KR20230032606A - 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법 및 장치 - Google Patents

무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법 및 장치는, 실제 조류, 파도, 바람 등의 외란을 고려한 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)과 무인 수중정(unmanned underwater vehicle, UUV)의 동역학 모델링을 제작하고, 케이블의 장력을 고려하고 랜덤 노이즈(random noise) 기반 외란 함수를 적용한 무인 수상정(USV)과 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동 모델을 제공함으로써, 무인 수상정(USV)의 운용 안정성 확보 및 무인 해양 조사, 무인 정찰 등의 작업 성능을 높일 수 있다.

Description

무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법 및 장치{Method and apparatus for controlling autonomous driving interlock of unmanned surface vehicle and unmanned underwater vehicle}
본 발명은 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)과 무인 수중정(unmanned underwater vehicle, UUV)의 자율 주행 연동을 제어하는, 방법 및 장치에 관한 것이다.
현재의 유인 선박 체제에서는 황천 시 유인 해양 조사/유인 정찰/유인 감시선을 운용하기 어려울 뿐만 아니라, 유인 선박의 충돌 좌초 사고를 포함한 승무원의 인명 사고가 발생할 우려가 있다. 또한 선박 사고로 인하여 인명의 손상이 발생하였을 때, 현재의 구난 체계로는 사고 현장에 접근하기 어려운 실정이다. 또한 불법 어선 단속에 있어서 새벽 근무, 장시간 근무, 안전상의 위협 등으로 인한 어려움을 겪고 있다.
이와 같은 상황에서 안전하고 효율적인 해양 정찰 및 감시, 해양 조사, 그리고 인명 구조 및 방제, 테러 진압을 수행하기 위해서는 유인 선박의 기능을 보조하고, 인명 손실을 최소화할 수 있도록 악천후 및 야간에도 활용이 가능한 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)의 개발이 필요하다. 무인 수상정(USV)은 무인 잠수정이나 무인 항공기에 비해 탑재 가능한 중량이 매우 크기 때문에 대형 장비들을 실을 수 있고 연료도 많이 실을 수 있어 수행 가능한 임무가 다양해지고 장시간의 운용이 가능하다. 또한, 무인 수상정(USV)은 위성 항법을 이용할 수가 있으며 무인 항공기에 비해 정확한 위치 제어가 가능하다.
그러나 무인 항공기 및 무인 잠수정에 비해 무인 수상정(USV)은 파랑이 큰 경우에 운용 안정성이 떨어질 수 있고 무인 항공기에 비해 속도와 통신 성능이 떨어진다. 따라서 무인 수상정(USV)의 실제 운용을 위해서는 무인 수상정(USV)과 무인 수중정(unmanned underwater vehicle, UUV)의 연동 시스템이 유효한 기술적 해답이 될 수 있다.
종래의 무인 수상정(USV)과 무인 수중정(UUV)의 연동 사용 기술의 경우, 무인 수상정(USV)과 무인 수중정(UUV)이 함께 이동하도록 하기 위하여, 무인 수상정(USV)이 무인 수중정(UUV)을 케이블로 예인하는 것이 일반적이다.
그러나, 실제 해상 환경에서는 조류, 파도, 바람 등의 여러 외란 요인이 존재하여, 무인 수중정(UUV)이 무인 수상정(USV)의 진행 경로를 따라갈 때 정밀도가 떨어지게 되고, 예인 케이블에 과도한 장력이 발생하여 케이블의 수명이 단축되는 문제가 존재한다.
본 발명이 이루고자 하는 목적은, 실제 조류, 파도, 바람 등의 외란을 고려한 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)과 무인 수중정(unmanned underwater vehicle, UUV)의 동역학 모델링을 제작하고, 케이블의 장력을 고려하고 랜덤 노이즈(random noise) 기반 외란 함수를 적용한 무인 수상정(USV)과 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동 모델을 제공하는, 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법은, 케이블로 서로 연결된 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)과 무인 수중정(unmanned underwater vehicle, UUV)의 자율 주행 연동을 제어하는 방법으로서, 상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 제어 신호를 획득하는 단계; 상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 제어 신호를 획득하는 단계; 및 상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 제1 유체역학적 모델 및 상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 제2 유체역학적 모델을 기반으로, 적분 슬라이딩 모드 제어(integral sliding mode control)를 이용하여 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 토대로 상기 무인 수상정(USV)과 상기 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 상기 제1 유체역학적 모델은, 상기 무인 수상정(USV)의 질량 계수, 상기 무인 수상정(USV)의 코리올리 힘(Coriolis force)과 원심력, 상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 외란 함수 및 상기 무인 수상정(USV)의 항력 행렬을 포함하는 식과 상기 제1 제어 신호 간의 관계를 나타내는 모델일 수 있다.
여기서, 상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 상기 제2 유체역학적 모델은, 상기 무인 수중정(UUV)의 질량 계수, 상기 무인 수중정(UUV)의 코리올리 힘(Coriolis force)과 원심력, 상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 외란 함수 및 상기 무인 수중정(UUV)의 항력 행렬을 포함하는 식과 상기 제2 제어 신호 간의 관계를 나타내는 모델일 수 있다.
