통합 유도·제어 기반 비대칭 구동 입력을 고려한 경로 추종

초록

본 논문은 무인 수상 선박(USV)의 비대칭 구동 제한을 포함한 비선형 동역학을 고려하여, 가상 목표점을 따라가는 추적(추격) 방식의 통합 유도·제어(IGC) 전략을 제시한다. 슬라이딩 모드 제어와 비대칭 포화 모델을 결합해 입력 제한을 설계 단계에서 반영하고, 안정성을 수학적으로 증명하였다. 시뮬레이션을 통해 임의의 매끄러운 경로를 정확히 따라가는 성능을 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 기존의 두 단계(유도·제어) 방식이 내포하는 “내부 루프는 외부 루프보다 빠르게 동작한다”는 가정에 의존하지 않고, USV의 실제 비선형 동역학을 직접 제어 입력(전진 추력 τ_u와 요 토크 τ_r)으로 매핑하는 통합 유도·제어(I​GC) 프레임워크를 제시한다. 핵심 아이디어는 ‘가상 목표점’이 경로를 따라 움직이며, 선박은 LOS(line‑of‑sight) 벡터와 자신의 속도 벡터를 일치시키는 ‘tail‑chase’ 형태로 움직이는 것이다. 이를 위해 선박‑목표 간 거리 R, LOS 각 θ, 그리고 선박 속도 방향 θ_U를 상태 변수로 정의하고, R·θ_U·Ṙ를 동시에 수렴시키는 제어 법칙을 설계한다.

제어 설계는 슬라이딩 모드 제어(SMC)를 기반으로 하며, 슬라이딩 면을 s = θ_U + k_R·R (k_R>0) 로 정의한다. SMC는 매칭된 불확실성(예: 유체 저항 비선형성)에 대해 강인성을 제공한다. 특히, USV는 전진·후진 구동 능력이 비대칭적인 경우가 많아, 기존의 대칭 포화 모델을 그대로 적용하면 실제 구동 한계를 초과하거나 과도한 제어 진동을 유발한다. 저자들은 이전 연구