연구 소개 — 자율 해상 이동체를 위한 안전 제어

SAIL 연구실(PI: 이찬규)의 대표 연구 성과 4편을 강의 내용과 연결해 설명합니다. 각 논문은 강의에서 다룬 개념(MPC, CBF, Tube MPC, 비선형 최적화)을 실제 자율 선박·비홀로노믹 차량에 적용한 사례입니다.

공통 주제 — 바다 위, 운하 안, 좁은 공간에서 로봇이 부딪히지 않고 움직이게 만드는 것. 핵심 도구는 모델 예측 제어(MPC)와 제어 장벽 함수(CBF)입니다. 각 논문은 이 두 도구의 한 가지 근본적 한계를 식별하고 해법을 제시합니다.

연구 지도

네 편의 논문은 다음과 같이 서로 연결되어 있습니다:

그림. TMECH는 운하 환경의 NMPC 구현, TCST는 외란 하의 강건 제어, TCST2는 비홀로노믹 CBF의 이론 기반, MECH는 그 이론을 해상 규칙(COLREGs)까지 확장.

논문 목록

NMPC 기반 운하 자율 항법

Cascade Tube-MPC 접안 제어

TC-CBF: 비홀로노믹 차량 회피

COLREGs 준수 충돌 회피

읽는 순서 추천

TMECH — 먼저 "왜 MPC가 실제 자율 선박에 필요한가"를 운하 실험 맥락에서 이해.
TCST — 외란이 있을 때 안전을 보장하려면 Tube MPC가 왜 필요한지, RPI 집합이 무엇인지 깊이 이해.
TCST2 — CBF의 기본 형태와 비홀로노믹 차량에 적용할 때의 한계, TC-CBF의 기하학적 아이디어.
MECH — TC-CBF를 실제 해상 규칙까지 확장한 종합 연구.

배경 지식 요약

네 논문을 편하게 읽으려면 다음 강의 내용이 전제됩니다:

L2 — 운동학과 동역학: 선박과 차량의 상태공간 모델(Fossen 모델, 자전거 모델)
L4 — 칼만 필터: 상태 추정과 잡음 모델 (접안 제어의 상태 피드백)
L6 — 경로 계획: 전역 경로와 지역 회피의 역할 분리
L8 — 유도와 CBF: CBF의 forward invariance, class-K 함수
L11 — MPC: OCP 정식화, receding horizon, QP 풀이
L12 — 고급 MPC: Tube MPC, mRPI, 재귀 실현가능성, MPC+CBF 결합