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KR102707036B1 - 김발의 외란 회전력 제거 시스템 및 제거 방법 - Google Patents

김발의 외란 회전력 제거 시스템 및 제거 방법 Download PDF

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KR102707036B1
KR102707036B1 KR1020240008577A KR20240008577A KR102707036B1 KR 102707036 B1 KR102707036 B1 KR 102707036B1 KR 1020240008577 A KR1020240008577 A KR 1020240008577A KR 20240008577 A KR20240008577 A KR 20240008577A KR 102707036 B1 KR102707036 B1 KR 102707036B1
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gimbal
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elevation
disturbance
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정재헌
윤문영
정지인
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 김발(Gimbal)의 운동으로 인해 발생하는 외란 회전력(Disturbance Torque)을 제거하기 위한 시스템으로서, 상기 김발의 운동 정보를 측정하는 센서류 및 상기 운동 정보 및 외란 운동방정식을 이용하여 외란 상쇄 회전력을 산출하는 외란 상쇄 제어기를 포함하는 김발의 외란 회전력 제거 시스템으로서, 본 발명에 의하면, 의도하지 않은 외란 회전력을 제거하여 김발을 보다 정밀하게 제어할 수 있게 한다.

Description

김발의 외란 회전력 제거 시스템 및 제거 방법{REMOVAL SYSTEM AND METHOD OF GIMBAL DISTURBANCE TORQUE}
본 발명은 김발(Gimbal)의 움직임으로 인해 발생되는 외란 회전력을 제거하기 위한 시스템 및 제거 방법에 관한 것이다.
김발은 여러 개의 회전축을 가지며 각 축에 대한 회전 운동을 수행하는 기계장치이다. 주로 2축 형태의 김발이 많이 사용되며, 카메라와 같은 센서 등이 김발에 장착되어 그 센서가 특정 각도를 지향할 수 있도록 움직인다.
도 1에서 참조되는 2축 김발은 방위각 모터, 고각 모터, 방위각 질량-스프링-댐퍼 시스템, 고각 질량-스프링-댐퍼 시스템을 포함한다.
각 모터의 작동에 의한 회전력 제어에 의해 각 질량-스프링-댐퍼 시스템이 김발의 방위각, 고각의 운동을 결정한다.
그런데, 2축 김발의 경우, 김발의 움직임으로 인하여 외란 회전력(Disturbance Torque)이 발생한다. 도시와 같이 외란 회전력은 김발에 대한 각도 및 각속도, 김발 고정부에 대한 각속도 및 각가속도를 기반으로 하여 운동방정식에 의해 생성된다. 이러한 외란 회전력은 의도하지 않은 것으로 김발의 정밀 제어에 좋지 않은 영향을 끼치기 때문에 이러한 외란 회전력을 제거할 필요가 있다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
한국등록특허공보 제10-2128548호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 의도하지 않은 외란 회전력을 제거하여 김발을 보다 정밀하게 제어할 수 있게 하는 김발의 외란 회전력 제거 시스템 및 제거 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 김발의 외란 회전력 제거 시스템은, 김발(Gimbal)의 운동으로 인해 발생하는 외란 회전력(Disturbance Torque)을 제거하기 위한 시스템으로서, 상기 김발의 운동 정보를 측정하는 센서류 및 상기 운동 정보 및 외란 운동방정식을 이용하여 외란 상쇄 회전력을 산출하는 외란 상쇄 제어기를 포함한다.
