KR102154545B1 - Device and Method for Designing Environment-Adaptive Flight Model for Underwater Glider, Recording Medium for Performing the Method - Google Patents

Device and Method for Designing Environment-Adaptive Flight Model for Underwater Glider, Recording Medium for Performing the Method Download PDF

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KR102154545B1 KR1020180016650A KR20180016650A KR102154545B1 KR 102154545 B1 KR102154545 B1 KR 102154545B1 KR 1020180016650 A KR1020180016650 A KR 1020180016650A KR 20180016650 A KR20180016650 A KR 20180016650A KR 102154545 B1 KR102154545 B1 KR 102154545B1
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박종진
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 수중글라이더의 물리적 특성 및 해양의 환경 특성에 따른 정확도 높은 비행 모델을 얻을 수 있는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 장치 및 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 기록 매체에 관한 것으로, 비행 모델의 기본 파라미터를 설정하는 단계; 수중글라이더의 수직속도를 계산하는 단계; 비행 파라미터의 초기 조건을 설정하는 단계; 수치 계산(numerical computation)을 통해 수중글라이더의 진입각을 산출하는 단계; 비행 모델로부터 수직속도를 산출하는 단계; 및 비행 파라미터를 비행 모델의 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계를 포함한다.The present invention relates to an apparatus and method for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider capable of obtaining a highly accurate flight model according to the physical characteristics of the underwater glider and environmental characteristics of the ocean, and to a recording medium for performing the method, and a flight model Setting basic parameters of; Calculating the vertical speed of the underwater glider; Setting initial conditions of flight parameters; Calculating the entry angle of the underwater glider through numerical computation; Calculating a vertical speed from the flight model; And determining the flight parameters as final flight parameters of the flight model.

Description

수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 장치 및 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 기록 매체{Device and Method for Designing Environment-Adaptive Flight Model for Underwater Glider, Recording Medium for Performing the Method}Device and Method for Designing Environment-Adaptive Flight Model for Underwater Glider, Recording Medium for Performing the Method

본 발명은 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 장치 및 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 기록 매체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수중글라이더의 물리적 특성 및 해양의 환경 특성에 따른 정확도 높은 비행 모델을 얻을 수 있는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델설계 장치 및 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 기록 매체에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider, and to a recording medium for performing the method, and more particularly, to obtain a highly accurate flight model according to the physical characteristics of the underwater glider and the environmental characteristics of the ocean. It relates to an apparatus and method for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider, and a recording medium for performing the method.

일반적으로 수중글라이더(Underwater Glider)는 바다의 심층과 표층을 오가면서 원하는 지점으로 이동할 수 있도록 고안된 무인 해양탐사 로봇으로서, 역할은 무인잠수정과 크게 다르지 않지만 프로펠러 추진 방식을 사용하는 무인잠수정과는 달리 별도의 추진체를 사용하지 않기 때문에 에너지 측면에 있어서 무인잠수정보다 효율적이다.In general, the Underwater Glider is an unmanned marine exploration robot designed to move to a desired point while moving between the deep and surface layers of the sea. Since it does not use the propellant of the vehicle, it is more efficient than unmanned diving information in terms of energy.

이러한 수중글라이더의 추진력은 유체의 유입과 배출에 의한 부력 조절과 내부의 질량 이동과 날개의 움직임을 이용한 모멘트 변화에 의해 발생된다. 따라서 수중글라이더는 동력 에너지의 사용이 비교적 적기 때문에 장시간, 장거리의 해양 탐사에 적합하다.The propulsion force of these underwater gliders is generated by controlling the buoyancy by the inflow and outflow of fluid and the moment change using the movement of the internal mass and the wing. Therefore, the underwater glider uses relatively little power energy, so it is suitable for long and long-distance marine exploration.

통상적인 종래의 수중글라이더는 깊은 수심의 수압을 견딜 수 있도록 제작된 바디와, 바디의 양측에 구비된 고정날개와, 바디의 후단에 구비된 방향타(혹은 승강타)와, 바디의 내부에 구비된 부력탱크와, 부력탱크에 연결된 펌프와, 방향타와 펌프를 제어하는 제어부, 및 어부에 연결된 배터리를 구비한다.Conventional conventional underwater gliders include a body manufactured to withstand deep water pressure, fixed wings provided on both sides of the body, a rudder (or elevator) provided at the rear end of the body, and buoyancy provided inside the body. It includes a tank, a pump connected to the buoyancy tank, a control unit for controlling the rudder and the pump, and a battery connected to the fisherman.

따라서, 수중글라이더를 잠수시킨 상태에서, 부력탱크에 유체가 주입되거나 배출되면 수중글라이더의 비중이 달라지면서 발생되는 부력의 변화에 의해 수중에서 승강하게 되며, 이때 고정날개에 작용되는 추진력에 의해 수중글라이더가 일정 각도로 전진하면서 승강하게 된다.Therefore, when the underwater glider is submerged and the fluid is injected or discharged into the buoyancy tank, the underwater glider is raised and lowered in the water due to the change in the buoyancy generated as the specific gravity of the underwater glider changes. At this time, the underwater glider Goes up and down while advancing at a certain angle.

이러한 수중글라이더는 펌프를 이용하여 부력탱크에 유체를 주입하거나 배출함에 따라 발생되는 부력의 변화에 의해 승강하면서 전진하므로, 동력효율이 매우 높고 적은 동력으로도 장시간 탐색이 가능한 장점이 있어 널리 사용되고 있다.These underwater gliders are widely used because they move forward while ascending and descending due to changes in buoyancy generated by injecting or discharging fluid into a buoyancy tank using a pump, and thus has an advantage of being able to search for a long time with very high power efficiency and low power.

그러나, 수중글라이더는 수중 작동시 통상 주변 유체의 영향을 받게 되므로, 수중글라이더의 수중움직임을 안정화시킬 수 있는 기술이 필요한 실정이다.However, since the underwater glider is usually affected by the surrounding fluid during underwater operation, a technology capable of stabilizing the underwater motion of the underwater glider is required.

한국등록특허 제10-1658112호Korean Patent Registration No. 10-1658112 한국등록특허 제10-1175235호Korean Patent Registration No. 10-1175235

본 발명의 일측면은 수중글라이더 운용 시 해양환경 특성과 수중글라이더 자체의 물리적 특성을 이용하여 수심별 이동 후 부상 위치를 예측할 수 있는 수중글라이이더 항법 시스템의 비행궤적 예측 장치 및 방법, 상기 방법을 수행하기 위한 기록 매체를 제공한다.An aspect of the present invention is an apparatus and method for predicting flight trajectory of an underwater glider navigation system capable of predicting the position of injury after movement by depth using the marine environment characteristics and the physical characteristics of the underwater glider itself when operating an underwater glider, and the method. It provides a recording medium for performing.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem of the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, and other technical problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법은, 수중글라이더에서 측정된 데이터, 비행 모델에 필요한 해양 환경 데이터 및 수중글라이더의 비행 특성치 데이터 중 적어도 하나의 데이터를 입력받아 비행 모델의 기본 파라미터를 설정하는 단계; 설정된 기본 파라미터를 기초로 수중글라이더의 수직속도를 계산하는 단계; 계산된 수직속도를 이용하여 수중글라이더의 비행 특성을 결정하는 비행 파라미터의 초기 조건을 설정하는 단계; 비행 파라미터의 초기 조건을 기초로 수치 계산(numerical computation)을 통해 수중글라이더의 진입각을 산출하는 단계; 산출된 진입각을 기초로 비행 모델로부터 수직속도를 산출하는 단계; 및 계산된 수직속도로부터 비용함수(cost function)를 산출하여, 비용함수가 최소값이 되는 경우의 비행 파라미터를 비행 모델의 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계를 포함한다.The method for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider according to an embodiment of the present invention is to fly by receiving at least one of data measured by an underwater glider, marine environment data required for a flight model, and flight characteristic data of an underwater glider. Setting basic parameters of the model; Calculating a vertical speed of the underwater glider based on the set basic parameters; Setting initial conditions of flight parameters for determining flight characteristics of the underwater glider using the calculated vertical speed; Calculating the entry angle of the underwater glider through numerical computation based on the initial conditions of the flight parameters; Calculating a vertical speed from the flight model based on the calculated entry angle; And calculating a cost function from the calculated vertical speed, and determining a flight parameter when the cost function becomes a minimum value as a final flight parameter of the flight model.

일 실시예에서, 상기 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계는, 계산된 수직속도로부터 비용함수를 산출하는 단계; 산출된 비용함수가 최소값이 될 때까지 비행 파라미터의 수치를 변경시키면서 비행 모델의 수직속도를 반복적으로 계산하는 단계; 및 비용함수가 최소값이 되는 비행 파라미터를 비행 모델의 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the determining as the final flight parameter may include calculating a cost function from the calculated vertical speed; Repeatedly calculating the vertical speed of the flight model while changing the numerical value of the flight parameter until the calculated cost function reaches the minimum value; And determining a flight parameter whose cost function is the minimum value as a final flight parameter of the flight model.

일 실시예에서, 상기 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계는, 수중글라이더의 수직궤적 자료를 통해 수중글라이더의 수직 이동속도 (dz/dt)를 계산한 후, 비용함수가 최소값이 되도록 하는 수중글라이더의 수직속도를 계산하여 각각의 비행 파라미터를 최종 비행 파라미터로 결정할 수 있다.In one embodiment, the step of determining the final flight parameter comprises calculating the vertical movement speed (dz/dt) of the underwater glider through the vertical trajectory data of the underwater glider, and then calculating the vertical movement speed of the underwater glider so that the cost function becomes the minimum value. Each flight parameter can be determined as the final flight parameter by calculating the speed.

일 실시예에서, 상기 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계는, 비용함수의 그레디언트(gradient) 값이

Figure 112018014809814-pat00001
이하가 될 때까지 계산을 반복 수행할 수 있다.In one embodiment, the step of determining as the final flight parameter, the gradient value of the cost function is
Figure 112018014809814-pat00001
The calculation can be repeated until it becomes the following.

일 실시예에서, 상기 기본 파라미터를 설정하는 단계는, 테스트 비행을 통해 수중글라이더의 내부 센서로부터 측정되는 데이터 또는 기존에 측정된 데이터를 포함하는 데이터를 기본 데이터로 입력받을 수 있다.In one embodiment, the step of setting the basic parameters may receive data measured from an internal sensor of the underwater glider through a test flight or data including previously measured data as basic data.

일 실시예에서, 상기 수직속도를 계산하는 단계는, 수중글라이더의 비행 특성치 데이터를 내삽(interpolation)하는 단계; 내삽된 비행 특성치 데이터 및 해양 환경 데이터를 기초로 수심 데이터를 산출하는 단계; 및 산출된 수심 데이터를 기초로 수중글라이더의 수직속도를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the calculating of the vertical speed may include interpolating flight characteristic data of the underwater glider; Calculating depth data based on the interpolated flight characteristic data and marine environment data; And calculating the vertical speed of the underwater glider based on the calculated depth data.

