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Velocity-Obstacle and COLREGs-Based Safety Control for Underactuated USVs with a Fixed-Time Fuzzy Observer: Theory and Experiment

본 논문은 동적인 해상 환경에서 충돌 회피와 강인한 외란 제거를 보장하기 위해, 분석적으로 도출된 COLREGs 준수 속도 장애물 가이던스 전략과 정해진 시간 내 수렴하는 퍼지 관측기를 결합한 저구동 USV용 안전 웨이포인트 추종 제어 시스템을 제안하고 실험적으로 검증한다.

원저자: Zheng Wang, Yongsheng Zhao, Zhiyi Wang, Xiaohong Yan, Dongdong Mu, Xiao Liang, Yiqi Wang, Qian Wang

게시일 2026-10-22

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CC BY 4.0

원저자: Zheng Wang, Yongsheng Zhao, Zhiyi Wang, Xiaohong Yan, Dongdong Mu, Xiao Liang, Yiqi Wang, Qian Wang

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

바다는 기계가 인간의 손을 거치지 않고 항해하는 법을 배워야 하는 광대하고 예측 불가능한 작업장입니다. 무인 수상정(USV)은 해안선을 순찰하거나, 오염을 감시하거나, 물자를 운송하기 위해 설계된 로봇 배입니다. 이들은 단순하고 비용 효율적으로 제작되도록 만들어졌는데, 이는 종종 게처럼 옆으로 움직이는 능력이 부족하여 앞으로 나아가거나 회전할 수만 있다는 것을 의미합니다. 이러한 제약은 복잡한 수로를 항해하는 것을 까ด한 퍼즐로 만듭니다. 문제는 바다가 결코 정지해 있지 않다는 점 때문에 더욱 심화됩니다. 바람, 파도, 조류는 끊임없이 이 배들을 경로에서 벗어나게 밀어내며, 다른 선박들도 각자의 경로를 따라 움직입니다. 안전하게 운항하기 위해 이 로봇들은 계획된 경로를 따를 뿐만 아니라, 충돌을 피하기 위해 즉각적으로 반응해야 하며, 동시에 해상에서의 '통행 규칙(rules of the road)'이라 불리는 엄격한 국제 규칙을 준수해야 합니다. 이 규칙들은 정면 충돌이나 교차 상황 등에서 누가 누구에게 양보해야 하는지를 정확히 규정하여, 모든 선박이 사고를 예방하기 위한 의무를 알 수 있게 합니다.

다롄 해양 대학교(Dalian Maritime University)의 연구팀은 이러한 혼잡하고 요동치는 환경 속에서 로봇 배가 안전하게 항해하는 법을 가르치는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들의 연구는 위험을 예측하는 수학적 방법과 바다의 밀고 당기는 힘을 무시하도록 학습하는 스마트 시스템을 결কে합한 것입니다. 이 솔루션의 핵심은 '속도 장애물(velocity obstacle)' 방법이라고 불리는 전략입니다. 로봇 배가 앞을 내다보며, 다른 배와 결국 충돌하게 될 모든 속도와 방향을 나타내는 보이지 않는 원뿔을 물 위에 그린다고 상상해 보십시오. 배가 이 원뿔 밖에 머문다면 안전합니다. 하지만 단순히 충돌을 피하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 배는 반드시 해상 통행 규칙을 따라야 합니다. 연구진은 이 방법을 개선하여 로봇이 단순히 안전한 방향을 선택하는 것이 아니라, 정면으로 마주쳤을 때 오른쪽으로 회전하는 것과 같이 규칙을 준수하는 방향을 구체적으로 선택하도록 했습니다. 이를 통해 로봇은 단순히 장애물을 피하는 기계가 아니라, 책임감 있는 인간 선장처럼 행동하게 됩니다.

바다의 물리적 실체를 다루기 위해, 연구팀은 로봇의 두뇌에 '퍼지 관측기(fuzzy observer)'를 추가했습니다. 이것은 현재 순간에 바람과 파도가 배를 얼마나 세게 밀고 있는지 끊임없이 추측하는 스마트 추정기의 일종입니다. 이러한 힘을 파악하는 데 시간이 오래 걸릴 수 있는 기존 시스템과 달리, 이 새로운 관측기는 초기 밀림이 얼마나 강했는지와 관계없이 고정된 매우 짧은 시간 내에 방해 요소를 계산하고 배의 경로를 수정합니다. 이를 통해 배는 환경이 거칠 때도 의도한 경로를 유지할 수 있습니다. 연구진은 이 시스템을 두 가지 방식으로 테스트했습니다. 첫째, 로봇 배가 경로를 항해하는 동안 네 척의 가상 선박이 주변에서 움직이며 정면, 교차, 추월 시나리오를 생성하는 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했습니다. 결과는 배가 부드럽게 움직였으며, 다른 충돌 방지 시스템에서 흔히 발생하는 급격하고 갑작스러운 회전을 피하고, 항상 안전 규칙을 준수하며 항해했음을 보여주었습니다.