그리고, 상기 외란 상쇄 제어기는 상기 외란 상쇄 회전력을 상기 김발의 방위각을 조절하기 위한 방위각 모터 및 상기 김발의 고각을 조절하기 위한 고각 모터에 인가하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 센서류는, 상기 김발의 방위각의 각도를 측정하는 김발 방위각 각도 센서, 상기 김발의 방위각의 각속도를 측정하는 김발 방위각 각속도 센서, 상기 김발의 고각의 각도를 측정하는 김발 고각 각도 센서 및 상기 김발의 고각의 각속도를 측정하는 김발 고각 각속도 센서를 포함한다.
또한, 상기 센서류는, 상기 김발을 고정시키는 김발 고정부의 방위각의 각속도를 측정하는 김발 고정부 방위각 각속도 센서 및 상기 김발 고정부의 고각의 각속도를 측정하는 김발 고정부 고각 각속도 센서를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 외란 상쇄 제어기는 상기 김발 고정부 방위각 각속도 센서에 의해 수신한 김발 고정부 방위각 각속도 정보 및 상기 김발 고정부 고각 각속도 센서에 의해 수신한 김발 고정부 고각 각속도 정보를 미분하여 김발 고정부 방위각 각가속도 정보 및 김발 고정부 고각 각가속도 정보를 산출하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 외란 상쇄 제어기는 상기 김발 방위각 각도 센서에 의해 수신한 김발의 방위각 각도 정보, 상기 김발 방위각 각속도 센서에 의해 수신한 김발의 방위각 각속도 정보, 상기 김발 고각 각도 센서에 의해 수신한 김발의 고각 각도 정보, 상기 김발 고각 각속도 센서에 의해 수신한 김발의 고각 각속도 정보, 상기 김발 고정부 방위각 각속도 정보, 상기 김발 고정부 고각 각속도 정보, 김발 고정부 방위각 각가속도 정보 및 상기 김발 고정부 고각 각가속도 정보를 이용하여, 상기 외란 상쇄 회전력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 김발의 외란 회전력 제거 방법은, 김발(Gimbal)의 운동으로 인해 발생하는 외란 회전력(Disturbance Torque)을 제거하기 위한 방법으로서, 센서류에 의해 상기 김발의 운동 정보를 측정하는 단계, 외란 상쇄 제어기가 상기 센서류로부터 상기 운동 정보를 수신하는 단계, 상기 운동 정보 및 외란 운동방정식을 이용하여 외란 상쇄 회전력을 산출하는 단계 및 상기 외란 상쇄 회전력을 상기 김발의 방위각을 조절하기 위한 방위각 모터 및 상기 김발의 고각을 조절하기 위한 고각 모터에 인가하는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 운동 정보를 측정하는 단계는, 김발 방위각 각도 센서에 의해 상기 김발의 방위각의 각도를 측정하는 단계, 김발 방위각 각속도 센서에 의해 상기 김발의 방위각의 각속도를 측정하는 단계, 김발 고각 각도 센서에 의해 상기 김발의 고각의 각도를 측정하는 단계, 김발 고각 각속도 센서에 의해 상기 김발의 고각의 각속도를 측정하는 단계, 김발 고정부 방위각 각속도 센서에 의해 상기 김발을 고정시키는 김발 고정부의 방위각의 각속도를 측정하는 단계 및 김발 고정부 고각 각속도 센서에 의해 상기 김발 고정부의 고각의 각속도를 측정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 외란 상쇄 회전력을 산출하는 단계는, 상기 김발 고정부 방위각 각속도 센서에 의해 수신한 김발 고정부 방위각 각속도 정보 및 상기 김발 고정부 고각 각속도 센서에 의해 수신한 김발 고정부 고각 각속도 정보를 미분하여 김발 고정부 방위각 각가속도 정보 및 김발 고정부 고각 각가속도 정보를 산출하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 외란 상쇄 회전력을 산출하는 단계는, 상기 김발 방위각 각도 센서에 의해 수신한 김발의 방위각 각도 정보, 상기 김발 방위각 각속도 센서에 의해 수신한 김발의 방위각 각속도 정보, 상기 김발 고각 각도 센서에 의해 수신한 김발의 고각 각도 정보, 상기 김발 고각 각속도 센서에 의해 수신한 김발의 고각 각속도 정보, 상기 김발 고정부 방위각 각속도 정보, 상기 김발 고정부 고각 각속도 정보, 김발 고정부 방위각 각가속도 정보 및 상기 김발 고정부 고각 각가속도 정보를 이용하여, 상기 외란 상쇄 회전력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 김발에 의도치 않게 발생하는 외란 회전력을 미리 계산하여 상쇄시켜 제거할 수 있으므로 김발 정밀 제어에 도움이 된다.
