KR102502125B1 - 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법 및 장치는, 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델을 획득하고, 무인 수상정 운동 모델을 기반으로 무인 수상정을 제어함으로써, 실제 해상 환경과 무인 수상정의 물리적 특성이 다르더라도 제어 입력 값의 범위를 어느 정도 알수 있으므로, 현장에서의 무인 수상정의 제어 설계 시간을 단축시킬 수 있고, 본 발명에 따른 무인 수상정 운동 모델 및 무인 수상정 제어 모델은 수상정 임무 분석 시뮬레이터의 기초가 되며, 무인 수상정의 운용 안정성 확보 및 무인 해양 조사, 무인 정찰 등의 작업 성능을 높일 수 있다.
Description
본 발명은 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)의 자율 주행을 위해 무인 수상정의 운동을 모델링하는, 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 수상정 운동 모델링 및 제어 알고리즘은 요구되는 속도 및 각속도를 지향하기 위해 특정 제어(RPM과 조타각) 입력 값을 설계하고, 제어 입력 값을 만들기 위해 현재의 속도 및 각속도 값과 요구되는 속도 및 각속도 값 차이를 오차로 정의하여, 오차에 대한 비례, 미분, 적분 값으로 제어 입력을 생성한다. 오차에 대한 비례, 미분, 적분 값은 제어기 설계 파라미터가 된다.
그러나, 실제 해상 환경은 조류, 파도 바람 등의 외란 요인으로 인해 균일하지 않고 선체마다 물리적 특성이 다르므로, 종래의 수상정 운동 모델링 및 제어 알고리즘의 적용은 신뢰성을 가질 수 없다. 또한, 사전에 수상정의 운동 모델링을 설계하지 않고, 실제 해상 환경에서 수상정의 제어기를 설계하는 것은 많은 시행과 착오를 되풀이 하기에, 수상정을 운용하기 위한 시간과 비용이 많이 소요되는 문제가 있다.
이에, 실제 해상 환경의 운항 시나리오를 통한 수상정의 운동 모델링 설계가 필요하고, 식별된 운동 모델링 계수를 이용하여 수상정의 속도 및 자세 제어 알고리즘 설계가 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 목적은, 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델을 획득하고, 무인 수상정 운동 모델을 기반으로 무인 수상정을 제어하는, 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법은, 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델을 획득하고, 상기 무인 수상정 운동 모델을 기반으로 상기 무인 수상정을 제어하는 방법으로서, 미리 설정된 운항 시나리오에 따른 상기 무인 수상정의 실제 운항 데이터를 획득하는 단계; 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 조타각을 교정하여 상기 실제 운항 데이터를 보정하는 단계; 보정된 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 무인 수상정 운동 모델의 운동 파라미터를 획득하는 단계; 상기 운동 모델 파라미터를 기반으로 무인 수상정 제어 모델의 제어 파라미터를 획득하는 단계; 및 상기 제어 파라미터 및 상기 무인 수상정 제어 모델을 기반으로 상기 무인 수상정을 제어하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 실제 운항 데이터는, 시간, 위치, 속력, 각속도, 가속도, RPM(revolution per minute) 및 조타각을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 실제 운항 데이터 보정 단계는, 조타각과 각속도의 관계식을 이용하여 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 조타 편향각 계수를 획득하고, 상기 조타 편향각 계수를 이용하여 조타각을 교정하여 상기 실제 운항 데이터를 보정하는 것으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 운동 파라미터 획득 단계는, 조타각을 입력으로 하고 각속도를 출력으로 하는 제1 무인 수상정 운동 모델을 이용하여 보정된 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 추정된 이득 값과 시간 지연 값을 포함하는 제1 운동 파라미터를 획득하고, RPM을 입력으로 하고 속도를 출력으로 하는 제2 무인 수상정 운동 모델을 이용하여 보정된 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 추정된 이득 값과 시간 지연 값을 포함하는 제2 운동 파라미터를 획득하는 것으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 운동 파라미터 획득 단계는, 조타각 명령 이후 각속도가 변하는 각가속도 구간을 제1 데이터 유효 구간으로 설정하고, 조타각 명령 이후 각속도가 일정한 등각속도 구간을 제2 데이터 유효 구간으로 설정하며, 보정된 상기 실제 운항 데이터의 상기 제2 데이터 유효 구간을 이용하여 상기 제1 운동 파라미터의 이득 값을 추정하고, 보정된 상기 실제 운항 데이터의 상기 제1 데이터 유효 구간을 이용하여 상기 제1 운동 파라미터의 시간 지연 값을 추정하며, RPM 명령 이후 속도가 증가하는 가속도 구간을 제3 데이터 유효 구간으로 설정하고, RPM 명령 이후 속도가 일정한 등가속도 구간을 제4 데이터 유효 구간으로 설정하며, 보정된 상기 실제 운항 데이터의 상기 제4 데이터 유효 구간을 이용하여 상기 제2 운동 파라미터의 이득 값을 추정하고, 보정된 상기 실제 운항 데이터의 상기 제3 데이터 유효 구간을 이용하여 상기 제2 운동 파라미터의 시간 지연 값을 추정하는 것으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제어 파라미터 획득 단계는, 상기 무인 수상정의 자세를 제어하는 제1 무인 수상정 제어 모델을 이용하여 상기 제1 무인 수상정 운동 모델의 상기 제1 운동 파라미터를 기반으로 추정된 이득 값을 포함하는 제1 제어 파라미터를 획득하고, 상기 무인 수상정의 속도를 제어하는 제2 무인 수상정 제어 모델을 이용하여 상기 제2 무인 수상정 운동 모델의 상기 제2 운동 파라미터를 기반으로 추정된 이득 값을 포함하는 제2 제어 파라미터를 획득하는 것으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 미리 설정된 운항 시나리오는, 속도와 조타각별로 세분화된 선회 운항 시나리오 및 속도별로 세분화된 직진 운항 시나리오를 포함할 수 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 저장되어 상기한 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법 중 어느 하나를 컴퓨터에서 실행시킨다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치는, 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델을 획득하고, 상기 무인 수상정 운동 모델을 기반으로 상기 무인 수상정을 제어하는 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치로서, 상기 무인 수상정의 자율 주행을 위한 상기 무인 수상정 운동 모델을 획득하고, 상기 무인 수상정 운동 모델을 기반으로 상기 무인 수상정을 제어하기 위한 하나 이상의 프로그램을 저장하는 메모리; 및 상기 메모리에 저장된 상기 하나 이상의 프로그램에 따라 상기 무인 수상정의 자율 주행을 위한 상기 무인 수상정 운동 모델을 획득하고, 상기 무인 수상정 운동 모델을 기반으로 상기 무인 수상정을 제어하기 위한 동작을 수행하는 하나 이상의 프로세서;를 포함하며, 상기 프로세서는, 미리 설정된 운항 시나리오에 따른 상기 무인 수상정의 실제 운항 데이터를 획득하고, 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 조타각을 교정하여 상기 실제 운항 데이터를 보정하며, 보정된 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 무인 수상정 운동 모델의 운동 파라미터를 획득하고, 상기 운동 모델 파라미터를 기반으로 무인 수상정 제어 모델의 제어 파라미터를 획득하며, 상기 제어 파라미터 및 상기 무인 수상정 제어 모델을 기반으로 상기 무인 수상정을 제어한다.
