[논문]기뢰 탐색 작전용 무인잠수정 효과도 분석 시뮬레이션을 위한 시뮬레이션 모델 연구

황아롬; 김문환; 이심용

doi:10.9766/kimst.2012.15.4.410

기뢰 탐색 작전용 무인잠수정 효과도 분석 시뮬레이션을 위한 시뮬레이션 모델 연구
A Study of Simulation Model for Effectiveness Analysis Simulation of Unmaned Underwater Vehicle for Mine Searching 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.15 no.4, 2012년, pp.410 - 416

황아롬 (거제대학교) , 김문환 (LIG 넥스원) , 이심용 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, unmanned underwater vehicles(UUVs) have emerged as viable technical solution for conducting underwater search, surveillance, and clearance operations in support of mine countermeasure missions(MCMs) because of her autonomy and long time endurance capability. It is necessary for UUV for MCM system design to define system specification from various configuration alternatives. This paper introduces a simulation model for mine countermeasure mission effectiveness analysis and presents some simulation results under various tide conditions for validation of the proposed simulation model.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 PID 제어 기법을 기반으로 작성 수평면 제어와 수직면 제어 분리하여 개발하였다. 수평면 제어를 위해서는 CTE를 최소화 하도록 방향타각 산출하는 PID제어기를 설계하였다.
본 논문에서는 공개되어 있는 1.2 m 길이를 가지는 1축 추진기 탑재 어뢰형 무인 잠수정의 유체동역학적 특성을 이용하여 6 m 내외 길이의 대형 어뢰형 무인 잠수정 운동 모델, 유도제어 모델, 경로계획 모델 항법 모델을 개발하였으며, 실제 수중 운동 환경을 모사하기 위한 조류 모델을 개발하였다. 개발된 모델들의 성능을 검증하기 위하여 다양한 조류 환경에 대한 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 제시하였다.
본 논문에서는 무인잠수정 체계 성능 분석을 위한 시뮬레이터에 적용하기 위하여 조류 환경에서 사용할 수 있는 공개되어 있는 무인 잠수정의 제원, 운동 모델, 유체 동역학 계수 등을 이용하여 개발한 무인잠수정 운동 모델, 슬라이드 모드 기반 제어 모델, 경로 계획 모델 및 항법 모델을 소개하고 개발한 체계 성능 분석 시뮬레이터를 활용하여 조류 환경에서의 제안된 운돔 모델, 제어 모델 및 항법 모델의 성능을 검증하고 그 결과를 제시하였다.
본 논문에서는 포텐셜 기법^[12]을 기반으로 하는 경로계획 기법 모델을 설계하였다. 경로계획 모델의 기본적인 개념은 Key waypoint 들이 주어 졌을 때, 각각의 Key waypoint들 사이의 중간 경유점을 생성하는 하는 것이다.

가설 설정

본 논문에서 개발한 시뮬레이션 모델을 검증하기 위하여 개발 완료된 무인 잠수정 체계 성능 분석 시뮬레이터^[13]에 직접 모델을 장착하고 다양한 조류 환경에서 에서 기뢰 탐색 작전을 수행하는 무인잠수정을 가정하고 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
에 제시되어 있는 무인잠수정의 6자유도 운동 방정식을 사용하여 유도하였다. 수식의 간략화를 위하여 부력중심에 원점을 두었으며, 상하좌우 대칭이라 가정 하였다.
시뮬레이션은 길이 4 km 폭 1 km 해역을 200 m 간격으로 ‘ㄹ’자 형태로 수심 20 m에서3 노트로 기뢰 탐색 작전을 수행한다고 가정하였다.

