KR100450994B1 - 퍼지로직을 이용한 진동형 자이로스코프의 온도 바이어스드리프트 보정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도변화에 따라 유발되는 비선형적인 바이어스 드리프트를 보정할 수 있도록 한 퍼지로직을 이용한 진동형 자이로스코프의 온도 바이어스 드리프트 보정방법에 관한 것이다.

본 발명은 온도 챔버에 의해 발생된 일정시간동안의 온도변화 정도를 측정된 챔버에 의한 온도변화 파형으로부터 온도변화검출값을 검출하여 산술가능한 값으로 정량화하는 제1과정과; 상기 일정시간동안의 온도변화 정도에 의해 영향을 받아 동일시간동안 바이어스 드리프트된 보정전 진동형 자이로스코프의 출력파형으로부터 검출된 온도변화에 대한 바이어스 트리프트된 출력값으로 정량화하는 제2과정과; 상기 보정전 진동형 자이로스코프의 출력파형에 나타난 비정량화된 분산값들을 선형최소자승법을 통해 이들이 추종하는 이상적인 퍼지로직을 도출하는 제3과정과; 상기 제3과정에서 도출된 퍼지로직에 상기 제1과정에서 정량화된 값을 대입하여 계산된 값들을 상기 제2과정에서 정량화된 값들로부터 감산하여 보정된 출력값을 찾아내는 제4과정을 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면, 온도변화에 따른 진동형 자이로스코프의 바이어스 드리프트를 간단하면서도 용이하고 짧은 시간에 적정하게 보정할 수 있어 그 효용성이 배가되는 장점이 있다.

Description

퍼지로직을 이용한 진동형 자이로스코프의 온도 바이어스 드리프트 보정방법{COMPENASTION METHOD OF NONLINEAR THERMAL BIAS DRIFT OF VIBRATORY GYROSCOPE BY USING FUZZY LOGIC}

본 발명은 소형비행체, 무인항공기, 인공위성, 이동차량 등의 자체항법이나 자동비행, 카메라의 안정화 장치 및 이동형로봇, 재활의료기기, 터널건설공사, 고층건물의 방진 등에 널리 활용되고 있는 진동형 자이로스코프에 관한 것으로, 특히 온도변화에 따라 유발되는 비선형적인 바이어스 드리프트를 보정할 수 있도록 한 퍼지로직을 이용한 진동형 자이로스코프의 온도 바이어스 드리프트 보정방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자이로스코프(GYROSCOPE)란 항공기, 선박 및 자동차 등의 항법장치나 관성유도장치에 사용되는 각속도 측정센서의 일종으로서, 회전형(SPINNING WHEEL); 광학형(OPTICAL); 반도체형(MEMS); 진동형(공진형) 자이로스코프로 대별된다.

가장 널리 사용되는 고전적인 자이로스코프인 회전형 자이로스코프의 경우는 회전의(回轉儀)라고도 하며, 고속으로 회전하는 원판형의 금속판을 둥근 바퀴로 이중 혹은 삼중으로 지지(김벌:Gimbal)하여 어느 방향으로나 자유롭게 회전할 수 있도록 구성하여 각속도를 측정할 수 있도록 한 것이다. 이는 기계적인 구조에 바탕을 두고 있으므로 부피가 크고 고정밀도를 유지하여야 하므로 고가이며, 마모 및 손실에 의해 수명 주기가 짧고, 또한 충격과 진동에 의해 쉽게 손상되는 단점이 있다.

광학형 자이로스코프는 도 1의 도시와 같이, 고리형의 간섭계에서 동일한 양방향으로 진행하는 빛이 경험하는 위상이 간섭계 고리가 회전할 경우 서로 다르게 나타나며 이 위상차가 그때의 회전각속도에 비례하는 현상인 세그넥(Sagnac)효과를 이용한 각속도 측정장치이다. 이 원리를 이용한 자이로스코프로는 링-레이저(Ring Laser) 및 광섬유(Fibre-Optic) 자이로스코프가 있으며, 이러한 자이로스코프는 우수한 성능이 입증 되었지만 고가인 단점이 있다.

