A two axis gimbal sensor system captive in a dynamic platform such as an autonomous aerial vehicle or a high precision homing missile must stabilize a line-of-sight toward a target against the external motion induced by aerodynamic forces and maneuvering of a dynamic platform. It is well known that target pointing and tracking performance of a dynamic platform is largely affected by ability to decouple a sensor system from the body motion of a dynamic platform.
This thesis addresses on the analysis of dynamic characteristics and performance evaluation for the stabilization loop of a two-axis gimbal sensor system with multivariable inputs such as reference, disturbance and noise. First of all, space stabilization concept and mathematical modeling for a two-axis gimbal sensor system is formulated. Dynamic model for the stabilization loop of a two-axis gimbal sensor system is derived and system parameters have been verified by practical experiments. The validity of the derived dynamic model is illustrated by the comparison of the experimental and simulation results.
To satisfy desired design and performance specifications, such as gain margin, phase margin and body-motion decoupling performance etc., for a two-axis gimbal sensor system with multivariable feedbacks such as reference, disturbance and noise, three kinds of controller are designed. Firstly, the Lead-PI controller design using a loop-shaping method based on the empirical frequency response for the stabilization loop of a two-axis gimbal sensor system is realized. Secondly, the LQG/LTR controller design using modified uniform singular value to overcome the simultaneous gain matching problem at low and high frequencies is implemented. Thirdly, the robust $H_\infin$ controller design approach combining model matching and mixed sensitivity problem to improve simultaneously command following, disturbance rejection and noise suppression performance in the presence of external disturbances and model uncertainties is proposed, which is designed within the framework of the standard $H_\infin$ optimization problem by combining a conventional mixed sensitivity and model matching problem with robust stability. Finally, anti-windup scheme to overcome the saturation problem of system elements such as motor, power alifier, etc. is implemented.
The experimental and simulation results show that the designed three controllers satisfy all desired requirements for the stabilization loop of a two-axis gimbal sensor system related to gain crossover frequency, gain and phase margin, and body-motion decoupling performance. As a result of various performance evaluation by means of loop transfer function, sensitivity function and complementary sensitivity function, it is shown that the proposed LQG/LTR and $H_\infin$ controller can be preferable to the proposed Lead-PI controller in terms of relative stability and performance robustness such as command following, disturbance rejection and noise suppression as well as fast time response characteristics. However, it is clear that the proposed dynamic modeling and three controller design procedures for the stabilization loop of a two-axis gimbal sensor system with multivariable inputs such as reference, disturbance and noise can be very effective and time saving in many similar practical applications working in real environment in terms of robust stability and performance robustness.
본 논문은 자율비행체나 고정밀 호밍 유도미사일과 같은 동적 플랫폼에 장착되어 표적을 지향하고 추적하는 2축 김발 센서시스템의 동특성 분석, 안정화루프 제어기 설계 및 성능평가 결과를 제시한다. 본 논문이 자율비행체 또는 고정밀 호밍 유도미사일과 같은 동적 플랫폼의 공간안정화 센서 시스템에 주안점을 두지만, 본 논문에서 제안하는 동역학 모델 및 제어기 설계기법은 자율비행체나 고정밀 호밍 유도미사일 관련 센서의 응용에만 국한되지 않으며, 정찰 및 데이터 획득 시스템 등과 같은 공간안정화된 센서를 필요로 하는 다른 응용 시스템에도 똑같이 적용될 수 있다. 다시 말해서, 본질적으로 본 논문에서 제시된 방법은 고정밀 호밍 유도미사일용 공간안정화 센서 시스템과 관련이 되지만, 다른 종류의 미사일 유도, 정찰 혹은 다른 형태의 추적 시스템과 같이 공간안정화를 필요로 하는 시스템에 적용 가능하다.
