) 2024-04-05

Family

ID=90714384

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220124353A KR20240044851A (en) 2022-09-29 2022-09-29 Rotational shaft crack detection system and method using torsional stifness estimation

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20240044851A (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102273705B1 (en) 2020-12-16 2021-07-06 주식회사 칼만 A system that determines the status information of autonomous vehicles based on prediction and update behavior according to Kalman filter algorithm

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102273705B1 (en) 2020-12-16 2021-07-06 주식회사 칼만 A system that determines the status information of autonomous vehicles based on prediction and update behavior according to Kalman filter algorithm

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11599103B2 (en) Method and system for data driven machine diagnostics
Verboven et al. Autonomous structural health monitoring—part I: modal parameter estimation and tracking
TWI813548B (en) Device for confirming state of built-in object, device for confirming motion of built-in object, and method for confirming state of built-in object
CN108885154B (en) Valve diagnosis method and valve diagnosis device
Hansen et al. A new approach to the challenge of machinery prognostics
US10597171B2 (en) Method for estimating the play in an electromechanical actuator
Asnaashari et al. Crack detection in structures using deviation from normal distribution of measured vibration responses
Li et al. Transmissibility function-based fault diagnosis methods for beam-like engineering structures: a review of theory and properties
Tarpø et al. Operational modal analysis based prediction of actual stress in an offshore structural model
CN109657329B (en) Sensor fault and structure damage identification method based on improved adaptive particle filtering
JP2006333594A (en) Mechanical characteristic modeling apparatus and method, motor controller, and machine control system
Klausen et al. RMS based health indicators for remaining useful lifetime estimation of bearings
KR20240044851A (en) Rotational shaft crack detection system and method using torsional stifness estimation
US20240103484A1 (en) Apparatus for determining the actual state and/or the remaining service life of structural components of a work machine
KR20180035549A (en) apparatus and method for evaluating fault risk index of a rotator
JP2002181038A (en) Abnormality diagnosis device
Mal et al. Damage detection in structures from vibration and wave propagation data
CN114088052A (en) Building structure settlement deformation prediction method based on monitoring data fitting curve derivative
JP3161844B2 (en) Plant abnormality detection method and apparatus
Meier et al. Verification of measuring the bearing clearance using kurtosis, recurrences and neural networks and comparison of these approaches
JP2002188411A (en) Abnormality diagnosing apparatus
US20110004420A1 (en) Method for Identification of an Electric Drive System to be Modeled as a Multimass Oscillator and/or for Detection of Damage in Bearings and/or on Elements Susceptible to Wear and a Corresponding Device and Electric Drive System
Hansen et al. A new approach to the challenge of machinery prognostics
Kumaran et al. Remaining useful life estimation for high speed industrial robots using an unknown input observer for feature extraction
Giovannitti et al. A virtual sensor for backlash in robotic manipulators