반도체형 자이로스코프는 반도체 기술을 이용하여 제작되는 것으로, 반도체 가공기술의 특성상 회전하는 물체를 만들기 어렵기 때문에 진동한는 형태의 센서를 제작하게 된다. 즉, 반도체 자이로스코프는 실리콘 가공물을 조립하여 제작하느 벌크형(Bulk Type)의 진동형 자이로와 반도체 공정기술인 Surface Micro Machning 기술을 이용한 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 자이로스코프로 구분된다.

이러한 반도체형 자이로스코프는 그성능에 한계가 있기 때문에 가전제품 및 전자제품에는 적절하나 무인항공기 및 선박용 네비게이션 시스템 등에는 사용할 수 없다는 한계성을 지닌다.

한편, 진동형 자이로스코프의 경우에는 고감도, 저가격, 소형화가 가능하여 상술한 회전형 혹은 광학형, 반도체형 자이로스코프가 가지고 있는 단점들을 해결하고 있는 바, 이는 예컨대 미국의 SYSTRON사에서 개발한 압전특성을 갖는 석영을 소리굽쇠 형태로 가공하고 코리올리힘에 의한 변형량을 검출함으로써 각속도를 측정할 수 있도록 한 연구 결과로부터 지속적인 발전을 거듭하여 실린터 형태의 구조체를 압전소자 또는 전자기력을 이용하여 공진시키면서 회전각속도에 비례하여 공진의 모드형태가 변하는 양이 코리올리스 힘에 비례하는 특성을 측정함으로써 각속도를 계측할 수 있도록 한 것이다.

그런데, 이러한 진동형 자이로스코프는 고감도, 저가격, 소형화의 가능성은 획득하였으나 제조공차, 재료의 비동차성 및 온도변화에 따른 피할 수 없는 실린더의 기계적특성의 변화로 인해 비선형적인 바이어스 드리프트(BIAS DRIFT) 현상이 유발되어 계측의 신뢰성이 현저히 저하되는 단점이 파생되었다.

도 2는 이와 같은 현상을 예시적으로 보여주는 그래프로서, 특히 온도변화에 따라 현저한 비선형적인 바이어스 드리프트 현상이 유발됨을 알 수 있다.

종래에는 이러한 현상을 보정하기 위하여 룩업 테이블(LOOKUP TABLE) 방식이나 폴리노미널 커브 피팅(POLYNOMINAL CURVE FITTING:다항식 곡선 적합) 방식을 사용하였는 바, 룩업 테이블 방식은 실험데이터에 의한 오차를 메모리에 저장하여 테이블화한 상태에서 진동형 자이로스코프의 실측값으로부터 운용온도에 의한 오차값, 즉 메모리에 저장되고 테이블화된 값을 빼어줌으로써 보정이 가능하게 하였으나 이와 같은 경우, 운용온도의 범위값이 엄청나게 방대한 양이므로 그 각각에 대응되는 실험데이터에 의한 오차값을 모두 메모리에 저장하기 위해서는 엄청나게 큰 대용량의 메모리가 요구되는 단점이 있어 그 실용적인 가치성이 부인되고 있는 실정이다.

폴리노미널 커브 피팅 방식은 데이터 분석기법인 하이퍼그래프(HYPER GRAPH)의 일종으로서, 실험데이터의 분포도에 맞추어 100여가지 이상의 수학적함수 및 연산자를 포함하는 강력한 엔진을 이용하여 오차가 최소화 되는 가장 근사한 고차다항식을 만든 후 진동형 자이로스코프의 실측값에 따른 파형을 상기 고차다항식의 그것과 대비시켜 그 차이만큼을 보상토록 하여 정밀도의 급상승을 도모한 것으로, 예컨대 도 3의 그래프에는 도 2의 자이로스코프 출력값을 동일조건에서 폴리노미널 커브 피팅 방식을 통해 보정한 예가 잘 나타나 있다.

