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문제 정의
- 본 논문에서는 일반적인 UG에 외부 추진기를 추가하여 선택적으로 자항이 가능한 HUG를 설계하고, 글라이딩 운동 및 추진기를 사용한 자항운동의 원활한 동작 및 경로 제어를 위한 제어시스템을 설계 제작하였으며, 이를 적용하여 개발한 제어 시스템의 제어성능을 실험으로 검증하고자 한다. 이를 위해 2장에서는 HUG의 주항 개념을 설정하고, 3장에서는 HUG의 구조를 설계하였으며, 4장에서는 HUG를 구동하기 위한 하드웨어 제어시스템을 설계하였다.
- 본 논문은 UG에 외부 추진기가 장착되어 에너지 절감과 자체 추진을 통한 정밀 경로 탐색의 장점을 가진 HUG를 설계하였다. 그리고 내부의 구동부인 부력엔진과 자세제어기를 구동하고 각각의 센서 정보를 취득하기 위하여 하드웨어 제어시스템을 설계하였다.
- 마지막 실험은 HUG의 자세 제어 실험을 실시하였다. 본 실험은 선행된 실험의 데이터를 바탕으로 선체의 pitch를 일정 수치로 유지할 수 있도록 PD제어기를 이용하여 자세제어기를 정밀하게 제어하는 실험이다. 초기 동작 시에 선체의 부력을 음성으로 만들기 위해 부력엔진을 하한으로 기동한 뒤 고정 시킨다.
가설 설정
- 지구 자체의 공전과 자전에 의한 영향은 없는 것으로 가정하고 수중 로봇의 속도에 영향을 미치지 않는다고 가정한다. 지구 고정 좌표계는 관성 고정 좌표계(inertial fixed coordinates)이라고도 한다.
제안 방법
- DVL은 수중에서 잠수정의 속도를 계측하는 대표적인 센서 중 하나이다. 3 축의 속도 값을 도플러 효과에 의해서 최대 20 Hz의 속도로 계측하며, 계측된 값을 프로그램을 이용하여 적분하고 X, Y 변위를 구하게 된다.
- PD제어기를 설계하여 음성 부력인 선체의 자세제어기를 정밀하게 제어하여 선체의 목표 pitch가 25°가 되도록 제어하였다.
- 그 뒤에 자세제어기를 기동하여 선체의 pitch를 약 25°로 제어하도록 설정하였다.
- 본 논문은 UG에 외부 추진기가 장착되어 에너지 절감과 자체 추진을 통한 정밀 경로 탐색의 장점을 가진 HUG를 설계하였다. 그리고 내부의 구동부인 부력엔진과 자세제어기를 구동하고 각각의 센서 정보를 취득하기 위하여 하드웨어 제어시스템을 설계하였다. 또한 이를 정밀 제어하기 위하여 선체의 동역학 모델링을 실시하여 이를 바탕으로 제어 알고리즘을 구현하여 수조에서 HUG의 기초 성능 실험들을 수행하였다.
- 두 번째 실험은 HUG에 장착된 자세제어기 구동으로 인한 무게 질량의 변화에 따른 선체가 활강하는 pitch의 변화를 측정하는 실험을 실시하였다. 실험 시에 부력엔진은 선체가 음성 부력을 갖도록 하한 고정 후 자세제어기만 정밀하게 일정 구간을 기동하게하였다.
- 그리고 내부의 구동부인 부력엔진과 자세제어기를 구동하고 각각의 센서 정보를 취득하기 위하여 하드웨어 제어시스템을 설계하였다. 또한 이를 정밀 제어하기 위하여 선체의 동역학 모델링을 실시하여 이를 바탕으로 제어 알고리즘을 구현하여 수조에서 HUG의 기초 성능 실험들을 수행하였다.
- 또한 후자의 실험은 선체가 음성 부력 시에 자세제어기의 위치에 따른 pitch의 변화를 확인하였다. 자세제어기의 위치가 약 100 mm ~ 450 mm로 이동함에 따라 선체의 pitch가 약 35°~ 20°로 변하는 것을 확인하였으며, 이 실험의 데이터를 바탕으로 자세제어기의 위치에 따른 선체의 pitch를 대략적으로 추정하는 것이 가능해졌다.
