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문제 정의
- 또한, SBL 을 이용해 자신의 위치를 정확히 인식하고 그러한 정보를 모선이나 공동작업 중인 다른 AUV 에도 통신할 수 있는 통신시스템을 개발하는 것을 목표로 하고 있다.
- 본 논문은 NOAH 의 운동 상태를 해석할 수 있도록 6자유도의 비선형 운동방정식을 유도하고, 이러한 운동방정식을 해석할 수 있는 시뮬레이션프로그램을 개발하여 다양한 입력과 환경 하에서 NOAH 의 운동성능을 해석하고자 한다. 시뮬레이션을 위해서는 유체동 역학 계수의 값이 필요하며 NOAH 에 관한 계수값을 측정하기 어려운 상황이므로 직육면체선형의 NPS AUV II 의 유체동역학 계수를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다u 이러한 시뮬레이션 결과는 정량적으로 많은 오차가 포함되었을 것이며, 본 논문에서는 정성적인 결과를 보는데 중점을 두고자 한다.
- 본 논문은 제주대학교에서 설계하고 제작한 호버링 형 AUV, NOAH, 의 설계 과정에 대해 언급하였다. 호버링형 AUV는 수 중에서 작업하는 용도로 사용하는 AUV 로써 자신의 자세와 위치를 유지하고 원하는 자세와 위치로 정확히 이동할 수 있는 능력이 중요한 설계 목표가 된다.
- 본 논문은 호버링형 AUV 의 국내외 현황을 살펴보고, 그 실례로써 제주대학교에서 개발한 호버링 형 AUV'NOAH의 설계과정에 대해 기술하였다. 또한, NOAH 의 설계를 위한 수학 모델링과 제어기설계과정을 설명하였고 제작된 NOAH 의 수조실험 결과에 대해서도 언급하였다.
제안 방법
- 52m 의 크기이다. 4개의 수평 추진기와 2개의 수직 추진기를 장착하고 있으며 항법센서로 IMU, DVL, INS 등을 탑재하였고, Core Sampler 를 이 용하여 광물 샘플을 채집이 가능하다.4
- 왔다. AUV는 장거리를 주행하며 비교적 넓은 영역을 탐사하는 항주형 AUV 와 특정 지 역의 정 밀조사 및 작업용으로 사용하는 호버링형 AUV 의 두 가지 형태로 발전되었다. 일정 공간에서 작업용으로 사용되는 AUV는 제자리에서 자세 및 위치를 제어하는 기능과 정밀한 위치 이동 기능이 매우 중요하며, 이러한 기능을 갖는 AUV 를호버링형 AUV 라고 한다.
- 21은 방향제어에 대한 PID 제어기의 시뮬레이션 결과이다. NOAH 가 진행 방향에서 우현으로 90° 방향 각을 변화시켰다가 초기 방향으로 돌아오는 경우에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며, 10 초에서 최대 오버슈트가 발생하며 20초 이전에 목표 방향 각에 수렴하고 있다.
- NOAH 의 사용 목적 에 따라 장비의 탑재가 용이하고 공간 활용도가 높으며, 작업용 도로 위치 및 자세제어가 편리하도록 하기 위해 ROV 와 같은 선형구조를 갖도록 하였다. Fig.
- NOAH 의 자세 및 위치를 제어하기 위하여 설계가 비교적 용이하며, 구현이 간단한 PID 제어기를 설계하고자 하며, 설계된 제어기의 성능을 시뮬레이션을 통해 해석한 후 실험으로 구현하고자 한다.
- 구성된 시뮬레이션 프로그램은 Input, Dynamics, Integration 의 세 개의 블록으로 이루어 져 있으며, Input 블록은 추진기의 전압과 승강타, 방향타의 각도를 입력으로 준다. Dynamics 블록은 6 방향의 힘과 모멘트를 계산하는 블록이며, Integration 블록은 출력부로써 NOAH 의 자세와 위치 등의 상태 변수들을 결과값으로 계산한다.
- NOAH 에는 위치를 고정해주는 시스템이 없기 때문에 요우운동이 발생하면서 좁은 수조 벽에 충돌하는 경우가 발생하여 정확한 데이터를 받기가 어려운 조건이었다. 따라서 NOAH 가 수면에 떠 있는 상태에서 표류하지 못하고 회전중심으로 회전만 하도록 구속을 한 후 요우운동만 발생 시켜 실험을 수행하였다.
