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확장 칼만필터를 이용한 탄도수정탄의 대기속도 추정
Airspeed Estimation of Course Correction Munitions by Using Extended Kalman Filter 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.5, 2015년, pp.405 - 412  

성재민 (ReCAPT and Dept. of Aerospace and System Engineering, Gyeongsang National University) ,  김병수 (ReCAPT and Dept. of Aerospace and System Engineering, Gyeongsang National University)

초록
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본 논문은 회전안정성을 갖는 탄도수정탄의 대기속도 추정을 위한 필터 설계에 대하여 설명한다. 대상 시스템은 운용상의 제약(공간, 파워)으로 인하여, 대기속도 측정을 위한 센서를 사용할 수 없다. 따라서 한정된 센서를 이용한 대기속도 추정이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 IMU(가속도계, 자이로)에서 측정하는 3축 가속도와 각속도 데이터만 이용하여, 대기속도 추정을 위한 필터를 설계하였다. 대상 시스템의 경우, 넓은 속도, 고도의 운용범위를 커버하기 위한 추정 필터가 필요하므로 본 연구에서는 확장 칼만필터를 설계하여 기존의 연구와의 차별성을 두었다. 확장 칼만필터 설계를 위한 자코비안 행렬은 NRF(No-roll frame)에서의 간략화된 선형모델을 이용하여 구성하였다. 최종적으로 센서 오차와 바람 모델을 포함한 시뮬레이션을 통해 그 성능을 검토하였다. 이때, 시뮬레이션은 설계한 대기속도와 각속도 모델 오차의 영향을 분석하기 위하여 네 가지 경우의 프로세스 공분산 행렬 값에 대한 영향을 분석하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper represents a filter design to estimate the airspeed of a spin-stabilized, trajectory-correctible artillery ammunition. Due to the limited power and space in operational point of view, the airspeed sensor is not installed, and thus the airspeed need to be estimated using limited sensor mea...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서, 초기 자세 정렬 후 관성센서 값의 적분을 통해 자세를 측정할 수 없으며, 피토관을 장착할 수 없으므로 바람속도를 직접 측정하는 것이 불가능하다. 따라서 동압에 사용되는 대기속도를 획득하기 위하여, 본 연구에서는 가속도 센서와 자이로만 사용한 비행 중 대기속도 추정필터를 설계하고자 한다. 실제 탄도수정탄의 경우 위치, 속도정보를 활용하기 위하여 GPS를 사용한다.
  • 확장 칼만필터는 자코비안 행렬을 이용하여 비선형모델의 상태를 추정할 수 있는 기법으로, 인공위성이나 비행체의 위치나 자세 추정에 널리 적용되고 있지만[8-10], 대기속도 추정을 위한 연구에는 적용된 사례가 드문 것으로 파악된다. 따라서 본 연구에서는 확장 칼만필터를 이용하여 대기속도를 추정하는 기법에 대하여 연구한다. 특히 기존의 연구[6]에서는 GPS/INS 알고리즘을 통해 획득한 자세각과 각속도 정보를 사용하였다면, 본 연구에서는 IMU센서(가속도, 각속도)를 직접 사용하여 필터를 설계한다.
  • 본 논문은 탄도수정탄의 대기속도 추정을 위한 필터를 설계하고 그 결과를 제시하였다. 대상 시스템의 경우 넓은 속도와 고도의 운용범위를 커버하기 위한 추정 필터가 필요하므로 본 연구에서는 확장 칼만필터를 적용 하였다.
  • 특히 기존의 연구[6]에서는 GPS/INS 알고리즘을 통해 획득한 자세각과 각속도 정보를 사용하였다면, 본 연구에서는 IMU센서(가속도, 각속도)를 직접 사용하여 필터를 설계한다. 특히 대상 시스템과 같이 초기 발사조건에 따라서 다양한 선형 모델을 확보해야 되는 어려움을 극복하기 위해 본 연구에서는 확장 칼만필터를 이용한 대기속도 추정필터를 구성하였다. 또한 확장 칼만필터 구성에 필요한 자코비안(Jacobian) 행렬의 선형모델을 사용하여 구성하였으며, 이때 선형모델은 평형점에서의 미소교란에 대하여 정리한 것이 아니라, 탄도 상의 특정 속도에서의 미소교란에 대하여 정리하였다.
  • 대기속도를 추정하는 또 다른 연구로서 다중 선형 칼만필터를 이용한 MMF(Multiple Model Filter) 연구[6]가 있다. 해당 연구는 비행체의 선형모델을 이용하여 다양한 비행조건에서의 대기 속도 추정필터를 설계하고, 이를 현재 비행상태에 맞게 효율적으로 전환하는 다중모델 필터에 관한 내용이다. 다중 선형모델을 사용한 추정필터와 관련해서는 MMF와 IMM(Interacting Multiple Model) 방법[7]이 있다.

