KR20210115498A - Control device and control method - Google Patents

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KR20210115498A
KR20210115498A KR1020200031372A KR20200031372A KR20210115498A KR 20210115498 A KR20210115498 A KR 20210115498A KR 1020200031372 A KR1020200031372 A KR 1020200031372A KR 20200031372 A KR20200031372 A KR 20200031372A KR 20210115498 A KR20210115498 A KR 20210115498A
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강형주
김민규
이계홍
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한국로봇융합연구원
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Abstract

A control device is provided. The control device may include: a transformation part for transforming a first coordinate system used for controlling an object moving along a target trajectory into a second coordinate system based on the target trajectory; and an analysis part for analyzing error dynamics for the object following the target trajectory based on the second coordinate system.

Description

제어 장치 및 제어 방법{CONTROL DEVICE AND CONTROL METHOD}CONTROL DEVICE AND CONTROL METHOD

본 발명은 목표 궤적을 따라 움직이는 대상물을 제어하는 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a control apparatus and a control method for controlling an object moving along a target trajectory.

자율무인잠수정은 유체저항을 줄이기 위해 토피도 형태를 가지는 경우가 많다. 자율무인잠수정은 잠수정 후미의 추진기와 방향 조정을 위한 방향타, 승강타를 이용하여 이동한다. 자율무인잠수정은 측면이동과 회전운동을 독립적으로 수행할 수 없으며, 비홀로노믹 제약을 갖는다.Autonomous unmanned submersibles often have a toffee shape to reduce fluid resistance. The autonomous unmanned vehicle moves using the thruster at the rear of the submersible and the rudder and elevator for direction adjustment. The autonomous unmanned vehicle cannot independently perform lateral movement and rotational movement, and has a non-holonomic constraint.

자율무인잠수정은 사전에 프로그래밍된 경로/궤적를 따라 이동하면서 임무를 자율적으로 수행하게 된다.The autonomous unmanned vehicle performs its mission autonomously while moving along a pre-programmed route/trajectory.

주어진 임무를 정확히 수행하기 위해서는 지정된 경로를 정밀하게 추종해야 할 필요가 있다. 그러나, 수중 환경은 조류, 파도 등 환경에 의한 외란이 존재하며, 이러한 외란은 설정 경로/궤적에 대한 추종을 방해한다. 또한,정밀한 궤적 추종을 위해서는 자율무인잠수정의 동역학을 엄밀히 추정하여 보상할 필요가 있는데, 이 역시 많은 어려움이 따른다. 수중에서 운용되는 자율무인잠수정은 강체동역학과 유체동역학이 결합되어 매우 비선형적이며 강하게 커플링된 동역학을 갖기 때문이다. 따라서, 자율무인잠수정의 동역학 모델을 수립하고, 그 모델의 계수를 추정하는데 상당한 노력이 필요할 뿐만 아니라 동역학 모델 추정 오차를 수반할 수 밖에 없다. 모델 추정 오차는 궤적 추종 성능을 저하시키는 요인이 된다.In order to accurately perform a given mission, it is necessary to precisely follow a designated route. However, in the aquatic environment, there are disturbances by the environment such as currents and waves, and these disturbances interfere with tracking of the set path/trajectory. In addition, in order to accurately follow the trajectory, it is necessary to accurately estimate and compensate the dynamics of the autonomous unmanned vehicle, which also comes with many difficulties. This is because the autonomous unmanned submersible (UAV) operated in the water is very non-linear and has strongly coupled dynamics because rigid body dynamics and fluid dynamics are combined. Therefore, considerable effort is required to establish a dynamic model of the autonomous unmanned vehicle and estimate the coefficients of the model, and it is inevitably accompanied by a dynamic model estimation error. The model estimation error is a factor that degrades the trajectory tracking performance.

한국등록특허공보 제1370649호에는 실시간 속도 정보와 설정 경로의 방향 차이를 계산하여 해류의 영향을 추정하고, 실시간으로 해류의 영향을 상쇄시키는 경로 제어 기술이 나타나 있다.Korean Patent Publication No. 1370649 discloses a path control technology that calculates real-time speed information and a direction difference between a set path to estimate the influence of the current, and cancel the influence of the current in real time.

한국등록특허공보 제1370649호Korean Patent Publication No. 1370649

본 발명은 대상물이 목표 궤적을 정밀하게 따라 이동하도록 제어하는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for controlling an object to precisely move along a target trajectory.

본 발명의 제어 장치는 목표 궤적을 따라 움직이는 대상물의 제어에 사용되는 제1 좌표계를 상기 목표 궤적을 기준으로 하는 제2 좌표계로 변환하는 변환부; 상기 대상물이 상기 목표 궤적을 추종하는 것에 대한 오차 동역학을 상기 제2 좌표계를 기준으로 분석하는 분석부;를 포함할 수 있다.A control apparatus of the present invention includes: a transformation unit for converting a first coordinate system used for controlling an object moving along a target trajectory into a second coordinate system based on the target trajectory; and an analysis unit that analyzes error dynamics for the object following the target trajectory based on the second coordinate system.

본 발명의 제어 방법은 좌표 변환을 도입하여 비홀로노믹 제약을 갖는 잠수정의 동역학을 분석하는 분석 단계; 상기 좌표 변환으로 인해 유발되는 외란을 수정하는 수정 단계;를 포함하고, 상기 좌표 변환은 목표 궤적을 따라 움직이는 상기 잠수정의 제어에 사용되는 기존 좌표계를 상기 목표 궤적을 기준으로 하는 기준 궤적 좌표계로 변환하는 것이며, 상기 좌표 변환을 통해 백스테핑 제어 기법의 적용이 가능해지고, 상기 외란의 수정은 상기 백스테핑 제어 기법을 적용하여 상기 외란의 발생을 억제하는 과정을 포함할 수 있다.The control method of the present invention includes an analysis step of analyzing the dynamics of a submersible having a non-holonomic constraint by introducing a coordinate transformation; A correction step of correcting disturbance caused by the coordinate transformation; including, wherein the coordinate transformation transforms the existing coordinate system used for control of the submersible moving along the target trajectory into a reference trajectory coordinate system based on the target trajectory. In this case, a backstepping control technique may be applied through the coordinate transformation, and the correction of the disturbance may include a process of suppressing the occurrence of the disturbance by applying the backstepping control technique.

본 발명의 제어 장치 및 제어 방법은 구조적으로 단순하면서도 외란 및 동역학적 비선형성에 강인한 제어기를 제공할 수 있다.The control apparatus and control method of the present invention can provide a controller that is structurally simple and robust against disturbance and dynamic nonlinearity.

본 발명은 좌표 변환을 도입하여 대상물의 동역학, 예를 들어 비홀로노믹 제약을 갖는 자율무인잠수정의 동역학을 용이하게 분석할 수 있다.The present invention can easily analyze the dynamics of an object by introducing a coordinate transformation, for example, the dynamics of an autonomous unmanned vehicle having non-holonomic constraints.

좌표 변환을 이용해 분석된 동역학은 백스테핑 제어 기법이 쉽게 적용될 수 있는 폼(form)을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 잠수정 등에 적용이 어려웠던 백스테핑 제어 기법(Back-stepping control)이 도입될 수 있다. 그 결과, 백스테핑 제어 기법(Back-stepping control)에 기반하여 매칭 조건을 불만족하는 외란에 대해 강인한 제어기가 제공될 수 있다.The dynamics analyzed using the coordinate transformation can have a form to which the backstepping control technique can be easily applied. Therefore, according to the present invention, a back-stepping control technique that has been difficult to be applied to a submersible may be introduced. As a result, it is possible to provide a controller robust against disturbance that does not satisfy a matching condition based on a back-stepping control technique.

본 발명에 따르면, 시간 지연 추정 기법(Time delay estimation)을 이용하여 자율무인잠수정의 대상물에 대한 동역학이 간접적으로 강인하게 추정될 수 있다.According to the present invention, dynamics of an object of an autonomous unmanned vehicle can be indirectly and robustly estimated using time delay estimation.

본 발명에 따르면, 정밀 제어의 난제를 포함하는 자율무인잠수정의 정밀한 궤적 추종을 가능하게 하는 강인제어기가 제공될 수 있다.According to the present invention, a robustness controller that enables precise trajectory tracking of an autonomous unmanned submersible, including the difficulty of precise control, can be provided.

