[논문]시간지연제어기법을 이용한 수중로봇의 궤적 제어

박준영; 조병학; 이재경

doi:10.3795/ksme-a.2008.32.8.685

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In this paper, the trajectory control problem of an underwater robot is addressed. From the viewpoint of control engineering, trajectory control of the underwater robot is not an easy task due to its nonlinear dynamics, which includes various hydraulic forces such as buoyancy forces and hydrodynamic...

In this paper, the trajectory control problem of an underwater robot is addressed. From the viewpoint of control engineering, trajectory control of the underwater robot is not an easy task due to its nonlinear dynamics, which includes various hydraulic forces such as buoyancy forces and hydrodynamic damping, the difference between the centers of buoyancy and gravity, and disturbances from a tether cable. To solve such problems, we applied Time Delay Control to the underwater robot. This control law has a very simple structure not requiring the nonlinear plant dynamics, and was proven to be highly robust against disturbances and uncertainties. We confirmed its effectiveness through experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같은 특징으로 미루어 볼 때, TDC 는 정확한 비선형 모델 식과 파라미터를 구하기 어려운 수중로봇의 제어에 적합할 것으로 고려된다. 그러므로, 본 논문에서는 수중로봇의 궤적 제어에 TDC 를 적용하는 연구를 다루었고, 실제 수중로봇 시스템을 이용한 실험을 통하여 그 효용성을 입증하였다.

제안 방법

본 논문의 구성은 다음과 같다. 다음 장에서는 먼저 수중로봇의 일반적인 모델 식을 구하고, 이 모델에 대하여 궤적 제어를 위한 TDC 를 설계한다. 3 장에서는 본 연구의 실험에 사용된 수중로봇 시스템에 대하여 설명하고, 실제로 TDC 를 적용하기 위해서 필요한 수중로봇 이동방향과 추진기 배치 방향 간의 불일치를 해결한 내용에 대하여 기술한다.
본 절에서는 수중로봇에 대하여 TDC 를 설계하도록 한다. 2.

대상 데이터

2 절에서 TDC 설계를 통해 계산된 식 (15)의 제어 입력은 로봇의 동체 고정 좌표 계에 대한 것이 아니라 관성 기준 좌표 계에 대하여 계산된 값이다. 또한, 실험에 사용된 수중로봇의 추진기는 Fig. 5 에서 볼 수 있듯이 수평 추진기와 수직 추진기가 각각 2 개씩 일정한 각도로 대칭되게 배치 되어 있어서 2 개의 수평 추진기가 함께 전후 및 회전운동에 기여하고, 2 개의 수직 추진기가 함께 상하 및 좌우 이동에 기여한다. 즉, 수중로봇의 실제 이동방향과 추진기에서 동력을 발생시키는 방향 간의 불일치가 존재한다.
마스터 제어기는 산업용 PC, 비디오 스위치, VTR 및 비디오 모니터와 컴퓨터 모니터 및 스피커 등의 주변장치로 구성되어 있다. 육안검사 화면은 PC 에 설치되어 있는 영상획득(frame grabber) 카드로 입력되어 작업 이름, 작업 일시, 검사 위치및 방향 등의 정보가 함께 겹쳐진 상태로 수중로봇의 센서박스에 설치되어 있는 진동센서에 감지된 음향신호와 함께 비디오 테이프에 녹화된다.
3과 같은 소형 수중로봇을 사용하였다. 본 수중로봇에는 수중로봇의 위치와 방향을 측정하기 위한8 개의 LEDs(Light Emitting Diodes), 수중로봇의 깊이를 측정하는 압력 센서와 음향 센서(acoustic sensor)가 장착되어 있다. 이 외에 로봇의 전방에는 육안검사를 위한 카메라(camera for visual inspection)와 2 개의 전조등이 장착되어 있다.
이 모형 시스템은 원자력발전소 내에서는 방사능과 같은 환경적 제약과 시간적 제약으로 인해 다양한 실험을 직접 수행하기 어려우므로, 실제로 발전소 내에 수중로봇을 적용하기에앞서 사전에 제어 시스템을 검증하기 위하여 실물의 크기에 비례 축소시켜 제작한 시스템이다. 본 연구에서 사용된 수중로봇 시스템은 Fig. 2 에서볼 수 있듯이 크게 수중로봇과 제어장치(control station) 및 부속장치로 나뉘어진다. 제어기는 로봇을 직접 제어하는 서보 제어기와 원격작업을 수행 하는 마스터 제어기로 구성된다.
수중로봇의 본체는 Deep Ocean Engineering 사에서 제작한 Phantom-150 을 축소시켜 제작한 Fig. 3과 같은 소형 수중로봇을 사용하였다. 본 수중로봇에는 수중로봇의 위치와 방향을 측정하기 위한8 개의 LEDs(Light Emitting Diodes), 수중로봇의 깊이를 측정하는 압력 센서와 음향 센서(acoustic sensor)가 장착되어 있다.

