EOTS 플랫폼의 구성과 카메라 모듈 영상

제 3장 EOTS 플랫폼의 설계 3.1 EOTS 플랫폼의 구성 EOTS 플랫폼의 구조는 크게 카메라 모듈과 안정화 구동 모터, 플랫폼 프레임 등으로 나눌 수 있으며, 카메라 모듈은 영상을 직접적으로 획득하는 부분으로 EO 광학계, IR 광학계 및 거리를 측정하는 LRF로 구성되고 여기서 확보된 영상 을 처리하는 영상처리보드로 구성된다[30]. 본 연구에서의 EOTS 플랫폼은 소형 화에 주안점을 가지고 설계를 수행하여 구성품이 갖는 공간의 제약은 불가피하 다. 그림 9. EOTS 플랫폼의 구성 [Fig.9 Configuration of EOTS Platform] EOTS 플랫폼의 설계는 이러한 문제점을 고려하여 진행하였다. 안정화 구동을 위한 모터는 Pan 축과 Tilt 축의 회전운동을 구동하며 모터제어보드를 내장하여 시선 안정화 기능 및 목표물 추적, 좌표도출 기능을 수행한다. 이러한 구동 모터 는 안정적으로 EOTS의 카메라 모듈을 지탱하여 외부의 진동에 대한 영향을 최 - 17 - 소화하고 영상을 안정적으로 획득하는 핵심적 역할을 수행한다. 구조 설계는 카 메라 모듈 및 제어 보드 등의 장착을 고려하여 진행되었다. EOTS의 축별 구동 모터는 고출력밀도를 갖고 고효율, 고속 운전 등의 장점이 있는 BLDC 모터로 선정하였다. BLDC 모터는 많은 도체로 이루어지고 무거운 전기자가 회전하는 직류 전동기보다 영구 자석이 회전하여 관성이 작고 빠른 가감속에 유리한 특징 을 가지고 있다[31]. 또한, 권선이 고정자 측에 배치되어 방열에 용이하고 직류 전동기보다 최대 출력 토크 발생에 유리한 장점이 있다. 초경량 EOTS 설계를 위하여 모터에 기어비와 벨트풀리 구조를 추가하여 높은 토크를 확보할 수 있도 록 구성하였으며, 모터, 베어링 등의 구성요소는 그림 9, 10을 통해 나타냈다. 구 조 설계는 크게 EOTS 구조와 방진구 파트로 분류해서 진행하였으며 구조 설계 단계에서는 제어성능을 고려한 구성요소(Gyro Sensor, Potentiometer 등)를 선정 하고, 축별 요구 토크 분석 연구를 통해 최적의 베어링과 모터를 선정하였다. 그림 10. EOTS 플랫폼의 상세구성도 [Fig.10 Detailed Configuration of EOTS Platform] - 18 - 무인항공기에 탑재되는 EOTS는 기체로부터 전달되는 정현파가 합성된 불규칙 진동으로 인해 카메라 구동에 영향을 받을 수 있다. 이러한 진동 외란은 카메라 가 선명한 영상을 얻는데, 영향을 미쳐 기능 저하 및 공진에 의한 파괴를 유발할 수 있다. 그러므로 무인항공기에 탑재되어 운용될 때 안정적이고 정확한 목표물 의 영상을 검출하고 시스템의 파손을 피하고자 진동을 감쇠시킬 수 있는 장치인 방진구의 설계를 진행했다. 방진구는 다양한 형상 및 방진기의 강성에 따른 특성 을 분석하기 위해 총 4 종류의 모델을 제작하여 적용하였다. - 19 - 3.2 베어링 해석을 통한 요구 토크 분석 EOTS는 시선 안정화와 목표물 추적, 좌표도출을 위한 제어를 수행하기 때문 에 무엇보다 제어 사양에 맞는 구성요소의 선정과 플랫폼의 관성을 줄이기 위한 무게 중심 설계가 중요하다. EOTS 모델은 구성요소 선정에 있어 베어링과 모터 선정은 베어링의 마찰을 고려한 모터 요구 토크 분석이 선행되어야 한다. 베어링 이 갖는 마찰은 관성에 의한 영향 다음으로 모터제어에 있어 모터에 부하를 늘 리는 요소에 해당한다[32-34]. 본 3.2절에서는 해당 요소를 고려한 각 구동축의 해석을 통해 축별 요구되는 토크를 분석하고자 하였다. 그림 11은 EOTS 플랫폼 이 갖는 축별 무게중심을 나타냈다. 베어링은 SKF사의 정밀제어용 앵귤러 컨택 트 볼 베어링을 선정하여 적용하였으며, 표 1은 적용한 베어링 요소와 베어링이 갖는 최소마찰계수와 최대마찰계수를 나타냈다. 해석은 해당 모델과 마찰계수를 적용하여 축별 구동에 따른 토크 분석을 수행하였다. 그림 11. 축별 무게중심 [Fig.11 Center of Gravity by Axis] - 20 - Bearing properties Bearing Model coefficent of friction(μ) Min Max 71800 ACD/P4 0.08 0.20 표 1. 베어링의 마찰특성 [Table 1. Friction Properties of Bearing] 그림 12. 베어링 마찰을 해석 설정 [Fig.12 Set Boundary Conditions with Bearing Friction] - 21 - 해석 조건으로 EOTS 플랫폼이 요구하는 제어 구동 사양을 고려하여 축별로 구동 환경을 그림 12와 같이 모사하고자 하였다. 구동 조건은 요구사양에 해당하 는 각속도 105 deg/s, 수렴 시간 5Hz를 기준으로 Sine Wave 입력이 각 축에 적 용하였으며, 이때 보이는 EOTS 플랫폼의 특성을 확인하였다. 해석 모델은 내부에 복잡한 형상을 갖는 카메라 모듈 등 부품을 집중 질량 조 건으로 설정하여 최적화하였다. 축별 베어링 장착지점에 베어링 접촉조건과 더불 어 마찰계수가 없을 때, 최소 마찰계수와 최대 마찰계수를 적용하여 마찰계수에 따른 거동 특성을 확인하였다. 축별 거동특성은 그림 13, 14에 나타내었다. 그림 13. Tilt축의 요구토크 해석 결과 [Fig.13 Result of Analysis of Required torque on Tilt Axis] - 22 - 그림 14. Pan축의 요구토크 해석 결과 [Fig.14 Result of Analysis of Required torque on Pan Axis] 해석을 수행한 결과, 베어링 마찰에 따른 영향은 Tilt 축에서 크게 발생하였으 며 최소 마찰력이 적용될 경우 5.618Nmm의 요구 토크를 보이는 것을 확인하였 다. 또한, 최대 마찰력이 적용될 경우, 6.613Nmm의 요구 토크를 보였다. Pan축 의 경우 마찰력에 의한 영향은 적었으나 부하 중량이 커 요구 토크가 크게 발생 하는 것을 확인하였데, 베어링의 마찰력과 무관하게 약 16.06Nmm가 요구되는 것을 확인하였다. 이렇게 계산된 축별 요구 토크를 통해 모터의 요구 토크를 선 정하게 되는데 모터의 요구 토크는 축별 요구 토크와 벨트풀리비, 모터 기어비, 모터의 안전율 10%를 곱하여 계산하였다.