비선형 관측기를 이용한 무인 잠수정의 유체동역학 계수 추정

Abstract

Hydrodynamic coefficients strongly affect the dynamic performance of an AUV. Thus, it is important to know the true values of these coefficients, in order to accurately simulate the AUV's dynamic performance. Although these coefficients are generally obtained experimentally, such as through the PMM test, the measured values are not completely reliable because of experimental difficulties and errors. Another approach, by which these coefficients can be obtained, is the observer method, in which a model-based estimation algorithm estimates the coefficients. In this paper, the hydrodynamic coefficients are estimated using two nonlinear observers: a sliding mode observer and an extended Kalman filter. Their performances are evaluated in Matlab simulations, by comparing the estimated coefficients obtained from the two observer methods, with the experimental values as determined from the PMM test. A sliding mode controller is constructed for the diving and steering maneuver by using the estimated coefficients. It is demonstrated that the controller, applied with the estimated values, maintains the desired depth and path with sufficient accuracy.최근 해양산업의 발전과 더불어 자율 주행하는 무인잠수정 (Autonomous underwater vehicle, AUV)의 필요성과 기술개발이 더욱 증대되고 있는 추세이다 (Wernli, 2002). 이러한 자율주행 무인잠수정을 설계하기 위해서는 우선 수학적인 모델을 이용하여 조종성능이나 제어성능을 해석하는 과정이 필요하다. 6자유도 운동방정식을 갖는 대부분의 무인잠수정의 수학적인 모델은 상당수의 유체동역학 계수 (Hydrodynamic coefficient)에 의한 힘과 모멘트로 모델링 되어 있다. 그러므로 성능해석을 위한 시뮬레이션에서는 이러한 유체동역학 계수의 정확한 값을 아는 것이 매우 중요하다.유체동역학 계수는 부가질량계수, 선형 감쇠계수 및 비선형 감쇠계수 등의 3가지로 구분되며 특히, 선형 감쇠계수는 무인잠수정의 조종성능에 가장 큰 영향을 미친다고 알려져 있다 (Sen, 2000). 이러한 계수들은 모형시험이나 수치계산 또는 경험식 등을 사용하여 계산하고 있으며, 그 중에서 모형시험 (PMM test)을 통해 계산된 값이 가장 타당한 것으로 인정되고 있다. 그러나 이 방법도 실험상의 어려움이나 계측장비의 오차 등으로 실제 값과 차이가 발생하게 된다.