여기서, 상기 자율 주행 연동 제어 단계는, 상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 추종 오차 벡터를 획득하고, 상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 추종 오차 벡터를 획득하며, 상기 제1 추종 오차 벡터를 이용하여 상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 슬라이딩 표면을 획득하고, 상기 제2 추종 오차 벡터를 이용하여 상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 슬라이딩 표면을 획득하며, 상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 상기 제1 유체역학적 모델, 상기 제1 슬라이딩 표면 및 상기 제1 제어 신호를 기반으로 상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 제어 게인(control gain)을 획득하고, 상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 상기 제2 유체역학적 모델, 상기 제2 슬라이딩 표면 및 상기 제2 제어 신호를 기반으로 상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 제어 게인을 획득하며, 상기 제1 제어 게인 및 상기 제2 제어 게인을 기반으로 상기 무인 수상정(USV)과 상기 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어하는 것으로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 자율 주행 연동 제어 단계는, 상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 외란 함수의 경계보다 상기 제1 제어 게인이 크고, 상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 외란 함수의 경계보다 상기 제2 제어 게인이 크게 되도록 하여, 상기 무인 수상정(USV)과 상기 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어하는 것으로 이루어질 수 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 저장되어 상기한 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법 중 어느 하나를 컴퓨터에서 실행시킨다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 장치는, 케이블로 서로 연결된 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)과 무인 수중정(unmanned underwater vehicle, UUV)의 자율 주행 연동을 제어하는 자율 주행 연동 제어 장치로서, 상기 무인 수상정(USV)과 상기 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어하기 위한 하나 이상의 프로그램을 저장하는 메모리; 및 상기 메모리에 저장된 상기 하나 이상의 프로그램에 따라 상기 무인 수상정(USV)과 상기 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어하기 위한 동작을 수행하는 하나 이상의 프로세서;를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 제어 신호를 획득하고, 상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 제어 신호를 획득하며, 상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 제1 유체역학적 모델 및 상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 제2 유체역학적 모델을 기반으로, 적분 슬라이딩 모드 제어(integral sliding mode control)를 이용하여 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 토대로 상기 무인 수상정(USV)과 상기 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어한다.
여기서, 상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 상기 제1 유체역학적 모델은, 상기 무인 수상정(USV)의 질량 계수, 상기 무인 수상정(USV)의 코리올리 힘(Coriolis force)과 원심력, 상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 외란 함수 및 상기 무인 수상정(USV)의 항력 행렬을 포함하는 식과 상기 제1 제어 신호 간의 관계를 나타내는 모델일 수 있다.
여기서, 상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 상기 제2 유체역학적 모델은, 상기 무인 수중정(UUV)의 질량 계수, 상기 무인 수중정(UUV)의 코리올리 힘(Coriolis force)과 원심력, 상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 외란 함수 및 상기 무인 수중정(UUV)의 항력 행렬을 포함하는 식과 상기 제2 제어 신호 간의 관계를 나타내는 모델일 수 있다.
여기서, 상기 프로세서는, 상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 추종 오차 벡터를 획득하고, 상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 추종 오차 벡터를 획득하며, 상기 제1 추종 오차 벡터를 이용하여 상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 슬라이딩 표면을 획득하고, 상기 제2 추종 오차 벡터를 이용하여 상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 슬라이딩 표면을 획득하며, 상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 상기 제1 유체역학적 모델, 상기 제1 슬라이딩 표면 및 상기 제1 제어 신호를 기반으로 상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 제어 게인(control gain)을 획득하고, 상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 상기 제2 유체역학적 모델, 상기 제2 슬라이딩 표면 및 상기 제2 제어 신호를 기반으로 상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 제어 게인을 획득하며, 상기 제1 제어 게인 및 상기 제2 제어 게인을 기반으로 상기 무인 수상정(USV)과 상기 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법 및 장치에 의하면, 실제 조류, 파도, 바람 등의 외란을 고려한 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)과 무인 수중정(unmanned underwater vehicle, UUV)의 동역학 모델링을 제작하고, 케이블의 장력을 고려하고 랜덤 노이즈(random noise) 기반 외란 함수를 적용한 무인 수상정(USV)과 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동 모델을 제공함으로써, 무인 수상정(USV)의 운용 안정성 확보 및 무인 해양 조사, 무인 정찰 등의 작업 성능을 높일 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌표 시스템을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 도 1에 도시한 자율 주행 연동 제어 장치의 세부 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법을 설명하기 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 랜덤 노이즈 기반 외란 함수의 일례를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 무인 수상정의 위치 xs 제어를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 무인 수상정의 각도 γs 제어를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 무인 수상정의 위치 ys 제어를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 무인 수중정의 깊이 zu 제어를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 무인 수중정의 각도 βu 제어를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 무인 수중정의 각도 γu 제어를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 무인 수상정과 무인 수중정의 이동 궤적을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예컨대, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 명세서에서 각 단계들에 있어 식별부호(예컨대, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 명세서에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예컨대, 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성 요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법 및 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 장치(이하, '자율 주행 연동 제어 장치'라 한다)(100)는 케이블로 서로 연결된 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)(200)과 무인 수중정(unmanned underwater vehicle, UUV)(300)의 자율 주행 연동을 제어할 수 있다.
