물고기 로봇의 종방향 모델 식별 및 제어기 설계 = Longitudinal Model Identification and Controller Design for a Fish Robot

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 생체모방 수중 로봇의 종방향 모드에 대한 실험 기반 제어 접근법을 제시한다. 비선형성과 불확실성이 존재하는 물고기 로봇의 제어 문제에 대응하기 위해, 서보 모터와 제어 핀을 포함한 로봇 본체를 단일 시스템으로 간주하고 실험적 입력-출력 데이터를 이용하여 서지 속도 와 피치 각도에 대한 선형 모델을 도출하였다. 이 모델을 기반으로 PID 제어기를 설계하고, 시뮬레이션 및 수조 실험을 통해 성능을 검증하였다. 공칭 서지 속도 0.2 m/s와 0.4 m/s에 대한 서지 속도 및 피치 각도 모델을 각각 식별하였다. 서지 속도 모델은 선형 모델과 실험 결과 간에 각각 75.25% 및 81.23%의 높은 일치도를 보였다. 한편, 피치 각도 모델은 공칭 서지 속도 0.2 m/s 와 0.4 m/s에서 각각 68.02% 과 34.24%의 상대적 낮은 일치도를 보였다. 서지 제어기의 이득여유와 위상여유는 공칭 서지 속도가 0.2 m/s 에서 각각 28.7 dB 및 116°, 0.4 m/s에서 37.2 dB 및 70.6°를 나타냈다. 피치 응답 모델의 경우, 공칭 서지 속도가 0.2 m/s 일 때 전달 함수의 저주파 이득은 −31 dB로 매우 미미하나, 0.4 m/s에서는 −8 dB로 증가하였다. 피치 초기값에 대한 응답은 시뮬레이션과 실험 모두에서 소규모 진동 후 0°로 수렴하는 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구에서 제시한 선형 모델 기반 제어 설계는 물고기 로봇의 서지 속도를 제어하고 피치 각도를 안정화할 수 있음을 보여준다.

This paper presents an experimental longitudinal mode control approach for a biomimetic underwater robot. Input–output models for surge velocity and pitch angle were derived through experiments, considering the fish robot body with servo motors and control pins as a single system to solve the problem of fish robots, which are complex and nonlinear, and also contain uncertainty. Closed-loop control systems were designed using PID controllers based on these models, and their performance was verified through simulations and experiments. Surge velocity and pitch angle response models were developed for nominal surge velocities of 0.2 m/s and 0.4 m/s. The surge velocity response models exhibited high agreement rates of 75.25% and 81.23% between the identified linear models and experimental results at 0.2 m/s and 0.4 m/s, respectively. In contrast, the pitch angle response model showed lower agreement rates of 68.02% and 34.24% between the identified linear model and experimental results at 0.2 m/s and 0.4 m/s, respectively. The gain margin and phase margin of the surge controller were 28.7 dB and 116°, and 37.2 dB and 70.6°, respectively. For the pitch response model, the low-frequency gain of the transfer function was very small at −31 dB when the nominal surge velocity was 0.2 m/s; this gain increased to −8 dB when the nominal surge velocity was increased to 0.4 m/s. It was observed that the initial value responses of the pitch angle converged to 0° with some oscillations in both the simulations and experiments. Therefore, it is believed that by identifying a linear model and subsequently designing a controller based on it, the surge velocity of the fish robot can be effectively controlled while stabilizing its pitch angle.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 1
• 제2절 연구 목표 및 개요 4
• 제3절 논문의 구성 5
• 제2장 실험 설정 개요 6
• 제1절 수중 물고기 로봇의 주요 특징 및 구조 6
• 제2절 좌표계 및 센서 데이터 검증 13
• 제3절 실험 환경 개요 14
• 제3장 시스템 식별 15
• 제1절 관성 좌표계 15
• 제2절 종방향 운동방정식 선형화 16
• 제3절 입력신호 설계 19
• 제4절 시스템 식별 21
• 제4장 시스템 식별 결과 23
• 제1절 종방향 시스템 식별 실험 서지 속도 응답 23
• 제2절 종방향 시스템 식별 실험 피치 각 응답 30
• 제5장 제어기 설계 36
• 제1절 PID 제어기 이득 조정 및 안정성 확보 절차 36
• 제2절 서지 속도 제어기 설계 37
• 제3절 피치 각 제어기 설계 40
• 제6장 시뮬레이션 결과 44
• 제1절 서지 모델 시뮬레이션 실험 스텝 응답 비교 44
• 제2절 피치 모델 시뮬레이션 실험 스텝 응답 비교 46
• 제7장 결론 및 향후 연구 48
• 참고문헌 50
• ABSTRACT 55