- 기술하였다. 또한, NOAH 의 설계를 위한 수학 모델링과 제어기설계과정을 설명하였고 제작된 NOAH 의 수조실험 결과에 대해서도 언급하였다.
- 방향제어 실험은 목표 방향 각이 일정한 경우와 변하는 경우에 대해 PID 제어기를 사용하여 수행하였다. NOAH 에는 위치를 고정해주는 시스템이 없기 때문에 요우운동이 발생하면서 좁은 수조 벽에 충돌하는 경우가 발생하여 정확한 데이터를 받기가 어려운 조건이었다.
- 설계된 NOAH 의 운동 성능을 해석하기 위하여 6 자유도운동방정식을 전개하였고, 이를 이용하여 시뮬레이션 프로그램을 구현하였다. 또한, NOAH 의 자세 및 위치제어를 위해 PID 제어기를 설계하였고 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 제어기 성능을 해석하고 수조에서 수심제어와 방향 제어실험을 수행하여 시뮬레이션 결과와 비교하였다.
- 설계된 PID 제어기의 성능을 테스트하기 위하여 자세 및 위치제어가 결합된 운항 제어의 시뮬레이션을 수행하였고, 원하는 운항 경로는 Fig. 22 와같다. 초기 위치에서 수심 3m로 잠항하여 Target 1 으로 이동 후 자세와 위치를 유지한 후 Target 2 와 Target 3을 지나 다시 Target 1으로 돌아오고 그 후부 상하여 초기 위치로 돌아오는 경로로 정하였다.
- 수심제어 실험은 PID 제어기를 사용하여 목표 수심이 일정한 경우와 변하는 경우에 대해 실시하였으며, 60초 동안 목표수심을 잘 추종하는지를 비교하였다. 압력센서에서 얻는 수심 신호는 아날로그 전류 신호이기 때문에 전기적인 잡음을 많이 포함하고 있어 FIR(Finite Impulse Response) 필터 알고리즘을 적용하여 필터링한 후 사용하였다.
- 초기 위치에서 수심 3m로 잠항하여 Target 1 으로 이동 후 자세와 위치를 유지한 후 Target 2 와 Target 3을 지나 다시 Target 1으로 돌아오고 그 후부 상하여 초기 위치로 돌아오는 경로로 정하였다. 운항속도는 0.2m/s로 저속이며, 시뮬레이션 결과는 모델링 오차가 없는 경우(Fig. 23), 조류의 영향을 받는 경우(Fig. 24) 그리고 센서 잡음이 있는 경우 (Fig. 25)에 대해 비교하였다. 외란이나 센서 잡음이 없는 경우 호버링형 AUV 의 자세 및 위치제어가 잘 이루어졌으나 조류에 의한 외란이 있는 경우와 약 10% 정도의 센서 잡음 포함 시 원하는 주행궤적에서 벗어남을 볼 수 있다.
- 22 와같다. 초기 위치에서 수심 3m로 잠항하여 Target 1 으로 이동 후 자세와 위치를 유지한 후 Target 2 와 Target 3을 지나 다시 Target 1으로 돌아오고 그 후부 상하여 초기 위치로 돌아오는 경로로 정하였다. 운항속도는 0.
- 추진 방식은 2개의 직진 방향 추진기와 1 개의 수직 추진기 및 1개의 횡방향 추진기를 장착하여 4 자유도 운동을 제어할 수 있게 하였다. 또한, 3 개의 내압용기를 설치하였으며, 선수 부분의 내압 용기에는 잠수정의 제어를 위한 컴퓨터와 센서들이 들어있고 선체 양쪽에 위치한 내압용기에는 전원공급을 위한 납축전지가 들어있다.
대상 데이터
- 사용되는 배터리의 용량에 따라서 AUV 의 운항 범위 및 작업시간이 결정되기 때문이다. NOAH 의 전원은 Fig. 16과 같이 납 축전지 와 리튬폴리머의 두 종류의 배터리가 사용되었다. 추진기 의 입력전압이 24V 이 므로 12V-12AH 납축전지를 직렬로 연결하여 전원을 공급해 주었으며, 이는 추진기 4대를 최대 속도로 동시에 작동시켰을 때 약 1시간 정도 운용이 가능하다.