- 마지막 실험은 HUG의 자세 제어 실험을 실시하였다. 본 실험은 선행된 실험의 데이터를 바탕으로 선체의 pitch를 일정 수치로 유지할 수 있도록 PD제어기를 이용하여 자세제어기를 정밀하게 제어하는 실험이다.
- 부력제어만으로 선체의 Pitch를 변화시켜 활강할 수 있지만, 최적의 활강 경로 조정과 수중에서의 자세 안정화를 위해서는 추가적인 자유도를 제어할 구동기가 필요하게 된다. 본 HUG는 그림 7과 같이 리니어 모션 시스템을 통하여 선체 내부의 무게 질량을 이동시켜 Pitch를 제어하여 주항 시에 수심제어를 가능하도록 한다.
- 본 HUG에서는 그림 6과 같이 피스톤으로 내부 체적을 확보하는 실린더방식을 채택하였고, 피스톤 작동에는 리니어 모션 시스템을 적용하여 정밀한 부력제어가 가능하도록 하였다. 선체가 하향 활강 시에는 중력보다 상대적으로 부력을 감소시키며, 반대로 상향 활강 시에는 중력보다 부력을 증가시킨다.
- 본 논문에서는 HUG의 글라이딩과 추진기를 사용하여 경로 및 속도를 제어하고 원하는 동작을 수행할 수 있도록 제어시스템을 구성하였다. 구성한 HUG의 제어시스템의 하드웨어 구성도는 그림 8과 같다.
- 선체의 자세 제어 실험을 위해 선행적으로 부력엔진의 성능 확인 및 활강 pitch를 측정하는 실험을 진행하였다. 선자의 실험을 통해 부력엔진의 피스톨이 중립으로부터 약 65 mm를 이동하였을 때 선체가 음성 부력이 되어 하향 활강하는 모습을 확인하였다.
- 수중 로봇의 수학모델을 정의하기 위해 선체를 강체라 가정하고, 그림 10과 같이 선체 고정 좌표계(body fixed coordinates)와 지구 고정 좌표계 (earth fixed coordinates)를 사용하였으며 선체 고정좌표계의 원점을 상하좌우의 중심부로 정하여 선수 방향을 x, 우현방향을 y, 수직 아래 방향을 z으로 하는 오른손 좌표계를 사용하였다.
- 위의 두 실험을 완료한 후 자세 제어 실험을 수행하였다. PD제어기를 설계하여 음성 부력인 선체의 자세제어기를 정밀하게 제어하여 선체의 목표 pitch가 25°가 되도록 제어하였다.
- 최근에는 미국과 중국에서 하이브리드 수중 글라이더(HUG; hybrid underwater glider)라는 더욱 진보된 무인 해양탐사 로봇을 개발하였다. 이것은 기존 UG에 비해 해류의 흐름이나 수면의 바람과 같은 외력의 영향을 적게 받으며, 목표해역 도달 성능 향상을 위해 기존의 부력제어 추진방식과 외부 추진기를 이용한 추진방식을 결합하였다. 그리하여 UG의 에너지 절감의 장점과 자체 추진을 통한 제어성능의 병합으로 활용방안이 확대되었으며, 정밀 경로 탐색이 가능하며 목표물 접근, 조류대응, 수중회수 등이 기존 UG에 비해 쉬워졌다.
- 이와 같이 두 가지의 실험을 실시한 뒤 자세 제어 시험을 진행하였으며, 모든 시험은 3 m × 4 m 크기의 외란이 없는 실내수조에 담수하여 진행하였다.
- 제어시스템은 크게 자율제어보드, 자세제어보드, 전원보드의 총 3개로 구성하였다. 자율제어보드는 각종 센서들의 인터페이스와 자율운항제어를 위한 기능을 담당하고, 자세제어보드는 각 구동부의 위치 및 On/Off 제어를 수행하며, 전원보드는 배터리와 DC-DC 변환기 등을 이용하여 제어보드에 적절한 전압의 전력을 공급하도록 구성하였다. 위와 같이 파트를 나눈 것은 각 파트가 정해진 임무만을 수행하여 만일에 발생할 수 있는 오류 사항을 줄이며, 추후 문제 발생 시 디버깅 및 수리가 용이하도록 나눈 것이다.