일 실시예에서, 상기 수중글라이더의 비행 특성치 데이터를 내삽하는 단계는, 수중글라이더의 비행 특성치 데이터를 1초 간격으로 내삽할 수 있다.In one embodiment, the interpolating the flight characteristic data of the underwater glider may interpolate the flight characteristic data of the underwater glider at 1 second intervals.

일 실시예에서, 상기 수심 데이터를 산출하는 단계는, 밀도 데이터 및 압력 데이터 중 적어도 하나의 데이터를 기초로 수심 데이터를 산출할 수 있다.In an embodiment, in the calculating of the depth data, depth data may be calculated based on at least one of density data and pressure data.

일 실시예에서, 상기 수직속도를 계산하는 단계는, 계산된 수직속도의 노이즈를 줄이고, 필터링을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the calculating of the vertical speed may further include reducing noise of the calculated vertical speed and performing filtering.

일 실시예에서, 상기 필터링을 수행하는 단계는, 중심 차동 방식(centered differential method)을 통해 노이즈를 줄이고, 10s 로우-패스 박스카 필터링(low-pass boxcar filtering)을 수행할 수 있다.In an embodiment, in the performing of the filtering, noise may be reduced through a centered differential method, and 10s low-pass boxcar filtering may be performed.

일 실시예에서, 상기 기본 파라미터를 설정하는 단계는, 중력가속도(gravitational acceleration), 수중글라이더의 부피(glider volume), 수중글라이더 질량(glider mass), 초기 온도(initial temperature), 수중글라이더의 면적(glider area), 열팽창 계수(thermal expansion coefficient), 양력 계수(lift coefficient), 유도 항력 계수(induced drag coefficient), 해양의 밀도(water density), 해양의 압력(water pressure), 해양의 온도(water temperature), 수중글라이더의 부피 변화(volume change) 및 수중글라이더의 피치(pitch) 중 적어도 하나의 파라미터를 기본 파라미터로 설정할 수 있다.In one embodiment, the step of setting the basic parameters includes gravitational acceleration, the volume of the underwater glider, the mass of the underwater glider, the initial temperature, and the area of the underwater glider ( glider area), thermal expansion coefficient, lift coefficient, induced drag coefficient, ocean density, ocean pressure, ocean temperature ), at least one of a volume change of the underwater glider and a pitch of the underwater glider may be set as a basic parameter.

일 실시예에서, 상기 비행 파라미터는, 기생 항력 계수(parasite drag coefficient), 압축성(compressibility) 및 여분의 부력(extra buoyancy)중 적어도 하나의 파라미터로 결정될 수 있다.In an embodiment, the flight parameter may be determined as at least one of a parasite drag coefficient, compressibility, and extra buoyancy.

일 실시예에서, 결정된 최종 비행 파라미터로 비행 모델을 업데이트하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, it may further include updating the flight model with the determined final flight parameters.

일 실시예에서, 결정된 최종 비행 파라미터를 기초로 한 비행 모델로부터 수중글라이더의 비행 궤적을 예측하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, it may further include predicting the flight trajectory of the underwater glider from the flight model based on the determined final flight parameters.

일 실시예에서, 비용함수가 최소값이 되는 경우의 비행 파라미터를 그래프로 도시하여 시각적으로 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, it may further include the step of visually providing a flight parameter in a graph when the cost function becomes a minimum value.

일 실시예에서, 수중글라이더의 상태를 다이빙(diving), 호버링(hovering) 및 부상(surfacing)의 세 가지로 구분하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, it may further include the step of dividing the state of the underwater glider into three types of diving, hovering, and surfacing.

본 발명의 다른 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에는, 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록되어 있다. In a computer-readable storage medium according to another embodiment of the present invention, a computer program for performing an environmentally adaptive flight model design method of an underwater glider is recorded.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 장치는, 수중글라이더에서 측정된 데이터, 비행 모델에 필요한 해양 환경 데이터 및 수중글라이더의 비행 특성치 데이터 중 적어도 하나의 데이터를 입력받아 비행 모델의 기본 파라미터를 설정하는 기본 파라미터 설정부; 설정된 기본 파라미터를 기초로 수중글라이더의 수직속도를 계산하는 수직속도 계산부; 계산된 수직속도를 이용하여 수중글라이더의 비행 특성을 결정하는 비행 파라미터의 초기 조건을 설정하는 초기 조건 설정부; 비행 파라미터의 초기 조건을 기초로 수치 계산(numerical computation)을 통해 수중글라이더의 진입각을 산출하는 진입각 산출부; 산출된 진입각을 기초로 비행 모델로부터 수직속도를 산출하는 수직속도 산출부; 및 계산된 수직속도로부터 비용함수(cost function)를 산출하여, 비용함수가 최소값이 되는 경우의 비행 파라미터를 비행 모델의 최종 비행 파라미터로 결정하는 최종 비행 파라미터 결정부를 포함한다.An apparatus for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider according to another embodiment of the present invention receives at least one of data measured by an underwater glider, marine environment data required for a flight model, and flight characteristic data of an underwater glider. A basic parameter setting unit for setting basic parameters of the flight model; A vertical speed calculation unit that calculates a vertical speed of the underwater glider based on the set basic parameters; An initial condition setting unit for setting initial conditions of flight parameters for determining flight characteristics of the underwater glider using the calculated vertical speed; An entry angle calculation unit for calculating an entry angle of the underwater glider through numerical computation based on the initial conditions of the flight parameters; A vertical speed calculator that calculates a vertical speed from the flight model based on the calculated entry angle; And a final flight parameter determination unit that calculates a cost function from the calculated vertical speed and determines a flight parameter when the cost function becomes a minimum value as a final flight parameter of the flight model.

일 실시예에서, 비용함수가 최소값이 되는 경우의 비행 파라미터를 그래프로 도시하여 시각적으로 제공하는 모니터링부를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, a monitoring unit may further include a monitoring unit that visually provides a graph of flight parameters when the cost function becomes a minimum value.

일 실시예에서, 상기 최종 비행 파라미터 결정부는, 계산된 수직속도로부터 비용함수를 산출하는 비용함수 산출부; 산출된 비용함수가 최소값이 될 때까지 비행 파라미터의 수치를 변경시키면서 비행 모델의 수직속도를 반복적으로 계산하는 반복 계산부; 및 비용함수가 최소값이 되는 비행 파라미터를 비행 모델의 최종 비행 파라미터로 결정하는 파라미터 결정부를 포함할 수 있다.In one embodiment, the final flight parameter determining unit, a cost function calculating unit for calculating a cost function from the calculated vertical speed; An iterative calculation unit that repeatedly calculates the vertical speed of the flight model while changing the value of the flight parameter until the calculated cost function reaches a minimum value; And a parameter determination unit that determines a flight parameter whose cost function is the minimum value as a final flight parameter of the flight model.

상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 운용 중 대상 해역의 해수 밀도구조가 바뀌더라도 적용이 가능하며, 장기간 운용 시 발생하는 생물부착으로 인한 비행 특성치 변동에 있어서도 적용할 수 있다.According to one aspect of the present invention described above, it can be applied even if the seawater density structure of the target sea area changes during operation, and it can also be applied to the change in flight characteristics due to attachment of organisms that occur during long-term operation.

상술한 본 발명의 다른 일측면에 따르면, 추가적인 센서나 장비 부착으로 인한 수중글라이더 무게 변동에도 적용이 가능하며, 한 번 시험 비행을 거친 수중글라이더라면 보다 높은 정확성으로 비행궤적을 예측할 수 있다.According to another aspect of the present invention described above, it can be applied to the weight fluctuation of the underwater glider due to the attachment of additional sensors or equipment, and it is possible to predict the flight trajectory with higher accuracy if the underwater glider has passed the test flight once.

도 1은 수중글라이더에 작용하는 힘의 균형을 설명하는 도면이다.
도 2는 수중글라이더의 항속 비행 시 성분별 힘의 방향을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 장치를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 도 4에 있는 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계를 설명하는 순서도이다.
도 6은 도 4에 있는 수직속도를 계산하는 단계를 설명하는 순서도이다.
도 7 내지 도 10은 각 파라미터에 따른 비용함수 변화를 도시한 그래프이다.
도 11 내지 도 14는, 본 발명에 의해해 얻어진 결과와 실측 자료와의 비교 그래프이다.
도 15 내지 도 17은 본 발명에 의한 최적화 과정을 통해 산출된 진입각 추정치를 시계열로 도시한 그래프이다.
도 18 및 도 19는 본 발명에 의해 예측된 수중글라이더의 수직 비행 궤적의 성능을 평가한 그래프이다.
1 is a diagram illustrating a balance of forces acting on an underwater glider.
2 is a view illustrating the direction of force for each component during cruising flight of an underwater glider.
3 is a diagram illustrating an apparatus for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a method of designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a step of determining the final flight parameter in FIG. 4.
6 is a flow chart illustrating the steps of calculating the vertical speed in FIG. 4.
7 to 10 are graphs showing the cost function change according to each parameter.
11 to 14 are graphs of comparison between results obtained by the present invention and actual data.
15 to 17 are graphs showing the estimated entry angle calculated through the optimization process according to the present invention in time series.
18 and 19 are graphs evaluating the performance of the vertical flight trajectory of the underwater glider predicted by the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The detailed description of the present invention to be described later refers to the accompanying drawings, which illustrate specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in detail sufficient to enable a person skilled in the art to practice the present invention. It is to be understood that the various embodiments of the present invention are different from each other, but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the present invention in relation to one embodiment. In addition, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description to be described below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scopes equivalent to those claimed by the claims. Like reference numerals in the drawings refer to the same or similar functions over several aspects.

수중글라이더는 부력 엔진에 의해 설정된 미션에 따라 수중을 비행하여 이동하게 되며, 자세의 변경은 내부 무게 중심을 변경하는 것으로 제어된다.The underwater glider moves by flying underwater according to the mission set by the buoyancy engine, and the change of posture is controlled by changing the internal center of gravity.

수중글라이더의 물리적 형상에 의한 정적 파라미터와 수중에서의 움직임에 대한 동적 파라미터에 의한 비행 모델을 설정할 수 있으며, 비행 모델의 시뮬레이션을 통해 이동 후 부상 위치를 추정하는데 활용될 수 있다.It is possible to set a flight model based on static parameters based on the physical shape of the underwater glider and dynamic parameters for movement in the water, and can be used to estimate the position of the flight after movement through the simulation of the flight model.

이론적인 비행 모델을 바탕으로 지정 수심에 대한 시뮬레이션을 한 결과와 실제 해역 내 비행 데이터 간의 차이는 해류의 영향이며, 이러한 벡터 차이를 계산함으로써 해류를 추정하고, 추정된 해류를 활용하여 수중글라이더 비행궤적을 조정할 수 있다.Based on the theoretical flight model, the difference between the result of the simulation for the designated depth and the flight data in the actual sea area is the effect of the sea current, and the sea current is estimated by calculating this vector difference, and the underwater glider flight trajectory using the estimated sea current. Can be adjusted.

