[논문]초소형 위성의 랑데부/도킹 알고리즘 개발을 위한 5자유도 지상 테스트베드

최원섭; 조동현; 송하룡; 김종학; 고수정; 김해동

doi:10.5139/jksas.2015.43.12.1124

[국내논문] 초소형 위성의 랑데부/도킹 알고리즘 개발을 위한 5자유도 지상 테스트베드
A 5-DOF Ground Testbed for Developing Rendezvous/Docking Algorithm of a Nano-satellite 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.12, 2015년, pp.1124 - 1131

최원섭 (Korea Aerospace Research Institute) , 조동현 (Korea Aerospace Research Institute) , 송하룡 (Korea Aerospace Research Institute) , 김종학 (Space Solutions Co. Ltd.) , 고수정 (Space Solutions Co. Ltd.) , 김해동 (Korea Aerospace Research Institute)

초록
AI-Helper

이 논문은 지상에서 초소형 위성의 랑데부/도킹 알고리즘 개발을 위하여 미세중력환경을 모사해주는 5자유도 지상 테스트베드에 관하여 기술한다. 테스트베드는 지면과의 마찰력을 없애주는 하부와 이 하부에 연결되어 3자유도의 회전운동을 하는 상부로 구성된다. 영상기반의 항법알고리즘 개발을 위하여 카메라와 LIDAR, AHRS 센서를 사용하였고 액추에이터로는 8개의 냉가스 추력기와 3축 방향의 반작용 휠을 사용하였다. 모든 시스템 소프트웨어는 온보드와 리눅스를 기반으로 C++을 사용하여 구현되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes a 5-dof ground testbed which emulates micro-gravity environment for developing Rendezvous/docking algorithm of a nano-satellite. The testbed consists of two parts, the low part which eliminates friction force with ground and the upper part which has 3-dof rotational motion with respect to the low part. For Vison-based autonomous navigation algorithm, we use camera, LIDAR and AHRS as sensors and eight cold gas thrusters and three axis directional reaction wheels as actuators. All system software are implemented with C++ based on on-board computer and Linux OS.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 현재 한국항공우주연구원에서 제작중인 5자유도 지상 테스트베드에 관해 기술한다. 논문의 구성은 다음과 같다.
먼저 전체 시스템 개요 및 설계를 위한 최상위 시스템 요구사항에 대해 설명한다. 그리고 구조물에 대한 설계에 대해 다룬다. 구조물은 부양을 위한 에어베어링, 가스탱크, 위성모형을 장착할 수 있는 기구 등을 포함한다.
제작하고 있는 5자유도 지상 테스트베드는 초소형위성의 랑데부/도킹을 위한 알고리즘을 개발하고 테스트하기 위한 것이다. 랑데부/도킹을 시험하기 위해서는 보통 3자유도를 가지는 자세 제어 테스트베드에 병진운동을 할 수 있는 기능이 추가되어야 한다.
기존의 5자유도 테스트베드 연구와 비교했을 때 본 논문에서 제안하고 있는 테스트베드는 6U 급의 이하의 초소형위성을 직접 장착하여 테스트할 수 있는 특징이 있다. 이를 이용해서 초소형 위성에 구현된 자세제어 알고리즘에 대한 실제 검증을 목표로 하고 있다. 하지만 무중력 환경 구현을 위해 추가적인 구조물로 인해 초소형위성에 비해 관성모멘트(MOI, Moment Of Inertia)에 대한 변화가 아래와 같이 생긴다.
초소형 위성의 랑데부/도킹을 위한 제어알고리즘을 지상에서 시험하기 위한 5자유도 지상테스트베드의 설계에 관하여 기술하였다. 무마찰 운동을 위하여 에어베어링을 사용하였고 중력의 영향을 최소화하기 위한 설계를 진행하였다.