도 1은 본 발명의 제어 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 비교 실시예의 LOS 기반 선수각 경로 계획을 나타낸 개략도이다.
도 3은 대상물의 상태 변수 및 좌표계를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제어 장치에 의해 제어되는 자율무인잠수정의 모의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 초기 오차의 결과에 대한 선수각의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 제어 방법에 따른 제어 순서도를 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다.
1 is a block diagram showing a control device of the present invention.
2 is a schematic diagram showing the LOS-based bow angle path plan of the comparative example.
3 is a schematic diagram illustrating a state variable and a coordinate system of an object.
4 is a graph showing the simulation results of the autonomous unmanned submersible controlled by the control device of the present invention.
5 is a graph showing the change of the bow angle with respect to the result of the initial error.
6 is a flowchart illustrating a control method of the present invention.
7 is a schematic diagram showing a control flowchart according to the control method of the present invention.
8 is a diagram illustrating a computing device according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

본 명세서에서, 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.In the present specification, duplicate descriptions of the same components will be omitted.

또한 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.Also, in this specification, when it is mentioned that a certain element is 'connected' or 'connected' to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but another element in the middle. It should be understood that there may be On the other hand, in this specification, when it is mentioned that a certain element is 'directly connected' or 'directly connected' to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.

또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로써, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용되는 것이 아니다.In addition, the terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention.

또한 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. Also, in this specification, the singular expression may include the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.

또한 본 명세서에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.Also in this specification, terms such as 'include' or 'have' are only intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, and one or more It should be understood that the existence or addition of other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof is not precluded in advance.

또한 본 명세서에서, '및/또는' 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 본 명세서에서, 'A 또는 B'는, 'A', 'B', 또는 'A와 B 모두'를 포함할 수 있다.Also in this specification, the term 'and/or' includes a combination of a plurality of listed items or any of a plurality of listed items. In this specification, 'A or B' may include 'A', 'B', or 'both A and B'.

또한 본 명세서에서, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다.Also, in this specification, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may obscure the gist of the present invention will be omitted.

도 1은 본 발명의 제어 장치를 나타낸 블록도이다. 도 3은 대상물의 상태 변수 및 좌표계를 나타낸 개략도이다.1 is a block diagram showing a control device of the present invention. 3 is a schematic diagram illustrating a state variable and a coordinate system of an object.

자율무인잠수정의 궤적추종제어를 위해 LOS(Line of sight)에 기반한 경로 계획과 PD(Proportional-Derivative) 제어 기법이 주로 활용되고 있다. LOS는 경로점들이 미리 주어져 있을 때, 경로점 간을 잇는 직선을 추종하기 위한 선수각을 도출하는 알고리즘으로 도 2에 도시하였다. LOS는 알고리즘의 간결성 때문에 많이 활용되는 기법이지만, 구조적인 제약점들이 존재한다.Path planning based on line of sight (LOS) and proportional-derivative (PD) control techniques are mainly used for trajectory tracking control of autonomous unmanned vehicles. The LOS is shown in FIG. 2 as an algorithm for deriving a bow angle for following a straight line connecting between path points when path points are given in advance. LOS is a technique that is widely used because of the simplicity of the algorithm, but there are structural limitations.

예를 들어, LOS를 적용할 경우, 직선궤적 외의 추종에는 적용하기 어려운 문제가 있다. LOS를 적용할 경우, 수용 원(circle of acceptance)의 반경을 사전에 설정할 필요가 있으며, 원과 직선궤적의 교점이 없을 경우에 대한 별도 처리가 필요한 문제가 있다. 또한, 경로점이 수용 원 내부에 존재하는 경우에 대해 별도 처리가 필요한 문제가 있다. 또한, 잠수정의 경로점 도달 여부에 대한 판단 및 잠수정의 경로점 도달시 다음 경로점으로 직선궤적을 업데이트할 필요가 있다. 또한, 잠수정의 경로점이 변경될 때, 선수각 경로 계획값이 불연속적으로 변화하는 문제가 있다.For example, when LOS is applied, there is a problem in that it is difficult to apply to tracking other than a straight trajectory. In the case of applying LOS, it is necessary to set the radius of the circle of acceptance in advance, and there is a problem that separate processing is required for the case where there is no intersection of the circle and the straight trajectory. In addition, there is a problem that separate processing is required for the case where the route point exists inside the receiving circle. In addition, it is necessary to determine whether the submersible has reached the path point and to update the straight trajectory to the next path point when the sub vehicle arrives at the path point. In addition, when the route point of the submersible is changed, there is a problem that the bow angle route plan value is discontinuously changed.

또한, PD 형태의 제어기는 적분항을 포함하지 않는 제어기의 특성상, 외란에 대해 steady state error를 남기며, 이로 인해 정밀한 궤적추종을 수행하기에는 한계가 있다. 특히, 조류와 같이 외란이 크게 발생하는 경우에는 궤적 추종 오차가 커지므로 정밀한 임무 수행이 어렵다.In addition, the PD-type controller leaves a steady state error with respect to disturbance due to the characteristics of the controller that does not include an integral term, and thus there is a limit in performing precise trajectory tracking. In particular, in the case of large disturbances such as birds, the trajectory tracking error increases, making it difficult to perform precise tasks.

자율무인잠수정의 정밀 궤적추종을 위한 알고리즘들은 지난 수십년간 지속적으로 연구되고 있다. 이 연구들의 많은 부분은 백스테핑 제어 기법을 이용하여 매칭 조건 문제를 해결하고 있다. 그러나, 자율무인잠수정의 동역학 모델을 알아야 한다는 한계가 있으며, 비선형 목적함수의 미분을 기반하여 전개하므로 수식적 복잡성도 갖는 문제가 있다. 또한, 제어기의 계층적 설계(hierarchical design)에 기반한 접근들도 있는데, 예를 들면 기준속도의 피드백설계와 터미널 슬라이딩 모드제어, 백스테핑 제어와 슬라이딩모드제어, 가이던스 설계와 퍼지 제어 등이 있다. 이들은 기구학 수준의 제어기를 도입함으로써, 매칭조건 문제와 동역학 제어 문제를 분리하고 있다. 그러나, 기구학 제어기의 수렴성이 동역학 제어기의 수렴성과 상호 영향을 주는 문제가 있으며, 자율무인잠수정의 동역학 모델이 필요하다는 단점도 가진다.Algorithms for precise trajectory tracking of autonomous unmanned vehicles have been continuously studied for the past several decades. Many of these studies use the backstepping control technique to solve the matching condition problem. However, there is a limitation that the dynamic model of the autonomous unmanned vehicle needs to be known, and there is a problem of mathematical complexity as it is developed based on the derivative of the nonlinear objective function. Also, there are approaches based on the hierarchical design of the controller, for example, feedback design of reference speed and terminal sliding mode control, backstepping control and sliding mode control, guidance design and fuzzy control, etc. By introducing a kinematic level controller, they separate the matching condition problem from the dynamic control problem. However, there is a problem that the convergence of the kinematic controller has a mutual influence with the convergence of the dynamic controller, and there is also a disadvantage that a dynamics model of the autonomous unmanned vehicle is required.

구조적으로 단순하면서도 외란 및 동역학적 비선형성에 강인한 제어기를 제공하기 위해, 도 1에 도시된 제어 장치는 변환부(110) 및 분석부(130)를 포함할 수 있다.In order to provide a controller that is structurally simple and robust against disturbance and dynamic nonlinearity, the control device shown in FIG. 1 may include a converter 110 and an analyzer 130 .

변환부(110)는 목표 궤적 c를 따라 움직이는 대상물(10)의 제어에 사용되는 제1 좌표계를 목표 궤적을 기준으로 하는 제2 좌표계로 변환할 수 있다. 대상물(10)은 물, 공기 등의 유체 속을 운행하는 각종 물체를 포함할 수 있다. 일 예로, 대상물은 공기 속을 운행하는 비행기, 물에서 항해하는 선박, 물 속에서 움직이는 잠수정 등을 포함할 수 있다.The transformation unit 110 may convert the first coordinate system used to control the object 10 moving along the target trajectory c into a second coordinate system based on the target trajectory. The object 10 may include various objects moving in a fluid such as water or air. As an example, the object may include an airplane traveling in air, a vessel sailing on water, a submersible moving in water, and the like.

