시스템온칩(SoC)을 이용한 광섬유자이로 제어시스템 설계

정동원,김정용,오준석,노웅래 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

광섬유자이로는 신호처리 방식에 따라 개회로 혹은 폐회로 제어를 통해 각속도를 측정하게 된다. 일반적으로 광섬유자이로 제어는 광고리 적정주파수(fp)에 따른 수백 ㎑ 대역의 각속도 제어 알고리즘과외부 온도변화에 따른 출력을 보상하기 위한 낮은 주파수 대역에서의 이득제어 알고리즘을 통해 구현된다. 이로부터 고속 샘플링이 요구되는 각속도 제어는 FPGA를 이용하여 구현하고, 실수 연산이 필요한 이득제어는 제어용 프로세서를 이용하여 구현하는 방식이 널리 사용되어졌다. 본 논문에서는 시스템온칩(SoC) 기술을 활용하여 광섬유자이로에 필요한 제어를 통합한 제어시스템의 설계 및 구현 결과를 보이고, 이를 통해 광섬유자이로에 필요한 제어 알고리즘을 구현할 수 있음을 제시하였다. Fiber optic gyroscope (FOG) measures the angular rate utilizing signal processing based on either open-loop or closed-loop control. In general, the rate loop should be synchronized and updated at hundreds ㎑ frequency in accordance with the proper frequency (fp), while the gain control loop to compensate the temperature variation runs at low frequency range. Subsequently, many researchers have conventionally employed an FPGA to implement high throughput rate control loop in conjunction with a micro-controller enabling floating point arithmetic. This study presents the design and implementaion of the control architecture for fiber optic gyroscope using system-on-chip (SoC) technique, which makes possible to implement necessary control algorithms for fiber optic gyroscope.

자이로의 불규칙 혼합잡음을 고려한 보조항법시스템 칼만 필터 설계

성상만(Sang Man Seong),강기호(Ki-Ho Kang) 한국항공우주학회 2006 韓國航空宇宙學會誌 Vol.34 No.4

??불규칙 혼합잡음의 등가 ARMA 모델 표현을 사용하여 자이로의 불규칙 혼합잡음을 고려하는 보조항법시스템 칼만필터 설계 방법을 제안한다. 필터 설계 절차는 먼저 보조항법 시스템에 사용되는 필터는 간접 되먹임 칼만필터임을 고려하여 등가 ARMA 모델로 표현된 자이로 불규칙 잡음의 시간 차분을 구한다. 다음으로 시간 차분된 ARMA 모델을 상태 방정식으로 표현하는데 AR과 MA 차수에 따라 두 가지로 나누어진다. 먼저 AR 차수가 큰 경우 가제어 혹은 가관측 특이형태를 사용한다. MA 차수가 큰 경우에는 몇 단계 이후의 예측치를 상태변수로 하는 상태방정식을 사용하는데, 이때 자이로 출력을 보상하는 값에 따라 다시 고차수 필터와 저차수 필터로 구분된다. 마지막으로 자이로 불규칙 잡음을 보조항법시스템 칼만필터에 포함시켜 최종적인 필터 모델을 얻는다. 시뮬레이션 결과를 통하여 제안된 고차수 및 저차수 필터 모두 혼합잡음을 백색잡음으로 간주한 기존의 필터보다 항법오차를 감소시킬 수 있음을 보임으로써 그 효용성을 제시한다. Using the equivalent ARMA model representation of the mixed random errors, we propose Klaman filter design methods for aided INS(Inertial Navigation System) which contains the gyroscope mixed random errors. At first step, considering the characteristic of indirect feedback Kalman filter used in the aided INS, we perform the time difference of equivalent ARMA model. Next, according to the order of the time differenced ARMA model, we achieve the state space conversion of that by two methods. If the order of AR part is greater than MA part, we use controllable or observable canonical form. Otherwise, we establish the state apace equation via the method that several step ahead predicts are included in the state variable, where we can derive high and low order models depending on the variable which is compensated from gyroscope output. At final step, we include the state space equation of gyroscope mixed random errors into aided INS Kalman filter model. Through the simulation, we show that both the high and low order filter models proposed give less navigation errors compared to the conventional filter which assume the mixed random errors as white noise.

