Optimal hovering control of an underwater robot with redundant tilting thrusters

Abstract

Hovering control of an underwater robot is a challenging problem due to the high disturbances of ocean flow. To overcome the high disturbance, a new underwater robot with tilting thrusters was proposed previously, which can compensate for disturbance by focusing the thrusting force in the direction of the disturbance. However, the tilting motion of the thrusters makes the system nonlinear, and the limited tilting speed sometimes makes the robot unstable. Previous robot could not implement 6-DOF motion at the same time due to various problems such as mechanism structural problems and controller problems applied to it. Because of this, previous robot not only have unstable hovering motion, but also have the potential to diverge when there is a large disturbance like ocean currents. Therefore, an optimal mechanism is required to compensate for the disturbance by concentrating the thrust force in that direction and an optimized controller is necessary. The problem analysis of the previous robot was carried out first. The previous control algorithm, which uses non-continuous tilting angles and controls only 3-DOF, makes robots unstable. In addition, the constraints that each of the front and rear producers operates simultaneously limit the force and moment that the robot can create. Based on this analysis, a tilting mechanism with redundancy was newly designed to improve the hovering performance of the robot. In addition, experiments were conducted to know the actual dynamic motion of this tilting mechanism. The actual model of the tilting thruster was obtained. A new controller suitable for this robot is proposed by reflecting the model of the actual tilting thruster and finding the optimal solution using the redundancy. Based on the dynamic model, the nonlinear force input term of the tilting thrusters is decomposed in the horizontal and vertical directions. Based on the decomposition, the solution is determined by a pseudo-inverse and null-space projected gradient method. The final solution can be found by minimizing thrust force and avoiding sharp control input in tilting angles. The positioning and hovering was simulated to validate the proposed controller and simulations show feasibility of the control system. The ability of optimal hovering control is verified with the experiment in water tank. By comparing to a selective switching-PD controller, results of improved hovering performance are also presented. The experimental results also show that the hovering performance has improved compared to the selective switching-PD controller.

해류와 같은 큰 외란으로 인해 수중 로봇의 호버링 제어는 어려운 문제이다. 큰 외란을 극복하기 위한 방법으로 틸팅 추진기가 장착된 수중 로봇이 개발되었으며, 이 로봇은 외란방향으로 추진력을 집중시켜 외란을 보상할 수 있다는 장점을 가진다. 그러나 추진기의 틸팅 동작은 시스템을 비선형으로 만들어 시스템을 복잡하게 하고, 틸팅 추진기의 속도 포화로 인해 로봇이 불안정해질 수 있다. 이전의 로봇은 메커니즘 구조적인 문제와 로봇에 적용된 제어기의 단점 등으로 동시에 6자유도를 구현할 수 없었다. 이 때문에 이전의 로봇은 불안정한 호버링 모션을 할뿐만 아니라 해류와 같은 큰 외란이 있을 때 발산할 가능성을 여전히 가지고 있다. 따라서 외란방향으로 추진력을 집중시켜 외란을 보상할 수 있는 최적의 메커니즘과 이에 적합한 최적화된 컨트롤러가 요구된다. 이전의 로봇의 문제 분석이 먼저 수행되었다. 불연속적인 틸팅각을 사용하며 선택적으로 3자유도씩만 제어되는 알고리즘은 로봇을 불안정하게 만든다. 또한 앞뒤의 추진기가 각각 동시에 돌아가는 구속조건으로 인해 로봇이 만들 수 있는 힘과 모멘트가 제한된다. 틸팅 추진기의 속도 포화 또한 로봇에 좋지 않은 영향을 주는 것이 확인되었다. 이의 분석을 기반으로 로봇의 호버링 성능을 향상시키기 위하여 여유자유도를 갖는 틸팅 메커니즘을 새롭게 설계하였다. 또한 이러한 틸팅 메커니즘의 실제 동적 거동을 알기 위하여 실제로 실험을 수행하였다. 틸팅 추진기의 실제 동작 모델을 구하였다. 실제 틸팅 추진기의 모델을 반영하고 여유자유도를 이용하여 최적의 해를 찾는 방법을 사용하여 이 로봇에 적합한 새로운 컨트롤러가 제안되었다. 동적 모델에 기초하여, 틸팅 추진기의 비선형 입력 힘은 수평 및 수직 방향으로 분해된다. 이 분해된 벡터에 기초하여, 솔루션은 의사 역행렬 및 널 스페이스 솔루션에 의해 결정된다. 제어기는 추진력을 최소화하면서도 틸팅각의 급격한 변화를 줄여 틸팅 속도의 한계를 극복하는 최종 솔루션을 도출한다. 제어기를 검증하기 위해 위치와 자세를 일정하게 유지하는 호버링 모션을 시뮬레이션했으며, 시뮬레이션 결과는 6자유도 호버링 움직임의 실현 가능성을 보였다. 수조에서의 실험으로 최적 제어기의 성능을 검증하였으며, 뿐만 아니라 외란하에서의 실험을 통해 제어기의 강인함도 확인하였다. 또한 선택적 스위칭 제어기와 비교하여 향상된 호버링 움직임 결과를 제시하여 호버링 제어 능력이 향상되었음을 증명하였다.