롤 커플된 탐색기 정보 기반 시선각속도 추정

박국권 인하대학교 대학원 2021 국내박사

대공 유도탄에는 표적을 요격하기 위하여 적외선 탐색기가 많이 사용되며, 종말호밍 단계에서 정밀 요격을 위하여 탐색기로부터 획득한 시선각속도 정보를 이용한 비례항법 유도를 수행한다. 2축 김발형 탐색기의 경우 관성좌표계 상의 표적 지향을 통해 유도탄과 표적 간의 시선각속도 정보를 직접 제공하는 이점이 있어 정밀 유도탄에 사용된다. 대부분의 대공 유도탄에는 노즈 정면에 탐색기가 장착되어 있으며, 대기에 의한 공력가열로 인하여 탐색기의 성능이 저하된다. 이러한 문제를 완화하는 방법 중 하나로 노즈 측면에 탐색기를 장착하는 것으로 노즈 정면에서의 직접적인 공력가열을 회피할 수 있다. 그러나 측면에 탐색기가 장착되면 표적을 지향하기 위하여 유도탄의 롤 기동이 수반되며 종/횡 방향 시선각속도에 커플링이 발생한다. 롤 커플링에 따라서 기존의 종/횡 분리를 통한 시선각속도 추정이 어려우므로 롤 운동을 보상한 시선각속도를 추정하는 방법이 필요하다. 본 논문에서는 측면에 장착된 탐색기에 대하여 롤 기동에 따른 커플링을 보상하여 시선각속도를 추정하기 위한 기법을 제안한다. 시선각속도를 추정하기 위하여 비행체 정보만을 가용한 bearing-only measurement 문제로 접근하며 이러한 경우 롤 커플된 시선각속도 추정 문제는 오준각 오차(BSE) 변화율을 추정하는 문제로 귀결된다. 따라서 BSE 변화율을 추정하기 위해서 BSE 되먹임 구조를 기반으로 BSE 변화율 추정기를 설계하며 BSE 시상수에 따른 추정 성능을 분석한다. 또한 잡음 환경에서의 시선각속도 추정 성능을 보완하기 위하여 추정기의 시상수를 혼용하는 방식을 제안하며 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 제안한 추정기법의 성능 분석을 수행한다.