제안 방법

구조물은 부양을 위한 에어베어링, 가스탱크, 위성모형을 장착할 수 있는 기구 등을 포함한다. 기본적인 구성은 기존의 연구와 비슷하게 시스템 하부와 상부로 이루어지지만 상부에 실제 초소형위성과 같은 형태의 모형이 위치할 수 있도록 설계를 진행하였고 시스템의 크기, 질량, 운영시간, 냉가스 주입 방법 등을 고려하여 에어베어링과 가스탱크를 선정하였다.
전체 시스템은 크게 두 부분으로 나뉠 수 있는데 지면과의 마찰력을 제거해주어 2자유도의 병진운동을 해줄 수 있도록 해주는 하부, 그리고 하부와 구형 에어베어링(spherical air-bearing)으로 연결되어 3자유도의 무마찰 회전운동을 할 수 있는 상부로 구성된다. Fig.
이는 설계상의 제약사항으로 작용하여 기존 대부분의 테스트베드들의 상부 형태가 위성의 실제 모양과는 거리가 먼 형태를 갖게 되는 주원인이다. 제작중인 테스트베드는 실제 6U사이즈 이하의 위성 모형을 장착할 수 있도록 설계를 진행하였다. Fig.
그림과 같이 상부 플레이트의 하중이 최대한 아래로 내려오도록 그 형상을 설계하여 위에 얹어지는 위성 모형과 균형을 맞추도록 하였다. 그리고 XY스테이지를 설치하고 그 위에 위성모형을 얹어 중력 방향과 수직인 두 방향으로 무게중심을 미세하게 조절할 수 있도록 하였다.
그림과 같이 상부 플레이트의 하중이 최대한 아래로 내려오도록 그 형상을 설계하여 위에 얹어지는 위성 모형과 균형을 맞추도록 하였다. 그리고 XY스테이지를 설치하고 그 위에 위성모형을 얹어 중력 방향과 수직인 두 방향으로 무게중심을 미세하게 조절할 수 있도록 하였다. 그리고 중력방향으로의 중심도 조절할 수 있도록 리니어 스테이지에 무게 추를 달아 상부에 장착을 하였다.
Figure 8은 에어베어링과 추력기의 가스 공급을 위한 배관설계이다. 가스탱크의 압력 60bar, 각 에어베어링의 공급압력 5.5bar, 그리고 추력기 공급압력 20bar에 맞추어 각각의 노즐 및 배관을 설계하였다. 각 에어베어링 공급배관에는 솔레노이드밸브를 장착하여 on/off 신호에 의하여 압력공급을 제어할 수 있도록 하였다.
5bar, 그리고 추력기 공급압력 20bar에 맞추어 각각의 노즐 및 배관을 설계하였다. 각 에어베어링 공급배관에는 솔레노이드밸브를 장착하여 on/off 신호에 의하여 압력공급을 제어할 수 있도록 하였다.
카메라로부터 얻어지는 RGB정보와 거리정보 그리고 LIDAR 거리 값을 같이 사용하여 목표물 추적 알고리즘의 성능을 높였다[5-6]. 위성의 자세제어를 위한 센서로 현재의 자세정보와 각속도, 각가속도 등을 감지할 수 있는 AHRS 센서를 사용하였고, 시험공간 상에서 테스트베드의 위치를 얻어올 수 있도록 모션캡쳐센서의 정보도 사용한다. 이는 실제 위성에서 GPS센서 데이터를 대신한다.
635mNm의 토크를 제공해준다. 따라서 본 테스트베드에서는 기타 마진을 고려해서 10mNm급의 보상용 휠을 각 축 방향으로 설계하였으며, 이들에 대한 제어 명령은 초소형위성의 제어명령에 대해 관성모멘트의 비율에 따른 제어이득(Gain)을 곱해서 전달하는 방식으로 구성하였다.
2V의 리튬이온배터리를 사용한다. 5V/12V 전원이 필요한 부품들에게 이에 맞는 전원을 공급하기 위하여 전원 분배보드를 사용하였다. 상부에는 총 3종류의 OBC가 위치하는데 각각의 역할은 다음과 같다.
13과 같다. 소프트웨어의 부하 분산을 위하여 분산된 구조로 구현을 진행하였다. 주제어 소프트웨어는 지상국으로부터 명령을 수신하여 테스트베드의 상태를 관리하고 센서입력정보와 영상처리 소프트웨어로부터의 목표물 정보를 이용하여 목표물 추적을 위한 위치 및 자세제어 알고리즘을 수행한다.
초소형 위성의 랑데부/도킹을 위한 제어알고리즘을 지상에서 시험하기 위한 5자유도 지상테스트베드의 설계에 관하여 기술하였다. 무마찰 운동을 위하여 에어베어링을 사용하였고 중력의 영향을 최소화하기 위한 설계를 진행하였다. 자율제어 알고리즘을 위하여 카메라, LIDAR, AHRS 등의 센서를 장착하였고 위치/자세제어를 위하여 추력기와 반작용 휠을 사용하였다.
무마찰 운동을 위하여 에어베어링을 사용하였고 중력의 영향을 최소화하기 위한 설계를 진행하였다. 자율제어 알고리즘을 위하여 카메라, LIDAR, AHRS 등의 센서를 장착하였고 위치/자세제어를 위하여 추력기와 반작용 휠을 사용하였다. 시스템의 운용은 온보드 컴퓨터를 이용하고 시스템 소프트웨어는 C++로 구현하였다.