여기서, 상기 실제 운항 데이터는, 시간, 위치, 속력, 각속도, 가속도, RPM(revolution per minute) 및 조타각을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 프로세서는, 조타각과 각속도의 관계식을 이용하여 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 조타 편향각 계수를 획득하고, 상기 조타 편향각 계수를 이용하여 조타각을 교정하여 상기 실제 운항 데이터를 보정할 수 있다.
여기서, 상기 프로세서는, 조타각을 입력으로 하고 각속도를 출력으로 하는 제1 무인 수상정 운동 모델을 이용하여 보정된 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 추정된 이득 값과 시간 지연 값을 포함하는 제1 운동 파라미터를 획득하고, RPM을 입력으로 하고 속도를 출력으로 하는 제2 무인 수상정 운동 모델을 이용하여 보정된 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 추정된 이득 값과 시간 지연 값을 포함하는 제2 운동 파라미터를 획득할 수 있다.
여기서, 상기 프로세서는, 상기 무인 수상정의 자세를 제어하는 제1 무인 수상정 제어 모델을 이용하여 상기 제1 무인 수상정 운동 모델의 상기 제1 운동 파라미터를 기반으로 추정된 이득 값을 포함하는 제1 제어 파라미터를 획득하고, 상기 무인 수상정의 속도를 제어하는 제2 무인 수상정 제어 모델을 이용하여 상기 제2 무인 수상정 운동 모델의 상기 제2 운동 파라미터를 기반으로 추정된 이득 값을 포함하는 제2 제어 파라미터를 획득할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법 및 장치에 의하면, 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델을 획득하고, 무인 수상정 운동 모델을 기반으로 무인 수상정을 제어함으로써, 실제 해상 환경과 무인 수상정의 물리적 특성이 다르더라도 제어 입력 값의 범위를 어느 정도 알수 있으므로, 현장에서의 무인 수상정의 제어 설계 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 무인 수상정 운동 모델 및 무인 수상정 제어 모델은 수상정 임무 분석 시뮬레이터의 기초가 되며, 무인 수상정의 운용 안정성 확보 및 무인 해양 조사, 무인 정찰 등의 작업 성능을 높일 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법을 설명하기 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조타각 편향의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, 조타각을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, 각속도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, 헤딩을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, RPM을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, 속도를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 무인 수상정 제어 모델에 대한 MATLAB Simulink 모델을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2 무인 수상정 제어 모델에 대한 MATLAB Simulink 모델을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 동작의 성능을 설명하기 위한 도면으로, 제1 무인 수상정 운동 모델의 검증 결과를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 동작의 성능을 설명하기 위한 도면으로, 제1 무인 수상정 제어 모델의 검증 결과를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 동작의 성능을 설명하기 위한 도면으로, 제2 무인 수상정 운동 모델의 검증 결과를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 동작의 성능을 설명하기 위한 도면으로, 제2 무인 수상정 제어 모델의 검증 결과를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법을 설명하기 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조타각 편향의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, 조타각을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, 각속도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, 헤딩을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, RPM을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, 속도를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 무인 수상정 제어 모델에 대한 MATLAB Simulink 모델을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2 무인 수상정 제어 모델에 대한 MATLAB Simulink 모델을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 동작의 성능을 설명하기 위한 도면으로, 제1 무인 수상정 운동 모델의 검증 결과를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 동작의 성능을 설명하기 위한 도면으로, 제1 무인 수상정 제어 모델의 검증 결과를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 동작의 성능을 설명하기 위한 도면으로, 제2 무인 수상정 운동 모델의 검증 결과를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 동작의 성능을 설명하기 위한 도면으로, 제2 무인 수상정 제어 모델의 검증 결과를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예컨대, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 명세서에서 각 단계들에 있어 식별부호(예컨대, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 명세서에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예컨대, 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성 요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법 및 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치(이하 '무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치'라 한다)(100)는 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델을 획득할 수 있다.
