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[국내논문] 확장칼만필터를 이용한 만타형 무인잠수정의 유체력계수 추정 및 운항제어기 설계
Navigation Controller Design and Hydrodynamic Coefficients Estimation for a Manta-type UUV Based on Extended Kalman Filter 원문보기

한국산학기술학회 2010년도 추계학술발표논문집 2부, 2010 Nov. 12, 2010년, pp.546 - 550  

김동희 (한양대학교 기계공학과) ,  김준영 (제주대학교 해양과학대학) ,  박종현 (한양대학교 기계공학과)

초록
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무인잠수정이 원하는 경로를 추종할 수 있도록 안정적인 운항제어를 수행하기 위해서는 잠수정의 동역학적 특성을 정확히 파악하는 것이 필요하다. 수중에서 거동하는 무인잠수정의 동역학적 특성은 제어입력뿐만 아니라 유체력계수에 의해 주로 결정되므로, 이러한 계수값을 정확하게 아는 것이 중요한 요소라 할 수 있다. 일반적으로 유체력계수는 PMM 시험과 같은 실험적 방법을 통하여 얻게 되지만 실험방법의 어려움과 실험장비들의 부정확성으로 인한 오차에 의하여, 얻어진 값들의 신뢰성이 많이 저하된다. 계수값들을 구할 수 있는 다른 방법으로는, 확장칼만필터 등과 같은 모델기반 추정 알고리즘을 통하여 유체력계수를 추정하는 것이다. 본 논문에서는 확장칼만필터를 이용하여 유체력계수를 추정하도록 하였으며, 설계된 추정 알고리즘의 성능을 검증하기 위하여 기존에 수행된 PMM 시험에 의해 얻어진 유체력계수의 실험값과 비교 분석하였다. 또한 본 논문에서는 만타형 무인잠수정을 이용하여 원하는 경로를 추종할 수 있도록, 추정된 유체력계수를 사용하여 수심제어 및 방향제어를 위한 슬라이딩 모드 제어기를 설계하였으며, 충분한 정확도를 가지고 원하는 경로를 추종함을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

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문제 정의

  • 따라서 유체력계수를 구할 수 있는 다른 방법으로 모델기반 추정 알고리즘을 통하여 계수를 추정하는 연구가 다양하게 진행되고 있다[3]. 본 논문에서는 확장칼만필터를 이용하여 무인잠수정의 동적 거동에 큰 영향을 미치는 선형감쇠계수를 추정할 수 있도록 하였다. 또한 추정된 유체력계수를 무인잠수정의 운항제어기를 설계할 때 사용하여 실제 실험에의 적용성을 높일 수 있도록 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
확장칼만필터는 무엇인가? 확장칼만필터는 선형칼만필터 이론을 비선형 모델로 확장하여 적용한 방법으로서, 플랜트 섭동이나 센서 잡음이 포함된 확률적인 시스템에서 최적으로 상태변수를 추정하는 방법이다. 또한 확장칼만필터를 시스템에 적용함에 있어서 미지의 파라미터 등을 일반 상태변수와 함께 추정하고자 할 때는 이를 상태변수로 변환하여 추정할 수 있는 방법도 있다.
유체력계수를 구할 수 있는 방법으로 모델기반 추정 알고리즘을 통하여 계수를 추정하는 연구가 진행되는 이유는 무엇인가? 해양산업의 발전과 더불어 자율 주행하는 무인잠수정의 필요성과 기술개발이 더욱 증대되고 있으며, 수행 목적에 적합한 무인잠수정을 설계하기 위해서는 잠수정의 조종성능과 제어성능을 수학적인 모델을 기반으로 해석해야 할 필요성이 있다[1,2]. 비선형성이 강한 잠수정의 수학적 모델에서 동적 특성에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 유체력계수이다. 따라서 잠수정의 정확한 동적 특성을 알기 위해서는 유체력계수들에 대한 정확한 정보가 필요하지만 일반적으로 수행하는 실험적인 방법들은 그 방법의 어려움과 실험장비들의 부정확성으로 인하여 얻어진 값들의 신뢰성이 많이 저하되며 또한 비용과 시간이 많이 소요된다. 따라서 유체력계수를 구할 수 있는 다른 방법으로 모델기반 추정 알고리즘을 통하여 계수를 추정하는 연구가 다양하게 진행되고 있다[3].
잠수정의 수학적 모델에서 동적 특성에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 무엇인가? 해양산업의 발전과 더불어 자율 주행하는 무인잠수정의 필요성과 기술개발이 더욱 증대되고 있으며, 수행 목적에 적합한 무인잠수정을 설계하기 위해서는 잠수정의 조종성능과 제어성능을 수학적인 모델을 기반으로 해석해야 할 필요성이 있다[1,2]. 비선형성이 강한 잠수정의 수학적 모델에서 동적 특성에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 유체력계수이다. 따라서 잠수정의 정확한 동적 특성을 알기 위해서는 유체력계수들에 대한 정확한 정보가 필요하지만 일반적으로 수행하는 실험적인 방법들은 그 방법의 어려움과 실험장비들의 부정확성으로 인하여 얻어진 값들의 신뢰성이 많이 저하되며 또한 비용과 시간이 많이 소요된다.
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