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문제 정의
- 즉, 장애물을 발견하여 스스로 회피동작을 취한다던가, 미리 설정한 변침점을 찾아가는 기능이다. 이 연구에서는 후자의 기능을 개발하고자 하였다. 즉, 미리 입력한 변침점 3곳을 차례로찾아가도록 하였다.
제안 방법
- 1단계인 원격조종의 경우, 시판되고 있는 무선 RC키트 및 조종기를 이용하여 비교적 용이하게 구축하고 성능 확인할 수 있었으므로, 이 논문에서는 언급을 생략하고, 2단계 기술개발에대해 서술하기로 한다. 아울러, 2단계 기술개발은 기반연구차원에서 이루어졌으며, 초소형 USV를 대상으로 하였다.
- USV의 선형은 직육면체 평저형 구조를 갖는 바지(Barge)선타입으로 제작하였으며, 해상(Fig. 12)에서 수밀성 및 조종성능테스트를 하였다. 실험결과 수밀은 완벽했으나 타를 정중앙 (Midship)으로 고정한 상태에서 엔진만 구동하여 직진 시켰을때, 바람, 횡파 등의 외력에 의해 보침성능이 떨어지는 것이 눈으로 확인되었다.
- 이러한 알고리즘에 따라 매 1초 간격으로 복원타각을 계산하여 타를 제어할 경우 끊임없이 타를 움직이기 위해서 서보모터를 돌려줘야 하므로 서보모터 및 타의 피로도 증가와 함께 전원의 급격한 소모가 발생한다. 따라서 본조타제어시스템에서는 Table 1과 같이 계산된 복원타각을 -35° 에서 +35°까지 5° 간격으로 나누어, 5° 간격 내에서는 타각의움직임이 없도록 설계하였다. Fig.
- 이 때문에 전자변속기와 엔진에서 많은 열이발생하고, 기기 보호 및 안정적인 동작을 위해서 반드시 냉각시스템이 필요하다. 엔진 및 전자변속기가 밀폐된 USV 내부에있기 때문에 DC모터 펌프를 이용한 해수 직접냉각방식을 적용하였다. Fig.
- 국내.외적인 무인선박(USV)의 개발 필요성에 따라 기초 연구차원에서 바지선 타입의 초소형 USV의 자율항법 알고리즘을 개발하고 이를 근거로 실물 제작하여 해상실험을 통해 유효성을 검증하였다. 특히, 알고리즘 개발에 있어서 C언어와 같은텍스트 기반의 프로그래밍언어가 아닌 그래픽컬 프로그래밍 언어인 LabVIEW를 이용하였다.
- 아울러, 2단계 기술개발은 기반연구차원에서 이루어졌으며, 초소형 USV를 대상으로 하였다. 운항은 GPS센서 정보를 기반으로 자율항법 알고리즘에 따라 미리 입력된 변침점 (Waypoint)을 순차적으로 찾아가도록 하였다. USV 개발 프로그램으로는 NI사의 LabVIEW 8.
- 자율운항 알고리즘의 유효성을 검증하기 위해서 해상실험을수행하였다. 실험은, Fig.
- 이 연구에서는 후자의 기능을 개발하고자 하였다. 즉, 미리 입력한 변침점 3곳을 차례로찾아가도록 하였다. 자율항법을 위한 알고리즘 개발은 다음의 3 단계를 통해 구현하였다.
대상 데이터
- Photo 3은 위의 과정을 통해 최종적으로 완성된 초소형 USV 의 실물사진이며, 전장(LOA)은 512mm이며, 전폭(Beam)은 292mm 이다.
- 실험은, Fig. 12에서 보듯이 해면의 사방이 구조물로 둘러싸여 있고, 한쪽 면 일부가 외부로 트인 비교적 잔잔한해면상에서 이루어졌으며, 변침점으로서 Table3과 같이 3곳을설정하였다. ②단계에서 구한 항정거리가 임의의 설정값 이하로 작아질 경우 변침점에 도착한 것으로 간주하여, 다음 변침점으로 넘어가도록 프로그래밍하였다.
- 이 날의 바람 및 해상상태는 비교적 잔잔하였으나, 외부로 트인 곳에서 파가 약하게 밀려들어오는 형태였다. 실험을 위한 프로그램 초기 설정은타각 게인(乌)을 1로 하였으며, 엔진 rpm을 일정하게 유지시키기 위해서 펄스폭변조 듀티비를 7.87%로 하였다. WOPCWheel Over Point : 변침점 도달 여부를 판단하기 위한거리 값)는 3m로 설정하였다.