즉, 자율 주행 연동 제어 장치(100)는 실제 조류, 파도, 바람 등의 외란을 고려한 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 동역학 모델링을 제작하고, 케이블의 장력을 고려하고 랜덤 노이즈(random noise) 기반 외란 함수를 적용한 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동 모델을 제공할 수 있다. 이를 위해, 자율 주행 연동 제어 장치(100)는 무인 수상정(200)으로부터 제공받은 각종 정보들과 무인 수중정(300)으로부터 케이블을 통해 제공받은 각종 정보들을 토대로 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동을 제어할 수 있다.
보다 자세히 설명하면, 무인 수상정(USV)(200)이 위치한 수표면의 조류와 무인 수중정(UUV)(300)이 위치한 수중의 조류는 다를수 있으므로, 예인을 할 때 케이블에 과도한 장력이 발생할 수 있다. 본 발명에 따른 자율 주행 연동 제어 장치(100)는 무인 수상정(USV)(200)의 진행 경로와 무인 수중정(UUV)(300)의 진행 경로 및 운동 상태를 실시간으로 추적하여, 무인 수중정(UUV)(300)이 조류 등의 외란을 극복하고 무인 수상정(USV)(200)의 경로를 추종할 수 있도록 할 수 있다. 즉, 자율 주행 연동 제어 장치(100)는 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300) 간의 작용, 반작용 및 조류 등으로 발생하는 힘에 의한 각각 플랫폼의 가속도와 유체 저항에 대한 운동 방정식 모델밍 및 제어를 수행할 수 있다.
여기서, 무인 수중정(UUV)(300)은 예인 케이블을 통해 무인 수상정(USV)(200)에게 예인될 수 있다. 무인 수상정(USV)(200)은 가속도 센서(도시하지 않음), GNSS 센서(도시하지 않음), 추력 장치(도시하지 않음) 등을 포함할 수 있다. 무인 수중정(UUV)은 가속도 센서(도시하지 않음), 추력 장치(도시하지 않음) 등을 포함할 수 있다. 케이블은 신호가 전송되는 라인과 전원이 공급되는 라인을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 자율 주행 연동 제어 장치(100)가 무인 수상정(USV)(200) 내에 탑재되어, 케이블로 서로 연결된 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동을 제어하는 것으로 도 1에 도시하였으나, 실시예에 따라 본 발명에 따른 자율 주행 연동 제어 장치(100)는 무인 수중정(UUV)(300) 내에 탑재되어 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동을 제어할 수도 있다.
그리고, 본 발명에 따른 식이나 변수의 아래 첨자 's'는 무인 수상정(USV)(200)에 대한 식이나 변수를 나타내며, 아래 첨자 'u'는 무인 수중정(UUV)(300)에 대한 식이나 변수를 나타낸다.
그러면, 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌표 시스템에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 좌표 시스템을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 통합 시스템의 동역학 모델을 위한 좌표 시스템(coordinate system)에 사용된 좌표계들은 아래와 같다.
- R0(O0 x0 y0 z0) ≡ Rg(Og xg yg zg) : 글로벌 관성 좌표계
- R1(O1 x1 y1 z1) : R0(O0 x0 y0 z0)을 x축에 따라 -xs만큼 이동시킨 좌표계
- R2(O2 x2 y2 z2) : R1(O1 x1 y1 z1)을 y축에 따라 ys만큼 이동시킨 좌표계
- R3(O3 x3 y3 z3) : R2(O2 x2 y2 z2)을 z축을 중심으로 반시계 방향으로 γs만큼 회전시킨 좌표계
- R4(O4 x4 y4 z4) : R3(O3 x3 y3 z3)을 y축을 중심으로 반시계 방향으로 βs만큼 회전시킨 좌표계
- R5(O5 x5 y5 z5) : R4(O4 x4 y4 z4)을 x축을 중심으로 반시계 방향으로 αs만큼 회전시킨 좌표계이며, 무인 수상정(USV)(200)의 중심에 위치한 로컬 좌표계
- R6(O6 x6 y6 z6) : R5(O5 x5 y5 z5)을 예인 케이블과 무인 수중정(UUV)(300)의 연결점으로 이동시킨 좌표계
- R7(O7 x7 y7 z7) : R6(O6 x6 y6 z6)을 z축을 중심으로 반시계 방향으로 γu만큼 회전시킨 좌표계
- R8(O8 x8 y8 z8) : R7(O7 x7 y7 z7)을 y축을 중심으로 반시계 방향으로 βu만큼 회전시킨 좌표계
- R9(O9 x9 y9 z9) : R8(O8 x8 y8 z8)을 x축을 중심으로 반시계 방향으로 αu만큼 회전시킨 좌표계이며, 무인 수중정(UUV)(300)의 중심에 위치한 로컬 좌표계
그리고, 좌표계의 변환 행렬(transformation matrix)은 아래의 [수학식 1] 내지 [수학식 9]와 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
여기서, 위의 [수학식 1] 내지 [수학식 9]의 Ri-j는 좌표계 Ri에서 좌표계 Rj로의 변환 행렬을 나타낸다.