또한, 수중글라이더를 안정적으로 운용하기 위해서는 수중글라이더가 수평적으로 어떻게 이동할 것인지를 사전에 확인한 후 경로 유지 정확도 분석을 통해 항적 안정성을 예측할 수 있는 시뮬레이터를 활용한 운용 안정도 검증 과정이 필수적인데, 이를 위해서는 보다 현실에 가깝게 수중글라이더의 기동 궤적을 예측하는 비행 모델이 매우 중요하다.In addition, in order to stably operate the underwater glider, it is essential to verify the operational stability using a simulator that can predict track stability through path maintenance accuracy analysis after confirming in advance how the underwater glider will move horizontally. A flight model that predicts the maneuvering trajectory of an underwater glider more realistically is very important.

나아가, 실제 해역에서 시험 비행 결과를 분석함으로써, 해당 비행 모델을 개선하고 이를 바탕으로 해당 해역에서 수중글라이더가 최대한의 성능을 발휘할 수 있도록 부력 파라미터들을 최적화하는데 있어서도 정확한 비행 모델은 필수적이다. 이를 바탕으로 가장 효율적인 비행이 가능하도록 하는 시스템 개발도 필요하기 때문에 환경적응형 유체역학적 수중글라이더의 비행 모델(Adaptive Glider Flight Model, AGFM)이 우선적으로 개발되어야 한다.Furthermore, by analyzing the test flight results in the actual sea area, an accurate flight model is also essential in optimizing the buoyancy parameters so that the flight model can be improved and the underwater glider can exhibit maximum performance in the sea area. Based on this, since it is also necessary to develop a system that enables the most efficient flight, an environmentally adaptive hydrodynamic underwater glider flight model (Adaptive Glider Flight Model, AGFM) must be developed first.

일반적인 수중글라이더의 제원 및 파라미터는 다음과 같다.Specifications and parameters of a general underwater glider are as follows.

수중글라이더의 물리적 형상과 제원에 따른 정적 파라미터와 수중에서의 움직임에 대한 동적 모델로부터 계산된 비행 모델을 설계할 수 있다.It is possible to design a flight model calculated from the dynamic model of the motion in the water and static parameters according to the physical shape and specifications of the underwater glider.

1000미터 잠항이 가능한 SLOCUM 수중글라이더는 최대 ±270cm3의 부피 변화가 가능한 부력 엔진이 장착되어 있으며, 부피 변화 제어의 결과는 내부 데이터 파라미터인 ‘m_de_oil_vol’로 기록되어 있다.The SLOCUM underwater glider capable of submerging 1000 meters is equipped with a buoyancy engine capable of changing the volume of up to ±270cm3, and the result of the volume change control is recorded as an internal data parameter, ‘m_de_oil_vol’.

수중글라이더의 무게는 기본적으로 56Kg이며, HullDiameter는 22cm이고 길이는 1.5m이다. 수직 방향의 이동 속도는 평균 0.2m/s이고, 수평방향의 이동 속도는 평균 0.4m/s이며, 잠항 수심과 해양 환경에 따라 달라질 수 있다.The weight of the underwater glider is basically 56Kg, the HullDiameter is 22cm and the length is 1.5m. The average moving speed in the vertical direction is 0.2m/s, and the average moving speed in the horizontal direction is 0.4m/s, which may vary depending on the depth of the submarine and the marine environment.

CTD(Conductivity, Depth, Temperature) 센서는 Seabird SBE41 CTD 모델이 장착되어 있으며, 수중 압력(수심) 측정을 위한 센서로는 Micron MP50-2000 모델을 사용하고 있다.The CTD (Conductivity, Depth, Temperature) sensor is equipped with the Seabird SBE41 CTD model, and the Micron MP50-2000 model is used as a sensor for underwater pressure (depth) measurement.

수중 비행 중에는 수심 측정 센서의 데이터를 내부 데이터 파라미터인 ‘m_depth’로 기록하게 되며, 수심 상태가 현재 하강 중인지 상승 중인지, 또는 수면에 있는지에 대한 정보를 ‘m_depth_state’로 기록한다.During underwater flight, the depth measurement sensor data is recorded as an internal data parameter of ‘m_depth’, and information on whether the depth state is currently descending, rising, or on the surface is recorded as ‘m_depth_state’.

수중글라이더의 자세측정 센서는 PNI TCM3 센서가 장착되어 있으며, 수중글라이더의 Roll, Pitch, Yaw 등의 수중 내 자세에 대한 정보를 내부 데이터 파라미터인 ‘m_roll’, ‘m_pitch’, ‘m_heading’으로 기록하게 된다.The underwater glider's attitude measurement sensor is equipped with a PNI TCM3 sensor, and information about the underwater attitude such as the roll, pitch, and yaw of the underwater glider is recorded as internal data parameters'm_roll','m_pitch', and'm_heading'. do.

수중 비행을 마치고 수면으로 올라오게 되면 GPS 센서에 의해 현재의 위치를 측정하게 되며 이를 내부 파라미터인 ‘m_gps_lat’, ‘m_gps_long’으로 기록한다.After completing the underwater flight, when you come to the surface, the current position is measured by the GPS sensor, and these are recorded as internal parameters ‘m_gps_lat’ and ‘m_gps_long’.

도 1을 참조하면, 수중글라이더에 작용하는 힘의 균형을 확인할 수 있다.Referring to Figure 1, it is possible to check the balance of the force acting on the underwater glider.

수중글라이더의 형상과 관련된 기타 파라미터는 표 1과 같다.Other parameters related to the shape of the underwater glider are shown in Table 1.

Figure 112018014809814-pat00002
Figure 112018014809814-pat00002

기존의 수중글라이더의 파라미터 기반 비행 모델은 다음과 같다.The parameter-based flight model of the existing underwater glider is as follows.

수중글라이더가 수중에서의 비행 시 항속 상태임을 가정한다면, 수학식 1과 같이 단순화된 운동 방정식을 설정할 수 있다.Assuming that the underwater glider is in a cruising state when flying underwater, a simplified equation of motion can be set as shown in Equation 1.

Figure 112018014809814-pat00003
Figure 112018014809814-pat00003

Figure 112018014809814-pat00004
Figure 112018014809814-pat00004

여기에서,

Figure 112018014809814-pat00005
는 항력(drag force),
Figure 112018014809814-pat00006
는 양력(lift force),
Figure 112018014809814-pat00007
는 부력(buoyancy force),
Figure 112018014809814-pat00008
는 중력(gravity force)이고,
Figure 112018014809814-pat00009
는 글라이드 각(glide angle)이다.From here,
Figure 112018014809814-pat00005
Is the drag force,
Figure 112018014809814-pat00006
Is the lift force,
Figure 112018014809814-pat00007
Is the buoyancy force,
Figure 112018014809814-pat00008
Is the gravity force,
Figure 112018014809814-pat00009
Is the glide angle.

도 2를 참조하면, 수중글라이더의 항속 비행 시 성분별 힘의 방향을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2, it is possible to check the direction of force for each component during cruising flight of the underwater glider.

이 중 항력(

Figure 112018014809814-pat00010
)과 양력(
Figure 112018014809814-pat00011
)은, 유체의 밀도(
Figure 112018014809814-pat00012
) 와 사영 면적(
Figure 112018014809814-pat00013
), 상대 속도(
Figure 112018014809814-pat00014
), 항력 계수(
Figure 112018014809814-pat00015
, drag coefficient), 양력 계수(
Figure 112018014809814-pat00016
, lift coefficient)에 대해 아래의 수학식 2로 정의될 수 있다.Of these, drag (
Figure 112018014809814-pat00010
) And lift (
Figure 112018014809814-pat00011
) Is the density of the fluid (
Figure 112018014809814-pat00012
) And projected area (
Figure 112018014809814-pat00013
), relative speed (
Figure 112018014809814-pat00014
), drag coefficient (
Figure 112018014809814-pat00015
, drag coefficient), lift coefficient (
Figure 112018014809814-pat00016
, lift coefficient) can be defined by Equation 2 below.

Figure 112018014809814-pat00017
Figure 112018014809814-pat00017

Figure 112018014809814-pat00018
Figure 112018014809814-pat00018

Figure 112018014809814-pat00019
Figure 112018014809814-pat00019

양력 계수(

Figure 112018014809814-pat00020
, Lift coefficient)는 수중글라이더의 선체(hull)와 날개(wing)에서의 양력-슬로프 계수(lift-slope coefficient)인
Figure 112018014809814-pat00021
Figure 112018014809814-pat00022
를 사용하여 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.Lift coefficient (
Figure 112018014809814-pat00020
, Lift coefficient) is the lift-slope coefficient of the underwater glider's hull and wing.
Figure 112018014809814-pat00021
Wow
Figure 112018014809814-pat00022
It can be expressed as Equation 3 below by using.

Figure 112018014809814-pat00023
Figure 112018014809814-pat00023

항력 계수(

Figure 112018014809814-pat00024
, Drag coefficient)는 기생 항력 계수(parasite drag coefficient)인
Figure 112018014809814-pat00025
와 유도 항력 계수(induced drag coefficient)인
Figure 112018014809814-pat00026
을 사용하여 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.Drag coefficient (
Figure 112018014809814-pat00024
, Drag coefficient) is the parasite drag coefficient
Figure 112018014809814-pat00025
And the induced drag coefficient
Figure 112018014809814-pat00026
It can be expressed as Equation 4 below by using.

Figure 112018014809814-pat00027
Figure 112018014809814-pat00027

진입각(

Figure 112018014809814-pat00028
, Angle of Attack)은 항력과 양력에 대한 방정식을 통해 아래의 수학식 5와 같이 구할 수 있다.Entry angle(
Figure 112018014809814-pat00028
, Angle of Attack) can be obtained as in Equation 5 below through equations for drag and lift.

Figure 112018014809814-pat00029
Figure 112018014809814-pat00029

주어진 피치각(

Figure 112018014809814-pat00030
, pitch angle)과 수중글라이더 속도(U)를 알면 진입각(
Figure 112018014809814-pat00031
)을 계산할 수 있으며, 피치각(pitch angle)과 심도율(depth rate)에 의한 수직방향 이동 속도를 사용하여 진입각 계산을 위해 아래의 수학식 6의 근사식을 사용할 수 있다.Given pitch angle(
Figure 112018014809814-pat00030
, pitch angle) and underwater glider speed (U), the entry angle (
Figure 112018014809814-pat00031
) Can be calculated, and the approximation of Equation 6 below can be used to calculate the entry angle by using the vertical movement speed based on the pitch angle and the depth rate.

Figure 112018014809814-pat00032
Figure 112018014809814-pat00032

Figure 112018014809814-pat00033
Figure 112018014809814-pat00033

Figure 112018014809814-pat00034
Figure 112018014809814-pat00034

Figure 112018014809814-pat00035
Figure 112018014809814-pat00035

그러나, 수학식 6과 같은 근사식은 수중글라이더 부력 조건이나 해양의 환경조건 등이 달라지면 활용할 수 없고, 근사식 자체의 정확도도 낮아 실질적으로 활용하기 어렵다는 문제가 있다.However, there is a problem that the approximation formula such as Equation 6 cannot be utilized if the buoyancy condition of the underwater glider or the environmental conditions of the ocean is different, and the accuracy of the approximation itself is low, and thus it is difficult to practically use it.

