KR20170071441A - Nonlinear Adaptive Control System for Remotely Operated Vehicle - Google Patents

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KR20170071441A
KR20170071441A KR1020160171806A KR20160171806A KR20170071441A KR 20170071441 A KR20170071441 A KR 20170071441A KR 1020160171806 A KR1020160171806 A KR 1020160171806A KR 20160171806 A KR20160171806 A KR 20160171806A KR 20170071441 A KR20170071441 A KR 20170071441A
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KR
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remote
submersible
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KR1020160171806A
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국태용
이희준
주승준
박경희
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성균관대학교산학협력단
레드원테크놀러지 주식회사
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    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators

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Abstract

본 발명에 따른 원격 무인 잠수정 제어 방법은 글로벌 좌표계에서의 원격 무인 잠수정의 목표 위치를 입력받는 단계, 원격 무인 잠수정이 목표 위치로 이동하기 위한 글로벌 좌표계에서의 원격 무인 잠수정의 위치, 속도 및 가속도를 계산하는 단계, 글로벌 좌표계에서 계산된 원격 무인 잠수정의 위치, 속도 및 가속도를 원격 무인 잠수정의 로컬 좌표계에서의 로컬 속도로 전환하는 단계, 로컬 속도를 이용하여 원격 무인 잠수정이 목표 위치로 이동하기 위한 토크를 계산하는 단계, 그리고 계산된 토크를 이용하여 원격 무인 잠수정에 구비된 복수의 트러스터(thruster)에서 각각 내야할 추력을 계산하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면 파라미터 적응형 백스태핑 제어 및 PLL 제어를 이용하여 속도 프로파일에서부터 모터 제어까지 통합된 제어 방법을 제공할 수 있다. 또한, 외부 교란과 유체역학계수에 따른 외부 힘에 대한 적응형 제어를 위하여 여러 기법 중 백스텝핑 제어를 이용하여 원격 무인 잠수정을 제어하는 백스텝핑 & PLL 제어 방법을 제시하여, 제어가 어려운 수중 환경에서 원격 무인 잠수정의 예측 가능한 제어를 구현할 수 있다.A method for controlling a remote unmanned submersible vehicle according to the present invention includes receiving a target position of a remote unmanned submersible in a global coordinate system, calculating a position, a speed and an acceleration of a remote unmoving submersible in a global coordinate system for moving the remote unmoving submersible to a target position Converting the position, velocity, and acceleration of the remote unmanned submersible in the global coordinate system to a local speed in the local coordinate system of the remote unmoving submersible; calculating a torque for moving the remote unmanned submersible to the target position using the local velocity; Calculating a thrust force to be applied to each of a plurality of thrusters provided in the remote unmanned submersible by using the calculated torque. According to the present invention, it is possible to provide an integrated control method from the speed profile to the motor control by using the parameter adaptive back stepping control and the PLL control. In addition, backstepping and PLL control method for controlling remote unmanned submersible by using backstepping control among various techniques for adaptive control of external force according to external disturbance and hydrodynamic coefficient is proposed, Predictable control of the remote unmanned submersible can be implemented.

Figure P1020160171806
Figure P1020160171806

Description

원격 무인 잠수정을 위한 비선형 적응제어 시스템{Nonlinear Adaptive Control System for Remotely Operated Vehicle}Technical Field [0001] The present invention relates to a nonlinear adaptive control system for a remote unmanned submersible,

본 발명은 원격 무인 잠수정을 위한 비선형 적응제어 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a nonlinear adaptive control system for a remote unmanned submersible.

복잡한 해양환경 속에서 해양로봇이 임무수행을 하기 위해서는 강한 조류에도 자세를 유지할 수는 컨트롤이 필요하다. 이러한 제어기법으로는 슬라이딩 모드 제어(sliding mode control), 적응형 제어(adaptive control), 백스텝핑(back-stepping control), 퍼지 로직(fuzzy logic), 뉴로 네트워크(neuro network) 등 여러 가지 기법들이 연구되어 오고 있다.In a complex marine environment, marine robots need control to maintain their position in strong tidal currents. Such control techniques include sliding mode control, adaptive control, back-stepping control, fuzzy logic, and neuro network. Is coming.

슬라이딩 모드 제어는 선형화 필요 없이 직접 비선형 역학을 처리할 수 있는 제어방법으로서, 오차의 기울기가 음으로 변하도록 하는 방법이다. 시그넘 함수를 이용하여 출력을 -1 0 1을 주며, 비선형 역학 처리로 모든 방향의 이동을 가능하게 한다. 간단한 방식이나, 복잡하고 많은 파라미터를 처리하기에는 한계가 있다.Sliding mode control is a control method that can directly process nonlinear dynamics without requiring linearization, and is a method of making the slope of the error change to negative. By using the signum function, the output is given as -1 0 1, and nonlinear dynamics processing enables movement in all directions. It is a simple method, but there are limits to handling complex and many parameters.

퍼지 로직 제어는 추론 규칙을 이용한 제어 방법으로서, 단일 입출력(SISO)으로 오차 거리를 감소시키는 방식의 선형제어가 가능하다. 추론 규칙이 적용되는 수에 따라 제어 정확성이 향상되나, 규칙들이 많아질수록 더 많은 계산 시간이 필요하다는 단점이 있다. 많은 수의 입출력(MIMO)을 사용할 경우 데이터 처리량과 처리속도 및 복잡도 증가로 제어에 어려움이 있다.Fuzzy logic control is a control method using inference rules, and it is possible to perform linear control by reducing the error distance by a single input / output (SISO). Although the accuracy of control improves according to the number of inference rules applied, more computation time is required as more rules are applied. When a large number of input / output (MIMO) is used, control is difficult due to increase in data throughput, processing speed and complexity.

뉴로 네트워크 제어는 인간의 뇌 기능을 모방한 네트워크를 이용하여 제어대상과 관련된 복수의 파라미터를 설정하고, 이들의 결합과 결합의 가중치를 변수로 설정하여 제어하는 방법으로서, 결합 및 결합 가중치 변수의 수가 증가할수록 데이터 처리량과 결합 가중치를 구하는 수식을 정하기 어렵다.The neuro network control is a method of setting a plurality of parameters related to a control object by using a network simulating a human brain function and setting and controlling the weights of the combination and the combination thereof, It is difficult to determine the formula for obtaining data throughput and joint weights.

적응형 제어는 외부환경의 변화가 큰 경우 사용하는 제어 방법으로서, 이상적인 모델을 만들어 모델과 일치시키는 방법으로 연산 부담을 감소시키고 분산 컴퓨팅이 가능하도록 한다. 그러나 비선형 모델의 경우 연산의 부담이 크고, 복잡한 모델의 경우 적용이 어렵다.Adaptive control is a control method that is used when there is a large change in the external environment. The ideal model is created and matched to the model, thereby reducing computation burden and enabling distributed computing. However, in the case of nonlinear models, computation burden is large, and it is difficult to apply to complex models.

백스텝핑 제어는 목표치가 변화할 때 목표치를 뒤쫓아 가는 추종제어 방식으로서 ROV(Remotely Operated Vehicle)의 목표위치 및 방향, 자세에 대한 추적을 보장하도록 설계 가능하다.The backstepping control can be designed to ensure tracking of the target position, orientation, and posture of the ROV (Remotely Operated Vehicle) as a tracking control method that follows the target value when the target value changes.

