KR20160073052A - 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치 및 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 외란을 최소화하는 무게중심 옵셋을 검출하여 이동체의 무게중심을 실시간으로 보정할 수 있는 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치를 제공하는 것이 그 기술적 과제이다. 이를 위해, 본 발명의 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치는, 무게중심 이동유닛을 포함하는 이동체에 대한 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치로, 상기 이동체에 구비되며 상기 이동체의 각속도를 측정하는 센서부; 상기 센서부를 통해 측정되는 각속도를 이용하여 추력벡터와 무게중심 사이의 옵셋거리를 실시간으로 연산하는 연산부; 및 상기 무게중심 이동유닛을 제어하여 상기 연산된 옵셋거리만큼 상기 이동체의 무게중심을 실시간으로 보정하는 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 정지궤도 인공위성을 임무궤도에 도달시키기 위해서는 자세제어용 추력기 이 외에 별도로 큰 추력을 발생하는 추력기를 부가적으로 이용하게 된다. 이 때 이 추력기의 정렬오차, 무게중심 오차 및 불확실성, 그리고 추력기 작동에 따른 연료량 감소로 인한 무게중심 변화 등의 요소는 임무궤도 획득을 위한 추력기 작동시 외란의 형태로 작용하게 된다. 이러한 외란은 인공위성이 전이궤도 비행을 하는 도중에 경험하는 태양방사 압력(태양복사압) 및 대기 항력 영향 등으로 인하여 발생하는 외란에 비해 상대적으로 매우 크기 때문에 이를 적절히 보상해 주어야 한다.
이를 위하여, 종래의 기술로 한국 등록특허 제10-1183063(등록일: 2012년 9월 10일)에 개시된 제어 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 인공위성 본체(10)의 내부에 설치되어 일축을 따라 슬라이드 이동됨에 의해 인공위성 본체(10)의 무게중심을 가변시키는 제1 무게중심 이동유닛(100)과, 인공위성 본체(10)의 내부에 설치되되, 제1 무게중심 이동유닛(100)과 동축선상에 위치되도록 설치되어 제1 무게중심 이동유닛(100)과 동일한 축을 따라 슬라이드 이동됨에 의해 인공위성 본체(10)의 무게중심을 가변시키는 제2 무게중심 이동유닛(200)을 포함하므로, 제1 및 제2 무게중심 이동유닛(100)(200)을 통해 인공위성의 무게중심을 이동시키면서 인공 위성의 자세 및 관성모멘트를 제어할 수 있는 구조적 환경을 조성할 수 있다.
이러한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어 장치를 전이궤도 기동시에 효과적으로 사용하기 위해서는 외란 보상을 위한 무게중심 옵셋(OFFSET) 값을 정확히 검출할 필요가 있다. 이러한 무게중심의 옵셋은 큰 추력이 작용할 경우 토크의 형태로 상당한 외란을 발생시켜 자세제어용 추력기로 많은 연료를 사용하여 자세를 유지해 줘야 한다. 하지만, 이러한 옵셋 값을 실시간으로 예측해서 보상해 줌으로써 큰 추력기 작동에 따른 불 필요한 연료소모를 피할 수 있다.
본 발명의 기술적 과제는, 외란을 최소화하는 무게중심 옵셋 값을 검출하여 이동체의 무게중심을 실시간으로 보정할 수 있는 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치는, 무게중심 이동유닛을 포함하는 이동체에 대한 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치로, 상기 이동체에 구비되며 상기 이동체의 각속도를 측정하는 센서부; 상기 센서부를 통해 측정되는 각속도를 이용하여 추력벡터와 무게중심 사이의 직선거리인 옵셋 값을 실시간으로 연산하는 연산부; 및 상기 무게중심 이동유닛을 제어하여 상기 연산된 옵셋 값 만큼 상기 이동체의 무게중심을 실시간으로 보정하는 제어부를 포함한다.
