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문제 정의
- 본 연구에서는 동특성 해석에 기반한 이동용 안테나 김발 안정화 시스템을 개발함으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 이동체의 동특성 데이터를 바탕으로 안테나 김발 시스템을 설계하고, 이를 기반으로 안정화 제어를 구현하였다. 이를 위하여 포장 및 비포장 도로에서의 차량 각속도 데이터를 측정하였으며, 주파수 해석을 통하여 이동체 및 안테나에 인가되는 외란의 원인을 분석하였다.
제안 방법
- (1) 비포장도로에서의 주행 환경 분석을 통해, 주행 시 차량에 발생하는 외란을 최적으로 보상할 수 있는 안테나 김발 시스템을 설계/제작하였다.
- (6) 설계된 안테나 시스템은 차량의 회전을 고려하여 방위각 (Azimuth)의 조절은 360° 연속 회전이 가능하도록 하였고, 국내에서 위성을 지향할 수 있도록 -10°~+120°의 고각(Elevation)을 조절할 수 있게 설계하였다.
- 개발된 안정화 시스템의 성능 검증을 위하여, 자이로 센서에 대한 모터의 추종성능 및 이를 통한 안테나의 구동성능을 확인하였다. 안테나 추적 각속도를 3°/s로 설정하였고 수동 추적 시험을 실시하여 모터의 입력 각속도 대비 자이로 센서로 측정된 안테나의 출력 각속도를 분석한 결과, Fig.
- 본 설계에서는 안테나 방위각의 360° 연속회전 시 발생할 수 있는 케이블의 파손을 방지하기 위하여 방위각 조절을 위한 관절에 슬립링(Slip ring)을 적용하였다. 또한, 방위각 제어 시에 백래시(backlash)를 최소화하기 위해서 모터와 링크를 직접 연결하였고, 고각 제어를 위한 관절은 100:1의 감속기를 사용하여 구동하였다. 응급 상황에서의 장비 보호를 위해 브레이크를 삽입하였으며, 자이로 센서를 설치하여 방위각과 고각의 각속도를 측정할 수 있도록 하였다.
- 이를 위하여 포장 및 비포장 도로에서의 차량 각속도 데이터를 측정하였으며, 주파수 해석을 통하여 이동체 및 안테나에 인가되는 외란의 원인을 분석하였다. 또한, 이를 바탕으로 2자유도의 안테나 김발 장치를 설계하고, 비례-적분-적분 제어를 적용하여 안정화 제어를 구현하였다. 더불어, 제안한 제어 방법을 적용한 실험을 통해 시스템의 신뢰성을 검증하였다.
- 정밀한 자세 정보를 취득하기 위해 광섬유 자이로(Fiber optic gyroscope)를 적용함으로써 기존의 기계식 또는 레이저식 시스템보다 높은 성능의 제어 시스템을 소형으로 구현하였다. 또한, 컴파스(Compass)와 틸트(Tilt) 센서를 추가로 탑재하여 예측하지 못한 상황에서도 차량이 본 위치를 찾을 수 있도록 하였다.
- 본 설계에서는 안테나 방위각의 360° 연속회전 시 발생할 수 있는 케이블의 파손을 방지하기 위하여 방위각 조절을 위한 관절에 슬립링(Slip ring)을 적용하였다.
- 본 실험에서는 차량이 10, 20, 28km/h의 속도로 포장 및 비포장 도로에서 주행할 때 발생하는 각 속도를 측정하였다. 이때 각속도 데이터는 1.
- 응급 상황에서의 장비 보호를 위해 브레이크를 삽입하였으며, 자이로 센서를 설치하여 방위각과 고각의 각속도를 측정할 수 있도록 하였다. 본 안테나 시스템에는 정밀한 속도 제어를 위해 BLDC 모터를 사용하였다.
- 본 연구에서 제안한 제어 시스템은 Fig. 5에서 보듯이, 속도 루프(Velocity loop)와 안정화 루프(Stabilization loop) 그리고 위치 루프(Position loop)로 구성된다. 정밀한 자세 정보를 취득하기 위해 광섬유 자이로(Fiber optic gyroscope)를 적용함으로써 기존의 기계식 또는 레이저식 시스템보다 높은 성능의 제어 시스템을 소형으로 구현하였다.
