[논문 리뷰] A Robust Force Control Approach for Underwater Vehicle Manipulator Systems

Shahab Heshmati-Alamdari, Alexandros Nikou외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 22.

Underwater Vehicles and Communication Systems참고 문헌 18인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 시스템의 동역학, 외부 간섭, 센서 노이즈에 대한 지식이 없이도 사전 정의된 일시적 및 정 steady-state 성능을 보장하는 모델-프리이고 강건한 힘 제어 방식을 제안한다. 이 방법은 설계자가 정의한 성능 함수를 사용하여 제어 행동을 모델 불확실성에서 분리시켜 시뮬레이션에서 외부 간섭과 측정 노이즈가 존재하는 상황에서도 저항성과 유한한 오차를 달성한다.

ABSTRACT

In various interaction tasks using Underwater Vehicle Manipulator Systems (UVMSs) (e.g. sampling of the sea organisms, underwater welding), important factors such as: i) uncertainties and complexity of UVMS dynamic model ii) external disturbances (e.g. sea currents and waves) iii) imperfection and noises of measuring sensors iv) steady state performance as well as v) inferior overshoot of interaction force error, should be addressed during the force control design. Motivated by the above factors, this paper presents a model-free control protocol for force controlling of an Underwater Vehicle Manipulator System which is in contact with a compliant environment, without incorporating any knowledge of the UVMS's dynamic model, exogenous disturbances and sensor's noise model. Moreover, the transient and steady state response as well as reduction of overshooting force error are solely determined by certain designer-specified performance functions and are fully decoupled by the UVMS's dynamic model, the control gain selection, as well as the initial conditions. Finally, a simulation study clarifies the proposed method and verifies its efficiency.

연구 동기 및 목표

• 모델 불확실성, 외부 간섭(예: 해류) 및 센서 노이즈로 인한 UVMS의 힘 제어 과제를 해결한다.
• 정확한 동역학 모델이나 간섭이 알려져 있다고 가정하는 기존의 힘 제어 기법의 한계를 극복한다.
• 시스템의 동역학이나 초기 조건에 관계없이 원하는 일시적 및 정 steady-state 성능을 보장하는 제어 프로토콜을 설계한다.
• 실제 수중 환경에서 유한한 외부 간섭과 측정 노이즈에 대해 강건성을 확보한다.
• 현재의 UVMS 플랫폼에서 실시간으로 구현 가능한 저복잡도 제어 법칙을 개발한다.

제안 방법

• 두 수준의 제어 구조를 활용: 첫 번째 수준은 위치/힘 오차 동역학을 다루고, 두 번째 수준은 성능 함수를 통해 성능 제약을 강제한다.
• 성능 함수를 사용하여 원하는 오버슈트, 수렴 속도 및 정 steady-state 오차 한계를 정의하여 성능을 제어 이득과 시스템 모델에서 분리한다.
• 오차와 성능 함수의 도함수에 기반해 제어 입력을 계산하는 정적 제어 법칙을 설계하여 복잡한 온라인 매개변수 추정을 피한다.
• UVMS의 동역학, 환경의 강성 또는 간섭 모델에 대한 지식이 필요 없는 모델-프리 접근법을 통합한다.
• 리아푸노프 기반 안정성 분석을 통해 간섭과 노이즈 하에서 오차가 사전 정의된 성능 한계 내에서 유한함을 증명한다.
• 초기 및 최종 한계(ρ⁰, ρ∞)와 수렴 속도(l)를 갖는 성능 함수의 매개변수화를 통해 일시적 행동을 명시적으로 형상화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UVMS에 대한 힘 제어 기법이 동역학 모델 지식이나 간섭 추정에 의존하지 않고도 원하는 일시적 및 정 steady-state 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 오버슈트 및 수렴 속도와 같은 성능 사양은 어떻게 명시적으로 부여하고 제어 이득 선택 및 시스템 동역학에서 분리할 수 있는가?
• RQ3 수중 환경에서 유한한 외부 간섭과 측정 노이즈가 존재할 경우 제어 기법이 얼마나 강건하게 유지될 수 있는가?
• RQ4 모델이 알려져 있지 않고 환경 상호작용이 불확실한 UVMS에서 저복잡도 정적 제어 법칙이 효과적으로 힘 제어를 관리할 수 있는가?
• RQ5 성능 함수 기반 접근법은 기존의 힘 제어 기법과 비교해 불확실성 하에서 오차 한계와 강건성 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• 실제 힘 궤적은 그림 3에서 보듯이 오버슈트 없이 목표 힘 프로파일을 잘 따라가며 최소한의 오차로 기준값에 수렴하였다.
• 모든 방향에서 위치 및 힘 추적 오차가 사전 정의된 성능 한계 내에서 유한하게 유지되었으며, 그림 4와 5에서 확인되었다.
• 외부 간섭(0.15sin(2πt/7))과 유한한 측정 노이즈 하에서도 시스템이 안정된 성능을 유지하여 강건성을 입증하였다.
• 제어기는 위치 및 속도 오차의 정 steady-state 오차 한계 ρ∞ = 0.2를 달성하였으며, 초기 오차 한계 ρ⁰ = 1을 통해 사전 정의된 일시적 행동을 보장하였다.
• 컨트롤러는 낮은 계산 복잡도를 보였으며, 제어 업데이트당 몇 가지 계산만으로도 실시간 구현이 가능했다.
• 성능 함수가 명시적으로 원하는 행동을 정의함에 따라 시스템 성능이 제어 이득과 초기 조건에서 완전히 분리되었다.