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문제 정의
- 본 연구에서는 소형 카메라에 적용할 수 있는 초점 면부 영상안정화 장치의 제어부 설계를 위해, 실제 손떨림 진동에 대해 주파수 분석을 실시하고 진동외란 특성을 분석하였다. 분석결과를 토대로 외란보상 설계 목표를 선정한 후 그에 알맞은 마찰 구동형 압전 작동기를 선정하였다.
- 본 절에서는 손떨림 진동외란을 보상하기 위해, 센서 시프트 개념의 스테이지를 구동하는 제어기법을 설계하고 실험으로 성능을 검증하였다. 마찰 구동 압전 작동기에 가하는 전압파형은 스테이지가 가장 빠른 속도로 움직일 수 있는 최적 파형으로 고정하였다.
- 식(1)로 표현된 수학모델은 비선형성이 고려되지 않은 선형 모델이다. 이 수학모델로 인해 발생하는 모델링 오차는 제어 알고리즘의 강인성을 통해 보상하고자 한다.
- 카메라 영상 품질에 미치는 손떨림 진동외란 효과를 보상하기 위해, 본 연구에서는 영상센서를 움직여 주는 센서 시프트 방식을 채택하였다. 이를 위해 초점면 부에서 영상센서를 움직여 주는 스테이지를 구성하였다.
제안 방법
- 마찰 구동 압전 작동기에 가하는 전압파형은 스테이지가 가장 빠른 속도로 움직일 수 있는 최적 파형으로 고정하였다. 각 샘플링 시간마다 스테이지의 위치 이동을 위해 내부적으로 입력신호에 대해 펄스 폭 변조( Pulse Width Modulation, PWM)를 이용하였다.
- 그러므로 δxi가 구동기의 해상도 부근일 경우에는, 단일펄스를 이용하여 스테이지 이동을 하도록 알고리즘을 설계하였다.
- 본 논문에서는 손떨림 진동신호의 주파수 스펙트럼을 통해 외란 분석을 수행한 후 진동외란을 보상하기에 적합한 대역폭을 결정하였다. 손떨림 진동외란을 보상하기 위해, 마찰 구동형 압전 작동기를 적용한 광학 보정장치를 구성하여 수학적 모델을 얻고, 비선형 작동기 특성을 고려한 초점면부 안정화 비선형 제어 알고리듬을 설계하였다.
- 본 연구에서는 센서 시프트 방식을 사용한 초점면부 진동외란 보상기법을 다루었다. 이 방식에 적용된 마찰 구동형 압전 작동기(friction driven piezoelectric actuator)는 압전소자, 탄성판, 샤프트로 구성된 공진형 작동기이다.
- . 본 연구에서는 스테이지의 빠른 속도를 위해 이파형조건을 그대로 적용하였다.
- 본 연구에서는 소형 카메라에 적용할 수 있는 초점 면부 영상안정화 장치의 제어부 설계를 위해, 실제 손떨림 진동에 대해 주파수 분석을 실시하고 진동외란 특성을 분석하였다. 분석결과를 토대로 외란보상 설계 목표를 선정한 후 그에 알맞은 마찰 구동형 압전 작동기를 선정하였다. 손떨림 진동외란을 보상하기 위해, 마찰 구동형 압전 작동기를 적용한 광학 보정장치를 구성하고, 보정장치의 수학적 선형모델을 실험적으로 구하였다.
- 손떨림 외란진동에 대한 스테이지 제어성능 검증 실험에서는 n=4로 선정하여 δxi를 이동하기 위해 한샘플링 시간동안 ‘On’ 신호를 네 번 가하도록 하였다.
- 분석결과를 토대로 외란보상 설계 목표를 선정한 후 그에 알맞은 마찰 구동형 압전 작동기를 선정하였다. 손떨림 진동외란을 보상하기 위해, 마찰 구동형 압전 작동기를 적용한 광학 보정장치를 구성하고, 보정장치의 수학적 선형모델을 실험적으로 구하였다. 실제 시스템의 비선형성에 기인하는 모델링 오차 및 실험에서 나타나는 위상차를 보상하기 위해 피드포워드 제어 기법을 설계하였다.
- 본 논문에서는 손떨림 진동신호의 주파수 스펙트럼을 통해 외란 분석을 수행한 후 진동외란을 보상하기에 적합한 대역폭을 결정하였다. 손떨림 진동외란을 보상하기 위해, 마찰 구동형 압전 작동기를 적용한 광학 보정장치를 구성하여 수학적 모델을 얻고, 비선형 작동기 특성을 고려한 초점면부 안정화 비선형 제어 알고리듬을 설계하였다. 설계된 알고리즘을 적용한 광학적 영상보정장치의 제어 성능을 시뮬레이션을 통해 외란 보상을 확인하였고, 최종적으로 손떨림 진동 외란을 이용한 실험을 통해 결과를 검증하였다.
- 손떨림 진동외란을 보상하는 보정장치 및 제어 기법을 설계할 때 손떨림 진동외란을 먼저 분석하는 것이 필요하다. 손떨림 진동외란의 주파수 및 진폭을 알아보기 위해 상용 카메라에 자이로 센서를 부착하여 진동을 측정하고, 이를 고속 푸리에 변환을 통해 진동 주파수별 성분으로 분해하고[5] 그 결과를 Fig.1에 나타내었다.