하지만 앞에서 소개한 기존 연구는 대부분 토크 제어이며 모터 제어 루프(motor control loop)까지의 제어는 고려하고 있지 않다. 민첩한 동작 제어를 필요로 하는 복잡한 임무나 혹은 빠른 조류에서 작업 방향을 변경하며 임무를 수행해야 할 경우에 정확한 자세와 속도 제어는 모터 제어 루프까지의 제어 없이는 임무를 완벽히 달성할 수 없다.However, most of the previous researches that have been presented above are mostly torque control and do not consider control to the motor control loop. Accurate attitude and speed control can not accomplish the mission perfectly without control to the motor control loop, in case of complex tasks requiring agile motion control, or when changing tasks and changing tasks in fast tides.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 파라미터 적응형 백스태핑 제어 및 PLL 제어를 이용하여 속도 프로파일에서부터 모터 제어까지 통합된 제어 방법을 제공하는 것이다. 또한 외부 교란과 유체역학계수에 따른 외부 힘에 대한 적응형 제어를 위하여 여러 기법 중 백스텝핑 제어를 이용하여 원격 무인 잠수정을 제어하는 백스텝핑 & PLL 제어 방법을 제시하여, 제어가 어려운 수중 환경에서 원격 무인 잠수정의 예측 가능한 제어를 구현하기 위한 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an integrated control method from a speed profile to a motor control by using parameter adaptive back stepping control and PLL control. In addition, we propose a backstepping and PLL control method to control remote unmanned submersible by using backstepping control among various methods for adaptive control to external force according to external disturbance and hydrodynamic coefficient, To realize predictable control of the unmanned submersible.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 무인 잠수정 제어 방법은 글로벌 좌표계에서의 원격 무인 잠수정의 목표 위치를 입력받는 단계, 상기 원격 무인 잠수정이 상기 목표 위치로 이동하기 위한 글로벌 좌표계에서의 상기 원격 무인 잠수정의 위치, 속도 및 가속도를 계산하는 단계, 상기 글로벌 좌표계에서 계산된 상기 원격 무인 잠수정의 위치, 속도 및 가속도를 상기 원격 무인 잠수정의 로컬 좌표계에서의 로컬 속도로 전환하는 단계, 상기 로컬 속도를 이용하여 상기 원격 무인 잠수정이 상기 목표 위치로 이동하기 위한 토크를 계산하는 단계, 그리고 상기 계산된 토크를 이용하여 상기 원격 무인 잠수정에 구비된 복수의 트러스터(thruster)에서 각각 내야할 추력을 계산하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a remote control method for a submersible vehicle, including: receiving a target position of a remote unmanned submersible in a global coordinate system; Velocity, and acceleration of the remote unmanned submersible in the coordinate system, converting the position, velocity, and acceleration of the remote unmoved submersible calculated in the global coordinate system to a local velocity in the local coordinate system of the remote unmoved submersible Calculating a torque for the remote unmanned submersible to move to the target position using the local velocity, and calculating a torque for moving the remote submersible to the target position using a plurality of thrusters provided in the remote unmanned submersible, And calculating a thrust force to be applied.

상기 방법은, 상기 복수의 트러스터 각각에 대해서 계산된 추력에 대응하는 상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도를 구하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include obtaining a propeller speed of each of the plurality of thrusters corresponding to the calculated thrust for each of the plurality of thrusters.

상기 방법은, 상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도를 PLL 제어부에 입력하여 상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도가 목표 프로펠러 속도에 도달하도록 모터 제어를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include inputting a propeller speed of each of the plurality of thrusters to a PLL controller to perform motor control so that a propeller speed of each of the plurality of thrusters reaches a target propeller speed.

상기 PLL 제어부는, 상기 복수의 트러스터의 모터에서 출력된 출력값을 출력주파수로 변환하는 디지털 인코더, 상기 디지털 인코더에서 변환된 출력주파수를 고정주파수와 비교를 위하여 상기 고정주파수와 상기 출력주파수의 비율에 따라 나누는 카운터, 상기 카운터에서 출력된 값과 상기 고정주파수의 주파수 차이를 계산하여 출력하는 위상 검출기, 상기 위상 검출기에서 출력된 주파수 차이에 대해 고주파 성분을 제거하는 필터, 그리고 상기 필터에서 고주파 성분이 제거된 신호를 증폭하여 상기 모터로 출력하는 증폭기를 포함할 수 있다.The PLL controller includes a digital encoder for converting an output value output from the motor of the plurality of trussers into an output frequency, and a PLL controller for converting the output frequency converted from the digital encoder into a ratio of the fixed frequency to the output frequency A phase detector for calculating and outputting a frequency difference between the value output from the counter and the fixed frequency, a filter for removing a high frequency component from a frequency difference output from the phase detector, And an amplifier for amplifying the signal and outputting the amplified signal to the motor.

상기 로컬 속도는, 상기 글로벌 좌표계에서 계산된 위치, 속도 및 가속도를 상기 원격 무인 잠수정의 현재 위치 및 속도와 비교하여 에러값을 구하고, 상기 글로벌 좌표계에서 계산된 속도와 상기 에러값에 역자코비안 행렬을 적용하여 구해질 수 있다.Wherein the local velocity is obtained by comparing the position, velocity, and acceleration calculated in the global coordinate system with the current position and velocity of the remote unmanned submersible to obtain an error value, and performing a reciprocal covariance matrix on the velocity and the error value calculated in the global coordinate system Can be obtained.

상기 원격 무인 잠수정이 상기 목표 위치로 이동하기 위한 토크는, 상기 로컬 속도와 상기 원격 무인 잠수정의 외부 센서를 통해 받은 로컬 속도의 차이, 현재 알고 있는 상기 원격 무인 잠수정의 역학(Dynamics) 값 그리고 유체역학적 계수를 이용하여 구해질 수 있다.Wherein the torque for the remote unmanned submersible to move to the target position is determined by at least one of a difference between the local speed and a local speed received via an external sensor of the remote unmanned submersible, Can be obtained by using a coefficient.

상기 계산된 토크에 역 트러스터 전환 매트릭스(Inverse Thruster Conversion Matrix)를 이용하여 상기 복수의 트러스터에서 각각 내야할 추력을 구할 수 있다.A thrust to be exerted by each of the plurality of thrusters can be obtained by using an inverse thruster conversion matrix (Matrix).

상기 복수의 트러스터에서 각각 내야할 추력에 대응하는 상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도는 역 트러스터 모델(Inverse Thruster Model)을 이용하여 구해질 수 있다. The propeller speed of each of the plurality of thrusters corresponding to the thrust force to be imposed on each of the plurality of thrusters may be obtained using an inverse thruster model.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 무인 잠수정 제어 장치는, 원격 무인 잠수정이 목표 위치로 이동하기 위한 글로벌 좌표계에서의 원격 무인 잠수정의 위치, 속도 및 가속도를 입력받아, 상기 원격 무인 잠수정의 로컬 좌표계에서의 로컬 속도로 전환하고, 상기 로컬 속도를 이용하여 상기 원격 무인 잠수정이 상기 목표 위치로 이동하기 위한 토크를 계산하며, 상기 계산된 토크를 이용하여 상기 원격 무인 잠수정에 구비된 복수의 트러스터(thruster)에서 각각 내야할 추력을 계산하는 컨트롤러를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for controlling a position of a remote unmanned submersible in a global coordinate system for moving a remote unmanned submersible to a target position, Calculating a torque for the remote unmanned submersible to move to the target position using the local speed, and using the calculated torque to switch to the remote unmanned submersible at a local speed in the local coordinate system of the remote unmanned submersible, And a controller for calculating a thrust force to be applied to each of the plurality of thrusters.