제1 좌표계는 지구 좌표계, 대상물을 기준으로 하는 몸체 고정 좌표계, 대상물과 구분되는 제3 물체를 기준으로 하는 상대 좌표계 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The first coordinate system may include any one of an earth coordinate system, a body fixed coordinate system based on an object, and a relative coordinate system based on a third object that is distinguished from the object.

지구 좌표계는 x축과 z축이 각각 진북 방향과 지구 중심 방향을 나타내는 직각우수좌표계를 포함할 수 있다. 지구 좌표계에서 x축 대신, y축이 진북 방향을 나타낼 수도 있다.The earth coordinate system may include a rectangular right coordinate system in which an x-axis and a z-axis indicate a true north direction and a direction toward the center of the earth, respectively. Instead of the x-axis in the Earth coordinate system, the y-axis may represent the true north direction.

몸체 고정 좌표계는 x축 또는 y축이 대상물의 길이 방향에 평행하며, 대상물의 연직 하방/상방을 z축으로 하는 직각우수좌표계를 포함할 수 있다. 몸체 고정 좌표계의 중심은 부력 중심에 위치할 수 있다.The body fixed coordinate system may include a right-angled right coordinate system in which the x-axis or y-axis is parallel to the longitudinal direction of the object, and the vertical downward/upper side of the object is the z-axis. The center of the body fixed coordinate system may be located at the center of buoyancy.

상대 좌표계는 x축 또는 y축이 제3 물체의 길이 방향에 평행하며, 제3 물체의 연직 하방/상방을 z축으로 하는 직각우수좌표계를 포함할 수 있다.The relative coordinate system may include a right-angled coordinate system in which the x-axis or the y-axis is parallel to the longitudinal direction of the third object, and the vertical downward/upper side of the third object is the z-axis.

변환부(110)는 목표 궤적 c에 접하는 제1 축 및 목표 궤적에 수직한 제2 축을 갖는 제2 좌표계가 되도록 제1 좌표계를 좌표 변환할 수 있다. 제2 좌표계의 원점은 몸체 고정 좌표계의 원점으로부터 목표 궤적 c로 내린 수선의 발(해당 수선과 목표 궤적 c의 교차점)에 위치할 수 있다.The transform unit 110 may convert the first coordinate system into a second coordinate system having a first axis in contact with the target trajectory c and a second axis perpendicular to the target trajectory. The origin of the second coordinate system may be located at the foot (intersection of the corresponding perpendicular and the target trajectory c) of the waterline descending from the origin of the body fixed coordinate system to the target trajectory c.

제2 좌표계의 제1 축은 대상물의 전진 거리 오차 또는 전진 속도 오차를 나타낼 수 있다.The first axis of the second coordinate system may represent a forward distance error or forward speed error of the object.

제2 좌표계의 제2 축은 대상물의 횡방향 거리 오차 또는 헤딩각(선수각) 오차 또는 각속도 오차를 나타낼 수 있다.The second axis of the second coordinate system may represent a lateral distance error, a heading angle (bow angle) error, or an angular velocity error of the object.

도 3에서 표현의 간결성을 위해 xy 평면 상에서의 운동만을 고려하도록 한다. 본 발명에 사용되는 좌표계 및 상태 변수의 정의를 도 3에 나타내었다. 도 3에서 대상물은 물 속을 운행하는 자율무인잠수정을 포함할 수 있다.In FIG. 3 , only the motion on the xy plane is considered for the sake of simplicity of expression. The definitions of the coordinate system and state variables used in the present invention are shown in FIG. 3 . In FIG. 3 , the object may include an autonomous unmanned vehicle operating in water.

{W}는 지구 좌표계이고, {B}는 몸체 고정 좌표계를 나타낼 수 있다. 기준 궤적 좌표계 {D}는 제2 좌표계에 해당될 수 있다.{W} may represent the earth coordinate system, and {B} may represent a body fixed coordinate system. The reference trajectory coordinate system {D} may correspond to the second coordinate system.

지구 좌표계에 대한 위치 및 선수각 상태 변수 (x,y,ψ)가 정의될 수 있다. 몸체 고정 좌표계에 대한 속도 및 회전 속도 변수 (u,v,r)이 정의될 수 있다.Position and bow state variables (x, y, ψ) with respect to the Earth coordinate system can be defined. Velocity and rotational velocity variables (u,v,r) for the body fixed coordinate system can be defined.

목표 궤적(기준 궤적) c는 (x,y) 위치 정보가 독립적으로 정의되었다고 가정하며, 수학식1로 표현되는 목표 궤적이 종속적으로 유도될 수 있다.The target trajectory (reference trajectory) c assumes that (x,y) location information is independently defined, and the target trajectory expressed by Equation 1 may be derived dependently.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, ψd는 선수각을 나타내고, ud는 전진 속도를 나타낸다. rd는 각속도를 나타낸다.Here, ψ d represents the bow angle and u d represents the forward speed. r d represents the angular velocity.

평면상에서 잠수정의 거동은 추진기와 방향타를 이용하여 제어될 수 있다. 즉, 추진기의 추진력 τu를 이용하여 속도가 제어될 수 있다. 방향타 입력 τr을 이용하여 선수각이 제어될 수 있다.The behavior of the submersible in the plane can be controlled using thrusters and rudder. That is, the speed may be controlled using the thrust τ u of the thruster. The bow angle can be controlled using the rudder input τ r .

대상물의 동역학은 수학식2와 같이 표현될 수 있다.The dynamics of the object can be expressed as Equation (2).

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서,

Figure pat00004
,
Figure pat00005
은 대상물의 이너셔항에 기반하여 선정되는 양의 상수이다.here,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
is a positive constant selected based on the inertia term of the object.

hu, hr은 대상물의 비선형 동역학을 나타낸다.h u and h r represent the non-linear dynamics of the object.

대상물의 기구학은 수학식3과 같이 표현될 수 있다.The kinematics of the object can be expressed as Equation (3).

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서,

Figure pat00007
이고,
Figure pat00008
이다. '
Figure pat00009
'은 임의의 문자를 나타낸다.here,
Figure pat00007
ego,
Figure pat00008
am. '
Figure pat00009
' represents any character.

수학식3에서, 2개의 독립 변수 (u,r)에 의해 3개의 변수 (x,y,ψ)가 결정될 수 있다. 따라서, 잠수정 등의 대상물이 underactuated system인 것을 알 수 있다.In Equation 3, three variables (x, y, ψ) may be determined by two independent variables (u, r). Therefore, it can be seen that the object such as a submersible is an underactuated system.

횡방향 속도 v는 별도로 제어되지 못하며 외란으로 작용하는 것을 알 수 있다. 또한, 횡방향 속도 v를 무시할 경우,

Figure pat00010
와 같이 유도되는 비홀로노믹 제약이 존재하는 것을 알 수 있다.It can be seen that the transverse velocity v is not separately controlled and acts as a disturbance. Also, ignoring the lateral velocity v,
Figure pat00010
It can be seen that there is a non-holonomic constraint induced as

수학식3에서 독립 변수 (u)와 종속 변수 (x,y)의 관계는 선수각 (ψ)에 따라 변하는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 선수각이 0도인 경우, u가 x의 변화를 결정하는 반면, 선수각이 90도인 경우, u는 y의 변화를 결정하게 된다. 독립 변수와 종속 변수 간의 관계 변화를 줄이기 위해 좌표 변환이 도입될 수 있다.In Equation 3, it can be seen that the relationship between the independent variable (u) and the dependent variable (x,y) changes according to the bow angle (ψ). For example, when the bow angle is 0 degrees, u determines the change in x, whereas when the bow angle is 90 degrees, u determines the change in y. Coordinate transformations can be introduced to reduce changes in the relationship between the independent and dependent variables.

일 예로, 제1 좌표계에 해당하는 지구 좌표계 {W}에서 정의된 문제를 제2 좌표계에 해당하는 기준 궤적 좌표계 {D}로 변환하면, 관계 변화 문제가 완화될 수 있다.For example, if the problem defined in the earth coordinate system {W} corresponding to the first coordinate system is transformed into the reference locus coordinate system {D} corresponding to the second coordinate system, the problem of relationship change may be alleviated.