경사지 주행에서 소형 궤도형 트랙터의 동적 전도 전복 특성에 대한 시뮬레이션 분석

양윤정 강원대학교 대학원 2025 국내석사

As agricultural mechanization progresses, the use of tractors has increased significantly. However, tractors are at a high risk of rollover accidents due to the nature of their operational environment that off road terrains with slopes and numerous obstacles. While various studies have analyzed tractor‘s lateral overturning and backward rollover stability, most focus on static conditions and deficient research deal with dynamic scenarios. This study aims to analyze the dynamic rollover characteristics of small tracked tractors by using simulation program to investigate the relationship between angular velocity and factors such as obstacle height, ground slope angle, and driving speed, and to assess their impact on lateral overturning risk. To identify influencing factors lateral overturning and backward rollover, theoretical analysis was conducted and developed a 3D model reflected factors. The 3D model’s accuracy was validated by comparing influencing factors with those of a small tracked tractor. A dynamic simulation model was developed using the validated 3D model and implemented in the simulation program, Recurdyn(Recurdyn 2023, FunctionBay, Korea). And the model's accuracy was confirmed through static sidelong falling angle, minimum turning radius tests and driving test. We conducted driving test and driving simulation to validate the simulation model under identical conditions with variables including obstacle height(0 – 40 mm), ground slope angle(0 – 50°). When lateral overturning occurred, separate verification was performed by adding driving speed conditions (1st, 2nd, and 3rd gears). Roll angular velocity that a key factor in lateral overturning, was measured using an angular velocity sensor positioned near the tractor’s mass center. The actual driving test and driving simulation results were compared according to obstacle height, ground slope angle, and driving speed, and a T-test was performed to verify the significance between the two results. In all cases, the p-value was greater than 0.05, indicating that there was no significant difference between the two results. So we can determine the developed simulation model can effectively imitate the driving characteristics of small tracked tractor. The validated simulation model was used to determine the critical driving speed, critical angular velocity and analyze the importance of factors influencing tractor lateral overturning and backward rollover. However, since backward rollover was not-occurred under all obstacle height and ground slope angle conditions within the tractor's actual driving speed range, the roll angular velocity related to lateral overturn was analyzed. Obstacle height showed higher obstacles resulting in increased angular velocity. Slope angle displayed inconsistent trends but led to a sharp increase in angular velocity beyond certain critical angles. As the size of the driving speed increases, the angular velocity also tends to increase. Among the variables used in the dynamic analysis, the factor that has the greatest influence on the lateral overturning of a tractor was found to be the height of the obstacle. Lateral overturning consistently occurred when roll angular velocity exceeded 100 deg/s, while non-overturning scenarios reached maximum angular velocities around 80 deg/s. Therefore, when a small tracked tractor's roll direction angular velocity reaches the range around of 80 deg/s while driving on a slope, there is a risk of lateral overturning, so measures for tractor driving stability are likely to be necessary. This study can be used as basic data for developing a overturning and rollover recognition and avoidance system that reflects the dynamic characteristics of a tracked tractor. 농업의 기계화가 진행됨에 따라 트랙터의 사용이 증가하고 있다. 트랙터는 경사지와 장애물이 많은 노외의 환경에서 사용되는 작업특성으로 인해 전도 전복 사고의 위험성이 크다. 트랙터 전도 전복 안전성에 관한 연구들이 다수 수행되었으나 대부분의 연구는 정적인 상태에서 수행되었으며 동적인 상황에서의 안전성 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 소형 궤도형 트랙터의 동적 전도 전복 특성을 분석하기 위해 시뮬레이션을 통한 트랙터 주행 시 장애물 높이, 지면 경사각 및 주행속도에 따른 각속도의 경향을 도출하고 각 요인이 전도 전복에 미치는 영향을 정성적 및 정량적으로 분석하였다. 소형 궤도형 트랙터에 대한 고재현도의 시뮬레이션 모델을 개발하였으며 실물 트랙터 실험을 통해 개발된 시뮬레이션 모델을 검증하였다. 트랙터 측방전도 및 후방전복에 영향을 미치는 인자를 도출하기 위한 이론분석을 수행하고 도출된 주요 영향 인자를 반영하여 실물 소형 궤도형 트랙터의 3D 모델을 제작하였다. 또한, 제작된 3D 모델을 동역학 시뮬레이션 프로그램(Recurdyn 2023, FunctionBay, Korea)에 적용하여 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 개발된 시뮬레이션 모델이 실물 트랙터의 전도 전복 특성을 충실히 모사할 수 있는지 검증하기 위해 정적횡전도각, 최소선회반경 및 주행시험을 수행하고 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 주행시험은 경사지에서 트랙터가 최고속도 0.13 m/s로 주행할 때 장애물을 밟고 넘어가는 순간 급격히 변화하는 각속도를 도출하였다. 주행조건은 장애물 높이는 0 – 40 mm 범위에서 10 mm 간격으로 총 5수준, 지면 경사각은 0 – 50° 범위에서 5° 간격으로 총 11수준으로 설정하였다. 또한, 트랙터 측방전도가 발생하는 경우에서는 주행속도 조건을 추가하여 별도의 검증을 수행하였다. 추가된 주행속도 조건은 최저속도 0.07 m/s, 중간속도 0.11 m/s이다. 시뮬레이션을 통해 실제 정적횡전도각, 최소선회반경 및 주행시험 조건을 모사하여 정적횡전도각과 최소선회반경 결과를 도출하고 시험 결과와 비교하였다. 또한 주행시험에서 계측된 각속도와 주행 시뮬레이션에서 도출된 각속도 간의 유의성을 검증하기 위해 T-test를 수행하고 p-value 값을 분석하였다. 검증 결과, 실물 소형 궤도형 트랙터와 제작된 3D 모델에서 윤간거리, 축간거리, 총중량, 무게분포, 무게중심 위치 등 전도 전복 주요 영향 인자들의 오차율은 모두 5% 이내로 도출되었다. 또한 실험과 시뮬레이션에서의 정적횡전도각 및 최소선회반경의 오차율도 5% 이내로 나타났다. 주행 시뮬레이션과 실제 주행시험 결과에 대한 T-test 검증 결과, 모든 주행조건에 대한 각속도가 5% 유의수준에서 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다. 따라서 개발된 시뮬레이션 모델은 실물 트랙터의 동적 주행 특성을 충실히 모사할 수 있는 것으로 나타났다. 검증된 시뮬레이션 모델을 활용하여 트랙터의 전도 전복 특성을 분석하였다. 장애물 높이는 0 – 40 mm 범위에서 10 mm 간격으로 총 5수준, 지면 경사각은 0 – 50° 범위에서 5° 간격으로 총 11수준으로 설정하여 트랙터가 장애물을 밟고 지나갈 때 급격히 변화하는 각속도를 도출하였다. 트랙터의 실제 주행속도 범위 내에서는 모든 장애물 높이 및 지면 경사각 조건에서 후방전복이 발생하지 않았다. 주행속도를 매우 증가시킨 경우 후방전복이 발생했으며 이때 장애물 높이가 증가할수록 후방전복이 발생하기 시작하는 경사각 및 임계주행속도가 감소하는 경향을 보였다. 트랙터가 최고속도 0.13 m/s로 주행할 때 장애물 높이, 지면 경사각 및 주행속도에 따른 트랙터 롤방향 각속도를 도출하고 경향을 분석하였다. 장애물 높이에 따른 롤방향 각속도 도출 결과, 모든 지면 경사각 범위에서 장애물 높이가 증가할수록 각속도가 커지는 경향을 보였다. 이는 장애물이 트랙터에 동적인 거동에 직접적인 영향을 미치는 요인이기에 뚜렷한 결과가 도출된 것으로 볼 수 있다. 지면 경사각에 따른 롤방향 각속도 도출 결과, 지면 경사각에 따른 각속도는 특정한 경향을 보이지 않았으나 경사각이 특정 값보다 커지면 각속도가 급증하는 경향이 나타났다. 이는 높은 경사각이 트랙터 측방전도를 유발하여 각속도에 큰 영향을 미친 것으로 볼 수 있다. 주행속도에 따른 롤방향 각속도 도출 결과, 주행속도가 증가함에 따라 각속도가 증가하는 경향을 보였다. 이는 주행속도가 증가하면 운동에너지가 증가하여 트랙터가 장애물을 밟고 넘어갈 때의 불안정성을 가중시키기 때문인 것으로 판단된다. 트랙터 측방전도가 발생하기 시작하는 주행속도 및 주행 각속도인 임계주행속도 및 임계주행 각속도를 도출하였다. 측방전도가 발생한 모든 경우에서 지면 경사각을 1° 간격으로 조정하며 장애물 높이 및 지면 경사각 조건에 따른 임계주행속도를 도출하였다. 평지를 제외한 모든 경우에서 지면 경사각이 높아질수록 임계주행속도는 낮아지는 경향을 보였다. 평지에서는 주행속도를 증가시켜도 측방전도가 발생하지 않았으며, 특정 주행속도 이상에서 후방전복이 발생하였다. 후방전복이 발생하는 주행속도는 실물 트랙터의 최고 주행속도보다 매우 컸으며 이는 극단적으로 설정된 속도가 차체 균형을 무너뜨려 이어진 결과로 볼 수 있다. 측방전도가 발생한 경우 중, 두 가지의 장애물 높이 및 지면 경사각 조건을 사용하여 각속도를 분석하였다. 두 조건 모두 속도 조정을 통해 측방전도가 발생하지 않는 경우의 각속도를 도출하고 측방전도가 발생한 경우의 각속도 결과와 비교 분석하였다. 측방전도가 발생하지 않은 경우 장애물을 밟기 전후의 각속도 범위는 유사한 수준을 유지한 반면 측방전도가 발생한 경우의 각속도 범위는 큰 폭의 차이를 보였다. 측방전도가 발생한 경우 중 장애물 높이는 높고 지면 경사각 및 주행속도는 낮은 조건에서의 각속도 변화 범위가 더 큰 것으로 나타났다. 이는 장애물의 높이가 타 요인 대비 롤방향 각속도 변화에 더 큰 영향을 미치기 때문인 것으로 판단된다. 동일한 임계주행속도를 가지는 조건에 대해 시간에 따른 각속도를 비교 분석하였다. 주행속도가 동일한 경우 지면 경사각이 더 높은 조건에서의 각속도 값이 더 낮았으며, 이는 트랙터 롤방향 각속도에 지면 경사각보다 장애물 높이가 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다. 트랙터 측방전도가 발생하지 않는 조건들의 롤방향 각속도의 최댓값은 86.5 deg/s로 나타났으며, 측방전도가 발생하는 모든 조건의 롤방향 각속도는 100 deg/s를 초과한 이후 각속도 크기가 점차 증가하며 측방전도가 발생하였다. 따라서 소형 궤도형 트랙터의 경사지 주행 시 롤방향 각속도가 80 deg/s 수준에 도달하면 측방전도가 시작될 위험이 있어 트랙터 주행 안정성을 위한 조치가 필요할 것으로 보인다. 추후 추가적인 시뮬레이션 분석을 수행하여 많은 데이터를 구축하고 데이터 결과를 활용한 3D 매핑 등의 기법을 이용한다면 트랙터 전도 전복에 대한 보다 정확한 안전 범위를 설정할 수 있을 것이다. 본 연구는 트랙터 동적 특성을 반영한 전도 전복 인식 및 회피 시스템을 개발하는 기초 자료로 활용될 수 있다.