Gyroscope Free 관성 항법 장치의 데이터 보정을 위한 퍼지 추론 시스템

김재용(Jaeyong Kim),김정민(Jungmin Kim),우승범(Seungbeom Woo),김성신(Sungshin Kim) 한국지능시스템학회 2011 한국지능시스템학회논문지 Vol.21 No.4

본 논문은 퍼지 추론 시스템(FIS: fuzzy inference system)을 이용하여 자이로스코프를 사용하지 않는 관성 항법 장치(GFINS: gyroscope free inertial navigation system)의 가속도계 데이터를 보정하는 방법에 관한 연구이다. 일반적인 관성항법 장치(INS: inertial navigation system)는 주로 가속도계와 같은 병진운동을 감지하는 관성 센서와 자이로스코프와 같은 회전 운동을 감지하는 관성 센서를 이용하여 위치와 yaw각을 측정하는 장치이다. 하지만 INS는 자이로스코프를 사용하기 때문에 소형화 및 저전력 설계가 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 자이로스코프를 사용하지 않는 GFINS에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. GFINS에 사용되는 가속도계는 적분과 외란에 의한 오차가 시간이 지남에 따라 누적되는 문제가 있다. 따라서 본 논문에서는 가속도계의 누적 오차 문제를 해결하기 위해, 레이저 내비게이션과 가속도계의 선속도 비율과 엔코더와 가속도계의 선속도 비율을 통해 GFINS의 데이터를 보정하는 FIS를 제안한다. 제안된 Fuzzy-GFINS를 평가하기 위해, 직접 제작한 메카넘 휠 AGV(autonomous ground vehicle)에 제안된 GFINS를 적용하였다. 실험 결과, 제안된 방법이 GFINS의 출력 데이터를 효과적으로 보정하는 것을 확인 할 수 있었다. This paper presents a study on the calibration of accelerometer data in the gyroscope free inertial navigation system(GFINS) using fuzzy inference system(FIS). The conventional INS(inertial navigation system) which can measure yaw rate and linear velocity using inertial sensors as the gyroscope and accelerometer. However, the INS is difficult to design as small size and low power because it uses the gyroscope. To solve the problem, the GFINS which does not have the gyroscope have been studied actively. However, the GFINS has cumulative error problem still. Hence, this paper proposes Fuzzy-GFINS which can calibrate the data of an accelerometer using FIS consists of two inputs that are ratio between linear velocity of the autonomous ground vehicle(AGV) and the accelerometer and ratio between linear velocity of the encoders and the accelerometer. To evaluate the proposed Fuzzy-GFINS, we made the AGV with Mecanum wheels and applied the proposed Fuzzy-GFINS. In experimental result, we verified that the proposed method can calibrate effectively data of the accelerometer in the GFINS.

제어모멘트자이로 적용 전동이륜차 셀프밸런싱 제어기술 개발

유승진,김민극,김영재,이한민,백남철 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集A Vol.47 No.4

Self-balancing technology for motorcycles actively controls the roll balance, making it easier to drive at low speeds and safer during an accident. In addition, self-balancing technology is important in that it is a basis for realizing autonomous driving technologies for motorcycles that are being researched recently. This paper presents the results of the development of self-balancing technology for a motorcycle applying a control moment gyroscope. First, in the study, a state feedback controller was designed to maintain the roll balance by the dynamics analysis of the control moment gyroscope and the main design parameters for the control moment gyroscope were derived. Second, an algorithm for estimating the motorcycle parameters required for tuning the controller was developed, and its performance was verified by performing simulations. Based on the analysis results, a prototype control moment gyroscope was developed, and the feasibility of the technology was confirmed experimentally by installing it on an actual small-size electric motorcycle.

