[논문]등가감속 프로파일을 이용한 EOTS 위치제어

임정빈; 유준

doi:10.9766/kimst.2013.16.1.089

[국내논문] 등가감속 프로파일을 이용한 EOTS 위치제어
EOTS Position Control Using Constant Acceleration and Deceleration Profile 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.16 no.1, 2013년, pp.89 - 94

임정빈 (삼성탈레스(주)) , 유준 (충남대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

Electro Otical Tracking System(EOTS) is required for a rapid movement as well as the stabilization of Line-Of-Sight(LOS). In order to achieve these two goals, this paper presents a position and velocity driving profile generation method from the constant acceleration and deceleration profile according to the current state, enabling a fast and smooth trajectory even if the target position changes during the movement of LOS. Simulation and experimental results reveal that the settling time could be reduced significantly by adopting the present position control scheme.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

전자광학 추적장비의 최단시간 위치제어와 최소오차 위치제어의 이중의 목적을 동시에 달성하기 위해 본 연구에서는 가감속 프로파일을 이용한 최단시간 및 최소오차 위치제어기를 제안하였다. 현재의 위치 및 속도, 목표위치를 이용하여 매순간 가속 또는 감속을 결정하고, 이로부터 위치 및 속도 명령을 생성함으로써 이동중 목표위치의 변경에 실시간으로 대응하였다.
전자광학 추적장비의 경우 위치명령이 제어모드에 따라 수시로 바뀌며, 위치제어가 수행되는 중에도 위치명령이 바뀔 수 있으므로 초기속도가 ‘0’이라는 가정을 사용할 수 없다. 따라서 본 논문에서 매순간 구동프로파일을 새롭게 갱신하여 연속적인 위치/속도 구동 프로파일이 생성되도록 하는 가감속 구동프로파일 생성기법을 제안한다. Fig.

제안 방법

본 논문에서 최소오차 위치제어를 위해서는 튜닝값에 따라 정밀한 제어가 가능한 PID 제어를 사용하고, 최단시간 위치제어를 위해서는 매순간 가감속을 결정하는 구동 프로파일을 적용하였다. 기존의 목표지점에 따라 결정되는 정해진 패턴의 가감속 제어방식[5～7]과는 달리 매순간 가속 또는 감속을 판단하여 정해진 등 가감속 프로파일로부터 위치 및 속도 구동 프로파일을 생성함으로써 시선 이동중 목표위치가 변경되더라도 정지하지 않고 그대로 진행함에 따라 속응성을 높일 수 있다.
실험 결과를 통해 위치 및 속도 프로파일을 모두 이용함으로써 오버슈트 없이 위치제어가 이루어 짐을 확인하였다. 실시간으로 계산이 가능하도록 하였으며, 실장비 시험을 통해 성능을 검증하였다.
하지만 이 경우 스위칭에 의해 과도적으로 시스템의 입력과 출력에 오버슈트가 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해 모드 스위칭시 최소오차 위치제어기의 적분기 상태을 최단시간 위치제어기내 적분기 초기값으로 대체한다. 하지만, 이런 초기치 완충에도 불구하고 장비의 가감속이 빠른 경우 여전히 오버슈트가 발생하고 있다.
위치제어 초기의 과도상태에는 최단시간 위치제어를 통해 빠른 시간에 위치오차를 줄이고, 위치제어 후의 안정화 시기에는 외란보상과 함께 지정된 위치에 최소오차로 시선을 고정시키는 제어기법이 요구된다. 이를 위해 본 논문에서는 Fig. 2와 같이 구동 프로파일을 이용한 위치제어기를 제시한다.
전자광학 추적장비의 최단시간 위치제어와 최소오차 위치제어의 이중의 목적을 동시에 달성하기 위해 본 연구에서는 가감속 프로파일을 이용한 최단시간 및 최소오차 위치제어기를 제안하였다. 현재의 위치 및 속도, 목표위치를 이용하여 매순간 가속 또는 감속을 결정하고, 이로부터 위치 및 속도 명령을 생성함으로써 이동중 목표위치의 변경에 실시간으로 대응하였다.