이론/모형

본 연구의 실험에는 원자로 압력용기 육안검사용으로 개발된 수중로봇⁽¹⁶⁾의 모형시스템(mockup) 이 사용되었다. 이 모형 시스템은 원자력발전소 내에서는 방사능과 같은 환경적 제약과 시간적 제약으로 인해 다양한 실험을 직접 수행하기 어려우므로, 실제로 발전소 내에 수중로봇을 적용하기에앞서 사전에 제어 시스템을 검증하기 위하여 실물의 크기에 비례 축소시켜 제작한 시스템이다.
수중로봇이 추종해야 할 기준 궤적(reference trajectory)은 ( x,y,z,ψ ) = (−6 cm ,6 cm, 65 cm−180°) 로부터 (6 cm, -6 cm, 85 cm, 0°) 로 이동하는, 사다리꼴 형태의 속도 형상(profile)을 가지는 궤적이다. 제어기의 표본 주파수(sampling frequency)는 20Hz 이고, 센서의 잡음 영향을 줄이기 위하여 제어 입력에 저주파통과 필터(Low-pass filter)를 사용하였다. 실험에 사용된 TDC 의 이득(gain)과 파라미터 값은 Table 2 와 같다.

성능/효과

TDC 는 매우 단순하고 효율적인 구조를 가지고 있고, 적용 대상의 비선형 동역학 모델의 실시간 계산을 필요로 하지 않기 때문에 정확한 모델 식을 모르더라도 대상 시스템의 차수와 관성행렬의 변화범위만을 알면 쉽게 적용이 가능하다. 또한, TDC 는 외란과 파라미터의 변동에 대해서 탁월한 강인성을 가지며, 로봇 매니퓰레이터, ⁽¹⁰⁾ 공압 시스템, ⁽¹¹⁾유압 굴삭기, ⁽¹²⁾텔레스코픽 핸들러⁽¹³⁾ 등에 적용되어 좋은 제어 성능을 보여 주었다. 이와 같은 특징으로 미루어 볼 때, TDC 는 정확한 비선형 모델 식과 파라미터를 구하기 어려운 수중로봇의 제어에 적합할 것으로 고려된다.
이러한 관점에서 정확한 모델 식이 필요 없고 외란과 파라미터 변화에 강인한 제어기법인 TDC 는 상기한 제어 상의 문제점에 대한 해결책의 하나로 고려될수 있다. 수중로봇의 궤적 제어에 대하여 TDC 를 설계하고 실제로 수중로봇 시스템에 적용해본 결과 좋은 제어 성능을 얻을 수 있었다. 이상의 결과로부터 TDC 를 수중로봇과 함께 적용한다면, 추후 해양 탐사나 수중 구조물의 검사에 수중로봇을 적극적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
실험결과를 살펴보면, X 위치, Y 위치, Z 깊이뿐만 아니라 회전각까지 동시에 제어하고 있지만 주어진 궤적을 잘 추종하고 있음을 확인할 수 있다. 이 실험 결과는 수중로봇의 비선형성, 모델의 불확실성, 추진기 간의 동역학적 간섭, 테더 케이블의 외란 등이 존재함에도 불구하고 강인 비선형제어기법인 TDC 가 기준 궤적을 잘 추종하도록 제어하고 있음을 보여준다.
실험결과를 살펴보면, X 위치, Y 위치, Z 깊이뿐만 아니라 회전각까지 동시에 제어하고 있지만 주어진 궤적을 잘 추종하고 있음을 확인할 수 있다. 이 실험 결과는 수중로봇의 비선형성, 모델의 불확실성, 추진기 간의 동역학적 간섭, 테더 케이블의 외란 등이 존재함에도 불구하고 강인 비선형제어기법인 TDC 가 기준 궤적을 잘 추종하도록 제어하고 있음을 보여준다.

후속연구

수중로봇의 궤적 제어에 대하여 TDC 를 설계하고 실제로 수중로봇 시스템에 적용해본 결과 좋은 제어 성능을 얻을 수 있었다. 이상의 결과로부터 TDC 를 수중로봇과 함께 적용한다면, 추후 해양 탐사나 수중 구조물의 검사에 수중로봇을 적극적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슬라이딩 모드 제어 기법의 단점은?	이러한 제어 상의 어려움을 해결하기 위하여 수중로봇에 슬라이딩 모드 제어 기법, (1,2) 적응 제어 기법, (3~5) 신경망을 이용한 학습 제어 기법(6~8) 등을 적용하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 슬라이딩 모드 제어 기법은 슬라이딩 평면 위에서 제어 입력이 떨리는 채터링(chattering) 현상이 발생하고, 적응 제어 기법은 제어 파라미터의 계산을 위하여 많은 계산량을 필요로 한다. 또한, 학습 제어 기법은 학습을 위해 많은 시간과 노력이 소요된다는 단점이 있다.
	수중로봇의 제어 상 어려움을 해결하기 위해 연구된 기법은?	이러한 제어 상의 어려움을 해결하기 위하여 수중로봇에 슬라이딩 모드 제어 기법, (1,2) 적응 제어 기법, (3~5) 신경망을 이용한 학습 제어 기법(6~8) 등을 적용하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 슬라이딩 모드 제어 기법은 슬라이딩 평면 위에서 제어 입력이 떨리는 채터링(chattering) 현상이 발생하고, 적응 제어 기법은 제어 파라미터의 계산을 위하여 많은 계산량을 필요로 한다.
	수중로봇의 로봇 자체와 작업환경이 가지는 동역학적 비선형성에는 어떤 것들이 있는가?	• 부가관성력과 수중항력을 포함하는 여러 가지수중력의 영향 • 로봇 부력 중심과 중력 중심의 불일치 • 수중로봇에 동력을 공급하거나 제어를 위해 사용하는 테더 케이블(tether cable)의 무게와탄성으로 인해 가해지는 비선형적인 외란 (disturbance) • 추진기(thruster) 간의 동역학적 간섭(dynamic coupling)

참고문헌 (16)

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