자율운항선박의 선수각 제어기 설계: 시뮬레이션 및 실해역 시험

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A robust heading controller is essential for the safe and efficient operation of Maritime Autonomous Surface Ships under environmental disturbances and uncertainties. This study systematically compares three heading controllers–proportional-derivative (PD) control, disturbance observer-based control (DOBC), and sliding mode control (SMC)– using a three-stage framework comprising Lyapunov-based stability analysis, Maneuvering Modeling Group (MMG) model simulations, and full-scale sea trials on the 26.5 m testbed ship Haeyang Nuri. The Lyapunov analysis establishes asymptotic or uniformly ultimately bounded stability depending on the presence of disturbances. Using the MMG model of Haeyang Nuri, control parameters were tuned through numerical simulations in calm water to ensure similar transient response performance across all controllers. Subsequently, heading tracking performance and rudder usage metrics were quantitatively compared under wind and current disturbance conditions. To assess the performance and practical effectiveness of the controllers in real maritime environments, a total of 13 sea trials were conducted: 1 manual-based waypoint-tracking test, 6 waypoint-tracking tests, and 6 time-varying command tests. The waypoint-tracking trials aimed to verify stability under relatively low-frequency heading-command changes, while the time-varying command trials complemented this analysis by assessing dynamic response characteristics under high-frequency and large-angle commands. The sea-trial results showed that the PD controller is effective as a baseline due to its simple implementation; however, residual heading errors increased under intensifying disturbances. The DOBC controller achieved the best rudder-usage efficiency by minimizing the mean square of the rudder angle and saturation time through disturbance estimation and compensation. Notably, unlike the simulation results, the DOBC controller recorded the smallest total rudder variation in the sea trials, indicating effective disturbance rejection under persistent disturbances in real-world environments. The SMC controller achieved the highest heading- tracking precision by minimizing the time-averaged absolute heading error, although it was accompanied by relatively high rudder usage. This study quantifies the trade-off between tracking accuracy and rudder usage, providing engineering guidelines for controller selection based on disturbance intensity and mission characteristics. Beyond the limitations of conventional theoretical and simulation-oriented research, this study holds significant practical value by directly comparing and validating all three controllers on the same full-scale ship in actual maritime environments.

국문 초록 (Abstract)

자율운항선박의 안전하고 효율적인 운항을 위해서는 환경 외란과 불확실성 하에서도 강건한 선수각 제어가 필수적이다. 본 연구는 리야프노프 이론 기반 안정성 분석, Maneuvering Modeling Group (MMG) 모델 기반 시뮬레이션, 해양누리호 실해역 시험의 3단계 프레임워크로 비례–미분 제어(proportional–derivative, PD), 외란관측기 기반 제어(disturbance observer-based control, DOBC), 슬라이딩 모드 제어(sliding mode control, SMC)를 체계적으로 비교·검증하였다. 리야프노프 이론을 기반으로 외란의 유무에 따라 세 가지 제어기의 점근적 안정성 또는 균일 궁극 유계 안정성을 증명하였다. 26.5 m급 시험선 해양누리호의 MMG 모델을 기반으로 정수 중 수치 시뮬레이션을 통해 세 가지 제어기가 유사한 과도응답 성능을 갖도록 제어 파라미터를 튜닝하였다. 이후 바람 및 조류 외란 조건에서 선수각 추종 성능과 타각 에너지 지표를 정량적으로 비교하였다. 이론 및 시뮬레이션으로 검증된 제어기의 실해역 성능과 유효성을 확인하기 위해 울산 인근 해역에서 수동 운항 기반 경유점 추종 시험 1회, 경유점 추종 시험 6회, 시변 명령 시험 6회, 총 13회의 실해역 시험을 수행하였다. 경유점 추종 시험은 명령 선수각이 상대적으로 저빈도로 변화하는 조건에서의 안정성을, 시변 명령 시험은 명령 선수각의 변화량이 큰 고빈도·대각도 명령 조건에서의 동적 응답 특성을 보완적으로 검증하기 위함이다. 실해역 시험 수행 결과, PD 제어기는 구현이 간단하고 직관적이어서 기본형 제어기로서 유효하나 외란이 강해질수록 잔류 오차가 증가하는 경향을 보였다. DOBC 제어는 외란관측기로 외란을 추정하고 제어기에서 보상함으로써 타각 평균제곱과 포화 시간을 최소화하여 타각 에너지 측면에서 가장 우수한 성능을 입증하였다. 특히 실해역 시험에서는 시뮬레이션 결과와 달리 DOBC 제어기가 가장 작은 총 타각 변화량을 기록함으로써 실제 해상의 지속적인 외란 하에서 뛰어난 외란 상쇄 능력을 실증하였다. SMC 제어기는 선수각 시간 평균 절대 오차를 최소화하여 가장 높은 선수각 추종 정밀도를 달성하였으나, 상대적으로 큰 타각 에너지 사용이 수반됨을 확인하였다. 본 연구는 제어기의 추종 정확도와 타각 에너지 효율 간 상충관계를 정량화하여 외란의 강도와 임무 특성에 따라 세 제어기의 적용 적합성을 정리함으로써 공학적 가이드라인을 제시하였다. 특히, 기존 이론 및 시뮬레이션 위주의 제어기 연구의 한계를 넘어 동일한 실선에 세 가지 제어기를 모두 탑재하여 실제 해상 환경에서 직접 비교·검증했다는 점에서 실용적 의의가 크다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1. Problem Statement 1
• 2. Related work 2
• 3. Contribution and Outline 10
• 4. Nomenclature and Abbreviations 13
• II. Background 15
• 1. Coordinate System 15
• 2. Dynamic model 16
• 3. Guidance, Navigation, and Control System 18
• III. Control System 20
• 1. PD control 21
• 2. DOBC control 24
• 3. SMC control 28
• IV. Results 32
• 1. Testbed Ship 33
• 2. Simulation 35
• 3. Sea Trial 58
• 3.1. Waypoint Tracking Scenario 58
• 3.2. Time-Varying Command Scenario 74
• V. Conclusion and Discussion 89
• A. Dynamic model 92
• B. Supplementary Simulation Results 96
• Bibliography 96