[논문]조이스틱 명령에 따른 Electro-Optical Targeting Pod의 LOS 이동 알고리즘 설계

서형규; 박재영; 안정훈

doi:10.5370/kiee.2018.67.10.1395

조이스틱 명령에 따른 Electro-Optical Targeting Pod의 LOS 이동 알고리즘 설계
LOS Moving Algorithm Design of Electro-Optical Targeting Pod for Joystick Command 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.10, 2018년, pp.1395 - 1400

서형규 (Power Control Team, Hanwha Systems Co., Ltd.) , 박재영 (Power Control Team, Hanwha Systems Co., Ltd.) , 안정훈 (Power Control Team, Hanwha Systems Co., Ltd.)

Abstract ▼ AI-Helper

EO TGP(Electro-Optical Targeting Pod) is an optical tracking system which has various functions such as target tracking and image stabilization and LOS(Line of Sight) change. Especially, it is very important to move the LOS into a interest point for joystick command. When pilot move joystick in order to observe different scene, EO TGP gimbals should be operated properly. Generally, most EOTS just operate corresponding gimbal for joystick command. For example, if pilot input horizontal command in order to observe right hand screen, it just drive azimuth gimbal at any position. But in the screen, the image dosen't move in a horizontal direction because gimbal structure is Euler angle. And image rotation is occurred by elevation gimbal angle. So we need to move Pitch gimbal. So in the paper, we designed LOS moving algorithm which convert LOS command to gimbal velocity command to move LOS properly. We modeled a differential kinematic equation and then change the joystick command into velocity command of gimbals. This algorithm generate velocity command of each gimbal for same horizontal direction command. Finally, we verified performance through MATLAB/Simulink.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 EO TGP 김발의 기구학적 분석을 통해 김발의 자세에 따라 조이스틱 명령에 대해 적절한 LOS 이동이 이루어질 수 있는 알고리즘을 설계하였다. 조종사가 입력하는 조이스틱 명령에 따라 원하는 방향으로 LOS가 이동하는 가상의 김발 좌표계와 실제 EO TGP 김발좌표계의 LOS 벡터를 일치시키는 방법으로 알고리즘을 구현하였고, 최종적으로 시뮬레이션을 통해 검증하였다[5-7].
본 논문에서는 조종사가 조이스틱을 통해 입력한 LOS 이동 명령을 EO TGP의 김발 속도 명령으로 변환시키는 알고리즘을 설계하고 검증하였다. 조종사가 화면상에서 관측하고 싶은 영역으로 LOS를 이동시키기 위해 조이스틱 명령을 인가하였을 때, 김발의 현재 자세와 상관없이 영상을 기준으로 LOS가 이동 되어야 한다.

제안 방법

목표 좌표계를 설정하는 것이다. 그 다음으로 EO TGP의 LOS 벡터와 가상좌표계를 맵핑시킨 후 미분 운동 방정식을 모델링하여 LOS 이동 명령을 각 김발의 속도 명령으로 변환하여 김발을 제어하게 된다.
그리고 Roll 김발과 Yaw 김발을 종속제어로 구성하여 EO TGP를 Roll → Pitch로 구동되는 2축 좌표계로 가정하였고, 가상 좌표계의 LOS 벡터와 EO TGP의 LOS 벡터를 맵핑시킨 후 미분 운동 방정식을 모델링하여 Roll, Pitch 김발의 속도 명령으로 변환할 수 있는 알고리즘을 설계하였다.
Pitch 김발의 속도 제어기는 Yaw 김발과 마찬가지로 자이로 센서 데이터를 입력받아 속도 제어를 하게 된다. 그리고 김발 속도 제어기 전단에 LOS 이동 알고리즘을 추가하여 조이스틱 명령을 김발의 속도 명령으로 변환하여 인가하도록 하였다.
그리고 Roll 김발과 Yaw 김발을 종속제어로 구성하여 EO TGP를 Roll → Pitch로 구동되는 2축 좌표계로 가정하였고, 가상 좌표계의 LOS 벡터와 EO TGP의 LOS 벡터를 맵핑시킨 후 미분 운동 방정식을 모델링하여 Roll, Pitch 김발의 속도 명령으로 변환할 수 있는 알고리즘을 설계하였다. 그리고 최종적으로 MATLAB Simulink를 이용한 시뮬레이션을 통해 각 방향으로 인가되는 조이스틱 명령에 대한 LOS 이동을 검증을 하였다.
마지막으로 대각방향으로 조이스틱 명령을 인가한 경우에 대해 시뮬레이션 하였다. 대가방향 명령은 가로, 세로 방향의 명령이 혼합된 상태를 의미한다.
먼저 가로방향 명령에 대한 시뮬레이션을 진행하였다. 시험조건은 아래 표 2와 같다.
먼저 조종사의 조이스틱 명령에 따라 원하는 방향으로 움직일 수 있는 목표 가상 좌표계를 설정하였다. 그리고 Roll 김발과 Yaw 김발을 종속제어로 구성하여 EO TGP를 Roll → Pitch로 구동되는 2축 좌표계로 가정하였고, 가상 좌표계의 LOS 벡터와 EO TGP의 LOS 벡터를 맵핑시킨 후 미분 운동 방정식을 모델링하여 Roll, Pitch 김발의 속도 명령으로 변환할 수 있는 알고리즘을 설계하였다.
앞에서 계산한 수식을 이용하여 조이스틱 명령에 대한 LOS이동 제어기의 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션은 가로방향, 세로방향, 대각방향 명령에 대해 진행하였다.
앞에서 계산한 수식을 이용하여 조이스틱 명령에 대한 LOS이동 제어기의 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션은 가로방향, 세로방향, 대각방향 명령에 대해 진행하였다.
크게 LOS 이동 알고리즘 블록과 Roll, Yaw 김발 속도 제어기 블록, Pitch 김발 속도 제어기 블록으로 구성되어 있다. 앞에서 언급한바와 같이 Roll 김발이 Yaw 김발을 추종하는 종속제어 방식으로 구성하였다. Yaw 김발은 부착된 자이로 센서에서 측정한 회전 속도를 피드백 받아 속도 제어를 하게 되고 Roll 김발은 Yaw 김발의 엔코더 센서 값을 오차로 입력 받아 Roll 김발과 Yaw 김발 사이의 각도차가 발생하지 않도록 추종하게 된다.
따라서 본 연구에서는 EO TGP 김발의 기구학적 분석을 통해 김발의 자세에 따라 조이스틱 명령에 대해 적절한 LOS 이동이 이루어질 수 있는 알고리즘을 설계하였다. 조종사가 입력하는 조이스틱 명령에 따라 원하는 방향으로 LOS가 이동하는 가상의 김발 좌표계와 실제 EO TGP 김발좌표계의 LOS 벡터를 일치시키는 방법으로 알고리즘을 구현하였고, 최종적으로 시뮬레이션을 통해 검증하였다[5-7].
표 1에서 확인할 수 있듯이 Yaw 김발의 구동 범위가 Roll, Pitch 김발에 비해 작기 때문에 Roll 김발이 Yaw 김발을 추종하는 추종제어 방식을 기본 제어 구조로 설정하였다. 즉, Yaw 김발은 자이로 센서의 각속도 정보를 입력 받아 속도 제어(안정화)를 구현하고 Roll 김발은 Yaw 김발의 엔코더 정보를 오차로 입력받아 추종 제어를 하게 된다[4].