대상 데이터

그리고 시각기반의 항법알고리즘개발을 위한 센서와 액추에이터에 대하여 설명한다. 센서로는 Kinect 카메라, LIDAR, AHRS, Vicon 모션캡쳐 등이 사용되었고 액추에이터는 자세제어를 위한 반작용 휠과 병진운동을 위한 냉가스 추력기가 사용되었다.
하부는 전체 시스템을 지면에서 띄워 병진방향으로 무마찰 운동을 가능하게 하고 구형 에어베어링으로 상부를 띄워 무마찰 회전운동을 할 수 있게 해주는 역할을 한다. 구형 에어베어링은 최대 30kg의 하중을 견딜 수 있고 30도 이상의 기울임이 가능한 제품을 선정하였다. 선정된 제품은 Specialty Components의 SRA200-R30으로 주요 제원은 다음과 같다.
구형 에어베어링은 최대 30kg의 하중을 견딜 수 있고 30도 이상의 기울임이 가능한 제품을 선정하였다. 선정된 제품은 Specialty Components의 SRA200-R30으로 주요 제원은 다음과 같다.
에어베어링은 전체 시스템 질량 50kg, 부상 높이 20μm를 기준으로 선정하였다. 선정된 제품은 Newway Air Bearings의 S1010001로 그 제원은 다음과 같다.

이론/모형

시각기반의 자율항법알고리즘의 개발 및 시험을 위해 여러 가지의 센서를 사용한다. 목표물 감지를 위한 카메라 센서는 일반적인 RGB색상정보와 동시에 거리 정보도 함께 얻을 수 있는 Kinect 카메라를 사용하였고 목표물까지의 보다 정확한 거리 측정을 위하여 LIDAR센서도 사용한다. 카메라로부터 얻어지는 RGB정보와 거리정보 그리고 LIDAR 거리 값을 같이 사용하여 목표물 추적 알고리즘의 성능을 높였다[5-6].

성능/효과

기존의 5자유도 테스트베드 연구와 비교했을 때 본 논문에서 제안하고 있는 테스트베드는 6U 급의 이하의 초소형위성을 직접 장착하여 테스트할 수 있는 특징이 있다. 이를 이용해서 초소형 위성에 구현된 자세제어 알고리즘에 대한 실제 검증을 목표로 하고 있다.
1kgm² 수준인 반면, 현재 설계된 상부 회전부의 관성모멘트는 1kgm² 정도이다. 따라서 본 논문에서 설계하고 있는 테스트베드에서는 6U급 초소형위성의 반작용 휠에 비해 9배 이상의 토크를 제공해주어야 관성모멘트 변화에 대한 영향을 보완해줄 수 있다.