- 본 연구에서는 앞 절에서 수행한 주행 환경 분석을 토대로 Fig. 3과 같이 1Hz의 저주파 영역에서 높은 이득을 갖고 우수한 절연 성능을 보일 수 있는 2 자유도(방위각 및 고각) 김발 구조의 안테나 시스템을 설계하였다. 일반적으로 안테나의 안정화 제어를 위해서 3 자유도의 김발 구조가 사용되지만, 차량에 장착되는 안테나의 경우에 Fig.
- 안테나 김발 시스템을 설계하기 위해서는 주행 중 노면에 의한 흔들림과 충격에 대한 주파수 분석이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 주행 환경 및 속도에 따른 이동체의 진동 데이터 수집을 위해 Fig. 1의 1.25톤 차량을 이용하였고, 안테나 김발 시스템을 설치할 위치에 IMU 센서를 장착하여 포장 및 비포장 도로 주행 시 발생하는 각속도를 측정하였다.
- 안정화 루프는 Fig. 7과 같이 2장에서 분석한 요구사항에 맞추어 1Hz 외란에 대하여 -40dB의 안정화 성능을 갖도록 구현하였다. 이동체의 흔들림에 의한 각속도는 자이로에 의해 측정되며, 비례적분-적분 제어기(PI2)를 적용하여 저주파 영역에서 강인한 결과를 나타낼 수 있도록 하였다.
- 위와 같이 수동 추적시험으로 시스템을 검정한후, Fig. 12의 안정화 실험장치를 이용하여 차량 이동을 모사한 안정화 실험을 수행하였다. 그 결과 Fig.
- 또한, 방위각 제어 시에 백래시(backlash)를 최소화하기 위해서 모터와 링크를 직접 연결하였고, 고각 제어를 위한 관절은 100:1의 감속기를 사용하여 구동하였다. 응급 상황에서의 장비 보호를 위해 브레이크를 삽입하였으며, 자이로 센서를 설치하여 방위각과 고각의 각속도를 측정할 수 있도록 하였다. 본 안테나 시스템에는 정밀한 속도 제어를 위해 BLDC 모터를 사용하였다.
- 7과 같이 2장에서 분석한 요구사항에 맞추어 1Hz 외란에 대하여 -40dB의 안정화 성능을 갖도록 구현하였다. 이동체의 흔들림에 의한 각속도는 자이로에 의해 측정되며, 비례적분-적분 제어기(PI2)를 적용하여 저주파 영역에서 강인한 결과를 나타낼 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 이동체의 동특성 데이터를 바탕으로 안테나 김발 시스템을 설계하고, 이를 기반으로 안정화 제어를 구현하였다. 이를 위하여 포장 및 비포장 도로에서의 차량 각속도 데이터를 측정하였으며, 주파수 해석을 통하여 이동체 및 안테나에 인가되는 외란의 원인을 분석하였다. 또한, 이를 바탕으로 2자유도의 안테나 김발 장치를 설계하고, 비례-적분-적분 제어를 적용하여 안정화 제어를 구현하였다.
- 5에서 보듯이, 속도 루프(Velocity loop)와 안정화 루프(Stabilization loop) 그리고 위치 루프(Position loop)로 구성된다. 정밀한 자세 정보를 취득하기 위해 광섬유 자이로(Fiber optic gyroscope)를 적용함으로써 기존의 기계식 또는 레이저식 시스템보다 높은 성능의 제어 시스템을 소형으로 구현하였다. 또한, 컴파스(Compass)와 틸트(Tilt) 센서를 추가로 탑재하여 예측하지 못한 상황에서도 차량이 본 위치를 찾을 수 있도록 하였다.
- 제안된 제어 시스템의 속도제어 루프는 Fig. 6과같이 엔코더 신호를 이용하여 모터의 속도를 제어하며, 서보 드라이버의 PI 제어를 통해 모터에 인가되는 전류를 제어한다. 본 루프는 시스템의 최고 속도를 기준으로 설계되었으므로, 안테나 김발 시스템의 고유진동수의 1/2인 35Hz의 대역폭을 갖는다.
대상 데이터
- 12와 같이 이동체의 흔들림을 모사하는 모션 시뮬레이터와 그 상단에 장착되는 2자유도 안테나 김발 시스템, 그리고 안테나 제어기, 운용 컴퓨터 등으로 구성된다. 모션 시뮬레이터는 노면에서의 주행을 모사하기 위해 자체 개발한 6자유도 스튜어트 플랫폼(stewart platform)을 사용하였다. 개발된 스튜어트 플랫폼은 125kg의 가반중량에 대해 최대 800°/s의 각속도와 1000°/s2의 각 가속도로 구동이 가능하다.