관성항법장치 초기정렬시간 단축을 위한 링레이저 자이로 lock-in오차 보상방법의 수치해석적인 분석

심규민(Kyu-Min Shim),장석원(Suk-Won Jang),백복수(Bok-Soo Paik),정태호(Tae-Ho Chung),문홍기(Hong-Key Moon) 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.3

링레이저 자이로에는 입력각속도가 작은 영역에서 비선형적인 출력현상인 lock-in이 발생하는데 이를 제거하기 위하여 레이저 공진기에 정현파 각진동을 인가하는 방법이 주로 적용된다. 그러나, 그 방법을 적용하는 경우에도 각진동 회귀점에서 lock-in에 의한 오차가 남아있게 되는데, 이들 오차에 의하여 링레이저 자이로의 일반적인 오차특성인 랜덤원이 발생된다. 이 lock-in에 의한 오차를 제거하기 위한 많은 연구결과 중의 한 방법으로써 lock-in오차 보상방법은 공진기 각진동 회귀점을 통과하기 전과 후의 맥놀이신호 주기를 비교하여 오차를 추정하고 보상하는 방법이다. 본 연구에서는 자이로 모델링 및 수치해석적인 방법으로, 이 lock-in오차 보상방법의 이론적인 적용 가능성을 분석하고, 현재 가능 할 것으로 판단되는 맥놀이 신호주기 측정 분해능을 감안하여 이 방법의 적용 효과를 분석하였다. 그 결과 lock-in오차 보상방법에 의하여 랜덤웍이 약 1/2-1/3로 감소될 수 있음을 알 수 있었다. 그러므로 이 방법은 항법장치의 정렬시간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 방법이 될 것으로 기대된다. Generally, the sinusoidal cavity dither is adopted to ring laser gyroscope for eliminating the lock-in which is non-linear effect at the small rotation input. Despite this method, there are some remained errors which are generated at the dither turnaround, and those errors produce random walk which is a general character of a ring laser gyroscope. As one of the numerous research results for compensating these errors, there is a special lock-in compensation method which is the method of error estimation and compensation by comparing the beat signal periods of before and after the dither turnarounds. In this paper, by ring laser gyroscope modeling and numerical analysis, we verified the theoretical validity and confirmed the effectiveness of this method in expectation of the possible beat signal measurement time resolution. As a result, we confirmed the random walk decreases from a-half to a-third by this lock-in compensation method. So, it is expected to be a remarkable method for reducing the INS alignment time.

관성항법장치의 동적오차 개선을 위한 링레이저 각진동 신호의 이중 복조방법

심규민(Kyu-Min Shim) 한국항공우주학회 2014 韓國航空宇宙學會誌 Vol.42 No.1

본 논문에서는 공진기 각진동에 의한 출력을 제거하기 위하여 복조방법을 사용하는 링레이저 자이로의 시간 양자화 오차를 감소시키기 위한 방법을 논의하였다. 링레이저 자이로에는 맥놀이 주파수를 검출하는 과정에서 발생하는 각도 양자화오차와 lock-in 현상을 해결하기 위하여 변조한 각진동을 출력으로부터 복조하는 과정에서 발생하는 시간 양자화오차가 있다. 시간 양자화 오차는 링레이저 자이로의 샘플링 주기가 자이로 각진동 주기에 동기된 복조방법을 사용하기 때문에 발생한다. 일반적으로 자이로 각진동 주기는 항법계산 주기에 비하여 길기 때문에, 탑재체의 자세를 빠른 속도로 업데이트 해야만 하는 고기동 환경에서는 시간양자화 오차에 의한 항법오차가 발생된다. 본 논문에서는 이러한 샘플링 시간 양자화오차를 줄이기 위하여 이중 복조방법을 제안하고, 시뮬레이션을 통하여 동적환경에서의 오차 감소현상을 확인하였다. This paper discusses the methods for reducing the sampling time quantization errors of the body dither type ring laser gyroscope. A ring laser gyroscope has the angle quantization error which is generated by the frequency counting method of the laser beat signal and sampling time quantization error which is generated by the demodulation method for eliminating the body dithering in which the sampling periods are fitted to the dither periods. Generally, because the dither periods are longer than the calculation periods of the inertial navigation system, vehicle navigation errors are produced by long time attitude update missing during the vehicle move with a high dynamical motion. In this paper, the double demodulation method is proposed for reducing the sampling time quantization error and its effects under the dynamic situation are confirmed by simulation.