그러나, 이러한 폴리노미널 커브 피팅 방식의 경우에도 실측전 기준이 되는 실험데이터의 분포에 합당한 고차다항식이 요구되며, 이 고차다항식을 찾기 위한 산출시간이 과다하게 소요되어 실효성이 저하되는 단점을 간과할 수 없는 상황이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 퍼지로직을 이용하여 대용량 메모리의 요구나 정밀도 향상을 위한 고차다항식 및 이를 계산하기 위한 부대시간의 지연없이 온도변화에 따른 진동형 자이로스코프의 비선형적인 바이어스 드리프트를 간단 용이하면서도 효율적으로 보정할 수 있도록 한 퍼지로직을 이용한 진동형 자이로스코프의 온도 바이어스 드리프트 보정방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 자이로스코프의 일예를 보인 개략적인 구성블럭도.

도 2는 종래 진동형 자이로스코프의 온도변화에 따른 출력값의 변형 그래프.

도 3은 종래 기술을 이용한 진동형 자이로스코프의 보정값을 보인 출력그래프.

도 4는 본 발명을 설명하기 위한 진동형 자이로스코프의 구성을 보인 측정 개념도.

도 5는 본 발명에 따른 제어방법을 설명하기 위한 구성블럭도.

도 6은 본 발명을 설명하기 위한 온도 바이어스 드리프트의 실험데이터 및 그 추출 퍼지로직을 보인 그래프.

도 7은 본 발명 방법에 따라 보정된 진동형 자이로스코프의 출력값을 보인 그래프.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 챔버 12 : 챔버에 의한 온도변화 파형

20 : (진동형)자이로스코프 22 : 보정전 진동형 자이로스코프의 출력파형

40 : 퍼지로직 50 : 보정된 출력파형

본 발명의 상기한 목적은 이러한 온도 바이어스 드리프트에 의한 진동형 자이로 스코프의 성능저해 요소를 퍼지로직을 이용하여 보정함으로서 진동형 자이로스코프의 성능을 향상시킬 수 있다.

즉, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 온도 챔버에 의해 발생된 일정시간동안의 온도변화 정도를 측정된 챔버에 의한 온도변화 파형으로부터 온도변화검출값을 검출하여 산술가능한 값으로 정량화하는 제1과정과; 상기 일정시간동안의 온도변화 정도에 의해 영향을 받아 동일시간동안 바이어스 드리프트된 보정전 진동형 자이로스코프의 출력파형으로부터 검출된 온도변화에 대한 바이어스 트리프트된 출력값으로 정량화하는 제2과정과; 상기 보정전 진동형 자이로스코프의 출력파형에 나타난 비정량화된 분산값들을 선형최소자승법을 통해 이들이 추종하는 이상적인 퍼지로직을 도출하는 제3과정과; 상기 제3과정에서 도출된 퍼지로직에 상기 제1과정에서 정량화된 값을 대입하여 계산된 값들을 상기 제2과정에서 정량화된 값들로부터 감산하여 보정된 출력값을 찾아내는 제4과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 퍼지로직을 이용한 진동형 자이로스코프의 온도 바이어스 드리프트 보정방법을 제공한다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명을 설명하기 위한 진동형 자이로스코프의 작동원리를 보인 모식도이다.

먼저, 도 4를 참고하여 진동형 자이로스코프의 기본적인 작동원리에 대하여 고찰하여 보면 다음과 같다.

실린더가 완전히 균일하며 대칭이라고 가정하고 고유진동수로 가진한다면, 가진력이 가해지는 중심축으로 첫번째 모드가 발생하게 되고 이축의 45°방향에서노드점이 발생하게 된다.

상기 노드점이란 외부에서 아무런 입력 즉, 각속도가 가해지지 않으면 노드점은 아무런 변화가 없다. 즉, 변위와 속도가 0이다.

이러한 가진모드에 입력값 각속도가 가해지면 노드점에 두 번째모드가 발생한다. 즉, 노드점에 물리적 변화가 생긴다.