- 구성한 HUG의 제어시스템의 하드웨어 구성도는 그림 8과 같다. 제어시스템은 크게 자율제어보드, 자세제어보드, 전원보드의 총 3개로 구성하였다. 자율제어보드는 각종 센서들의 인터페이스와 자율운항제어를 위한 기능을 담당하고, 자세제어보드는 각 구동부의 위치 및 On/Off 제어를 수행하며, 전원보드는 배터리와 DC-DC 변환기 등을 이용하여 제어보드에 적절한 전압의 전력을 공급하도록 구성하였다.
- 첫 번째 실험은 부력엔진의 성능을 확인하기 위한 실험이며, 부력엔진의 기동에 따른 선체의 Pitch 변화를 확인하였다. 실험 시에 자세제어기는 중립에 고정 후 부력엔진만 음성 부력을 가지도록 기동하였다.
- 실험 시에 부력엔진은 선체가 음성 부력을 갖도록 하한 고정 후 자세제어기만 정밀하게 일정 구간을 기동하게하였다. 하지만 선체의 부력이 음성이면 선체가 물 밑으로 가라앉기 때문에 원활한 실험을 위해 선체 중앙에 줄을 달아 선체가 가라앉지 않도록 고정한 뒤 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 그림 4는 설계된 HUG의 외형도이다. HUG는 수심 200 m급을 목표로 선체는 외경 220 mm의 토피도(Topedo) 선형을 가지며, 총 길이는 1970 mm로 설계되었다. 양쪽 주날개의 외곽 끝점 간의 길이는 1040 mm, 러더 끝점에서 안테나 끝점 간의 길이는 580 mm, HUG의 총 중량은 약 50.
- 자세제어기 제어시스템이 제어하는 것은 무게 질량의 위치를 이동시켜 선체의 무게 중심을 조절하는 것이다. 무게 질량의 위치를 이동시키는 액추에이터로는 11 Watt DC 모터가 이용되었으며, 이를 제어하기 위해 50 Watt급 모터드라이브를 사용하였다.
- 부력엔진 제어시스템이 제어하는 것은 내부 피스톤의 위치를 이동시켜 부력량을 조절하는 것이다. 피스톤의 위치를 이동시키는 액추에이터로는 200 Watt DC 모터가 이용되었으며, 이를 제어하기 위해 200 Watt급 모터드라이브를 사용하였다.
이론/모형
- 앞서 소개한 수심 측정기는 해수면에서 선체까지의 거리를 측정하기 때문에 해저면과 선체 간의 거리를 계측할 수 있는 방법이 없어 글라이딩 주항 중에 해저면과 충돌을 할 수 있다. 때문에 측심기로부터 해저면까지의 거리 값을 계측하여 수중 글라이더의 해저면 충돌 회피 알고리즘에 사용된다. 본 HUG에 장착한 측심기의 계측 성능은 최대 감지거리 100 m이며, 빔폭은 20℃이다.
- 이후 자율제어보드의 명령에 따라 부력엔진의 피스톤을 이동시키는데 제어량 (controlled variable)은 PID제어 (proportional integral derivative control) 기법을 통해 제어해 준다.
- 자세제어기 제어시스템에 사용된 모터에 결합된 엔코더는 부력엔진과 같이 절대값 엔코더가 아니므로 초기 동작 시에 중심점을 맞춰주기 위하여 초기 시퀀스를 수행한다. 이후 자율제어보드의 명령에 따라 자세제어기의 배터리팩을 이동시키는데 제어량은 PID제어 기법을 통해 제어해 준다. 배터리팩이 이동 가능한 거리는 중심점으로부터±9.
성능/효과
- 그래프의 파란색 선은 선체의 Pitch, 빨간색 선은 선체의 목표 부력수치이며, 검은색 선은 선체의 현재 부력수치이다. 결과를 보면 부력엔진 하강 구동 명령에 따라 피스톤이 중립으로부터 약 65 mm를 이동하였으며, 그로인해 선체의 부력이 낮아져 선수가 앞으로 기울어지며 수중으로 하향 활강하는 모습을 보인 뒤 부력엔진 상승 구동 명령에 따라 다시 선체가 수면에 뜨는 모습을 볼 수 있었다. 이 실험을 통하여 HUG에 장착된 부력엔진이 선체의 부력을 충분히 조절할 수 있음을 확인하였다.
