Design of Guidance Law for Docking of Unmanned Surface Vehicle

Abstract

This paper proposes a potential field-based guidance law for docking a USV (unmanned surface vehicle). In most cases, a USV without side thrusters is an under-actuated system. Thus, there are undockable regions near docking stations where a USV cannot dock to a docking station without causing a collision or backward motion. This paper suggest a guidance law that prevents a USV from enter such a region by decreasing the lateral error to the docking station at the initial stage of the docking process. A Monte-carlo simulation was performed to validate the performance of the proposed method. The proposed method was compared to conventional guidance laws such as pure pursuit guidance and pure/lead pursuit guidance. As a result, the collision angle and lateral distance error of proposed method tended to have lower values compared to conventional methods. 1. 서 론 최근들어 무인선박의 민간분야 수요(환경모니터링, 통신) 및 군사 목적의 수요(정찰, 경비)가 증대됨에 따라 무인선박과 관련된 연구가 활발히 수행되고 있다. 무인선박은 극한환경에서의 임무와 같이 위험도가 높은 임무 또는 복잡한 의사결정이 필요없는 단순 반복 작업에 대하여 기존의 유인체계를 대체하여 인간의 안전성을 향상시 키고 인력의 개입을 최소화 할 수 있다는 장점이 존재한다. 무인선박의 안정적이고 효과적인 임무수행을 위해서는 기존 에 인간의 역할이었던 주변환경 인지 및 의사결정 과정을 무인 선박내에 탑재된 컴퓨터가 수행해야한다. 하지만 무인선박 자 율운항기술의 기술성숙도가 완전한 자율운항을 위한 수준까지 는 도달하지 못한 관계로 아직까지도 도킹 등 일부 임무에 대 해서는 사용자의 원격조정을 통해 운용되는 것이 현실이다. 본 논문에서는 이러한 도킹과정에서 도킹스테이션에 무인선박이 자율적으로 유도되도록 하는 새로운 유도법칙을 제안하였고, 이를 통해 인간의 개입을 감소시키고 무인선박의 자율도(Degree of autonomy)를 증가시키는 것을 목표로 하였다. 본 연구에서는 무인선박이 움직이는 운동체가 아닌, 정지되어 Fig. 1 Example of forward-direction docking of USV (Image Source : Maritime Robotx 2014 USV Competition) 있는 도킹스테이션에 대하여 정면방향으로 도킹하는 경우를 연 구대상으로 설정하였다. Fig. 1은 본 연구에서 연구대상으로 선 정한 무인선박 도킹의 예시를 나타내고 있다. 무인선박은 도킹 스테이션의 정보(위치, 방향, 크기)를 사전에 알고 있다고 가정 하였고, 이를 바탕으로 유도명령을 생성하였다. 무인선박의 도킹에 대한 연구는 주로 무인선박과 자율수중운동 체(AUV, Autonomous underwater vehicle) 또는 모선(Mother 208