- 실험장치는 Fig. 12와 같이 이동체의 흔들림을 모사하는 모션 시뮬레이터와 그 상단에 장착되는 2자유도 안테나 김발 시스템, 그리고 안테나 제어기, 운용 컴퓨터 등으로 구성된다. 모션 시뮬레이터는 노면에서의 주행을 모사하기 위해 자체 개발한 6자유도 스튜어트 플랫폼(stewart platform)을 사용하였다.
- 본 실험에서는 차량이 10, 20, 28km/h의 속도로 포장 및 비포장 도로에서 주행할 때 발생하는 각 속도를 측정하였다. 이때 각속도 데이터는 1.5kHz의 샘플링 주파수로 수집하였으며, 차단 주파수가 60Hz인 Butterworth 10차 LPF(low pass filter)를 사용하여 불필요한 데이터를 제거하였다.
- 제안한 시스템의 안정화 성능을 검증하기 위하여 MATLAB의 Simulink를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이때, 실제 주행 시 차량에 인가되는 외란과 유사한 가진을 입력하기 위하여, 베이스 모션에는 2장에서 수행한 주행환경 실험의 12Hz 미만의 데이터 중 피크 점을 나타내는 데이터를 적용하였다. 제안된 김발 시스템은 Fig.
데이터처리
- 또한, 이를 바탕으로 2자유도의 안테나 김발 장치를 설계하고, 비례-적분-적분 제어를 적용하여 안정화 제어를 구현하였다. 더불어, 제안한 제어 방법을 적용한 실험을 통해 시스템의 신뢰성을 검증하였다.
- 제안한 시스템의 안정화 성능을 검증하기 위하여 MATLAB의 Simulink를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이때, 실제 주행 시 차량에 인가되는 외란과 유사한 가진을 입력하기 위하여, 베이스 모션에는 2장에서 수행한 주행환경 실험의 12Hz 미만의 데이터 중 피크 점을 나타내는 데이터를 적용하였다.
성능/효과
- (2) 1~20Hz의 저주파 영역에서 높은 격리도를 갖는 고이득의 PI2 제어기를 안정화 루프에 적용하여 -40dB 이하의 안정화율을 만족하는 제어가 가능하였다.
- (b)와 같이 안정화 제어를 하지 않았을 경우에는 베이스 모션에 의한 가진이 그대로 전달되었지만, 안정화 제어를 적용하였을 경우에는 외란에 대한 보상이 이루어져 Ka 대역 최대오차 0.2°를 만족함을 확인하였다.
- 01°/s의 유사한 경향을 보이는 것을 알 수 있었다. 더불어 두 값 사이에는 시간지연이 거의 발생하지 않음을 확인하였다. 또한 모터의 입력 각 대비 리졸버로 측정된 출력 각변 위를 측정한 결과 Fig.
- 따라서 Fig. 8의 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이, 1kHz 이상의 고주파 영역에서는 PI 제어를 추종하고, 1kHz 이하의 저주파 영역에서는 큰 이득으로 제어가 가능하다는 것을 알 수 있다.
- 1°이하로 나타나는 것을 알 수 있었다. 따라서 제어시스템은 제대로 추종성능을 발휘함을 확인하였다.
- 또한 모터의 입력 각 대비 리졸버로 측정된 출력 각변 위를 측정한 결과 Fig. 14와 같이 시간이 지남에 따라 최대오차가 0.1°이하로 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 본 실험을 통하여 제시된 해석모델이 유용함을 검증하였고, 차량의 자세 변화율 1Hz, 20°/s에서 목표로 하였던 안정화율인 -40dB(1/100배)를 만족함을 확인할 수 있다.
- 안테나 추적 각속도를 3°/s로 설정하였고 수동 추적 시험을 실시하여 모터의 입력 각속도 대비 자이로 센서로 측정된 안테나의 출력 각속도를 분석한 결과, Fig. 13와 같이 최대오차 0.01°/s의 유사한 경향을 보이는 것을 알 수 있었다.
- 여러 번의 주행 시험 결과, 차량이 비포장도로에서 최고속도(28km/h)로 주행하였을 때 각속도의 변화가 가장 크게 나타났으며, 특히 z 방향으로 상대적으로 심한 외란이 발생하였다. 또한, 측정한 각속도를 미분하여 각가속도 데이터를 추출한 결과, 각 축의 최대 각속도와 각가속도는 Table 1과 같이 z축에서 20.
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