주짓수 힙 이스케이프 동작 시 압박 상황과 기술 수준이 하지의 운동학에 미치는 영향

지소윤 국민대학교 일반대학원 2024 국내석사

브라질리언 주짓수(BJJ)는 상대방의 신체를 제어하고 제압하는 과정에서 고도의 움직임 전략과 협응 능력을 요구한다. 이 중 힙 이스케이프 동작은 상대방의 압박에서 벗어나기 위한 주요 방어 기술로, 기술 수준과 압박 조건에 따라 수행 능력이 달라질 수 있다. 본 연구는 힙 이스케이프 동작 수행 중 압박(dummy) 및 맨몸(ndummy) 조건과 기술 수준(초급, 중급, 상급)에 따른 운동학적 차이를 분석하고, 움직임 특성과 협응의 차이를 규명하는 것을 목적으로 하였다. 연구 대상자는 기술 수준별로 초급(n=9), 중급(n=8), 상급(n=9)으로 구분되었으며, 관성 센서를 활용하여 엉덩이, 무릎, 몸통의 각도, 각속도 및 최대 각속도 발생 시점 데이터를 수집하였다. Mixed ANOVA, Wilcoxon, Kruskal-Wallis 테스트를 통해 데이터를 분석하였다. 연구 결과, 엉덩이 굽힘 각도와 무릎 폄 각도에서 압박 조건과 맨몸 조건 간 유의미한 차이가 나타났으며, 초급 그룹에서 가장 큰 차이가 관찰되었다. 몸통 회전 각도는 상급 그룹에서 압박 조건이 맨몸 조건보다 유의미하게 더 높은 값을 나타냈다. 각속도 분석에서는 초급 그룹의 엉덩이 굽힘 각속도가 압박 조건에서 유의미하게 감소하였으며, 몸통 굽힘 각속도에서는 중급 그룹이 압박 조건에서 가장 높은 값을 보였다. 시점 분석에서는 trunk time과 E1 시점에서 압박 조건과 맨몸 조건 간 유의미한 차이가 초급 그룹에서 나타났으며, E2와 E3 시점에서는 조건과 그룹 간 차이가 없었다. 또한, 각속도 발생 시점 간 상대적 시간차 분석 결과, hip-knee 시간차에서 상급 그룹이 압박 조건에서 경계성 유의미한 차이를 보였다. 본 연구는 힙 이스케이프 동작에서 기술 수준과 압박 조건에 따른 운동학적 차이를 규명하였으며, 이를 바탕으로 초급자의 동작 효율성 향상을 위한 훈련 전략과 상급자의 협응 최적화를 위한 심화 훈련의 필요성을 제시하였다. 더 나아가, 중급 및 상급 그룹이 보여주는 안정적인 움직임 패턴을 바탕으로 초급 그룹의 훈련 프로그램 개발을 위한 기초 자료를 제공할 수 있다. 추후 연구에서는 다양한 탈출 동작과 환경적 요인, 생리학적 지표를 포함한 다각적인 분석이 필요하다. Brazilian jiu-jitsu (BJJ) requires a high level of movement strategy and coordination to control and subdue an opponent"s body. Among these, the hip escape is a key defence technique to escape from an opponent's pressure, and its performance can vary depending on skill level and pressure conditions. The purpose of this study was to analyse the kinematic differences between compressed (dummy) and uncompressed (ndummy) conditions and skill levels (beginner, intermediate, and advanced) during hip escape movements, and to identify differences in movement characteristics and coordination. Subjects were categorised by skill level as beginner (n=9), intermediate (n=8) and advanced (n=9). Inertial sensors were used to collect data on hip, knee and trunk angles, angular velocities and peak angular velocity occurrence. Data were analysed using Mixed ANOVA, Wilcoxon and Kruskal-Wallis tests. The results showed significant differences between the compression and non-compression conditions in hip flexion angle and knee extension angle, with the largest differences observed in the beginner group. Trunk rotation angle showed significantly higher values in the compression condition than in the non-compression condition in the advanced group. Angular velocity analysis showed that the hip flexion angular velocity of the beginner group was significantly reduced in the compression condition. The hip flexion angular velocity of the beginner group was significantly reduced in the compression condition, while the trunk flexion angular velocity of the intermediate group showed the highest value in the compression condition. In the time point analysis, a significant difference between the compression and non-compression conditions was found in the beginner group at trunk time and E1, while there was no difference between conditions and groups at E2 and E3. In addition, the analysis of relative time difference between angular velocity occurrences showed that the advanced group showed a borderline significant difference in hip-knee time difference in the compression condition. The present study identified kinematic differences in the hip escape movement based on skill level and compression conditions, suggesting training strategies to improve movement efficiency in beginners and the need for advanced training to optimise coordination in advanced players. Furthermore, the stable movement patterns exhibited by the intermediate and advanced groups can provide a basis for developing training programmes for beginners. Future research should include a multifaceted analysis of various escape movements, environmental factors, and physiological indicators.

