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문제 정의
- 본 논문에서는 토크제어방식 추진체의 비선형적 변수를 갖는 무인잠수정의 저속 및 호버링 상태의 강인제어에 대한 연구를 수행하였다. 또한, 역학적으로 연결된 무인잠수정의 상태도 강인제어를 이용하여 동시에 제어하는 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 Yoeger의 논문[4]에 소개된 Jason Jr. ROV의 1자유도 운동방정식을 사용하여 제어기의 비교연구를 수행하였다. 무인잠수정의 1자유도 운동방정식은 다음과 같다.
- 각 실험은 모든 운용조건에서 성능을 만족하는지 확인하기 위해 3가지 상황에서 진행하였는데 첫째로 통상적인 위치오차와 반응성능을 보기위한 계단 응답, 둘째로 한정된 일정 위치 범위 내에서의 PD제어기와 슬라이딩모드 제어기의 정현파 응답, 마지막으로 한정된 일정 위치 범위 내에서의 PD제어기와 슬라이딩모드 제어기의 정현파 응답을 비교하는 순서로 진행하였다. 모의 실험에 사용한 로봇의 질량 M은 340kg이며 저항계수를 나타내는 CD는 67Ns2/m2를 사용하였고 모델 파라미터 계수로 각각 α = 0.
- 본 논문에서는 토크제어방식 추진체의 비선형적 변수를 갖는 무인잠수정의 저속 및 호버링 상태의 강인제어에 대한 연구를 수행하였다. 또한, 역학적으로 연결된 무인잠수정의 상태도 강인제어를 이용하여 동시에 제어하는 연구를 수행하였다. 비선형 강인제어 방법 중에서 슬라이딩 모드 제어기를 설계하여 추진체와 무인잠수정의 불확실한 변수와 비선형력들을 보상하며 원하는 위치를 유지하는 제어 방법을 적용하였다.
- 모의실험은 내부 루프와 외부 루프에 슬라이딩 모드 컨트롤러를 사용한 것과 슬라이딩 모드 제어기와 같은 입출력을 갖는 두 개의 PD제어기를 사용했을 때의 결과를 비교하였다.
- 목표 경로에 추종하는 견실 슬라이딩모드 제어기 설계법으로서는 Slotine이 제안한 슬라이딩 모드 제어[6] 이외에 제어기 적분형 가변구조 제어[7], 적응 명령 추종형 슬라이딩모드 제어[8], 그리고 모델 규범형 슬라이딩 모드[9] 등이 제안되어 있으나, 여기서는 Slotine이 제안한 슬라이딩 모드 제어를 이용하여 서보 제어기를 설계하였다.
- 무인 잠수정의 몸체를 제어하는 외부 루프와 추진기를 제어하는 내부 루프의 제어기를 동시에 적용하는 제어 방법을 적용하였다. 제안한 제어기의 성능을 검증하기 위하여 모의실험을 행하였다.
- 본 연구에서 제어 시스템의 설계는 추진기의 동역학적 영향을 줄이는 방향으로 진행하였으며, 불확실한 시스템의 경로제어를 위하여 슬라이딩 모드 제어기를 적용하였다. 슬라이딩 모드 제어기는 비선형 강인제어에 널리 쓰이는 제어방식 중의 하나로 시스템의 상태변수를 미리 정의된 슬라이딩 평면상에서 움직이도록 제한한다.
- 또한, 역학적으로 연결된 무인잠수정의 상태도 강인제어를 이용하여 동시에 제어하는 연구를 수행하였다. 비선형 강인제어 방법 중에서 슬라이딩 모드 제어기를 설계하여 추진체와 무인잠수정의 불확실한 변수와 비선형력들을 보상하며 원하는 위치를 유지하는 제어 방법을 적용하였다.
- 식 (2)의 무인잠수정 모델과 식 (3)의 추진체 모델은 비선형 함수이며 불확실한 파라미터를 갖는다. 이들 모델은 서로 동역학적 연관을 가지므로 본 연구에서는 불학실한 변수를 갖는 비선형 모델의 제어에 적합한 강인 제어의 일종인 슬라이딩 모드 제어기를 이용한 동시제어를 수행하였다.
- 잠수정과 추진체의 동역학이 서로 연계되어 효과적인 제어를 위해서 Figure 1과 같이 제어기를 외부 루프(outer loop)와 내부 루프(inner loop)로 나누어서 제어기를 설계하였다.
- 무인 잠수정의 몸체를 제어하는 외부 루프와 추진기를 제어하는 내부 루프의 제어기를 동시에 적용하는 제어 방법을 적용하였다. 제안한 제어기의 성능을 검증하기 위하여 모의실험을 행하였다. 모의실험은 Figure 1과 같이 Matlab의 Simulink를 이용하여 행하였다.
대상 데이터
- 모의 실험에 사용한 로봇의 질량 M은 340kg이며 저항계수를 나타내는 CD는 67Ns2/m2를 사용하였고 모델 파라미터 계수로 각각 α = 0.037, β = 42N-1s-1이고 추력계수Ct는 0.022Ns2이다.
이론/모형
- 제안한 제어기의 성능을 검증하기 위하여 모의실험을 행하였다. 모의실험은 Figure 1과 같이 Matlab의 Simulink를 이용하여 행하였다.
- 추진기의 영향을 줄이기 위해서 비선형 강인제어에 널리 사용되는 기법인 슬라이딩 모드 제어를 사용하였다. 슬라이딩 모드 제어기는 슬라이딩 평면상에 시스템의 거동을 한정시켜 시스템의 차수를 낮추어 주는 효과를 기대할 수 있다.
성능/효과
- Figure 14는 각 제어기의 동적 위치오차를 보여준다. 고속에서의 정현파 위치오차에 비해 슬라이딩 모드 제어기의 위치오차가 뚜렷하게 작음을 확인할 수 있다.
- 모의실험을 통하여 제안한 슬라이딩 모드 제어기가 추진기의 비선형적이며 불확실한 영향을 보상할 수 있음을 보였다. 동시에 수중무인잠수정의 비선형과 불확실성의 영향을 보상하며 매우 저속과 제자리 유지제어가 가능함을 보였다. 특히, 선형제어기인 PD제어기와의 성능 비교에서 제안한 슬라이딩모드 제어기의 성능이 우수함을 확인할 수 있었다.
- 모의실험을 통하여 제안한 슬라이딩 모드 제어기가 추진기의 비선형적이며 불확실한 영향을 보상할 수 있음을 보였다. 동시에 수중무인잠수정의 비선형과 불확실성의 영향을 보상하며 매우 저속과 제자리 유지제어가 가능함을 보였다.
- 동시에 수중무인잠수정의 비선형과 불확실성의 영향을 보상하며 매우 저속과 제자리 유지제어가 가능함을 보였다. 특히, 선형제어기인 PD제어기와의 성능 비교에서 제안한 슬라이딩모드 제어기의 성능이 우수함을 확인할 수 있었다.
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