- 손떨림 진동외란을 보상하기 위해, 마찰 구동형 압전 작동기를 적용한 광학 보정장치를 구성하고, 보정장치의 수학적 선형모델을 실험적으로 구하였다. 실제 시스템의 비선형성에 기인하는 모델링 오차 및 실험에서 나타나는 위상차를 보상하기 위해 피드포워드 제어 기법을 설계하였다.
- 좀 더 정확한 추정을 위해서는 진동외란 입력신호의 고차 미분 항을 고려해 볼 수 있지만 손 떨림 진동의 특성상 10Hz 대역의 저 주파수 신호에 대한 기여도가 지배적이므로 이차 근사식만으로 충분히 피드포워딩을할 수 있을 것으로 판단하였다. 실제 실험에서는 자이로센서로 취득한 손떨림 진동외란 입력신호에는 저역 필터(Low Pass Filter)를 작용시켜 잡음신호로부터 분리된 신호를 사용하였다.
- 위 결과를 바탕으로 시뮬레이션 및 실험에 사용할 초점면부 진동외란 입력은 각 100μm 5Hz와 50μm 10Hz의 두 가지 사인함수와 실제 손떨림 진동외란 입력으로 선정하였으며, 상용 컴팩트형 디지털 카메라의 영상센서 픽셀 사이즈를(2.5~5μm) 고려하여 목표 성능을 손떨림 진동에 대해 평균 추적오차 1μm, 표준편차 4μm로 선정하였다.
- PMC-1202 보드는 설계된 최적 전압파형 형태로 On/Off 명령을 마찰구동형 압전 작동기에 인가하게 된다. 이렇게 구성된 실험 장치에 스테이지 제어 시뮬레이션에 사용된 두가지 사인함수 진동외란 입력을 적용시키고 외란 보상제어 실험을 수행하였고, 그 실험결과를 각각 Fig.7과 Fig.8에 나타내었다.
- 카메라 영상 품질에 미치는 손떨림 진동외란 효과를 보상하기 위해, 본 연구에서는 영상센서를 움직여 주는 센서 시프트 방식을 채택하였다. 이를 위해 초점면 부에서 영상센서를 움직여 주는 스테이지를 구성하였다. 영상센서는 스테이지의 중앙에 위치하게 되고 스테이지의 이동은 압전소자의 굽힘 운동에서 시작된다.
- 이를 위해, 매 시간 ti 마다 엔코더 센서를 통해 측정된 스테이지의 위치와 진동외란 입력신호의 오차 ei를 계산하여 비례제어를 하였고, 추가적으로 진동외란 입력신호의 속도 uref 및 가속도 aref 를 계산하여 피드포워드 제어기를 설계 하였다. 피드포워드 제어 알고리즘으로는 이차 테일러 근사식을 통해 다음 시간 ti+1 에 위치해 있을 스테이지의 위치를 추정하였고, 샘플링타임(t)동안 스테이지의 요구 이동거리 (t)를 계산하였다.
- 따라서 보상하고자 하는 진동외란은 작은 진폭을 갖는 저주파수에 해당하는 진동이다. 초점면부 위치 보상제어의 특성상 반응속도가 빨라야 하므로 압전 작동기를 본 연구의 구동기로 선정하였다.
- 마다 엔코더 센서를 통해 측정된 스테이지의 위치와 진동외란 입력신호의 오차 ei를 계산하여 비례제어를 하였고, 추가적으로 진동외란 입력신호의 속도 uref 및 가속도 aref 를 계산하여 피드포워드 제어기를 설계 하였다. 피드포워드 제어 알고리즘으로는 이차 테일러 근사식을 통해 다음 시간 ti+1 에 위치해 있을 스테이지의 위치를 추정하였고, 샘플링타임(t)동안 스테이지의 요구 이동거리 (t)를 계산하였다.
대상 데이터
- 마찰 구동형 압전 작동기는 Fig. 4에 나타낸 것과 같은 피에조테크사의 엔코더 센서 내장형 XDT70-102 Type 제품을 사용하였다. 이 압전구동기의 상세한 제원은 Table 1에 나타내었다[7].
데이터처리
- 손떨림 진동외란을 보상하기 위해, 마찰 구동형 압전 작동기를 적용한 광학 보정장치를 구성하여 수학적 모델을 얻고, 비선형 작동기 특성을 고려한 초점면부 안정화 비선형 제어 알고리듬을 설계하였다. 설계된 알고리즘을 적용한 광학적 영상보정장치의 제어 성능을 시뮬레이션을 통해 외란 보상을 확인하였고, 최종적으로 손떨림 진동 외란을 이용한 실험을 통해 결과를 검증하였다.