그리고, 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치(100)는 무인 수상정 운동 모델을 기반으로 무인 수상정을 제어할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 실제 해상 환경과 무인 수상정의 물리적 특성이 다르더라도 제어 입력 값의 범위를 어느 정도 알수 있으므로, 현장에서의 무인 수상정의 제어 설계 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 무인 수상정 운동 모델 및 무인 수상정 제어 모델은 수상정 임무 분석 시뮬레이터의 기초가 되며, 무인 수상정의 운용 안정성 확보 및 무인 해양 조사, 무인 정찰 등의 작업 성능을 높일 수 있다.
이를 위해, 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치(100)는 하나 이상의 프로세서(110), 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130) 및 통신 버스(150)를 포함할 수 있다.
프로세서(110)는 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치(100)가 동작하도록 제어할 수 있다. 예컨대, 프로세서(110)는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)에 저장된 하나 이상의 프로그램(131)을 실행할 수 있다. 하나 이상의 프로그램(131)은 하나 이상의 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함할 수 있으며, 컴퓨터 실행 가능 명령어는 프로세서(110)에 의해 실행되는 경우 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치(100)로 하여금 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델을 획득하고, 무인 수상정 운동 모델을 기반으로 무인 수상정을 제어하기 위한 동작을 수행하도록 구성될 수 있다.
컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)는 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델을 획득하고, 무인 수상정 운동 모델을 기반으로 무인 수상정을 제어하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령어 내지 프로그램 코드, 프로그램 데이터 및/또는 다른 적합한 형태의 정보를 저장하도록 구성된다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)에 저장된 프로그램(131)은 프로세서(110)에 의해 실행 가능한 명령어의 집합을 포함한다. 일 실시예에서, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)는 메모리(랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 또는 이들의 적절한 조합), 하나 이상의 자기 디스크 저장 디바이스들, 광학 디스크 저장 디바이스들, 플래시 메모리 디바이스들, 그 밖에 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치(100)에 의해 액세스되고 원하는 정보를 저장할 수 있는 다른 형태의 저장 매체, 또는 이들의 적합한 조합일 수 있다.
통신 버스(150)는 프로세서(110), 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)를 포함하여 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치(100)의 다른 다양한 컴포넌트들을 상호 연결한다.
무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치(100)는 또한 하나 이상의 입출력 장치를 위한 인터페이스를 제공하는 하나 이상의 입출력 인터페이스(170) 및 하나 이상의 통신 인터페이스(190)를 포함할 수 있다. 입출력 인터페이스(170) 및 통신 인터페이스(190)는 통신 버스(150)에 연결된다. 입출력 장치(도시하지 않음)는 입출력 인터페이스(170)를 통해 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치(100)의 다른 컴포넌트들에 연결될 수 있다.
그러면, 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법을 설명하기 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치(100)의 프로세서(110)는 미리 설정된 운항 시나리오에 따른 무인 수상정의 실제 운항 데이터를 획득할 수 있다(S110).
여기서, 미리 설정된 운항 시나리오는 속도와 조타각별로 세분화된 선회(각가속도 및 등각속도) 운항 시나리오 및 속도별로 세분화된 직진(가속도 및 등속도) 운항 시나리오를 포함할 수 있다.
그리고, 실제 운항 데이터는 시간, 위치(위도 및 경도), 속력, 각속도, 가속도, RPM(revolution per minute) 및 조타각을 포함할 수 있다.
그런 다음, 프로세서(110)는 실제 운항 데이터를 기반으로 조타각을 교정하여 실제 운항 데이터를 보정할 수 있다(S120).
실제 운항 데이터 보정 단계(S120)의 상세한 내용은 이하 자세하게 설명한다.
그런 다음, 프로세서(110)는 보정된 실제 운항 데이터를 기반으로 무인 수상정 운동 모델의 운동 파라미터를 획득할 수 있다(S130).
무인 수상정 운동 모델의 운동 파라미터 획득 단계(S130)의 상세한 내용은 이하 자세하게 설명한다.
그런 다음, 프로세서(110)는 운동 파라미터를 기반으로 무인 수상정 제어 모델의 제어 파라미터를 획득할 수 있다(S140).
무인 수상정 제어 모델의 제어 파라미터 획득 단계(S140)의 상세한 내용은 이하 자세하게 설명한다.
이후, 프로세서(110)는 제어 파라미터 및 무인 수상정 제어 모델을 기반으로 무인 수상정을 제어할 수 있다(S150).
그러면, 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실제 운항 데이터 보정 단계에 대하여 보다 자세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조타각 편향의 일례를 나타내는 도면이다.