대학 여자 골프 선수들의 드라이버 스윙 Sequence에 따른 운동학적 변인 분석

김기현 건국대학교 2018 국내석사

본 연구는 대학 여자 골프 선수들의 드라이버 스윙 Sequence에 따른 인체의 운동학적 변인들을 분석하는데 목적이 있었다. 본 연구의 참여자는 현재 성적이 우수한 대학 여자 골프 선수 14명으로 선정하였다. 참여자의 스윙 소요 시간, 인체중심의 위치, 각도, 각속도 분석을 위하여 적외선 고속 카메라(T10S, Vicon, USA) 8대와 Nexus 소프트웨어를 사용하였으며, 평균값과 표준오차를 산출하였다. 본 연구 결과, 드라이버 스윙 동작 시 총 소요 시간은 평균 1.99초로 나타났고, E1에서 E6까지의 스윙 소요 시간이 줄어드는 것을 확인하였다. 전·후, 좌·우, 수직 방향의 인체 중심 위치 변화는 마지막 구간인 E7을 제외하면 ±3 cm미만인 것으로 나타났다. 그리고 몸통과 골반의 회전 각도가 가장 크게 나타났다. 각속도 분석 결과 E2, E4, E5, E6에서 좌측 무릎<골반<몸통<좌측 팔<클럽헤드 순으로 각속도가 증가하는 것을 확인하였고, 분절 별 최대각속도가 일어난 순서는 골반<몸통<전완<상완<클럽헤드 순으로 나타났다. E3에서 E5까지 각 분절의 최대각속도를 분석한 결과 골반의 최대 각속도 발생시점에서 클럽헤드 최대 각속도 발생시점까지 전체 소요 시간을 100%로 보았을 때 골반-몸통 약 18%, 몸통-상완 약 30%, 상완-전완 약 14%, 전완-클럽헤드까지 약 38%의 소요 시간 비율로 나타났다. 이와 같은 결과는 골반을 시작으로 척추를 중심축으로 몸통의 회전운동으로 연결된 후 팔의 회전운동 그리고 최종적으로 임팩트 구간에서 클럽헤드의 최대 각속도가 발생하는 Kinematic Sequence가 나타났음을 확인 할 수 있었다.

실험적 방법에 의한 비행 공간안정화장치 모델링 및 각속도관측기 설계

문경호 연세대학교 대학원 2019 국내석사

본 학위 논문에서는 이동형 레이더의 성능 최적화에 필요한 데이터 수집을 위해 수행하는 비행시험 중 비행체의 요동을 보상하여 이동형 레이더의 흔들림을 최소화 할 수 있는 비행 공간안정화장치의 각도 제어기를 모델링하는 방법과 결과를 제시하고, 이동형 레이더의 운용 성능을 추가적으로 확인 할 수 있는 각속도 관측기를 설계 하고 결과를 기술하였다. 데이터 획득 시험을 위해 운용 될 이동형 레이더의 흔들림을 최소화하기 위해선 비행체의 요동이 이동형 레이더로 전달되는 것을 최소화해야 한다. 이를 위해 비행 공간안정화장치를 시험용 비행체와 비행체에 탑재 될 이동형 레이더 사이에 배치하여 공간안정화를 수행해 요동의 전달을 최소화 한다. 초기 비행 공간안정화장치 개발 시 상용 모터 드라이버를 이용하여 경험적 PID 방식의 각속도 제어루프로 구현되어, 추가적인 각도 제어 기능 구현에 필요한 상세 파라미터 값을 확인할 수 없었다. 상세 모델 파라미터를 알 수 없는 상황에서 각속도 제어루프 시스템을 실험적 방법을 이용해 모델링 값을 추론 하고, 그 값을 이용해 각도 제어기를 안정적으로 모델링하고 구현하는 방법에 대해 기술하였다. 각 주파수 별 각도 명령에 따른 이득과 위상을 시험을 통해 획득하였으며, 이를 기반으로 2차 시스템으로 모델링을 수행하여 시험 결과 값과 비교 분석을 수행하였다. 비행 공간안정화장치의 각도제어기는 시스템이 안정적으로 구동하기 위해 적절한 이득여유 및 위상 여유를 갖도록 설계하였으며, 충돌 방지를 위해 오버슈트가 없으면서도 빠른 응답을 가질 수 있도록 주파수 영역 분석을 통한 비례 제어기를 설계하였다. 그리고 이러한 제어를 수행하는 과정 중 이동형 레이더에 적용할 수 있는 모델링 기반 각속도 관측기를 설계하였다. 이동형 레이더의 안테나부에 각속도 센서가 장착되어 있어 표적을 지향하는 안테나의 움직임이 측정 가능하지만, 그 측정값에는 안테나 움직임과 이동형 레이더의 흔들림까지 더해져 측정된다. 따라서 각도 센서를 이용한 각속도 관측기를 사용하면 이동형 레이더의 흔들림을 배제한 안테나의 각속도를 추가로 획득할 수 있다. 각속도 측정을 위해서는 각속도 센서를 이용하거나 각도 센서를 통해 추정이 가능하지만 단순히 각도 센서의 값을 미분하게 되면 센서의 노이즈로 인해 각속도의 노이즈 값이 증대되고, 노이즈 억제를 위해 Low Pass Filter를 추가하면 시간 지연이 발생 한다. 이에 각도 센서 출력값을 사용하는 각속도 관측기를 설계하여 시간 지연은 줄이고, 노이즈를 억압하여 정확한 결과 값을 가질 수 있도록 하였다. 그리고 이동형 레이더에 적용해 각속도 관측기의 출력, 자이로의 출력, 엔코더의 출력값을 비교하여 관측기 설계 결과를 확인하였다.

