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만타형 자율무인잠수정의 운동성능 및 운동제어에 대한 실해역실험
Field Experiments for Dynamic Characteristics and Motion Control of a Manta-type Autonomous Underwater Vehicle 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.19 no.9, 2013년, pp.760 - 767  

김동희 (한양대학교 기계공학과) ,  박종현 (한양대학교 기계공학부) ,  김준영 (한국해양대학교 조선기자재공학부) ,  최형식 (한국해양대학교 기계에너지시스템공학부) ,  안진형 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we developed a Manta-type AUV (Autonomous Underwater Vehicle) and analyzed its control performance as well as its dynamic characteristics underwater. The nonlinear motion of equations, which are expressed in terms of hydrodynamic coefficients obtained by various experiments, are used ...

주제어

#Manta AUV   #motion control   #heading angle control   #depth control  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 잠수정의 이동경로를 제어하기 위해서는 일반적으로 잠수정의 수평면의 운동과 수직면의 운동을 분리하여 각각의 시스템을 독립적으로 제어하는 방법이 가장 많이 사용되고 있다[1,17]. 따라서 본 논문에서는 슬라이딩모드 제어알고리즘을 이용하여 잠수정의 진행 방향각을 제어하기 위한 제어기와 잠수정의 수심을 제어하기 위한 제어기를 각각 독립적으로 설계하여 잠수정의 수중에서의 전체 운동을 제어하도록 하였다.
  • 본 논문에서는 실해역의 수중에서 자율운항을 수행할 수 있도록 만타형 무인잠수정을 설계 및 제작하였다. 수중에서 무인잠수정의 운동을 제어하기 위해서, 슬라이딩모드 이론을 이용하여 수직타를 이용한 방향각제어와 수평타를 이용한 수심제어 알고리즘을 설계하였다.
  • 본 논문에서는 앞선 연구들에서 진행된 만타형 무인잠수정에 대한 비선형 6자유도 운동방정식 모델 및 운동제어에 대한 이론을 실제 실해역에서의 실험을 통하여 검증하도록 하였다. 즉, 유도된 6자유도 운동방정식의 시뮬레이션 결과와 수평면에서의 선회실험 및 지그재그 실험을 통하여 매우 유사한 선회반경과 오버슈트를 갖고 있음을 확인하였다.
  • 따러서 본 연구에서는 제어기에 사용된 외란 또는 모델의 불확실성을 나타내는 항으로써 오차범위의 한계값과 제어성능 및 안정성을 위한 제어기의 게인과 파라미터들도 마찬가지로 시행착오법을 통하여 설정하였다. 본 연구에서는 잠수정의 동적특성과 운동제어기의 성능을 확인하기 위하여 총 3가지의 실해역 실험을 수행하였다. 첫 번째로 만타형 무인잠수정에 대하여 제안된 방향각제어 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 수심제어는 수행하지 않고 수면에서 방향각제어만을 적용한 실험을 수행하였으며, 그 결과를 그림 6에 나타내었다.
  • 이상과 같이 방향각제어와 수심제어에 대한 시뮬레이션을 통하여 제안된 슬라이딩모드 이론을 적용한 만타형 무인잠수정의 운동제어기의 유효성을 확인할 수 있었으며, 이를 실제 실해역에서 잠수정의 운동제어에 대한 실험에 이용하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
잠수정의 수중에서의 위치정보를 획득하고 제어하기 위해서 어떤 센서가 필요한가? 수중에서는 잠수정의 이동 경로에 대한 정보를 측정할 수 있는 GPS 신호를 사용할 수 없기 때문에, 잠수정의 수중에서의 위치정보를 획득하고 또한 이를 제어하기 위해서는 DVL (Doppler Velocity Log), Magnetic-compass, Gyrocom-pass, IMU (Inertial Measurement Unit), 압력센서와 같은 여러 가지 센서가 필수적이다. 이와 같은 여러 가지 센서들의 출력값에 대한 정보들을 적절히 혼합하여 잠수정의 제어에 이용하게 된다.
유체력계수을 구하기 위한 실험의 한계는 무엇인가? 슬라이딩 모드 제어이론에서 사용되는 무인잠수정의 유체력계수는 다양한 실험을 통하여 구해진다. 하지만 이를 구하기 위한 실험을 수행할 때 발생할 수 있는 오차 또는 실해역에서는 조류 및 바람과 같은 외란이 존재하게 되며, 이를 수학적으로 정확하게 모델링하는 것은 불가능하다. 따러서 본 연구에서는 제어기에 사용된 외란 또는 모델의 불확실성을 나타내는 항으로써 오차범위의 한계값과 제어성능 및 안정성을 위한 제어기의 게인과 파라미터들도 마찬가지로 시행착오법을 통하여 설정하였다.
MTV의 설계 개념은 무엇인가? 현재 수중에서 운용되고 있는 무인잠수정들의 외형은 다양한 형태들이 존재하고 있으며[1-5], 그 중에서도 미해군에서는 1990년대 중반부터 MTV (Manta Test Vehicle)의 연구를 진행하였다. MTV의 설계 개념은 평상시에는 잠수함의 모선에 부착되어 있는 UUV가 필요할 경우 모선에서 분리되어 작전해역에서 주어진 임무를 수행하는 것이다.
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참고문헌 (17)

