KR101803091B1 - 사격훈련용 자동 가진시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제한된 공간에서 자동차와 선박 및 비행기와 같이 외부환경 및 운전조작에 의해 동요가 발생하는 운송수단에서의 사격 상황과 같은 실전 환경을 구현할 수 있는 사격훈련용 자동 가진시스템을 제공하기 위한 것이다.
이를 위해 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 사격훈련용 자동 가진시스템은, 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 상부방향으로 이격 배치되며, 중앙판의 양측에 접철 가능하게 힌지결합되는 접철판으로 이루어지는 모션 플레이트와, 상기 모션 플레이트의 하부에 탈착 가능하게 설치되며 구면베어링이 내장되는 홀더, 상기 베이스 플레이트 상에 탈착 가능하게 설치되는 케이싱과, 상기 케이싱의 내부에 삽입 설치되며 부시와, 상기 부시의 내주면을 따라서 승강되며 상단부에 상기 구면베어링에 의해 지지되는 구체가 형성된 중심샤프트와, 상기 케이싱 내부에 고정설치되어 상기 중심샤프트가 탄발적으로 승강 가능케하는 탄성체를 포함하는 중심지지부재와, 상기 모션 플레이트 하부에 다수개로 설치되어 모션 플레이트의 동요를 발생시키게 되는 것으로, 모션 플레이트의 하부에 탈착 가능하게 설치되는 캠팔로워 유닛과, 상기 캠팔로워 유닛 각각의 하부에 위치되도록 상기 베이스 플레이트에 탈착 가능하게 설치되어 캠의 회전에 따라 캠팔로워 유닛을 승강시키게 되는 캠 유닛 및, 상기 캠 유닛과 연결되어 캠을 회전시키는 구동력을 제공하는 구동모터를 포함하는 승강구동부재 및 상기 구동모터와 연결되어 구동모터의 작동을 제어하는 콘트롤러를 포함하되, 상기 캠팔로워 유닛은 상기 모션플레이트에 탈착 가능하게 설치되는 한 쌍의 브라켓 및, 양측이 상기 한 쌍의 브라켓에 회전 가능하게 설치되며 외주면에 팔로우 롤러가 설치되는 롤러축을 포함하여 이루어지며, 상기 캠 유닛은 상기 캠이 팔로우 롤러 각각의 하부에 위치되도록 상기 베이스 플레이트에 탈착 가능하게 설치되는 한 쌍의 서포트 및, 양측이 상기 한 쌍의 서포트에 회전 가능하게 설치되며 상기 캠이 외주면에 설치되어 회전됨에 따라 승강 스트로크를 발생시켜 팔로우 롤러를 승강시키게 되는 캠샤프트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

사격훈련용 자동 가진시스템 {Automatic vibration system for military firing exercises}

본 발명은 사격훈련용 자동 가진 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사격훈련에 활용할 수 있도록 다수의 자유도를 확보하여 외란을 인가할 수 있는 사격훈련용 자동 가진 시스템에 관한 것이다.

종래의 사격훈련용 시뮬레이터는 사격훈련자의 전방에 타깃을 2D 또는 3D 영상으로 출력하고 사격훈련자는 사격자세를 취하여 타깃에 사격하는 시뮬레이터가 대부분이다.

이러한 종래의 사격훈련용 시뮬레이터는 사격훈련자의 자세에 직접적으로 영향을 미치는 동요의 발생을 구현하지 못해 실제 사격 시의 환경을 조성하지 못하는 문제점이 있어 왔다.

특히 제한된 공간에서 자동차와 선박 및 비행기와 같이 외부환경 및 운전조작에 의해 하동요(heave), 횡동요(rolling) 및 종동요(pitching)가 발생하는 운송수단에서의 사격 상황과 같은 실전 환경을 제공하여 해상사격 및 육상 사격에 적용시킬 수 있는 시스템의 부재로 인해 사격 정예병을 양성하는데 발생되는 인적, 물적 및 시간적 비용을 절감시키지 못하는 문제점이 있어 이를 개선할 수 있는 시스템의 개발이 필요한 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-0643178호 (공고일자: 2006. 11. 10) “롤링 모션의 기구적 외란 보상을 위한 3축 안정화 장치” 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0115272호 (공개일자: 2015. 10. 14) "복수 인원 탑승용 회전식 시뮬레이터 및 그를 사용한 원형 구조 시뮬레이션 시스템"

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 제한된 공간에서 자동차와 선박 및 비행기와 같이 외부환경 및 운전조작에 의해 동요가 발생하는 운송수단에서의 사격 상황과 같은 실전 환경을 구현할 수 있는 사격훈련용 자동 가진시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

특히 상하동요(heave), 횡동요(rolling) 및 종동요(pitching)의 자유도를 확보하고 동요의 발생, 속도 및 자세를 제어할 수 있는 사격훈련용 자동 가진시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.