발레동작 Grand Jet? en Tournant의 분절별 위치변화 및 각속도 분석에 관한 연구

김광진 세종대학교 일반대학원 2014 국내박사

논문요약 발레동작 Grand Jeté en Tournant의 분절별 위치변화 및 각속도 분석에 관한 연구 이 연구는 발레동작 Grand Jeté en Tournant의 분절별 위치변화량, 각 운동량과 각속도 분석에 관하여 중·고등학생 그룹과 대학생 그룹 발레 전공자를 비교 분석 하고자 하였다. 이 연구의 목적은 무용에 관련하여 생체역학연구의 방법론적 이해를 제공함으로써 향후 연구의 진행방향에 제시 및 흐름을 가늠하며 생체 역학적 분석을 통한 동작의 이해, 효과성과 효율성의 증대를 위함이다. 가설에서 각 그룹간의 운동능력, 속도, 도약능력 등에 큰 차이가 보일 것으로 간주하고 비교하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. 첫 번째, 몸통 전체 최대 높이 위치변화량에서는 유의한 차이가 나타나지 않았으며 몸통 전체 최소 높이 위치변화량에는 유의한 차이가 나타났다. 두 번째, 오른쪽·왼쪽 다리 전체 높이 위치변화량에서 오른쪽 다리 최대·최소 높이 위치변화량은 유의한 차이가 나타났으며 왼쪽 다리 최대·최소 높이 위치변화량에서는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 세 번째, 각 이벤트별 머리 각속도량 변화에서 이벤트 1, 3, 4 지점은 유의한 차이가 나타나지 않았으며 이벤트 2 지점에서 유의한 차이가 나타났다. 네 번째, 각 이벤트별 골반 각속도량 변화에서 이벤트 1, 3 지점은 유의한 차이가 나타나지 않았으며 이벤트 2, 4 지점에서 유의한 차이가 나타났다. 다섯 번째, 오른손·왼손 중심에서 머리까지의 비교에서 이벤트 3 지점의 앙 오(En haut) 동작 시 거리를 측정하였는데 두 위치의 평균에서는 많은 차이가 있는 것으로 보여 졌으나 유의한 차이가 나타나지 않았다. 여섯 번째, 오른쪽·왼쪽 다리 각 분절별 각운동량과 오른쪽·왼쪽 다리 전체 각운동량 비교에서 오른쪽 다리 허벅지, 종아리의 분절별 각운동량 최대값과 최소값 모두 유의한 차이점이 나타났으며 발의 각운동량 최대값에서는 유의한 차이점이 나타난 반면 최소값은 유의한 차이점이 나타나지 않았다. 또한 오른쪽 다리 전체 각운동량에 유의한 차이가 나타났다. 왼쪽 다리 허벅지의 최대값・최소값과 종아리, 발의 최소값에서 유의한 차이점이 나타났으며 종아리, 발의 최대값에서는 유의한 차이점이 나타나지 않았다. 그러나 왼쪽 다리 전체 각운동량은 평균값에서 미세한 차이를 보이고 있지만 체형(각 실험자의 키와 몸무게)과 비례관계에 따라서 유의한 차이점이 나타나지 않았다.   이와 같은 결론을 종합해 본 결과 Grand Jeté en Tournant 동작 구현시 안정적인 일정한 곡선을 그리며 동작을 구현해야하고 지지다리는 쁠리에(plié)를 깊게, 동작 다리는 더 높고 빠르게 움직여야 하며 머리 각속도는 동작이 시작된 후 시선을 남기고 몸통이 돌아갔을 때 원래 방향으로 정확하게 스포팅을 해야 한다. 또한 팔의 위치는 머리의 앞쪽으로, 골반은 각속도의 움직임에 따라 동작다리가 시작된 후 빠르게 돌아가야 하며 몸통이 전체 돌아갈 때 다시 한번 빠르게 움직여야 한다. 이 연구를 통해 정확한 동작을 습득하고 효율성 증대, 과학적 실험을 통한 교육적 이론 확립 및 적용, 좀 더 나아가 다양한 동작을 가지고 평가기준을 만드는데 많은 연구가 필요할 것이다. ABSTRACT Comparison of Body Segment Center of Mass and Angular Velocity in Ballet during the Grand Jeté en Tournant Motion Kim, Kwang-Jin Department of Dance The Graduate School of Sejong University This research intends to compare and analyze the change in motion and speed based on each joints of the body using the middle and high school students and college students majoring in ballet. The purpose of this study was to understand the researchable flow of biomechanical research regarding dance performance and by providing it, this research hopes to suggest the direction for future research, understand the motion based on biomechanical analysis, increase the effectiveness and efficiency and safety. It was assumed that the college student would show better performance when it comes to jumping with angular velocity, center of mass and angular momentum within grand jeté en tournant motion compared to middle and high school students following conclusion was made. Firstly, For the center of mass data, there is no significant difference in the change in the highest position of body when jumped. But there was in the lowest position of the body. Secondly, for these two groups, there is significant differences in the change amount of the right leg position and the difference between the highest and lowest position, yet no noticeable change in the left leg position. Thirdly, there is no significant change in angular velocity of the head movement in event 1, 3, and 4 position, except event 2 position. Fourthly, there was significant change in angular velocity of pelvis in event 2 and 4 position, but not in even 1 and 3. Fifthly, when the distance from the participants center between right and left hand to the head was calculated, there was quite a big change in the average but not so much when it was compared with the statics. Sixthly, regarding the comparison of the angular momentum of each segment of body and angular velocity of it, there was a noticeable difference in the maximum and minimum values of the angular momentum of right thigh and calf. Although the maximum value of the right foot’s angular velocity was noticeable, minimum value of it was not. When it comes to left leg, there was a big change in the maximum and minimum value of momentum of thigh and minimum value of shank and foot. There was no big change in the maximum value of shank and foot. Even though there were slight changes in left leg’s angular velocity when compared to the average, there was no significant difference when compared with body shape(size). According to the results, it was concluded that when performing grand jeté en tournant, a participant must form a stable curve and his or her supporting leg should do deeper plié, moving leg should move higher and faster, he head should do spotting towards its original position accurately with eyes open when the motion is started. Also, the position of arms should be in front of the head, and he or she should move to the pelvis fast only once when the motion is started and do the same one more time when the whole body is rotated. Through this research, it is desired that performers learn more accurate movements. By doing so, they can safety, increase the effectiveness and efficiency, and stabilize the educational theory based on scientific data. Furthermore, there should be more research on creating the valuation basis using various movements.