무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치(100)의 프로세서(110)는 실제 운항 데이터를 기반으로 조타각을 교정하여 실제 운항 데이터를 보정할 수 있다.
즉, 프로세서(110)는 조타각과 각속도의 관계식을 이용하여 실제 운항 데이터를 기반으로 조타 편향각 계수를 획득할 수 있다.
그리고, 프로세서(110)는 조타 편향각 계수를 이용하여 조타각을 교정하여 실제 운항 데이터를 보정할 수 있다.
보다 자세히 설명하면, 조타각과 각속도의 관계식은 아래의 [수학식 1]과 같이 1차 다항식 관계를 가지는 것으로 가정한다.
여기서, η는 입력되는 조타각을 나타낸다. 
은 출력되는 각가속도를 나타낸다. r은 출력되는 각속도를 나타낸다. a1은 각가속도 계수를 나타낸다. a2는 각속도 계수를 나타낸다. a3은 조타 편향각 계수를 나타낸다.
획득된 n개의 크기를 가지는 실제 운항 데이터를 이용하여 [수학식 1]을 행렬화하면 아래의 [수학식 2]와 같다.
최소 제곱법을 이용하여 각가속도 계수(a1), 각속도 계수(a2) 및 조타 편향각 계수(a3)를 추정하면 아래의 [수학식 3]과 같다.
[수학식 3]을 통해 추정된 각가속도 계수(a1), 각속도 계수(a2) 및 조타 편향각 계수(a3)는 아래의 [수학식 4]와 같다.
도 3을 참조하면, [수학식 4]의 계수 값을 [수학식 1]에 대입하여 추정된 조타각(도 3의 estSteer)과 무인 수상정의 실제 운항 데이터의 입력 조타각(도 3의 steer)을 대비하여 추정된 계수 값을 검증할 수 있다.
입력 조타각을 조타 편향각 계수(a3)만큼 차분하여 조타각을 교정할 수 있다.
그러면, 도 4 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정 운동 모델의 운동 파라미터 획득 단계에 대하여 보다 자세히 설명한다.
무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치(100)의 프로세서(110)는 보정된 실제 운항 데이터를 기반으로 무인 수상정 운동 모델의 운동 파라미터를 획득할 수 있다.
여기서, 무인 수상정 운동 모델은 조타각을 입력으로 하고 각속도를 출력으로 하는 제1 무인 수상정 운동 모델 및 RPM을 입력으로 하고 각속도를 출력으로 하는 제2 무인 수상정 운동 모델을 포함할 수 있다.
그리고, 운동 파라미터는 제1 무인 수상정 운동 모델의 제1 운동 파라미터 및 제2 무인 수상정 운동 모델의 제2 운동 파라미터를 포함할 수 있다.
제1 무인 수상정 운동 모델의 제1 운동 파라미터 획득 과정
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, 조타각을 나타내고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, 각속도를 나타내며, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, 헤딩을 나타낸다.
프로세서(110)는 조타각을 입력으로 하고 각속도를 출력으로 하는 제1 무인 수상정 운동 모델을 이용하여 보정된 실제 운항 데이터를 기반으로 추정된 이득 값과 시간 지연 값을 포함하는 제1 운동 파라미터를 획득할 수 있다.
이때, 프로세서(110)는 조타각 명령 이후 각속도가 변하는 각가속도 구간을 제1 데이터 유효 구간으로 설정하고, 조타각 명령 이후 각속도가 일정한 등각속도 구간을 제2 데이터 유효 구간으로 설정할 수 있다.
그리고, 프로세서(110)는 보정된 실제 운항 데이터의 제2 데이터 유효 구간을 이용하여 제1 운동 파라미터의 이득 값을 추정하고, 보정된 실제 운항 데이터의 제1 데이터 유효 구간을 이용하여 제1 운동 파라미터의 시간 지연 값을 추정할 수 있다.
보다 자세히 설명하면, 도 4 내지 도 6을 참조하면, 제1 데이터 유효 구간(도 4 내지 도 6의 1-2 구간)은 조타각 명령 이후 각속도가 변하는 유효 각가속도 구간으로 설정될 수 있다. 제2 데이터 유효 구간(도 4 내지 도 6의 2-3 구간)은 조타각 명령 이후 각속도가 일정한 유효 등각속도 구간으로 설정될 수 있다.
제1 무인 수상정 운동 모델은 조타각을 입력으로 하고 각속도를 출력으로 하며, 이득 값과 시간 지연 값을 갖는 라플라스 식으로 가정할 수 있다.
여기서, r은 각속도(angular velocity)를 나타낸다. δ는 조타각(steer)을 나타낸다. K는 이득 값을 나타낸다. T는 시간 지연 값을 나타낸다.
[수학식 5]를 미분 방정식으로 표현하면 아래의 [수학식 6]과 같다.
[수학식 6]을 0에서 임의의 t초 동안의 적분식으로 표현하면 아래의 [수학식 7]과 같다.
[수학식 7]을 0에서 t초 동안의 적분 결과식으로 표현하면 아래의 [수학식 8]과 같다.
여기서, ψ는 헤딩(heading)을 나타낸다.