그리고 부품들 상호 간에 탈부착 가능한 구조를 구현하여 이동, 분해 및 조립이 용이한 사격훈련용 자동 가진시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

이와 함께 본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 더욱 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 사격훈련용 자동 가진시스템은, 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 상부방향으로 이격 배치되며, 중앙판의 양측에 접철 가능하게 힌지결합되는 접철판으로 이루어지는 모션 플레이트와, 상기 모션 플레이트의 하부에 탈착 가능하게 설치되며 구면베어링이 내장되는 홀더, 상기 베이스 플레이트 상에 탈착 가능하게 설치되는 케이싱과, 상기 케이싱의 내부에 삽입 설치되며 부시와, 상기 부시의 내주면을 따라서 승강되며 상단부에 상기 구면베어링에 의해 지지되는 구체가 형성된 중심샤프트와, 상기 케이싱 내부에 고정설치되어 상기 중심샤프트가 탄발적으로 승강 가능케하는 탄성체를 포함하는 중심지지부재와, 상기 모션 플레이트 하부에 다수개로 설치되어 모션 플레이트의 동요를 발생시키게 되는 것으로, 모션 플레이트의 하부에 탈착 가능하게 설치되는 캠팔로워 유닛과, 상기 캠팔로워 유닛 각각의 하부에 위치되도록 상기 베이스 플레이트에 탈착 가능하게 설치되어 캠의 회전에 따라 캠팔로워 유닛을 승강시키게 되는 캠 유닛 및, 상기 캠 유닛과 연결되어 캠을 회전시키는 구동력을 제공하는 구동모터를 포함하는 승강구동부재 및 상기 구동모터와 연결되어 구동모터의 작동을 제어하는 콘트롤러를 포함하되, 상기 캠팔로워 유닛은 상기 모션플레이트에 탈착 가능하게 설치되는 한 쌍의 브라켓 및, 양측이 상기 한 쌍의 브라켓에 회전 가능하게 설치되며 외주면에 팔로우 롤러가 설치되는 롤러축을 포함하여 이루어지며, 상기 캠 유닛은 상기 캠이 팔로우 롤러 각각의 하부에 위치되도록 상기 베이스 플레이트에 탈착 가능하게 설치되는 한 쌍의 서포트 및, 양측이 상기 한 쌍의 서포트에 회전 가능하게 설치되며 상기 캠이 외주면에 설치되어 회전됨에 따라 승강 스트로크를 발생시켜 팔로우 롤러를 승강시키게 되는 캠샤프트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.

제한된 공간에서 동요가 발생할 수 있는 상황을 만들어 사격자가 실제로 처할 수 있는 환경을 제공할 수 있으며, 이에 따라서 육해공군의 사격능력을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

그리고 실제의 훈련 환경과 동일한 환경을 구현할 수 있게 됨으로써 실제 육해공 훈련에 소모되는 비용을 절감할 수 있는 다른 이점이 있다.

또한 부품들 상호 간에 탈부착 가능한 구조를 구현하여 분해 및 조립이 용이해져 가진시스템의 이동성 및 보관성을 향상시킬 수 있는 또 다른 이점이 있다.

아울러 사격훈련 뿐만 아니라 자동차, 선박 및 항공기 시뮬레이션, 게임, 4D체험 및 엔터테인먼트 분야에 확대 적용이 가능한 또 다른 이점이 있다.

이와 함께 본 발명의 다른 효과는 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

도 1은 본 발명에 따른 사격훈련용 자동 가진시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 중심지지부재를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명에 따른 승강구동부재를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 콘트롤러의 제어 블록 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 지적 PID 제어기의 구성도를 나타낸 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

첨부된 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명은 제한된 공간에서 동요가 발생할 수 있는 상황을 만들어 사격자가 실제로 처할 수 있는 환경을 제공할 수 있으며, 이에 따라서 육해공군의 사격능력을 향상시킬 수 있으며, 구성들 상호 간에 탈부착 가능한 구조를 구현하여 분해 및 조립이 용이해져 이동성 및 보관성을 향상시킬 수 있는 사격훈련용 가진시스템을 제공하기 위한 것으로 베이스 플레이트(100), 모션 플레이트(200), 중심지지부재(300), 승강구동부재(400) 및 콘트롤러를 포함하여 이루어진다.