태권도 돌개차기 동작의 운동학적 및 운동역학적 분석

염창홍 동아대학교 대학원 2012 국내박사

태권도 돌개차기 동작의 운동학적 및 운동역학적 분석 Kinematic and kinetic analysis of Dolgaechagi in Taekwondo 체육학과 박 동 수 지도교수 염 창 홍 본 연구의 대상자는 현재 대한태권도협회 선수로 등록된 대학 남자 경량급 선수들을 대상으로 2010~2011년 전국대회 입상 경험이 있는 경력 8년 이상의 우수선수 그룹 8명과 입상 경험이 없는 3년 미만의 비우수선수 그룹 8명으로 선정하여 돌개차기 동작의 두 그룹 간 차이를 규명하고자 하였으며 돌개차기 동작을 보다 효과적인 기술수행의 모델링화 하는데 그 목적이 있다. 3차원 영상분석을 통한 운동학적변인과 지면반력 분석을 통한 운동역학적 변인들을 정량적으로 분석하여 돌개차기 변인 요소를 비교 분석한 결과 다음과 같다. 1. 운동학적 분석 가) 우수 그룹과 비우수 그룹 간의 돌개차기 동작의 총 경과시간은(p<.01)으로 유의한 차이가 나타났고 P1 (p<.01), P2 (p<.05), P3 (p<.01)에서 유의한 차이를 나타냈으며 우수 그룹이 빠른 경과시간을 나타내었다. 나) 신체중심 좌․우 속도는 E2 (p<.01)에서 우수 그룹이 비우수 그룹보다 회전속도를 증가시켰으며. 전․후 속도는 E2 (p<.01), E3 (p<.05), E4 (p<.05), E5 (p<.01)에서 우수 그룹이 비우수 그룹보다 운동진행방향으로 전진 속도를 빠르게 하는 것으로 나타났다. 다) 오른쪽 하지의 대퇴 분절 속도는 E3 (p<.05), E4 (p<.01)에서, 하퇴 분절 속도는 E3 (p<.05), E4 (p<.001), E5 (p<.05)에서, 발 분절 속도는 E4 (p<.01)에서 우수 그룹이 유의하게 빠른 분절 속도가 나타났다. 라) 오른쪽 하지의 대퇴 분절 각운동량은 E2 (p<.05), E4 (p<.05)에서 하퇴 분절 각운동량은 E4 (p<.05), E5 (p<.01)에서 우수 그룹이 비우수 그룹보다 유의하게 큰 각운동량이 나타났다. 마) 오른쪽 하지의 고관절 각도는 E4 (p<.01)에서 슬관절 각도는 E4 (p<.01)에서는 우수 그룹이 큰 것으로 나타났다. 족관절 각도는 E1 (p<.05)에서는 우수 그룹이 작은 것으로 나타났지만, E4 (p<.05)에서는 우수 그룹이 비우수 그룹보다 유의하게 각도를 크게 한 것으로 나타났다. 바) 오른쪽 하지의 고관절 각속도는 E2 (p<.001), E5 (p<.01) 에서 우수 그룹이 빠른 것으로 나타났으나, E4 (p<.001)에서 우수 그룹이 비우수 그룹보다 느린 것으로 나타났다. 슬관절 각속도는 E3 (p<.001)에서 우수 그룹이 비우수 그룹보다 느린 것으로 나타났으나, E4 (p<.001), E5 (p<.001)에서 우수 그룹이 빠른 것으로 나타났다. 족관절 각속도는 E4 (p<.05)에서 우수 그룹이 빠른 것으로 나타났지만, E5 (p<.05)에서 우수 그룹이 비우수 그룹보다 느린 것으로 나타났다. 2. 운동역학적 분석 가) 왼쪽 하지의 좌․우 지면반력은 E2 (p<.01)에서 우수 그룹이 크게 나타났으며 좌․우 지면반력은 E3 (p<.01)에서 우수 그룹은 좌측 비우수 그룹은 우측 힘의 차이가 나타났다. 전․후 지면반력은 E3 (p<.01)에서 수직 지면반력은 E3 (p<.05)에서 우수 그룹이 지면반력 값이 크게 나타났다. 나) 왼쪽 하지의 토크는 우수 그룹과 비우수 그룹 간 차이가 나타나지 않았으나, 오른쪽 하지의 토크는 E3 (p<.05)에서 우수 그룹이 비우수 그룹보다 유의하게 토크 값이 작은 것으로 나타났다. 주요어 : 경과시간, 신체중심속도, 하지분절 각운동량, 하지관절 각속도, 지면반력, 토크

