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문제 정의
- 본 논문은 기존 영상추적장치가 갖는 이러한 문제의 해결 방안으로 새로운 기구적 메커니즘과이 메커니즘의 특성에 적합한 제어 알고리즘을 제시하는데 목적을 두었다. 메커니즘으로는 듀얼 스테이지(dual stage) 구조(기존의 모터 구동 짐벌에 전자기 엑튜에이터(EMA: Electro-magnetic actuator)로 구동되는 플랫폼을 추가한 구조)를 제시한다.
제안 방법
- 슬라이딩 모드 제어를 제안하였다. 듀얼 스테이지 메커니즘은 큰 구동범위, 느린 응답속도 특성을 갖는 모터-짐벌구동과 작은 구동범위, 빠른 응답속도 특성을 갖는 EMA-플렛폼 구동의 결합을 통해 빠른 응답, 광대역화, 정밀 안정화를 시도하였으며, 짐벌과 플렛폼 구동계의 동력학적 연성을 슬라이딩 모드 제어를 통해 제거토록 하였다. 실험을 통해 제안된 메커니즘이 기존의 짐벌 구조에 비해 대역폭을 증가시킬 수 있어 제어 성능을 향상시킬수 있음을 확인 하였으며, 또한 슬라이딩 모드 제어를 이용하여 연성된 짐벌과 플렛폼 동력학을 분리함으로써 제어기 설계가 간단하고, 추적 및 안정화 성능을 향상시킬 수 있음을 검증하였다.
- 목적을 두었다. 메커니즘으로는 듀얼 스테이지(dual stage) 구조(기존의 모터 구동 짐벌에 전자기 엑튜에이터(EMA: Electro-magnetic actuator)로 구동되는 플랫폼을 추가한 구조)를 제시한다. 이 메커니즘은 구동범위는 크나 응답 속도가 느린 모터-짐벌 구동과 구동범위는 좁지만 응답속도는 빠른 EMA-플렛폼 구동을 결합하여 카메라가 장착되는 플렛폼의 빠른 응답, 광대역화, 정밀 안정화를 도모한다.
- 영상추적장치의 추적 및 안정화 제어 성능 향상을 위해서 듀얼 스테이지 구조의 안정화 메커니즘과 이 시스템의 특성에 적절한 제어기 설계 방법으로 슬라이딩 모드 제어를 제안하였다. 듀얼 스테이지 메커니즘은 큰 구동범위, 느린 응답속도 특성을 갖는 모터-짐벌구동과 작은 구동범위, 빠른 응답속도 특성을 갖는 EMA-플렛폼 구동의 결합을 통해 빠른 응답, 광대역화, 정밀 안정화를 시도하였으며, 짐벌과 플렛폼 구동계의 동력학적 연성을 슬라이딩 모드 제어를 통해 제거토록 하였다.
- 위의 제어 이득을 적용하여 시스템의 추적 성능 규명을 위해 계단응답을 구했다. 기준 위치입력, Fig.
- 위치 강성 K, 측정을 위해 PID-제어를 이용하였고, 플렛폼의 회전각과 이때 코일에 흐르는 전류를 측정하였다. Fig.
- 이때 플랫폼 .제어에서는 포화구간 +4mrad 을 정하여 플렛폼이 구동 범위 내에서 작동되도록 하였다. 그림에서 ∅g , ∅p, ∅g+∅p(SMC control)은 각각 슬라이딩모드 제어 시 짐발, 짐발 기준 플랫폼 회전각, 플랫폼 절대 회전각이며∅g + ∅p(Linear control)은 선형 제어 시 플랫폼 절대 회전각이다.
- 그러나 이는 실험실에서 실현하기 어려워, 간접적인 방법으로 안정화 성능을 규명하였다. 즉, 차량 기동시 짐벌의 안정화 오차를짐벌로 재현하고 이때 플렛폼의 절대각이 일정한 각을 갖도록 제어하였다. 차량 기동시 기존 영상 안정화 장치의 안정화 오차는 10Hz 대역폭을 갖는 랜덤 운동으로 가정되므로,1 플랫폼 안정화 오차의 주파수 특성을 규명하기 위해 김발을 1Hz 에서 10Hz 까지 sine sweep 방법을 이용하여 구동하고, 각 주파수에서 짐벌의 회전각과 플렛폼의 안정화 오차 사이의 주파수 응답을 구하였다.
- 7, n=30Hz 인 복소 극점이 나타내는 동적특성에 지배받게 된다. 짐벌은 PID-제어를 적용하여 계단입력에 대한 정상 상태 오차를 제거하였으며, 제어기 이득은 사용된 모터의 용량 제한을 고려하고 기계적 공진방지를 위해 폐회로 시정수가 0.25 초가 되도록 결정하였다. 제어에서 샘플링 주파수는 1kHz 로 택하였다.
- 즉, 차량 기동시 짐벌의 안정화 오차를짐벌로 재현하고 이때 플렛폼의 절대각이 일정한 각을 갖도록 제어하였다. 차량 기동시 기존 영상 안정화 장치의 안정화 오차는 10Hz 대역폭을 갖는 랜덤 운동으로 가정되므로,1 플랫폼 안정화 오차의 주파수 특성을 규명하기 위해 김발을 1Hz 에서 10Hz 까지 sine sweep 방법을 이용하여 구동하고, 각 주파수에서 짐벌의 회전각과 플렛폼의 안정화 오차 사이의 주파수 응답을 구하였다. 따라서 이 주파수 응답이 작을수록 안정화 성능이 우수하다.