상기 베이스 플레이트(100)는 모션 플레이트(200), 중심지지부재(300), 승강구동부재(400)가 설치되는 바탕을 마련하게 된다. 그리고 상기 모션 플레이트(200)는 사격자가 자세를 취하게 되는 공간을 제공하게 되는 것으로, 베이스 플레이트(100)의 상부방향으로 이격 배치되며, 중앙판의 양측에 접철 가능하게 힌지 결합되는 접철판으로 구성되어 모션 플레이트(200)는 양측이 접철 가능하게 이루어질 수 있게 된다.

이와 함께 상기 중심지지부재(300)는 홀더(310) 및 중심샤프트(320)를 포함하여 이루어진다. 상기 홀더(310)는 모션 플레이트(200)의 하부에 탈착 가능하게 설치되며 구면베어링이 내장된다. 그리고 상기 중심샤프트(320)는 상기 베이스 플레이트 상에 탈착 가능하게 설치되는 케이싱(330)의 내부에 삽입 설치되는데, 자세하게는 플랜지구조로 이루어지고, 케이싱(330)의 상부 중앙 측에 탈착 가능하게 삽입 설치되며 내주면이 매끈하게 표면 가공된 부시(340)에 중심샤프트(320)가 삽입된다. 이와 함께 상기 중심샤프트(320)는 외주면이 부시(340)의 내주면을 타고 승강되며, 상단부에 구면베어링에 의해 지지되는 구체가 형성되고, 하단부가 캐이싱(330)의 내부에 고정 설치되는 탄성체(350)에 의해 승강 가능하게 지지되어 홀더(310)와 함께 중심샤프트(320)가 탄발적으로 승강 가능케 하고 완충 작용이 부여되는 구조로 지지된다.

다음으로 상기 승강구동부재(400)는 캠팔로워 유닛(410), 캠 유닛(420) 및 구동모터(430)를 포함하여 이루어진다.

상기 캠팔로워 유닛(410)은 모션 플레이트(200) 하부에 다수개로 설치되어 모션 플레이트 (200)의 동요를 발생시키게 되는 것으로, 자세하게 캠팔로워 유닛(410)은 모션플레이트(200)에 z축 방향으로의 상하동요(heaving), x축 방향으로의 횡동요(rolling) 및 y축 방향으로의 종동요(pitching)를 발생 가능한 위치에 배치될 수 있도록 중심지지부재(300)의 전방 일측과 후방 양측 각각 총 3개의 지점에 탈착 가능하게 설치되는 한 쌍의 브라켓(411) 및, 양측이 한 쌍의 브라켓(411)에 회전 가능하게 설치되며 외주면에 팔로우 롤러(412)가 설치되는 롤러축(413)을 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 캠 유닛(420)은 캠팔로워 유닛(410) 각각의 하부에 위치되도록 베이스 플레이트(100)에 탈착 가능하게 설치되어 캠(421)의 회전에 따라 캠팔로워 부재(410)를 승강시키게 됨으로써, 모션플레이트(200)에 z축 방향으로의 상하동요(heaving), x축 방향으로의 횡동요(rolling) 및 y축 방향으로의 종동요(pitching)를 발생시킬 수 있게 된다.

이를 위해 상기 캠 유닛(420)은 원판형으로 형성되는 캠(421)이 팔로우 롤러(412) 각각의 하부에 위치되도록 베이스 플레이트(100)에 탈착 가능하게 설치되는 한 쌍의 서포트(423) 및, 양측이 한 쌍의 서포트(423)에 회전 가능하게 설치되며 캠(421)이 외주면에 편심되게 설치되어 회전됨에 따라 승강 스트로크를 발생시켜 팔로우 롤러(412)를 승강시키게 되는 캠샤프트(422)를 포함하여 이루어진다.

여기에서 서포트(423) 각각의 내측에는 캠샤프트(422)와의 기계적 마찰을 최소화 할 수 있는 캠샤프트(422) 베어링이 설치되는 것이 바람직할 것이다.