그리고, 연결점 O6은 구형 표면(Oca, Lca)에 속하며, Oca는 무인 수상정(USV)(200)의 케이블 연결점이고, Lca는 케이블의 길이이다.
그리고, γv는 무인 수상정(USV)(200)의 주행 방향이고, Lsm은 무인 수상정(USV)(200)에 케이블이 연결된 지점과 무인 수상정(USV)(200)의 질량 중심 간의 거리이다.
또한, 좌표계의 회전 행렬(rotation matrix)은 아래의 [수학식 10] 내지 [수학식 15]와 같다.
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
Figure pat00015
여기서, 위의 [수학식 10] 내지 [수학식 15]의 Rij는 좌표계 Ri에서 좌표계 Rj로의 회전 행렬을 나타낸다.
또한, 무인 수상정(USV)(200)의 회전 행렬은 아래의 [수학식 16]과 같다. 무인 수중정(UUV)(300)의 회전 행렬도 유사한 계산 과정을 통해 획득될 수 있다.
Figure pat00016
한편, 본 발명에 따른 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동 모델은 아래와 같은 가정을 기반으로 획득될 수 있다.
- 케이블은 무인 수상정(USV)(200)의 대칭면에 위치함.
- 연결점 O6은 무인 수중정(UUV)(300)의 질량 중심과 대략 일치함.
- 무인 수상정(USV)(200)의 롤링(rolling) 및 피칭(pitching) 모션은 충분히 작음.
- 수면은 평평함.
그러면, 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 장치에 대하여 보다 자세히 설명한다.
도 3은 도 1에 도시한 자율 주행 연동 제어 장치의 세부 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 자율 주행 연동 제어 장치(100)는 하나 이상의 프로세서(110), 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130) 및 통신 버스(150)를 포함할 수 있다.
프로세서(110)는 자율 주행 연동 제어 장치(100)가 동작하도록 제어할 수 있다. 예컨대, 프로세서(110)는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)에 저장된 하나 이상의 프로그램(131)을 실행할 수 있다. 하나 이상의 프로그램(131)은 하나 이상의 컴퓨터 실행 가능 명령어를 포함할 수 있으며, 컴퓨터 실행 가능 명령어는 프로세서(110)에 의해 실행되는 경우 자율 주행 연동 제어 장치(100)로 하여금 케이블로 서로 연결된 무인 수상정(USV)과 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어하기 위한 동작을 수행하도록 구성될 수 있다.
컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)는 케이블로 서로 연결된 무인 수상정(USV)과 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어하기 위한 컴퓨터 실행 가능 명령어 내지 프로그램 코드, 프로그램 데이터 및/또는 다른 적합한 형태의 정보를 저장하도록 구성된다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)에 저장된 프로그램(131)은 프로세서(110)에 의해 실행 가능한 명령어의 집합을 포함한다. 일 실시예에서, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)는 메모리(랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 또는 이들의 적절한 조합), 하나 이상의 자기 디스크 저장 디바이스들, 광학 디스크 저장 디바이스들, 플래시 메모리 디바이스들, 그 밖에 자율 주행 연동 제어 장치(100)에 의해 액세스되고 원하는 정보를 저장할 수 있는 다른 형태의 저장 매체, 또는 이들의 적합한 조합일 수 있다.
통신 버스(150)는 프로세서(110), 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(130)를 포함하여 자율 주행 연동 제어 장치(100)의 다른 다양한 컴포넌트들을 상호 연결한다.
자율 주행 연동 제어 장치(100)는 또한 하나 이상의 입출력 장치를 위한 인터페이스를 제공하는 하나 이상의 입출력 인터페이스(170) 및 하나 이상의 통신 인터페이스(190)를 포함할 수 있다. 입출력 인터페이스(170) 및 통신 인터페이스(190)는 통신 버스(150)에 연결된다. 입출력 장치(도시하지 않음)는 입출력 인터페이스(170)를 통해 자율 주행 연동 제어 장치(100)의 다른 컴포넌트들에 연결될 수 있다.
그러면, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법을 설명하기 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 자율 주행 연동 제어 장치(100)의 프로세서(110)는 무인 수상정(USV)(200)에 대한 제1 제어 신호를 획득할 수 있다(S110).
그런 다음, 프로세서(110)는 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 제어 신호를 획득할 수 있다(S120).
이후, 프로세서(110)는 무인 수상정(USV)(200)에 대응되는 제1 유체역학적 모델 및 무인 수중정(UUV)에 대응되는 제2 유체역학적 모델을 기반으로, 적분 슬라이딩 모드 제어(integral sliding mode control)를 이용하여 제1 제어 신호 및 제2 제어 신호를 토대로 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동을 제어할 수 있다(S130).
본 발명에 따른 무인 수상정(USV)(200)에 대응되는 제1 유체역학적 모델과, 무인 수중정(UUV)에 대응되는 제2 유체역학적 모델에 대해 각각 설명한 다음, 적분 슬라이딩 모드 제어를 이용하여 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동을 제어하는 동작에 대해 자세하게 설명한다.