시간 축에 대한 측정된 압력 센서 출력 관계의 함수로 표현되는 수직 속도(

Figure 112018014809814-pat00036
[m/s])와 예측된 수평 속도(
Figure 112018014809814-pat00037
), 진입각(
Figure 112018014809814-pat00038
[rad], Angle of Attack)은 다음의 수학식 7과 같은 관계를 가지며, 이러한 모델을 바탕으로 시간 변화에 따른 수직 방향의 이동 속도를 계산하고, 제어 입력으로 설정된 피치(pitch) 각도와 계산된 진입 각도를 이용하여 수평 방향의 이동 속도 및 이동량을 계산할 수 있다.The vertical velocity expressed as a function of the measured pressure sensor output relationship over the time axis (
Figure 112018014809814-pat00036
[m/s]) and predicted horizontal velocity (
Figure 112018014809814-pat00037
), entry angle (
Figure 112018014809814-pat00038
[rad], Angle of Attack) has the relationship as shown in Equation 7 below, based on this model, calculates the moving speed in the vertical direction according to time, and calculates the calculated pitch angle and the calculated The moving speed and amount of movement in the horizontal direction can be calculated using the entry angle.

Figure 112018014809814-pat00039
Figure 112018014809814-pat00039

Figure 112018014809814-pat00040
Figure 112018014809814-pat00040

Figure 112018014809814-pat00041
Figure 112018014809814-pat00041

기존의 파라미터 기반 비행 모델은, 진입각을 근사하거나 0으로 두고 수직속도에 기반을 두어 수평속도를 계산하는 방식이며, 현재 SLOCUM 수중글라이더의 기본 비행 모델로 활용되고 있는 실정이다.The existing parameter-based flight model is a method of calculating the horizontal speed based on the vertical speed by approximating the entry angle or setting it to zero, and is currently being used as the basic flight model of the SLOCUM underwater glider.

이러한 파라미터 기반 비행 모델은 단순성에 기반을 둔 빠른 계산 시간으로 인해 효율이 높으나, 수중글라이더의 부력 조건과 해양의 밀도 구조가 달라지면 정확도가 크게 낮아진다는 문제점과, 임무 설계 시에 시뮬레이터에서 활용할 경우 실제 수중글라이더 궤적을 크게 왜곡시킬 가능성이 높다는 문제점을 가지고 있다.Such a parameter-based flight model is highly efficient due to its fast calculation time based on simplicity, but the problem that accuracy is significantly lowered when the buoyancy conditions of the underwater glider and the density structure of the ocean are changed. It has a problem that it is highly likely to distort the glider trajectory.

따라서, 상술한 비행 모델의 여러 파라미터들을 실측 궤적 자료를 가장 최적으로 설명할 수 있도록 최적화 알고리즘을 통해 직접 산출함으로써, 비행궤적 예측의 정확도를 크게 향상시킴과 동시에 부력 파라미터가 바뀌거나 해양의 밀도 상황이 바뀌더라도 유동적으로 적용할 수 있는 환경적응형 비행 모델을 개발할 필요가 대두되어왔다.Therefore, by directly calculating the various parameters of the above-described flight model through an optimization algorithm to best explain the measured trajectory data, the accuracy of the flight trajectory prediction is greatly improved, and the buoyancy parameter changes or the ocean density situation is changed. There has been a need to develop an environmentally adaptive flight model that can be flexibly applied even if it changes.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 장치를 설명하는 도면이다.3 is a diagram illustrating an apparatus for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 장치는, 기본 파라미터 설정부(100), 수직속도 계산부(200), 초기 조건 설정부(300), 진입각 산출부(400), 수직속도 계산부(500) 및 최종 비행 파라미터 결정부(600)를 포함한다.3, an apparatus for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider includes a basic parameter setting unit 100, a vertical speed calculation unit 200, an initial condition setting unit 300, an entry angle calculation unit 400, It includes a vertical speed calculation unit 500 and a final flight parameter determination unit 600.

기본 파라미터 설정부(100)는, 수중글라이더에서 측정된 데이터, 비행 모델에 필요한 해양 환경 데이터 및 수중글라이더의 비행 특성치 데이터 중 적어도 하나의 데이터를 입력받아 비행 모델의 기본 파라미터를 설정한다.The basic parameter setting unit 100 receives at least one of data measured by the underwater glider, marine environment data required for the flight model, and flight characteristic data of the underwater glider and sets basic parameters of the flight model.

수직속도 계산부(200)는, 기본 파라미터 설정부(100)에서 설정된 기본 파라미터를 기초로 수중글라이더의 수직속도를 계산한다.The vertical speed calculation unit 200 calculates the vertical speed of the underwater glider based on the basic parameters set by the basic parameter setting unit 100.

초기 조건 설정부(300)는, 수직속도 계산부(200)에서 계산된 수직속도를 이용하여 수중글라이더의 비행 특성을 결정하는 비행 파라미터의 초기 조건을 설정한다.The initial condition setting unit 300 sets initial conditions of flight parameters that determine flight characteristics of the underwater glider using the vertical speed calculated by the vertical speed calculation unit 200.

진입각 산출부(400)는, 초기 조건 설정부(300)에서 설정된 비행 파라미터의 초기 조건을 기초로 수치 계산(numerical computation)을 통해 수중글라이더의 진입각을 산출한다.The entry angle calculation unit 400 calculates the entry angle of the underwater glider through numerical computation based on the initial conditions of the flight parameters set in the initial condition setting unit 300.

수직속도 산출부(500)는, 진입각 산출부(400)에서 산출된 진입각을 기초로 비행 모델로부터 수직속도를 산출한다.The vertical speed calculation unit 500 calculates a vertical speed from the flight model based on the entry angle calculated by the entry angle calculation unit 400.

최종 비행 파라미터 결정부(600)는, 수직속도 산출부(500)에서 산출된 수직속도로부터 비용함수(cost function)를 산출하여, 비용함수가 최소값이 되는 경우의 비행 파라미터를 비행 모델의 최종 비행 파라미터로 결정한다.The final flight parameter determination unit 600 calculates a cost function from the vertical speed calculated by the vertical speed calculation unit 500, and calculates a flight parameter when the cost function becomes a minimum value as the final flight parameter of the flight model. To decide.

일 실시예에서, 최종 비행 파라미터 결정부는, 계산된 수직속도로부터 비용함수를 산출하는 비용함수 산출부, 산출된 비용함수가 최소값이 될 때까지 비행 파라미터의 수치를 변경시키면서 비행 모델의 수직속도를 반복적으로 계산하는 반복 계산부 및 비용함수가 최소값이 되는 비행 파라미터를 비행 모델의 최종 비행 파라미터로 결정하는 파라미터 결정부를 포함할 수 있다.In one embodiment, the final flight parameter determination unit includes a cost function calculation unit that calculates a cost function from the calculated vertical speed, and iteratively changes the vertical speed of the flight model while changing the value of the flight parameter until the calculated cost function reaches a minimum value. It may include an iterative calculation unit calculated as and a parameter determining unit determining a flight parameter having a minimum cost function as a final flight parameter of the flight model.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 장치는, 비용함수가 최소값이 되는 경우의 비행 파라미터를 그래프로 도시하여 시각적으로 제공하는 모니터링부(설명의 편의상 도면에는 도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.An environmentally adaptive flight model design apparatus for an underwater glider having the configuration as described above is a monitoring unit that visually provides a graph by showing a flight parameter when the cost function becomes a minimum value (not shown in the drawing for convenience of explanation) It may further include.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법을 설명하는 순서도이다.4 is a flowchart illustrating a method of designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법은, 수중글라이더에서 측정된 데이터, 비행 모델에 필요한 해양 환경 데이터 및 수중글라이더의 비행 특성치 데이터 중 적어도 하나의 데이터를 입력받아 비행 모델의 기본 파라미터를 설정한다(S410).Referring to FIG. 4, the method of designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider receives at least one of data measured by an underwater glider, marine environment data required for a flight model, and flight characteristic data of an underwater glider, and Basic parameters are set (S410).

일 실시예에서, 기본 파라미터를 설정하는 단계(S410)는, 중력가속도(gravitational acceleration), 수중글라이더의 부피(glider volume), 수중글라이더 질량(glider mass), 초기 온도(initial temperature), 수중글라이더의 면적(glider area), 열팽창 계수(thermal expansion coefficient), 양력 계수(lift coefficient), 유도 항력 계수(induced drag coefficient), 해양의 밀도(water density), 해양의 압력(water pressure), 해양의 온도(water temperature), 수중글라이더의 부피 변화(volume change) 및 수중글라이더의 피치(pitch) 중 적어도 하나의 파라미터를 기본 파라미터로 설정할 수 있다.In one embodiment, the step of setting the basic parameters (S410) includes gravitational acceleration, a glider volume, an underwater glider mass, an initial temperature, and an underwater glider. Area (glider area), thermal expansion coefficient, lift coefficient, induced drag coefficient, ocean density, ocean pressure, ocean temperature ( water temperature), a volume change of the underwater glider, and a pitch of the underwater glider may be set as a basic parameter.

일 실시예에서, 기본 파라미터를 설정하는 단계(S410)는, 테스트 비행을 통해 수중글라이더의 내부 센서로부터 측정되는 데이터 또는 기존에 측정된 데이터를 포함하는 데이터를 기본 데이터로 입력받을 수 있다.In an embodiment, in the step of setting the basic parameters (S410), data measured from an internal sensor of the underwater glider through a test flight or data including previously measured data may be input as basic data.

상술한 단계 S410에서 설정된 기본 파라미터를 기초로 수중글라이더의 수직속도를 계산한다(S420).The vertical speed of the underwater glider is calculated based on the basic parameters set in step S410 (S420).

상술한 단계 S420에서 계산된 수직속도를 이용하여 수치 최적화(Numerical optimization)를 위하여 수중글라이더의 비행 특성을 결정하는 비행 파라미터의 초기 조건을 설정한다(S430).The initial conditions of the flight parameters for determining the flight characteristics of the underwater glider are set for numerical optimization using the vertical speed calculated in step S420 described above (S430).

일 실시예에서, 비행 파라미터는, 기생 항력 계수(parasite drag coefficient), 압축성(compressibility) 및 여분의 부력(extra buoyancy)중 적어도 하나의 파라미터로 결정될 수 있다.In an embodiment, the flight parameter may be determined as at least one of a parasite drag coefficient, a compressibility, and an extra buoyancy.

상술한 단계 S430에서 설정된 비행 파라미터의 초기 조건을 기초로 수치 계산(numerical computation)을 통해 수중글라이더의 진입각(angle of attack)을 산출한다(S440).The angle of attack of the underwater glider is calculated through numerical computation based on the initial conditions of the flight parameters set in the above-described step S430 (S440).

상술한 단계 S440에서 산출된 진입각을 기초로 비행 모델로부터 수직속도를 산출한다(S450).The vertical speed is calculated from the flight model based on the entry angle calculated in step S440 (S450).

상술한 바와 같은 단계 S440 및 S450에 의한 진입각 및 수직속도의 산출 방법은 다음과 같다.The method of calculating the entry angle and the vertical speed according to steps S440 and S450 as described above is as follows.

