In stabilization systems disturbed by base motion, attitude estimation process is very important, because stabilization performance depends on disturbance rejection capability based on attitude estimation. For the accurate stabilization, at least 3 states representing system’s rotational motion are required to be measured or estimated, and transforming these states to global coordinates should be accompanied, in general. However in most practical cases of stabilization system mounted on a mobile vehicle, only 2-axes gyro sensor is used to sense the pitch and yaw angular rates of the system excited by vehicle motion.
In this study, we analytically derived stabilization errors to be generated in system with 2-axes gyro sensor based on some reasonable assumptions, and verified them through simulation with various vehicle motions in typical traveling conditions. Simulation results and analytic error formulas show that stabilization performances are almost same regardless of coordinates-transformation process, and biased roll angle is the major source of the accumulation of errors when 2-axes gyro sensor is used for stabilization system. In addition, we implemented a MATLAB based human-in-the-loop stabilization simulator to confirm the stabilization behavior by manipulation of human on a mobile vehicle.
베이스의 움직임에 의해 외란을 받는 안정화 시스템의 경우, 안정화 성능이 자세추정 성능에 기반한 제어기의 외란 제거 능력에 좌우되기 때문에 자세추정 과정은 매우 중요하다. 정확한 안정화를 위해서는 최소한 시스템의 회전운동을 표현할 수 있는 세 가지 운동상태가 측정 또는 추정되어야 하며, 이러한 운동상태가 전역좌표계 기준으로 좌표변환 되어야 하는 것이 일반적이다. 그러나 실제로 지상차량에 탑재된 안정화 시스템의 경우, 2축 자이로센서가 단독으로 사용되어 차량 운동에 의해 움직이는 시스템의 피치 및 요 각속도 만을 측정하고 있다. 이러한 현실에 착안하여 본 연구에서는 자세추정 센서로서 2축 자이로센서가 사용되는 안정화 시스템에서 나타나는 안정화 오차를 합리적 가정에 근거하여 해석적으로 유도하고, 실제 차량 운용 시 예상되는 다양한 주행환경을 모사하는 모의실험을 통해 해석적 오차 모델을 검증하였다. 모의실험 결과 및 해석적 오차 모델은 2축 자이로센서 사용 시 좌표변환 과정의 유무와 관계없이 안정화 오차는 동일하게 나타나며, 차량 주행 중 롤 운동의 평균값이 0이 아닌 바이어스된 값을 가질 경우 이 값이 안정화 오차의 시간에 따른 누적을 야기하는 것을 보여준다. 추가적으로, 조이스틱을 이용해 사람이 시스템을 조종하는 MATLAB 기반의 human-in-the-loop 안정화 시뮬레이터를 구현하여 본 연구에서 제안된 안정화 알고리즘이 통제성능 뿐만아니라 추적성능 또한 보장함을 보였다.