[수학식 8]에 제2 데이터 유효 구간(도 4 내지 도 6의 2-3 구간)을 적용하면 아래의 [수학식 9]와 같다. 이때, 제2 데이터 유효 구간(도 4 내지 도 6의 2-3 구간)은 각속도(r)이 일정한 구간이므로 좌변의 첫번째 항은 소거된다.
[수학식 9]에서 조타각(δ) 값과 헤딩각(ψ) 값을 이용하여 이득 값(K)를 추정할 수 있고, 추정된 이득 값(
)은 아래의 [수학식 10]과 같다.
[수학식 8]에 제1 데이터 유효 구간(도 4 내지 도 6의 1-2 구간)을 적용하면 아래의 [수학식 11]과 같다.
[수학식 11]에서 추정된 이득 값(
), 조타각(δ) 값, 헤딩각(ψ) 값 및 각속도(r) 값을 이용하여 시간 지연(T)을 추정할 수 있고, 추정된 시간 지연 값(
)은 아래의 [수학식 12]와 같다.
이에 따라, 제1 무인 수상정 운동 모델의 제1 운동 파라미터인 추정된 이득 값(
)과 추정된 시간 지연 값(
)을 획득할 수 있다.
제2 무인 수상정 운동 모델의 제2 운동 파라미터 획득 과정
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, RPM을 나타내고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2 무인 수상정 운동 모델에서 이용되는 데이터 유효 구간을 설명하기 위한 도면으로, 속도를 나타낸다.
프로세서(110)는 RPM을 입력으로 하고 속도를 출력으로 하는 제2 무인 수상정 운동 모델을 이용하여 보정된 실제 운항 데이터를 기반으로 추정된 이득 값과 시간 지연 값을 포함하는 제2 운동 파라미터를 획득할 수 있다.
이때, 프로세서(110)는 RPM 명령 이후 속도가 증가하는 가속도 구간을 제3 데이터 유효 구간으로 설정하고, RPM 명령 이후 속도가 일정한 등가속도 구간을 제4 데이터 유효 구간으로 설정할 수 있다.
그리고, 프로세서(110)는 보정된 실제 운항 데이터의 제4 데이터 유효 구간을 이용하여 제2 운동 파라미터의 이득 값을 추정하고, 보정된 실제 운항 데이터의 제3 데이터 유효 구간을 이용하여 제2 운동 파라미터의 시간 지연 값을 추정할 수 있다.
보다 자세히 설명하면, 도 7 및 도 8을 참조하면, 제3 데이터 유효 구간(도 7 및 도 8의 1-2 구간)은 RPM 명령 이후 속도가 증가하는 유효 가속도 구간으로 설정될 수 있다. 제4 데이터 유효 구간(도 7 및 도 8의 2-3 구간)은 RPM 명령 이후 속도가 일정한 유효 등가속도 구간으로 설정될 수 있다.
제2 무인 수상정 운동 모델은 RPM을 입력으로 하고 속도를 출력으로 하며, 이득 값과 시간 지연 값을 갖는 라플라스 식으로 가정할 수 있다.
여기서, v는 속도(longitudinal velocity)를 나타낸다. η은 RPM을 나타낸다. K는 이득 값을 나타낸다. T는 시간 지연 값을 나타낸다.
[수학식 13]을 미분 방정식으로 표현하면 아래의 [수학식 14]와 같다.
[수학식 14]를 0에서 임의의 t초 동안의 적분식으로 표현하면 아래의 [수학식 15]와 같다.
[수학식 15]를 0에서 t초 동안의 적분 결과식으로 표현하면 아래의 [수학식 16]과 같다.
[수학식 16]에 제4 데이터 유효 구간(도 7 및 도 8의 2-3 구간)을 적용하면 아래의 [수학식 17]과 같다.
제4 데이터 유효 구간(도 7 및 도 8의 2-3 구간)은 속도(v)가 일정한 구간이므로 [수학식 17]의 좌변의 첫번째 항은 소거되므로, [수학식 17]은 아래의 [수학식 18]과 같이 표현된다.
[수학식 18]에서 RPM(η) 값과 속도(v) 값을 이용하여 이득 값(K)을 추정할 수 있고, 추정된 이득 값(
)은 아래의 [수학식 19]와 같다.
[수학식 16]에 제3 데이터 유효 구간(도 7 및 도 8의 1-2 구간)을 적용하면 아래의 [수학식 20]과 같다.
[수학식 20]에서 추정된 이득 값(
), RPM(η) 값 및 속도(v) 값을 이용하여 시간 지연 값(T)을 추정할 수 있고, 추정된 시간 지연 값(
)은 아래의 [수학식 21]과 같다.
이에 따라, 제2 무인 수상정 운동 모델의 제2 운동 파라미터인 추정된 이득 값(
)과 추정된 시간 지연 값(
)을 획득할 수 있다.
그러면, 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정 제어 모델의 제어 파라미터 획득 단계에 대하여 보다 자세히 설명한다.
무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치(100)의 프로세서(110)는 운동 파라미터를 기반으로 무인 수상정 제어 모델의 제어 파라미터를 획득할 수 있다.
여기서, 무인 수상정 제어 모델은 무인 수상정의 자세를 제어하는 제1 무인 수상정 제어 모델 및 무인 수상정의 속도를 제어하는 제2 무인 수상정 제어 모델을 포함할 수 있다.