이때, 첫번째 모드를 가진모드(DRIVE MODE)(D), 두번째 모드를 센싱모드(RESPONSE MODE(R)라 하며 이때 각 모드의 축은 가진축(q_d)과 센싱축(q_r)이 되며, 가진과 센싱은 전자기력을 이용하게 된다.

이때, 진폭이 일정하고 고유진동수로 가진하기 위하여 페이스-락 컨트롤 루프(PHASE-LOCKED CONTROL LOOP)를 이용하며, 가진력을 증가시키기 위하여 가진력이 서로 반대로 작용되는 기계적 구조를 적용한다(전자기력은 인력만 작용).

만약, 외부에서 자이로스코프에 각속도가 가해지지 않게 되면, 최고 변위는 가진력이 가해지는 축상에 발생하게 되고, 각속도가 가해지게 되면 가진모드(D)와 센싱모드(R)에 식 1과 같은 코리올리력이 발생하게 된다.

(식 1)

F = 2mΩ×v

여기에서, m은 물체의 질량, Ω는 입력 각속도, v는 회전좌표계에 대한 물체의 상대속도이고, ×는 벡터의 외적이다.

따라서, 코리올리력의 크기는 각속도에 비례하므로 각속도를 측정할 수 있게된다.

즉, 하기 식 2에서와 같은 이상적인 자이로의 운동 방정식으로부터 각속도를 계산해낼 수 있게 된다.

(식 2)

여기서, ω는 고유진동수이며,와는 두개의 모드 q_d와 q_r의 감쇠비이고, G는 코리올리력에 의해 두 모드에 영향을 주는 유효질량이며, Ω는 입력된 각속도이고, F는 가진력이다.

한편, 이러한 센싱모드(R)의 진동의 크기를 측정하여 각속도를 측정하는 방법외에 자이로스코프의 밴드폭(BANDWIDTH)과 선형성을 증가시키기 위하여 노드(node)점의 물리적 변화를 상쇄하기 위한 폐루프제어기를 사용할 수도 있다.

자이로스코프에 각속도가 가해져서 코리올리력이 발생하게 되면 노드점에 물리적 변화가 발생하게 되며, 이때 노드점에 발생한 물리적 변화를 상쇄하기 위한 컨트롤액션(CONTROL ACTION)인 전자기력의 힘의 크기를 측정함으로서 각속도를 측정할 수 있게 되는 것이다.

본 발명에서는 상술한 바와 같은 작동원리에 의해 동작됨으로써 각속도를 측정해내는 자이로스코프의 측정값을 선형최소자승법(LINEAR LEAST SQUARE ALGORITHM)을 이용하여 몇몇의 온도간격에 대한 선형오차모델을 추출한 뒤 복잡한비선형 시스템의 제어시 퍼지집합을 분할하여 각 영역에 따른 규칙 베이스를 구성하면 기존의 비선형 제어기에 비해 훌륭한 성능을 얻을 수 있다는 논리 구성인 퍼지로직(FUZZY LOGIC)을 통해 모든 작동온도에 대한 각각의 선형오차모델을 유기적으로 혼합함으로써 결과적으로 전 운용온도 구간에 대한 복잡한 비선형적인 바이어스 드리프트를 간략하면서도 정확한 퍼지로직을 통해 보정할 수 있게 된다.

예컨대, 선형최소자승법이란 실험데이터들이 분산되어 있을때 보는 관점에 따라 여러가지의 함수들을 그릴 수 있게 되며 이때 가장 좋은 방법은 통계적인 방법을 응용하여 데이터들에 가장 근사된 선을 찾아 내는 것인 바, 만약 n개의 실험값 (x1,y1), (x2,y2), ........(xn,yn)에 대하여 이 점들을 지나는 어떤 직선 y = ax + b 를 최소자승법에 의한 선형회귀에 따라 찾아낼 수 있게 되는데 이는 직선을 그어 n개의 편차 d1,d2, ......dn을 얻었을 때(d=실험데이터값과 직선값과의 차이) n개의 데이터점을 지나는 최적의 직선은 편차의 제곱의 합이 최소가 되는 직선이며 이와 같이 오차가 가장 적은 다항식으로 최적화시키는 것을 선형최소자승법이라 한다.

