Fixed-Time Cooperative Trajectory Tracking Control of Multi-AUV Formation under Unknown Disturbances

바다는 기계가 인간의 손길 없이 스스로 작동해야 하는 거대하고 예측 불가능한 작업 공간입니다. 수십 년 동안 과학자들은 이러한 심해를 탐사하기 위해 단일 수중 로봇에 의존해 왔지만, 단일 기계에는 한계가 있습니다. 장비를 많이 실을 수 없고, 전력이 바닥나거나, 핵심 부품이 고장 나면 작동을 멈출 수 있기 때문입니다. 이를 극복하기 위해 엔지니어들은 '포메이션(formation)'이라 불리는, 함께 협력하는 로봇 그룹으로 눈을 돌렸습니다. 아이디어는 간단합니다. 만약 한 대의 로봇이 고장 나더라도 다른 로봇들이 업무를 인계받을 수 있고, 함께 더 넓은 영역을 탐사할 수 있다는 것입니다. 하지만 이 기계들의 집단이 예측 불가능한 수중 세계를 항해하면서 정밀한 형태를 유지하며 움직이게 하는 것은 매우 어렵습니다. 물은 결코 정지해 있지 않습니다. 숨겨진 조류가 로봇을 밀고 당기며, 로봇 자체도 무겁고 복잡한 기계이기 때문에 컴퓨터 모델이 예측하는 대로 정확하게 반응하지 않을 때가 많습니다. 이러한 그룹을 제어하는 전통적인 방식들은 오류를 충분히 빠르게 수정하지 못하거나, 방해 요소에 너무 격렬하게 반응하여 로봇의 모터를 흔들어 놓음으로써 마모와 손상을 유발하곤 합니다.

산둥 교통 대학교(Shandong Jiaotong University)의 연구진은 이 수중 그룹의 가이드 문제를 해결하여 속도와 흔들림 문제를 모두 해결하는 새로운 제어 방식을 개발했습니다. 그들은 여러 대의 자율 수중 탈것(AUV)이 특정 경로를 추적하고 포메이션 형태를 유지할 수 있는 제어 시스템을 만들었으며, 이는 알 수 없고 변화하는 조류의 영향을 받을 때도 가능합니다. 이 솔루션의 핵심은 두 부분으로 구성된 전략입니다. 첫째, 로봇이 직접 조류를 볼 수는 없지만, 컴퓨터 내부에서 물이 로봇에 어떤 영향을 미치는지 즉각적으로 추측할 수 있는 가상 '센서'를 구축했습니다. 둘째, 이 추측치를 사용하여 로봇이 경로를 벗어나기 전에 물의 밀치는 힘을 상쇄하는 조향 명령을 설계했습니다. 오류를 수정하는 데 시간이 오래 걸리거나 물과 싸우기 위해 모터를 격렬하게 움직여야 했던 기존 방식과 달리, 이 새로운 접근 방식은 로봇이 얼마나 경로에서 벗어난 상태에서 시작했는지와 관계없이 보장된 짧은 시간 내에 로봇을 올바른 경로로 되돌려 놓습니다. 연구진은 삼각형, 육각형, 화살표 모양의 로봇 그룹을 대상으로 컴퓨터 시뮬레이션 테스트를 진행했으며, 결과는 새로운 방식이 기존 방식이 지연과 흔들림으로 고전하는 동안에도 포메이션을 견고하고 매끄럽게 유지함을 보여주었습니다.