상기 연산부에서, 상기 각속도의 변화는
의 식에 의해 표현될 수 있다. 여기서, "F"는 추력 벡터, "I"는 관성모멘트, "Δt"는 측정시점차이, "d"는 추력벡터와 무게중심 사이의 직선으로써 옵셋에 해당한다.
상기 이동체는 인공위성, 비행기, 자동차, 그리고 선박 중 어느 하나일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어방법은, 무게중심 이동유닛을 포함하는 이동체에 대한 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치를 제어하는 방법으로, 상기 이동체의 각속도를 측정하는 단계; 상기 측정된 각속도를 이용하여 추력벡터와 무게중심 사이의 옵셋 거리를 실시간으로 연산하는 단계; 및 상기 무게중심 이동유닛을 제어하여 상기 연산된 옵셋거리만큼 상기 이동체의 무게중심을 실시간으로 보정하는 단계를 포함한다.
상기 연산하는 단계에서, 상기 각속도의 변화는 1-축에 대해서 한정할 경우
의 식에 의해 표현될 수 있다. 여기서, "F"는 추력 벡터, "I"는 관성모멘트, "Δt"는 측정시점차이, "d"는 추력벡터와 무게중심 사이의 직선거리인 옵셋 값이다.
상기 이동체는 인공위성, 비행기, 자동차, 그리고 선박 중 어느 하나일 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치 및 제어방법은 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 센서부에 의해 측정되는 각속도를 이용하여 추력벡터와 무게중심 사이의 옵셋거리를 실시간으로 연산하고 이 연산된 옵셋만큼 이동체의 무게중심을 실시간으로 보정하는 기술구성을 제공하므로, 원지점 점화엔진 작동으로 인해 발생하는 추력벡터에 이동체의 무게중심이 일치됨에 따라 기존 무게중심에서 옵셋거리만큼 떨어져 발생되던 외란 토크를 방지할 수 있어 불 필요한 연료 소모를 최소화 할 수 있다.
도 1은 종래의 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치가 인공위성 본체에 설치된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2의 제어장치를 이용하여 인공위성 본체의 무게중심을 보정하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어방법을 나타낸 플로우차트이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2의 제어장치를 이용하여 인공위성 본체의 무게중심을 보정하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어방법을 나타낸 플로우차트이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치를 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 3은 도 2의 제어장치를 이용하여 인공위성 본체의 무게중심을 보정하는 과정을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 무게중심 이동유닛(M)을 포함하는 인공위성(A)에 대한 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치로, 센서부(310)와, 연산부(320)와, 그리고 제어부(330)를 포함할 수 있다.
먼저, 무게중심 이동유닛(M)에 대해 살펴본 후, 본 발명의 각 구성요소에 대해 설명하기로 한다.
무게중심 이동유닛(M)은 인공위성(A)의 무게중심을 이동시키는 장치이다. 예를 들어, 무게중심 이동유닛(M)은 본원의 배경기술에 언급된 바와 같이 제1 및 제2 무게중심 이동유닛(100)(200)을 포함할 수 있다.
구체적인 예로, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 무게중심 이동유닛(100)은 인공위성(A) 내부에 설치되는 제1 레일(110)과, 제1 레일(110) 상에 슬라이딩 가능하게 설치되는 제1 중량체(120)와, 제1 중량체(120)를 제1 레일(110)을 따라 슬라이드 이동시키는 제1 스텝모터(130)를 포함할 수 있고, 제2 무게중심 이동유닛(200)은 인공위성(A) 내부에 설치되되 제1 레일(110)과 동축선상에 위치되도록 설치되는 제2 레일(210)과, 제2 레일(210) 상에 슬라이딩 가능하게 설치되는 제2 중량체(220)와, 제2 중량체(220)를 제2 레일(210)을 따라 슬라이드 이동시키는 제2 스텝모터(230)를 포함할 수 있다.