대상 데이터

즉, 최단시간 위치구동이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 최단구동시간의 이점이 있는 사다리꼴 형상의 구동프로파일을 선택하였다.

성능/효과

정착시간은 약 2초이다. 또한 가감속 제어가 완료된 이후에는 최소 위치제어를 통해 정확하고 안정되게 지향됨을 확인하였다.
시뮬레이션 결과를 통해 위치명령이 수시로 변경되더라도 안정적인 가감속 구동프로파일이 생성됨을 확인하였고, 이를 실장비에 탑재한 적용 시험을 통해 기존의 모드스위칭 방식에 비해 오버슈트 없이 최단시간 위치제어가 이루어짐을 확인하였다.

후속연구

본 최단시간 위치제어 방식은 유사한 구조의 다른 시스템에도 곧바로 적용 가능하리라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모드 스위칭 제어는 어떤 구조를 가지는가?	이와 같이 상충되는 두 가지 목적을 만족시키기 위해 Mode Switching, Fuzzy 제어방식 등이 연구되어 왔다. 모드 스위칭 제어는 최단시간 위치제어기와 최소 오차 위치제어기를 각각 설계하고 위치오차 또는 운용모드에 맞추어 스위칭하는 구조로, 스위칭시 과도응답의 개선이 요구된다. 퍼지 제어의 경우, 전문가의 경험과 지식이 필요하며, 다수의 설계점에 따른 제어 규칙의 설계에 비용과 노력이 많이 들기에 실제 적용이 많지 않은 편이다[3,4].
	전자광학 추적장비는 무엇인가?	전자광학 추적장비(EOTS : Electro-Optical Tracking System)는 영상 신호를 이용하여 이동하는 목표물을 자동적으로 추적하면서 관측자에게 목표물에 대한 안정화된 영상을 제공하고 표적의 속도, 각속도 등의 표적정보를 사격통제 시스템에 제공하는 장치이다.
	EOTS는 어떤 목적이 요구되는가?	동시에 관측이 필요한 지점의 변경시에 다른 시선위치로 최단시간 위치제어가 이루어져야 한다. 결국 최단시간 위치제어와 최소 오차 위치제어라는 이중의 목적이 요구된다[1,2].

참고문헌 (8)

김성수, 신용산 외, "헬기 장착 전방관측적외선장비 좌표지향 성능 분석", 한국군사과학기술학회 종합학술대회, pp. 486-489, 8. 2008.
성기준, 박주광 외, "외란 관측기를 이용한 2축 안정화 시스템의 제어에 대한 연구", 한국항공우주학회, 한국항공우주학회 학술발표회 논문집, pp. 805-808, 11. 2009.
Y. Peng, D. Vrancic, and R. Hanus, "Anti-windup, Bumpless, and Conditioned Transfer Techniques for PID Controller", IEEE. Control Systems Magazine, Vol. 16, No. 4, pp. 48-57, 1996.

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서삼준, 김동원 외, "채터링 감소를 위한 적응 퍼지 슬라이딩 모드 제어기의 설계", 퍼지 및 지능시스템학회 논문지, Vol. 14, No. 6, pp. 752-758, 10. 2004.

원문보기 상세보기
Huaizhong Li, "Motion Profile Design to Reduce Residual Vibration of High-Speed Positioning Stages", Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, Vol. 14, Issue. 2, pp. 264-269, 2009.

상세보기
K. H. Rew, K. S. Kim, "Using Asymmetric S-curve Profile for Fast and Vibrationless Motion", Control, Automation and Systems, 2007. ICCAS '07. International Conference on, pp. 500-504, 2007.
R. V. Fleisig, A. D. Spence, "A Constant Feed and Reduced Angular Acceleration Interpolation Algorithm for Multi-axis Machining", Computer-Aided Design, Vol. 33, No. 1, pp. 1-15, 1. 2001.

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김정한, "DSP로 리니어 모터 제어하기", 동일출판사, 2003.

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