자율비행체나 고정밀 호밍 유도미사일 등에 장착되어 특정한 표적을 지향 및 추적하는 2축 김발 센서시스템은 동체의 공력이나 순항에 의해 야기되는 외부운동으로부터 센서를 안정화하기 위하여 내부 안정화루프 및 외부 지향/추적루프를 갖는 서보 구조를 필요로 한다. 또한, 표적 지향/추적 시 표적정보에 대한 절대오차를 줄이기 위해서는 센서의 정보가 관성좌표계에서 표현되어야 한다.
시스템이 관성좌표계가 되기 위해서는 공간에서 고정된 자세를 유지하거나 공간안정화 되어야 하는데, 이때 공간안정화는 고정되거나 관성공간에서 안정화된 요소에 장착된 각속도 센서에 의해 이루어진다. 미사일 동체운동 혹은 플랫폼 운동의 동체 각속도는 동체 각속도에 비례하는 출력전압을 발생시키는 각속도 센서에 의해 감지되며, 이때 관성공간에 대해 상대각속도가 영(零)이 되도록 하기 위해 서보 루프를 사용한다. 공간안정화는 서보루프의 이득에 의해 얻어질 수 있으며, 안정도를 위해 요구되는 이득/위상여유를 유지하기 위해 보상기가 서보루프에 포함된다.
본 논문에서 2축 김발 센서시스템에 대한 공간안정화 개념 및 수학적 모델과 더불어 공간안정화루프의 동역학 모델이 유도되며, 시스템 변수들이 실제 실험을 통해 측정되고 실험과 시뮬레이션 결과의 비교분석을 통해 구해진 모델 및 변수의 타당성이 입증된다. 요구되는 성능 및 설계 규격을 만족시키기 위해 3종류의 제어기 설계기법이 제시된다. 첫째로, 2축 김발 센서시스템의 안정화루프에 대한 주파수 응답을 기반으로 루프형성기법을 이용한 Lead-PI 제어기가 설계된다. 이러한 실전적적인 제어기 설계기법은 실제 시스템의 제어기 설계 시 간단하면서 효과적인 것으로 입증되었다. 외란 및 잡음 등과 같이 다변수 궤환이 존재할 때, 폐루프 안정도를 보장하면서 성능의 강인성을 만족시키기 위해 최적 제어기인 LQG/LTR 제어기가 설계된다. 제안된 LQG/LTR 제어기는 저주파 및 고주파 대역의 이득 매칭 문제를 동시에 만족시키기 위해 수정된 USV를 적용하였다. 또한, 외란과 잡음 및 모델의 부정확성이 동시에 존재할 때, 성능의 강인성과 명령추종 및 외란배제 성능을 동시에 개선하기 위해 모델 매칭과 혼합 감도 문제를 결합한 $H_\infin$ 강인 제어기가 설계된다. $H_\infin$ 강인 제어기는 통상적인 혼합 감도와 강인한 안정도를 갖는 모델 매칭 문제를 결합함으로써, 표준 $H_\infin$ 최적화 문제 프레임워크내에서 설계된다.
실험과 시뮬레이션 결과들은 설계된 세 종류의 제어기가 이득교차주파수, 이득 및 위상여유 및 동체운동 격리성능과 같은 모든 시스템 설계규격을 만족시키고 있음을 보여준다. 또한 개루프 전달함수(Loop Transfer Function), 감도함수(Sensitivity function) 및 보조감도함수(Complementary sensitivity function) 등을 이용한 성능의 강인성 비교 결과 성능 규격을 만족시키고 있음을 알 수 있다. 상기된 성능 비교 및 분석을 통한 성능평가 결과, 제안된 LQG/LTR 및 $H_\infin$ 강인 제어기가 시스템 안정도 및 명령추종, 외란 배제 및 잡음감소와 같은 성능의 강인성 뿐만아니라 빠른 시응답 등에서 제안된 Lead-PI 제어기 보다 우수함을 알 수 있다.
그러나, 본 논문에서 제시된 2축 김발 센서시스템의 안정화루프에 대한 동역학 모델 및 세 종류의 제어기 설계 기법은 안정도 및 성능 강인성에 있어서 많은 유사한 실제 응용에서 매우 효과적이고 시간 절감이 가능할 수 있을 것으로 기대된다.