본 발명은, 수중글라이더의 항속 상태에서 역학적 균형이 이루어져 있는 상황을 가정하여 수립한 운동방정식을 기반으로 수중글라이더의 비행 특성을 결정하는 비행 파라미터를 계산할 수 있다.The present invention can calculate a flight parameter that determines the flight characteristics of the underwater glider based on an equation of motion established by assuming a situation in which a mechanical balance is achieved in the cruising state of the underwater glider.

이러한 방식의 환경적응형 비행 모델(Adaptive Glider Flight Model, AGFM)은 선진국에서 가장 진보된 운용 기술을 보유하고 있는 팀에서 개발하여 활용하고 있은 비행 모델로써, 가장 효율적이고 정확한 비행 모델이다.This type of adaptive glider flight model (AGFM) is a flight model developed and utilized by a team with the most advanced operating technology in developed countries, and is the most efficient and accurate flight model.

수중글라이더의 경우 비행경로의 대부분은 이러한 항속 상태로 볼 수 있으므로 역학적 균형에 기반을 둔 운동방정식은 90%이상의(200m 이상 수심 비행 시, 수심이 깊어질수록 퍼센트가 높아짐) 비행궤적을 설명할 수 있으며, 나머지 10% 이하의 구간은 가속이 일어나는 구간이므로 경험적 내삽을 통해 예측 가능하다.In the case of underwater gliders, most of the flight path can be viewed as such a cruising state, so the equation of motion based on the mechanical balance can explain the flight trajectory of more than 90% (when flying over 200m, the percentage increases as the depth increases). In addition, the remaining 10% or less is a section in which acceleration occurs, so it can be predicted through empirical interpolation.

수직 역학적 균형을 가정하면, 운동방정식은 다음의 수학식 8과 같이 단순화할 수 있다.Assuming vertical mechanical balance, the equation of motion can be simplified as shown in Equation 8 below.

Figure 112018014809814-pat00042
Figure 112018014809814-pat00042

여기에서,

Figure 112018014809814-pat00043
는 부력(buoyancy force),
Figure 112018014809814-pat00044
는 중력(gravity force),
Figure 112018014809814-pat00045
는 수중글라이더의 피치,
Figure 112018014809814-pat00046
는 항력(drag force),
Figure 112018014809814-pat00047
는 양력(lift force)이고,
Figure 112018014809814-pat00048
는 진입각이다.From here,
Figure 112018014809814-pat00043
Is the buoyancy force,
Figure 112018014809814-pat00044
Is the gravity force,
Figure 112018014809814-pat00045
Is the pitch of the underwater glider,
Figure 112018014809814-pat00046
Is the drag force,
Figure 112018014809814-pat00047
Is the lift force,
Figure 112018014809814-pat00048
Is the angle of entry.

부력과 중력의 차이는 다음의 수학식 9와 같이 수중글라이더의 부피 변화와 무게의 차이로 계산될 수 있다.The difference between buoyancy and gravity may be calculated as the difference between the volume change and weight of the underwater glider as shown in Equation 9 below.

Figure 112020064384258-pat00112
Figure 112020064384258-pat00112

Figure 112020064384258-pat00113
Figure 112020064384258-pat00113

여기에서,

Figure 112020064384258-pat00114
는 해양의 밀도,
Figure 112020064384258-pat00115
는 여분의 부피, T는 온도, S는 수중글라이더의 면적,
Figure 112020064384258-pat00116
은 압축성, P는 해양의 압력,
Figure 112020064384258-pat00117
는 열팽창 계수,
Figure 112020064384258-pat00118
는 오일 펌프에 있는 오일의 부피이고,
Figure 112020064384258-pat00119
는 수중글라이더의 질량이다.From here,
Figure 112020064384258-pat00114
Is the density of the ocean,
Figure 112020064384258-pat00115
Is the extra volume, T is the temperature, S is the area of the underwater glider,
Figure 112020064384258-pat00116
Is compressibility, P is ocean pressure,
Figure 112020064384258-pat00117
Is the coefficient of thermal expansion,
Figure 112020064384258-pat00118
Is the volume of oil in the oil pump,
Figure 112020064384258-pat00119
Is the mass of the underwater glider.

수평 역학적 균형에서는 아래의 수학식 10과 같은 관계식을 얻을 수 있다.In horizontal mechanical balance, a relational expression such as Equation 10 below can be obtained.

Figure 112018014809814-pat00057
Figure 112018014809814-pat00057

Figure 112018014809814-pat00058
Figure 112018014809814-pat00058

Figure 112018014809814-pat00059
Figure 112018014809814-pat00059

여기에서,

Figure 112018014809814-pat00060
은 기생 항력 계수이이고,
Figure 112018014809814-pat00061
는 유도 항력 계수이고, U는 수중글라이더의 속력이고,
Figure 112018014809814-pat00062
은 양력 계수이고,
Figure 112018014809814-pat00063
는 비행 시 저항을 받는 수중글라이더의 면적이다.From here,
Figure 112018014809814-pat00060
Is the parasitic drag coefficient is,
Figure 112018014809814-pat00061
Is the induced drag coefficient, U is the speed of the underwater glider,
Figure 112018014809814-pat00062
Is the lift coefficient,
Figure 112018014809814-pat00063
Is the area of the underwater glider that is resisted during flight.

수학식 8 내지 수학식 10을 정리하면, 다음의 수학식 11과 같은 하나의 방정식으로 단순화할 수 있다.If Equation 8 to Equation 10 are summarized, it can be simplified into one equation such as Equation 11 below.

Figure 112020064384258-pat00120
Figure 112020064384258-pat00120

여기에서, g는 중력가속도이다.Where g is the acceleration due to gravity.

이에 따라, 수중글라이더의 수직속도(w)는 아래의 수학식 12로 정리될 수 있다.Accordingly, the vertical speed (w) of the underwater glider can be summarized by Equation 12 below.

Figure 112020064384258-pat00121
Figure 112020064384258-pat00121

Figure 112018014809814-pat00066
Figure 112018014809814-pat00066

Figure 112020064384258-pat00122
Figure 112020064384258-pat00122

상술한 바와 같이 진입각(

Figure 112018014809814-pat00068
)은 비행 파라미터가 결정되면 다음의 수학식 13과 같은 방정식으로 계산 가능하다.As described above, the angle of entry (
Figure 112018014809814-pat00068
) Can be calculated by the following equation (13) when the flight parameters are determined.

Figure 112018014809814-pat00069
Figure 112018014809814-pat00069

상술한 단계 S450에서 계산된 수직속도로부터 비용함수(cost function)를 산출하며, 비용함수가 최소값이 되는 경우(도 4의 S470의 Yes의 경우)의 비행 파라미터를 비행 모델의 최종 비행 파라미터로 결정한다(S460).A cost function is calculated from the vertical speed calculated in step S450 described above, and a flight parameter when the cost function becomes the minimum value (in the case of Yes in S470 in FIG. 4) is determined as the final flight parameter of the flight model. (S460).

수중글라이더의 파라미터들 중에 중력가속도(g), 수중글라이더부피 (

Figure 112018014809814-pat00070
), 수중글라이더 질량 (
Figure 112018014809814-pat00071
) 및 초기 온도 (
Figure 112018014809814-pat00072
) 등은 측정 가능한 값이며, 항력(drag)에 영향을 주는 수중글라이더 면적인 S는 항력(drag)과 양력 계수(lift coefficient)를 통해 산출할 수 있다.Among the parameters of underwater glider, gravity acceleration (g), underwater glider volume (
Figure 112018014809814-pat00070
), underwater glider mass (
Figure 112018014809814-pat00071
) And initial temperature (
Figure 112018014809814-pat00072
) Is a measurable value, and the underwater glider area S that affects drag can be calculated through drag and lift coefficient.

또한, 해수 밀도(

Figure 112018014809814-pat00073
), 압력(P) 및 수온(T) 등은 수중글라이더에 측정되거나 기존의 측정된 자료를 활용할 수 있으며, 수중글라이더 부피 변화(
Figure 112018014809814-pat00074
)와 피치(
Figure 112018014809814-pat00075
)는 수중글라이더 내부 센서에서 측정되는 값이기 때문에 측정치를 활용할 수 있다.Also, seawater density (
Figure 112018014809814-pat00073
), pressure (P), and water temperature (T) can be measured on an underwater glider or use existing measured data, and the volume change of the underwater glider (
Figure 112018014809814-pat00074
) And pitch(
Figure 112018014809814-pat00075
) Is the value measured by the sensor inside the underwater glider, so the measured value can be used.

그러나, 수중글라이더의 파라미터들 중 정확한 값을 알기 어렵고, 수중글라이더의 상태에 따라 달라질 수 있는 파라미터는, 양력 계수(

Figure 112018014809814-pat00076
, lift coefficient), 항력 계수(drag coefficents), 압축성(
Figure 112018014809814-pat00077
, compressibility), 팽창 계수(
Figure 112018014809814-pat00078
, expansion coefficient) 및 여분의 부력(
Figure 112018014809814-pat00079
, extra buoyancy)이다.However, it is difficult to know the exact value among the parameters of the underwater glider, and the parameter that may vary depending on the state of the underwater glider is the lift coefficient (
Figure 112018014809814-pat00076
, lift coefficient), drag coefficents, compressibility (
Figure 112018014809814-pat00077
, compressibility), expansion coefficient (
Figure 112018014809814-pat00078
, expansion coefficient) and extra buoyancy (
Figure 112018014809814-pat00079
, extra buoyancy).

해당 파라미터는 수중글라이더마다 다르지만, 특정 임무 내에서는 거의 동일하다고 볼 수 있는 파라미터인데, 수중글라이더는 수심에 따른 압력의 변화와 수온의 변화에 따라 부피가 변하기 때문에 이를 고려하는 것이 중요하며, 수중글라이더마다 고유한 특성에 따라 여분의 부력(extra buoyancy)이 발생할 수 있으므로 이를 고려하는 파라미터가 추가되어야 한다.This parameter is different for each underwater glider, but it is a parameter that can be considered to be almost the same within a specific mission.It is important to consider this because the volume of an underwater glider changes according to the change of pressure and water temperature according to the depth of the water. Since extra buoyancy may occur depending on the unique characteristics, a parameter to consider this should be added.

본 발명에 의한 비행 모델은 한 두 번의 시험 비행을 통해 얻어진 비행 궤적 자료를 활용하여 각 비행 파라미터를 최소자승법을 활용하여 최적화 산출할 수 있다. 다음의 수학식 14는 본 발명에 의한 최적화를 위한 비용함수(J)이다.The flight model according to the present invention can optimize and calculate each flight parameter using the least squares method by utilizing flight trajectory data obtained through one or two test flights. Equation 14 below is a cost function (J) for optimization according to the present invention.

Figure 112018014809814-pat00080
Figure 112018014809814-pat00080

수중글라이더의 수직궤적 자료를 활용하여 수중글라이더의 수직 이동속도(dz/dt)를 계산하고, 그 수직 이동속도를 가장 최적으로 설명하는 w를 계산하는 방식으로 각 비행 파라미터를 산출할 수 있다.Each flight parameter can be calculated by calculating the vertical movement speed (dz/dt) of the underwater glider using the vertical trajectory data of the underwater glider and calculating w, which best describes the vertical movement speed.