따라서, 제1 레일(110)에 설치된 제1 중량체(120)는 제1 스텝모터(130)의 구동에 의해 제1 레일(110)을 따라 슬라이드 이동될 수 있고, 제2 레일(210)에 설치된 제2 중량체(220)는 제2 스텝모터(230)의 구동에 의해 제2 레일(210)을 따라 슬라이드 이동될 수 있다.
센서부(310)는 인공위성(A)에 구비되며 인공위성(A)의 각속도를 측정한다. 예를 들어, 센서부(310)에는 각속도를 측정하는 자이로 센서 등이 포함될 수 있다.
연산부(320)는 센서부(310)를 통해 측정되는 각속도를 이용하여 추력벡터와 무게중심 사이의 옵셋거리(d)를 실시간으로 연산한다. 예를 들어, 연산부(320)에서, 각속도의 변화는
의 식에 의해 표현될 수 있다. 여기서, "F"는 추력 벡터, "I"는 관성모멘트, "Δt"는 측정시점 차이, "d"는 추력벡터와 무게중심 사이의 옵셋거리이다.
따라서, 각속도의 변화가 측정된다면 추력벡터와 관성모멘트 및 측정시점 차이 정보를 알고 있기 때문에 추력벡터와 무게중심 사이의 옵셋거리(d)를 연산할 수 있게 된다.
제어부(330)는 무게중심 이동유닛(M)을 제어하여 연산부(320)에 의해 연산된 옵셋값 만큼 인공위성의 무게중심을 실시간으로 보정한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 실시간으로 보정된 인공위성(A)의 무게중심(C2)이 기존의 무게중심(C1)보다 위로 "d"만큼 올라간 것으로 연산부(320)를 통해 연산될 경우, 제1 또는 제2 스텝 모터(130 또는 230)를 이용하여 제1 또는 제2 중량체(120 또는 220)를 위로 이동시키는 제어를 하여 기존의 무게중심(C1)을 보정된 무게중심(C2)으로 보정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 센서부(310)에 의해 측정되는 각속도를 이용하여 추력벡터와 무게중심 사이의 옵셋거리(d)를 실시간으로 연산하고 이 연산된 옵셋거리(d)만큼 이동체의 무게중심을 실시간으로 보정하게 되므로, 원지점 점화엔진 작동으로 인해 발생하는 추력벡터에 인공위성(A)의 무게중심이 일치됨에 따라 기존 무게중심에서 옵셋거리(d)만큼 떨어져 발생되던 반작용 토크를 방지할 수 있어 불 필요한 연료 소모를 최소화 할 수 있다.
특히, 무중력상태의 우주에서 추력기 내의 연료의 배치의 불확실성 및 발사충격을 포함한 인공위성 무게중심의 여러 오차 원인들은 지상에서의 정확한 예측이 힘든 실정이다. 따라서, 본 발명과 같이 궤도상에서 실시간으로 무게중심과 추력벡터 사이의 옵셋거리(d)를 예측할 수 있다면 연료 소모를 최소화 할 수 있게 된다.
한편, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치는 상술한 바와 같이 인공위성(A)에 적용된 것을 기초로 설명하였으나, 비행기, 자동차, 또는 선박에도 적용되어 그 무게중심이 추진력 벡터에 일치되도록 하여 외란 토크를 최소화할 수 있을 것이다
이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어방법을 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어방법을 나타낸 플로우차트이다.
먼저, 센서부(310)를 통해 인공위성(A)의 각속도를 측정한다(S110).
이 후, 센서부(310)에 의해 측정된 각속도를 이용하여 추력벡터와 무게중심 사이의 옵셋거리(d)를 연산부(320)를 통해 실시간으로 연산한다(S120). 연산하는 방법에 대해서는 상술한 제어장치에서 언급한 바 있으므로 여기서는 생략한다.
그리고 나서, 무게중심 이동유닛(M)을 제어하여 연산부(320)에 의해 연산된 옵셋거리(d)만큼 인공위성(A)의 무게중심을 실시간으로 보정한다. 보정하는 방법에 대해서도 상술한 제어장치에서 언급한 바 있으므로 여기서는 생략한다.