도 1은 김발 시스템과 외란 회전력 발생 개념을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 김발의 외란 회전력 제거 시스템의 개념을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 김발의 외란 회전력 제거 시스템이 적용된 김발 시스템을 도시한 것이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
도 1은 김발 시스템과 외란 회전력 발생 개념을 도시한 것이며, 도 2는 본 발명의 김발의 외란 회전력 제거 시스템의 개념을 도시한 것이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 김발의 외란 회전력 제거 시스템이 적용된 김발 시스템을 도시한 것이다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 김발의 외란 회전력 제거 시스템 및 제거 방법을 설명하기로 한다.
본 발명은 도 1과 같은 2축 김발에서 발생되는 외란 회전력을 제거하기 위한 것이다. 2 축 김발은 방위각을 조절하기 위한 방위각 모터, 고각을 조절하기 위한 고각 모터를 포함하고, 방위각 모터와 고각 모터의 회전력에 의해서 방위각과 고각 각각의 운동을 발생시키는 질량-스프링-댐퍼 시스템을 가지며, 이 김발 시스템으로부터 발생하는 각도와 각속도, 그리고 김발 고정부의 방위각과 고각에서 발생하는 각속도와 각가속도에 의해 외란 회전력이 발생한다.
이 외란 회전력은 의도하지 않는 회전력이므로 김발 제어 성능을 떨어뜨리는 요인이 된다. 본 발명은 이러한 외란 회전력을 상쇄시키기 위한 것으로서, 김발 방위각 각도 센서, 김발 방위각 각속도 센서, 김발 고각 각도 센서, 김발 고각 각속도 센서, 김발 고정부 방위각 각속도 센서, 김발 고정부 고각 각속도 센서를 포함하며, 도 2, 도 3에서 참조되는 외란 상쇄 제어기에 의해 산출된 외란 상쇄 회전력에 의해 김발의 운동이 제어되도록 한다.
구체적인 제어 및 작동은 다음과 같다.
먼저, 김발의 방위각과 고각에 설치된 각도 센서와 각속도 센서에 의해 측정된 김발의 각도 정보와 각속도 정보를 외란 상쇄 제어기가 얻는다.
동시에 김발 고정부의 방위각과 고각에 설치된 각속도 센서를 이용하여 각속도 정보를 얻고, 이 각속도 정보를 미분하여 각가속도 정보를 얻는다.
위에서 얻어진 정보와 외란 운동방정식을 활용하여 방위각과 고각에 대한 외란 상쇄 회전력을 산출한다.
이렇게 산출된 외란 상쇄 회전력을 김발의 방위각 모터와 고각 모터에 인가하고, 방위각 모터와 고각 모터의 회전력에 의해서 질량-스프링-댐퍼 시스템에 의해 방위각과 고각 각각의 운동이 발생됨으로써, 최종적으로 김발의 운동에 있어 외란 회전력이 상쇄될 수 있다.
김발 내축에 대한 외란 방정식은 아래와 같다.
김발 외축에 대한 외란 방정식은 아래와 같다.
Ar, Ae, Ad 는 김발 내축에 대하여 r, e, d 축에 대한 관성 모멘트이다.
Bn, Be, Bk 는 김발 외축에 대하여 n, e, k 축에 대한 관성 모멘트이다.
ε, η 는 각각 내축과 외축에 대한 김발 각도이다.
ωAr, ωAe, ωAd 는 김발 내축에 대하여 r, e, d 축에 대한 각속도이다.
ωBn, ωBe, ωBk 는 김발 외축에 대하여 n, e, k 축에 대한 각속도이다.
ωPi, ωPj, ωPk 는 김발 고정부에 대하여 i, j, k 축에 대한 각속도이다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 김발(Gimbal)의 운동으로 인해 발생하는 외란 회전력(Disturbance Torque)을 제거하기 위한 시스템으로서,
    상기 김발의 운동 정보를 측정하는 센서류; 및
    상기 운동 정보 및 외란 운동방정식을 이용하여 상기 김발의 방위각과 고각에 대한 외란 상쇄 회전력을 산출하는 외란 상쇄 제어기를 포함하고,
    상기 외란 운동방정식 중 김발 내축에 대한 외란 방정식은 다음과 같으며,