가설 설정

  • 각 센서는 바이어스가 없는 가우시안 표준분포를 갖는 백색잡음만 존재한다고 가정한다. 센서는 상용 MEMS 센서의 성능을 고려하여, Table 1과 같은 노이즈의 분산을 갖도록 선정한다.
  • 롤각(Φ)는 롤각속도(p0)와 초기 롤자세각 (Φ0)로 구성된다. 이때 롤각속도는 2Hz로 일정하며, 초기 롤자세각은 알고 있다고 가정한다.
  • 또한 센서에서 얻을 수 있는 각속도와 가속도(ax ay az)를 출력 모델로 구성한다. 이때, 프로세스 오차와 측정 오차는 일정하다고 가정한다. 확장 칼만필터를 이용한 추정필터는 식(3)과 같이 시간에 대한 업데이트(Prediction)와 식(4)와 같이 측정에 의한 업데이트(Correction)으로 구분하여 구성할 수 있으며, 확장 칼만필터는 잘 알려진 기법이므로 상세한 설명은 생략한다[12].
  • 대상 시스템은 지상에서 발사 후 특정 조건(시간, 고도 등) 이후에 센서를 작동하고 유도제어기법을 구현하는 방식으로 운용된다. 정점(42초) 이후 탄도 수정을 위해 조종하는 것으로 가정하고, 발사 후 40초부터 대기속도 추정이 이뤄지도록 구성한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
확장 칼만필터는 어떤 기법인가? 확장 칼만필터는 자코비안 행렬을 이용하여 비선형모델의 상태를 추정할 수 있는 기법으로, 인공위성이나 비행체의 위치나 자세 추정에 널리 적용되고 있지만[8-10], 대기속도 추정을 위한 연구에는 적용된 사례가 드문 것으로 파악된다. 따라서 본 연구에서는 확장 칼만필터를 이용하여 대기속도를 추정하는 기법에 대하여 연구한다.
회전안정성을 갖는 탄도수정탄회전안정성을 갖는 탄도수정탄에 대기속도 측정을 위한 센서를 사용할 수 없는 까닭은 무엇인가? 본 논문은 회전안정성을 갖는 탄도수정탄의 대기속도 추정을 위한 필터 설계에 대하여 설명한다. 대상 시스템은 운용상의 제약(공간, 파워)으로 인하여, 대기속도 측정을 위한 센서를 사용할 수 없다. 따라서 한정된 센서를 이용한 대기속도 추정이 필요하다.
피토관을 사용하지 않고 GPS로 대기속도를 추정하는 연구는 어떤 원리를 이용하는 것인가? 피토관을 사용하지 않고 대기속도를 추정하는 연구로는 단일 GPS를 사용하여 추정하는 방법[4][5]에 대한 연구가 있다. 해당 연구는 GPS 정보와 운동방정식을 결합하여 바람속도를 추정하는 것으로, 비행 중 등속 수평상태를 유지할 수 있다는 가정 하에 유도 되므로 본 연구에서 대상으로 하는 시스템에는 적합하지 않은 방법이다. 대기속도를 추정하는 또 다른 연구로서 다중 선형 칼만필터를 이용한 MMF(Multiple Model Filter) 연구[6]가 있다.
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참고문헌 (14)

  1. Clancy, J. A., Bybee, T. D., Friedrich, W. A., "Fixed Canard 2-D Guidance of Artillery Projectiles," U.S. Patent 6,981,672 B2, 2006. 

  2. Bar, K., Kautzsch, K., "Spin-Stabilized Correctible-Trajectory Artillery Shell" U.S. Patent 7,584,922 B2, 2009. 

  3. Leininger, J., "Method for Correcting the Flight Path of Ballistically Fired Spin-Stabilized Artillery Ammunition," U.S. Patent 7,267,298 B2, 2007. 

  4. Lievens, K., Mulder, J., and Chu, P., "Single GPS antenna attitude determination of a fixed wing aircraft with aircraft aerodynamics," AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, 15-18, Aug., 2005, San Francisco, California, 2005-6056. 

  5. Cho, A., Kim, J., Lee, S., Kee, C., "Fully automatic taxiing, takeoff and landing of a UAV using a single antenna GPS receiver only," Proceedings of International Conference on Control, Automation and Systems, pp. 821-825, Seoul, Korea, 2007. 

  6. Jin, J. H., Park, J. W., Kim, B. M., Kim, B. S., and Lee, E. Y., "Robust Airspeed Estimation of an Unpowered Gliding Vehicle by Using Multiple Model Kalman Filters," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol. 15, No. 8, pp. 859-866, Aug. 2009. 

  7. Kim, B. D., Lee, J. S., "Steady State Kalman Filter based IMM Tracking Filter for Multi-Target Tracking," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, vol. 34, no. 8, pp. 71-78, 2006. 

  8. Kim, Y., Jung, W., and Bang, H., "Visual Target Tracking and Relative Navigation for Unmanned Aerial Vehicles in a GPS-Denied Environment," IJASS, vol. 15, no. 3, pp.258-266, September, 2014. 

  9. Marins, J. L., Yun, X., Bachmann, E. R., McGhee, R. B., Zyda, M. J., "An extended Kalman filter for quaternion-based orientation estimation using MARG sensors," Proceedings of the 2001 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Maui, Hawaii, USA, Oct. 29-NOV. 03, 2001. 

  10. Cho, S. Y., Kim, B. D., Cho, Y. S., Choi, W. S., "Multi-Filter Fusion Technique for INS/GPS," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, vol. 34, no. 10, pp. 48-55, 2006. 

  11. Costello, M. F., "Modeling and Simulation of a Differential Roll Projectile," Army Research Laboratory, Jul. 2000. 

  12. Haykin, S. (ed) (2001) Kalman Filtering and Neural Networks, John Wiley & Sons, Inc., New York, USA. 

  13. Costello, M. F., and Peterson, A. A., "Linear Theory of a Dual-Spin Projectile in Atmospheric Flight," Army Research Laboratory, Feb. 2000. 

  14. U.S. Military., 1980, U.S. Military Specification MIL-F-8785C. 

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