그리고, 제어 파라미터는 제1 무인 수상정 제어 모델의 제1 제어 파라미터 및 제2 무인 수상정 제어 모델의 제2 제어 파라미터를 포함할 수 있다.
제1 무인 수상정 제어 모델의 제1 제어 파라미터 획득 과정
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1 무인 수상정 제어 모델에 대한 MATLAB Simulink 모델을 나타내는 도면이다.
프로세서(110)는 무인 수상정의 자세를 제어하는 제1 무인 수상정 제어 모델을 이용하여 제1 무인 수상정 운동 모델의 제1 운동 파라미터를 기반으로 추정된 이득 값을 포함하는 제1 제어 파라미터를 획득할 수 있다.
보다 자세히 설명하면, 입력 조타각(δ)은 아래의 [수학식 22]와 같이 헤딩 오차(heading error)(e), 헤딩 오차 변화율(
), 헤딩 오차 이득(KP) 및 헤딩 오차 변화율 이득(KD)으로 구성된다고 가정한다.
[수학식 22]의 헤딩 오차(e)는 아래의 [수학식 23]과 같이 요구되는 헤딩(ψC)과 현재의 헤딩(ψ)과의 차분 값이다. 그리고, [수학식 22]의 헤딩 오차 변화율(
)은 아래의 [수학식 23]과 같이 요구되는 헤딩 변화율(
)과 현재의 헤딩 변화율(
)과의 차분 값이다.
이때, 요구되는 헤딩(ψC)은 일정한 상수 값이므로 요구되는 헤딩 변화율(
) 값은 0이므로, [수학식 23]에서 요구되는 헤딩 변화율(
)을 소거하면 아래의 [수학식 24]와 같다.
[수학식 22]의 헤딩 오차 이득(KP)을 아래의 [수학식 25]와 같이 K1K2로, 헤딩 오차 변화율 이득(KD)을 아래의 [수학식 25]와 같이 K1으로 정의한다.
[수학식 25]를 [수학식 24]에 대입하면, 입력 조타각(δ)은 아래의 [수학식 26]과 같이 헤딩 오차(e), 이득(K1, K2), 헤딩 변화율(
)로 구성될 수 있다.
[수학식 26]을 MATLAB Simulink 모델로 표현하면 도 9에 도시된 바와 같다.
각속도(r)는 헤딩 변화율(
)과 같고, 각속도의 변화율은 헤딩 2차 미분(
)으로 표현할 수 있으므로, [수학식 26]을 아래의 [수학식 27]과 같이 헤딩 변화율(
)과 헤딩 2차 미분(
)으로 표현할 수 있다.
[수학식 26]과 [수학식 27]을 합치면 아래의 [수학식 28]과 같다.
[수학식 28]을 헤딩(ψ)에 대한 2차 미분 방정식으로 표현하여, 아래의 [수학식 29]와 같은 제1 무인 수상정 제어 모델을 획득한다.
[수학식 29]는 2차 시스템이므로, 좌변의 두번째 항 및 세번째 항은 아래의 [수학식 30]과 같이 제어 설계 변수 감쇠비(ζ) 및 고유 진동수(ωn)로 표현할 수 있다.
[수학식 30]을 이득(K1)에 대하여 정리하면 아래의 [수학식 31]과 같다.
[수학식 30]을 이득(K2)에 대하여 정리하면 아래의 [수학식 32]와 같다.
[수학식 32]에 [수학식 31]을 대입하여 이득(K2)에 대하여 정리하면 아래의 [수학식 33]과 같다.
제어 설계 변수 감쇠비(ζ)가 0.7이고 고유 진동수(ωn)가 15인 것으로 가정하고, 제1 무인 수상정 운동 모델의 제1 운동 파라미터, 즉 [수학식 10]을 통해 추정된 이득 값(
)과 [수학식 12]를 통해 추정된 시간 지연 값(
)을 [수학식 31]과 [수학식 32]에 대입하여 아래의 [수학식 34]와 같이 이득 값(K1, K2)을 추정할 수 있다.
이에 따라, [수학식 34]를 통해 추정한 이득 값(K1, K2)을 이용하여 제1 무인 수상정 제어 모델의 제1 제어 파라미터인 헤딩 오차 이득(KP) 및 헤딩 오차 변화율 이득(KD)을 획득할 수 있다.
제2 무인 수상정 제어 모델의 제2 제어 파라미터 획득 과정
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2 무인 수상정 제어 모델에 대한 MATLAB Simulink 모델을 나타내는 도면이다.
프로세서(110)는 무인 수상정의 속도를 제어하는 제2 무인 수상정 제어 모델을 이용하여 제2 무인 수상정 운동 모델의 제2 운동 파라미터를 기반으로 추정된 이득 값을 포함하는 제2 제어 파라미터를 획득할 수 있다.
보다 자세히 설명하면, 입력 RPM(η)은 아래의 [수학식 35]와 같이 속도 오차(velocity error)(e) 및 속도 오차 이득(K1)으로 구성된다고 가정한다.
[수학식 35]의 속도 오차(e)는 아래의 [수학식 36]과 같이 요구되는 속도(vc)와 현재의 속도(v)와의 차분 값이다.
[수학식 36]을 MATLAB Simulink 모델로 표현하면 도 10에 도시된 바와 같다.
[수학식 36]을 정리하면 아래의 [수학식 37]과 같다.