성능/효과

(b)의 김발각도를 확인해 보면 세로방향으로 LOS를 이동하기 위해서 단순히 Pitch 각도만 이동한 것을 알 수 있다. 이를 통해 LOS 이동 알고리즘에서 가로, 세로 방향으로의 LOS 이동을 위해 적절하게 김발의 속도 명령을 생성하고 있다는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

따라서 실제 시스템에 적용하기 전에 Pitch각도에 따라 시스템이 불안정해지지 않도록 해당 위치를 회피할 수 있는 추가적인 알고리즘이 필요하다. 때문에 추후 실제 장비를 이용하여 위 내용에 대한 추가적인 연구와 실험이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자광학추적장비에는 어떠한 기능이 요구되는가?	항공기에 장착되는 전자광학추적장비(Electro-Optical Tracking System)는 표적을 추적하고 영상을 안정화하는 기능과 더불어 조종사의 명령에 따라 시선을 이동하여 원하는 지역의 영상을 전시하는 등의 다양한 기능이 요구된다[1-3]. 특히 전투기에 사용되는 EO TGP(Electronic Optic al Targeting Pod)는 조종사의 조이스틱 명령에 대한 시선 이동 기능이 더욱 중요하게 요구된다.
	관측용 ETOS의 구동 원리는 어떠한가?	일반적인 관측용 ETOS는 조이스틱 명령에 대해 단순히 대응되는 방향의 김발을 구동하는 것으로 시선 이동이 이루어진다. 예를 들어 조이스틱 명령을 가로 방향으로 입력하였을 경우 단순히 방위각 김발을 구동시키고, 세로 방향의 명령에 대해서는 고저각 김발을 구동시킴으로써 LOS를 이동시킨다.
	EO TGP에는 무엇이 중요한가?	항공기에 장착되는 전자광학추적장비(Electro-Optical Tracking System)는 표적을 추적하고 영상을 안정화하는 기능과 더불어 조종사의 명령에 따라 시선을 이동하여 원하는 지역의 영상을 전시하는 등의 다양한 기능이 요구된다[1-3]. 특히 전투기에 사용되는 EO TGP(Electronic Optic al Targeting Pod)는 조종사의 조이스틱 명령에 대한 시선 이동 기능이 더욱 중요하게 요구된다.

참고문헌 (7)

Ma Myint Aye, "Analysis of Euler Angles in a Simple Two Axis Gimbals Set", International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering, No. 9, Vol. 5, 2011.
Per Skoglar, "Modelling and Control of IR/EO-Gimbal for UAV surveillance application", 2002.
Ing. Martin Rezac, "Inertial Stabilization, Estimation and Visual servoing for aerial surveillance", Electrical Engineering and Information Technology in the branch of study Control Engineering and Robotics, Czech Technical University in Prague, 2013.
Jung-Bin Yim, Sung-Su Kim and Joon Lyou, "Maneuverability Improvement of EOTS by Driving the Outer Gimbal First", Journal of Institute of Control Robotics and Systems, pp. 873-878, 2013.
Herman Bruyninckx, "Robot Kinematics and Dynamics", Department of Mechanical Engineering, Katholieke Universityeit Leuven, 2010.
Ferdinand P. Beer, E. Russell Johnston Jr, William E. Clausen, "Vector Mechanics for Engineers Dynamics", 2005.
Bruno Siciliano, Lorenzo Sciavicco, Luigi Villani, Giuseppe Oriolo, "Robotics Modelling, Planning and Control", Springer, 2010.

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