- 이때 듀얼 스테이지 시스템에는 차량의 회전각과 크기는 같고 방향이 반대인 기준위치 입력이 제공된다. 차량의 고각방향 회전 운동은 약 10Hz 대역폭을 갖는 랜덤 운동으로 가정할 수 있으므로,1 이 주파수 범위에서 듀얼 스테이지 시스템의 추적 성능을 실험하였다.
대상 데이터
- 기존 영상추적 장치에서는 목표물 추적 및 안정화를 위해 고각 짐벌부 전체를 구동해야 되므로 응답속도를 높이는데 한계가 있으며, 또한 선하중을 주어 조립된 베어링의 마찰은 안정화 오차를 유발시키는 요인이 된다.1 이러한 문제점을 개선하기 위해 Fig. 1 와 같이 듀얼 스테이지 구조의 영상 추적장치 고각 기구부를 구성하였다. 듀얼 스테이지 시스템은 기존 영상추적 장치에서 사용되는 DC 서보 모터로 구동되는 고각 짐벌 위에 추가적으로 전자기 엑튜에이터로 구동되는 플렛폼이 설치되며, 이 플렛폼에 목표물의 영상을 획득하는 카메라가 설치된다.
이론/모형
- 6 의 블록선도로 나타낼 수 있다. 짐벌의 제어기 CG는 일반적인 PID-제어를 적용하며, 플렛폼은 식(15)의 슬라이딩 모드 제어를 적용한다. Δ1과 Δ2는 연성에 의한 외란과 기타 파라미터 불확실성, 선형화 오차 등을 포함한 전체 외란을 나타낸다.
성능/효과
- 4 초 부근에서는 짐벌의 구동과 반대방향으로 회전하여 플렛폼의 절대위치가 기준입력을 유지토록 구동됨을 알 수 있다. 선형제어를 적용한 경우와 비교하면 플렛폼의 상승시간은 거의 유사하며, 위치오차가플렛폼 구동범위 이내로 들어오는 시점 이후에서 슬라이딩 모드 제어가 상대적으로 작은 과도응답, 빠른 정착 성능을 보임을 알 수 있다. 상승 시간이 비슷한 것은 플렛폼 구동범위의 제한 때문이며, 위치오차가 플렛폼 구동범위 내로 들어온 이후 응답은 슬라이딩모드 제어에 의해 많은 향상 보이게 된다.
- 듀얼 스테이지 메커니즘은 큰 구동범위, 느린 응답속도 특성을 갖는 모터-짐벌구동과 작은 구동범위, 빠른 응답속도 특성을 갖는 EMA-플렛폼 구동의 결합을 통해 빠른 응답, 광대역화, 정밀 안정화를 시도하였으며, 짐벌과 플렛폼 구동계의 동력학적 연성을 슬라이딩 모드 제어를 통해 제거토록 하였다. 실험을 통해 제안된 메커니즘이 기존의 짐벌 구조에 비해 대역폭을 증가시킬 수 있어 제어 성능을 향상시킬수 있음을 확인 하였으며, 또한 슬라이딩 모드 제어를 이용하여 연성된 짐벌과 플렛폼 동력학을 분리함으로써 제어기 설계가 간단하고, 추적 및 안정화 성능을 향상시킬 수 있음을 검증하였다.
- 9 는 크기가 4mrad 이 고 주파수가 1Hz인 기준입력에 대한 플랫폼 절대위치 응답으로, 앞 부분부터 짐벌의 제어 응답, 듀얼 스테이지+선형제어 응답, 듀얼 스테이지+슬라이딩 모드제어 응답의 위치 오차를 보인다. 오차의 크기는 각각 0.46mrad, 0.26 mrad, 0.08mrad 로, 듀얼 스테 이지 시스템이 짐벌 구동계에 비해 위치오차가 작으며, 듀얼 스테이지+슬라이딩 모드 제어가 가장 우수한 제어 성능을 보였다. 동일한 방법을 이용하여 관심 대역폭에서 구한 기준입력과 위치웅답간의 주파수 응답함수는 Fig.
- 4는 측정된 회전각과 전류로 선형성이 잘 만족됨을 알 수 있다. 이 결과에서 얻은 직선의 기울기와 전류강성 Kc로 부터 위치 강성은 Ky =963.45N/rad으로 결정되었다. Fig.
- 이상의 듀얼 스테이지 구조를 갖는 실험 모델을 제작하고, 슬라이딩모드 제어를 적용하여 추적 및 안정화 성능을 규명하였다.
- 이상의 실험 결과로 본 논문에서 제시한 듀얼스테이지 구조와 슬라이딩 모드 제어는 영상추적 장치의 기준입력 추종 성능 및 안정화 성능 향상에 효과가 있으며, 이 효과는 듀얼 스테이지 구조가 갖는 대역폭 증가와 슬라이딩 모드제어를 통한 짐벌과 플랫폼의 동력학적 연성 제거에서 오는 것임을 알 수 있다.
후속연구
- 본 실험 모델을 기존 영상 추적장치에 적용하기 위해서는 적용 시스템에 적합하도록 수정이 필요하지만, 실험 모델의 기본적인 구조 및 제어 기법은 추적장치의 추적 및 안정화 성능 향상에 도움이 될 것으로 기대된다.
- 하드디스크 드라이브에서 사용되는 듀얼 스테이지의 경우 이 연성이 작아 무시되고 있으나, 본 논문에서 제시하는 듀얼 스테이지 시스템에서는 이 연성이 커서 이를 고려한 제어기 설계가 필요하다.
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