변환부(110)는 동차 변환 행렬(Homogeneous transform matrix)을 이용하여 좌표 변환을 수행할 수 있다. 일 예로, 변환 행렬은 수학식4와 같을 수 있다.The transform unit 110 may perform coordinate transformation using a homogeneous transform matrix. As an example, the transformation matrix may be as in Equation (4).

Figure pat00011
Figure pat00011

수학식3의 동역학 및 수학식4의 기구학을 갖는 대상물이 수학식1의 목표 궤적을 추종하는 것에 대한 오차 동역학이 다음의 수학식5, 수학식6, 수학식7과 같이 표현될 수 있다. 수학식4의 좌표 변환을 이용하여 기준 궤적 좌표계 {D}에 대해 해당 오차 동역학을 분석하거나 표현하면 수학식5, 수학식6, 수학식7과 같다.The dynamics of Equation 3 and the error dynamics for the object having the kinematics of Equation 4 following the target trajectory of Equation 1 may be expressed as Equations 5, 6, and 7 below. If the corresponding error dynamics are analyzed or expressed for the reference trajectory coordinate system {D} using the coordinate transformation of Equation 4, Equation 5, Equation 6, and Equation 7 are obtained.

Figure pat00012
Figure pat00012

Figure pat00013
Figure pat00013

Figure pat00014
Figure pat00014

여기서,

Figure pat00015
이고, '
Figure pat00016
'은 임의의 문자를 나타낸다.
Figure pat00017
,
Figure pat00018
는 양의 상수이다. here,
Figure pat00015
ego, '
Figure pat00016
' represents any character.
Figure pat00017
,
Figure pat00018
is a positive constant.

분석부(130)에 의해 제2 좌표계를 기준으로 분석된 오차 동역학에는 전진 거리 오차(제1 축상 거리 오차)

Figure pat00019
, 전진 속도 오차
Figure pat00020
, 횡방향 오차(제2 축상 거리 오차)
Figure pat00021
, 헤딩각 오차
Figure pat00022
, 각속도 오차
Figure pat00023
중 적어도 하나가 포함될 수 있다.In the error dynamics analyzed based on the second coordinate system by the analysis unit 130, the forward distance error (the first on-axis distance error)
Figure pat00019
, forward speed error
Figure pat00020
, lateral error (second axial distance error)
Figure pat00021
, heading angle error
Figure pat00022
, angular velocity error
Figure pat00023
At least one of them may be included.

수학식5 및 수학식6에 따르면, 대상물의 오차 동역학에는 매칭 조건을 만족하지 않는 외란 (λxy)가 포함될 수 있다. 또한, 수학식7에 따르면, 매칭 조건을 불만족하는 외란이 각종 오차항과 함께 조류 등으로 인해 유발되는 횡방향 속도 v에 의해 발생되는 것을 알 수 있다.According to Equations 5 and 6, the error dynamics of the object may include disturbances (λ xy ) that do not satisfy the matching condition. In addition, according to Equation 7, it can be seen that the disturbance that does not satisfy the matching condition is generated by the lateral velocity v caused by the current or the like along with various error terms.

매칭 조건은 제1 값을 입력했을 때 대상물이 제1 값을 따라 움직이는 것(추종)을 나타내며, 매칭 조건의 불만족은 제1 값의 입력에도 불구하고 대상물이 제1 값을 따라 움직이는 못하는 상태를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 대상물의 운동에 물리적인 영향을 미치는 추진력과 방향타 각도를 이용해서 조절이 불가능한 오차, 다시 말해 힘을 줄 수 없는 부분에 대한 오차가 외란에 해당될 수 있다. 해당 외란은 추진력을 발생하는 추진기와 방향을 조절하는 방향타를 이용해서 해소가 불가능하므로, 최대한 발생하지 않도록 억제되는 것이 좋다.The matching condition indicates that the object moves according to the first value (following) when the first value is input, and dissatisfaction of the matching condition indicates a state in which the object cannot move according to the first value despite the input of the first value. can For example, an error that cannot be adjusted using a driving force and a rudder angle that physically affects the motion of an object, that is, an error about a part that cannot be applied with force, may correspond to disturbance. Since the disturbance cannot be resolved by using the thruster that generates the thrust and the rudder that controls the direction, it is better to suppress it so that it does not occur as much as possible.

매칭 조건을 만족하지 않는 외란이 존재하는 경우, 분석부(130)는 백스테핑 제어 기법을 이용하여 제어기를 설계 또는 생성할 수 있다. 일 예로, 분석부(130)는 제2 좌표계를 이용해서 백스테핑 제어 기법의 적용이 가능한 폼(form)으로 오차 동역학을 생성할 수 있다. 수학식5 또는 수학식6은 소위 strict-feedback form을 만족할 수 있다. 해당 폼(form)에 대한 백스테핑 제어기 설계는 Liapunov 안정성에 기반한 기존 기술이 그대로 적용될 수 있다. 백스테핑 제어 기법은 매칭 조건을 불만족하는 외란에 대해 강인한 제어기 설계 기법일 수 있다. 분석부(130)는 외란이 억제되도록 대상물의 오차 동역학에 백스테핑 제어 기법을 적용할 수 있다. 분석부(130)에는 백스테핑 제어 기법이 적용된 제어기를 설계하거나 생성하는 설계 수단이 마련될 수 있다.When there is a disturbance that does not satisfy the matching condition, the analyzer 130 may design or generate a controller using a backstepping control technique. For example, the analysis unit 130 may generate the error dynamics in a form to which the backstepping control technique can be applied using the second coordinate system. Equation 5 or 6 may satisfy a so-called strict-feedback form. The backstepping controller design for the corresponding form can be applied as it is with existing technology based on Liapunov stability. The backstepping control technique may be a robust controller design technique against disturbances that do not satisfy the matching condition. The analysis unit 130 may apply the backstepping control technique to the error dynamics of the object so that the disturbance is suppressed. The analysis unit 130 may be provided with a design means for designing or generating a controller to which the backstepping control technique is applied.

분석부(130)는 오차 동역학에 백스테핑 제어 기법을 적용하여, 목표 궤적을 추종하는 대상물의 백스테핑 제어기를 생성할 수 있다. 일 예로, 수학식5 및 수학식6에 대한 백스테핑 제어기는 수학식8, 수학식9, 수학식10, 수학식11과 같이 설계될 수 있다.The analyzer 130 may generate a backstepping controller of an object that follows a target trajectory by applying a backstepping control technique to error dynamics. As an example, the backstepping controller for Equations 5 and 6 may be designed as in Equations 8, 9, 10 and 11.

Figure pat00024
Figure pat00024

Figure pat00025
Figure pat00025

Figure pat00026
Figure pat00026

Figure pat00027
Figure pat00027

Figure pat00028
Figure pat00028

여기서,

Figure pat00029
Figure pat00030
의 추정값이고,
Figure pat00031
은 제어 게인이다.here,
Figure pat00029
Is
Figure pat00030
is an estimate of
Figure pat00031
is the control gain.

분석부(130)에 의해 Liapunov function이 수학식12와 같이 설정될 수 있다.The Liapunov function may be set as in Equation 12 by the analysis unit 130 .

Figure pat00032
Figure pat00032

수학식12의 Liapunov function에 대해, 수학식8의 제어기를 대입하고 추정 오차가 없다고 가정하면(

Figure pat00033
), Liapunov function의 미분값은 수학식13과 같이 negative definite를 만족하여 안전성이 보장될 수 있다.For the Liapunov function of Equation 12, substituting the controller of Equation 8 and assuming that there is no estimation error (
Figure pat00033
), the differential value of the Liapunov function satisfies negative definite as in Equation 13, so safety can be guaranteed.

Figure pat00034
Figure pat00034

백스테핑 제어기에는 대상물의 비선형 동역학의 추정값 및 매칭 조건을 만족하지 않는 외란의 추정값 중 적어도 하나가 포함할 수 있다. 수학식8, 수학식9, 수학식10, 수학식11에 포함된

Figure pat00035
,
Figure pat00036
은 대상물의 비선형 동역학의 추정값이고,
Figure pat00037
,
Figure pat00038
는 매칭 조건을 만족하지 않는 외란의 추정값이다.The backstepping controller may include at least one of an estimated value of nonlinear dynamics of an object and an estimated value of disturbance that does not satisfy a matching condition. Equation 8, Equation 9, Equation 10, Equation 11
Figure pat00035
,
Figure pat00036
is an estimate of the nonlinear dynamics of the object,
Figure pat00037
,
Figure pat00038
is an estimate of the disturbance that does not satisfy the matching condition.

