This dissertation presents guidance law of final approach for unidirectional docking of an underactuated AUV (Autonomous Underwater Vehicle) with drift.
The AUVs have been in the spotlight as devices to survey oceanography. The vehicle gets around without any physical connections in deep-sea and accomplish the tasks autonomously. Operation range is restricted by battery capability while amount of data is limited by mass storage device. To overcome these restrictions, underwater docking for battery recharge and communication technology have come to the fore. For safety docking, precise and robust guidance is demanded.
In this dissertation, guidance for unidirectional approach docking of an underactuated underwater vehicle with drift wii be considered and investigated.
Number of actuators of the vehicle are less than degrees of freedom to increase dynamic efficiency and to decrease weight and cost in many cases. Configuration of a slender body with two rudders and two elevators in the buttock including one propeller thruster is most typical. In this case, drift angle exists when there are ocean currents and the vehicle’s heading and course become different.
Unidirectional docking is analogous with landing of airplanes having constraints with respect to position, attitude and motion. But, if there is drift, control inputs to satisfying the constraint attitude and motion are in conflict with each other. Guidance laws considering this conflict and satisfying all contraints are proposed.
First, mathematical modeling of the underactuated AUV and ocean currents are introduced. Dynamic characteristics of the vehicle are shown.
Second, modeling of a docking station that permits only unidirectional approach is also introduced. By referring actual well-made docking stations, a funnel-shape entry section is modeled by using a sector. And constraints are also specified with respect to position, attitude and motion. This sector-form model of the docking station becomes a region where the vehicle has to pass satisfying the constraints and a sufficient condition region for a successful docking.
As the first step to docking-trial at sea, underwater experiments in a water basin using a small testbed AUV named ISiMI developed by KORDI are described. To discriminate the dock, a visual navigation system has been developed and installed. The visual navigation system estimates direction and distance using mono vision and a proper image processing. The experiments were conducted to show overall system validity for docking. But there was no current condition.
It is important to predict and compensate ocean currents for safety docking guidance. To achieve estimation of ocean currents, a nonlinear observer is designed and proved using Lyapunov method. Simulation results are included.
Finally, two guidance schemes for unidirectional docking to satisfying pre-described constraints under ocean currents are suggested. One is based on a conventional path following method. The conventional method generates drift angle to keep the vehicle on the path under ocean currents. However, as the contraint of attitude is not able to be satisfied with the drift angle, final alignment just before contact is demanded. Therefore, the conventional method is improved by inserting the final alignment phase. The final alignment phase imposes satisfaction with respect to the constraint of attitude without loosing another contraints eliminating drift angle just before docking contact.
The other method is a modification of a conventional LTG (Linear Terminal Guidance). The LTG is in the framework of optimal control but there is no compensation against ocean currents. An additional term is derived to compensate the effect of ocean currents by using the estimated values of the ocean current observer. The modified LTG by inserting the additional term guides the vehicle to the docking station compensating the effect of currents and satisfying the constraints. Simulation results are also included.
본 논문은 작동기의 수가 부족한 무인 잠수정의 단방향 수중 도킹을 위한 유도 기법에 관한 연구이다.
해양 탐사 장비의 하나로 각광을 받고 있는 자율 무인 잠수정(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)이다. 이러한 무인 잠수정은 외부와의 어떠한 물리적 연결이 없이 해저를 돌아다니며 정보를 수집하는 등 자신의 임무를 스스로 수행한다. 잠수정의 임무 수행 가능 반경 및 데이터 저장량은 잠수정에 내장된 전원과 메모리에 제한을 받게 된다. 이런 제약을 줄이며 임무 수행 효율을 높이기 위해 수중에 도킹 스테이션을 설치하고 여기로 잠수정이 귀환/도킹하여 배터리를 재충전 받고 모선(Mother ship) 또는 기지와의 통신을 하도록 하는 기술이 주목 받고 있다. 이러한 도킹 스테이션에 자율 무인 잠수정이 안전하게 도킹하기 위해서는 정확한 유도 기술이 요구된다.
본 논문에서는 작동기의 수가 부족한 무인 잠수정과 단방향 접근 만을 허용하는 도킹 스테이션을 대상으로 도킹을 위한 유도 기법에 관한 연구를 진행했다.