  1. A. Healey and D. Lienard, "Multivariable sliding-mode control for autonomous diving and steering of unmanned underwater vehicles," IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol. 18, no. 3, pp. 327-339, 1993. 

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  2. S. Mohan and A. Thondiyath, "A nonlinear tracking control scheme for an underactuated autonomous underwater robotic vehicle," International Journal of Ocean System Engineering, vol. 1, no. 3, pp. 120-135, 2011. 

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  3. J. Petrich and D. Stilwell, "Robust control for an autonomous underwater vehicle that suppresses pitch and yaw coupling," Ocean Engineering, vol. 38, pp. 197-204, 2011. 

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  4. C. Silvestre and A. Pascoal, "Depth control of the INFANTE AUV using gain-scheduled reduced order output feedback," Control Engineering Practice, vol. 15, no. 7, pp. 1-13, 2006. 

  5. J. Guo, F. C. Chiu, and C. C. Huang, "Design of a sliding mode fuzzy controller for the guidance and control of an autonomous underwater vehicle," Ocean Engineering, vol. 30, pp. 2137-2155, 2003. 

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  6. K. H. Sohn, S. K. Lee, and S. P. Ha, "Mathematical model for dynamics of manta-type unmanned undersea vehicle with six degrees of freedom and characteristics of maneuverability response," Journal of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 43, no. 4, pp. 399-413, 2006. 

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  7. H. D. Kim, J. Y. Kim, S. H. Kim, and S. K. Lee, "A study of the control system on the manta-type UUV," Journal of Navigation and Port Research, vol. 35, no. 5, pp. 359-363, 2011. 

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  8. J. H. Kim, S. K. Lee, S. E. Lee, and C. H. Bae, "A study of the depth control system and the collision avoidance system for the manta-type UUV," Journal of Navigation and Port Research, vol. 32, no. 6, pp. 447-452, 2008. 

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  9. Z. Feng and R. Allen, " $H_{\infty}$ autopilot design for an autonomous underwater vehicle," IEEE International Conf. on Control Applications, Glasgow, Scotland, U.K., pp. 18-20, 2002. 

  10. L. Lapierre, "Robust diving control of an AUV," Ocean Engineering, vol. 36, pp. 92-104, 2009. 

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  11. J. H. Li and P. M. Lee, "Design of an adaptive nonlinear controller for depth control of an autonomous underwater vehicle," Ocean Engineering, vol. 32, pp. 2165-2181, 2005. 

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  12. A. Bateman, J. Hull, and Z. Lin, "A backstepping-based low-and-high gain design for marine vehicles," International Journal of Robust and Nonlinear Control, vol. 19, no. 4, pp. 480-493, 2009. 

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  13. P. Ven, C. Flanagan, and D. Toal, "Neural network control of underwater vehicles," Engineering Applications of Artificial Intelligence, vol. 18, no. 5, pp. 533-547, 2005. 

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  14. S. T. Kwon, W. K. Baek, I. Kang, H. S. Choi, and M. G. Joo, "A study on way-point tracking of AUV using state feedback," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 17, no. 12, pp. 1183-1277, 2011. 

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  15. D. W. Kim, H. J. Lee, and J. Sur, "T-S fuzzy model-based waypoints tracking control of underwater vehicles," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 17, no. 6, pp. 526-530, 2011. 

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  16. V. P. Bui and Y. B. Kim, "Design of sliding mode controller for ship position control," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 17, no. 9, pp. 526-530, 2011. 

    원문보기 상세보기 crossref

  17. T. Fossen, Guidance and Control of Ocean Vehicles, Wiley, New York, 1994. 

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