    김발 외축에 대한 외란 방정식은 하기와 같은 것을 특징으로 하는,
    김발의 외란 회전력 제거 시스템.

    (Ar, Ae, Ad 는 김발 내축에 대하여 r, e, d 축에 대한 관성 모멘트, Bn, Be, Bk 는 김발 외축에 대하여 n, e, k 축에 대한 관성 모멘트, ε, η 는 각각 내축과 외축에 대한 김발 각도, ωAr, ωAe, ωAd 는 김발 내축에 대하여 r, e, d 축에 대한 각속도, ωBn, ωBe, ωBk 는 김발 외축에 대하여 n, e, k 축에 대한 각속도, ωPi, ωPj, ωPk 는 김발 고정부에 대하여 i, j, k 축에 대한 각속도)
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외란 상쇄 제어기는 상기 외란 상쇄 회전력을 상기 김발의 방위각을 조절하기 위한 방위각 모터 및 상기 김발의 고각을 조절하기 위한 고각 모터에 인가하는 것을 특징으로 하는,
    김발의 외란 회전력 제거 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 센서류는,
    상기 김발의 방위각의 각도를 측정하는 김발 방위각 각도 센서;
    상기 김발의 방위각의 각속도를 측정하는 김발 방위각 각속도 센서;
    상기 김발의 고각의 각도를 측정하는 김발 고각 각도 센서; 및
    상기 김발의 고각의 각속도를 측정하는 김발 고각 각속도 센서를 포함하는,
    김발의 외란 회전력 제거 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 센서류는,
    상기 김발을 고정시키는 김발 고정부의 방위각의 각속도를 측정하는 김발 고정부 방위각 각속도 센서; 및
    상기 김발 고정부의 고각의 각속도를 측정하는 김발 고정부 고각 각속도 센서를 더 포함하는,
    김발의 외란 회전력 제거 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 외란 상쇄 제어기는 상기 김발 고정부 방위각 각속도 센서에 의해 수신한 김발 고정부 방위각 각속도 정보 및 상기 김발 고정부 고각 각속도 센서에 의해 수신한 김발 고정부 고각 각속도 정보를 미분하여 김발 고정부 방위각 각가속도 정보 및 김발 고정부 고각 각가속도 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는,
    김발의 외란 회전력 제거 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 외란 상쇄 제어기는 상기 김발 방위각 각도 센서에 의해 수신한 김발의 방위각 각도 정보, 상기 김발 방위각 각속도 센서에 의해 수신한 김발의 방위각 각속도 정보, 상기 김발 고각 각도 센서에 의해 수신한 김발의 고각 각도 정보, 상기 김발 고각 각속도 센서에 의해 수신한 김발의 고각 각속도 정보, 상기 김발 고정부 방위각 각속도 정보, 상기 김발 고정부 고각 각속도 정보, 김발 고정부 방위각 각가속도 정보 및 상기 김발 고정부 고각 각가속도 정보를 이용하여, 상기 외란 상쇄 회전력을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    김발의 외란 회전력 제거 시스템.
  7. 김발(Gimbal)의 운동으로 인해 발생하는 외란 회전력(Disturbance Torque)을 제거하기 위한 방법으로서,
    센서류에 의해 상기 김발의 운동 정보를 측정하는 단계;
    외란 상쇄 제어기가 상기 센서류로부터 상기 운동 정보를 수신하는 단계;
    상기 운동 정보 및 외란 운동방정식을 이용하여 상기 김발의 방위각과 고각에 대한 외란 상쇄 회전력을 산출하는 단계; 및
    상기 외란 상쇄 회전력을 상기 김발의 방위각을 조절하기 위한 방위각 모터 및 상기 김발의 고각을 조절하기 위한 고각 모터에 인가하는 단계를 포함하고,
    상기 외란 운동방정식 중 김발 내축에 대한 외란 방정식은 다음과 같으며,

    김발 외축에 대한 외란 방정식은 하기와 같은 것을 특징으로 하는,
    김발의 외란 회전력 제거 방법.

    (Ar, Ae, Ad 는 김발 내축에 대하여 r, e, d 축에 대한 관성 모멘트, Bn, Be, Bk 는 김발 외축에 대하여 n, e, k 축에 대한 관성 모멘트, ε, η 는 각각 내축과 외축에 대한 김발 각도, ωAr, ωAe, ωAd 는 김발 내축에 대하여 r, e, d 축에 대한 각속도, ωBn, ωBe, ωBk 는 김발 외축에 대하여 n, e, k 축에 대한 각속도, ωPi, ωPj, ωPk 는 김발 고정부에 대하여 i, j, k 축에 대한 각속도)
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 운동 정보를 측정하는 단계는,
    김발 방위각 각도 센서에 의해 상기 김발의 방위각의 각도를 측정하는 단계;
    김발 방위각 각속도 센서에 의해 상기 김발의 방위각의 각속도를 측정하는 단계;
    김발 고각 각도 센서에 의해 상기 김발의 고각의 각도를 측정하는 단계;
    김발 고각 각속도 센서에 의해 상기 김발의 고각의 각속도를 측정하는 단계;
    김발 고정부 방위각 각속도 센서에 의해 상기 김발을 고정시키는 김발 고정부의 방위각의 각속도를 측정하는 단계; 및
    김발 고정부 고각 각속도 센서에 의해 상기 김발 고정부의 고각의 각속도를 측정하는 단계를 포함하는,
    김발의 외란 회전력 제거 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 외란 상쇄 회전력을 산출하는 단계는,
    상기 김발 고정부 방위각 각속도 센서에 의해 수신한 김발 고정부 방위각 각속도 정보 및 상기 김발 고정부 고각 각속도 센서에 의해 수신한 김발 고정부 고각 각속도 정보를 미분하여 김발 고정부 방위각 각가속도 정보 및 김발 고정부 고각 각가속도 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는,
    김발의 외란 회전력 제거 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 외란 상쇄 회전력을 산출하는 단계는,
    상기 김발 방위각 각도 센서에 의해 수신한 김발의 방위각 각도 정보, 상기 김발 방위각 각속도 센서에 의해 수신한 김발의 방위각 각속도 정보, 상기 김발 고각 각도 센서에 의해 수신한 김발의 고각 각도 정보, 상기 김발 고각 각속도 센서에 의해 수신한 김발의 고각 각속도 정보, 상기 김발 고정부 방위각 각속도 정보, 상기 김발 고정부 고각 각속도 정보, 김발 고정부 방위각 각가속도 정보 및 상기 김발 고정부 고각 각가속도 정보를 이용하여, 상기 외란 상쇄 회전력을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    김발의 외란 회전력 제거 방법.
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