후속연구

시스템의 운용은 온보드 컴퓨터를 이용하고 시스템 소프트웨어는 C++로 구현하였다. 본 논문에서 기술된 사양대로 테스트베드가 제작 중에 있으며 제작이 완료되는 대로 랑데부/도킹을 위한 제어 알고리즘의 개발 및 테스트에 활용될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	궤도상에서의 위성서비스 활동에 필요한 핵심기술들을 구현하기 위해 어떤 기술이 필요한가?	최근 우주 공간에서 소형 위성 등을 이용한 궤도상 위성 서비스의 중요성이 부각되면서 관련 연구가 점점 증가하고 있는 추세이다. 궤도상에서의 위성서비스 활동에 필요한 핵심기술들은 랑데부(Rendezvous), 근접운용(Proximity Operatio–n), 도킹(Docking), 위치유지(Station Keeping), 캡쳐(Capture) 등이 있으며 이를 위해서는 영상 데이터를 기반으로 위치를 추적하고, 온보드 컴퓨팅을 이용하여 위치 및 자세를 정밀하게 제어하는 기술 등이 필요하다[1]. 이러한 기술의 개발 및 검증을 우주 환경에서 수행하려면 막대한 비용과 큰 위험성이 따르므로, 지상에서 우주 환경을 모사할 수 있는 지상시험 환경의 구축이 필수적이다.
	5자유도를 가지는 지상 테스트베드는 어떻게 구성되어있나?	1과 같이 5자유도를 가지는 지상 테스트베드를 개발, 운용하고 있다. 대체로 지면과 수직방향으로의 가스추력을 이용하여 지면에서 시스템 전체를 살짝 부양시킴으로써 무마찰 병진운동을 위한 2자유도를 확보해주는 시스템 하부, 하부와 에어베어링으로 연결되어 무마찰 회전운동을 위한 3자유도를 확보하는 상부로 구성되어 있다[2~4].
	궤도상에서의 위성서비스 활동에 필요한 핵심기술은?	최근 우주 공간에서 소형 위성 등을 이용한 궤도상 위성 서비스의 중요성이 부각되면서 관련 연구가 점점 증가하고 있는 추세이다. 궤도상에서의 위성서비스 활동에 필요한 핵심기술들은 랑데부(Rendezvous), 근접운용(Proximity Operatio–n), 도킹(Docking), 위치유지(Station Keeping), 캡쳐(Capture) 등이 있으며 이를 위해서는 영상 데이터를 기반으로 위치를 추적하고, 온보드 컴퓨팅을 이용하여 위치 및 자세를 정밀하게 제어하는 기술 등이 필요하다[1]. 이러한 기술의 개발 및 검증을 우주 환경에서 수행하려면 막대한 비용과 큰 위험성이 따르므로, 지상에서 우주 환경을 모사할 수 있는 지상시험 환경의 구축이 필수적이다.

참고문헌 (6)

Hae-Dong Kim, Seong-Min Lim, "Technologies of space robot and satellite services", Current Industrial and Technological Trends in Aerospace, Vol. 10, No 1, Jul 2012, pp. 171-178.
Sung-Kyung Hong, Kyun-Ho Lee, Hea-Dong Kim, "Research Trends of the 5-DOF Experimental Platform for Sattelite Rendezvous and Docking", The Journal of Aerospace Industry, Vol. 79, Winter 2013.
Dae-Min Cho, Dongwon Jung, Panagiotis Tsiotras, "5-DOF Expermental Platform for Autonomous Spacecraft Rendezvous and Docking", AIAA Infotech@Aerospace Conference, Seattle, Washington, April 2009.
Jana L. Schwartz, Mason A.Peck and Christopher D. Hall, "Historical Review of Air-Bearing Spacecraft Simulators", Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 26, No. 4, July-August 2003

상세보기
H.Song, W. Choi, S. Lim, H. Kim, Target Localization using RGB-D camera and LiDAR sensor fusion for relative navigation, Proceedings of CACS 2014, Kaoshiung. Taiwan, Nov. 26-28, 2014.
H. Song, W. Choi, H. Kim, Depth-aided robust localization approach for relative navigation using RGB-Depth camera and LiDAR sensor, The 2014 Int. Conf. on Control, Automation and Information Science. Gwangju, South Korea, Dec. 2-5, 2014.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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