복잡한 해상환경에서의 다중 무인 수상선들의 커버리지 경로 계획 및 대형 제어 기법에 관한 연구 = A Numerical Study on Coverage Path Planning and Formation Control Techniques for Multiple Unmanned Surface Vehicles in Complex Marine Environments

국문 초록 (Abstract)

최근 무인 수상선(Unmanned Surface Vehicle, USV)이 해양 탐사, 환경 모니터링 등 다양한 분야에서 활용됨에 따라, 효과적인 탐사 경로를 생성하는 커버리지 경로 계획(Coverage Path Planning, CPP)의 중요성이 부각되고 있다. 특히 해양 환경에는 해류, 바람, 파도와 같은 환경 외란이 존재하기 때문에 이를 고려한 탐사 경로를 설계할 필요가 있다. 또한 다중 무인수상선을 활용한 협동 탐사를 수행할 경우, 이를 효과적으로 협동 제어하기 위한 대형 제어 기법을 설계할 필요가 있다. 이에 본 연구는 복잡한 해상환경에서 다중 무인수상선이 주어진 관심 영역을 효율적으로 탐사할 수 있도록 하는 커버리지 경로 계획 및 대형 제어 알고리즘을 설계하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 해류 환경에서 탐사 시간을 최소화하기 위한 커버리지 경로를 스윕 경로와 회전 경로 각각에 대하여 설계하였다. 운항 시간을 최소화하는 스윕 경로를 설계하기 위해 주어진 경로에 대한 운항 시간 예측 모델을 설계하였고 이를 통해 최소 운항 시간을 갖는 스윕 방향을 결정하였다. 그리고 해류 환경에서 안정적인 회전을 수행하기 위해 3자유도 동역학 모델에 해류의 영향을 반영하여 최적 제어 기반 회전 경로를 설계하였다. 또한 다중 무인수상선이 효율적으로 관심 영역을 탐사하기 위해 관심 영역의 형상에 따라 대형을 변형하는 유동적인 대형 제어 방법론을 제안하여 기존의 고정된 대형이 가지는 한계를 보완하고자 하였다. 제안된 두가지 방법론은 시뮬레이션을 통해 검증하였으며, 제안된 경로 계획 방법론은 기존의 정적 환경 기반의 방법론에 대비하여 최대 약 28.3%의 탐사 시간을 감소시켰다. 제안된 대형 제어 방법론은 고정된 대형 제어 방법론에 대비하여 불필요한 탐사율을 최대 4.8% 감소시켰고, 탐사 성공률을 1.8% 향상시켰다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 커버리지 경로 계획 방법론과 대형 제어 방법론이 환경 외란이 존재하는 해상 환경에서 다중 무인수상선의 효율적인 협동 탐사를 위해 활용될 수 있음을 알 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the increasing use of Unmanned Surface Vehicles (USVs) in applications such as marine exploration and environmental monitoring, the importance of efficient coverage path planning (CPP) has grown significantly. However, real marine environments include environmental disturbances such as ocean currents, winds, and waves, which must be considered in the coverage path planning. In addition, when performing cooperative exploration using multiple USVs, formation control strategies are required to coordinate the fleet effectively. This study aims to develop an algorithm that enables multiple USVs to perform efficient area coverage in complex marine environments. To this end, coverage paths are divided into sweep and turning segments and designed separately to minimize the overall exploration time under current conditions. For the sweep segments, instead of minimizing the number of turns as commonly used in previous studies, we determine the sweep direction by minimizing the Maneuver Time in Current (MTIC), which represents the total exploration time under ocean current. A simplified method is developed to estimate the MTIC by considering the effect of ocean currents on the vehicle's traversal along candidate sweep directions. For the turning segments, a turning path was planned through an optimal control approach that utilizes a 3DOF USV dynamic model incorporating current-induced disturbances. This approach enables stable and efficient maneuvering under ocean current condition. Furthermore, to overcome the limitations of fixed formations, a flexible formation control strategy is proposed, which dynamically adapts the USV formation based on the shape of the region of interest. The proposed coverage path planning and formation control methods are validated through simulation. The results show that the proposed coverage path planning method reduces exploration time by up to 28.3% compared to conventional methods based on static environments. In addition, the proposed formation control method reduces redundant coverage by up to 4.8% and improves the overall coverage rate by up to 1.8%. These results demonstrate that the proposed coverage path planning and formation control algorithms are effective in enabling efficient cooperative exploration by multiple USVs in real marine environments.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 선행 연구 2
• 1.3 연구 목표 및 연구 내용 5
• 제 2 장 대상 선박 및 동역학 모델 6
• 2.1 대상 선박 6
• 2.2 무인수상선의 동역학 모델 7
• 2.3 해류 효과를 포함한 동역학 모델 9
• 제 3 장 복잡한 해상환경에서의 커버리지 경로 계획 방법론 13
• 3.1 관심 영역의 최적 분해 및 방문 순서 결정 방법론 14
• 3.2 왕복형 커버리지 경로 계획 방법론 16
• 3.3 해류 환경을 고려한 최소 운항시간 기반 스윕 방향 설계 18
• 3.4 해류 환경을 고려한 최적 제어 기반 회전 경로 설계 28
• 제 4 장 경로 추종 및 협동 탐사를 위한 제어 방법론 44
• 4.1 비선형 모델 예측 제어 기반 경로 추종 제어 44
• 4.2 탐사 경로 추종을 위한 스위칭 로직 기반의 제어 구조 47
• 4.3 유동적인 대형 제어 기반 협동 탐사 방법론 52
• 제 5 장 커버리지 경로 계획 및 대형 제어 기법의 성능 검증 56
• 5.1 정적 환경에서 대형 제어 기반 협동 탐사 성능 검증 56
• 5.2 해류 환경에서 단일 탐사 기반 경로 계획 성능 검증 64
• 5.3 해류 환경에서 협동 탐사 기반 종합 성능 검증 78
• 제 6 장 결론 및 향후 연구 방향 83
• 6.1 결론 83
• 6.2 한계점 및 향후 연구 방향 85
• 참고 문헌 86
• Abstract 91