무인 수상정(USV)의 제1 유체역학적 모델
무인 수상정(USV)(200)에 대응되는 제1 유체역학적 모델은 무인 수상정(USV)(200)의 질량 계수, 무인 수상정(USV)(200)의 코리올리 힘(Coriolis force)과 원심력, 무인 수상정(USV)(200)에 대응되는 외란 함수 및 무인 수상정(USV)(200)의 항력 행렬을 포함하는 식과 제1 제어 신호 간의 관계를 나타내는 모델일 수 있다.
즉, 무인 수상정(USV)(200)의 제1 유체역학적 모델은 아래의 [수학식 17] 내지 [수학식 23]과 같다.
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022
Figure pat00023
여기서, Ms는 무인 수상정(USV)(200)의 질량 계수를 나타낸다.
Figure pat00024
는 무인 수상정(USV)(200)의 코리올리 힘(Coriolis force)과 원심력을 나타낸다. ΦDs(t)는 무인 수상정(USV)(200)에 대응되는 외란 함수, 즉 무인 수상정(USV)(200)에 적용되는 시간에 따라 변하는 외란 함수를 나타낸다. Gs(t)는 무인 수상정(USV)(200)의 항력 행렬을 나타낸다. ΨTs(t)는 무인 수상정(USV)(200)에 대한 제1 제어 신호, 즉 제어 입력값을 나타낸다.
그리고, Ts1과 Ts2는 무인 수상정(USV)(200)의 좌/우 추력 장치에 의하여 발생한 힘을 나타낸다. 축 O4x4를 통과하는 선과 Ts1 및 Ts2의 각도는 각각 γT1 및 γT2이다. RR은 회전 반경을 나타낸다. Jsz는 무인 수상정(USV)(200)의 관성 모멘트를 나타낸다. bsj는 무인 수상정(USV)(200)의 좌/우 추력 장치 사이 거리의 절반을 나타낸다. Tcnx(t)와 Tcny(t)는 바람과 파도에 의해 생성된 외력의 함수를 나타낸다. bsx, bsy 및 bsγ는 무인 수상정(USV)(200)의 감쇠 계수를 나타낸다. Tca는 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 연결 케이블의 장력을 나타낸다. 케이블과 O5y5축 및 O5x5축의 각도는 각각 βca 및 αca이다. FDuz(t), FDuβ(t) 및 FDuγ(t)는 압력과 표면 저항으로 이루어진 항력에 대한 함수를 나타낸다.
무인 수중정(UUV)의 제2 유체역학적 모델
무인 수중정(UUV)(300)에 대응되는 제2 유체역학적 모델은 무인 수중정(UUV)(300)의 질량 계수, 무인 수중정(UUV)(300)의 코리올리 힘(Coriolis force)과 원심력, 무인 수중정(UUV)(300)에 대응되는 외란 함수 및 무인 수중정(UUV)(300)의 항력 행렬을 포함하는 식과 제2 제어 신호 간의 관계를 나타내는 모델일 수 있다.
즉, 무인 수중정(UUV)(300)의 제2 유체역학적 모델은 아래의 [수학식 24] 내지 [수학식 30]과 같다.
Figure pat00025
Figure pat00026
Figure pat00027
Figure pat00028
Figure pat00029
Figure pat00030
Figure pat00031
여기서, Mu는 무인 수중정(UUV)(300)의 질량 계수를 나타낸다.
Figure pat00032
는 무인 수중정(UUV)(300)의 코리올리 힘(Coriolis force)과 원심력을 나타낸다. ΦDu(t)는 무인 수중정(UUV)(300)에 대응되는 외란 함수, 즉 무인 수중정(UUV)(300)에 적용되는 시간에 따라 변하는 외란 함수를 나타낸다. Gu(t)는 무인 수중정(UUV)(300)의 항력 행렬을 나타낸다. ΨTu(t)는 무인 수중정(UUV)(300)에 대한 제2 제어 신호, 즉 제어 입력값을 나타낸다.
그리고, Tu1, Tu2, Tu3, Tu4는 무인 수중정(UUV)(300)의 추력 장치에 의해 생성된 힘을 나타낸다. Juy 및 Juz는 무인 수중정(UUV)(300)의 관성 모멘트를 나타낸다. buz, buβ 및 buγ는 무인 수중정(UUV)(300)의 감쇠 계수를 나타낸다.
무인 수상정(USV)과 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동 제어
프로세서(110)는 무인 수상정(USV)(200)에 대응되는 제1 유체역학적 모델 및 무인 수중정(UUV)에 대응되는 제2 유체역학적 모델을 기반으로, 적분 슬라이딩 모드 제어를 이용하여 제1 제어 신호 및 제2 제어 신호를 토대로 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동을 제어할 수 있다.
즉, 프로세서(110)는 추종 오차 벡터를 획득할 수 있다. 즉, 프로세서(110)는 무인 수상정(USV)(200)에 대한 제1 추종 오차 벡터를 아래의 [수학식 31]을 통해 획득할 수 있다. 그리고, 프로세서(110)는 무인 수중정(UUV)(300)에 대한 제2 추종 오차 벡터를 아래의 [수학식 32]를 통해 획득할 수 있다.