상기 컨트롤러는, 상기 복수의 트러스터 각각에 대해서 계산된 추력에 대응하는 상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도를 구할 수 있다.The controller may obtain a propeller speed of each of the plurality of thrusters corresponding to the calculated thrust for each of the plurality of thrusters.

상기 컨트롤러는, 상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도를 입력받아 상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도가 목표 프로펠러 속도에 도달하도록 모터 제어를 수행하는 PLL 제어부를 포함할 수 있다.The controller may include a PLL controller that receives the propeller speed of each of the plurality of thrusters and performs motor control so that the propeller speed of each of the plurality of thrusters reaches a target propeller speed.

본 발명에 의하면 파라미터 적응형 백스태핑 제어 및 PLL 제어를 이용하여 속도 프로파일에서부터 모터 제어까지 통합된 제어 방법을 제공할 수 있다. 또한, 외부 교란과 유체역학계수에 따른 외부 힘에 대한 적응형 제어를 위하여 여러 기법 중 백스텝핑 제어를 이용하여 원격 무인 잠수정을 제어하는 백스텝핑 & PLL 제어 방법을 제시하여, 제어가 어려운 수중 환경에서 원격 무인 잠수정의 예측 가능한 제어를 구현할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide an integrated control method from the speed profile to the motor control by using the parameter adaptive back stepping control and the PLL control. In addition, backstepping and PLL control method for controlling remote unmanned submersible by using backstepping control among various techniques for adaptive control of external force according to external disturbance and hydrodynamic coefficient is proposed, Predictable control of the remote unmanned submersible can be implemented.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원격 무인 잠수정의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 컨트롤러를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 컨트롤러의 백스텝핑 제어를 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터를 제어하기 위해 필요한 각 3상의 전압을 백스텝핑 기법을 이용하여 구하는 것을 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 PLL 제어부를 나타낸 블록도이다.
1 is a schematic diagram of a remote unmanned submersible according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a controller according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram showing back stepping control of the controller according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram illustrating a method for obtaining three-phase voltages required for controlling a BLDC motor according to an embodiment of the present invention by using a back stepping technique. Referring to FIG.
5 is a block diagram illustrating a PLL controller according to an embodiment of the present invention.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, various equivalents And variations are possible.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원격 무인 잠수정의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a remote unmanned submersible according to an embodiment of the present invention.

먼저 원격 무인 잠수정(Remotely Operated Vehicle)(이하 ROV라 함)의 운동학(kinematics)과 역학(dynamics) 모델링에 대하여 설명한다.First, the kinematics and dynamics modeling of a remotely operated vehicle (ROV) will be described.

ROV는 서지(Surge), 스웨이(Sway), 히브(Heave) 3개의 축과 각 축마다 이루어지는 회전 롤(Roll), 피치(Pitch), 요(Yaw)에 의한 움직임을 포함하는 6-DOF (Degree Of the Freedom)를 고려해야 한다.The ROV is a 6-DOF (Degree) system that includes three axes along with Surge, Sway, and Heave, as well as 6-DOF motion involving roll, pitch, Of the Freedom.

ROV의 운동학(kinematics)와 역학(dynamics)의 모델링을 통하여 원하는 위치와 속도를 내기 위해 필요한 힘을 구할 수 있다.The modeling of kinematics and dynamics of the ROV can be used to determine the force required to achieve the desired position and velocity.

도 1을 참고하면, 모델이 된 ROV(100)는 4개의 수평 트러스터(111), 4개의 수직 트러스터(112)로 구성되어 있다. 4개의 수평 트러스터(111)가 방향(X, Y, Yaw)을, 4개의 수평 트러스터(112)는 방향(Z, Roll, Pitch)을 제어한다.Referring to FIG. 1, the modeled ROV 100 is composed of four horizontal trussers 111 and four vertical trussers 112. Four horizontal trussers 111 control the direction X, Y and Yaw and four horizontal trussors 112 control the direction Z, roll, and pitch.

ROV(100)는 지구 고정 좌표계(Earth-fixed Frame)와 몸체 고정 좌표계(Body-fixed Frame)로 위치와 속도를 표현한다.ROV 100 represents the position and velocity in the Earth-fixed frame and the body-fixed frame.

Earth-fixed frame의 위치와 오일러 각도를

Figure pat00001
로 표현하고, Body-fixed Frame 에서 속도 및 각속도를
Figure pat00002
로 표현한다. 두 좌표변환간의 속도관계는 자코비안을 이용한 식
Figure pat00003
으로 ROV 운동방정식을 정리할 수 있다.Earth-fixed frame position and Euler angle
Figure pat00001
And the velocity and angular velocity in the body-fixed frame
Figure pat00002
. The velocity relation between two coordinate transformations is expressed by the equation using Jacobian
Figure pat00003
The ROV motion equation can be summarized.

ROV(100)의 역학(dynamics) 모델링은 기본적인 역학 모델 식에 외부 힘(외부 방해 요소, 유체역학적 추가질량)을 더한 형태인

Figure pat00004
로 한다.The dynamics modeling of ROV (100) is based on the basic mechanics model formula plus external force (external disturbance, hydrodynamic additional mass)
Figure pat00004
.

역학 모델식에서

Figure pat00005
은 강체 질량과 관성, 유체역학의 부가 질량에 대한 행렬,
Figure pat00006
는 강체 코리올리와 구심, 유체역학의 부가질량에 의한 코리올리 행렬을 의미한다.In the mechanical model expression
Figure pat00005
Is a matrix of rigid body mass and inertia, additional mass of fluid mechanics,
Figure pat00006
Means the Coriolis matrix with rigid coriolis, centroid, and additional mass of hydrodynamics.

또한

Figure pat00007
는 유체저항에 대한 선형, 이차 감쇠 행렬,
Figure pat00008
은 중력과 부력 벡터를 나타내며, 마지막으로
Figure pat00009
는 유체 운동에 의한 교란의 힘과 모멘트 벡터를 의미한다.
Figure pat00010
로 앞에 각 행렬 및 벡터들로 계산된 제어해야 할 힘과 모멘트가 된다.Also
Figure pat00007
Is a linear, quadratic damping matrix for the fluid resistance,
Figure pat00008
Represents gravity and buoyancy vectors, and finally
Figure pat00009
Means force and moment vector of disturbance due to fluid motion.
Figure pat00010
And the force and moment to be controlled are calculated by the respective matrices and vectors in front.