- 설계된 알고리즘을 적용한 광학적 영상보정장치의 제어 성능을 시뮬레이션을 통해 외란 보상효과를 확인하였고, 최종적으로 실험을 통해 결과를 검증하였다. 실험 결과는 수학적 모델을 이용한 시뮬레이션 결과와 매우 일치하는 것을 확인하였으며, 또한 사인함수 형태의 진동외란 입력 및 실제 손떨림 진동외란 입력에 대하여 모두 설계 목표를 만족시키는 성능을 확인하였다.
이론/모형
- 실험장치를 구동하기 위한 제어기 보드는 dSPACE 사의 DSP-1103 DSP 보드를 사용하였고, 이 제어기 보드를 구동하는 제어 알고리즘은 MATLAB/Simulink 를 사용하여 작성되었다. 제어 알고리즘에 의해 계산된 값에 따라 전진/정지/후진에 해당하는 디지털 신호가 PMC-1202 보드로 전송된다.
성능/효과
- 47um의 제어성능을 보였다. 두가지 경우 모두 시뮬 레이션과 일치하는 실험결과를 보였고 진동외란 입력을 안정적으로 보상하고 있음을 확인하였다.
- 진동외란은 일반적인 컴팩트형 디지털카메라에서 측정하였으며 최대진폭의 크기는 100μm 이하이고, 10Hz 대역의 주파수에 대한 기여도가 가장 높다. 또한 20Hz 이상의 주파수에서 부터는 기여도가 급격하게 감소함을 확인할 수 있다. 따라서 보상하고자 하는 진동외란은 작은 진폭을 갖는 저주파수에 해당하는 진동이다.
- 9에 나타내었다. 손떨림 진동외란 입력에 대해 스테이지 위치제어 시뮬레이션 결과는 평균오차 -0.03m와 표준편차 1.28um의 성능을 보였다.
- 설계된 알고리즘을 적용한 광학적 영상보정장치의 제어 성능을 시뮬레이션을 통해 외란 보상효과를 확인하였고, 최종적으로 실험을 통해 결과를 검증하였다. 실험 결과는 수학적 모델을 이용한 시뮬레이션 결과와 매우 일치하는 것을 확인하였으며, 또한 사인함수 형태의 진동외란 입력 및 실제 손떨림 진동외란 입력에 대하여 모두 설계 목표를 만족시키는 성능을 확인하였다. 차후 마찰계수에 대한 적응제어 알고리즘을 고려하면 보다 나은 성능을 얻을 것으로 기대한다.
- 쿨롱마찰력의 가장 큰 특징은, 마찰력의 크기가 일정하다는 점과, 충분한 힘이 주어지기 전에는 물체의 움직임이 없는 데드 존(Dead Zone)가 같은 비선형 양상을 보인다는 점이다. 실험을 통해 마찰 구동형 압전 작동기가 움직이기 위한 임계 시간은 0.3ms 임을 확인하였다. 식(1)로 표현된 수학모델은 비선형성이 고려되지 않은 선형 모델이다.
- 이 결과로부터 두 가지 진동 외란신호에 대하여 스테이지는 안정적으로 보상운동이 이루어졌음을 확인할수 있다. 진동수 5Hz 및 진폭 100um 를 가지는 진동외란에 대해서는 평균오차 0.
- 9에 나타내었다. 이 경우 실제 손떨림 진동외란을 평균오차 -0.84um와 표준편차 3.03um 의 제어성능으로 보상할 수 있음을 확인하였다.
- 좀 더 정확한 추정을 위해서는 진동외란 입력신호의 고차 미분 항을 고려해 볼 수 있지만 손 떨림 진동의 특성상 10Hz 대역의 저 주파수 신호에 대한 기여도가 지배적이므로 이차 근사식만으로 충분히 피드포워딩을할 수 있을 것으로 판단하였다. 실제 실험에서는 자이로센서로 취득한 손떨림 진동외란 입력신호에는 저역 필터(Low Pass Filter)를 작용시켜 잡음신호로부터 분리된 신호를 사용하였다.
- 이 결과로부터 두 가지 진동 외란신호에 대하여 스테이지는 안정적으로 보상운동이 이루어졌음을 확인할수 있다. 진동수 5Hz 및 진폭 100um 를 가지는 진동외란에 대해서는 평균오차 0.02um와 표준편차 1.25um의 성능을 보였고, 진동수 10Hz 및 진폭 50um를 갖는 외란진동에 대해서는 평균오차 -0.01um와 표준편차 1.21um의 성능을 보였다.
- 진동수 5Hz 및 진폭 100um 를 갖는 진동외란에 대한 실험결과는 평균오차 –0.28um와 표준편차 1.79um의 성능을 보였으며, 진동수 10Hz 및 진폭 50m를 갖는 진동외란에 대해서는 평균오차 -0.06um와 표준편차 2.47um의 제어성능을 보였다.
후속연구
- 실험 결과는 수학적 모델을 이용한 시뮬레이션 결과와 매우 일치하는 것을 확인하였으며, 또한 사인함수 형태의 진동외란 입력 및 실제 손떨림 진동외란 입력에 대하여 모두 설계 목표를 만족시키는 성능을 확인하였다. 차후 마찰계수에 대한 적응제어 알고리즘을 고려하면 보다 나은 성능을 얻을 것으로 기대한다.
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