이어서 상기 구동모터(430)는 캠샤프트(422)와 연결되어 캠(421)을 회전시키는 구동력을 제공하게 되는 것으로, 전류의 공급에 의해 회전구동력을 발생시키며, 서보방식으로 제어되는 기어드모터로 이루어지며 하부가 지지블록 상에 탈착 가능하게 설치되며, 지지블록 역시 베이스 플레이트(100)에 탈착 가능하게 설치될 수 있다.

여기에서 상기 캠샤프트(422)와 구동모터(430)의 회전축은 커플러(440)에 의해 연결되어 구동모터(430)의 회전구동력을 캠샤프트(422)에 전달할 수 있게 된다.

이와 같이 구성되는 승강구동부재(400)의 작동에 따라 모션 플레이트(200)는 중심지지부재(300)를 기준으로 z축 방향으로의 상하동요(heaving), x축 방향으로의 횡동요(rolling) 및 y축 방향으로의 종동요(pitching)를 발생시킬 수 있게 된다. 즉 중심지지부재(300)의 전방 일측과 후방 양측 각각 총 3개의 지점에 설치되는 승강구동부재(400)가 동시에 동일한 상향 또는 하향 스트로크를 발생시키게 되면 상하동요를 구현할 수 있게 된다. 그리고 중심지지부재(300)의 전방 일측에 설치된 승강구동부재(400)가 상향 또는 하향 스트로크를 발생시키게 되고 중심지지부재(300)의 후방 양측에 설치된 승강구동부재(400)가 전방 일측의 스트로크와 반대로 하향 또는 상향 스트로크를 발생시키게 되면 종동요를 구현할 수 있게 된다. 또한 중심지지부재(300)의 후방 좌측에 설치된 승강구동부재(400) 상향 또는 하향 스트로크를 발생시키게 되고, 중심지지부재(300)의 후방 우측에 설치된 승강구동부재(400)가 후방 좌측의 스트로크와 반대로 하향 또는 상향 스트로크를 발생시키게 되면 횡동요를 구현할 수 있게 된다. 또한 중심지지부재(300)의 전방 일측과 후방 양측 각각에 설치된 승강구동부재(400)에 랜덤으로 스트로크를 발생시키게 되면 종동요와 횡동요를 번갈아 발생시킬 수 있게 된다.

다음으로 상기한 도면들과 첨부된 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 콘트롤러는 구동모터(430)와 유선 또는 무선 연결되어 구동모터(430)의 작동을 제어하게 된다.

이러한 상기 콘트롤러는 각각의 구동모터(430)를 제어하여 모션플레이트(200)에 z축 방향으로의 상하동요(heaving), x축 방향으로의 횡동요(rolling) 및 y축 방향으로의 종동요(pitching)를 정밀하게 조종하게 위해 지적 PID(proportional integral derivative) 제어를 따르게 된다.

이러한 지적 PID 제어에 따르면 동요를 발생시키는 가진 시스템의 설계에 있어서 입력에 대한 추종과 비주기적인 외란이 발생하였을 때 주어진 입력을 추종하는 성능과 인가된 외란에 강인성을 가지도록 시스템을 설계할 수 있게 된다.

자세하게 지적 PID 제어는 도 6에 도시된 바와 같이 제어대상의 동특성이 변화하여 기존의 PID 제어의 파라메타를 재설정해야 하거나, 제어대상이 비선형성이 강하거나 비주기적인 외란이 심한 시스템에 대해서는 기존 PID 제어로 제어하기에는 많은 문제가 발생할 수 있는데, 이러한 문제를 해결하기 위하여 제어대상의 모델이 거의 필요하지 않고, 제어 파라메타의 조정이 간단하고 제어 모델의 특성이 변경되어도 제어의 파라메타를 재조정할 필요가 없다는 특성을 가지고 있다. 이러한 지적 PID 제어는 기존의 오차의 이중 미분값을 제어량과 맞춰주기 위하여 비례기를 추가하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 5[sec]로 하였으며, 기준입력은 크기 1, 10[Hz]을 인가하였다. 외란에 대한 강인성을 확인하기 위하여 크기 0.3, 2[Hz]를 인가하여 외란에 대한 강인성을 평가하도록 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션에 사용된 제어의 파라메타 1/α값은 10으로 선정하였으며, 페루프 오차에 대한 이중 미분의 출력값과 지연요소의 출력값과의 합을 폐루프 시스템에 적용하기 위하여 작은값의 비례기를 추가하여 폐루프 제어시스템에 적용하였다. 이에 따르면 기준입력 (1, 10[Hz])에 대한 추종능력과 주기적 외란(0.3, 2[Hz])에 대한 강인성이 우수한 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 플랜트의 특성이 바뀌었을 때 기존의 제어기는 오차가 많이 발생하였지만 지적 PID 제어는 플랜트의 변화에도 강인한 것을 확인하였다. 따라서 상기한 지적 PID 제어를 통해 구동모터(430)를 제어하여 모션플레이트(200)에 z축 방향으로의 상하동요(heaving), x축 방향으로의 횡동요(rolling) 및 y축 방향으로의 종동요(pitching)를 정밀하게 조종할 수 있게 된다.