본 발명에 따른 원격 무인 잠수정은 백스텝핑 & PLL 기반 제어 모델으로 ROV를 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.The remote unmanned submersible according to the present invention may include a controller for controlling the ROV as a backstepping & PLL-based control model.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 컨트롤러를 도시한 도면이다.2 is a block diagram of a controller according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 원격 무인 잠수정의 컨트롤러는 목표로 하는 위치로 ROV(100)를 이동하기 위하여 운동학(kinematics)과 역학(dynamics), 트러스터 구성 행렬, 모터 모델 등 각 단계를 통해서 위치 명령을 토크로, 토크 값을 트러스터 속도로 변경해 주고, PLL(Phase-locked-loop)로 안정적인 제어를 할 수 있다.Referring to FIG. 2, the controller of the remote controller of the remote control system according to the present invention includes kinematics and dynamics, a thruster construction matrix, and a motor model in order to move the ROV 100 to a target position It is possible to change the torque value to the thruster speed with the position command as torque, and to perform stable control with PLL (Phase-locked-loop).

ROV의 운동학(kinematics)과 역학(dynamics) 모델링은 앞서 언급한 자코비안과 기본 역학식을 기반으로 구성하고, 외부에서 받는 유체역학적인 파라미터는 미지의 값으로 두고, 외부센서를 통해 받은 정보(위치, 속도, 깊이)를 백스텝핑(backstepping) 기법을 이용하여 계산 가능한 식으로 정리한다. 리아푸노프 방정식(Lyapunov Equation)에 의해 에너지가 안정이고, 제어 가능하다는 것을 알 수 있다.The kinematics and dynamics modeling of the ROV is based on the Jacobian and basic dynamics described above. The hydrodynamic parameters received from the outside are unknown, and the information (position, Speed, and depth) are summarized using a backstepping method. It can be seen that the energy is stable and controllable by the Lyapunov Equation.

이하 도 2의 컨트롤러를 순서대로 살펴보면, 먼저 글로벌(Global) 좌표계에서 ROV(100)가 이동하려는 목표위치를 입력하면, 속도 프로파일(Velocity profile)에서 목표위치로 가기 위한 글로벌 좌표계에서의 위치, 속도, 가속도를 계산한다. 계산된 값은 역운동학(Inverse Kinematics)에서 자코비안 식을 이용하여 로컬(local) 좌표계로 전환하여 ROV의 로컬(local) 속도 및 가속도(

Figure pat00011
)로 계산된다. ROV의 local 속도 및 가속도를 이용하여 역 다이나믹스(Inverse Dynamics)에서 ROV가 이동하기 위해 필요한 힘인 토크(
Figure pat00012
)를 계산한다. 계산된 힘은 Inverse TCM(Thruster Conversion Matrix)에서 ROV가 이동하기 위해 8개의 트러스터 각각이 내야 할 추력(
Figure pat00013
)을 계산한다.2, if the target position to which the ROV 100 is to be moved is input in the global coordinate system, the position, velocity, and velocity in the global coordinate system for moving from the velocity profile to the target position, Calculate the acceleration. The calculated values are converted from the inverse kinematics to the local coordinate system using the Jacobian equation to determine the local velocity and acceleration of the ROV
Figure pat00011
). Using the local velocity and acceleration of the ROV, the torque required to move the ROV in the inverse dynamics
Figure pat00012
). The computed forces are the thrust convergence matrices (TCMs), and the thrust convergence matrix
Figure pat00013
).

추력(

Figure pat00014
)을 내기 위한 트러스터의 프로펠러 속도(RPM)를 역 트러스터 모델(Inverse Thruster Model)에서 계산하여 PLL 컨트롤러(PLL controller)에 입력하고, 프로펠러 속도(RPM)를 PLL 컨트롤러에서 사용자가 원하는 프로펠러 속도(RPM)에 도달할 수 있도록 모터 제어(motor control)를 수행한다.thrust(
Figure pat00014
The propeller speed (RPM) of the thruster to generate the propeller speed (RPM) is calculated from the inverse thruster model and input to the PLL controller, and the propeller speed (RPM) 0.0 > RPM). ≪ / RTI >

다음으로 백스텝핑 컨트롤러 수정(Backstepping controller modify)에 대하여 설명한다.Next, the backstepping controller modification will be described.

도 2에 나타낸 순서대로 각 부분을 다음 식으로 표현할 수 있다.Each part can be represented by the following equation in the order shown in Fig.

- 역 운동학(Inverse Kinematics)- Inverse Kinematics

글로벌(Global) 속도로부터 로컬(local)속도를 구해내는 항이다.It is a term to derive the local speed from the global speed.

Figure pat00015
Figure pat00015

Figure pat00016
: 로컬 좌표상 속도
Figure pat00016
: Speed in local coordinates

Figure pat00017
: 글로벌 좌표상 위치와 오일러 각도를 이용한 역자코비안
Figure pat00017
: Cobian using the position and Euler angles on global coordinates

Figure pat00018
: 글로벌 좌표상 목표 속도
Figure pat00018
: Target speed on global coordinates

Figure pat00019
: 포지티브 게인(positive gain)
Figure pat00019
: Positive gain

Figure pat00020
: 글로벌 좌표상 목표위치와 글로벌 좌표상 현재 위치의 차이 값
Figure pat00020
: Difference value between the current position on the global coordinates and the target position on the global coordinates

- 역 - station 다이나믹스Dynamics (Inverse Dynamics)(Inverse Dynamics)

목표 위치로 이동하기 위해 필요한 힘을 구해내는 항이다.It is a term to find the force necessary to move to the target position.

Figure pat00021
Figure pat00021

Figure pat00022
: 목표 위치로 이동하기 위해 필요한 토크(힘)
Figure pat00022
: Torque (force) required to move to the target position

Figure pat00023
: 현재 알고 있는 다이나믹스(Dynamics) 값 (현재 Global 좌표상 위치와 오일러 각도, 글로벌 좌표상 속도, 로컬 좌표상 속도, 가속도, 힘)
Figure pat00023
: The current Dynamics value (position and Euler angles on current global coordinates, velocity on global coordinates, velocity, acceleration, force on local coordinates)

Figure pat00024
Figure pat00024

Figure pat00025
: 미지의(unknown) 유체역학적 계수 파라미터(26개)의 계산 값
Figure pat00025
: Calculated value of unknown hydrodynamic coefficient parameter (26)

Figure pat00026
Figure pat00026

Figure pat00027
= 유체역학의 부가 질량
Figure pat00027
= Additional mass of hydrodynamic

Figure pat00028
= 유체역학적 선형 감쇠 값
Figure pat00028
= Hydrodynamic linear attenuation value

Figure pat00029
= 유체역학적 이차감쇠 값
Figure pat00029
= Hydrodynamic secondary attenuation value

Figure pat00030
= 강체 부가 관성
Figure pat00030
= Rigid body inertia

Figure pat00031
= 강체 중력
Figure pat00031
= Rigid body gravity

Figure pat00032
= 강체 부력
Figure pat00032
= Rigid buoyancy

Figure pat00033
= 중력중심과 부력 중심 사이의 거리 값
Figure pat00033
= Distance between center of gravity and center of buoyancy

Figure pat00034
= 외부 유체 속도
Figure pat00034
= External fluid velocity

Figure pat00035
: 포지티브 게인(positive gain)
Figure pat00035
: Positive gain

Figure pat00036
: 로컬 좌표상 속도와 현재 속도와의 차이 값
Figure pat00036
: Difference between the velocity in the local coordinates and the current velocity

