[논문]신호 압축법을 이용한 시선안정화 제어용 짐벌의 동특성 규명

김문식; 유기성; 윤정주; 이민철

문제 정의

짐벌의 동특성 규명에는 짐 벌의 비선형 요소를 제외한 선형 요소의 미지의 파라미터를 추정할 수 있는 신호 압축법을 이용한다. 이를 통해 무인 항공기의 시선 안정화 제어 시스템의 설계를 위한 짐벌의 동특성을 규명하고자 한다.
이에 본 논문에서는 무인 항공기를 위한 시선 안정화 시스템에 필요한 짐벌을 개발하고 그 동특성을 규명하고자 한다. 짐벌의 동특성 규명에는 짐 벌의 비선형 요소를 제외한 선형 요소의 미지의 파라미터를 추정할 수 있는 신호 압축법을 이용한다.

가설 설정

본 논문에서는 카메라가 장착된 무인항공기의 시선 안정화를 위해 짐벌과 전용 제어기를 제작하고 개발된 짐벌을 2차 선형시스템으로 가정하여 각축의 미지 파라미터를 추정하였다.

제안 방법

본 논문에서는 주파수의 제곱에 비례하는 위상 특성을 가친 필터를 사용하였다. N 점의 이산 시험신호를 구하기 위해 특정 대상이 필요로 하는 주파수 영역까지는 임펄스 특성을 가진 파워스펙트럼을 가지면서, 신장 필터에 의해 곱해짐으로 위상 지연을 가져오도록 하였다. 이러한 특성을 만족하는 파워 스펙트럼은 데이터의 개수 n(0≤n<N) 에 대하여 주파수 영역으로 다음과 같이 표현할 수 있다.
본 논문에서 개발한 짐벌 시스템은 구조적 특성 및 저가형 가속도 센서의 특성으로 인해 비선형 성분을 많이 포함하고 있다. 일반적으로 고신뢰성의 센서를 사용하는 안정적 구조의 기계기스템의 경우 신호압축법을 이용한 추정 모델의 상호상관 계수가 0.
이와 같은 PWM 출력 방식은 기존의 전압 출력 방식과는 달리 별도의 AJD 컨버터 회로 없이 마이크로 컨트롤러에 직접 인터페이스 할 수 있다는 장점이 있다. 본 논문에서는 이 PWM 출력의 펄스 폭을 ATMEL 사의 ATTINY26 으로 측정하여 데이터 버스 형태로 DSP 에 전송하는 방식으로 제작하였다.
이러한 성질을 이용하면 비선형 시스템에서 선형 성분과 비선형 성분이 분리될 수 있어 선형 성분만의 임펄스응답을 구할 수 있다. 본 논문에서는 주파수의 제곱에 비례하는 위상 특성을 가친 필터를 사용하였다. N 점의 이산 시험신호를 구하기 위해 특정 대상이 필요로 하는 주파수 영역까지는 임펄스 특성을 가진 파워스펙트럼을 가지면서, 신장 필터에 의해 곱해짐으로 위상 지연을 가져오도록 하였다.
즉, 둥가적인 임펄스응답의 보드(bode) 선도와 측정하고자 하는 시스템과 같은 차수를 가진 모델의 전달함수에 대한 보드선도의 비교를 수행하여 근사적으로 일치할 때까지 모델식의 파라미터를 변화시켜 미지 파라미터의 근사값을 추정한다. 이렇게 육안으로 보드선도의 일치되는 정도를 비교함으로써 추정한 근사값을 구할 수 있으나, 추정값의 게인 오차를 줄이기 위해서 추정된 근사값을 전후해서 파라미터를 세밀하게 가변하면서 모델의 임펄스응답과 실험에서 구한 임펄스웅답의상호상관계수를 취하여 상호상관계수의 값이 가장 클 때의 파라미터를 추정값으로 선정한다. 이때 상호상관 계수의 값이 가장 크다는 것은 두 신호가 가장 일치됨을 의미한다.
이를 위 해 IOR 사의 high/Iow side driver N-FET 을 사용하여 정격전압 10V 에서의 허용전류가 최대 11A 이고 순간 최대 전류는 90A 인 DC 모터 드라이버를 개발하였다. 일반적으로 DC 모터를 PWM 신호로 구동할 때는 PWM 주파수가 클수록 모터의 진동이 감소하여 부드러운 동작이 가능한데 개발된 DC 모터 드라이버는 약 33MHz 까지의 PWM 입력을 받을 수 있어 모터 구동시 진동을 최소화 할 수 있다.
제어부는 센서 신호 처리부에서 전송한 2 축 가속도 센서 정보를 입력으로 이용하여 각축의 모터를 제어하는 역할을 한다. 이를 위하여 본 논문에서는 32 비트 고속 신호 처리 프로세서인 TI 사의 TMS320VC₃₃-150 을 기반으로 전용제어기를 제작한다.
있다. 즉, 둥가적인 임펄스응답의 보드(bode) 선도와 측정하고자 하는 시스템과 같은 차수를 가진 모델의 전달함수에 대한 보드선도의 비교를 수행하여 근사적으로 일치할 때까지 모델식의 파라미터를 변화시켜 미지 파라미터의 근사값을 추정한다. 이렇게 육안으로 보드선도의 일치되는 정도를 비교함으로써 추정한 근사값을 구할 수 있으나, 추정값의 게인 오차를 줄이기 위해서 추정된 근사값을 전후해서 파라미터를 세밀하게 가변하면서 모델의 임펄스응답과 실험에서 구한 임펄스웅답의상호상관계수를 취하여 상호상관계수의 값이 가장 클 때의 파라미터를 추정값으로 선정한다.
짐벌의 롤축, 피치축 구동용 DC 모터의 제어를 위해 DC 모터 드라이버를 직접 개발하였다. 이를 위 해 IOR 사의 high/Iow side driver N-FET 을 사용하여 정격전압 10V 에서의 허용전류가 최대 11A 이고 순간 최대 전류는 90A 인 DC 모터 드라이버를 개발하였다.
수 있도록 설계한다. 특히 본 짐벌 시스템은 영상 떨림 보정 기능이 내장된 디지털 캠코더를 사용하여 영상 특성이 기존 짐벌에 비해 뛰어나며 롤축의 자유도를 추가하여 기체의 롤축 회전운동에 대해서도 물체 추적과 같은 기능을 구현할 수 있도록 설계하였다. 짐벌의 기구학적인 사양은 Table 1 에, 운동학적 인 사양은 Table 2에 나타내었다.