[수학식 37]을 속도(v)에 대한 1차 미분 방정식으로 표현하면 아래의 [수학식 38]과 같다.
[수학식 38]을 위치(p)에 대한 2차 미분 방정식으로 표현하여, 아래의 [수학식 39]와 같은 제2 무인 수상정 제어 모델을 획득한다.
[수학식 39]는 2차 시스템이므로, 좌변의 두번째 항은 아래의 [수학식 40]과 같이 제어 설계 변수 감쇠비(ζ) 및 고유 진동수(ωn)로 표현할 수 있다.
[수학식 40]을 이득(K1)에 대하여 정리하면 아래의 [수학식 41]과 같다.
제어 설계 변수 감쇠비(ζ)가 1이고 고유 진동수(ωn)가 15인 것으로 가정하고, 제2 무인 수상정 운동 모델의 제2 운동 파라미터, 즉 [수학식 19]를 통해 추정된 이득 값(
)과 [수학식 21]을 통해 추정된 시간 지연 값(
)을 [수학식 41]에 대입하여 아래의 [수학식 42]와 같이 이득 값(K1)을 추정할 수 있다.
이에 따라, 제2 무인 수상정 제어 모델의 제2 제어 파라미터인 속도 오차 이득(K1)을 획득할 수 있다.
그러면, 도 11 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 동작의 성능에 대하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 동작의 성능을 설명하기 위한 도면으로, 제1 무인 수상정 운동 모델의 검증 결과를 나타내고, 도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 동작의 성능을 설명하기 위한 도면으로, 제1 무인 수상정 제어 모델의 검증 결과를 나타내며, 도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 동작의 성능을 설명하기 위한 도면으로, 제2 무인 수상정 운동 모델의 검증 결과를 나타내고, 도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 동작의 성능을 설명하기 위한 도면으로, 제2 무인 수상정 제어 모델의 검증 결과를 나타낸다.
도 11 및 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제1 무인 수상정 운동 모델과 제2 무인 수상정 운동 모델의 검증 결과, 본 발명은 무인 수상정의 운동을 실제 운항에 따른 운동과 비슷하게 모델링할 수 있다.
이에 따라, 도 12 및 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명은 무인 수상정의 자세와 속도를 보다 정확하게 제어할 수 있다.
본 실시예들에 따른 동작은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 실행을 위해 프로세서에 명령어를 제공하는데 참여한 임의의 매체를 나타낸다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예컨대, 자기 매체, 광기록 매체, 메모리 등이 있을 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드, 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치,
110 : 프로세서,
130 : 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체,
131 : 프로그램,
150 : 통신 버스,
170 : 입출력 인터페이스,
190 : 통신 인터페이스
110 : 프로세서,
130 : 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체,
131 : 프로그램,
150 : 통신 버스,
170 : 입출력 인터페이스,
190 : 통신 인터페이스
Claims (13)
- 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델을 획득하고, 상기 무인 수상정 운동 모델을 기반으로 상기 무인 수상정을 제어하는 방법으로서,
미리 설정된 운항 시나리오에 따른 상기 무인 수상정의 실제 운항 데이터를 획득하는 단계;
상기 실제 운항 데이터를 기반으로 조타각을 교정하여 상기 실제 운항 데이터를 보정하는 단계;
보정된 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 무인 수상정 운동 모델의 운동 파라미터를 획득하는 단계;
상기 운동 모델 파라미터를 기반으로 무인 수상정 제어 모델의 제어 파라미터를 획득하는 단계; 및
상기 제어 파라미터 및 상기 무인 수상정 제어 모델을 기반으로 상기 무인 수상정을 제어하는 단계;
를 포함하는 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법. - 제1항에서,
상기 실제 운항 데이터는,
시간, 위치, 속력, 각속도, 가속도, RPM(revolution per minute) 및 조타각을 포함하는,
무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법. - 제2항에서,
상기 실제 운항 데이터 보정 단계는,
조타각과 각속도의 관계식을 이용하여 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 조타 편향각 계수를 획득하고, 상기 조타 편향각 계수를 이용하여 조타각을 교정하여 상기 실제 운항 데이터를 보정하는 것으로 이루어지는,
무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법. - 제2항에서,
상기 운동 파라미터 획득 단계는,
조타각을 입력으로 하고 각속도를 출력으로 하는 제1 무인 수상정 운동 모델을 이용하여 보정된 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 추정된 이득 값과 시간 지연 값을 포함하는 제1 운동 파라미터를 획득하고,
RPM을 입력으로 하고 속도를 출력으로 하는 제2 무인 수상정 운동 모델을 이용하여 보정된 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 추정된 이득 값과 시간 지연 값을 포함하는 제2 운동 파라미터를 획득하는 것으로 이루어지는,
무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법. - 제4항에서,
상기 운동 파라미터 획득 단계는,
조타각 명령 이후 각속도가 변하는 각가속도 구간을 제1 데이터 유효 구간으로 설정하고, 조타각 명령 이후 각속도가 일정한 등각속도 구간을 제2 데이터 유효 구간으로 설정하며, 보정된 상기 실제 운항 데이터의 상기 제2 데이터 유효 구간을 이용하여 상기 제1 운동 파라미터의 이득 값을 추정하고, 보정된 상기 실제 운항 데이터의 상기 제1 데이터 유효 구간을 이용하여 상기 제1 운동 파라미터의 시간 지연 값을 추정하며,