제안 방법

2 m 길이를 가지는 1축 추진기 탑재 어뢰형 무인 잠수정의 유체동역학적 특성을 이용하여 6 m 내외 길이의 대형 어뢰형 무인 잠수정 운동 모델, 유도제어 모델, 경로계획 모델 항법 모델을 개발하였으며, 실제 수중 운동 환경을 모사하기 위한 조류 모델을 개발하였다. 개발된 모델들의 성능을 검증하기 위하여 다양한 조류 환경에 대한 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 제시하였다.
수직면 제어를 위해서는 목표 수심과의 현재 관측 수심과의 오차를 최소화하는 승각타각 산출하는 PID 제어기를 설계하였다. 무인잠수정의 전진 속도 제어를 위한 별도의 되먹임 제어기는 없으며, 단순히 원하는 속도를 입력받아 미리 정해진 RPM을 출력하는 방법을 이용하였다.
본 논문에서 사용된 조류 모델은 REMUS의 운동 속도와 조류 속도의 상대차를 이용한 상태 속도를 구하는 형태로 구현되었다. REMUS의 운동 속도를[uvw]^T라고 하고 조류 속도를 [u_c v_c w_C]^T라 하면 조류 영향을 받는 상태 속도[u_c v_c w_C]^T는 다음과 같이 계산된다.
전역 경로기법은 Key waypoint가 설정 되었을 때, 미리 알려진 장애물 정보를 바탕으로 지역해가 없는 경로계획을 수행하는 것이며, 지역 경로계획은 알려지지 않는 장애물에 대하여 경로계획을 수행하는 것이다. 본 논문에서 제시된 경로계획 계획 모델은 시뮬레이터 적용 시 사용자가 Key waypoint를 생성하고 관리할 수 있어야 하기 때문에 전역 경로계획은 수행하지 않고 생성된 Key waypoint들에 대한 지역 경로계획만을 수행하도록 설계하였다. Fig.
유도 추적을 위해서는 무인잠수정의 운동 특성을 고려한 제어 오차 모델이 필요하다. 본 논문에서는 운동 제어기 설계를 위해서 제어에 필요한 경로 오차를 아래 Fig. 2와 같이 CTE(Cross Track Error)을 정의 하고 이를 최소화 하는 제어기를 설계하였다. CTE를 산정한 이유는 수평면 운동에서 선수제어 각과 경로 오차를 함께 고려할 수 있기 때문이다.
수직면 제어를 위해서는 목표 수심과의 현재 관측 수심과의 오차를 최소화하는 승각타각 산출하는 PID 제어기를 설계하였다. 무인잠수정의 전진 속도 제어를 위한 별도의 되먹임 제어기는 없으며, 단순히 원하는 속도를 입력받아 미리 정해진 RPM을 출력하는 방법을 이용하였다.
본 논문에서는 PID 제어 기법을 기반으로 작성 수평면 제어와 수직면 제어 분리하여 개발하였다. 수평면 제어를 위해서는 CTE를 최소화 하도록 방향타각 산출하는 PID제어기를 설계하였다.
에 제시한 REMUS의 주요 유체력 계수를 적용하여 추정하였다. 추정 방법은 목표로 하는 LMRS급 무인잠수정과 REMUS의 제원을 비교하여 유체력에 가장 큰 영향을 주는 인자인 Aspect ratio을 일치시키고 이에 따른 스케일비 3.2를 사용하여 주요 유체력 계수들을 무차원화하여 스케일비에 맞추어 확장하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 우리 해군 소해 작전에 사용을 목표로 개발하고자하는 무인잠수정으로 길이 6 미터 내외, 지름 60 cm 내외이며 1축 추진기를 가진 어뢰형 무인 잠수정 선택하였다. 소해작전 특성상 작전 해역에서 장시간 운용이 가능하여야 하기 때문에 미국 해군이 개발한 Long Term Mine Reconnaissance System(LMRS) (Fig.

이론/모형

REMUS의 항법의 모사하기 위해 실제 REMUS의 값에 항법 에러를 더하는 형태의 항법 모델을 사용하였다. 운동 모델이 주어질 때, 수치해석 기법을 통해 얻어진 현재 위치 값 [xyz]^T이 있다고 할 때, 항법 모델로 얻어진 위치 값 [x_I y_I z_I]^T값은 다음과 같은 상한값을 갖는 랜덤 값으로 설정된다.
목표 무인잠수정의 운동 모델은 식 (1)～(6)과 같이 참고문헌^[9]에 제시되어 있는 무인잠수정의 6자유도 운동 방정식을 사용하여 유도하였다. 수식의 간략화를 위하여 부력중심에 원점을 두었으며, 상하좌우 대칭이라 가정 하였다.

성능/효과

7과 의 표시되어 있는 사전 계획 경로를 살펴보면 사전에 입력된 조류 정보를 이용하여 key waypoint를 통과하는 경로가 생성되고 있음을 확인할 수 있다. 또한 무인 잠수정이 생성된 경로에 대해서 조류에서 방향 전환 시 일부 경로가 생기지만, 오차 누적 없이 예정 경로로 복귀하여 기동하고 있음을 확인할 수 있다.
9의 사전 계획 경로가 사전에 입력된 조류 정보를 이용하여 key waypoint를 통과하는 경로가 생성되었음 역시 확인할 수 있다. 또한 실제 무인 잠수정이 이동한 경로는 길이 방향 조류로 인해서 지속적으로 영향을 받고 있어 계속 오차가 발생하지만, 경로 발산 없이 예정 경로로 복귀하여 기동하고 있음을 확인할 수 있다.
6과 마찬가지로 위치 오차가 두 경우 모두 발산하지 않고 일정한 범위 내에서 제한되고 있음을 확인할 수 있다. 이처럼 위치 오차가 일정한 범위 내에서 제한되고 있다는 점에서 본 논문에서 제안된 시뮬레이션 모델이 조류 환경에서도 강인 모델로 사용될 수 있음을 확인할 수 있다.