이러한 수중 그룹을 제어하는 과제는 바다 자체의 본질에 있습니다. 물은 복잡하고 무작위적인 패턴으로 움직이는 유체이며, 예측하기 어려운 힘을 만들어냅니다. 로봇이 움직이려 할 때, 로봇은 이 저항에 맞서 싸워야 하며, 갑작스러운 조류가 닥치면 로봇의 위치가 변하게 됩니다. 과거의 제어 시스템들은 이러한 변화가 일어난 후에 반응하려고 노력했습니다. 이는 마치 이미 지나온 곳만을 보고 자동차를 운전하려는 것과 같습니다. 자신이 경로를 벗어났다는 것을 깨달았을 때는 이미 도로 밖으로 밀려난 뒤입니다. 다른 시스템들은 더 공격적으로, 즉 오류를 즉시 수정하기 위해 최대의 힘을 가하려고 했습니다. 이론적으로는 효과적일 수 있지만, 실제로는 로봇의 추진기가 급격하게 진동하는 현상인 '채터링(chattering)'을 유발합니다. 이 진동은 자동차 엔진이 통제 불능으로 웅웅거리는 것과 같아서, 에너지를 낭비하고 소음을 발생시키며 결국 기계 부품을 파손시킬 수 있습니다. 연구진은 기존의 접근 방식들이 빠르게 변하는 환경에서는 유용할 만큼 빠르지 않거나, 하드웨어에 안전할 만큼 부드럽지 않다는 것을 발견했습니다.

이를 해결하기 위해 연구진은 단순히 반응하는 것이 아니라 문제를 예측하는 시스템을 설계했습니다. 그들은 먼저 로봇이 어떻게 움직이는지에 대한 상세한 수학적 모델을 만들었는데, 로봇의 움직임을 위치 및 방향(orientation)과 이를 구동하는 물리적 힘이라는 두 가지 층으로 분리했습니다. 그들은 그룹을 효과적으로 제어하기 위해서는 어느 순간에 물이 로봇을 얼마나 밀고 있는지 정확히 알아야 한다는 점을 깨달았습니다. 보이지 않는 조류를 직접 측정할 수 없었기에, 그들은 메인 제어 시스템과 함께 실행되는 일종의 컴퓨터 프로그램인 '옵저버(observer, 관측기)'를 구축했습니다. 이 옵저버는 로봇이 수행해야 할 동작과 실제로 수행하고 있는 동작을 끊임없이 비교합니다. 이 차이를 분석함으로써, 옵서버는 아주 짧은 시간 안에 숨겨진 조류의 세기와 방향을 추정할 수 있습니다.

여기서 핵심적인 혁신은 이 추정의 속도와 확실성입니다. 기존의 옵저버들은 조류를 파악하는 데 오랜 시간이 걸렸고, 그 정확도는 로봇이 목표물에 얼마나 가까이 시작했느냐에 따라 달라졌습니다. 만약 로봇이 경로에서 멀리 벗어나 있다면 옵저버가 따라잡는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸으며, 이는 빠르게 변하는 환경에서 위험했습니다. 그러나 새로운 옵저버는 초기 오차가 아무리 크더라도 정해진 시간 내에 추정치에 도달하도록 설계되었습니다. 이는 마치 자동차가 약간 경로를 벗어났든 혹은 심하게 휘청거리든 상관없이, 정해진 초 이내에 풍속을 알 수 있도록 내장된 시계를 가진 것과 같습니다. 이를 통해 제어 시스템은 즉각적으로 행동하여, 옵저버의 추측치를 사용해 포메이션을 흐트러뜨리기 전에 조류의 반작용을 상쇄하는 역방향의 힘을 가할 수 있습니다.

시스템이 물의 움직임을 파악하면, 로봇들이 포메이션을 유지하도록 하는 두 번째 제어 층을 적용합니다. 연구진은 한 대의 로봇이 리더 역할을 하고 나머지 로봇들이 리더와의 거리와 각도를 유지하며 따르는 방식을 사용했습니다. 이는 새 떼의 움직임과 유사하며, 각 새는 앞선 새와의 상대적 위치를 알고 있습니다. 제어 법칙은 리더가 급격히 회전하거나 속도를 높이더라도 추종 로봇들이 올바른 형태를 유지하며 경로를 부드럽게 조정하도록 보장합니다. 이 시스템은 로봇이 목표치를 초과하거나 앞뒤로 흔들리지 않도록 하는 특수한 수학적 방법을 사용합니다. 오류를 바로잡기 위해 추진기를 갑자기 움직이는 대신, 시스템은 로봇을 경로로 부드럽게 안내하는 연속적이고 매끄러운 힘을 가합니다.