상술한 바와 같은 단계를 가지는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법은, 결정된 최종 비행 파라미터로 비행 모델을 업데이트하는 단계, 결정된 최종 비행 파라미터를 기초로 한 비행 모델로부터 수중글라이더의 비행 궤적을 예측하는 단계 및 비용함수가 최소값이 되는 경우의 비행 파라미터를 그래프로 도시하여 시각적으로 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider having the steps as described above includes updating the flight model with the determined final flight parameters, and predicting the flight trajectory of the underwater glider from the flight model based on the determined final flight parameters. It may further include a step of visually providing a flight parameter by graphing the flight parameters when the steps and cost functions become the minimum values.

상술한 바와 같은 단계를 가지는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법은, 수중글라이더의 상태를 다이빙(diving), 호버링(hovering) 및 부상(surfacing)의 세 가지로 구분할 수 있다.In the method of designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider having the above-described steps, the state of the underwater glider can be classified into three types: diving, hovering, and surfacing.

도 5는 도 4에 있는 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계를 설명하는 순서도이다.5 is a flowchart illustrating a step of determining the final flight parameter in FIG. 4.

도 5를 참조하면, 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계(S460)는, 상술한 단계 S450에서 계산된 수직속도로부터 비용함수를 산출한다(S461).Referring to FIG. 5, in the step of determining the final flight parameter (S460), a cost function is calculated from the vertical speed calculated in step S450 (S461).

상술한 단계 S461에서 산출된 비용함수가 최소값이 될 때까지 비행 파라미터의 수치를 변경시키면서 비행 모델의 수직속도를 반복적으로 계산한다(S462).The vertical speed of the flight model is repeatedly calculated while changing the value of the flight parameter until the cost function calculated in the above-described step S461 becomes the minimum value (S462).

상술한 단계 S462에 의해 비행 모델의 수직속도를 반복적으로 계산 중 비용함수가 최소값이 되는 비행 파라미터를 비행 모델의 최종 비행 파라미터로 결정한다(S463).During the iterative calculation of the vertical speed of the flight model in step S462, a flight parameter whose cost function becomes the minimum value is determined as the final flight parameter of the flight model (S463).

상술한 바와 같은 단계를 가지는 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계(S460)는, 수중글라이더의 수직궤적 자료를 통해 수중글라이더의 수직 이동속도(dz/dt)를 계산한 후, 비용함수가 최소값이 되도록 하는 수중글라이더의 수직속도를 계산하여 각각의 비행 파라미터를 최종 비행 파라미터로 결정할 수 있다.In the step of determining the final flight parameter having the above-described steps (S460), after calculating the vertical moving speed (dz/dt) of the underwater glider through the vertical trajectory data of the underwater glider, the cost function is made to be the minimum value. By calculating the vertical speed of the underwater glider, each flight parameter can be determined as the final flight parameter.

상술한 바와 같은 단계를 가지는 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계는, 비용함수의 그레디언트(gradient) 값이

Figure 112018014809814-pat00081
이하가 될 때까지 계산을 반복 수행할 수 있다.In the step of determining the final flight parameter having the steps described above, the gradient value of the cost function is
Figure 112018014809814-pat00081
The calculation can be repeated until it becomes the following.

도 6은 도 4에 있는 수직속도를 계산하는 단계를 설명하는 순서도이다.6 is a flow chart illustrating the steps of calculating the vertical speed in FIG. 4.

도 6을 참조하면, 수직속도를 계산하는 단계(S420)는, 수중글라이더의 비행 특성치 데이터를 내삽(interpolation)한다(S421).Referring to FIG. 6, in the step of calculating the vertical speed (S420), flight characteristic data of the underwater glider is interpolated (S421).

일 실시예에서, 상술한 단계 S410에서 설정된 기본 파라미터 중 수중글라이더의 비행 특성치 데이터를 내삽하는 단계(S421)는, 수중글라이더의 비행 특성치 데이터를 1초 간격으로 내삽할 수 있다.In one embodiment, the interpolation of flight characteristic data of the underwater glider among the basic parameters set in step S410 described above (S421) may interpolate the flight characteristic data of the underwater glider at 1 second intervals.

상술한 단계 S421에서 내삽된 비행 특성치 데이터 및 상술한 단계 S410에서 설정된 기본 파라미터 중 해양 환경 데이터를 기초로 수심 데이터를 산출한다(S422).Depth data is calculated based on marine environment data among the flight characteristic data interpolated in step S421 and the basic parameters set in step S410 described above (S422).

일 실시예에서, 수심 데이터를 산출하는 단계(S422)는, 밀도 데이터 및 압력 데이터 중 적어도 하나의 데이터를 기초로 수심 데이터를 산출할 수 있다.In an embodiment, in the calculating of depth data (S422), depth data may be calculated based on at least one of density data and pressure data.

상술한 단계 S422에서 산출된 수심 데이터를 기초로 수중글라이더의 수직속도를 계산한다(S423).The vertical speed of the underwater glider is calculated based on the depth data calculated in step S422 (S423).

상술한 바와 같은 단계를 가지는 수직속도를 계산하는 단계(S420)는, 계산된 수직속도의 노이즈를 줄이고, 필터링을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.The step of calculating the vertical speed having the above-described steps (S420) may further include reducing noise of the calculated vertical speed and performing filtering.

일 실시예에서, 필터링을 수행하는 단계는, 중심 차동 방식(centered differential method)을 통해 노이즈를 줄이고, 10s 로우-패스 박스카 필터링(low-pass boxcar filtering)을 수행할 수 있다.In an embodiment, performing filtering may reduce noise through a centered differential method and perform 10s low-pass boxcar filtering.

본 발명에 의한 비행 모델은 비선형 방정식이므로 비선형 최적화 알고리즘을 통해 각 비행 파라미터를 결정할 수 있다.Since the flight model according to the present invention is a nonlinear equation, each flight parameter can be determined through a nonlinear optimization algorithm.

각 비행 파라미터가 비용함수에 미치는 영향을 평가하기 위해서 민감도 분석을 실시함으로써, 비행 모델 최적화 알고리즘의 효율을 높이기 위한 파라미터 설정 작업을 검토한다.In order to evaluate the effect of each flight parameter on the cost function, a sensitivity analysis is conducted to review the parameter setting work to increase the efficiency of the flight model optimization algorithm.

도 7 내지 도 10은 각 파라미터에 따른 비용함수 변화를 도시한 그래프이다.7 to 10 are graphs showing the cost function change according to each parameter.

도 7 내지 도 10을 참조하면, 각 비행 파라미터에 따른 비용함수 변화를 살펴보면, 기생 항력 계수(

Figure 112018014809814-pat00082
, parasite drag coefficient)에 따라 기본적으로 크게 좌우되는 것을 알 수 있어, 비행 모델을 최적화하는데 있어서 매우 중요한 파라미터인 것을 알 수 있다.7 to 10, looking at the cost function change according to each flight parameter, the parasitic drag coefficient (
Figure 112018014809814-pat00082
, parasite drag coefficient), it can be seen that it is a very important parameter in optimizing the flight model.

또한, 압축성(

Figure 112018014809814-pat00083
, compressibility) 및 여분의 부력(
Figure 112018014809814-pat00084
, extra buoyancy)파라미터 역시 비용함수가 최소가 되는 지점이 뚜렷하게 나타나므로 비행 모델 최적화에 있어 중요한 파라미터임을 알 수 있다.In addition, compressibility (
Figure 112018014809814-pat00083
, compressibility) and extra buoyancy (
Figure 112018014809814-pat00084
, extra buoyancy) parameter is also an important parameter in flight model optimization because the point where the cost function is minimized is clearly indicated.

그러나 열팽창 계수(

Figure 112018014809814-pat00085
, thermal expansion coefficient)와 양력 계수(
Figure 112018014809814-pat00086
, lift coefficient)는 파라미터 변화에 따라 비용함수 변화가 크게 영향을 받지 않는 것을 볼 수 있으며, 이것은 비용함수 자체가 해당 파라미터에 크게 민감하지 않음을 나타내는 것이다.However, the coefficient of thermal expansion (
Figure 112018014809814-pat00085
, thermal expansion coefficient) and lift coefficient (
Figure 112018014809814-pat00086
, lift coefficient) can be seen that the cost function change is not significantly affected by the parameter change, indicating that the cost function itself is not very sensitive to the parameter.

이에 따라, 본 발명에서는, 열팽창 계수(

Figure 112018014809814-pat00087
, thermal expansion coefficient)와 양력 계수(
Figure 112018014809814-pat00088
, lift coefficient)의 경우 기존에 측정된 측정값을 활용하고, 나머지 세 가지 파라미터인 기생 항력 계수(
Figure 112018014809814-pat00089
, parasite drag coefficient), 압축성(
Figure 112018014809814-pat00090
, compressibility) 및 여분의 부력(
Figure 112018014809814-pat00091
, extra buoyancy)을 최적화하는 비행 파마미터로 결정하였다.Accordingly, in the present invention, the coefficient of thermal expansion (
Figure 112018014809814-pat00087
, thermal expansion coefficient) and lift coefficient (
Figure 112018014809814-pat00088
In the case of, lift coefficient), the previously measured value is used, and the remaining three parameters, the parasitic drag coefficient (
Figure 112018014809814-pat00089
, parasite drag coefficient), compressibility (
Figure 112018014809814-pat00090
, compressibility) and extra buoyancy (
Figure 112018014809814-pat00091
, extra buoyancy) to optimize flight parameters.

분석 결과를 바탕으로 최적화할 비행 파라미터를 결정하였으므로 이를 바탕으로 본 발명에 의한 환경적응형 수중글라이더 비행 모델 알고리즘을 수립하였다.Since the flight parameters to be optimized were determined based on the analysis result, an environmentally adaptive underwater glider flight model algorithm according to the present invention was established based on this.

다음으로 본 발명을 통해 예측된 결과와 실측 자료와의 비교를 검토한다.Next, the comparison between the predicted result and the actual data is reviewed.

도 11 내지 도 14는 본 발명에 의해 예측된 결과와 실측 자료와의 비교 그래프이다.11 to 14 are graphs comparing results predicted by the present invention and actual data.

도 11 내지 도 14를 참조하며, 2016년 6월에 수행했던 울릉도-독도 왕복 비행시험에서 얻어진 비행궤적 결과를 활용하여 본 발명에 의한 결과와 비교하였다.11 to 14, the flight trajectory results obtained in the Ulleungdo-Dokdo round-trip flight test performed in June 2016 were compared with the results of the present invention.

실제 비행 파라미터는 수중글라이더의 수직속도를 활용하여 계산하여 얻어진 비행 파라미터와 센서로 측정된 해양 부력환경 자료 및 수중글라이더 자세 자료로부터 비행궤적을 예측하였다.The actual flight parameters were calculated using the vertical speed of the underwater glider, and the flight trajectory was predicted from the flight parameters, the marine buoyancy environment data measured by the sensor, and the underwater glider attitude data.