하지만 진정한 시험은 실제 수상에서 이루어졌습니다. 연구팀은 4.9미터 크기의 로봇 배를 외해로 가지고 나가 실제 임무를 수행했습니다. 안전과 물류상의 이유로 움직이는 다른 배들을 쉽게 동반할 수 없었기 때문에, 그들은 '가상' 함대를 만들었습니다. 배의 컴퓨터는 세 척의 다른 배가 자신을 향해 움직이고 있다고 믿도록 프로그래밍되었으며, 배는 이 보이지 않는 위협들을 실제처럼 인식하고 반응해야 했습니다. 로봇 배는 가상의 조우 상황들을 성공적으로 식별하고 올바른 기동을 수행했습니다: 교차하는 배의 뒤쪽으로 지나가기 위해 오른쪽으로 회전하고, 정면 접근 시에는 피하며, 더 느린 선박을 추월했습니다. 실험 내내 배는 모든 가상 위협으로부터 최소 10미터의 안전 거리를 유지했습니다. 데이터는 배가 경로를 정확하게 추적하고, 회전 후 빠르게 회복하며, 제어력을 잃지 않고 바다의 물리적 힘을 처리할 수 있음을 확인해주었습니다.

충돌 방지 및 유도 부분은 해상 시험을 통해 입증되었으나, 연구진은 현장 테스트에서 작은 한계점을 언급했습니다. 바람과 파도를 추정하기 위해 설계된 특정 '고정 시간(fixed-time)' 관측기는 배의 엔진이 해당 모델의 특정 부분을 실행하는 데 필요한 정밀한 속도 데이터를 제공하지 못했기 때문에 수상에서 완전히 테스트되지 않았습니다. 대신, 그들은 해상 테스트에서 약간 다른, 이미 검증된 제어기를 사용했습니다. 이는 전체 이론적 패키지가 실제 배치 전 여전히 정교화되는 과정에 있음을 의미하지만, 핵심적인 안전 로직은 완벽하게 작동했습니다. 이 연구는 복잡하고 규칙 기반인 환경을 인간의 숙련도에 근접하는 부드러움과 신뢰성으로 항해할 수 있는 로봇 배를 구축하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 엄격한 해사법 준수와 첨단 기술의 빠른 반응 수학을 결합함으로써, 연구진은 자율 운항 선박을 해양 공학의 미래를 위한 실질적인 현실로 만드는 데 중요한 발걸음을 내디뎠습니다.

기술 요약: 저구동 USV를 위한 속도 장애물(Velocity-Obstacle) 및 COLREGs 기반 안전 제어

문제 정의
본 논문은 동적인 해양 환경에서 운용되는 저구동 무인 수상정(USV)의 안전한 웨이포인트 추종(waypoint-following) 과제를 다룬다. 일반적으로 측면 추진기가 부족한 이러한 차량들은 움직이는 장애물 선박과 외부 환경적 교란(바람, 파도, 조류)을 마주하며 항해해야 한다. 핵심적인 어려움은 궤적 추종 정밀도를 보장하는 동시에, 국제해상충돌예방규칙(COLREGs)을 준수하고, 모델 불확실성 및 미지의 외란에도 안정성을 유지하는 제어 시스템을 설계하는 것이다. 기존 방식들은 명령의 연속성, 계산 복잡성, 또는 분석적 가이드 법칙에 COLREGs를 명시적으로 통합하는 측면에서 어려움을 겪는 경우가 많다.

방법론
제안된 솔루션은 가이던스 계층과 제어 계층을 통합한다:

VOBCG 가이던스 전략:
- 저자들은 속도 장애물 경계 및 COLREGs 기반 가이던스(VOBCG) 방법을 제안한다. 허용 가능한 속도 공간을 탐색하거나 샘플링하는 최적화 기반 접근 방식과 달리, 이 방법은 분석적인 속도 장애물(VO) 경계 정보로부터 명령 헤딩을 직접 도출한다.
- 이 접근 방식은 자선(own ship)의 반경, 대상 선박의 반경, 그리고 버퍼의 합을 기준으로 안전 영역을 정의한다. 대상이 이 영역에 진입하면, 가이던스는 LOS(Line-of-Sight) 추종에서 VO 기반 회피로 전환된다.
- 충돌 원뿔(Collision cones)은 절대 속도 공간에 매핑되어 회피 경계를 정의한다. 시스템은 조우 상황을 정면(head-on), 추월(overtaking), 횡단(crossing)의 세 가지 시나리오로 분류하고, 특정 COLREGs 준수 조향 규칙(예: 정면 및 횡단 상황에서 우현 변침)을 적용하여 VO 경계 각( $\lambda^{\pm}_{VO}$ )으로부터 명령 헤딩( $\psi_d$ )을 직접 선택한다.
고정 시간 퍼지 관측기(FT-FO) 제어기:
- 외부 교란과 결합된 불확실성을 처리하기 위해, 고정 시간 퍼지 관측기(FT-FO)가 제어 프레임워크에 통합된다. 이 관측기는 미지의 비선형 역학 및 외부 교란을 근사화하기 위해 퍼지 로직 시스템을 활용한다.
- 제어 법칙은 고정 시간 안정성 이론을 채택하며, 오차 역학에 분수 차수 지수를 사용하여 관측 및 추종 오차가 초기 조건과 무관하게 고정된 시간 내에 수렴하도록 보장한다.
- 폐루프 시스템이 실용적 고정 시간 안정성(practical fixed-time stability)을 달성함을 증명하기 위해 리아푸노프(Lyapunov) 기반 안정성 분석이 제공된다.
실험적 검증:
- 시뮬레이션: 다양한 조우 시나리오를 시뮬레이션하는 4.9m USV 모델("Lanxin")을 사용하여 알고리즘을 테스트하기 위해 Simulink 환경이 사용되었다.
- 해상 시험: 4.9m USV 플랫폼을 사용하여 실제 해상 실험이 수행되었다. 하드웨어의 한계(전체 동역학 모델에 필요한 추진기의 회전 속도 데이터 부재)로 인해, 해상 시험에서는 물리적 실행을 위해 T-S 퍼지 제어기를 사용하였으며, FT-FO는 시뮬레이션을 통해 검증되었다. 가상 대상 선박을 도입하여 개활지에서의 장애물 조우를 시뮬레이션하였다.

주요 기여
본 논문은 세 가지 주요 기여를 강조한다:

분석적 VOBCG 방법: 이산 샘플링과 최적화에 의존하는 능동적 속도 장애물(PVO) 방식과 달리, 제안된 VOBCG는 분석적 경계로부터 연속적인 명령을 도출한다. 이는 명령의 진동과 채터링(chattering)을 제거하여, 공학적 구현에 더 적합한 부드러운 헤딩 및 전진 속도 가이던스를 가능하게 한다.
고정 시간 퍼지 관측기: 기존의 고정 시간 관측기보다 더 빠른 교란 추정 수렴 성능을 제공하는 FT-FO 기반 제어기를 개발하였다. 이론적 분석을 통해 폐루프 시스템의 실용적 고정 시간 안정성을 확인하였다.
포괄적인 실험적 검증: 충돌 회피 기법을 검증하기 위한 해양 실험 플랫폼을 구축하였다. 본 연구는 실제 해양 환경에서 웨이포인트 추종을 유지하면서 정면, 추월, 횡단 시나리오를 성공적으로 처리할 수 있음을 입증하였다.

결과

시뮬레이션: VOBCG 방식은 PVO 방식에 비해 우수한 궤적 추종 정밀도와 명령의 매끄러움을 보여주었다. USV는 COLREGs를 엄격히 준수하며(예: 횡단 대상 선박의 후방 통과 및 정면 상황에서의 우현 변침 수행) 네 가지 동적 장애물을 모두 회피하였다. 회피 기동 중에는 위치 오차가 증가했으나, 위협이 사라진 후 빠르게 수렴하였다.
해상 시험: 현장 실험을 통해 전략의 타당성을 확인하였다. USV는 가상 장애물과의 상호작용 중 상대 거리를 10미터 안전 임계값 이상으로 엄격히 유지하였다. 시스템은 빠른 동적 응답과 원하는 헤딩에 대한 고정밀 추종 성능을 보여주었다.
관측기 성능: 시뮬레이션 결과, 제안된 FT-FO가 표준 고정 시간 관측기보다 더 빠르게, 그리고 더 낮은 오차로 교란을 재구성할 수 있음을 보여주었다.

의의 및 주장
본 논문은 제안된 전략이 이론적 충돌 회피와 실제 공학적 배포 사이의 간극을 효과적으로 메운다고 주장한다. 최적화가 아닌 분석적 방식으로 명령을 도출함으로써, 이 방법은 물리적 추진 시스템에 필수적인 명령의 연속성을 보장한다. 가이던스 법칙에 COLREGs를 직접 통합함으로써 해상 운항에서의 법적 준수를 보장한다.

저자들은 실험적 검증의 한계점을 겸허히 언급하였다. FT-FO 제어기는 이론적으로 설계되고 시뮬레이션되었으나, 실제 해상 시험에서는 실험 플랫폼의 저가형 추진기에 필요한 회전 속도 피드백 데이터의 부재로 인해 T-S 퍼지 제어기를 사용하였다. 따라서 FT-FO의 완전한 실험적 검증은 USV 동역학 모델을 정교화하기 위한 회전 속도 데이터 확보를 전제로 향후 연구 과제로 남겨두었다. 향후 연구 방향으로는 강건성을 더욱 향려하기 위한 이벤트 트리거 및 결함 허용 제어 메커니즘에 대한 조사가 포함된다.

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