2 axis nano-stage control with high precision and high speed using a loop shaping control technique

개요

나노 구조물을 이용한 산업 분야가 활발해지면서 빠르고 정확한 나노 구조물의 형상 측정이 필요하다. Atomic Force Microscopy(AFM)은 미세한 캔틸레버 팁과 측정하고자 하는 구조물 표면 사이에 반데르발스 힘의 크기에 따라 생기는 캔틸레버 팁의 변위를 이용하여 구조물의 형상을 측정한다. AFM은 나노미터 단위의 분해능을 갖는 계측 장비지만 기존의 PID control을 사용시 발생되는 기계 진동에 의해 정확한 측정이 힘들다. 이와 같은 한계점 해결을 위해 스캐너에 주파수 기반 제어 기술인 Loop shaping control 기술을 적용하여 고속, 고정밀 측정이 가능한 AFM system을 연구한다.

Loop shaping control 제어 기법의 블록 선도와 AFM으로 측정한 나노 구조물 형상

연구내용

Loop shaping control의 특징
- 스캐너의 작은 감쇠로 인한 기계적 진동의 감소를 위한 주파수 기반 제어
- 정확한 변위 측정을 위한 스캐너의 공명 주파수 응답 특성을 보상 수행

AFM의 형상 측정 원리 Loop shaping control 제어 기법을 적용한 AFM system

실험결과

Nano-stage의 Loop shaping control 적용 전(a)과 적용 후(b)의 Step input에 대한 응답

Vibration control of a 6 axis active vibration isolation using magnetic actuators and velocity sensors

개요

진동에 대한 AFM의 기계적 구조


AFM 동작시 측정에 영향을 줄 수 있는 저주파 진동

연구내용

- 수직방향과 수평방향의 기계적 간섭이 없는 6축 구동을 위한 Leaf spring을 이용한 VCM 구동기 설계

- 6축 액츄에이터간의 de-centralized 제어 및 centralized 제어 연구

Decentralized 제어 시 각 액추에이터의 구동 방법

실험결과

6축 능동방진시스템 구성 하판과 상판에 전달되는 진동 측정 실험


하판과 상판의 임펄스 응답 비교 Active와 Passive 방진 시스템의 진동 저감 성능 비교

Autonomous landing on moving target

개요

최근 드론은 연구, 감시, 농업 등 다양한 목적으로 활발히 이용되고 있다. 드론의 운용에 있어 자동 비행 및 좁은 착륙 공간 내에 이·착륙 기술에 대한 유용성이 증대되고 있으며, 기동화, 지능화, 네트워크화가 강조되고 있는 환경에서는 매우 중요한 기술이다. 특히, 기동하는 플랫폼에서 자동 이·착륙 기능을 통해 인간의 개입 없이 회수, 충전 및 재운용이 가능하여 드론의 운용 효율성과 안전성 확보 등 운용 능력을 극대화 할 수 있다. 현재 드론을 고정 또는 이동하는 플랫폼(UGV)에 자동으로 착륙시키는 기술로 기존에는 카메라를 이용한 삼각측량법 기반 거리 추출 기술을 이용하였으나, 근접 상황에서 삼각측량법 원리의 한계로 인해 착륙제어의 부정확성은 30cm 이상으로 보고되고 있다. 이와 같은 기술 한계점 해결을 위해 근거리(20cm) 이내에서도 상대 거리(속도)의 정확한 계산이 가능한 라이다 센서와 객체 인식이 용이한 카메라 센서를 융합하여 정확한 고속 착륙을 위한 드론 제어 연구를 수행한다.

연구내용

- 라이다와 카메라를 통한 드론의 3D positioning 수행

라이다와 카메라 융합 센서를 통한 드론의 3D positioning result

- 움직이는 플랫폼의 위치(x,y축) 예측을 위한 Convolutional Neural Network(CNN)과 같은 인공지능 학습 수행

인공지능 학습을 통한 랜딩 지점 예측

- 정확하고 안전한 높이 방향(z축) 제어를 위한 PID 및 Fuzzy controller 설계

드론 높이 방향(z축) 제어의 블록 선도

Control of electronic and electrical systems

Intensity control of optical distance sensor(LiDAR) by controlling the amplited of the modulated signal of the Laser Diode(LD)

AMCW(amplitude modulated continuous wave)방식의 라이다 센서에서는 reference 신호와 측정된 신호사이의 위상차를 측정함으로써 거리를 측정한다. 이때 측정하려는 물체의 색이 다양할 경우 같은 거리에서도 색에 따라 반사되는 광량이 다르게 나타나 신호 처리 과정에서 Gain-Bandwith 의 제한으로 인해 전기회로 자체의 위상 지연이 생겨 거리 오차가 발생한다. 이러한 오차를 해결하기 위해 LD의 구동 전류를 보상하여 일정한 측정 신호 크기를 유지시키는 제어 연구를 수행한다.

Phase-shift measurement method LiDAR and intensity control setup


Measured distance with control(a) and without control(b)

Auto Gain Control(AGC) of optical distance sensor(LiDAR) using a MOSFET

펄스 신호를 이용해 거리를 측정하는 라이다는 신호의 비행 시간을 측정함으로써 거리를 얻기 때문에 신호를 수신하는 시간을 정확하게 측정해야 한다. Time to digital converter(TDC)만으로 신호의 비행 시간을 측정할 경우 수신 신호의 진폭 크기에 따라 측정 시간의 오차(Walk error)가 발생한다. MOSFET을 이용한 Auto gain control(AGC)을 통해 수신 신호의 진폭을 일정하게 유지하여 정확한 신호의 비행 시간을 측정할 수 있다.

MOSFET을 이용한 AGC 회로 AGC를 이용한 펄스 라이다의 거리 측정 정확도 성능 개선