FMS를 이용한 대전차 유도탄의 각속도 계산식 검증

박어진(Eojin Park),김완식(Wan Shik Kim),박찬국(Chan Gook Park) 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.10

본 논문에서는 제한된 센서 조건에서 유도탄 동체의 각속도를 계산하는 법을 보이고 Flight Motion Simulator(FMS)를 이용한 각속도 계산식 검증을 다룬다. 일반적으로 유도탄 동체의 각속도는 동체에 탑재하는 각속도 자이로를 이용하여 측정하지만, 유도탄 동체에 탑재하는 관성 센서 중에 피치와 요 각속도 자이로가 없는 제한된 센서 조건을 가정한다. 이와 같은 제한된 센서 조건에서 김블 탐색기 자이로, 동체의 롤 각속도 자이로, 김블의 자세 측정값 및 자세 변화율을 이용하여 유도탄 동체의 각속도를 계산할 수 있음을 보인다. 제안한 각속도 계산식을 검증하기 위하여 FMS를 이용한 실험을 수행하였다. This paper focuses on the calculation of the missile angular velocity under the reduced sensor condition and its verification using the Flight Motion Simulator(FMS). The missile angular velocity is usually measured by the body gyroscopes, but we assume that the inertial sensors on the missile body are in the absence of pitch and yaw gyroscopes. Under this reduced sensor condition, this paper shows the missile angular velocity can be calculated by using the gimbal seeker gyroscope, the roll body gyroscope, the gimbal angle and its rate. The FMS experiment was carried out to verify the proposed algorithm.

자이로센서를 이용한 낙상 방향 탐지 시스템 구현

문병현,류정탁 한국산업정보학회 2016 한국산업정보학회논문지 Vol.21 No.2

낙상은 응급상황이 발생한 노인에게는 적절한 시간이 응급처치가 요구되는 주요한 상태이다. 응급상황의 경우, 낙상의 발생과 낙상 방향은 초기 상태의 응급처치를 위한 중요한 정보로 사용될 수 있다. 본 논문에서는 낙상의 발생과 방향을 정확히 판단하는 시스템을 구현하였다. 낙상과 방향을 감지하기 위하여 하나의 3축 자이로도센서(MPU-6050)를 사용하였다. 제안된 낙상 방향 알고리듬은 X와 Y축 가속도값을 사용하여 낙상여부와 앞, 뒤 좌 ,우 및 중간방향을 포함한 8개 낙상방향을 감지하였다. 제안된 시스템은 선택적인 가속도 임계값을 사용하여 97% 이상의 낙상과 낙상방향을 성공적으로 감지함을 보였다.

Mechanical Design of Ring Laser Gyroscope Using Finite Element Method

이정익 한국생산제조학회 2013 한국생산제조학회지 Vol.22 No.1

The gyroscopes have been used as a suitable inertial instrument for the navigation guidance and attitude controls. The accuracy as very sensitive sensor is limited by the lock-in region (dead band) due to the frequency coupling between two counter-propagating waves at low rotation rates. This frequency coupling gives no phase difference, and an angular increment is not detected. This problem can be overcome by mechanically dithering the gyroscope. This paper presents the design method of mechanical dither by the theoretical considerations and the verification of the theoretical equations through FEM applications. As a result, comparing to the past result(4), the maximum prediction error of resonant frequency was within 3 percent and peak dither rate was within 5 percent. It was found that the theoretical equations can be feasible for the mechanical performance of dither.

광섬유 자이로용 광부품에 대한 TID 방사선 시험

배규영(Kyuyoung Bae),전상배(Sang Bae Jeon),김광현(Khang Hyeun Kim),정호진(HoJin Jeong) 한국항공우주학회 2022 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2022 No.11