[논문]VPMM 시험을 통한 무인 수중 글라이더 모형의 동유체력 계수 추정에 관한 연구

정진우; 정재훈; 김인규; 이승건

doi:10.5574/ksoe.2014.28.2.119

VPMM 시험을 통한 무인 수중 글라이더 모형의 동유체력 계수 추정에 관한 연구
Experimental Study on Hydrodynamic Coefficients of Autonomous Underwater Glider Using Vertical Planar Motion Mechanism Test 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.28 no.2 = no.117, 2014년, pp.119 - 125

정진우 (부산대학교 조선해양공학과) , 정재훈 (부산대학교 조선해양공학과) , 김인규 (부산대학교 조선해양공학과) , 이승건 (부산대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A vertical planar motion mechanism(VPMM) test was used to increase the prediction accuracy for the maneuverability of an underwater glider model. To improve the accuracy of the linear hydrodynamic coefficients, the analysis techniques of a pure heave test and pure pitch test were developed and confirmed. In this study, the added mass and damping coefficient were measured using a VPMM test. The VPMM equipment provided pure heaving and pitching motions to the underwater glider model and acquired the forces and moments using load cells. As a result, the hydrodynamic coefficients of the underwater glider could be acquired after a Fourier analysis of the forces and moments. Finally, a motion control simulation was performed for the glider control system, and the results are presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 최근 국내 다수의 연구기관에서도 무인 수중 글라이더 개발을 목적으로 핵심기술 개발에 박차를 가하고 있는 상황이다. 본 논문에서는 수중 글라이더의 자율제어를 위한 조종운동방정식에 필요한 유체력 미계수들을 찾는데 목적이 있으며, 이 유체력 미계수를 추정하기 위해 VPMM(Vertical planar motion mechanism) 시험을 실시하였다. VPMM 시험은 Heave와 Pitch 운동에 관련된 부가질량과 감쇠력 등을 함께 구하는 시험으로서 잠수 운동체와 선박 등의 설계에서 정확한 조종 성능의 추정을 위해 활용되고 있다(Lee and Kwon, 2002).

제안 방법

따라서 본 논문에서는 수중 글라이더 모형을 속도 U로 예인하면서 순수 상하동요운동(Pure heave motion), 순수 종동요운동(Pure pitch motion)운동을 각각 부가하였고, 이때 부가되는 힘과 모멘트를 모형의 선수 ⋅ 선미 부분에 장착된 로드셀을 이용하여 데이터를 획득하였다. 그리고 퓨리에 해석을 통한 수중 글라이드 모형의 선형 유체력 미계수들을 추정하였으며, 본 실험을 통해 추정한 유체력 계수를 이용하여 운동 제어시뮬레이션을 실시하였다.
따라서 본 논문에서는 수중 글라이더 모형을 속도 U로 예인하면서 순수 상하동요운동(Pure heave motion), 순수 종동요운동(Pure pitch motion)운동을 각각 부가하였고, 이때 부가되는 힘과 모멘트를 모형의 선수 ⋅ 선미 부분에 장착된 로드셀을 이용하여 데이터를 획득하였다.
속도, 피치 각변위 모두 0에서 시작한다. 목표 조건은 수심 100m 까지 하강을 한 후, 100m에서 자세를 유지하도록 설정하였다.
본 논문에서는 VPMM 시험을 통해 수중 글라이더 모형의 Heave-Pitch에 관련된 부가 질량력, 부가관성 모멘트, 감쇠력 및 감쇠 모멘트를 계측하였으며, 이 계측 결과로부터 Table 5와 같이 수중 글라이더의 동유체력 미계수를 얻었다.

이론/모형

수중 글라이더에 적용되는 6 자유도 운동방정식은 REMUS(Remote Environmental Monitoring Unit) 모델(Prestero, 2001)의 운동방정식을 채택하였으며, 본 실험의 해석에 이용된 운동방정식은 선형항만을 고려한 Heave-Pitch 연성 운동방정식을 사용하였다. 이에 관한 식은 다음과 같이 표현된다.
은 x방향의 무게중심과 부력중심 좌표를 각각 나타낸다. 시뮬레이션을 위해 MatLab 프로그램을 이용하여 PD(Proportionalderivative) 제어를 하였다. 시뮬레이션 시간은 120초 이고, 샘플링은 0.
앞서 구한 동유체력 계수들과 REMUS(Remote environmental monitoring unit) AUV(Autonomous underwater vehicle)의 계수 추정식(Prestero, 2001)에 따른 유체력 계수들을 이용하여 시뮬레이션을 실시하였다. 비선형항을 고려한 운동방정식은 다음 식(31) ~ 식(36)과 같이 정의한다.
여기서 표시된 위첨자 ′(Prime)은 각 계수들의 무차원수를 의미하고, 무차원화 방법은 미국대한조선학회(SNAME)의 Prime-I system을 채택하여 사용하였다.