본 발명에 의해 예측된 비행궤적을 실제 비행궤적과 비교함으로써 그 정확성을 평가하였다.The accuracy was evaluated by comparing the flight trajectory predicted by the present invention with the actual flight trajectory.

서로 상이한 비행궤적을 가지고 있는 서로 다른 실해역 시험에서 나온 결과임에도 불구하고, 본 발명에 의해 파라미터만으로 실제 얻어진 궤적을 매우 유사하게 예측해내고 있음을 알 수 있다.It can be seen that despite the results from different real sea tests having different flight trajectories, the trajectories actually obtained with only parameters by the present invention are predicted very similarly.

본 발명에 의한 최적화 과정을 통해 비행 파라미터를 산출할 수 있으므로 이를 활용하여 진입각(angle of attack)을 추정할 수 있으며, 추정된 진입각은 수중글라이더의 수평이동속도를 정확하게 산출하는데 있어서 매우 중요한 비행 파라미터임을 확인할 수 있다.Since the flight parameters can be calculated through the optimization process according to the present invention, the angle of attack can be estimated using this, and the estimated angle of ingress is very important in accurately calculating the horizontal moving speed of the underwater glider. It can be confirmed that it is a parameter.

도 15 내지 도 17은 본 발명에 의한 최적화 과정을 통해 산출된 진입각 추정치를 시계열로 도시한 그래프이다.15 to 17 are graphs showing the estimated entry angle calculated through the optimization process according to the present invention in time series.

도 15를 참조하면 울릉도 장거리 비행시험(2016년 7월)으로부터 얻어진 수중글라이더의 상승할 때 및 하강할 때의 진입각의 변화를 확인할 수 있고, 도 16을 참조하면 주문진 장거리 비행시험(2017년 8월)으로부터 얻어진 수중글라이더의 상승할 때 및 하강할 때의 진입각의 변화를 확인할 수 있고, 도 17을 참조하면 동해시 묵호항인근 위치유지 비행시험(2017년 6월)으로부터 얻어진 수중글라이더의 상승할 때 및 하강할 때의 진입각의 변화를 확인할 수 있다.Referring to Fig. 15, it is possible to confirm the change in the angle of entry when the underwater glider ascends and descends obtained from the Ulleungdo long-distance flight test (July 2016). Referring to Fig. 16, the Jumunjin long-distance flight test (2017, 8 When ascending and descending of the underwater glider obtained from Mon), the change in the angle of entry can be confirmed, and referring to FIG. 17, when the underwater glider obtained from the flight test (June 2017) near Mukho Port in the East Sea And it is possible to check the change of the entry angle when descending.

도 15 내지 도 17을 참조하면, 진입각은 서로 다른 부력 조건과 해양 밀도 조건임에도 불구하고 2.5도~3.5도 사이로 안정적으로 얻어지고 있음을 알 수 있다. 기존에는 수중글라이더의 진입각을 정확하게 알 수 없었으나, 본 발명을 통해 비교적 정확한 진입각 정보를 알아낼 수 있음을 보여주는 결과이다.Referring to FIGS. 15 to 17, it can be seen that the entry angle is stably obtained between 2.5° and 3.5° despite the different buoyancy conditions and ocean density conditions. Previously, it was not possible to accurately determine the entry angle of the underwater glider, but this is a result showing that relatively accurate entry angle information can be found through the present invention.

또한, 이러한 진입각이 거의 안정적으로 얻어짐에 따라 수평이동거리 예측 정확도가 높아질 수 있으며, 이를 바탕으로 수중글라이더의 항법 정확도가 향상될 수 있다.In addition, as the entry angle is obtained almost stably, the accuracy of predicting the horizontal movement distance can be increased, and based on this, the navigation accuracy of the underwater glider can be improved.

해양의 상태 변화와 수중글라이더 상태에 따라 미세한 진입각의 변동이 나타나는 것으로 판단되는데, 이것은 비선형적인 수중글라이더 비행 특성상 원인을 특정하기 어려우나 진입각의 변동 RMS가 약 0.5도에 불과하여 이로 인해 발생될 수 있는 수평거리 오차는 400m 잠항 시 약 30m 정도로 잠항 수심의 약 8% 정도이며, 수평속도 오차로 환산해보면 0.008m/s로 무시할 수 있을 만큼 작은 수치이다.It is judged that a slight variation in the angle of entry appears depending on the state of the ocean and the state of the underwater glider.This can be caused by the fact that it is difficult to specify the cause due to the nonlinear characteristics of the underwater glider, but the variation RMS of the entry angle is only about 0.5 degrees. The horizontal distance error is about 30m for 400m submerged, about 8% of the depth of the submerged sea, and when converted to a horizontal speed error, it is a negligible value of 0.008m/s.

도 18 및 도 19는 본 발명에 의해 예측된 수중글라이더의 수직 비행 궤적의 성능을 평가하기 위해서 예측된 궤적과, 2017년 6월에 수행한 위치 유지 시험과, 2017년 8월에 수행한 최장거리 시험 결과를 비교하여 RMS error를 산출하고, 잠항 수심과 비교하여 %로 산출한 것이다.18 and 19 are a predicted trajectory to evaluate the performance of the vertical flight trajectory of an underwater glider predicted by the present invention, a position maintenance test performed in June 2017, and the longest distance performed in August 2017. RMS error is calculated by comparing the test results, and calculated as% by comparing with the depth of the submerged port.

이전에 최적화 알고리즘으로 얻어진 비행 파라미터를 활용하여 다음 번 성능 평가에서의 해양 밀도 환경 정보 및 수중글라이더 자세 정보에 적용함으로써, 비행궤적을 예측하고, 예측된 결과를 실제 관측 결과와 비교하는 방법을 통해 예측 궤적 오차를 산출하였다.By using the flight parameters obtained by the optimization algorithm previously and applying them to the ocean density environment information and the underwater glider attitude information in the next performance evaluation, the flight trajectory is predicted and the predicted results are compared with the actual observation results. The trajectory error was calculated.

RMS 오차 비율은 전체적으로 약 2% 이내로 본 발명에 의한 수직 비행궤적을 매우 정확하게 예측하고 있음을 알 수 있다. 반면에 기존 비행 모델은 해양 환경 상태 및 수중글라이더 부력 특성을 고려하지 못해 매번 달라지지만, 본 발명보다 훨씬(약 3~10배 이상) 높은 오차를 가지고 있는 것을 볼 수 있다.It can be seen that the RMS error ratio is generally within about 2%, and the vertical flight trajectory according to the present invention is very accurately predicted. On the other hand, it can be seen that the existing flight model has a much higher error (about 3 to 10 times or more) than the present invention, although it does not take into account the marine environment conditions and the buoyancy characteristics of the underwater glider.

본 발명의 수직 비행궤적이 비교적 정확하며 상술한 산출한 진입각이 시간에 따라 안정적으로 얻어짐에 따라 수평 이동 속도의 정확성도 기존의 비행 모델에 비해 높음을 확인할 수 있다.It can be seen that the vertical flight trajectory of the present invention is relatively accurate, and as the calculated entry angle is stably obtained over time, the accuracy of the horizontal movement speed is also higher than that of the existing flight model.

상술한 바와 같은 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법은, 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.The method for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider as described above may be implemented as an application or implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer components and recorded in a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.

상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.The program instructions recorded in the computer-readable recording medium may be specially designed and constructed for the present invention, and may be known and usable to those skilled in the computer software field.

컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CDROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical recording media such as CDROMs and DVDs, magnetic-optical media such as floptical disks. , And a hardware device specially configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like.

프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of the program instructions include not only machine language codes such as those produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform processing according to the present invention, and vice versa.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to embodiments, it is understood that those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. You can understand.

본 발명에 따르면, 정적 유체역학 방정식(Static hydrodynamic equation)을 바탕으로 해양 환경 특성과 해당 수중글라이더에 최적화하여 결정되는 환경적응형 비행 모델은, 운용 중 대상 해역의 해수 밀도구조가 바뀌더라도 적용이 가능하며, 장기간 운용 시 발생하는 생물부착으로 인한 비행 특성치 변동에 있어서도 적용이 가능하다.According to the present invention, an environmentally adaptive flight model determined by optimizing marine environment characteristics and a corresponding underwater glider based on a static hydrodynamic equation can be applied even if the seawater density structure of the target sea area changes during operation. In addition, it can be applied to fluctuations in flight characteristics due to attachment of organisms that occur during long-term operation.

또한, 해당 수중글라이더에 최적화하여 특성치를 산출하는 방식이므로 추가적인 센서나 장비 부착으로 인한 수중글라이더 무게 변동에도 적용이 가능하며, 한 번 시험 비행을 거친 수중글라이더라면 보다 높은 정확성으로 비행궤적 예측이 가능하기 때문에 수중글라이더의 운용 임무계획 또는 운용 전략을 수립하는데 중요하게 활용될 수 있다.In addition, since it is a method that calculates the characteristic values by optimizing for the underwater glider, it can be applied to changes in the weight of the underwater glider due to the attachment of additional sensors or equipment. For this reason, it can be used importantly in establishing an operation mission plan or operation strategy of an underwater glider.

100: 기본 파라미터 설정부
200: 수직속도 계산부
300: 초기 조건 설정부
400: 진입각 산출부
500: 수직속도 산출부
600: 최종 비행 파라미터 결정부
100: basic parameter setting unit
200: vertical speed calculation unit
300: initial condition setting unit
400: entry angle calculation unit
500: vertical speed calculation unit
600: final flight parameter determination unit

Claims (20)

