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문제 정의
- 따라서, 저자들은 대형 선박의 선저를 자동으로 청소할 수 있는 새로운 중형 수중로봇 개발연구를 수행하였고 본 논문에서는 수행한 연구 중에서 수중로봇의 청소모듈과 운용 시스템 개발 기술에 대하여 설명하였다.
- 본 논문에서는 현재 개발하고 있는 대형 선박의 선저면을 청소하는 수중로봇의 청소모듈과 제어시스템에 대하여 기술하였다. 청소용 수중로봇은 브러시 회전 및 높낮이 제어가 가능한 청소 모듈 시스템, 통합운용 시스템, 전원 및 통신 시스템, 바퀴 구동 및 조향 및 구동을 포함하는 제어시스템에 대해 설명하였다.
- 실험의 목적은 모터의 구동 토크, 회전속도, 물속의 저항과 압착력과의 상관관계를 통해 선저면에 부착된 이물질의 제거에 가장 효율적인 조건을 찾기 위한 것이다.
제안 방법
- 15와 같이 강력접착제로 수중의 풀을 알루미늄 판에 강력하게 고정하고 이를 갈아서 제거하는 실험을 하였다. 10cm 깊이의 물속에서 스프링 압착력의 변화를 3단계, 청소 브러시의 RPM을 3단계에 걸친 총 9번의 실험을 진행하였다. 이 실험들 중에서 제거율 경향을 볼 수 있는 결과를 Fig.
- 구동 및 조향은 캐터필러형으로 구성하였고, 브러시는 소요 중량을 줄이기 위한 노력을 하였으며, 해조류나 따개비 청소 대상 상태에 따라 청소할 수 있도록 수동 높이 조절 장치를 추가하였다. 브러시 배치는 청소 면적 증대와 브러시 사이의 간섭을 해소함으로서 효율적인 청소가 가능하도록 Fig.
- 또한 선상운용콘솔로부터 전송되는 수중모터와 추진기 구동명령과 속도궤환, 시스템 상태 및 감시정보 데이터를 서보제어기판과 송․수신하기 위한 FIFO-메모리로 18bit × 64의 용량을 갖는 TI사의 SN74ACT78로 인터페이스를 구축하였다.
- 청소기의 회전수(RPM)와 이끼 제거율 상관관계를 실험적으로 살펴보기 위하여 150W DC모터를 사용하여 수중에서 동작되도록 수밀구조의 청소장치를 구성하고 실린더의 축에는 청소용 브러시를 부착하였다. 또한 청소작업을 수행할 때 브러시의 압력을 조절하기 위해 청소장비를 스프링을 이용한 가변구조로 설계하였다.
- 바퀴의 조향과 구동시험을 수행하여 청소경로의 추적 성능을 실험을 통하여 검증하였다. 또한, 선저면에 붙는 따개비와 같은 이물질을 제거하는 브러시의 성능 시험을 통하여 브러시 구동모터의 회전속도와 청소면과의 압착력에 따른 이물질 제거에 적합한 성능을 실험적으로 구하였다.
- 바퀴의 조향과 구동시험을 수행하여 청소경로의 추적 성능을 실험을 통하여 검증하였다. 또한, 선저면에 붙는 따개비와 같은 이물질을 제거하는 브러시의 성능 시험을 통하여 브러시 구동모터의 회전속도와 청소면과의 압착력에 따른 이물질 제거에 적합한 성능을 실험적으로 구하였다.
- 본 연구에서 개발 중인 Fig. 1과 같은 형태의 선저 청소/검사용 수중로봇은 5개의 추진 모터로 구성되며 로봇의 바닥에 설치된 청소용 브러시가 선저 면에 잘 접촉하도록 설계되었다. 일단 , 선저면에 도착하면 청소 경로는 선박의 설계도면이나 미리 계획된 경로의 절대위치 정보 혹은 주행궤적에 의한 상대위치 인식에 따라 Fig.
- 대형선박의 안정성을 확보하고 경제적 운항을 위해서 선저 청소 및 검사는 필수적이다. 본 연구에서 개발한 청소용 수중로봇은 Fig. 1에서 보는 바와 같고 이를 이용하여 다이버가 수동용 청소 도구를 이용하여 선저를 청소하는 것처럼 ROV가 자동으로 선박의 선저 면을 청소하는 것이다.
