Motion stabilization concept have been a critical interest within various mechanical systems such as Camera gimbal, line of sight stabilization, or optical stabilization system. The basic concept of motion stabilization exploits successful mechanical functionality within the presence of disturbances such as mechanical friction, gravity, heat, or fluidic wave. Among other engineering applications, such concepts, especially, have been important topic in designing military weapon such as a turret on the moving platform due to the precise targeting issue. Turrets placed on the moving platforms such as wheeled vehicles or battleship on the Ocean, require extraordinary accuracy since they are mostly designed to pinpoint a target in a lengthy distance. Thus, maintaining a Line of Sight (LOS) corresponding to the command reference is crucial as even the slightest offset in LOS would result in great failure in aiming long-distance target. In order to possess successful aiming performance, disturbances must be eliminated as much as possible. This paper suggests double loop control algorithm for two Degrees of Freedom (DOF) turret placed on the moving platform, in order to achieve ultimate aiming precision by cancelling disturbances. The double loop control algorithm contains conventional position controller designed based on mathematical system modelling. A type of disturbance observer known as Time Delay Estimation (TDE) placed in the inner loop. The outer controller mainly designed to achieve high position tracking performance while TDE designed to cancel both external and inner disturbances on the system. TDE, however, does have drawback that it is vulnerable to sensor noise. This is because not only does TDE contains second derivative of the position but also the input of the TDE is a time step before. In order to solve such issue, this paper also suggests the sensor fusion algorithm, exploiting only the advantages of two given sensors. The fusion algorithm is known as the modified-track-to-track algorithm and it is based on the Kalman Filter. The suggested control structure is first verified on the simulation using MATLAB/Simulink, and second is tested on the real system.
최근 군 무기의 현대화로 인하여 진보된 다양한 무기가 개발되어 왔다. 그 중 대표적으로 장거리 목표물을 높은 기동성과 정확도로 겨냥하고 Target 할 수 있는 포탑이 있다. 이런 포탑은 기동성이 있는 기저(Base)위에 위치하게 되는데, 기저가 흔들림에도 조준경 (Line of Sight)를 일정하게 유지 시켜주는 것이 중요하다. 이를 행하기 위해선 기저의 흔들림에 상응하는 제어 입력을 주어 움직임을 안정화시키는 Motion Stabilization기법이 필수적이다. 모션 안정화 성능은 기저가 흔들릴 때 전해지는 베어링 사이에 마찰의 순간적인 방향전환에서 저하된다. 즉 본 연구는 0속도 구간에서 빠르게 변하는 마찰을 추정 및 상쇄하기 위한 제어기를 설계 및 최적화 하였다. 제안한 제어기는 2 자유도를 지니는 시스템 각축에 적용 되었다. 제어기 구조는 상위 루프에 모델링 기반의 위치제어기와 하위 루프에 외란 즉 마찰을 관측하고 상쇄하기 위한 Time Delay Estimation (TDE)이 설계 되었다. TDE는 1 Time Step전 값과 속도의 미분 치가 입력되기 때문에, 추정 Bandwidth는 높으나 센서 노이즈에 민감하다. 그렇기 때문에 본 연구는 TDE의 성능 극대화를 위하여 주어진 두 개의 서로 다른 강점을 가지고 있는 센서 (INS와 Gyro)를 융합하고 필터링 하는 알고리즘을 적용하였다. 이 융합 알고리즘은 Kalman Filter 기반의 Modified Track to Track(MTF) 알고리즘으로 구현 되었다. 설계된 제어기와 필터는 모의 실험 환경인 MATLAB Simulink에서 검증 후 실제 시스템에 적용되어 그 성능을 검증 하였다.