- 서술하기로 한다. 아울러, 2단계 기술개발은 기반연구차원에서 이루어졌으며, 초소형 USV를 대상으로 하였다. 운항은 GPS센서 정보를 기반으로 자율항법 알고리즘에 따라 미리 입력된 변침점 (Waypoint)을 순차적으로 찾아가도록 하였다.
- 제어하였다. 엔진시스템에 사용된 DC모터는 최대출력 30MW의 3상 브러쉬리스 타입으로, 모터의 제어는 DC 11.1V 전원을 3상 전원으로 변환시켜주며, 펄스폭변조 신호에 따라 DC모터에 전원공급량을 조절하여 RPM을 제어해주는전자변속기 (Electric Speed Controller : ESC)를 이용하였다. LabVIEW를 이용하여 펄스폭변조신호 발생 프로그램을 만들면데이터 수집 보드(DAQ Board)에 의해서 50Hz(20ms)의 펄스파가 생성된다.
- 9에 나타낸다. 컨트롤러로서 아톰 (N270)을, 데이터획득보드는 NI USB-6210을 사용하였다.
이론/모형
- 운항은 GPS센서 정보를 기반으로 자율항법 알고리즘에 따라 미리 입력된 변침점 (Waypoint)을 순차적으로 찾아가도록 하였다. USV 개발 프로그램으로는 NI사의 LabVIEW 8.2를 이용하였다. 이언어는 데이터가 흐르는 순서에 따라 진행되며, 주어진 태스크를 여러 개의 서브태스크로 나눈 후 이들을 각각 실행할 수 있어 프로그램 모듈화가 가능하다.
- 엔진 및 조타 시스템은 PWM(Pulse Width Modulation : 펄스폭변조)방식으로 제어하였다. 엔진시스템에 사용된 DC모터는 최대출력 30MW의 3상 브러쉬리스 타입으로, 모터의 제어는 DC 11.
- 엔진 및 조타 시스템의 제어는 펄스폭변조방식을 이용하였다. 펄스폭변조 신호는 타각신호 발생 프로그램이 데이터 수집보드에 명령하여 생성되며, 만들어진 펄스폭변조 신호는 엔진시스템의 ESC 및 조타시스템의 서보모터에 전달된다.
- 외적인 무인선박(USV)의 개발 필요성에 따라 기초 연구차원에서 바지선 타입의 초소형 USV의 자율항법 알고리즘을 개발하고 이를 근거로 실물 제작하여 해상실험을 통해 유효성을 검증하였다. 특히, 알고리즘 개발에 있어서 C언어와 같은텍스트 기반의 프로그래밍언어가 아닌 그래픽컬 프로그래밍 언어인 LabVIEW를 이용하였다. 그 결과 알고리즘을 직관적으로표현할 수 있어서 프로그램 제작 및 디버깅에서 개발 기간 단축이라는 매우 강력한 효과를 얻을 수 있었다.
성능/효과
- 선박국에서는 임무의 성격에 따라 감시(Surveillance), 원격감지 (Remote sensing), 인명구조(Life-saving) 활동보조 등 특정목적의 USV를 출동시켜 임무를 수행하도록 원격 제어한다. USV가 획득한 데이터는 실시간으로 선박국로 보내지게 되며, 이렇게 수집한 데이터를 분석하여 얻은 정보를 바탕으로 USV를 제어함과 동시에 육상국으로 전송하여 상황판단 및 의사결정을 하는데 도움을 준다.
- 특히, 알고리즘 개발에 있어서 C언어와 같은텍스트 기반의 프로그래밍언어가 아닌 그래픽컬 프로그래밍 언어인 LabVIEW를 이용하였다. 그 결과 알고리즘을 직관적으로표현할 수 있어서 프로그램 제작 및 디버깅에서 개발 기간 단축이라는 매우 강력한 효과를 얻을 수 있었다.
- 마지막으로, 외부로 트인 곳에서 밀려들어오는 파가 어떠한형태로 USV의 움직임에 영향을 미친 것으로 보여지며. 또한 WOP 설정거리에 따라 침로선과의 이격 거리가 발생할 것으로여겨진다.
- 셋째, 선형에 따른 조종성능의 저하를 들 수 있다. 제작한 초소형 USV가 바지선 형태의 직육면체 구조를 하고 있기 때문에구조적으로 보침성능이 좋지 못하다.