- 선상 운용콘솔 시스템에서는 전체 주전원 인가뿐만 아니라 콘솔 전원, 유압팩 전원, 청소로봇 전원을 선상 운용콘솔에서 모든 전원을 담당할 수 있도록 구성하였다. Fig.
- 수중로봇의 청소 모듈 구동은 전동 모터를 사용하고 브러시가 고속 회전하여 브러시 단면과 선체 사이의 유체를 밀어내므로 브러시와 선체 사이의 압력이 낮아지고 이로 인한 흡착력으로 ROV가 선저면에 부착되어 주행 캐터필러와 조향 캐터필러의 구동을 통해 주행하면서 선저면을 청소한다. 선상에는 이동식 운용콘솔이 배치되어 수중 카메라와 조명을 통해 청소로봇을 모니터링하며 조이스틱으로 로봇을 구동, 원격제어를 수행한다. 테더 케이블은 광통신 라인, 전원공급용 전선으로 구성하였다.
- 선상운용콘솔과의 이더넷 통신을 위한 LAN 컨트롤러는 CIRRUS사의 CS8900A로 구성하여 UDP/IP통신이 가능하도록 설계하였으며, 수중 항법장비간의 RS-232/485 비동기 시리얼 통신을 위한 UART 컨트롤러는 TI사의 TL16C754BPN 으로 선정하였다. 또한 선상운용콘솔로부터 전송되는 수중모터와 추진기 구동명령과 속도궤환, 시스템 상태 및 감시정보 데이터를 서보제어기판과 송․수신하기 위한 FIFO-메모리로 18bit × 64의 용량을 갖는 TI사의 SN74ACT78로 인터페이스를 구축하였다.
- 선저청소로봇의 5자유도 조종을 위해 각 자유도에 대한 구동모터와의 관계를 해석해야 하며 그 관계식을 이용하여 조종기에서는 최종적으로 각 모터의 속도데이터만을 보내 주도록 하여 정확한 제어를 할 수 있도록 하였다.
- 실험은 Fig. 15와 같이 강력접착제로 수중의 풀을 알루미늄 판에 강력하게 고정하고 이를 갈아서 제거하는 실험을 하였다. 10cm 깊이의 물속에서 스프링 압착력의 변화를 3단계, 청소 브러시의 RPM을 3단계에 걸친 총 9번의 실험을 진행하였다.
- 솔레노이드 밸브와 수중조명 장치는 AI/O와 DI/O를 통해 데이터를 주고받는다. 원거리의 선상 콘솔과의 통신 문제와 큰 대역폭을 요구하는 수중 카메라의 동영상 데이터 전송 문제를 해결하기 위해서 광통신 방식을 채택하였다. 광통신 시스템은 10km이상의 원거리 전송이 가능하며 충분한 대역폭을 제공할 뿐만 아니라 영상, 직렬 통신 데이터 전송이 가능하다.
- 선저면 청소 시 청소로봇은 원격조정 또는 자율주행에 의해 구동한다. 이때, IMU 또는 USBL 장치에 의한 위치 오차를 보완하기 위하여 캐터필러의 동일 축상에 위치센서인 리졸버를 장착 하여 조향 및 이동거리를 측정할 수 있게 하였다. 또한, 수중항해 시에 로봇의 자세와 방향을 제어하기 위한 BLDC 모터의 속도제어가 필수적이다.
- 주행 바퀴에 장착한 리졸버의 응답 특성이 양호함을 볼 수 있다. 조향 각도의 위치 제어는 비례 제어를 사용하였으며 비례 제어 값은 여러 번의 게인 튜닝을 통해서 0.1로 설정하였다. 이를 Fig.
- 청소기의 회전수(RPM)와 이끼 제거율 상관관계를 실험적으로 살펴보기 위하여 150W DC모터를 사용하여 수중에서 동작되도록 수밀구조의 청소장치를 구성하고 실린더의 축에는 청소용 브러시를 부착하였다. 또한 청소작업을 수행할 때 브러시의 압력을 조절하기 위해 청소장비를 스프링을 이용한 가변구조로 설계하였다.