연구진은 어려운 조건에서도 시스템이 어떻게 작동하는지 확인하기 위해 일련의 컴퓨터 시뮬레이션에서 테스트를 진행했습니다. 로봇들이 원형 경로와 삼각형 및 원이 결합된 형태를 포함한 복잡한 경로를 따르도록 프로그래밍했습니다. 또한 로봇들이 의도한 경로에서 매우 다른 위치, 즉 어떤 것은 경로에서 멀리 떨어져 있고 어떤 것은 가까이 있는 상황을 시뮬레이션했습니다. 모든 경우에 대해, 새로운 제어 시스템은 로봇들을 목표 포메이션으로 가져왔고 그 상태를 유지했습니다. 시뮬레이션 결과, 로봇들은 높은 정밀도로 경로를 추적했으며 위치 오차는 빠르게 사라졌습니다. 새로운 방식을 전통적인 제어 전략과 비교했을 때 차이는 명확했습니다. 전통적인 방식은 로봇이 경로를 수정하려고 할 때마다 떨리고 진동을 일으켰으며, 오차가 안정되는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸습니다. 반면 새로운 방식은 매끄럽고 안정적인 움직임을 만들어냈으며 오차를 거의 즉각적으로 수정했습니다.

가장 중요한 발견 중 하나는 시스템이 알려지지 않은 방해 요소를 처리하는 능력이었습니다. 연구진은 실제 바다를 모사하기 위해 시뮬레이션에 무작위로 변하는 조류를 도입했습니다. 옵저버는 이러한 변화하는 힘을 놀라운 정확도로 추적하여 실제 조류의 세기와 거의 완벽하게 일치하는 결과를 보여주었습니다. 이를 통해 제어 시스템은 모터의 출력을 높이지 않고도 방해 요인을 효과적으로 상쇄하여 로봇이 경로를 유지할 수 있게 했습니다. 결과적으로 이 시스템은 예측 불가능한 바다에 대해 견고하면서도 로봇의 하드웨어에는 부드럽게 작용하는 시스템이었습니다. 시뮬레이션은 또한 이 시스템이 다양한 그룹 크기와 모양에 대해서도 잘 작동함을 보여주었습니다. 로봇들이 삼각형, 육각형, 오각형 또는 화살표 모양으로 배치되었는지에 관계없이, 제어 법칙은 그들의 협동과 안정성을 유지했습니다.

연구진은 자신들의 접근 방식이 수중 로봇 공학에 있어 상당한 개선을 제공한다고 결론지었습니다. 빠르고 정확한 옵저버와 부드러운 제어 법칙을 결합함으로써, 바다의 혼란스러운 현실을 다루면서도 장비에 손상을 주지 않는 시스템을 만들어낸 것입니다. 시뮬레이션은 로봇들이 시작 위치와 관계없이 보장된 시간 내에 원하는 포메이션으로 수렴할 수 있음을 증명했습니다. 이는 실제 임무에서 로봇 그룹이 배에서 흩어진 상태로 투입되더라도, 거친 파도 속에서도 빠르게 정밀한 포메이션을 갖추어 작업을 시작할 수 있음을 의미합니다. 이번 연구는 전적으로 컴퓨터 환경에서 수행되었지만, 결과는 이 방식이 미래의 수중 탐사를 위한 강력한 도구가 될 수 있음을 시사하며, 로봇 그룹이 이전보다 훨씬 더 효율적이고 신뢰성 있게 협력할 수 있게 해줄 것입니다. 연구팀은 향-후 연구에서 이러한 아이디어를 실제 물리적 로봇에 테스트하고, 심해의 복잡한 도전에 대비하여 3차원 움직임을 다룰 수 있도록 시스템을 확장할 계획이라고 밝혔습니다.