Figure pat00033
여기서,
Figure pat00034
는 무인 수상정(USV)(200)의 제1 추종 오차 벡터를 나타낸다. xssT는 xss의 목표값을 나타낸다.
Figure pat00035
여기서,
Figure pat00036
는 무인 수중정(UUV)(300)의 제2 추종 오차 벡터를 나타낸다. xsuT는 xsu의 목표값을 나타낸다.
그런 다음, 프로세서(110)는 추종 오차 벡터를 이용하여 슬라이딩 표면(sliding surface)을 획득할 수 있다. 즉, 프로세서(110)는 제1 추종 오차 벡터를 이용하여 무인 수상정(USV)(200)에 대한 제1 슬라이딩 표면을 아래의 [수학식 33]을 통해 획득할 수 있다. 그리고, 프로세서(110)는 제2 추종 오차 벡터를 이용하여 무인 수중정(UUV)(300)에 대한 제2 슬라이딩 표면을 아래의 [수학식 36]을 통해 획득할 수 있다.
Figure pat00037
여기서, ξs(t)는 무인 수상정(USV)(200)의 제1 슬라이딩 표면을 나타낸다. μ1s 및 μ2s는 각각 아래의 [수학식 34] 및 [수학식 35]와 같다.
Figure pat00038
Figure pat00039
위의 [수학식 34] 및 [수학식 35]에서, μ1s 및 μ2s는 각 양의 요소로 구성된다.
Figure pat00040
여기서, ξu(t)는 무인 수중정(UUV)(300)의 제2 슬라이딩 표면을 나타낸다. μ1u 및 μ2u는 각각 아래의 [수학식 37] 및 [수학식 38]과 같다.
Figure pat00041
Figure pat00042
위의 [수학식 37] 및 [수학식 38]에서, μ1u 및 μ2u는 각 양의 요소로 구성된다.
그런 다음, 프로세서(110)는 제어 게인(control gain)을 획득할 수 있다. 즉, 프로세서(110)는 무인 수상정(USV)(200)에 대응되는 제1 유체역학적 모델, 제1 슬라이딩 표면 및 제1 제어 신호를 기반으로 무인 수상정(USV)(200)에 대한 제1 제어 게인을 획득할 수 있다. 그리고, 프로세서(110)는 무인 수중정(UUV)(300)에 대응되는 제2 유체역학적 모델, 제2 슬라이딩 표면 및 제2 제어 신호를 기반으로 무인 수중정(UUV)(300)에 대한 제2 제어 게인을 획득할 수 있다.
즉, 동역학적 모델에서, 무인 수상정(USV)(200)에 대한 제1 제어 신호는 아래의 [수학식 39]와 같고, 무인 수중정(UUV)(300)에 대한 제2 제어 신호는 아래의 [수학식 42]와 같다.
Figure pat00043
여기서, ΨTs는 무인 수상정(USV)(200)에 대한 제1 제어 신호, 즉 무인 수상정(USV)(200)의 제어 입력값을 나타낸다. λ1s 및 λ2s는 각각 아래의 [수학식 40] 및 [수학식 41]과 같다.
Figure pat00044
Figure pat00045
위의 [수학식 40] 및 [수학식 41]에서, λ1s 및 λ2s는 각 양의 요소로 구성된다.
Figure pat00046
여기서, ΨTu는 무인 수중정(UUV)(300)에 대한 제2 제어 신호, 즉 무인 수중정(UUV)(300)의 제어 입력값을 나타낸다. λ1u 및 λ2u는 각각 아래의 [수학식 43] 및 [수학식 44]과 같다.
Figure pat00047
Figure pat00048
위의 [수학식 43] 및 [수학식 44]에서, λ1u 및 λ2u는 각 양의 요소로 구성된다.
그리고, 무인 수상정(USV)(200)의 제1 제어 게인은 아래의 [수학식 45]와 같고, 무인 수중정(UUV)(300)의 제2 제어 게인은 아래의 [수학식 46]과 같다.
Figure pat00049
여기서, λ2Ds는 무인 수상정(USV)(200)의 제1 제어 게인을 나타낸다.
Figure pat00050
여기서, λ2Du는 무인 수중정(UUV)(300)의 제2 제어 게인을 나타낸다.
그런 다음, 프로세서(110)는 제1 제어 게인 및 제2 제어 게인을 기반으로 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동을 제어할 수 있다.
즉, 프로세서(110)는 무인 수상정(USV)(200)에 대응되는 외란 함수의 경계보다 제1 제어 게인이 크고, 무인 수중정(UUV)(300)에 대응되는 외란 함수의 경계보다 제2 제어 게인이 크게 되도록 하여, 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동을 제어할 수 있다.