- 추진기 의 입력전압이 24V 이 므로 12V-12AH 납축전지를 직렬로 연결하여 전원을 공급해 주었으며, 이는 추진기 4대를 최대 속도로 동시에 작동시켰을 때 약 1시간 정도 운용이 가능하다. On-board PC 와 추진기의 모터 드라이버 및 센서에 전원을 공급해주기 위해서 18.5V-3.2AH의 리튬폴리머 배터리를 사용하였다.
- 설계된 PID 제어기의 성능을 검증하기 위한 수심 제어와 방향제어 실험을 실시하였으며 Fig. 26 에보인 것과 같이 2m(L)X1.2m(B)X1.5m(D)의 실험실 수조에서 수행하였다.
- 주진기는 Tecnadyne 사의 BLDC(Brushless DC) 모터를 사용하고 있으며, Fig. 13과 같의 Mode 280 과 Model 300 두 종류의 모델을 사용한다. 각각의 추진기의 입력 전압은 24V이며 소비전력은 76watt 이다.
- 11과 같이 ROV 형상과 유사한 프레임 구조의 선체를 채택하였는데, 이는 각종 센서와 장비를 장착하기 손쉽게 하고 공간 활용도를 높이기 위함이다. 프레임의 재질은 부식을 방지하기 위해 스테인리 스 스틸을 사용하였고 부력재는 발포 폴리스티렌을 사용하여 충분한 부력을 얻도록 하였다.
데이터처리
- 프로그램을 구현하였다. 또한, NOAH 의 자세 및 위치제어를 위해 PID 제어기를 설계하였고 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 제어기 성능을 해석하고 수조에서 수심제어와 방향 제어실험을 수행하여 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 수심제어에 대한수조실험 결과 목표 수심을 진동하면서 잘 추종함을 볼 수 있었으며 방향제어 실험도 유사한 결과를 얻었다.
이론/모형
- 나타낸다. 본 논문에서는 Healey and Lienard" 가 전개한 수식을 사용하였으며, 수식에 대한 자세한 내용은 Kim" 에 설명되어 있다.
- 자세와 위치를 제어하고 운항을 제어할 센서로는 압력계와 자력 컴퍼스를 사용하고 있으며, 추후 AUV 의 항해를 위해 위치 측정용 SBL 시스템을 장착할 계획이다. NOAH 의 모든 센서와 추진기를 실시간으로 제어하고 전체 시스템을 운용하기 위하여 소형 On-board PC 를사용하고 있으며, 모든 운용 프로그램은 외부의 Master PC 로부터 Ethernet 으로 다운받는 방식 을 사용한다. 이와 같이 설계된 NOAH는 실험실 수조 내에서 테스트를 거쳐 더욱 개선된 기능의 호버링 형 AUV 로 발전될 것이다.
- 나타내었다. 압력계는 그린센서사의 ECO-1 모델을 사용하였으며, 수심 20m까지 측정이 가능하고 4~20mA 의 아날로그 신호를 출력한다. 컴퍼스는 PNI 의 TCM2-50 모델을 사용하였으며, 이 컴퍼스는 3축을 가지고 있어 경사각이 발행했을 때 경사각을 보정한 방향각을 측정할 수 있다.
- 압력센서에서 얻는 수심 신호는 아날로그 전류 신호이기 때문에 전기적인 잡음을 많이 포함하고 있어 FIR(Finite Impulse Response) 필터 알고리즘을 적용하여 필터링한 후 사용하였다.
- 전개된 운동방정식을 이용하여 Matlab 의 Simulink 를 이용하여 시뮬레이션 프로그램을 구성하였다. 구성된 시뮬레이션 프로그램은 Input, Dynamics, Integration 의 세 개의 블록으로 이루어 져 있으며, Input 블록은 추진기의 전압과 승강타, 방향타의 각도를 입력으로 준다.