한편, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어방법은 상술한 바와 같이 인공위성(A)에 적용된 것을 기초로 설명하였으나, 비행기, 자동차, 또는 선박에도 적용되어 그 무게중심이 추진력 벡터에 일치되도록 하여 외란 토크를 최소화할 수 있을 것이다
이상에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치 및 제어방법은 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 센서부(310)에 의해 측정되는 각속도를 이용하여 추력벡터와 무게중심 사이의 옵셋거리(d)를 실시간으로 연산하고 이 연산된 옵셋거리(d)만큼 인공위성(A)의 무게중심을 실시간으로 보정하는 기술구성을 제공하므로, 원지점 점화엔진 작동으로 인해 발생하는 추력벡터에 인공위성(A)의 무게중심이 일치됨에 따라 기존 무게중심에서 옵셋거리(d)만큼 떨어져 발생되던 외란 토크를 방지할 수 있어 연료 소모를 최소화 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
A: 인공위성
M: 무게중심 이동유닛
100: 제1 무게중심 이동유닛 110: 제1 레일
120: 제1 중량체 130: 제1 스텝모터
200: 제2 무게중심 이동유닛 210: 제2 레일
220: 제2 중량체 230: 제2 스텝모터
310: 센서부 320: 연산부
330: 제어부
100: 제1 무게중심 이동유닛 110: 제1 레일
120: 제1 중량체 130: 제1 스텝모터
200: 제2 무게중심 이동유닛 210: 제2 레일
220: 제2 중량체 230: 제2 스텝모터
310: 센서부 320: 연산부
330: 제어부
Claims (6)
- 무게중심 이동유닛을 포함하는 이동체에 대한 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치로,
상기 이동체에 구비되며 상기 이동체의 각속도를 측정하는 센서부;
상기 센서부를 통해 측정되는 각속도를 이용하여 추력벡터와 무게중심 사이의 옵셋거리를 실시간으로 연산하는 연산부; 및
상기 무게중심 이동유닛을 제어하여 상기 연산된 옵셋거리만큼 상기 이동체의 무게중심을 실시간으로 보정하는 제어부
를 포함하는
실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치. - 제1항에서,
상기 연산부에서,
상기 각속도의 변화는
의 식에 의해 표현되고,
"F"는 추력 벡터, "I"는 관성모멘트, "Δt"는 측정시점차이, "d"는 추력벡터와 무게중심 사이의 옵셋 거리인
실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치. - 제1항에서,
상기 이동체는 인공위성, 비행기, 자동차, 그리고 선박 중 어느 하나인
실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치. - 무게중심 이동유닛을 포함하는 이동체에 대한 실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어장치를 제어하는 방법으로,
상기 이동체의 각속도를 측정하는 단계;
상기 측정된 각속도를 이용하여 추력벡터와 무게중심 사이의 옵셋거리를 실시간으로 연산하는 단계; 및
상기 무게중심 이동유닛을 제어하여 상기 연산된 옵셋거리만큼 상기 이동체의 무게중심을 실시간으로 보정하는 단계
를 포함하는
실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어방법. - 제4항에서,
상기 연산하는 단계에서,
상기 각속도의 변화는
의 식에 의해 표현되고,
"F"는 추력 벡터, "I"는 관성모멘트, "Δt"는 측정시점차이, "d"는 추력벡터와 무게중심 사이의 옵셋 거리인
실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어방법. - 제4항에서,
상기 이동체는 인공위성, 비행기, 자동차, 그리고 선박 중 어느 하나인
실시간 무게중심 옵셋 검출을 통한 능동적 무게중심 및 관성모멘트 제어방법.
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| US20240280993A1 (en) * | 2023-02-17 | 2024-08-22 | The Boeing Company | Machine and process for rotating a vehicle |
-
2014
- 2014-12-16 KR KR1020140181368A patent/KR20160073052A/ko not_active Ceased
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