RPM 명령 이후 속도가 증가하는 가속도 구간을 제3 데이터 유효 구간으로 설정하고, RPM 명령 이후 속도가 일정한 등가속도 구간을 제4 데이터 유효 구간으로 설정하며, 보정된 상기 실제 운항 데이터의 상기 제4 데이터 유효 구간을 이용하여 상기 제2 운동 파라미터의 이득 값을 추정하고, 보정된 상기 실제 운항 데이터의 상기 제3 데이터 유효 구간을 이용하여 상기 제2 운동 파라미터의 시간 지연 값을 추정하는 것으로 이루어지는,
무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법. - 제4항에서,
상기 제어 파라미터 획득 단계는,
상기 무인 수상정의 자세를 제어하는 제1 무인 수상정 제어 모델을 이용하여 상기 제1 무인 수상정 운동 모델의 상기 제1 운동 파라미터를 기반으로 추정된 이득 값을 포함하는 제1 제어 파라미터를 획득하고,
상기 무인 수상정의 속도를 제어하는 제2 무인 수상정 제어 모델을 이용하여 상기 제2 무인 수상정 운동 모델의 상기 제2 운동 파라미터를 기반으로 추정된 이득 값을 포함하는 제2 제어 파라미터를 획득하는 것으로 이루어지는,
무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법. - 제1항에서,
상기 미리 설정된 운항 시나리오는,
속도와 조타각별로 세분화된 선회 운항 시나리오 및 속도별로 세분화된 직진 운항 시나리오를 포함하는,
무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
- 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델을 획득하고, 상기 무인 수상정 운동 모델을 기반으로 상기 무인 수상정을 제어하는 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치로서,
상기 무인 수상정의 자율 주행을 위한 상기 무인 수상정 운동 모델을 획득하고, 상기 무인 수상정 운동 모델을 기반으로 상기 무인 수상정을 제어하기 위한 하나 이상의 프로그램을 저장하는 메모리; 및
상기 메모리에 저장된 상기 하나 이상의 프로그램에 따라 상기 무인 수상정의 자율 주행을 위한 상기 무인 수상정 운동 모델을 획득하고, 상기 무인 수상정 운동 모델을 기반으로 상기 무인 수상정을 제어하기 위한 동작을 수행하는 하나 이상의 프로세서;
를 포함하며,
상기 프로세서는,
미리 설정된 운항 시나리오에 따른 상기 무인 수상정의 실제 운항 데이터를 획득하고,
상기 실제 운항 데이터를 기반으로 조타각을 교정하여 상기 실제 운항 데이터를 보정하며,
보정된 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 무인 수상정 운동 모델의 운동 파라미터를 획득하고,
상기 운동 모델 파라미터를 기반으로 무인 수상정 제어 모델의 제어 파라미터를 획득하며,
상기 제어 파라미터 및 상기 무인 수상정 제어 모델을 기반으로 상기 무인 수상정을 제어하는,
무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치. - 제9항에서,
상기 실제 운항 데이터는,
시간, 위치, 속력, 각속도, 가속도, RPM(revolution per minute) 및 조타각을 포함하는,
무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치. - 제10항에서,
상기 프로세서는,
조타각과 각속도의 관계식을 이용하여 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 조타 편향각 계수를 획득하고, 상기 조타 편향각 계수를 이용하여 조타각을 교정하여 상기 실제 운항 데이터를 보정하는,
무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치. - 제10항에서,
상기 프로세서는,
조타각을 입력으로 하고 각속도를 출력으로 하는 제1 무인 수상정 운동 모델을 이용하여 보정된 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 추정된 이득 값과 시간 지연 값을 포함하는 제1 운동 파라미터를 획득하고,
RPM을 입력으로 하고 속도를 출력으로 하는 제2 무인 수상정 운동 모델을 이용하여 보정된 상기 실제 운항 데이터를 기반으로 추정된 이득 값과 시간 지연 값을 포함하는 제2 운동 파라미터를 획득하는,
무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치. - 제12항에서,
상기 프로세서는,
상기 무인 수상정의 자세를 제어하는 제1 무인 수상정 제어 모델을 이용하여 상기 제1 무인 수상정 운동 모델의 상기 제1 운동 파라미터를 기반으로 추정된 이득 값을 포함하는 제1 제어 파라미터를 획득하고,
상기 무인 수상정의 속도를 제어하는 제2 무인 수상정 제어 모델을 이용하여 상기 제2 무인 수상정 운동 모델의 상기 제2 운동 파라미터를 기반으로 추정된 이득 값을 포함하는 제2 제어 파라미터를 획득하는,
무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 장치.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210122349A KR102502125B1 (ko) | 2021-09-14 | 2021-09-14 | 무인 수상정의 자율 주행을 위한 무인 수상정 운동 모델링 및 제어 방법 및 장치 |
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Publications (1)
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| KR102502125B1 true KR102502125B1 (ko) | 2023-02-23 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH058904B2 (ko) * | 1986-10-16 | 1993-02-03 | Oki Denki Kogyo Kk | |
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2021
- 2021-09-14 KR KR1020210122349A patent/KR102502125B1/ko active IP Right Grant
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