무인 잠수정의 운동 특성의 효율을 높이기 위해 작동기의 수가 자유도의 수보다 적도록 하는 경우가 많다. 가느다란 몸체(Slender body)를 갖고 선미에 십자형으로 상하 방향타 및 좌우 승강타가 장착되고 제일 후미에 하나의 프로펠러 추진기를 갖는 형상이 일반적이다. 이러한 잠수정은 해류 등 외란이 있는 경우 Drift가 발생하며, 진행방향(Course)와 선수방향(Heading)이 달라지게 된다.
단방향 도킹은 항공기의 착륙과 유사하며 도킹 순간 잠수정과 도크 간 위치, 자세, 속도에 대한 제약 조건이 모두 만족해야 성공할 수 있다. 하지만 Drift가 있는 경우에는 자세와 속도 간 제약 조건을 동시에 만족시키기가 매우 어려워지는데 본 연구를 통해 해결하고자 한다.
먼저 작동기의 수가 부족한 무인 잠수정의 수학적 모델링 및 외란에 대한 모델링을 소개한다. 이를 통해 대상이 되는 잠수정의 운동 특성에 대해 알아본다.
다음으로 단반향 도킹 만을 허용하는 도킹 스테이션을 모델링한다. 많은 실제 사례에서 깔때기 형상 입구를 도킹 스테이션에 장착한다. 본 연구에서는 부채꼴 도형을 이용하여 이러한 깔때기 형상 입구를 모델링하고 성공적인 도킹을 위한 제약 조건을 찾아 낸다. 도킹을 위한 제약 조건은 크게 위치, 자세, 속도에 관한 것으로 구분할 수 있으며 부채꼴 영역은 도킹을 위해서는 잠수정이 제약 조건을 만족하며 반드시 지나가야 하는 영역이 되며 이는 도킹 성공을 위한 충분조건이 된다.
또한 향후 실해역 도킹 시도를 위한 첫 단계로서 테스트베드 플랫폼 AUV를 이용한 수조 도킹 실험을 소개한다. AUV가 도크를 식별하기 위한 장치로서 Visual navigation system을 구축했으며 적절한 영상처리를 통해 도크의 중심점을 추정하도록 하였다. 또한 집적된 시스템을 검증하고 도킹에 유효한지 알아보기 위하여 실제 수조에서 실험을 진행하였다. 단, 이 경우에는 해류는 없는 상황이었다.
해류에 대한 보상을 위해서는 해류의 방향 및 빠르기를 추정할 필요가 생기는데 본 연구에서는 잠수정의 Kinematics로부터 외란을 추정할 수 있는 비선형 관측기의 설계를 하며 시뮬레이션을 통해 타당성을 검증했다.
마지막으로 해류가 있는 상황에서 잠수정이 앞서 기술된 제약 조건을 만족하면서 도킹할 수 있도록 하는 유도 기법을 제안한다. 소개되는 유도 기법은 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 첫 번째는 기존의 Path following 기법을 향상시킨 방법이다. 기존의 방법을 이용하면 해류가 있는 상황에서 기준 경로를 추종하기 위해서 Drift angle이 생기게 된다. 따라서 도크까지 Crabbed approach가 이루어지는데 이런 Drift angle을 유지한 채로 도크와 만나게 되면 도킹에 실패한 위험성이 커지게 된다. 따라서 본 연구에서는 도킹 직전에 이런 Drift angle을 제거하는 최종 정렬 유도를 하도록 했다. 두 번째 방법은 기존의 Linear Terminal Guidance 기법을 수정했다. 기존의 방법은 목적지 근처에서 위치 오차 및 자세 오차에 대해 만족할 수 있도록 하는 최적 제어를 하도록 하는데, 해류가 있는 상황에서는 목적지 근처에서 자세 오차를 만족할 수 없게 된다. 이를 보완하기 위해서 해류 관측기에서 관측된 해류 정보를 이용하여 이를 보상할 수 있는 항을 추가했다. 이를 통해 해류가 있는 상황에서도 위치 및 자세에 대한 오차를 동시에 줄일 수 있도록 하는 유도 기법을 제안한다. 제안된 유도 기법은 시뮬레이션을 통해 그 성능을 검증했다.