분석부(130)는 이전 샘플링 시간 값을 활용하는 시간 지연 추정 기법을 이용해서 비선형 동역학의 추정값 및 외란의 추정값 중 적어도 하나를 추정하거나 산정하거나 분석할 수 있다. 분석부(130)에는 시간 지연 추정 기법을 사용해서 해당 외란을 추정 또는 산정하는 추정 수단이 마련될 수 있다.The analyzer 130 may estimate, calculate, or analyze at least one of an estimate value of nonlinear dynamics and an estimate value of disturbance by using a time delay estimation technique using a previous sampling time value. The analysis unit 130 may be provided with an estimating means for estimating or calculating the disturbance by using the time delay estimation technique.

각 추정값은 직접 모델을 유도하고 계수를 추정하는데 많은 노력이 요구된다. 본 발명의 분석부(130)는 시간 지연 추정 기법을 이용하여 간결하면서도 강인하게 추정값을 추정할 수 있다. 시간 지연 추정은 모델을 직접 사용하지 않는 간접적인 추정 방법으로, 시스템의 입력 및 출력의 이전 샘플링 시간값을 활용하므로, 구조적으로 매우 간단하다. 시간 지연 추정을 위해 매우 짧은 시간 동안에 발생되는 시스템의 동역학 변화가 매우 작아서 무시할 수 있다는 가정을 근간으로 한다. 즉, 수학식2, 수학식5, 수학식6의 첫번째 식으로부터, 짧은 시간(L, 통상 샘플링 시간을 이용함) 이전의 시스템 입출력값을 이용하여 동역학을 수학식14 및 수학식15와 같이 추정할 수 있다. 예를 들어, 이전 샘플링 시간값은 현재 샘플링 구간에 대해 1개 샘플링 구간 이전의 샘플링 시간값을 포함할 수 있다.Each estimate requires a lot of effort to directly derive the model and estimate the coefficients. The analysis unit 130 of the present invention can estimate the estimated value concisely and robustly by using the time delay estimation technique. Time delay estimation is an indirect estimation method that does not directly use a model, and it is structurally very simple because it utilizes the previous sampling time values of the input and output of the system. For the time delay estimation, it is based on the assumption that the change in the dynamics of the system that occurs in a very short time is very small and therefore negligible. That is, from the first expression of Equation 2, Equation 5, Equation 6, the dynamics can be estimated as Equations 14 and 15 using the system input/output values before a short time (L, using a normal sampling time). can For example, the previous sampling time value may include a sampling time value prior to one sampling period with respect to the current sampling period.

Figure pat00039
Figure pat00039

Figure pat00040
Figure pat00040

시간 지연 추정 기법을 이용하면, 매우 간단하게 동역학의 추정값을 구할 수 있다. 최종적으로 분석부(130)는 수학식8, 수학식9, 수학식10, 수학식11, 수학식14, 수학식15 중 적어도 하나로 표현되는 제어기를 생성할 수 있다.Using the time delay estimation technique, it is very simple to obtain an estimate of the dynamics. Finally, the analysis unit 130 may generate a controller represented by at least one of Equation 8, Equation 9, Equation 10, Equation 11, Equation 14, and Equation 15.

해당 제어기는 심각한 외란이 존재하는 환경, 예를 들어 조류 등이 존재하는 물속 환경 등에서 외란에 강건하면서 목표 궤적을 정밀하게 추종하는 대상물의 제어에 사용될 수 있다.The controller may be used to control an object that precisely follows a target trajectory while being robust to disturbances in an environment in which severe disturbances exist, for example, in an underwater environment in which algae exist.

분석부(130)는 제어기의 안정성 해석을 제안할 수 있다. 또한, 분석부(130)는 안정석 해석에 기반하여 제어기의 게인을 선정할 수 있다.The analysis unit 130 may suggest stability analysis of the controller. In addition, the analysis unit 130 may select a gain of the controller based on the analysis of the stability seat.

분석부(130)에 의해 생성된 제어기가 안정하기 위한 조건은 수학식16, 수학식17, 수학식18과 같다.Conditions for the controller generated by the analysis unit 130 to be stable are the same as Equations 16, 17, and 18.

Figure pat00041
Figure pat00041

Figure pat00042
Figure pat00042

수학식16에서 Ax, Ay는 Hurwiz matrix다. 수학식17이 만족되면, 분석부(130)에 의해 생성된 제어기는 안정하다. 이상의 안정성 조건으로부터 제어 게인의 설계 방법을 구할 수 있다.In Equation 16, A x , A y is a Hurwiz matrix. If Equation 17 is satisfied, the controller generated by the analysis unit 130 is stable. The design method of the control gain can be calculated|required from the above stability conditions.

제어 게인의 설계 방법은 다음과 같다.The control gain design method is as follows.

먼저, 피드백 제어 게인(K)의 경우, 수학식16의 Ax, Ay가 Hurwiz여야 한다는 조건으로부터, 수학식19의 극점(pole)이 모두 좌평면(LHP: Left Half Plane)에 존재하도록 설계하면 된다.First, in the case of the feedback control gain (K), from the condition that A x , A y of Equation 16 must be Hurwiz, the poles of Equation 19 are all designed to exist in the Left Half Plane (LHP). Do it.

Figure pat00043
Figure pat00043

Figure pat00044
등의 이너셔 게인(inertial gain)의 경우, 수학식17로부터 설계 방법을 구할 수 있다. 수학식17을 풀어 쓰면 수학식19와 같은 조건이 유도될 수 있다.
Figure pat00044
In the case of an inertial gain such as, a design method can be obtained from Equation 17. By solving Equation 17, the same condition as Equation 19 can be derived.

Figure pat00045
Figure pat00045

수학식19로부터 제어기가 안정하기 위한 각 이너셔 게인의 조건을 확인할 수 있다.From Equation 19, it can be confirmed the condition of each inertia gain for the controller to be stable.

일부 조건들은 물 속에서 움직이는 자율무인잠수정 등 대상물의 동역학 계수에 기반하며, 실제값을 알기 어려운 경우에는 튜닝을 통해 선정될 수 있다.Some conditions are based on the dynamic coefficient of an object, such as an autonomous unmanned vehicle moving in water, and if the actual value is difficult to know, it can be selected through tuning.

수학식19는 이너셔 게인 외에 다른 조건('others'로 표현된 부분)도 포함할 수 있다. 해당 조건을 상술하면, 대상물이 전진해야 하며, 선수각 오차가

Figure pat00046
이내이어야 한다는 것이다. 이 조건은 물리적으로 타당할 수 있다. 잠수정의 선수각은 방향타를 이용하여 제어되는데, 잠수정이 후진할 경우에는 방향타에 의한 힘의 방향이 반대가 된다. 마찬가지로, 선수각 오차가
Figure pat00047
이상이 되면, 방향타의 변환에 따른 선수각 변화 방향이 반대가 된다. 해당 조건을 만족하기 위해, 분석부(130)는 대상물이 전진해야 하는 조건 및 선수각 오차가 90도 이내(대상물의 전진 방향을 기준으로 ±90°이내)를 만족하는 범위 내에서 백스테핑 제어기의 게인을 선정할 수 있다.Equation 19 may include other conditions (parts expressed as 'others') in addition to the inertia gain. If the conditions are specified, the object must advance, and the bow angle error is
Figure pat00046
it should be within This condition may be physically justified. The submersible's bow angle is controlled by using the rudder, and when the submersible is moving backwards, the direction of the force by the rudder is reversed. Similarly, the bow angle error
Figure pat00047
If the abnormality occurs, the direction of the change of the bow angle according to the change of the rudder is reversed. In order to satisfy the corresponding condition, the analysis unit 130 controls the backstepping controller within a range that satisfies the condition that the object must advance and the bow angle error is within 90 degrees (within ±90 degrees based on the forward direction of the object). You can select the gain.