Figure pat00037
= 글로벌 좌표상 위치와 오일러 각도를 이용한 자코비안 변환 값
Figure pat00037
= Jacobian transformation using global position and Euler angle

Figure pat00038
Figure pat00038

Figure pat00039
: 이전 미지의 파라미터 계산 값을 프로젝션(projection) 함수를 이용해 값을 결정
Figure pat00039
: Calculate the value of the previous unknown parameter using the projection function

Figure pat00040
: 포지티브 러닝 게인(positive learning gain)(1보다 적은 값)
Figure pat00040
: Positive learning gain (less than 1)

Figure pat00041
: 현재 알고 있는 다이나믹스(Dynamics) 변환 값
Figure pat00041
: The currently known Dynamics conversion value

Figure pat00042
: t 시간에서의 로컬 좌표상 속도와 현재 속도와의 차이 값
Figure pat00042
: Difference value between the velocity and the current velocity on the local coordinate at time t

- Inverse - Inverse TCMTCM

토크값을 이용한 각 트러스터에서 출력을 계산하는 항이다.It is a term to calculate the output from each trusser using the torque value.

8개의 트러스터는 도 1과 같이 4개의 수평 트러스터(111)와 4개의 수직 트러스터(112)로 구성되어 있고, 6-DOF로 운용하기 위하여 4개의 수평 트러스터(111)는 방향(X, Y, Yaw), 4개의 수직 트러스터(112)는 방향(Z, Roll, Pith)의 제어를 수행하도록 수식을 정리하였다. 8개의 트러스터 각각이 필요로 하는 힘(토크)를

Figure pat00043
(X, Y, Yaw),
Figure pat00044
(Z, Roll, Pith)로 나누어 표현하고, 8개의 트러스트의 속도는
Figure pat00045
로 나타내었다. 두 변수 간의 관계식은
Figure pat00046
를 만족한다.As shown in FIG. 1, the eight trussers are composed of four horizontal trussers 111 and four vertical trussers 112, and four horizontal trussers 111 are arranged in the directions X, Y, Yaw) and four vertical thrusters 112 are arranged to control the direction (Z, Roll, Pith). The force (torque) required by each of the eight thrusters
Figure pat00043
(X, Y, Yaw),
Figure pat00044
(Z, Roll, Pith), and the speed of the eight trusts is
Figure pat00045
Respectively. The relationship between two variables is
Figure pat00046
.

Figure pat00047
,
Figure pat00048
은 분해된 추력 변환값이다. 다음 아래와 같이 각 매트릭스(matrix)가 표현된다.
Figure pat00047
,
Figure pat00048
Is the disassembled thrust conversion value. Each matrix is represented as follows.

Figure pat00049
Figure pat00049

Figure pat00050
:
Figure pat00051
Figure pat00052
의 차원을 고려한 pseudo-right inverse matrix of
Figure pat00053
Figure pat00050
:
Figure pat00051
Wow
Figure pat00052
Pseudo-right inverse matrix of
Figure pat00053

Figure pat00054
:
Figure pat00055
Figure pat00056
의 차원을 고려한 pseudo-right inverse matrix of
Figure pat00057
Figure pat00054
:
Figure pat00055
Wow
Figure pat00056
Pseudo-right inverse matrix of
Figure pat00057

Figure pat00058
: 변경된 트러스터 출력
Figure pat00058
: Changed truster output

- 역 - station 트러스터Truster 모델(Inverse Thruster Model) Inverse Thruster Model

Figure pat00059
: 트러스터 출력이 트러스터 회전속도 제곱에 비례를 나타낸 식
Figure pat00059
: The output of the thruster is proportional to the square of the speed of the thruster

Figure pat00060
= 트러스터 계수(회전 속도에 따라 달라짐)
Figure pat00060
= Thrustor factor (depends on rotation speed)

Figure pat00061
= 트러스터 회전 속도
Figure pat00061
= Thruster rotation speed

Figure pat00062
: 토크 로드는 속도에 비례하는 식으로 정의 가능
Figure pat00062
: Torque load can be defined as proportional to speed

Figure pat00063
: 트러스터 계수
Figure pat00063
: Thruster coefficient

Figure pat00064
: 토크 로드를 Inverse TCM에서 구한 트러스터 출력에 의해 변형
Figure pat00064
: The torque load is transformed by the output of the thruster obtained from Inverse TCM

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 컨트롤러의 백스텝핑 제어를 나타낸 블록도이다. 3 is a block diagram showing back stepping control of the controller according to the embodiment of the present invention.

역 운동학(Inverse Kinematics)에서는 속도 프로파일(Velocity profile)에서 목표 위치로 가기 위한 글로벌 좌표계에서의 위치, 속도, 가속도(

Figure pat00065
)를 입력 받아 현재 위치, 속도(
Figure pat00066
)와 비교하여 에러값 구하고, 역자코비안으로 로컬 속도(
Figure pat00067
)를 구한다. 역 다이나믹스(Inverse Dynamics)에서 로컬 속도(
Figure pat00068
)와 원격 무인 잠수정의 외부센서를 통해 받은 로컬 속도(
Figure pat00069
)의 차이와, 계산된 유체역학적인 파라미터(
Figure pat00070
) 값과 다이나믹스(Dynamics) 값(
Figure pat00071
)을 이용하여 토크(
Figure pat00072
)값을 구한다. Inverse ROV가 이동하기 위해 8개의 트러스터 각각 내야할 속도(
Figure pat00073
)를 계산한다. 추력(
Figure pat00074
)을 내기 위한 트러스터의 프로펠러 속도(RPM)를 역 트러스터 모델(Inverse Thruster Model)에서 계산하여 PLL 컨트롤러에 입력하고, 프로펠러 속도(RPM)를 PLL 컨트롤러에서 사용자가 원하는 프로펠러 속도(RPM)로 도달할 수 있도록 모터 제어를 수행한다.Inverse kinematics uses position, velocity, and acceleration in the global coordinate system from the velocity profile to the target position
Figure pat00065
) To receive the current position, speed (
Figure pat00066
), And the error rate is calculated by using the local velocity (
Figure pat00067
). Inverse Dynamics to Local Speed (
Figure pat00068
) And the local speed received via the external sensor of the remote unmanned submersible (
Figure pat00069
), And the calculated hydrodynamic parameters (
Figure pat00070
) Value and a Dynamics value (
Figure pat00071
) To calculate the torque
Figure pat00072
). Inverse ROV is the speed at which each of the eight trussers must travel to travel
Figure pat00073
). thrust(
Figure pat00074
The propeller speed (RPM) of the thruster for calculating the propeller speed (RPM) is calculated by the inverse thruster model and input to the PLL controller. The propeller speed (RPM) is reached from the PLL controller to the desired propeller speed So that the motor control can be performed.

그러면 백스텝핑 컨트롤러 수정(Backstepping controller modify)(BLDC)에 대하여 상세하게 설명한다.The backstepping controller modification (BLDC) will now be described in detail.