예컨대,
Figure pat00051
가 무인 수상정(USV)(200)에 대응되는 외란 함수 ΦDs(t)의 경계이고,
Figure pat00052
가 무인 수중정(UUV)(300)에 대응되는 외란 함수 ΦDu(t)의 경계일 때, 무인 수상정(USV)(200)의 제1 제어 게인 λ2Ds이
Figure pat00053
보다 크고 무인 수중정(UUV)(300)의 제2 제어 게인 λ2Du이
Figure pat00054
보다 크면, 무인 수상정(USV)(200)의 제1 슬라이딩 표면 ξs(t) 및 무인 수중정(UUV)(300)의 제2 슬라이딩 표면 ξu(t)은 점근적으로 안정적이며, 추적 오차는 0에 수렴하게 된다.
그러면, 도 6 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 랜덤 노이즈 기반 외란 함수의 일례를 나타내고, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 무인 수상정의 위치 xs 제어를 나타내며, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 무인 수상정의 각도 γs 제어를 나타내고, 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 무인 수상정의 위치 ys 제어를 나타내며, 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 무인 수중정의 깊이 zu 제어를 나타내고, 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 무인 수중정의 각도 βu 제어를 나타내며, 도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 무인 수중정의 각도 γu 제어를 나타내고, 도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능 실험 결과를 설명하기 위한 도면으로, 무인 수상정과 무인 수중정의 이동 궤적을 나타낸다.
본 발명에 따른 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동 제어 동작의 성능을 실험하기 위해, 아래와 같은 실험 조건 하에서 시뮬레이션을 수행하였다.
- 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)은 별도로 제어됨.
- 무인 수상정(USV)(200)은 일정한 속도로 주행하며, 무인 수중정(UUV)(300)은 정지된 상태로 대기하다가 시뮬레이션 시작과 동시에 주행을 시작함.
- 도 6에 도시된 랜덤 노이즈 기반 외란 함수가 적용됨.
실험 결과, 스텝 입력(step input)에 대한 본 발명에 따른 자율 주행 연동 제어 장치(100)의 제어 성능은 도 7 내지 도 12에 도시된 바와 같다. 그리고, 무인 수상정(USV)(200)의 궤적에 대한 무인 수중정(UUV)(300)의 추적 성능은 도 13에 도시된 바와 같다.
본 발명에 따른 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동 제어 동작은 국방 분야, 무인 선박 분야 등 다양한 분야에서 활용될 수 있으며, 기뢰 탐지 분야에 활용되는 예시는 아래와 같다.
실제 전장에서 위험 수역에 대한 아군의 안전을 확보하기 위해 기뢰 탐지 등의 수중 정찰 작전을 수행하기 위하여 본 발명에 따른 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동 제어 장치(100)를 사용할 수 있다. 무인 수상정(USV)(200)의 항속 거리와 적재 용량이 무인 수중정(UUV)(300)보다 월등하기 때문에, 수중 정찰 목표 대상 수역에 도착할 때까지는 무인 수중정(UUV)(300)을 무인 수상정(USV)(200)에 적재하여 이동할 수 있다.
- STEP 1 : 수중 정찰 목표 수역에 도착
무인 수중정(UUV)(300)을 진수한다.
- STEP 2-1 : 수중 정찰(범위형)
무인 수상정(USV)(200)은 정박한 상태로, 무인 수중정(UUV)(300)이 무인 수상정(USV)(200)의 주변 해역 수중을 정찰한다.
- STEP 2-2 : 수중 정찰(직선형)
무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)이 일정 경로를 따라 이동하면서, 무인 수중정(UUV)(300)이 수중을 정찰한다. 이때, 조류 등의 외란으로 인해 연결 케이블에 과도한 장력이 가해지는 것을 방지하고, 무인 수중정(UUV)(300)의 주행 경로를 유지하기 위해, 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동 제어를 실시할 수 있다.
- STEP 3 : 수중 정찰 해역 변경
무인 수중정(UUV)(300)이 목표로 한 수역의 수중 정찰을 완료하면, 다음 수역으로 이동하기 위해, 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)이 동시에 이동할 수 있다. 이때, 조류 등의 외란으로 인해 연결 케이블에 과도한 장력이 가해지는 것을 방지하기 위해, 무인 수상정(USV)(200)과 무인 수중정(UUV)(300)의 자율 주행 연동 제어를 실시할 수 있다.
