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무인잠수정의 조류 외란을 고려한 경로 추종 제어기 설계

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Authors

이주호

Advisor
김용환
Major
공과대학 조선해양공학과
Issue Date
2017-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
어뢰형 무인잠수정3차원 경로 추종조류 외란모델링 불확실성유도 법칙인공신경망적응 제어PCH 기법
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 공과대학 조선해양공학과, 2017. 8. 김용환.
Abstract
작동기수가 부족한 대표적인 운동체인 어뢰형 무인잠수정의 경로 추종 문제는 비선형성이 큰 시스템의 특성으로 인해 비선형 제어 분야에서 다양하게 연구되었다. 운항속도가 느리고 제어판의 크기가 상대적으로 작아 외란의 영향이 큰 구조적 특징으로 인해 조류와 같은 미지의 환경 외란과 모델링 불확실성은 어뢰형 무인잠수정의 경로 추종 문제에 있어서 극복해야하는 과제로 떠올랐다. 이를 해결하기 위해 복합 시선각 유도(Augmented LOS guidance) 기법 등 외란의 영향을 보상할 수 있는 유도 방식을 채택하거나 리아프노프 기법(Lyapunov method)을 활용한 제어 기법, 적응 제어 기법(Adaptive control) 등을 활용한 다양한 경로 추종 제어기가 제안되어왔다.
본 논문은 경로에 접하고 있는 경로 좌표계상에서의 경로 이탈 오차 값과 무인잠수정의 선체고정좌표계에서 측정되는 속도 성분들을 이용하여 목표 선수각(Desired angle)을 계산하는 새로운 형태의 비선형 유도 방식을 제안하였다. 시스템의 안정성을 위해 유도 법칙 계수가 이용되었으며, 리아프노프 안정성 이론을 이용하여 제안된 유도 방식의 경로 수렴성을 증명하였다. 제안된 유도 방식은 미끄러짐 속도(Side-slip velocity)가 존재하지 않는 경우 경로 추종에 가장 많이 활용되는 방식인 시선각 유도 법칙(LOS guidance)과 같은 형태를 띠게 된다.
2차원 직선 경로에 대한 경로 추종 시뮬레이션을 통해 시선각 유도(LOS guidance), 그리고 강화 시선각 유도 기법의 하나인 적분-시선각 유도(Integral-LOS guidance) 방식과 성능을 비교분석 하였다. 퍼센트 오버슈트(% Overshoot)와 경로 이탈 오차에 대한 비용 함수, 정상상태 오차(Steady-state error), 방향타 속도(Rudder rate)에 대한 비용 함수 등을 비교 분석한 결과, 제안된 유도 방식은 조류의 영향이 없는 환경에서는 다른 유도 방식과 비슷한 성능을 보였지만 조류가 있는 환경에서는 오버슈트와 경로 이탈 오차의 측면에서 성능이 뛰어남을 보였다.
모델링 불확실성과 미지의 외란을 고려하기 위해 제안된 유도 방식을 신경회로망 기반 적응 제어 기법에 적용하여 최종적인 경로 추종 제어기를 설계하였다. 작동기의 위치와 속도 포화도(saturation)에 따른 시스템의 비선형성에 신경회로망이 적응하여 성능이 저하되는 것을 방지하기 위해 PCH 기법을 사용하였다.
무인잠수정의 일반적인 구조적 특징에 따라 횡동요 운동이 생략된 5자유도 운동을 고려하였다. 또한 크기가 일정하고 비회전성인 조류 조류의 속력이 무인잠수정의 속력보다 작고 무인잠수정의 추력은 일정하다는 가정 하에 조류에 대한 외력을 조류에 대한 상대속도를 이용하여 단순화하였다. 조류에 대한 상대속도와 관련된 유체력 미계수와 조류 속도를 미지의 값으로 설정한 후, 운동방정식을 모델링이 된 항과 모델링되지 않은 항으로 구분하였다. 3차원 곡선 경로에 대한 경로 추종 시뮬레이션을 수행한 결과, 제안된 경로 추종 제어기의 적응 신호(Adaptive signal)가 운동방정식의 모델링 되지 않은 항에 수렴하는 것을 보였으며, 수평방향 경로 이탈 오차 0.1m 이내, 중력의 영향이 작용하는 수직방향의 경로 이탈 오차는 2m 이내로 충분히 우수한 경로 추종 성능을 보였다.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/137428
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering (조선해양공학과)Theses (Master's Degree_조선해양공학과)
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