Underwater gliders have attracted much attention over the last decade because of their low cost and long mission range. However, they operate at low speeds by diving and climbing at a constant gliding angle, so they are strongly affected by ocean currents and the water depth. Thus, the design of efficient trajectories for an underwater glider is of great importance.
This dissertation presents the formulation of the trajectory optimization for an underwater glider considering depth constraints to minimize the traversal time in the horizontal direction. The formulation leads to a nonlinear two-point boundary value problem with inequality constraints. The problem is solved numerically with the pseudospectral method. The validity and feasibility of the proposed approach were demonstrated through numerical simulations that compared the traversal time and energy consumption of different trajectories, and criteria for efficient operation settings with respect to the distance to the goal and water depth limit were investigated.
본 연구에서는 연안과 같은 얕은 수심 제한에 의해 정상상태 운용시간이 심해용 글라이더에 비해 짧은 경우에 대해 수중 글라이더의 수평방향 이동 속도를 최대로 하는 최적 경로를 구한다. 더 나아가 목표지점 까지의 거리와 깊이 제한에 따른 효과적인 운용 조건에 대한 기준을 제시하는 것을 목표로 한다.
먼저 마찰이 없는 이상적인 경우 중력장에서의 최속강하곡선에 대한 설명을 통해서 수심 제한이 있을 때 수중 글라이더의 최적 경로에 대한 직관적 이해를 돕는다. 다음으로 유체 저항을 고려한 수중 글라이더의 운동 모델을 제시하고, 최적 경로를 구하기 위한 이점 경계치 문제로 최적제어 문제를 정식화 하고 이를 수치 시뮬레이션을 통해 풂으로써 최적 경로를 구한다.
얻어진 최적경로의 최적성과 유용성을 최소시간 문제와 최소시간-에너지 문제를 통해서 확인 한다. 최소시간 문제에서는 기존 경로를 따랐을 때와 최적 경로를 따랐을 때와의 운용시간 비교를 통해 최적경로의 최적성을 입증하였으며 마찬가지로, 최소시간-에너지 문제를 통해 프로펠러 타입의 수중 운동체와의 에너지 효율 비교를 통해서 최적 경로의 유용성을 확인한다.