성능/효과

본 VPMM 시험을 통해 구한 선형 유체력 미계수(Zẇ′, Mẇ′, Zq̇′, Mq̇′)와 REMUS AUV의 계수 추정식을 이용하여 완성된 6자유도 운동방정식을 이용하여 시뮬레이션을 실시하였고, 설계된 심도에서의 제어가 잘 수행되는 것을 확인할 수 있었다.
′)와 REMUS AUV의 계수 추정식을 이용하여 완성된 6자유도 운동방정식을 이용하여 시뮬레이션을 실시하였고, 설계된 심도에서의 제어가 잘 수행되는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 부가질량력 계수의 경우, 주기가 커질수록 계수값이 감소해짐을 보이는 반면에 Heave방향의 감쇠력 계수의 경우, 주기가 커질수록 점차 증가함을 보였다. 그리고 부가질량력이 모형 질량의 약 120%로 나타났으며 이는 수중 글라이더 모형의 긴 꼬리날개에 기인한 영향으로 판단된다.

후속연구

그리고 부가질량력이 모형 질량의 약 120%로 나타났으며 이는 수중 글라이더 모형의 긴 꼬리날개에 기인한 영향으로 판단된다. 향후 운동성능의 향상을 위해 꼬리날개의 위치, 형상, 크기 변화 등을 실시하여 그 변화와 동유체력 미계수들과의 상호 연관성 및 운동성능의 변화 등을 연구할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중 글라이더는 무엇인가?	수중 글라이더는 바다 속을 다니면서 해양 생태계와 해저 지형 등을 탐색 및 정찰 할 수 있는 에너지가 적게 드는 최신장비이다. 또한 최근 국내 다수의 연구기관에서도 무인 수중 글라이더 개발을 목적으로 핵심기술 개발에 박차를 가하고 있는 상황이다.
	순수 종동요 운동에서 선체 중심 귀적은 어떠한 모양으로 운동하는가?	순수 종동요 운동은 Fig. 3에서 나타낸 바와 같이 선체 중심 궤적이 정현운동(Sinusoidal motion)의 모양으로 운동하고, 선체가 정현적인 회두 운동을 한다. 따라서 합속도 U의 방향은 항상 선체 중심선의 방향이고 이를 Pure Pitch라 부른다.
	VPMM(Vertical planar motion mechanism) 시험은 무엇을 위해 활용되는가?	본 논문에서는 수중 글라이더의 자율제어를 위한 조종운동방정식에 필요한 유체력 미계수들을 찾는데 목적이 있으며, 이 유체력 미계수를 추정하기 위해 VPMM(Vertical planar motion mechanism) 시험을 실시하였다. VPMM 시험은 Heave와 Pitch 운동에 관련된 부가질량과 감쇠력 등을 함께 구하는 시험으로서 잠수 운동체와 선박 등의 설계에서 정확한 조종 성능의 추정을 위해 활용되고 있다(Lee and Kwon, 2002). 한편, 국내에서는 수상선을 대상으로 한 구속모형시험(Yun and Kim, 2012; Shin and Choi, 2011) 또는 시스템 식별법을 이용한 유체력 계수 추정에 관한 연구(Lee and Kwon, 2002; Yoon and Son, 2004) 등이 있으나, 본 논문의 수중 글라이더 모형에 대한 VPMM 시험은 매우 드문 사례이다.

참고문헌 (7)

Lamb, S.H., 1945. Hydrodynamics. 6th Edition. Dover Publications, 152-155.
Lee, T.I., Kwon, S.H., 2002. A Study on Practical PMM Test Technique for Ship Maneuverability Using System Identification Method. Journal of Ocean Engineering and Technology, 16(6), 25-31.
Newman, J.N., 1978. Marine Hydrodynamics. The MIT Press, Cambridge, 144-148.
Prestero, T.J., 2001. Verification of a Six-degree of Freedom Simulation Model for the REMUS AUV. Master's Thesis, Massachusetts Institute of Technology/Woods Hole Oceanographic Institution, Departments of Ocean and Mechanical Engineering.
Shin, H.K., Choi, S.H., 2011. Prediction of Maneuverability of KCS Using Captive Model Test. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(5), 465-472.

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Yoon, H.K., Son, N.S., 2004. Estimation of Roll Related Coefficients of a Ship by Using the System Identification Method. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 41(4), 53-58.

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Yun, K.H., Kim, Y.G., 2012. Study on the Maneuverability of Barge by Captive Model Test. Journal of Korean Navigation and Port Research, 36(8), 613-618.

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