- 본 논문에서는 현재 개발하고 있는 대형 선박의 선저면을 청소하는 수중로봇의 청소모듈과 제어시스템에 대하여 기술하였다. 청소용 수중로봇은 브러시 회전 및 높낮이 제어가 가능한 청소 모듈 시스템, 통합운용 시스템, 전원 및 통신 시스템, 바퀴 구동 및 조향 및 구동을 포함하는 제어시스템에 대해 설명하였다.
대상 데이터
- 청소용 수중로봇 내부에 사용하는 장비는 수중카메라이며, 통신 방식은 RS485의 직렬 통신으로 데이터를 주고받는다. 솔레노이드 밸브와 수중조명 장치는 AI/O와 DI/O를 통해 데이터를 주고받는다. 원거리의 선상 콘솔과의 통신 문제와 큰 대역폭을 요구하는 수중 카메라의 동영상 데이터 전송 문제를 해결하기 위해서 광통신 방식을 채택하였다.
- 실제 제작된 수중 청소로봇은 5개의 추진기를 가지며 액추에이터의 배치에 따라 Y축 직선방향 움직임에 제한이 있으며 총 5자유도를 가진다. 각각의 추진기와 무게중심과의 거리를 계산함으로써 실제 추진기가 구동함에 있어 추력의 방향과 움직임이 결정되게 된다.
- 4는 선상/육상 운용 시스템과 수중로봇 사이에 전달되는 정보 상황과 제어 시스템의 블록선도를 나타내는 그림이고 명령지시는 선상/육상 시스템의 조이스틱을 이용하여 수행된다. 청소용 수중 로봇의 선상시스템은 Windows 운영체제의 싱글 보드컴퓨터(SBC)와 Linux 운영 체제의 싱글보드 컴퓨터를 통해 수중로봇을 제어한다. 운용소프트웨어는 Visual C++로 작성하였다.
- 청소용 수중로봇 내부에 사용하는 장비는 수중카메라이며, 통신 방식은 RS485의 직렬 통신으로 데이터를 주고받는다. 솔레노이드 밸브와 수중조명 장치는 AI/O와 DI/O를 통해 데이터를 주고받는다.
- 선상에는 이동식 운용콘솔이 배치되어 수중 카메라와 조명을 통해 청소로봇을 모니터링하며 조이스틱으로 로봇을 구동, 원격제어를 수행한다. 테더 케이블은 광통신 라인, 전원공급용 전선으로 구성하였다. Fig.
- 통신제어기는 수중제어장치와 선상운용콘솔간의 이더넷 통신과 수중제어장치와 수중 항법장비간의 비동기 시리얼통신 기능을 총괄하며, 선상운용콘솔로부터 전송되는 구동명령 해석 및 수중 항법장비 운용을 포함한다. 통신제어기판의 CPU는 다량의 데이터를 실시간 연산처리가 가능하며 이더넷 통신 장치, 시리얼 통신장치 및 FIFO통신 장치와의 인터페이스가 용이한 TI사의 TMS320C6701를 사용하였다.
성능/효과
- 실험을 통하여 압착력이 너무 클 경우에는 모터의 부하가 커서 오히려 제거율이 떨어짐을 볼 수있었고 RPM의 경우에는 30N의 압착력에서 700RPM으로 회전할 때 가장 우수한 제거율을 보여주었다.
- 위에 결과에서 보면 Fig. 16에서 압착력 30N 보다 높으면 지나친 압력으로 제거율이 떨어지고 30N일 때 RPM이 가장 빠른 700RPM의 속도로 회전할 때 가장 청소 성능이 우수함을 알 수 있다. 하지만 이 500RPM일 때의 실험 결과는 150W DC모터의 경우만을 고려한 것이며 더욱 큰 용량의 모터일 경우에는 토크가 크기 때문에 결과가 달라질 수 있다.
후속연구
- 향후 실해역 시험을 통하여 선저면에 로봇이 부착되어 이물질을 제거하는 실험을 통하여 개발 로봇의 성능을 검증하는 연구를 수행하고자 한다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.