이와 함께 콘트롤러의 구성은 도 5와 같이 시스템의 응답속도를 높이기 위해 Cortex-Mx계열의 MCU(micro controller unit)를 사용하며, 모션 플레이트(200)의 움직임은 자이로센서(gyroscope)와 가속도센서(accelerometer)를 설치하여 감지할 수 있게 하고, MCU의 출력은 PWM(pulse width modulation)과 DAC(digiral-to-analog converter) 및 통신포트를 활용하여 이루어져 구동모터(430)를 제어할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명의 기술적 사상은 제한된 공간에서 자동차와 선박 및 비행기와 같이 외부환경 및 운전조작에 의해 동요가 발생하는 운송수단에서의 사격 상황과 같은 실전 환경을 구현할 수 있는 사격훈련용 자동 가진시스템을 제공하는 것임을 알 수 있다.

아울러 이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 베이스 플레이트
200: 모션 플레이트
300: 중심지지부재
310: 홀더
320: 중심샤프트
330: 케이싱
340: 부시
350: 탄성체
400: 승강구동부재
410: 캠팔로워 유닛
411: 브라켓
412: 팔로우 롤러
413: 롤러축
420: 캠 유닛
421: 캠
422: 캠샤프트
423: 서포트
430: 구동모터
440: 커플러

Claims (2)

1. 베이스 플레이트;
   상기 베이스 플레이트의 상부방향으로 이격 배치되며, 중앙판의 양측에 접철 가능하게 힌지결합되는 접철판으로 이루어지는 모션 플레이트;
   상기 모션 플레이트의 하부에 탈착 가능하게 설치되며 구면베어링이 내장되는 홀더, 상기 베이스 플레이트 상에 탈착 가능하게 설치되는 케이싱과, 상기 케이싱의 내부에 삽입 설치되며 부시와, 상기 부시의 내주면을 따라서 승강되며 상단부에 상기 구면베어링에 의해 지지되는 구체가 형성된 중심샤프트와, 상기 케이싱 내부에 고정설치되어 상기 중심샤프트가 탄발적으로 승강 가능케하는 탄성체를 포함하는 중심지지부재;
   상기 모션 플레이트 하부에 다수개로 설치되어 모션 플레이트의 동요를 발생시키게 되는 것으로, 모션 플레이트의 하부에 탈착 가능하게 설치되는 캠팔로워 유닛과, 상기 캠팔로워 유닛 각각의 하부에 위치되도록 상기 베이스 플레이트에 탈착 가능하게 설치되어 캠의 회전에 따라 캠팔로워 유닛을 승강시키게 되는 캠 유닛 및, 상기 캠 유닛과 연결되어 캠을 회전시키는 구동력을 제공하는 구동모터를 포함하는 승강구동부재; 및,
   상기 구동모터와 연결되어 구동모터의 작동을 제어하는 콘트롤러;를 포함하되,
   상기 캠팔로워 유닛은,
   상기 모션플레이트에 탈착 가능하게 설치되는 한 쌍의 브라켓 및, 양측이 상기 한 쌍의 브라켓에 회전 가능하게 설치되며 외주면에 팔로우 롤러가 설치되는 롤러축을 포함하여 이루어지며,
   상기 캠 유닛은,
   상기 캠이 팔로우 롤러 각각의 하부에 위치되도록 상기 베이스 플레이트에 탈착 가능하게 설치되는 한 쌍의 서포트 및, 양측이 상기 한 쌍의 서포트에 회전 가능하게 설치되며 상기 캠이 외주면에 설치되어 회전됨에 따라 승강 스트로크를 발생시켜 팔로우 롤러를 승강시키게 되는 캠샤프트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 사격훈련용 자동 가진시스템.
   
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