또한, 퍼지제어는 '애매한 정보를 가지고도 유연하고도 뛰어난 적응성을 보이고 있는 인간이 행하는 조작방법' 을 제어 규칙으로 모델화하고 퍼지 추론을 이용하여 계산기에서 이러한 제어를 실현하는 것이며, 조작방법이라는 것은 과거의 조작경험과 프로세스의 특성을 파악하고 있음에 따라서 축적된 지식으로서 이들의 지식은 언어의 형태로서 저장되고 프로세스의 상황 판단을 조건 명제 즉, 그 명제가 만족될 때의 조작을 결론으로 하는 IF-THEN 형식(만약~이라면~을~하라)으로 쉽게 표현된다.

이 제어규칙에 있어서 프로세스의 상황 판단 기준 및 조작의 내용이 애매한 내용으로서 처리되고, 소속(membership)함수로 정량화되는 것이 퍼지제어의 특징이다. 예를 들면, 온도가 높아지기 시작하면 연료를 줄여라고 하는 지식을 제어규칙으로 나타내면 다음과 같다.

IF TEMP = ML THEN FUEL = NS

TEMP는 온도, FUEL은 연료를 나타내는 변수이고, ML은 약간 상승, NS는 조금 감소를 의미하는 퍼지 변수이며, 그 내용은 소속함수로 정량화된다.

즉, IF 부분인 조건(condition)과 THEN 부분인 동작(action)으로 이루어지며, 각 규칙은 IF 부분인 조건이 참(true)일 때 수행되고, 이때 THEN의 동작이 실행된다.

프로세스의 제어방안을 나타내는 제어규칙이 준비되고, 입력량이 주어질 때 제어규칙에 근거한 퍼지추론이라 하는 수치 연산을 행하여 조작 출력이 결정된다.

이때, 전반부 명제에 가장 근사하게 일치되는 조작방법을 선택하는 것이 아니고, 각 제어규칙의 전반부 명제의 적합도(grade)를 중첩하여 종합 판단한 조작량을 구하기 때문에 숙련된 운전원이 상황에 따라 과거 경험에 근거하여 조작량을 결정하는 수법과 동일한 방법으로 되어 있다.

이와같이 퍼지제어는 애매한 정보를 적극적으로 활용하고 그것에 따라 수많은 정보를 집약하여 한 개의 조작량을 결정하는 다입력 소출력의 제어를 표현한 지식을 이용하므로 운전원에게 쉽게 친숙해지는 제어계 구축이 가능하다.

따라서, 이를 본 발명에 적용시키게 되면, 일 실시예로서 도 5의 도시와 같이, 챔버(10) 내부에서 발생된 온도변화 정도는 챔버에 의한 온도변화 파형(12)과 같이 나타나고, 이는 도시되지 않은 온도변화검출기와 같은 수단에 의해 그 온도변화검출(14)값을 실시간적으로 산술가능한 값으로 정량화시키게 된다.

한편, 상기 챔버(12) 내부의 온도변화는 진동형 자이로스코프(20)에 영향을 미처 비선형적인 바이어스 드리프트를 유발시킴으로써 도시의 그래프와 같은 보정전 진동형 자이로스코프의 출력파형(22)으로 나타나게 된다.

이러한 보정전 진동형 자이로스코프의 출력파형(22)은 챔버(10)의 온도변화로 인해 영향을 받아 실측값을 상당히 왜곡시키고 있는 상태인 바, 그래프에서와 같이 검출값들이 다양하게 분산되어 분포된 분산값으로 나타남을 알 수 있다.

따라서, 이들 분산값들이 추종하는 가장 이상적인 함수값, 예컨대 최대값과 최소값이 존재하게 되면 그 편차를 제로로 하는 값을 찾아내어 그 값들과 실제 챔버(10) 내부의 온도변화검출(14)값들이 상기 이상적인 함수와의 상관관계로부터 도출된 값들과의 차이를 계산함으로서 진동형 자이로스코프(20)가 챔버(10)의 온도변화의 영향을 받지 않았을 때의 계측값, 즉 보정값을 유추할 수 있게 되는 것이다.