Robust Event-based Angular Velocity Estimation in Dynamic Environments

이상일 서울대학교 대학원 2022 국내박사

본 논문은 움직이는 물체가 존재하는 동적 환경에서 카메라 자신의 각속도를 강인하게 추정하는 문제를 다룬다. 이를 위해 기존 카메라의 한계점을 보완하는 새로운 패러다임을 제시한 이벤트 카메라를 활용한다. 기존 컴퓨터 영상 처리에서 자주 활용되는 RGB-D 및 단안 카메라는 이미지 및 깊이맵을 프레임의 형태로 출력한다. 이러한 종류의 센서들은 적절한 광량 조건에서 빛을 모으기 위해 일정량의 노출 시간이 필요한데, 이 시간 동안에는 데이터가 출력되지 않아 지연 시간이 발생하며, 출력된 프레임에서는 모션 블러가 발생할 수 있다. 또한 정지된 화면의 밝기값을 계속 출력하는 등 불필요한 데이터가 많아서, 비트 깊이를 늘리거나 지연 시간을 줄이기 위해 초당 프레임수를 늘릴 경우, 이에 비례하여 처리해야할 데이터의 양이 증가한다. 또한, 고조도 및 저조도에서의 노출 과다, 노출 부족 현상도 기존 카메라의 활용 영역을 제한할 수 있다. 이와 달리, 이벤트 카메라는 각 픽셀이 독립적으로 빛의 로그 밝기값의 변화를 감지하며, 일정 비율만큼 밝아지거나 어두워지는 경우 해당 픽셀에서 이벤트를 발생시킨다. 이러한 특징 덕분에, 이벤트 카메라는 낮은 지연속도와 높은 시간 해상도로 데이터를 출력한다. 또한 60dB 정도의 다이내믹 레인지를 갖는 카메라보다 2배 가량 높은 130dB의 높은 다이내믹 레인지를 가져 활용 범위가 더욱 넓다. 따라서 본 논문에서는 동적 환경에서의 활용 가치가 높은 이벤트 카메라를 사용하여, 움직이는 물체가 존재하는 동적 환경에서 물체를 검출하고 카메라 자신의 움직임을 강인하게 추정하고자 한다. 본 논문의 첫번째 항목은 다양한 장면에 강인하면서 낮은 지연 속도로 광학 흐름을 추정하는 연구를 다룬다. 기존 카메라와 다른 이벤트 카메라의 동작 원리로 인해, 다수의 알고리즘은 기존 카메라의 프레임과 같은 가상의 이벤트 프레임을 생성하고, 이를 이용해 기존 알고리즘의 프레임워크를 답습한다. 그러나 가상의 이벤트 프레임을 생성하기 위한 파라미터의 값은 장면의 특성에 따라 크게 좌우되며, 이러한 방식은 이벤트 카메라의 특성 중 하나인 낮은 지연 속도를 증가시킨다. 따라서 본 항목은 광학 흐름을 비동기식으로 추정하여 낮은 지연 속도와 높은 정확도를 달성하는 것을 목표로 하며, 이를 위해 기존 블럭 매칭 알고리즘의 성능을 향상시킨다. 제안한 알고리즘은 국소적으로 블럭 매칭을 수행함으로써 불균일한 텍스쳐 때문에 이벤트가 고르지 못하게 출력되는 상황에서도 정확한 광학 흐름을 추정할 수 있다. 광학 흐름 추정 알고리즘의 정확도와 지연 속도를 측정하기 위해, 대중적으로 많이 사용되는 데이터셋을 이용하였다. 정성적, 정량적 평가를 통해 제안한 알고리즘은 광학 흐름 추정의 정확도 측면에서 타 이벤트 프레임 기반 알고리즘과 비슷한 수준을 유지하면서, 지연 속도 측면에서는 높은 향상을 보여주었다. 또한 제안한 비동기식 광학 흐름을 이용한 각속도 추정 결과는 타 알고리즘 대비 높은 정확도를 보여주며, 특히 다양한 장면 환경에서 15ms 이하의 일관된 지연 속도로 강인하게 각속도를 추정한 것을 확인하였다. 두번째 항목은 모션 분할 기법을 이용하여 움직이는 물체가 존재하는 동적 환경에서 카메라 자신의 각속도를 강인하게 추정하는 연구를 수행하였다. 밝기 변화가 검출되는 픽셀에 대해서만 데이터를 출력하는 이벤트 카메라의 특성상, 작지만 빠른 물체가 출력 데이터의 대부분을 점유할 수 있다. 배경이 아닌 외부 요인에 의해 나타나는 이벤트는 카메라의 움직임 추정 성능을 저하시킬 수 있으므로, 첫번째 항목에서 제안한 비동기식 광학 흐름을 이용하여 모션 분할을 수행하고 정적 배경의 움직임을 추정하고자 한다. 이를 위해, 이중 모드 움직임 모델을 설계하고, 정적 배경과 이동 물체의 위치를 그리드 레벨에서 추정한다. 이중 모드 움직임 모델은 이동 물체의 갯수를 필요로 하지 않으며, 이동 물체가 화면 밖으로 사라지거나 다시 나타나는 상황에도 대응할 수 있다. 제안한 알고리즘은 분할된 정적 배경 영역에 속하는 비동기식 광학 흐름을 이용하여 높은 시간 해상도로 카메라의 각속도를 추정할 수 있으며, 성능 검증을 통해 다양한 실내 및 실외, 낮과 밤의 동적 환경에서 타 알고리즘 대비 강인하고 정확하게 카메라 자신의 움직임을 추정할 수 있음을 확인하였다. This dissertation addresses the problem of estimating the angular velocity of the event camera with robustness to a dynamic environment where moving objects exist. These vision-based navigation problems have been mainly dealt with in frame-based cameras. The traditional frame-based cameras such as monocular or RGB-D image sensors capture the whole frame of absolute intensity and/or depth, thus making them easy to recognize temporary environments. However, even under the common illumination conditions, these sensors require a certain amount of time to collect light during which data is not output, thus latency occurs. Also, a video with a high dynamic range, e.g., a 14-bit raw image, is not usually used for computer vision due to its extremely high data bandwidth, and the general 8-bit image sequences easily lose their intensity data under overexposure or underexposure environments. Contrary to the conventional cameras that produce frames, events cameras operate asynchronously by imitating the human eye. Event cameras respond to the intensity changes in the temporal domain and generate an event that is triggered at the pixel whose intensity has changed. Due to the nature of the event cameras, they output data stream with low latency and high time resolution in us units. Besides, the event cameras only perceive relative intensity, they can have a higher dynamic range of more than 120 dB, whereas the standard cameras have 60 dB approximately. I take these advantages of the event cameras to detect moving objects and estimate the ego-motion of the camera in dynamic environments. The first part of the dissertation focuses on asynchronously estimating optical flow streams with low latency and robustness to various scenes. Due to the fundamental difference between traditional and event cameras, most existing algorithms construct event frames by stacking the timestamp value of many events and exploit the legacy of traditional computer vision algorithms. However, this approach increases latency in proportion to the size of a time window, and the size has to be set heuristically. I estimate an optical flow stream with very low latency by enhancing the existing block matching algorithm. The locally estimated optical flow is more accurate than that of the method using a global event frame, in front of irregularly textured scenes. To validate the latency of optical flow, I present the result of angular velocity estimation by using the proposed optical flow stream. Then, the latency is computed by the optimization approach comparing the estimated and ground-truth angular velocity. The evaluation results suggest that the proposed optical flow has very low latency while showing comparable accuracy to event-frame-based algorithms. Besides, the performance of angular velocity estimation is superior to the other existing algorithms in terms of accuracy and robustness with low latency under 15 ms consistently. The second part of the dissertation proposes an angular velocity estimation with motion segmentation. Unlike traditional cameras, since event cameras detect intensity changes, their event data can be dominated by a small but fast-moving object. To eliminate the influence from the movement of an undesirable object, I utilize the optical flow stream of the first work and intra-pixel-area method and separate an image frame into the static and dynamic regions. Moreover, since event cameras do not produce events at stationary, a classification model should be addressed in the temporal domain and be able to segment motion temporally. Thus, I employ the dual-mode motion model to update models that determine the region occupied by moving objects. Then, the angular velocity of ego-motion is estimated from a bunch of optical flows belonging to the static region. The evaluation results suggest that the proposed algorithm divides the image frame into static and dynamic parts successfully and estimates the angular velocity robustly in dynamic environments.