- Angular speed of motor- Angular speed of motor

Figure pat00075
: 트러스터 속도(RPM)를 기어비(N)로 곱하여 모터 각속도(
Figure pat00076
)를 나타낸 식
Figure pat00075
: Multiplies the throttle speed (RPM) by the gear ratio (N) to calculate the motor angular speed
Figure pat00076
)

Figure pat00077
: 계산된 모터 각속도(
Figure pat00078
)와 현재 모터 각속도(
Figure pat00079
)를 비교하여 추정 모터 각속도(
Figure pat00080
)를 구해낸 식
Figure pat00077
: Calculated motor angular velocity (
Figure pat00078
) And the current motor angular speed (
Figure pat00079
) To obtain the estimated motor angular velocity (
Figure pat00080
) From the equation

- Target motor Torque- Target motor Torque

Figure pat00081
: 모터에서의 토크(힘)를 구하는 식
Figure pat00081
: Finding the torque (force) in the motor

Figure pat00082
: 모터의 관성(inertia of motor)
Figure pat00082
: Inertia of motor

Figure pat00083
: 점성 마찰 계수(viscous friction coefficient)
Figure pat00083
: Viscous friction coefficient

Figure pat00084
: 모터의 각속도
Figure pat00084
: Angular velocity of motor

Figure pat00085
: 프로펠러 속도 또는 모터 속도의 관점에서의 부하 토크
Figure pat00085
: Load torque in terms of propeller speed or motor speed

Figure pat00086
: 모터 토크
Figure pat00086
: Motor Torque

Figure pat00087
: 모터 토크를 계산하기 위해 각 추정값을 계산
Figure pat00087
: Calculate each estimate to calculate motor torque

Figure pat00088
: 포지티브 게인(positive gain)
Figure pat00088
: Positive gain

Figure pat00089
: 현재 알고 있는 값(모터의 각가속도, 각속도, 트러스터 출력)
Figure pat00089
: Presently known value (angular velocity of motor, angular velocity, truss output)

Figure pat00090
: 추정 미지의(unknown) 파라미터
Figure pat00090
: Unknown parameter

- Target Current - Target Current

Figure pat00091
Figure pat00091

Figure pat00092
: 토크와 전류사이의 비례 상수값
Figure pat00092
: Proportional constant value between torque and current

- Target voltage - Target voltage

Figure pat00093
Figure pat00093

Figure pat00094
: 현재 알고 있는 값(3상에 들어가는 전류, 역기전력값)
Figure pat00094
: Current value (current in 3 phases, counter electromotive force value)

Figure pat00095
: 추정 미지의(unknown) 파라미터(BLDC 모터 각 저항 및 인덕터, 역기전력 상수
Figure pat00096
)
Figure pat00095
: Unknown parameter (BLDC motor angular resistance and inductor, counter-electromotive force constant
Figure pat00096
)

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터를 제어하기 위해 필요한 각 3상의 전압을 백스텝핑 기법을 이용하여 구하는 것을 나타낸 블록도이다.FIG. 4 is a block diagram illustrating a method for obtaining three-phase voltages required for controlling a BLDC motor according to an embodiment of the present invention by using a back stepping technique. Referring to FIG.

먼저 모터의 각 속도(Angular speed of motor) 단에서는 계산되어 입력받은 프로펠러 속도(RPM)을 기어비(N)로 곱하여 모터 각속도(

Figure pat00097
)를 구하고, 현재 모터 각속도(
Figure pat00098
)와 비교하여 추정 모터 각속도(
Figure pat00099
)를 계산한다. 타켓 모터 토크(Target motor Torque) 단에서 모터(motor) 토크를 계산하기 위해 필요한 추정 미지의(unknown) 파라미터(
Figure pat00100
)를 모터 각속도, 각가속도값(
Figure pat00101
)과 곱하여 추정 모터 각속도(
Figure pat00102
)와 포지티브 게인(positive gain)(
Figure pat00103
) 곱을 합하여 토크(
Figure pat00104
)값을 구한다. 타겟 전류단(Target Current) 단에서
Figure pat00105
를 곱하여 토크를 내기 위한 전류(
Figure pat00106
)값을 구한다. 타겟 전압(Taget voltage) 단에서 계산된 전류값(
Figure pat00107
)과 현재 전류값(
Figure pat00108
)을 비교하여 추정 전류값(
Figure pat00109
)을 계산하고, 포지티브 게인(positive gain)(
Figure pat00110
)곱과 입력으로 필요한 전압을 알기위해 필요한 추정 미지의(unknown) 파라미터(
Figure pat00111
)를 3상의 각 값(
Figure pat00112
) 곱을 더하여 전압값(
Figure pat00113
)을 계산한다.First, at the angular speed of the motor, the angular speed of the motor is calculated by multiplying the input propeller speed (RPM) by the gear ratio (N)
Figure pat00097
), And the current motor angular velocity (
Figure pat00098
) And the estimated motor angular velocity (
Figure pat00099
). The unknown unknown parameter (s) needed to calculate the motor torque at the target motor torque stage
Figure pat00100
) To the motor angular velocity, the angular acceleration value (
Figure pat00101
) To obtain the estimated motor angular velocity (
Figure pat00102
) And a positive gain (
Figure pat00103
) Are added to the torque
Figure pat00104
). At the target current stage,
Figure pat00105
(≪ / RTI >< RTI ID = 0.0 >
Figure pat00106
). The current value calculated at the target voltage (Taget voltage)
Figure pat00107
) And the current value (
Figure pat00108
) Is compared with the estimated current value (
Figure pat00109
), And calculates a positive gain (
Figure pat00110
) And the unknown unknown parameter needed to know the voltage required for the input (
Figure pat00111
) To each value of the three phases (
Figure pat00112
) To obtain the voltage value (
Figure pat00113
).

PLL(Phase-locked-loop)는 아날로그 RF에서 주로 사용되는 방식으로 파형의 위상을 고정하는 방식을 이용해 주파수를 동기화시키는 것을 목적으로 한다.Phase-locked-loop (PLL) aims to synchronize the frequency by fixing the phase of the waveform in a way that is commonly used in analog RF.

디지털 PLL 기법을 이용하여 사용자가 원하는 속도로 도달할 수 있도록 모터 제어 루프(motor control loop)를 설계하여 적용하고자 한다.We will design and apply a motor control loop to reach the user's desired speed using digital PLL technique.

디지털 PLL은 기존 아날로그를 이용한 PLL의 각 구성 요소들을 디지털화하여 컴퓨터 프로그램으로 구현하여 처리하는 방식이다.A digital PLL is a method of digitizing each component of a PLL using a conventional analog and implementing it as a computer program.

PLL의 주요 구성요소로는 고정주파수, 위상 검출기(Phase Detector), 루프필터(Loop filter), VCO (Voltage Controlled Oscillator), 카운터(counter) 등으로 나뉜다.The main components of the PLL are divided into a fixed frequency, a phase detector, a loop filter, a VCO (Voltage Controlled Oscillator), and a counter.

CO(Voltage Controlled Oscillator)에서는 입력된 값에 따라 주파수를 내보내 주며, 입력전압에서 출력된 주파수와 고정 주파수를 비교할 수 있도록 카운터(counter) 에서 적절한 비율로 나누어 주어 비교를 위한 출력 주파수로 바꿔준다.In CO (Voltage Controlled Oscillator), the frequency is output according to the input value, and it is converted into the output frequency for comparison by dividing the frequency outputted from the input voltage and the fixed frequency by the appropriate ratio in the counter.