이를 위해, 상기 분산값들로부터 그들이 추종하는 이상적인 함수값인 퍼지로직(40)을 선형최소자승법에 의해 찾아낼 수 있으며, 그에 관한 것은 이미 상술하였다.

정리하자면, 먼저 온도 챔버(10)에 의해 발생된 일정시간동안의 온도변화 정도를 측정된 챔버에 의한 온도변화 파형(12)으로부터 온도변화검출(14)값을 검출하여 산술가능한 값으로 정량화하는 제1과정을 수행하게 된다.

이어, 상기 일정시간동안의 온도변화 정도에 의해 영향을 받아 동일시간동안 바이어스 드리프트된 보정전 진동형 자이로스코프(20)의 출력파형(22)으로부터 검출된 온도변화에 대한 바이어스 트리프트된 출력값(y)으로 정량화하는 제2과정을 수행하게 된다.

그런 후에, 상기 보정전 진동형 자이로스코프(20)의 출력파형(22)에 나타난 비정량화된 분산값들을 선형최소자승법을 통해 이들이 추종하는 이상적인 퍼지로직(40)을 도출하는 제3과정을 수행하게 된다.

상술한 제1,2,3과정을 수행하게 되면 이어 상기 제3과정에서 도출된 퍼지로직(40)에 상기 제1과정에서 정량화된 값을 대입하여 계산된 값들을 상기 제2과정에서 정량화된 값들로부터 감산하여 보정된 출력값()을 찾아내는 제4과정을 수행함으로써 원하는 보정값을 산출할 수 있게 된다.

한번 더 부연하자면, 챔버(10)의 온도변화에 의해 유발된 자이로스코프(20)의 바이어스 드리프트는 도 6에서와 같이 분산형태로 나타난 실험데이터값들로부터 선형최소자승법을 이용하여 도 6의 실선과 같은 가장 이상적인 퍼지로직을 도출해내고, 이어 온도편차에 따른 각각의 선형오차모델을 퍼지로직과 유기적으로 혼합함으로써 결과적으로 전 운용온도 구간에 대한 복잡한 비선형적인 바이어스 드리프트를 간략하면서도 정확한 퍼지로직을 통해 보정할 수 있게 된다.

도시된 도 7의 그래프는 상술한 본 발명에 따라 도 6의 퍼지로직을 이용하여 진동형 자이로스코프(20)의 바이어스 드리프트를 보정한 후 출력한 보정된 출력값을 예시한 그래프이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 온도변화에 따른 진동형 자이로스코프의 바이어스 드리프트를 간단하면서도 용이하고 짧은 시간에 적정하게 보정할 수 있어 그 효용성이 배가되는 장점이 있다.

Claims (1)

1. 온도 챔버(10)에 의해 발생된 일정시간동안의 온도변화 정도를 측정된 챔버에 의한 온도변화 파형(12)으로부터 온도변화검출(14)값을 검출하여 산술가능한 값으로 정량화하는 제1과정과;

   상기 일정시간동안의 온도변화 정도에 의해 영향을 받아 동일시간동안 바이어스 드리프트된 보정전 진동형 자이로스코프(20)의 출력파형(22)으로부터 검출된 온도변화에 대한 바이어스 트리프트된 출력값(y)으로 정량화하는 제2과정과;

   상기 보정전 진동형 자이로스코프(20)의 출력파형(22)에 나타난 비정량화된 분산값들을 선형최소자승법을 통해 이들이 추종하는 이상적인 퍼지로직(40)을 도출하는 제3과정과;

   상기 제3과정에서 도출된 퍼지로직(40)에 상기 제1과정에서 정량화된 값을 대입하여 계산된 값들을 상기 제2과정에서 정량화된 값들로부터 감산하여 보정된 출력값()을 찾아내는 제4과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 퍼지로직을 이용한 진동형 자이로스코프의 온도 바이어스 드리프트 보정방법.