- 12)에서 수밀성 및 조종성능테스트를 하였다. 실험결과 수밀은 완벽했으나 타를 정중앙 (Midship)으로 고정한 상태에서 엔진만 구동하여 직진 시켰을때, 바람, 횡파 등의 외력에 의해 보침성능이 떨어지는 것이 눈으로 확인되었다. 이를 보완하기 위해서 선박의 빌지킬(Bilge keel) 에 해당하는 직사각형의 안정화 판(stabilization plate, 가로 84mm, 세로 100mm, 두께 3mm)을 선수 중앙 및 선미 양현에 추가로 부착하였으며, 재실험결과 롤링 및 요잉이 감소하여보침성능이 상당히 개선되었음을 확인할 수 있었다.
- 실험결과, 항적곡선에서 알 수 있듯이 USV는 변침점 3곳을통과하였으나, 항적이 안정하지 못하고 사행하였음을 볼 수 있다. 이러한 실험 결과에 대해서 원인을 고찰해보면, 첫째 본 제어알고리즘이 비례제어만을 사용하였기 때문으로 사료된다.
- 실험결과 수밀은 완벽했으나 타를 정중앙 (Midship)으로 고정한 상태에서 엔진만 구동하여 직진 시켰을때, 바람, 횡파 등의 외력에 의해 보침성능이 떨어지는 것이 눈으로 확인되었다. 이를 보완하기 위해서 선박의 빌지킬(Bilge keel) 에 해당하는 직사각형의 안정화 판(stabilization plate, 가로 84mm, 세로 100mm, 두께 3mm)을 선수 중앙 및 선미 양현에 추가로 부착하였으며, 재실험결과 롤링 및 요잉이 감소하여보침성능이 상당히 개선되었음을 확인할 수 있었다.
- 또한 WOP 설정거리에 따라 침로선과의 이격 거리가 발생할 것으로여겨진다. 이상과 같이 여러 요인들이 복합적으로 작용함으로써 USV가 침로선상에 정침하지 못하였으며, 항적 또한 곡선을그린 것으로 판단된다.
- 엔진시스템은 최대출력 300W의 3상 DC모터와 전자변속기로 구성되는데, ESC는 데이터 수집 보드로부터 전달받은 펄스폭변조 신호의 듀티비에 따라 DC모터에 전원공급량을 조절하여 속도제어를 한다. 한편, 엔진시스템이 작동하는 과정에서 DC모터 및전자변속기에서 상당한 열이 발생하며, 기기보호를 위해 DC모터 펌프를 이용한 해수 직접냉각방식을 적용하여 시스템의 안정적인 작동을 도모하였다. 조타시스템의 타제어는 서보모터를통해서 이루어지는데, 서보모터는 모터 자체에 위치와 속도를검출하는 센서가 내장돼 있어 센서의 신호를 명령값(PWM 신호)과 비교하여 일정한 각도를 추종하게 된다.
후속연구
- 현재의 조타제어시스템은 비례제어만을 사용한 것으로 PID제어 또는 적응제어 등을 적용할 경우 불필요한 타의 사용이 개선될 것으로여겨진다. 또한 자율항법 알고리즘에 지자기센서와 가속도센서등을 추가로 탑재하여 선박의 선수방향 및 선체에 미치는 외력을 고려한다면 사행항적을 줄일 수 있을 것으로 여겨지며, 이연구가 USV 개발을 위한 기반연구차원에서 이루어진 만큼 이번 결과를 바탕으로 더 많은 연구와 실험이 지속되어야 할 것이다.
- 이처럼 USV의 Remote sensing 기능을 좀 더 응용하면 마리나 건설 또는 어촌마을의 어항 개발시 수심 측정을 통한 해저 지형도를 작성할 수 있으며, 호수, 강, 바다의 특정 지역의 수질 검사를 위한 샘플 채취 및 수중영상 촬영 등에 활용할 수 있다. 특히 무인자율운항이 가능하면비용 절감에도 상당한 기여를 할 것으로 여겨진다. USV는 기술적인 완성도에 따라 다음 3단계로 구분할 수 있다.
- 그 원인으로 알고리즘 또는 선박구조를 들 수 있다. 현재의 조타제어시스템은 비례제어만을 사용한 것으로 PID제어 또는 적응제어 등을 적용할 경우 불필요한 타의 사용이 개선될 것으로여겨진다. 또한 자율항법 알고리즘에 지자기센서와 가속도센서등을 추가로 탑재하여 선박의 선수방향 및 선체에 미치는 외력을 고려한다면 사행항적을 줄일 수 있을 것으로 여겨지며, 이연구가 USV 개발을 위한 기반연구차원에서 이루어진 만큼 이번 결과를 바탕으로 더 많은 연구와 실험이 지속되어야 할 것이다.
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