무인수중체의 가변 질량과 부력 고려 동력학 모델링 및 가변 영향 분석 연구
Dynamic Modeling and Analysis of Variable Mass and Buoyancy Effects in Unmanned Underwater Vehicles
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초록
무인수중체는 운용 중에 중량물 투하, 평형수 조절, 시료 채취 등의 임무를 수행하며, 운용 중에 질량과 부력이 변화하게 된다. 본 연구에서는 가변 시나리오를 고려한 6자유도 동력학 모델링 방법을 정립하였다. 평형수 충배수 메커니즘은 부력 변화로 모델링하였으며, 중량물을 투하할 때는 무인수중체의 질량이 변화하는 것으로 모델링하였다. 충수된 평형수는 무인수중체와 함께 움직이기 때문에 관성항에 고려해주어야 하며, 관성항 계산 시에만 평형수의 무게를 고려한 질량과 질량관성모멘트를 사용하였다. 일반적인 동력학 모델과 달리 가변 시나리오에서는 관성력, 중력, 부력, 질량과 질량관성모멘트의 변화율에 의한 외력을 동적 변수로 고려하여야 한다. 정립된 동력학 모델을 이용하여 중량물 투하, 평형수 충수 시나리오에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며, 시뮬레이션 시에는 자세나 심도 제어 없이 추진기의 회전수와 제어핀 각도는 일정한 값으로 고정하였다. 중량물 투하와 평형수 충수 시나리오에서는 수직면 방향의 힘인 중력과 부력이 변화하게 된다. 선회시험에서 무인수중체 질량의 0.25%에 해당하는 작은 중량물을 투하하더라도, 수평면 운동과 관련된 자세와 속도는 변하지 않았지만 상하동요 속도와 종동요 각도가 감소하며 심도 궤적의 변화가 확인되었다. 평형수 충수 시뮬레이션에서는 무인수중체의 질량 대비 2%의 평형수를 충수할 경우 상하동요 속도가 전후동요 속도와 비슷한 수준까지 증가하여 대영각 운동이 발생하였다.
Abstract
Unmanned underwater vehicles (UUVs) perform various tasks, such as weight drops, ballast water adjustments, and sample collections, which affect their mass and buoyancy. This study introduces a six-degree-of-freedom dynamic modeling method that accounts for scenarios involving variable mass and buoyancy. The ballast water intake and discharge mechanism is represented as a change in buoyancy, while weight drop operations are modeled as changes in the UUV’s mass. Since the ballast water moves with the UUV, it must be included in the inertial terms. The mass and moments of inertia, including the ballast water, are considered only in the inertial calculations. Unlike conventional dynamic models, the proposed variable dynamic model incorporates inertial forces, gravity, buoyancy, and forces resulting from changes in mass and moments of inertia as dynamic variables. Simulations for weight drop and ballast water intake scenarios were conducted using this dynamic model, with fixed propeller revolution rates and control fin angles. In both scenarios, vertical forces such as gravity and buoyancy varied. During the turning test, dropping a small weight equivalent to 0.25% of the UUV’s mass resulted in minimal change to horizontal motion, but the heave velocity and pitch angle decreased, indicating a shift in the depth trajectory. In the ballast water intake simulation, taking in ballast water equal to 2% of the UUV’s mass increased the heave velocity to a level comparable to the surge velocity, resulting in a significant angle of attack motion in the vertical plane.