후속연구

향후 과제로 기뢰 탐색 작전에 적합한 운용 개념 및 제원을 개발하기 위한 효과도 분석에 적용할 계획이며 검증된 운동 모델 등을 반영한 무인잠수정을 설계 및 제작하여 예인 수조 등에서의 저항 추진 시험 및 실제 해상 시험을 통한 실제 환경에서의 모델의 적절성 검증을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인잠수정의 장점은 무엇인가?	해양 자원 개발을 위한 해양 탐사 활동에서 활용도가 높아지고 있는 무인잠수정(UUV : Unmanned Underwater Vehicle)은 국방 분야에서도 기뢰 탐색 작전과 같이 인명 손실을 가져 올 수 있는 작전에 대해서는 무인화를 통한 인명 손실 방지 및 감시 정찰 작전과 같은 긴 작전 시간을 요구하는 임무에서는 유인 함정과 비교 해봤을 때 장시간 운용 가능한 특성 때문에 보다 효율적인 작전 운용이 가능하기 때문에 사용이 증대될 것으로 기대되고 있다[1]. 이러한 이유에서 미 해군은 무인잠수정을 활용하는 작전 개념을 수립하고 작전 개념에 적합한 무인잠수정 개발 계획을 가지고 있다[2].
	기뢰 탐색 작전 및 감시 정찰 작전에는 어떤 잠수정이 적합한가?	실제로 미 해군은 기뢰 탐색 작전에 민수용으로 개발된 무인 잠수정을 활용하기 시작했다[3]. 기뢰 탐색 작전 및 감시 정찰 작전 등은 장시간 운용 시간을 요구하기 때문에 국방 임무에는 길이 1 m 내외 소형 무인잠수정 보다는 길이 6 m 내외의 대형 무인잠수정이 적합하다고 할 수 있지만, 현재 민수 무인잠수정에 대한 시장은 대형 무인잠수정 보다는 소형 무인잠수정 위주로 구성되어 있기 때문에 소형 무인잠수정에 비해서 대형 무인 잠수정에 대한 연구 및 개발이 미진하지만, 향후 개발에 대한 요구는 증대되고 있다. 대형 무인잠수정 개발 시 선결되어야 하는 문제가 무인잠수정에 요구되는 임무에 적합한 무인잠수정 및 임무에 필요한 각종 장비에 대한 제원을 결정하는 것이다.
	모델링과 시뮬레이션 기반의 무인잠수정용 시뮬레이터들은 어떻게 활용되고 있는가?	현재 개발되어 있는 M&S 기반 무인잠수정용 시뮬레이터들은 대부분 설계 완료된 무인 잠수정의 운동 모델 등을 수조 시험 및 실해역 시험 이전에 검증하는데 활용되고 있거나 연구 목적으로 개발되어 실제 무인 잠수정이 없는 경우, 이를 활용하여 학술 및 연구 목적으로 활용되고 있다[5～8]. 이처럼 학술적 연구 목적 등을 위한 시뮬레이터 효과도 분석을 통하여 요구사양 검증 및 초기 제원 도출을 통한 무인 잠수정의 개발 과정에 반영하는 경우는 매우 드문 현실이다.

참고문헌 (13)

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T. I. Fossen, Marine Control Systems, Marine Cybernetics, 2002.
황아롬, 김문환, 김찬기, 이심용, 윤재문, "성능분석 시뮬레이션을 위한 어뢰형 무인잠수정 운동 모델 및 유도 제어 모델 연구", 2010년도 한국해양과학기술협의회 공동학술대회 논문집, 2010.
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A. Alvares, A. Caiti, and R. Onken, "Evolutionary Path Planning for Autonomous Underwater Vehicle in a Variable Ocean", IEEE Jousrnal of Oceanic Engineering, Vol. 29, No. 2, pp. 216-227, 2004.
황아롬, 김문환, 이심용, 윤재문, 김찬기, "무인잠수정 기뢰 탐색 효과도 분석," 한국군사과학기술학회지, 제14권 제5호, pp. 781-787, 2011.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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