본 발명의 제어 장치는 물 속에서 운행 또는 운용되는 자율무인잠수정의 궤적추종제어에 사용될 수 있다. 자율무인잠수정의 운용에서 궤적추종제어는 매우 근본적으로 요구되는 기술이다. 궤적추종제어는 잠수정의 진수 및 목표 지역으로의 이동, 목표 지역에서의 임무 수행, 임무 수행 후 회수 지점으로 이동 등과 같은 전반적인 운용에서 사용될 수 있다.The control device of the present invention can be used for trajectory tracking control of an autonomous unmanned vehicle that is operated or operated in water. Track tracking control is a very fundamentally required technology in the operation of autonomous unmanned submersibles. The trajectory tracking control can be used in general operations such as launching and moving the submersible to the target area, performing the mission in the target area, and moving to the recovery point after performing the mission.

자율무인잠수정의 대표적인 모델인 REMUS 100을 이용하여 모의 실험을 실시하였다. REMUS 100의 동역학 모델은 'Prestero, 2001, Ph.D Thesis MIT'에 나타나 있다. REMUS 100의 동역학 모델을 이용하여, XY 평면 거동에 대해 모의 실험을 수행하였으며, 그 결과는 도 4와 같다.A simulation was conducted using the REMUS 100, which is a representative model of an autonomous unmanned vehicle. The kinetic model of REMUS 100 is presented in 'Prestero, 2001, Ph.D Thesis MIT'. Using the kinetic model of REMUS 100, a simulation was performed on the XY plane behavior, and the results are shown in FIG. 4 .

도 4는 본 발명의 제어 장치에 의해 제어되는 자율무인잠수정의 모의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the simulation results of the autonomous unmanned submersible controlled by the control device of the present invention.

도 4는 세가지 초기 조건에 대해 모의 실험한 결과를 XY 평면상에 도시한 것이다.Figure 4 shows the simulation results for three initial conditions on the XY plane.

기준 궤적(목표 궤적)은 직선으로 50m를 이동한 후, 반경 10m의 원을 그리는 궤적을 적용하였다. 선수각 오차 60도와 10m 이내의 y방향 오차를 포함하는 초기 오차에 대해서, 본 발명의 분석부(130)에 의해 설계 또는 생성된 제어기에 따르면, 자율무인잠수정이 안정적으로 기준 궤적에 수렴하여 궤적 추종을 수행하는 것이 확인되었다.The reference trajectory (target trajectory) was moved 50 m in a straight line, and then a trajectory drawing a circle with a radius of 10 m was applied. According to the controller designed or generated by the analysis unit 130 of the present invention for the initial error including the angle error of 60 degrees and the y-direction error within 10 m, the autonomous unmanned vehicle stably converges to the reference trajectory and follows the trajectory. has been confirmed to perform.

도 5는 초기 오차의 결과에 대한 선수각의 변화를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the change of the bow angle with respect to the result of the initial error.

도 5에서, 초기 오차(선수각 60도, y 방향 0m)의 결과에 대해 X, Y, 선수각의 변화를 시간에 대해 나타내었다. 본 발명의 제어 장치에 따르면, 대상물의 초기 오차가 극복되고, 대상물이 기준 궤적을 정밀하게 추종하는 것이 확인되었다.In FIG. 5, changes in X, Y, and bow angles with respect to the results of the initial error (bow angle 60 degrees, y direction 0 m) are shown with respect to time. According to the control device of the present invention, it was confirmed that the initial error of the object was overcome and the object accurately followed the reference trajectory.

도 6은 본 발명의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a control method of the present invention.

본 발명의 제어 방법은 도 1에 도시된 제어 장치에 의해 수행될 수 있다.The control method of the present invention may be performed by the control device shown in FIG. 1 .

본 발명의 제어 방법은 변환 단계(S 510), 분석 단계(S 520), 수정 단계(S 530), 추정 단계(S 540)를 포함할 수 있다. 변환 단계(S 510)는 변환부(110)에 의해 수행될 수 있다. 분석 단계(S 520), 수정 단계(S 530), 추정 단계(S 540)는 분석부(130)에 의해 수행될 수 있다.The control method of the present invention may include a transformation step (S510), an analysis step (S520), a correction step (S530), and an estimation step (S540). The conversion step ( S510 ) may be performed by the conversion unit 110 . The analysis step (S520), the correction step (S530), and the estimation step (S540) may be performed by the analysis unit 130 .

변환 단계(S 510)를 통해 좌표 변환이 수행될 수 있다. 변환 단계(S 510)를 통해, 목표 궤적을 따라 움직이는 대상물의 제어에 사용되는 기존의 제1 좌표계가 목표 궤적을 기준으로 하는 제2 좌표계로 변환될 수 있다. 다시 말해, 좌표 변환은 목표 궤적을 따라 움직이는 잠수정의 제어에 사용되는 기존 좌표계를 목표 궤적을 기준으로 하는 기준 궤적 좌표계로 변환하는 것을 포함할 수 있다.Coordinate transformation may be performed through the transformation step ( S510 ). Through the transformation step S510 , the existing first coordinate system used for controlling an object moving along the target trajectory may be converted into a second coordinate system based on the target trajectory. In other words, the coordinate transformation may include converting the existing coordinate system used for controlling the submersible moving along the target trajectory into a reference trajectory coordinate system based on the target trajectory.

분석 단계(S 520)를 통해, 분석부(130)는 좌표 변환을 도입하고 비홀로노믹 제약을 갖는 잠수정의 동역학을 분석할 수 있다. 좌표 변환을 통해 백스테핑 제어 기법의 적용이 가능해질 수 있다. 왜냐하면, 백스테핑 제어 기법을 적용하기 위해서는 잠수정의 동역학이 파악될 필요가 있는데, 좌표 변환의 도입을 통해 잠수정의 동역학이 간단하게 파악될 수 있기 때문이다.Through the analysis step (S520), the analysis unit 130 can introduce the coordinate transformation and analyze the dynamics of the submersible having a non-holonomic constraint. The application of the backstepping control technique may be possible through coordinate transformation. This is because, in order to apply the backstepping control technique, it is necessary to understand the dynamics of the submersible, because the dynamics of the submersible can be easily grasped through the introduction of coordinate transformation.

수정 단계(S 530)를 통해, 분석부(130)는 잠수정의 동역학 모델에 포함된 외란을 수정할 수 있다. 외란의 수정은 백스테핑 제어 기법을 적용하여 외란의 발생을 억제하는 백스테핑 제어기를 설계하거나 생성하는 과정을 포함할 수 있다. 수정 단계를 통해 외란이 억제되는 잠수정의 백스테핑 제어기가 생성될 수 있다.Through the correction step (S530), the analysis unit 130 may correct the disturbance included in the dynamics model of the submersible. The correction of disturbance may include a process of designing or generating a backstepping controller that suppresses the occurrence of disturbance by applying a backstepping control technique. A correction step can create a backstepping controller for a submersible with disturbance suppressed.

추정 단계(S 540)를 통해, 분석부(130)는 백스테핑 제어기에 포함된 잠수정의 비선형 동역학의 추정값 및 외란의 추정값 중 적어도 하나를 추정할 수 있다.Through the estimation step (S540), the analysis unit 130 may estimate at least one of the estimated value of the disturbance and the estimated value of the nonlinear dynamics of the submersible included in the backstepping controller.

추정 단계(S 540)는 시간 지연 추정 기법을 이용해서 비선형 동역학의 추정값 및 외란의 추정값 중 적어도 하나를 추정할 수 있다.In the estimating step ( S540 ), at least one of an estimate value of nonlinear dynamics and an estimate value of disturbance may be estimated using a time delay estimation technique.

이상에서 살펴본, 제어 장치 및 제어 방법에 따르면, 조류 등의 외란이 존재하는 상황에서, 비홀로노믹 제약을 갖는 자율무인잠수정의 정밀 궤적추종제어가 가능하다. 이를 통해, 자율무인잠수정을 이용한 해저 지형 탐사와 같은 임무시, 탐사 결과의 완성도가 향상될 수 있다.According to the above-described control device and control method, precise trajectory tracking control of an autonomous unmanned submersible with non-holonomic constraints is possible in the presence of disturbances such as birds. Through this, the degree of completion of the exploration results can be improved in missions such as underwater terrain exploration using an autonomous unmanned vehicle.

