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수중 무인잠수정-매니퓰레이터 시스템의 동적 안정성 향상을 위한 여유자유도 해석 및 강인제어기 설계

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dc.contributor.author 김동희 -
dc.date.accessioned 2017-02-22T06:25:56Z -
dc.date.available 2017-02-22T06:25:56Z -
dc.date.issued 2016 -
dc.date.submitted 57097-01-20 -
dc.identifier.uri http://kmou.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000002235737 ko_KR
dc.identifier.uri http://repository.kmou.ac.kr/handle/2014.oak/9527 -
dc.description.abstract An Underwater Vehicle-Manipulator System(UVMS) can be applied to diverse underwater works such as a construction, inspection and maintenance for ocean structures. It can be also used to pick up and carry an object using a underwater-manipulator for autonomous manipulation in the water. Remotely Operated Vehicles(ROV), which are physically linked with a surface ship through a tether cable, are mostly utilized as a vehicle platform of the UVMS. However, it is difficult to operate a ROV among complicate structures due to a tether cable. They also have some disadvantages that it is hard to actively cope with an environment change such as ocean currents. Autonomous Underwater Vehicles(AUV) that can carry out various works actively and autonomously are considered to overcome some problems of the ROV and used as the vehicle platform of UVMS in this study. A hovering-type AUV equipped with multiple thrusters should maintain the specified position and orientation in order to perform given tasks. This system is usually called Dynamic Positioning(DP) system. Besides, the simple control allocation algorithm based on a scaling factor is presented in this study. Moreover, it is necessary for the robust control algorithm to conduct successfully given missions in spite of a model uncertainty and a disturbance. In this paper, the robust DP control algorithm based on a sliding mode theory is addressed to guarantee the stability and better performance despite the model uncertainty and disturbance. Next, if the trajectory of the vehicle is not given in advance, the whole system has a redundancy and it has an infinite number of solution in an inverse kinematics to satisfy the given trajectory of an end-effector. Therefore, when some specified tasks are performed, the redundancy resolution is introduced to determine the desired joint trajectories of the manipulator. The redundant vehicle-manipulator system can have various combinations of joint velocities that do not affect the given velocity profile of an end-effect and this may induce a self-motion of a vehicle. The performance index based on the concept of Zero Moment Point(ZMP) is proposed to enhance the dynamic stability of the whole system. In order to generate the joint angle trajectories of the manipulator, a redundancy resolution is performed to minimize the distance between the position of ZMP and the mass center of the underwater vehicle. Finally, a series of simulations and experiments are conducted to verify the availability of the generated trajectories and performance of the designed robust controller. -
dc.description.tableofcontents 목 차 List of Tables v List of Figures vi Abstract ix 제 1 장 서 론 1.1 연구배경 1 1.1.1 무인잠수정 4 원격조종 무인잠수정(ROV) 4 자율주행 무인잠수정(AUV) 7 수중 무인잠수정-매니퓰레이터 시스템(UVMS) 9 1.2 연구목표 11 1.3 논문구성 12 제 2 장 무인잠수정의 동역학 모델 2.1 좌표계(Coordinate System) 15 2.2 기구학(Kinematics) 16 2.3 동역학(Kinetics) 18 2.3.1 강체 동역학(Rigid Body Dynamics) 18 2.3.2 유체력(Hydrodynamic Forces and Moments) 21 부가질량에 의한 유체력(Added mass and inertia) 21 유체-코리올리력(Hydrodynamic Coriolis) 22 유체감쇠력(Hydrodynamic damping) 22 복원력 및 모멘트(Restoring forces and moments) 23 2.3.3 추진기 모델링 및 제어력 분배 24 추진기 모델링(Thruster modeling) 25 제어력 분배(Control allocation) 25 2.3.4 운동방정식(Equations of Motion) 27 조류 모델(Ocean currents model) 28 조류를 포함한 운동방정식 30 제 3 장 무인잠수정의 동적위치유지 시스템 3.1 제어력분배 알고리즘(Control Allocation Algorithm) 33 3.2 운동제어기 설계(Motion Controller Design) 36 3.2.1 구동기포화를 고려한 제어입력 결정법 36 3.2.2 슬라이딩모드 이론을 적용한 운동제어기 37 시스템 동역학 모델(System dynamic model) 38 도달 상태(Reaching phase) 39 슬라이딩 상태(Sliding phase) 44 3.3 동적위치유지 시스템에 대한 시뮬레이션 46 3.3.1 수평면에서 일정 위치 및 자세 유지 시뮬레이션 46 3.3.2 목표 궤적 추종 시뮬레이션 49 수평면에서의 궤적 추종 제어 49 수평면에서의 경유점 제어 52 수중에서의 목표 궤적 추종 52 3.4 동적위치유지 시스템에 대한 실험 61 3.4.1 플랫폼 설계 및 제작 61 기구부 62 제어부 및 운용프로그램 63 센서부 65 전원부 및 모터드라이버 70 통신부 72 3.4.2 동적위치유지 제어 수조실험 결과 76 실험 환경 76 방향각제어 및 수심제어 실험 77 수평면에서의 동적위치유지제어 실험 80 제 4 장 수중 무인잠수정-매니퓰레이터 시스템 4.1 수중 무인잠수정-매니퓰레이터 시스템의 동역학 모델링 85 4.1.1 무인잠수정의 운동방정식 86 4.1.2 수중 매니퓰레이터 시스템의 운동방정식 87 4.1.3 수중 무인잠수정-매니퓰레이터 시스템의 운동방정식 89 4.2 여유자유도 해석을 통한 궤적 생성 91 4.2.1 매니퓰레이터의 관절각도 궤적 생성 92 4.2.2 여유자유도 해석 94 수중 시스템에 대한 ZMP의 적용 94 성능지수 결정 및 여유자유도 해석 95 4.3 수중 무인잠수정-매니퓰레이터 시스템의 시뮬레이션 100 제 5 장 결 론 109 부 록 110 A-1. 운동방정식의 시스템행렬 특성 110 A-2. ZMP(Zero Moment Point) 112 A-3. 유체력계수 114 참고문헌 115 -
dc.language kor -
dc.publisher 한국해양대학교 대학원 -
dc.title 수중 무인잠수정-매니퓰레이터 시스템의 동적 안정성 향상을 위한 여유자유도 해석 및 강인제어기 설계 -
dc.type Thesis -
dc.date.awarded 2016-02 -
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기계공학과 > Thesis
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