- 압력계는 그린센서사의 ECO-1 모델을 사용하였으며, 수심 20m까지 측정이 가능하고 4~20mA 의 아날로그 신호를 출력한다. 컴퍼스는 PNI 의 TCM2-50 모델을 사용하였으며, 이 컴퍼스는 3축을 가지고 있어 경사각이 발행했을 때 경사각을 보정한 방향각을 측정할 수 있다. ±0.
- 6m의 구형 내압 선체로 구성되었고 8개의 추진기를 장착하여 6 자유도의 운동을 제어할 수 있다. 항법을 위해 IMU(Inertial Measurement Unit) 를 탑재하였고 위치제어용 센서로 소나와 압력계를 사용한다.2
성능/효과
- PID 제어기에서 동일한 이득 값을 사용하여 실험을 반복 수행하였는데, 결과를 측정할 때마다 최대 오버슈트나 정상 상태 오차 등이 어느 정도 변하는 것을 볼 수 있었다. 이는 실제 실험의 경우 다양한 환경적 외란이나 센서 잡음 등이 시스템에 많은 영향을 미치는 것으로 볼 수 있다.
- 컴퍼스에서 출력하는 방향 각 신호는 필터링된 디지털 신호이므로 잡음이 제거된 깨끗한 신호를 받을 수 있다. 결과를 보면, 12초에서 최대 오버슈트가 발생하며 그 이후 감쇠하며 목표 방향각을 잘 수렴해 가고 있다. Fig.
- ul(t)은 좌측추진기의 입력 전압이고 ur(t)은 우측 추진기의 입력전압을 나타낸다. 본 논문에서는 kp=15, ki=0.1, kd=55 를 사용했을 때 가장 최적의 추종 성능을 나타내었다.
- 수심제어에 대한수조실험 결과 목표 수심을 진동하면서 잘 추종함을 볼 수 있었으며 방향제어 실험도 유사한 결과를 얻었다. 시뮬레이션 결과와 수조실험을 정량적으로 비교하기는 어려운 조건이지만 정성적인 측면으로 볼 때 유사한 결과를 볼 수 있고, 모델링 오차나 파라미터 오차가 줄어들면 상당히 유사한 결과를 얻을 수 있다고 생각된다.
후속연구
- 있다. 실험을 통해서 제어 알고리즘을 개선할 수 있고, 추진장치의 배치 및 계측장치의 성능을 개선할 수 있는 유용한 도구로 사용될 것이다. 이러한 호버링형 AUV 의 사용 목적을 이루기 위해 Table 1과 같은 설계사양을 결정하였다.
- NOAH 의 모든 센서와 추진기를 실시간으로 제어하고 전체 시스템을 운용하기 위하여 소형 On-board PC 를사용하고 있으며, 모든 운용 프로그램은 외부의 Master PC 로부터 Ethernet 으로 다운받는 방식 을 사용한다. 이와 같이 설계된 NOAH는 실험실 수조 내에서 테스트를 거쳐 더욱 개선된 기능의 호버링 형 AUV 로 발전될 것이다.
- 추진기는 4자유도의 운동을 제어할 수 있도록 직진 방향 추진기 2대, 수직추진기 1대 및 횡 방향 추진기 1대를 장착하였다. 자세와 위치를 제어하고 운항을 제어할 센서로는 압력계와 자력 컴퍼스를 사용하고 있으며, 추후 AUV 의 항해를 위해 위치 측정용 SBL 시스템을 장착할 계획이다. NOAH 의 모든 센서와 추진기를 실시간으로 제어하고 전체 시스템을 운용하기 위하여 소형 On-board PC 를사용하고 있으며, 모든 운용 프로그램은 외부의 Master PC 로부터 Ethernet 으로 다운받는 방식 을 사용한다.
- 향후 연구로는 수심제어와 방향제어에 대한 정밀하고 다양한 실험을 수행하여 NOAH 의 호버링 형 기능을 발전시키고, 실험을 통해 구동 장치나 계측 장치의 성능 및 제어 알고리즘을 개선하는 것이다. 또한, SBL 을 이용해 자신의 위치를 정확히 인식하고 그러한 정보를 모선이나 공동작업 중인 다른 AUV 에도 통신할 수 있는 통신시스템을 개발하는 것을 목표로 하고 있다.
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