영상을 이용한 고성능 미사일 탐색기 제어기 설계

Abstract

본 논문에서는 미사일 탐색기에 영상센서를 도입하여 고성능, 고효율의 제어 성능을 보장할 수 있는 탐색기 제어기를 설계한다. 특히 표적의 깊이 정보 없이도 조준선 오차를 빠르게 0으로 수렴시켜 표적을 추적할 수 있음을 보였다.

제안하고 있는 새로운 탐색기 제어기는 표적 운동에 대한 선형 시불변 추정기를 도입하였다. 먼저 영상센서로부터 획득한 정보를 이용하여 이동 표적에 대한 호모그래피 행렬을 유도하였다. 또한 호모그래피 행렬을 분해하여 표적과 탐색기의 운동에 대한 정보를 획득한다. 획득한 운동 정보를 바탕으로 병진 운동 표적의 동역학 방정식과 측정 방정식을 선형 시불변 시스템으로 나타낸다. 이러한 병진 운동 표적 동역학 방정식에 기반하여 표적의 크기에 대한 불확실성을 고려한 루엔버거 관측기 형태의 표적 병진 운동 정보 추정기를 사용한다. 도입한 표적 병진 운동 정보 추정기는 기존의 기법들과 달리 영상 센서의 움직임과 관계없이 항상 수렴성을 보장할 수 있다. 이는 미사일 탐색기 제어기에 활용하기 매우 적합한 형태이다.

또한 영상 센서를 활용한 탐색기의 동역학 방정식을 유도하였다. 탐색기의 동역학 방정식과 표적 병진 운동 추정기에서 획득한 표적의 운동 정보를 이용하여 시선 변화율 추정기를 설계하였다. 더 나아가 설계한 추정기를 바탕으로 시선 변화율을 보상한 탐색기 제어 명령을 생성하도록 한다.

마지막으로 본 논문에서 제안한 탐색기 제어기가 표적을 추적할 수 있음을 증명하기 위해 수학적으로 엄밀한 분석을 제공한다. 또한 모의 실험을 실행하여 기존의 탐색기 제어기와 성능을 비교하고 제안한 기법의 실용성을 입증하도록 한다.

This dissertation proposes a high-performance controller of an on-board missile seeker using vision information. The seeker controller can approach to a moving target without knowing the information of the target depth.

Our approach consists of two parts: 1) an innovative time invariant linear estimator of the target motion, 2) a nonlinear seeker controller.

First, by using the parameters of the homography matrix for a moving target, we derive the dynamic equation of a moving target as a time invariant system. This equation was derived under the assumption that the velocities of both seeker and the target are varying slowly. Based on the derived dynamic equation of the target motion, an innovative time invariant linear estimator is constructed, which could provide the information of target velocity. Different from the previous works, the proposed estimator does not require any motion of the seeker, such as snaking or accelerating of the seeker, for estimation convergence. Besides, it can guarantee the convergence even without knowing the information of the target depth.

Next, a nonlinear seeker controller to bring the boresight error down to zero is proposed. We present some rigorous mathematical convergence analysis to demonstrate that the proposed seeker controller can track the moving target even when the information of the target depth is not given. Furthermore, we present the simulation result of conventional seeker controller to clarify the practicability of the proposed seeker controller. Thus, the proposed approach should be used and applied widely in industries and military applications.