[논문 리뷰] Morpheus: An A-sized AUV with morphing fins and algorithms for agile maneuvering

Supun Randeni, Michael Sacarny외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 22.

Underwater Vehicles and Communication Systems인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 생체 모방형 변형 꼬리지루를 갖춘 A형 크기의 자율 수중선박(Morpheus)을 제안한다. 이 선박은 앞면의 지루을 전개하거나 수축시키고 활성 루더 제어를 통해 안정성과 기동성을 동적으로 조절하며, 회전 속도가 35–50% 향상되어 최대 35 deg/s에 이를 정도로, 고정형 선체 AUV에서 발생하는 상반된 안정성과 기동성 요구사항을 적응형 수중력학적 형상으로 극복함을 입증한다.

ABSTRACT

We designed and constructed an A-sized base autonomous underwater vehicle (AUV), augmented with a stack of modular and extendable hardware and software, including autonomy, navigation, control and high fidelity simulation capabilities (A-size stands for the standard sonobuoy form factor, with a maximum diameter of 124 mm). Subsequently, we extended this base vehicle with a novel tuna-inspired morphing fin payload module (referred to as the Morpheus AUV), to achieve good directional stability and exceptional maneuverability; properties that are highly desirable for rigid hull AUVs, but are presently difficult to achieve because they impose contradictory requirements. The morphing fin payload allows the base AUV to dynamically change its stability-maneuverability qualities by using morphing fins, which can be deployed, deflected and retracted, as needed. The base vehicle and Morpheus AUV were both extensively field tested in-water in the Charles river, Massachusetts, USA; by conducting hundreds of hours of operations over a period of two years. The maneuvering capability of the Morpheus AUV was evaluated with and without the use of morphing fins to quantify the performance improvement. The Morpheus AUV was able to showcase an exceptional turning rate of around 25-35 deg/s. A maximum turn rate improvement of around 35% - 50% was gained through the use of morphing fins.

연구 동기 및 목표

• 고정형 선체 AUV에서 발생하는 방향 안정성과 기동성 사이의 본질적 상충 관계를 극복하기 위해.
• 소노부이 발사기와 호환 가능한 모듈식 A형 크기의 AUV 기본 플랫폼을 설계하고 구현하기 위해.
• 도미지어의 형태를 모방한 변형 꼬리지루 페이로드를 개발하여 실시간으로 수중력학적 안정성과 조종 제어 능력을 조절할 수 있도록 하기 위해.
• 찰스 강에서 광범위한 수중 테스트를 통해 변형 꼬리지루의 성능 향상을 검증하기 위해.
• 분석 모델과 실측 데이터를 사용하여 회전 속도 향상 정도와 안정성-기동성 상충 관계를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 모듈식 자율성, 항법, 제어 및 시뮬레이션 기능을 갖춘 A형 크기의 기본 AUV(지름 124 mm, 길이 약 0.9 m) 설계.
• 도미지어 해부학을 모방한 전개 가능하고 기울일 수 있으며 수축 가능한 꼬리지루를 갖춘 변형 꼬리지루 페이로드 구현.
• 선형 수중력학 이론을 사용하여 안정성과 기동성 모델링하고, 루더 및 앞면 지루 기여도에 대한 계수를 업데이트.
• 루더 및 지루에 대한 위치에 따라 변하는 항목을 포함한 안정성 인덱스 C, 항력 속도 r/δ, 수중력(Y, N)에 대한 핵심 방정식 통합.
• 루더 및 앞면 지루의 양력 및 모멘트 기여도를 정량화하기 위해 제어 표면 파라미터 A = Yδ/U 및 B = Yfδ/U 적용.
• 현장 테스트 이전 시스템 검증을 위해 하드웨어-인-더-루프(HITL) 및 소프트웨어-인-더-루프(SITL) 시뮬레이션 통합.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변형 꼬리지루는 고정형 선체 AUV에서 발생하는 안정성-기동성 상충 관계를 실시간으로 해결할 수 있는가?
• RQ2 변형 꼬리지루를 전개했을 때와 수축했을 때의 회전 속도 향상 정도는 정량적으로 얼마인가?
• RQ3 앞면 변형 꼬리지루의 크기, 위치 및 기울기 각도는 차량의 안정성 인덱스와 요 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 앞면 지루의 존재가 출발 효율성을 해치지 않으면서도 기동성 향상을 위한 충분한 불안정성을 제공하는가?
• RQ5 루더 및 앞면 지루의 수중력학적 계수 간의 상호작용은 전체 기동성에 어떤 정도 기여하는가?

주요 결과

• Morpheus AUV는 실제 환경 조건에서 최대 25–35 deg/s의 회전 속도를 기록하여 높은 기동성을 입증했다.
• 변형 꼬리지루를 사용함으로써, 전개된 지루가 없는 기준 설정 대비 최대 회전 속도가 35–50% 향상되었다.
• 앞면 지루를 전개했을 때 안정성 인덱스 C가 크게 감소하여 루더 입력에 대한 민감도가 증가하고 기동성이 향상됨을 확인했다.
• 이론적 모델링을 통해 루더와 앞면 지루 힘 간의 상호작용—특히 항목 2AB(η² + ξ²)—이 요 속도 증가에 가장 강력한 기여를 한다고 확인했다.
• 지루를 수축시켰을 땐 항로에서 방향 안정성을 유지했고, 전개시켰을 땐 급격한 회전 시 높은 기동성을 확보했다.
• 찰스 강에서 200시간 이상의 현장 테스트를 통해 변형 꼬리지루 시스템의 성능 향상과 해양 환경에서의 내구성을 검증했다.