도 7은 본 발명의 제어 방법에 따른 제어 순서도를 나타낸 개략도이다.7 is a schematic diagram showing a control flowchart according to the control method of the present invention.

분석부(130)의 설계 수단은 대상물(10)이 목표 궤적을 추종하는 것에 대한 오차 동역학 (a)를 제2 좌표계를 기준으로 분석할 수 있다. 분석 결과는 수학식5 ⑤, 수학식6 ⑥으로 표현될 수 있다.The design means of the analysis unit 130 may analyze the error dynamics (a) for the target 10 following the target trajectory based on the second coordinate system. The analysis result can be expressed by Equation 5 ⑤ and Equation 6 ⑥.

오차 동역학을 나타내는 수학식5 ⑤, 수학식6 ⑥에 포함된 각 인자에는 설계 수단에 의해 백스테핑 제어 기법 (c)가 적용될 수 있다.The backstepping control technique (c) may be applied to each factor included in Equation 5 ⑤ and Equation 6 6 representing the error dynamics by design means.

설계 수단은 매칭 조건을 만족하지 않는 동역학 보상을 위한 가상 입력 (c-1)을 수학식10 ⑩, 수학식11 ⑪과 같이 산정할 수 있다.The design means may calculate the virtual input (c-1) for dynamic compensation that does not satisfy the matching condition as in Equations 10 ⑩ and Equations 11 ⑪.

설계 수단은 산정된 가상 입력 (c-1)을, 매칭 조건을 만족하지 않는 동역학 보상이 포함된 기준 입력 (c-2)에 대입할 수 있다. 해당 기준 입력 (c-2)는 수학식9 ⑨로 표현될 수 있다.The design means may substitute the calculated virtual input (c-1) to the reference input (c-2) including dynamic compensation that does not satisfy the matching condition. The corresponding reference input (c-2) may be expressed by Equation 9 ⑨.

설계 수단은 가상 입력 (c-1)이 대입된 기준 입력 (c-2)를 대상물의 동역학 보상이 포함된 제어 입력 (c-3)에 대입할 수 있다. 해당 제어 입력 (c-3)은 수학식8 ⑧로 표현될 수 있다.The design means may substitute the reference input (c-2) to which the virtual input (c-1) is substituted to the control input (c-3) including the dynamic compensation of the object. The corresponding control input (c-3) may be expressed by Equation 8 (8).

도 7에서 수학식8 ⑧로 표현되는 τu는 대상물을 전진시키는 추진기의 추진력을 나타내고, τr은 대상물의 진행 방향을 조절하는 방향타 입력을 나타낼 수 있다. 추진력과 방향타 입력은 대상물의 동적 움직임을 제어하거나 조절하는 수단 그 자체이므로, 제어 입력 (c-3)은 곧 대상물의 제어기를 의미할 수 있다. In FIG. 7 , τ u expressed by Equation 8 (8) may represent a driving force of a thruster for advancing an object, and τ r may represent a rudder input for controlling a moving direction of an object. Since the driving force and the rudder input are means for controlling or regulating the dynamic movement of the object itself, the control input (c-3) may refer to a controller of the object.

제어 입력 (c-3)의 제어 정밀도 개선을 위해 대상물의 동역학 추정값, 매칭 조건을 만족하지 않는 동역학 추정값이 요구되며, 해당 추정값은 분석부(130)의 추정 수단에 의해 획득될 수 있다.In order to improve the control precision of the control input (c-3), the estimated dynamics value of the object and the dynamics estimated value that does not satisfy the matching condition are required, and the estimated value may be obtained by the estimating means of the analysis unit 130 .

추정 수단은 추정값의 산정을 위해 시간 지연 추정 기법 (b)를 이용할 수 있다.The estimating means may use the time delay estimation technique (b) for calculating the estimated value.

추정 수단은 이전 샘플링값을 이용해 대상물의 동역학을 수학식14 ⑭와 같이 추정할 수 있다.The estimation means may estimate the dynamics of the object as in Equation 14 (⑭) using the previous sampling value.

추정 수단은 이전 샘플링값을 이용해 매칭 조건을 만족하지 않는 동역학을 수학식 15 ⑮와 같이 추정할 수 있다.The estimating means may estimate the dynamics that do not satisfy the matching condition as in Equation 15 (⑮) using the previous sampling value.

추정 수단에 의해 추정된 대상물의 동역학은 설계 수단에 제공되고 제어 입력 (c-3)의 일부 인자로 사용될 수 있다.The dynamics of the object estimated by the estimation means may be provided to the design means and used as some factors of the control input (c-3).

추정 수단에 의해 추정된, 매칭 조건을 불만족하는 동역학은 설계 수단에 제공되고 제어 입력 (c-3)의 일부 인자로 사용될 수 있다.The dynamics estimated by the estimation means, which do not satisfy the matching condition, may be provided to the design means and used as some factors of the control input (c-3).

제어 순서적인 관점에서 살펴보면, 오차 동역학 (a), 시간 지연 추정 기법 (b), 백스테핑 제어 기법 (c)는 폐루프 제어되는 관계를 형성할 수 있다.In view of the control order, the error dynamics (a), the time delay estimation method (b), and the backstepping control method (c) can form a closed-loop controlled relationship.

일 예로, 오차 동역학 (a)의 출력에 해당하는 전진 거리 오차 Dx, 횡방향 거리 오차 Dy, 방향타 오차 ψ, 전진 속도 오차 u, 각속도 오차 r 등에 의해 시간 지연 추정 기법 (b)의 결과값이 결정될 수 있다. 시간 지연 추정 기법 (b)의 결과값에 의해 백스테핑 제어 기법 (c)의 결과값이 결정될 수 있다. 백스테핑 제어 기법 (c)의 결과값 τu, τr에 의해 오차 동역학 (a)의 출력이 결정될 수 있다. As an example, the result value of the time delay estimation method (b) by the forward distance error D x , the lateral distance error D y , the rudder error ψ, the forward velocity error u, the angular velocity error r, etc. corresponding to the output of the error dynamics (a) This can be determined. The result value of the backstepping control technique (c) may be determined by the result value of the time delay estimation technique (b). The output of the error dynamics (a) can be determined by the result values τ u and τ r of the backstepping control method (c).

도 8은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다. 도 8의 컴퓨팅 장치(TN100)는 본 명세서에서 기술된 장치(예, 제어 장치 등) 일 수 있다. 8 is a diagram illustrating a computing device according to an embodiment of the present invention. The computing device TN100 of FIG. 8 may be a device (eg, a control device, etc.) described herein.

도 8의 실시예에서, 컴퓨팅 장치(TN100)는 적어도 하나의 프로세서(TN110), 송수신 장치(TN120), 및 메모리(TN130)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 장치(TN100)는 저장 장치(TN140), 입력 인터페이스 장치(TN150), 출력 인터페이스 장치(TN160) 등을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 장치(TN100)에 포함된 구성 요소들은 버스(bus)(TN170)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.In the embodiment of FIG. 8 , the computing device TN100 may include at least one processor TN110 , a transceiver device TN120 , and a memory TN130 . In addition, the computing device TN100 may further include a storage device TN140 , an input interface device TN150 , an output interface device TN160 , and the like. Components included in the computing device TN100 may be connected by a bus TN170 to communicate with each other.

프로세서(TN110)는 메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(TN110)는 중앙 처리 장치(CPU: central processing unit), 그래픽 처리 장치(GPU: graphics processing unit), 또는 본 발명의 실시예에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 프로세서(TN110)는 본 발명의 실시예와 관련하여 기술된 절차, 기능, 및 방법 등을 구현하도록 구성될 수 있다. 프로세서(TN110)는 컴퓨팅 장치(TN100)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.The processor TN110 may execute a program command stored in at least one of the memory TN130 and the storage device TN140. The processor TN110 may mean a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), or a dedicated processor on which methods according to an embodiment of the present invention are performed. The processor TN110 may be configured to implement procedures, functions, methods, and the like described in connection with an embodiment of the present invention. The processor TN110 may control each component of the computing device TN100 .

