몰수체의 안전운항영역 보호시스템 설계

Abstract

안전운항영역은 운동체가 안전하게 운항할 수 있는 영역을 의미하고 항공기나 몰수체 등의 다양한 운동체에 대하여 적용 가능한 개념이다. 몰수체의 경우 안전운항영역은 속도, 심도, 종동요각에 의해서 정의된다. 심도가 깊어질수록 증가하는 수압으로 인하여 발생할 수 있는 선체의 손상을 방지하기 위한 최대잠항심도가 설정되고, 수면 근처에서 운항하는 경우 파 강제력 및 흡입력으로 인해 선체가 수면위로 끌리는 것을 방지하기 위하여 최소운항심도가 속도 별로 설정된다. 과도한 종동요각으로 인해 추진계통이 손상을 받게 되거나 다른 예기치 못한 손상을 입을 가능성이 있으므로 이를 방지하기 위해 종동요각 제한이 설정된다. 운항영역 보호시스템은 운동체 고유의 운항영역 내에서 자유롭게 운항할 수 있도록 하는 시스템으로, 항공분야에서 속도나 로터허브(rotor hub)모멘트와 같은 제한변수가 설정된 한계를 넘지 않도록 하기 위해 개발되었다. 운항영역 보호시스템은 보수적으로 접근할 수 밖에 없는 운항영역의 경계를 넘지 않도록 보장함으로써 운항사고를 줄일 수 있고, 영역의 경계를 충분히 활용한 효율적인 임무수행을 가능하게 한다. 또한 제한되어야 하는 상태들을 모니터링 하고 제어해야 하는 조종사의 업무부담을 경감시킬 수 있다. 본 논문은 몰수체의 조종 및 제어 문제에 최초로, 속도-심도-종동요각이 제한변수로 설정되는 안전운항영역을 벗어나지 않도록 자동제어하는 보호시스템을 설계하였다. 운항영역 보호시스템 설계에 앞서 몰수체의 6자유도 운동방정식 모델링, 유체력 미계수 도출, 대상 몰수체에 대한 안전운항영역 설정을 선행하였다. 운동방정식은 Gertler and Hagen 모형을 바탕으로 작성되었다. 안전운항영역 도출을 위한 시뮬레이션 상황인 긴급부상 및 긴급정지 상황을 모사하기 위해 추진기 및 주 부력탱크 블로잉에 대한 모델링을 수행하였다. 유체력 미계수를 도출하기 위해 저항시험, 사항시험, 평면운동장치시험, 원추형시험, 제어판 시험이 예인수조와 풍동시험동에서 수행되었고 각 시험의 결과와 해석방법에 대하여 설명하였다. 모델링 된 운동방정식을 바탕으로 몰수체 조종운동 시뮬레이션 프로그램이 작성되었다. 속도 별 긴급부상 및 긴급정지 시뮬레이션을 통하여 대상 몰수체에 대한 안전운항영역이 도출되었다. 운항영역 보호시스템은 한계예측과 한계회피의 2단계 과정으로 설계된다. 한계예측은 어떠한 제어입력을 주었을 때 제한변수의 미래의 반응을 예측하여 미래의 반응이 설정된 한계를 넘지 않도록 하는 제어입력한계를 추정하는 과정을 의미한다. 미래의 반응을 정확하게 예측하기 위한 이상적인 방법은 제한변수의 동역학을 모사하기 위한 근사모형을 완벽하게 모델링 하는 것이지만, 이는 현실적으로 불가능하기 때문에 본 논문에서는 실제 동역학과 근사모형간의 모델링오차를 보상하기 위한 인공신경망과 오차방정식을 안정화시키는 선형보상기를 이용하여 추정모형을 설계하였다. 몰수체 제한변수 동역학은 일정한 제어입력에 대하여 과도응답 없이 최대값을 정상상태에서 갖는다고 가정하고, 추정모형에 적응동적트림 알고리즘을 적용하여 제어입력한계를 산출하였다. 한계회피는 한계예측에서 계산된 제어입력한계를 초과하지 않도록 하는 과정을 의미하며, 입력제한 알고리즘 혹은 명령제한 알고리즘을 이용하여 설계할 수 있다. 입력제한 알고리즘은 한계예측에서 계산된 제어입력한계를 가상의 제한으로 간주하여 하위제어기에서 출력되는 제어입력이 제어입력한계를 넘지 않도록 하는 방법이다. 명령제한 알고리즘은 하위제어기와 몰수체의 동역학이 혼합된 시스템을 하나의 새로운 시스템으로 간주하고, 하위제어기에 들어가는 명령을 새로운 시스템의 제어입력으로 간주하고 그 명령을 제한하는 방식이다. 본 논문에서는 명령제한를 이용한 한계회피 알고리즘을 이용하여 제어입력이 한계예측 알고리즘을 통하여 계산된 제어입력한계를 넘지 않도록 제한하였다. 몰수체의 심도변경 및 가속 시뮬레이션에 설계된 운항영역 보호시스템을 적용시켜 그 성능을 확인하였다.