대상 데이터

3(b)는 DSP 제어 시스템 구성을 보여준다. DSP 제어 시스템은 Texas Instrument 사에서 개발된 최대 150MIPS 의 연산 속도를 가지는 TMS 320VC33-150 을 사용하였다. 또한 이 DSP 는 내부에 32Kword 의 램을 내장하고 있어 외부에 별도의 프로그램 및 데이터 램을 필요로 하지 않는다.
짐벌의 각 축의 기울어진 각도 정보를 얻기 위해 Analog Device 사의 칩 형태로 제작된 2 축 가속도 센서인 ADXL202 를 사용하였다. 이 센서를 이용해서 짐벌의 롤, 피치축의 각도 정보를 알 수 있는데 각축의 각도 정보는 PWM 듀티비가 지면에 대해 기울어진 각도만큼 변화하는 형태로 출력된다.

이론/모형

규명하고자 한다. 짐벌의 동특성 규명에는 짐 벌의 비선형 요소를 제외한 선형 요소의 미지의 파라미터를 추정할 수 있는 신호 압축법을 이용한다. 이를 통해 무인 항공기의 시선 안정화 제어 시스템의 설계를 위한 짐벌의 동특성을 규명하고자 한다.

후속연구

하지만 센서 특성으로 인한 비선형 성분뿐 아니라 시스템 동특성의 불확실성 등을 외란으로 간주하고 관측기를 통하여 외란을 제어기에 반영하는 SMCSPO(Sliding Mode Control with Sliding Perturbation Observer)와 같은 제어기를 설계하여 본 짐벌 시스템에 적용한다면 요구하는 제어 성능을 구현할 수 있을 것으로 판단된다, 특히 SMCSPO 의 경우 추정 모델식의 오차에도 불구하고 뛰어난 제어 성능을 나타낸다고 알려져 있다. 따라서 본 논문에서 추정한 파라미터는 향후 SMCSPO 제어기 설계에 있어 짐벌의 2 차선형 모델로 사용될 수 있을 것이다.
이는 압축한 신호 가운데 저주파 영역에서의 비선형성분이 완전히 분리되지 않고 선형성분에 일부 포함되어 나타나는 현상으로 판단된다. 모델식의 오차부분은 강인성제어에서 보상할 수 있도록 설계하면, 시선안정화 제어에 추정한 모델식의 파라미터 값이 유용하게 이용될 것으로 판단된다.

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