메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 각각은 프로세서(TN110)의 동작과 관련된 다양한 정보를 저장할 수 있다. 메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(TN130)는 읽기 전용 메모리(ROM: read only memory) 및 랜덤 액세스 메모리(RAM: random access memory) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. Each of the memory TN130 and the storage device TN140 may store various information related to the operation of the processor TN110 . Each of the memory TN130 and the storage device TN140 may be configured as at least one of a volatile storage medium and a non-volatile storage medium. For example, the memory TN130 may include at least one of a read only memory (ROM) and a random access memory (RAM).

송수신 장치(TN120)는 유선 신호 또는 무선 신호를 송신 또는 수신할 수 있다. 송수신 장치(TN120)는 네트워크에 연결되어 통신을 수행할 수 있다.The transceiver TN120 may transmit or receive a wired signal or a wireless signal. The transceiver TN120 may be connected to a network to perform communication.

한편, 본 발명의 실시예는 지금까지 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 상술한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다. On the other hand, the embodiment of the present invention is not implemented only through the apparatus and/or method described so far, and a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded may be implemented. And, such an implementation can be easily implemented by those skilled in the art from the description of the above-described embodiments.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 통상의 기술자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims are also presented. It belongs to the scope of the invention.

10...대상물 110...변환부
130...분석부
10...Object 110...Converter
130...Analysis Department

Claims (7)

목표 궤적을 따라 움직이는 대상물의 제어에 사용되는 제1 좌표계를 상기 목표 궤적을 기준으로 하는 제2 좌표계로 변환하는 변환부;
상기 대상물이 상기 목표 궤적을 추종하는 것에 대한 오차 동역학을 상기 제2 좌표계를 기준으로 분석하는 분석부;
를 포함하는 제어 장치.
a transformation unit for converting a first coordinate system used for controlling an object moving along a target trajectory into a second coordinate system based on the target trajectory;
an analysis unit for analyzing error dynamics for the object following the target trajectory based on the second coordinate system;
A control device comprising a.
제1항에 있어서,
상기 제1 좌표계는 지구 좌표계, 상기 대상물을 기준으로 하는 몸체 고정 좌표계, 상기 대상물과 구분되는 제3 물체를 기준으로 하는 상대 좌표계 중 어느 하나를 포함하고,
상기 변환부는 상기 목표 궤적에 접하는 제1 축 및 상기 목표 궤적에 수직한 제2 축을 갖는 상기 제2 좌표계가 되도록 상기 제1 좌표계를 좌표 변환하며,
상기 제1 축은 상기 대상물의 전진 거리 오차 또는 전진 속도 오차를 나타내며,
상기 제2 축은 상기 대상물의 횡방향 오차 또는 헤딩각 오차 또는 각속도 오차를 나타내는 제어 장치.
According to claim 1,
The first coordinate system includes any one of an earth coordinate system, a body fixed coordinate system based on the object, and a relative coordinate system based on a third object that is distinguished from the object,
The transform unit converts the first coordinate system into the second coordinate system having a first axis tangent to the target trajectory and a second axis perpendicular to the target trajectory,
The first axis represents the forward distance error or forward speed error of the object,
The second axis is a control device representing a lateral error or a heading angle error or an angular velocity error of the object.
제1항에 있어서,
상기 제2 좌표계를 기준으로 분석된 상기 오차 동역학에는 전진 거리 오차, 전진 속도 오차, 횡방향 오차, 헤딩각 오차, 각속도 오차 중 적어도 하나가 포함되고,
상기 오차 동역학에는 매칭 조건을 만족하지 않는 외란이 포함되며,
상기 분석부는 상기 제2 좌표계를 이용해서 백스테핑 제어 기법의 적용이 가능한 폼(form)으로 상기 오차 동역학을 생성하고,
상기 분석부는 상기 외란이 억제되도록 상기 오차 동역학에 상기 백스테핑 제어 기법을 적용하는 제어 장치.
According to claim 1,
The error dynamics analyzed based on the second coordinate system includes at least one of a forward distance error, a forward velocity error, a lateral error, a heading angle error, and an angular velocity error,
The error dynamics includes disturbances that do not satisfy the matching condition,
The analysis unit generates the error dynamics in a form to which a backstepping control technique can be applied using the second coordinate system,
and the analysis unit applies the backstepping control technique to the error dynamics so that the disturbance is suppressed.
제1항에 있어서,
상기 분석부는 상기 오차 동역학에 백스테핑 제어 기법을 적용하고,
상기 분석부는 상기 목표 궤적을 추종하는 상기 대상물의 백스테핑 제어기를 생성하며,
상기 백스테핑 제어기에는 상기 대상물의 비선형 동역학의 추정값 및 매칭 조건을 만족하지 않는 외란의 추정값 중 적어도 하나가 포함되고,
상기 분석부는 이전 샘플링 시간값을 활용하는 시간 지연 추정 기법을 이용해서 상기 비선형 동역학의 추정값 및 상기 외란의 추정값 중 적어도 하나를 추정하는 제어 장치.
According to claim 1,
The analysis unit applies a backstepping control technique to the error dynamics,
The analysis unit generates a backstepping controller of the object that follows the target trajectory,
The backstepping controller includes at least one of an estimated value of nonlinear dynamics of the object and an estimated value of disturbance that does not satisfy a matching condition,
The analysis unit estimates at least one of the estimated value of the nonlinear dynamics and the estimated value of the disturbance by using a time delay estimation technique using a previous sampling time value.
제1항에 있어서,
상기 분석부는 상기 오차 동역학에 백스테핑 제어 기법을 적용하여 상기 대상물의 백스테핑 제어기를 생성하며,
상기 분석부는 상기 대상물이 전진해야 하는 조건 및 선수각 오차가 90도 이내를 만족하는 범위 내에서 상기 백스테핑 제어기의 게인을 선정하는 제어 장치.
According to claim 1,
The analysis unit generates a backstepping controller of the object by applying a backstepping control technique to the error dynamics,
The analysis unit is a control device for selecting the gain of the back stepping controller within a range that satisfies the condition that the object must advance and the bow angle error is within 90 degrees.
제어 장치에 의해 수행되는 제어 방법에 있어서,
좌표 변환을 도입하여 비홀로노믹 제약을 갖는 잠수정의 동역학을 분석하는 분석 단계;
상기 잠수정의 동역학에 포함된 외란을 수정하는 수정 단계;를 포함하고,
상기 좌표 변환은 목표 궤적을 따라 움직이는 상기 잠수정의 제어에 사용되는 기존 좌표계를 상기 목표 궤적을 기준으로 하는 기준 궤적 좌표계로 변환하는 것이며,
상기 좌표 변환을 통해 백스테핑 제어 기법의 적용이 가능해지고,
상기 외란의 수정은 상기 백스테핑 제어 기법을 적용하여 상기 외란의 발생을 억제하는 백스테핑 제어기를 설계하거나 생성하는 과정을 포함하는 제어 방법.
A control method performed by a control device, comprising:
An analysis step of analyzing the dynamics of a submersible having a non-holonomic constraint by introducing a coordinate transformation;
Including; a correction step of correcting the disturbance included in the dynamics of the submersible;
The coordinate transformation is to convert the existing coordinate system used for control of the submersible moving along the target trajectory into a reference trajectory coordinate system based on the target trajectory,
Through the coordinate transformation, it is possible to apply the backstepping control technique,
The correction of the disturbance includes the process of designing or generating a backstepping controller that suppresses the occurrence of the disturbance by applying the backstepping control technique.
제6항에 있어서,
상기 수정 단계에서 상기 외란이 억제되는 상기 잠수정의 상기 백스테핑 제어기가 생성되고,
상기 백스테핑 제어기에 포함된 상기 잠수정의 비선형 동역학의 추정값 및 상기 외란의 추정값 중 적어도 하나를 추정하는 추정 단계가 마련되며,
상기 추정 단계는 시간 지연 추정 기법을 이용해서 상기 비선형 동역학의 추정값 및 상기 외란의 추정값 중 적어도 하나를 추정하는 제어 방법.
7. The method of claim 6,
The backstepping controller of the submersible in which the disturbance is suppressed in the correction step is generated;
An estimation step of estimating at least one of the estimated value of the nonlinear dynamics of the submersible included in the backstepping controller and the estimated value of the disturbance is provided,
The estimating step is a control method of estimating at least one of the estimated value of the nonlinear dynamics and the estimated value of the disturbance using a time delay estimation technique.
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