- 선자의 실험을 통해 부력엔진의 피스톨이 중립으로부터 약 65 mm를 이동하였을 때 선체가 음성 부력이 되어 하향 활강하는 모습을 확인하였다. 결과적으로 선체에 장착된 부력엔진이 부력을 조절하여 선체가 부상 및 잠항하는 것이 가능하였다.
- 이것은 기존 UG에 비해 해류의 흐름이나 수면의 바람과 같은 외력의 영향을 적게 받으며, 목표해역 도달 성능 향상을 위해 기존의 부력제어 추진방식과 외부 추진기를 이용한 추진방식을 결합하였다. 그리하여 UG의 에너지 절감의 장점과 자체 추진을 통한 제어성능의 병합으로 활용방안이 확대되었으며, 정밀 경로 탐색이 가능하며 목표물 접근, 조류대응, 수중회수 등이 기존 UG에 비해 쉬워졌다.
- 이러한 특징을 이용하여 수직 주항 시 선체 상/하의 장애물을 피해 일정 수심에서 주항하는 것이 가능하며, 수평 주항 시 강한 조류를 극복하거나 목표 해역에서 벗어났을 시 일반 주항보다 빠르게 주항 경로를 변경하여 기존의 경로로 돌아올 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 본 연구에서는 HUG의 추가 탑재 공간(payload)에 도플러 속도계 (DVL; doppler velocity log)를 장착하여 선체의 속도 성분을 보정해주어 기존의 UG에 비해 더욱 정밀한 경로 제어가 가능하다.
- 선체의 자세 제어 실험을 위해 선행적으로 부력엔진의 성능 확인 및 활강 pitch를 측정하는 실험을 진행하였다. 선자의 실험을 통해 부력엔진의 피스톨이 중립으로부터 약 65 mm를 이동하였을 때 선체가 음성 부력이 되어 하향 활강하는 모습을 확인하였다. 결과적으로 선체에 장착된 부력엔진이 부력을 조절하여 선체가 부상 및 잠항하는 것이 가능하였다.
- 실험 결과 선체가 물속으로 잠항한 후 약 90초 후에 목표 각도인 25°로 수렴됨을 확인하였으며, 이를 통해 선체의 정밀 자세제어 알고리즘의 신뢰성을 확인하였다.
- 실험 결과는 그림 17과 같으며, 결과 그래프에서 보이듯이 선체의 pitch가 자세제어기의 PD제어기에 의해 약 90초 후에 목표 각도인 25°로 수렴됨을 확인하였다.
- 위 3개의 그래프를 보면 자세제어기의 위치가 약 100 mm ~ 450 mm로 이동함에 따라 선체의 pitch가 약 35°~ 20°로 변하는 것을 확인할 수 있었다.
- 결과를 보면 부력엔진 하강 구동 명령에 따라 피스톤이 중립으로부터 약 65 mm를 이동하였으며, 그로인해 선체의 부력이 낮아져 선수가 앞으로 기울어지며 수중으로 하향 활강하는 모습을 보인 뒤 부력엔진 상승 구동 명령에 따라 다시 선체가 수면에 뜨는 모습을 볼 수 있었다. 이 실험을 통하여 HUG에 장착된 부력엔진이 선체의 부력을 충분히 조절할 수 있음을 확인하였다.
- 위 3개의 그래프를 보면 자세제어기의 위치가 약 100 mm ~ 450 mm로 이동함에 따라 선체의 pitch가 약 35°~ 20°로 변하는 것을 확인할 수 있었다. 이 실험을 통해 자세제어기의 위치에 따라 선체의 pitch를 대략적으로 추정 가능해졌다.
- 자세제어기의 위치가 약 100 mm ~ 450 mm로 이동함에 따라 선체의 pitch가 약 35°~ 20°로 변하는 것을 확인하였으며, 이 실험의 데이터를 바탕으로 자세제어기의 위치에 따른 선체의 pitch를 대략적으로 추정하는 것이 가능해졌다.
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