고정 주파수는 기준 주파수(Reference frequency)로써, 출력된 주파수와 비교가 되는 대상이다. 만약에 출력 주파수가 고정 주파수와 차이가 생긴다면, 위상 검출기(Phase Detector)에서 차이를 계산하고, 차이만큼 보상해주도록 값을 준다.The fixed frequency is a reference frequency, which is an object to be compared with the output frequency. If the output frequency differs from the fixed frequency, the phase detector calculates the difference and gives a value to compensate for the difference.

루프필터(Loop filter)에서는 위상 검출기(Phase Detector)로부터 나온 주파수 차이에 대해 고주파 성분을 제거하고, 리플(ripple)(주파수에 잔물결이 생기는 현상)을 제거해 주는 역할을 한다.The loop filter removes high frequency components from the frequency difference from the phase detector and removes ripples (ripples in frequency).

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 PLL 제어부를 나타낸 블록도이다.5 is a block diagram illustrating a PLL controller according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 PLL 제어부는, 디지털 PLL을 이용한 모터 제어를 위해서 입력 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator) 대신 모터(motor)로 교체할 수 있다. 도 5에서 BLDC 모터가 입력 전압 제어 발진기로 교체된 것이 예시되어 있다. 모터에서 나오는 출력 값을 디지털 인코더(Digital encoder)로 나눠서 출력 주파수로 변환해주고, 변환된 출력주파수는 고정주파수와 비교를 위해 카운터(counter)로 고정주파수와 출력주파수의 비율에 따라 나누는 방식을 사용한다.The PLL controller according to the present invention can be replaced with a motor instead of an input voltage controlled oscillator for motor control using a digital PLL. In Figure 5 it is illustrated that the BLDC motor is replaced by an input voltage controlled oscillator. The output value of the motor is divided into digital encoders and converted into output frequency. The converted output frequency is divided by the ratio of the fixed frequency and the output frequency by a counter for comparison with the fixed frequency .

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The foregoing detailed description is illustrative of the present invention. It is also to be understood that the foregoing is illustrative and explanatory of preferred embodiments of the invention only, and that the invention may be used in various other combinations, modifications and environments. That is, it is possible to make changes or modifications within the scope of the concept of the invention disclosed in this specification, the disclosure and the equivalents of the disclosure and / or the scope of the art or knowledge of the present invention. The foregoing embodiments are intended to illustrate the best mode contemplated for carrying out the invention and are not intended to limit the scope of the present invention to other modes of operation known in the art for utilizing other inventions such as the present invention, Various changes are possible. Accordingly, the detailed description of the invention is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments. It is also to be understood that the appended claims are intended to cover such other embodiments.

Claims (16)