수중글라이더에서 측정된 데이터, 비행 모델에 필요한 해양 환경 데이터 및 수중글라이더의 비행 특성치 데이터 중 적어도 하나의 데이터를 입력받아 비행 모델의 기본 파라미터를 설정하는 단계;
설정된 기본 파라미터를 기초로 수중글라이더의 수직속도를 계산하는 단계;
계산된 수직속도를 이용하여 수중글라이더의 비행 특성을 결정하는 비행 파라미터의 초기 조건을 설정하는 단계;
비행 파라미터의 초기 조건을 기초로 수치 계산(numerical computation)을 통해 수중글라이더의 진입각을 산출하는 단계;
산출된 진입각을 기초로 비행 모델로부터 수직속도를 산출하는 단계; 및
산출된 수직속도로부터 비용함수(cost function)를 산출하여, 비용함수가 최소값이 되는 경우의 비행 파라미터를 비행 모델의 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계를 포함하되,
상기 산출된 진입각을 기초로 비행 모델로부터 수직속도를 산출하는 단계는,
상기 산출된 진입각, 기생 항력 계수(parasite drag coefficient), 압축성(compressibility), 여분의 부력(extra buoyancy) 및 오일 펌프에 있는 오일의 부피를 기초로 비행 모델로부터 수직속도를 산출하는 것이며,
상기 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계는,
수중글라이더의 수직궤적 자료를 통해 수중글라이더의 수직 이동속도(dz/dt)를 계산하고, 계산된 수직 이동속도(dz/dt) 및 계산된 수직속도로부터 비용함수를 산출하는 단계;
산출된 비용함수가 최소값이 될 때까지 비행 파라미터의 수치를 변경시키면서 비행 모델의 수직속도를 반복적으로 계산하는 단계; 및
비용함수가 최소값이 되는 비행 파라미터를 비행 모델의 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계를 포함하는, 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법.
Receiving at least one of data measured by the underwater glider, marine environment data required for the flight model, and flight characteristic data of the underwater glider and setting basic parameters of the flight model;
Calculating a vertical speed of the underwater glider based on the set basic parameters;
Setting initial conditions of flight parameters for determining flight characteristics of the underwater glider using the calculated vertical speed;
Calculating the entry angle of the underwater glider through numerical computation based on the initial conditions of the flight parameters;
Calculating a vertical speed from the flight model based on the calculated entry angle; And
Computing a cost function from the calculated vertical speed, and determining a flight parameter when the cost function becomes a minimum value as a final flight parameter of the flight model,
Calculating the vertical speed from the flight model based on the calculated entry angle,
The vertical speed is calculated from the flight model based on the calculated entry angle, parasite drag coefficient, compressibility, extra buoyancy, and the volume of oil in the oil pump,
The step of determining as the final flight parameter,
Calculating a vertical moving speed (dz/dt) of the underwater glider through vertical trajectory data of the underwater glider, calculating a cost function from the calculated vertical moving speed (dz/dt) and the calculated vertical speed;
Repeatedly calculating the vertical speed of the flight model while changing the numerical value of the flight parameter until the calculated cost function reaches the minimum value; And
A method for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider comprising the step of determining a flight parameter whose cost function is a minimum value as a final flight parameter of the flight model.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 최종 비행 파라미터로 결정하는 단계는,
비용함수의 그레디언트(gradient) 값이
Figure 112020064384258-pat00092
이하가 될 때까지 계산을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법.
The method of claim 1, wherein the determining as the final flight parameter,
The gradient value of the cost function is
Figure 112020064384258-pat00092
An environmentally adaptive flight model design method of an underwater glider, characterized in that the calculation is repeatedly performed until the following.
제1항에 있어서, 상기 기본 파라미터를 설정하는 단계는,
테스트 비행을 통해 수중글라이더의 내부 센서로부터 측정되는 데이터 또는 기존에 측정된 데이터를 포함하는 데이터를 기본 데이터로 입력받는 것을 특징으로 하는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법.
The method of claim 1, wherein the setting of the basic parameter comprises:
A method for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider, characterized in that data measured from an internal sensor of an underwater glider through a test flight or data including previously measured data are input as basic data.
제1항에 있어서, 상기 수직속도를 계산하는 단계는,
수중글라이더의 비행 특성치 데이터를 내삽(interpolation)하는 단계;
내삽된 비행 특성치 데이터 및 해양 환경 데이터를 기초로 수심 데이터를 산출하는 단계; 및
산출된 수심 데이터를 기초로 수중글라이더의 수직속도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법.
The method of claim 1, wherein calculating the vertical velocity comprises:
Interpolating flight characteristic data of the underwater glider;
Calculating depth data based on the interpolated flight characteristic data and marine environment data; And
An environmentally adaptive flight model design method of an underwater glider comprising the step of calculating the vertical speed of the underwater glider based on the calculated depth data.
제6항에 있어서, 상기 수중글라이더의 비행 특성치 데이터를 내삽하는 단계는,
수중글라이더의 비행 특성치 데이터를 1초 간격으로 내삽하는 것을 특징으로 하는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법.
The method of claim 6, wherein interpolating flight characteristic data of the underwater glider,
An environmentally adaptive flight model design method of an underwater glider, characterized in that interpolation of the flight characteristic data of the underwater glider at 1-second intervals.
제6항에 있어서, 상기 수심 데이터를 산출하는 단계는,
밀도 데이터 및 압력 데이터 중 적어도 하나의 데이터를 기초로 수심 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법.
The method of claim 6, wherein calculating the depth data comprises:
An environmentally adaptive flight model design method of an underwater glider, characterized in that the depth data is calculated based on at least one of density data and pressure data.
제6항에 있어서, 상기 수직속도를 계산하는 단계는,
계산된 수직속도의 노이즈를 줄이고, 필터링을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법.
The method of claim 6, wherein calculating the vertical speed,
The method of designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider, further comprising the step of reducing the calculated vertical speed noise and performing filtering.
제9항에 있어서, 상기 필터링을 수행하는 단계는,
중심 차동 방식(centered differential method)을 통해 노이즈를 줄이고, 필터링(filtering)을 수행하는 것을 특징으로 하는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법.
The method of claim 9, wherein performing the filtering comprises:
A method of designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider, characterized in that noise is reduced and filtering is performed through a centered differential method.
제1항에 있어서, 상기 기본 파라미터를 설정하는 단계는,
중력가속도(gravitational acceleration), 수중글라이더의 부피(glider volume), 수중글라이더 질량(glider mass), 초기 온도(initial temperature), 수중글라이더의 면적(glider area), 열팽창 계수(thermal expansion coefficient), 양력 계수(lift coefficient), 유도 항력 계수(induced drag coefficient), 해양의 밀도(water density), 해양의 압력(water pressure), 해양의 온도(water temperature), 수중글라이더의 부피 변화(volume change) 및 수중글라이더의 피치(pitch) 중 적어도 하나의 파라미터를 기본 파라미터로 설정하는 것을 특징으로 하는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법.
The method of claim 1, wherein the setting of the basic parameter comprises:
Gravitational acceleration, underwater glider volume, underwater glider mass, initial temperature, underwater glider area, thermal expansion coefficient, lift coefficient (lift coefficient), induced drag coefficient, ocean density, ocean pressure, ocean temperature, underwater glider volume change and underwater glider An environmentally adaptive flight model design method of an underwater glider, characterized in that at least one parameter among the pitches of is set as a basic parameter.
삭제delete 제1항에 있어서,
결정된 최종 비행 파라미터로 비행 모델을 업데이트하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법.
The method of claim 1,
An environmentally adaptive flight model design method of an underwater glider, further comprising the step of updating the flight model with the determined final flight parameters.
제1항에 있어서,
결정된 최종 비행 파라미터를 기초로 한 비행 모델로부터 수중글라이더의 비행 궤적을 예측하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법.
The method of claim 1,
Predicting the flight trajectory of the underwater glider from the flight model based on the determined final flight parameters. The method of designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider, characterized in that it further comprises.
제1항에 있어서,
비용함수가 최소값이 되는 경우의 비행 파라미터를 그래프로 도시하여 시각적으로 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법.
The method of claim 1,
A method for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider, further comprising the step of visually providing a flight parameter when the cost function becomes a minimum value in a graph.
제1항에 있어서,
수중글라이더의 상태를 다이빙(diving), 호버링(hovering) 및 부상(surfacing)의 세 가지로 구분하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법.
The method of claim 1,
The method of designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider, further comprising the step of dividing the state of the underwater glider into three categories: diving, hovering, and surfacing.
제1항, 제4항 내지 제11항 및 제13항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 따른 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
In order to perform the method for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider according to any one of claims 1, 4 to 11, and 13 to 16, a computer program is recorded and readable by a computer. Recording medium.
수중글라이더에서 측정된 데이터, 비행 모델에 필요한 해양 환경 데이터 및 수중글라이더의 비행 특성치 데이터 중 적어도 하나의 데이터를 입력받아 비행 모델의 기본 파라미터를 설정 하는 기본 파라미터 설정부;
설정된 기본 파라미터를 기초로 수중글라이더의 수직속도를 계산하는 수직속도 계산부;
계산된 수직속도를 이용하여 수중글라이더의 비행 특성을 결정하는 비행 파라미터의 초기 조건을 설정하는 초기 조건 설정부;
비행 파라미터의 초기 조건을 기초로 수치 계산(num erical computation)을 통해 수중글라이더의 진입각을 산출하는 진입 각 산출부;
산출된 진입각을 기초로 비행 모델로부터 수직속도를 산출하는 수직속도 산출부; 및
산출된 수직속도로부터 비용함수(cost function)를 산출하여, 비용함수가 최소값이 되는 경우의 비행 파라미터를 비행 모델의 최종 비행 파라미터로 결정하는 최종 비행 파라미터 결정부를 포함하되,
상기 수직속도 산출부는,
상기 산출된 진입각, 기생 항력 계수(parasite drag coefficient), 압축성(compressibility), 여분의 부력(extra buoyancy) 및 오일 펌프에 있는 오일의 부피를 기초로 비행 모델로부터 수직속도를 산출하며,
상기 최종 비행 파라미터 결정부는,
수중글라이더의 수직궤적 자료를 통해 수중글라이더의 수직 이동속도(dz/dt)를 계산하고, 계산된 수직 이동속도(dz/dt) 및 계산된 수직속도로부터 비용함수를 산출하는 비용함수 산출부;
산출된 비용함수가 최소값이 될 때까지 비행 파라미터의 수치를 변경시키면서 비행 모델의 수직속도를 반복적으로 계산하는 반복 계산부; 및
비용함수가 최소값이 되는 비행 파라미터를 비행 모델의 최종 비행 파라미터 로 결정하는 파라미터 결정부를 포함하는, 수중글라이더의 환경적응 형 비행 모델 설계 장치.
A basic parameter setting unit configured to receive at least one of data measured by the underwater glider, marine environment data necessary for the flight model, and flight characteristic data of the underwater glider and set basic parameters of the flight model;
A vertical speed calculation unit that calculates a vertical speed of the underwater glider based on the set basic parameters;
An initial condition setting unit for setting initial conditions of flight parameters for determining flight characteristics of the underwater glider using the calculated vertical speed;
Entry angle calculation unit for calculating the entry angle of the underwater glider through numerical calculation (num erical computation) based on the initial conditions of the flight parameters;
A vertical speed calculator that calculates a vertical speed from the flight model based on the calculated entry angle; And
Comprising a final flight parameter determination unit that calculates a cost function from the calculated vertical speed, and determines a flight parameter when the cost function becomes a minimum value as a final flight parameter of the flight model,
The vertical speed calculation unit,
The vertical speed is calculated from the flight model based on the calculated entry angle, parasite drag coefficient, compressibility, extra buoyancy, and the volume of oil in the oil pump,
The final flight parameter determination unit,
A cost function calculation unit that calculates the vertical movement speed (dz/dt) of the underwater glider through vertical trajectory data of the underwater glider, and calculates a cost function from the calculated vertical movement speed (dz/dt) and the calculated vertical speed;
An iterative calculation unit that repeatedly calculates the vertical speed of the flight model while changing the value of the flight parameter until the calculated cost function reaches a minimum value; And
An apparatus for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider, comprising a parameter determination unit that determines a flight parameter whose cost function is the minimum value as a final flight parameter of the flight model.
제18항에 있어서,
비용함수가 최소값이 되는 경우의 비행 파라미터를 그래프로 도시하여 시각적으로 제공하는 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중글라이더의 환경적응형 비행 모델 설계 장치.
The method of claim 18,
An apparatus for designing an environmentally adaptive flight model of an underwater glider, further comprising a monitoring unit that visually provides a graph of flight parameters when the cost function becomes a minimum value.
삭제delete
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