Dynamic positioning is used to maintain the position of a marine vessel at a fixed location or within a prescribed boundary by using its own actuators. In particular, for an underwater vehicle equipped with a manipulator called the underwater vehicle-manipulator system (UVMS), it is important to regulate the end-effector of the manipulator with respect to a given target position in many interactive operations. This thesis presents a systematic procedure for obtaining a mathematical dynamic model of an underwater vehicle and designing a controller that ensures that the endpoint of an underwater vehicle maintains its position in the presence of ocean currents and uncertainties without an explicit use of a disturbance observer.
First, 6-DOF dynamic equations of motion considering environmental forces and moments are considered, and semi-analytical/empirical formulae are employed to calculate the associated hydrodynamic coefficients. Then, based on the obtained the dynamic model, a controller design approach to dynamic positioning is proposed. Specifically, an extended Kalman filter (EKF) is used as the state observer and a feedback linearizing control in task coordinates is proposed to be in use. To demonstrate the validity and effectiveness of the proposed approach, numerical simulations and experimental tests in a 2D tank are performed and their results are shown.
동적위치 제어는 해양운동체가 추진기, 프로펠러 등을 이용하여 원하는 지점 내에서 위치를 유지하는 것을 말한다. 수중 운동체는 해저지형 조사, 기뢰제거 등의 임무를 수행하기 위해 자신의 위치를 유지해야 할 필요가 있다. 특히 로봇 팔을 가진 ROV와 같은 경우에는 팔의 끝 부분의 위치를 목표지점을 향해 고정 시킬 필요가 있다. 이번 연구에서는 수중운동체의 유체력 미계수 추정 및 운동역학 모델링을 하고, 조류 및 환경 외란이 있을 때 동적위치 유지를 위한 제어기를 설계하였다. 일반적으로 동적위치 제어는 조류 등 환경외란을 관측기를 이용하여 추정을 한 뒤에 제어 입력을 구한다. 하지만 수중 운동체의 모델과 조류 모델을 정확하게 파악하는 것이 어렵기 때문에 조류 관측기로 추정한 조류 방향에 오차가 생기게 되고, 위치 유지를 위한 추진력 소모가 커지게 된다. 본 연구에서는 조류 관측기를 사용하지 않고 선수각이 자연스럽게 조류가 오는 방향을 향하면서 수중운동체의 끝단의 위치 유지가 가능하도록 제어를 하였다. 또한 수치 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증을 하였다.