디젤엔진 크랭크 각속도 변동의 기계학습을 통한 실린더 상태 예측에 관한 연구

김영민 한국해양대학교 대학원 2023 국내석사

The purpose of measuring the combustion chamber pressure of an internal combustion engine is to check the power and combustion conditions and to diagnose the performance and state of the engine. As a method of checking the state of the closed combustion chamber, a way of measuring the the pressure of a working gas in a cylinder is mainly used. the combustion chamber pressure is transmitted to the crankshaft through the vertical movement of the piston and converted into rotational kinetic energy. Therefore, since fluctuations in the angular velocity of the crankshaft are due to the explosive force in the combustion chamber, the pressure in the combustion chamber can be predicted from angular velocity. In this study, the combustion chamber pressure of each cylinder was predicted by machine learning based on the crankshaft angular velocity, angular acceleration, and scavenging pressure data measured from the main engine of the Korea Maritime & Ocean University training ship. A deep neural network, one of the machine learning methods, was used, and a deep neural network model was constructed through data pre-processing and hyperparameter explorations to construct an optimal prediction model. As a result, it was confirmed that the combustion state in the cylinder of the main engine can be simulated through machine learning using the crankshaft angular velocity. Considering the price and maintenance cost of the electronic pressure sensor for measuring the pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine, it is expected that the technology to predict the pressure in the combustion chamber through the angular velocity of the crankshaft measured from the encoder can be a major technology for diagnosing the performance of smart ships and autonomous ships. 내연기관의 연소실 압력을 측정하는 목적은 출력 및 연소상태를 확인하고, 이를 통해 엔진의 성능과 상태를 진단하기 위함이다. 밀폐된 연소실의 상태를 확인하는 방법으로 실린더 내 작동기체의 압력을 측정하는 방법이 주로 사용된다. 연소실 압력은 피스톤의 상하운동을 통해 크랭크샤프트로 전달되어 회전 운동에너지로 전환된다. 따라서 크랭크샤프트의 각속도 변동은 연소실 내 폭발력에 기인하기 때문에 연소실 압력은 각속도로부터 예측될 수 있다. 본 연구는 한국해양대학교 실습선의 주기관으로부터 측정한 크랭크샤프트 각속도 및 각 가속도, 소기 압력 데이터를 기반으로 기계학습하여 각 실린더의 연소실 압력을 예측하였다. 기계학습 방법 중 하나인 심층 신경망을 활용하였으며, 최적의 예측 모델 구성을 위해 데이터 전처리 및 하이퍼 파라미터 탐색 과정을 거쳐 심층 신경망 모델을 구성하였다. 결과적으로 크랭크샤프트 각속도를 활용한 기계학습을 통해 주기관의 실린더 내 연소상태를 모사할 수 있음을 확인하였다. 내연기관의 연소실 압력 측정을 위한 전자 압력 센서의 가격과 유지보수 비용을 감안한다면, 엔코더로부터 측정한 크랭크샤프트의 각속도를 통한 연소실 압력 예측기술은 스마트 선박 및 자율운항 선박의 성능 진단을 위한 주요기술이 될 수 있을 것으로 기대한다.

진공실장된 MEMS 진동형 각속도계의 공진주파수와 Q factor 튜닝에 관한 연구

정치환 서울대학교 대학원 2004 국내석사

본 논문에서는 MEMS 기술을 이용하여 제작된 진동형 각속도계에 대해 과도한 검출부 Q factor에 의해 발생할 수 있는 문제점을 지적하고 이를 해결할 수 있는 방안으로 구동, 검출 모드간의 공진 주파수 차이와 Q factor를 변수로 이들을 적절히 조정하여 각속도계의 성능을 향상 시킬 수 있는 방안을 제안 하였다. 제안된 방법에 의해 Q factor를 조절하면 각속도계의 감도와 대역폭에는 영향이 적으면서 초과와 정착 시간 등의 과도응답 특성이 크게 향상됨을 수식과 모의실험을 통하여 분석하였다. 실험은 전기적 신호처리 및 제어가 용이한 정전용량 검출형 각속도계에 대해 수행 하였으며 전기적 강성 변화와 정전력 피드백을 통하여 공진 주파수와 Q factor를 조절하여 검출부의 등가적 Q factor를 60이하까지 정밀하게 조절하였고 각속도를 인가하여 각속도계 동작 실험을 함으로써 각속도에 대한 검출부 변위가 10% 감소하면서 최대초과를 반으로 줄이고 정착시간을 3배 빠르게 하여 제안된 방법의 유효성을 입증 하였다. This paper describes an approach for improving performances of MEMS vibratory gyroscopes. The approach suggests the simple method to improve performances such as overshoot, settling time, shock immunity, by tuning frequency and quality factor. Resonant frequency difference between driving and sensing modes and quality factor are key factors to conclude dynamics of gyroscopes. Frequency difference can be easily controlled by electrical stiffness but it is difficult to control quality factor because it is determined by vacuum level and the shape of structure. Electrostatic feedback technique allows to control the quality factor of micro-gyroscopes. Experimental results show about 50% reduction of overshoot and about 3 times shortening of settling time even though sensing axis displacement for angular rate decreases about 10% when the equivalent Q of the sensing system is tuned from 264 to 100.