글로벌 좌표계에서의 원격 무인 잠수정의 목표 위치를 입력받는 단계,
상기 원격 무인 잠수정이 상기 목표 위치로 이동하기 위한 글로벌 좌표계에서의 상기 원격 무인 잠수정의 위치, 속도 및 가속도를 계산하는 단계,
상기 글로벌 좌표계에서 계산된 상기 원격 무인 잠수정의 위치, 속도 및 가속도를 상기 원격 무인 잠수정의 로컬 좌표계에서의 로컬 속도로 전환하는 단계,
상기 로컬 속도를 이용하여 상기 원격 무인 잠수정이 상기 목표 위치로 이동하기 위한 토크를 계산하는 단계, 그리고
상기 계산된 토크를 이용하여 상기 원격 무인 잠수정에 구비된 복수의 트러스터(thruster)에서 각각 내야할 추력을 계산하는 단계
를 포함하는 원격 무인 잠수정 제어 방법.
Receiving a target position of a remote unmanned submersible in a global coordinate system,
Calculating a position, a velocity and an acceleration of the remote unmanned submersible in a global coordinate system for moving the remote unmoved submersible to the target position,
Converting the position, velocity and acceleration of the remote unmanned submersible in the global coordinate system to a local speed in the local coordinate system of the remote unmoving submersible,
Calculating a torque for the remote unmanned submersible to move to the target position using the local speed, and
Calculating a thrust force to be exerted on each of a plurality of thrusters provided in the remote unmanned submersible using the calculated torque;
Wherein the remote control device is a remote control device.
제 1 항에서,
상기 복수의 트러스터 각각에 대해서 계산된 추력에 대응하는 상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도를 구하는 단계
를 더 포함하는 원격 무인 잠수정 제어 방법.
The method of claim 1,
Obtaining a propeller speed of each of the plurality of thrusters corresponding to the calculated thrust for each of the plurality of thrusters
Further comprising the steps of:
제 2 항에서,
상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도를 PLL 제어부에 입력하여 상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도가 목표 프로펠러 속도에 도달하도록 모터 제어를 수행하는 단계
를 더 포함하는 원격 무인 잠수정 제어 방법.
3. The method of claim 2,
Inputting a propeller speed of each of the plurality of thrusters to a PLL controller to perform motor control so that a propeller speed of each of the plurality of thrusters reaches a target propeller speed
Further comprising the steps of:
제 3 항에서,
상기 PLL 제어부는,
상기 복수의 트러스터의 모터에서 출력된 출력값을 출력주파수로 변환하는 디지털 인코더,
상기 디지털 인코더에서 변환된 출력주파수를 고정주파수와 비교를 위하여 상기 고정주파수와 상기 출력주파수의 비율에 따라 나누는 카운터,
상기 카운터에서 출력된 값과 상기 고정주파수의 주파수 차이를 계산하여 출력하는 위상 검출기,
상기 위상 검출기에서 출력된 주파수 차이에 대해 고주파 성분을 제거하는 필터, 그리고
상기 필터에서 고주파 성분이 제거된 신호를 증폭하여 상기 모터로 출력하는 증폭기
를 포함하는 원격 무인 잠수정 제어 방법.
4. The method of claim 3,
The PLL control unit includes:
A digital encoder for converting an output value output from the motor of the plurality of trussers into an output frequency,
A counter for dividing the output frequency converted by the digital encoder according to a ratio of the fixed frequency and the output frequency for comparison with a fixed frequency,
A phase detector for calculating and outputting a frequency difference between the value output from the counter and the fixed frequency,
A filter for removing a high-frequency component with respect to a frequency difference output from the phase detector, and
An amplifier for amplifying a signal from which high-frequency components have been removed from the filter and outputting the amplified signal to the motor,
Wherein the remote control device is a remote control device.
제 1 항에서,
상기 로컬 속도는,
상기 글로벌 좌표계에서 계산된 위치, 속도 및 가속도를 상기 원격 무인 잠수정의 현재 위치 및 속도와 비교하여 에러값을 구하고, 상기 글로벌 좌표계에서 계산된 속도와 상기 에러값에 역자코비안 행렬을 적용하여 구해지는 원격 무인 잠수정 제어 방법.
The method of claim 1,
The &
A remote control unit for obtaining an error value by comparing the position, velocity, and acceleration calculated in the global coordinate system with the current position and velocity of the remote unmanned submersible, calculating a velocity in the global coordinate system and applying a reciprocal covariance matrix to the error value, Unmanned submersible control method.
제 1 항에서,
상기 원격 무인 잠수정이 상기 목표 위치로 이동하기 위한 토크는,
상기 로컬 속도와 상기 원격 무인 잠수정의 외부 센서를 통해 받은 로컬 속도의 차이, 현재 알고 있는 상기 원격 무인 잠수정의 역학(Dynamics) 값 그리고 유체역학적 계수를 이용하여 구해지는 원격 무인 잠수정 제어 방법.
The method of claim 1,
Wherein the torque for the remote unmanned submersible to move to the target position,
A difference between the local speed and a local speed received through an external sensor of the remote control submersible, a known dynamics value of the remote control submersible, and a hydrodynamic coefficient.
제 1 항에서,
상기 계산된 토크에 역 트러스터 전환 매트릭스(Inverse Thruster Conversion Matrix)를 이용하여 상기 복수의 트러스터에서 각각 내야할 추력을 구하는 원격 무인 잠수정 제어 방법.
The method of claim 1,
And a thrust force to be applied to each of the plurality of thrusters is obtained by using an inverse thruster conversion matrix (Mathematical Expression 2) on the calculated torque.
제 7 항에서,
상기 복수의 트러스터에서 각각 내야할 추력에 대응하는 상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도는 역 트러스터 모델(Inverse Thruster Model)을 이용하여 구해지는 원격 무인 잠수정 제어 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the propeller speed of each of the plurality of thrusters corresponding to a thrust force to be imposed on each of the plurality of thrusters is obtained using an inverse thruster model.
원격 무인 잠수정이 목표 위치로 이동하기 위한 글로벌 좌표계에서의 원격 무인 잠수정의 위치, 속도 및 가속도를 입력받아, 상기 원격 무인 잠수정의 로컬 좌표계에서의 로컬 속도로 전환하고, 상기 로컬 속도를 이용하여 상기 원격 무인 잠수정이 상기 목표 위치로 이동하기 위한 토크를 계산하며, 상기 계산된 토크를 이용하여 상기 원격 무인 잠수정에 구비된 복수의 트러스터(thruster)에서 각각 내야할 추력을 계산하는 컨트롤러
를 포함하는 원격 무인 잠수정 제어 장치.
Speed and acceleration of the remote unmanned submersible in the global coordinate system for moving the remote unmoving submersible to the target position and switches to the local speed in the local coordinate system of the remote unmoved submersible, A controller for calculating a torque for moving the unmanned submersible vehicle to the target position and calculating a thrust force for each of the plurality of thrusters provided in the remote unmanned submersible using the calculated torque,
And a control unit for controlling the submarine.
제 9 항에서,
상기 컨트롤러는,
상기 복수의 트러스터 각각에 대해서 계산된 추력에 대응하는 상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도를 구하는 원격 무인 잠수정 제어 장치.
The method of claim 9,
The controller comprising:
And obtains a propeller speed of each of the plurality of thrusters corresponding to the calculated thrust for each of the plurality of thrusters.
제 10 항에서,
상기 컨트롤러는,
상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도를 입력받아 상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도가 목표 프로펠러 속도에 도달하도록 모터 제어를 수행하는 PLL 제어부
를 포함하는 원격 무인 잠수정 제어 장치.
11. The method of claim 10,
The controller comprising:
A PLL controller for receiving a propeller speed of each of the plurality of thrusters and performing motor control so that a propeller speed of each of the plurality of thrusters reaches a target propeller speed;
And a control unit for controlling the submarine.
제 11 항에서,
상기 PLL 제어부는,
상기 복수의 트러스터의 모터에서 출력된 출력값을 출력주파수로 변환하는 디지털 인코더,
상기 디지털 인코더에서 변환된 출력주파수를 고정주파수와 비교를 위하여 상기 고정주파수와 상기 출력주파수의 비율에 따라 나누는 카운터,
상기 카운터에서 출력된 값과 상기 고정주파수의 주파수 차이를 계산하여 출력하는 위상 검출기,
상기 위상 검출기에서 출력된 주파수 차이에 대해 고주파 성분을 제거하는 필터, 그리고
상기 필터에서 고주파 성분이 제거된 신호를 증폭하여 상기 모터로 출력하는 증폭기
를 포함하는 원격 무인 잠수정 제어 장치.
12. The method of claim 11,
The PLL control unit includes:
A digital encoder for converting an output value output from the motor of the plurality of trussers into an output frequency,
A counter for dividing the output frequency converted by the digital encoder according to a ratio of the fixed frequency and the output frequency for comparison with a fixed frequency,
A phase detector for calculating and outputting a frequency difference between the value output from the counter and the fixed frequency,
A filter for removing a high-frequency component with respect to a frequency difference output from the phase detector, and
An amplifier for amplifying a signal from which high-frequency components have been removed from the filter and outputting the amplified signal to the motor,
And a control unit for controlling the submarine.
제 9 항에서,
상기 로컬 속도는,
상기 글로벌 좌표계에서 계산된 위치, 속도 및 가속도를 상기 원격 무인 잠수정의 현재 위치 및 속도와 비교하여 에러값을 구하고, 상기 글로벌 좌표계에서 계산된 속도와 상기 에러값에 역자코비안 행렬을 적용하여 구해지는 원격 무인 잠수정 제어 장치.
The method of claim 9,
The &
A remote control unit for obtaining an error value by comparing the position, velocity, and acceleration calculated in the global coordinate system with the current position and velocity of the remote unmanned submersible, calculating a velocity in the global coordinate system and applying a reciprocal covariance matrix to the error value, Unmanned submersible control device.
제 9 항에서,
상기 원격 무인 잠수정이 상기 목표 위치로 이동하기 위한 토크는,
상기 로컬 속도와 상기 원격 무인 잠수정의 외부 센서를 통해 받은 로컬 속도의 차이, 현재 알고 있는 상기 원격 무인 잠수정의 역학(Dynamics) 값 그리고 유체역학적 계수를 이용하여 구해지는 원격 무인 잠수정 제어 장치.
The method of claim 9,
Wherein the torque for the remote unmanned submersible to move to the target position,
A difference between the local velocity and a local velocity received through an external sensor of the remote control submersible, a known dynamics value of the remote control submersible, and a hydrodynamic coefficient.
제 9 항에서,
상기 계산된 토크에 역 트러스터 전환 매트릭스(Inverse Thruster Conversion Matrix)를 이용하여 상기 복수의 트러스터에서 각각 내야할 추력을 구하는 원격 무인 잠수정 제어 장치.
The method of claim 9,
And calculates a thrust force to be applied to each of the plurality of thrusters by using an inverse thruster conversion matrix (Matrix).
제 15 항에서,
상기 복수의 트러스터에서 각각 내야할 추력에 대응하는 상기 복수의 트러스터 각각의 프로펠러 속도는 역 트러스터 모델(Inverse Thruster Model)을 이용하여 구해지는 원격 무인 잠수정 제어 장치.
16. The method of claim 15,
Wherein a propeller speed of each of the plurality of thrusters corresponding to a thrust force to be imposed on each of the plurality of thrusters is obtained using an inverse thruster model.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102652885B1 (en) * 2023-07-31 2024-04-02 주식회사 칼만 Control method of an underwater robot equipped with a multi-degree-of-freedom robot arm
CN117806162A (en) * 2023-11-30 2024-04-02 同济大学 Unmanned arm-carrying submarine-arm coupling coordination control method and system

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