This research illustrates the application of angular momentum of gyros in attitude control of underwater robots in consideration of underwater drag. Unlikely those commonly being used as sensors, the gyros show how their capabilities that generate torques as underwater actuators. Recently, actuators using the principle of angular momentum conservation have widely been utilized in attitude control of satellites and spacecrafts. CMGs as an internal torque actuator overcomes several drawbacks other external underwater actuators have. Control Moment Gyros(CMGs) creates large amount of torque compared to other internal actuators due to its mechanical structure. Here we demonstrate the attitude of underwater robot in accordance with Coriolis acceleration and angular momentum conservation. Instead of conventional methods which did not consider hydrodynamic effects into CMG dynamics, this study takes the factors of water drag, hardware saturation and viscosity into account and thus simulated the most feasible motion in fluid. It further analyzes of the controller which is designed to respond stably even with water drag corresponding to numerous underwater parameters and is finally simulated in time response.
CMG는 Control Moment Gyro의 약자로 회전하는 짐벌 위에서 고속을 회전하는 휠에 의해 토크를 발생하는 장치이다. 이는 코리올리 가속도와 각운동량 보존법칙에 의한 물리학적 원리에서 출발한다. 기존의 모멘텀을 이용한 자세 제어 용 구동기중에서 가장 많이 사용되는 구동장치인 반작용휠 (RW)에 비해 CMG는 더욱 많은 토크를 발생시킬 수 있고, 또한 정밀한 구동이 가능하다는 점에서 최근 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 CMG를 수중에서 사용되는 기존의 자세제어 구동기를 대체하면 여러 가지 단점을 극복할 수 있다. 본 연구는 저항이 거의 무시되는 환경에서 사용되었던 CMG를 수중환경에 도입함으로써, 운동 방정식에 저항력과, 하드웨어의 포화특성 및 점성을 도입하여 이에 대해 시뮬레이션 하고 성능을 평가하였다. 기존의 연구들이 접근한 운동방정식들로는 수중에서의 구동을 제대로 묘사할 수 없는 점에 기인하여, 수중에 적합한 파라미터를 추가함으로써 더욱 실제와 더욱 근접한 운동을 모사할 수 있었다. 그 결과, 수중 운동체의 자세가 안정화되기까지 시간이 더욱 소모된 반면 진동은 감소되어 안정성이 더욱 확보되었다. 보다 정확한 연구를 위해 수중 운동에 영향을 미치는 다른 요소들을 분석하여 이를 모델링화한 뒤, 운동 방정식에 적용을 하면 실제에 근접한 시뮬레이션이 될 수 있을 것이다. 또한 CMG의 특이성을 보다 적절히 회피하는 제어기를 설계하면 수중뿐만이 아니라 기타 유체속에서 원활한 운용을 원하는 장비에도 응용이 가능할 것으로 보인다.