본 실시예들에 따른 동작은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 실행을 위해 프로세서에 명령어를 제공하는데 참여한 임의의 매체를 나타낸다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예컨대, 자기 매체, 광기록 매체, 메모리 등이 있을 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드, 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 자율 주행 연동 제어 장치,
110 : 프로세서,
130 : 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체,
131 : 프로그램,
150 : 통신 버스,
170 : 입출력 인터페이스,
190 : 통신 인터페이스,
200 : 무인 수상정,
300 : 무인 수중정

Claims (10)

  1. 케이블로 서로 연결된 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)과 무인 수중정(unmanned underwater vehicle, UUV)의 자율 주행 연동을 제어하는 방법으로서,
    상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 제어 신호를 획득하는 단계;
    상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 제어 신호를 획득하는 단계; 및
    상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 제1 유체역학적 모델 및 상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 제2 유체역학적 모델을 기반으로, 적분 슬라이딩 모드 제어(integral sliding mode control)를 이용하여 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 토대로 상기 무인 수상정(USV)과 상기 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어하는 단계;
    를 포함하는 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 상기 제1 유체역학적 모델은,
    상기 무인 수상정(USV)의 질량 계수, 상기 무인 수상정(USV)의 코리올리 힘(Coriolis force)과 원심력, 상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 외란 함수 및 상기 무인 수상정(USV)의 항력 행렬을 포함하는 식과 상기 제1 제어 신호 간의 관계를 나타내는 모델인,
    무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 상기 제2 유체역학적 모델은,
    상기 무인 수중정(UUV)의 질량 계수, 상기 무인 수중정(UUV)의 코리올리 힘(Coriolis force)과 원심력, 상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 외란 함수 및 상기 무인 수중정(UUV)의 항력 행렬을 포함하는 식과 상기 제2 제어 신호 간의 관계를 나타내는 모델인,
    무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 자율 주행 연동 제어 단계는,
    상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 추종 오차 벡터를 획득하고,
    상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 추종 오차 벡터를 획득하며,
    상기 제1 추종 오차 벡터를 이용하여 상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 슬라이딩 표면을 획득하고,
    상기 제2 추종 오차 벡터를 이용하여 상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 슬라이딩 표면을 획득하며,
    상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 상기 제1 유체역학적 모델, 상기 제1 슬라이딩 표면 및 상기 제1 제어 신호를 기반으로 상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 제어 게인(control gain)을 획득하고,
    상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 상기 제2 유체역학적 모델, 상기 제2 슬라이딩 표면 및 상기 제2 제어 신호를 기반으로 상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 제어 게인을 획득하며,
    상기 제1 제어 게인 및 상기 제2 제어 게인을 기반으로 상기 무인 수상정(USV)과 상기 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어하는 것으로 이루어지는,
    무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 자율 주행 연동 제어 단계는,
    상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 외란 함수의 경계보다 상기 제1 제어 게인이 크고, 상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 외란 함수의 경계보다 상기 제2 제어 게인이 크게 되도록 하여, 상기 무인 수상정(USV)과 상기 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어하는 것으로 이루어지는,
    무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  7. 케이블로 서로 연결된 무인 수상정(unmanned surface vehicle, USV)과 무인 수중정(unmanned underwater vehicle, UUV)의 자율 주행 연동을 제어하는 자율 주행 연동 제어 장치로서,
    상기 무인 수상정(USV)과 상기 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어하기 위한 하나 이상의 프로그램을 저장하는 메모리; 및
    상기 메모리에 저장된 상기 하나 이상의 프로그램에 따라 상기 무인 수상정(USV)과 상기 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어하기 위한 동작을 수행하는 하나 이상의 프로세서;
    를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 제어 신호를 획득하고,
    상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 제어 신호를 획득하며,
    상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 제1 유체역학적 모델 및 상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 제2 유체역학적 모델을 기반으로, 적분 슬라이딩 모드 제어(integral sliding mode control)를 이용하여 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 토대로 상기 무인 수상정(USV)과 상기 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어하는,
    무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 상기 제1 유체역학적 모델은,
    상기 무인 수상정(USV)의 질량 계수, 상기 무인 수상정(USV)의 코리올리 힘(Coriolis force)과 원심력, 상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 외란 함수 및 상기 무인 수상정(USV)의 항력 행렬을 포함하는 식과 상기 제1 제어 신호 간의 관계를 나타내는 모델인,
    무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 장치.
  9. 제7항에서,
    상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 상기 제2 유체역학적 모델은,
    상기 무인 수중정(UUV)의 질량 계수, 상기 무인 수중정(UUV)의 코리올리 힘(Coriolis force)과 원심력, 상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 외란 함수 및 상기 무인 수중정(UUV)의 항력 행렬을 포함하는 식과 상기 제2 제어 신호 간의 관계를 나타내는 모델인,
    무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 장치.
  10. 제7항에서,
    상기 프로세서는,
    상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 추종 오차 벡터를 획득하고,
    상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 추종 오차 벡터를 획득하며,
    상기 제1 추종 오차 벡터를 이용하여 상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 슬라이딩 표면을 획득하고,
    상기 제2 추종 오차 벡터를 이용하여 상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 슬라이딩 표면을 획득하며,
    상기 무인 수상정(USV)에 대응되는 상기 제1 유체역학적 모델, 상기 제1 슬라이딩 표면 및 상기 제1 제어 신호를 기반으로 상기 무인 수상정(USV)에 대한 제1 제어 게인(control gain)을 획득하고,
    상기 무인 수중정(UUV)에 대응되는 상기 제2 유체역학적 모델, 상기 제2 슬라이딩 표면 및 상기 제2 제어 신호를 기반으로 상기 무인 수중정(UUV)에 대한 제2 제어 게인을 획득하며,
    상기 제1 제어 게인 및 상기 제2 제어 게인을 기반으로 상기 무인 수상정(USV)과 상기 무인 수중정(UUV)의 자율 주행 연동을 제어하는,
    무인 수상정과 무인 수중정의 자율 주행 연동 제어 장치.
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