소형 무인선은 플랫폼 크기가 작고 관성 및 수력 특성이 뚜렷하며 구동 작동기가 제한되는 특징이 있어 곡선 경로 추적 시 미끄러짐, 오버슈트 및 추진기 제어 신호의 빈번한 변동 등의 문제가 발생하기 쉽다. 전통적인 시선 유도(LOS) 및 피드백 제어 방법은 구조가 간단하고 구현이 용이하지만, 제어 해석 과정에서 시스템 제약 조건과 향후 운동 경향을 명시적으로 고려하기 어려워 복잡한 곡선 경로 추적 작업에서 제어 정밀도와 운행 안정성이 제한된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 소형 이중 추력 꼬리지느러미 무인선을 대상으로 제약 조건 기반 모델 예측 제어 경로 추적 방법을 제안하였으며, 플랫폼 구축, 동역학 모델링, 매개변수 식별, 제어기 설계 및 실외 실험 검증을 완료하였다. 유리 섬유 및 불포화 수지 복합 재료로 소형 무인선 실험 플랫폼을 구축하고, 상위 임무 컴퓨터와 하위 임베디드 컨트롤러로 구성된 2단계 자율 주행 시스템을 설계하였다; 이중 추진기 차동 구동 특성을 결합하여 무인선 평면 3자유도 동역학 모델을 구축하고 정적 추력 시험 및 원격 조종 항해 데이터를 통해 시스템 매개변수를 식별하였다; 예측 시계열 내에서 참조 진행 방향 및 속도 시퀀스를 생성하고 상태 제약, 추력 제약 및 추력 증분 제약을 모델 예측 제어 최적화 문제에 포함시켜 좌우 추진기의 추력을 실시간 롤링 최적화하였다. 수치 시뮬레이션 및 실외 실험 결과에 따르면 제안한 방법은 소형 무인선의 곡선 경로 추적 성능을 효과적으로 개선하였다. 이중 나선형 경로 추적 실험에서 모델 예측 제어 방법의 위치 추적 RMS 오차는 0.399m이고, 기존 LOS-PID 방법은 0.851m로 위치 추적 오차가 약 53.1% 감소하고 추적 정밀도가 약 2.1배 향상되었으며, 동시에 추진기 제어 입력의 급격한 변화를 줄여 무인선 항해의 안정성을 높였다. 연구 결과는 제약 조건 기반 모델 예측 제어가 소형 이중 추력 꼬리지느러미 무인선의 경로 추적 임무에서 효율성과 공학적 적용 가능성을 검증하였다.

소형 무인선; 이중 추진 꼬리지느러미; 모델 예측 제어; 경로 추적; 시스템 식별; 실외 실험