[논문]SBL방식을 이용한 무인잠수정의 수중초음파 위치측정시스템 개발

유선철; 변승우; 김준영

doi:10.5762/kais.2010.11.3.808

초록
AI-Helper

본 논문에서는 수중에서 이동하는 무인잠수정의 위치를 측정하는 방법 중의 하나인 단기선 방식(SBL)에 의한 무인잠수정(ROV)의 위치측정 실험을 하이드로폰(Hydrophone)과 DAQ(Data Aquisition) 시스템을 이용하여 수조에서 수행하였다. 실험을 위해서 4개의 하이드로폰 센서를 $3{\times}3{\times}1.7m$의 크기의 수조 벽면에 고정하여 수신 장치로 사용하고, 1개의 하이드로폰 센서는 무인잠수정에 장착하여 송신장치(Pinger)로 사용하였다. 무인잠수정 및 수조 벽에 고정된 센서들이 신호를 송수신함으로써 상호간의 위치추적이 가능하게 하는 실험을 수행하였다. 측정된 신호는 DAQ 시스템을 이용하여 데이터를 취득하였고, LabView 프로그램을 이용하여 실시간으로 무인잠수정의 위치를 계산하여 출력하였다. 위치추정에 사용된 알고리즘은 삼각측량법을 사용하였으며, X, Y방향에 대해서는 비교적 오차가 적은 추정 결과를 나타내었으나 Z방향에 대하여서는 상대적으로 큰 오차를 보여 위치제어용 데이터로 사용할 수 가 없었다. 이에 대한 해결방법으로 무인잠수정에 장착된 수심측정 센서를 이용하여 보완할 수 있을 것으로 본다. 설계된 위치측정 시스템은 추후 실해역 실험을 거쳐 성능시험을 수행하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper we executed a SBL(Short Baseline) underwater acoustic positioning system that is a kind of underwater position estimation system to estimates the 3-dimensional position of ROV(Remotely Operated Vehicle) using hydrophones and DAQ(Data Acquisition) system in the basin which dimensions ar...

In this paper we executed a SBL(Short Baseline) underwater acoustic positioning system that is a kind of underwater position estimation system to estimates the 3-dimensional position of ROV(Remotely Operated Vehicle) using hydrophones and DAQ(Data Acquisition) system in the basin which dimensions are $3{\times}3{\times}1.7(m)$. For this experiment, we let 4 hydrophones in different positions of the basin for receiver and 1 hydrophone is fixed on the underwater vehicle for transmitting sensor(pinger). These five hydrophones are communicated with each other to find the 3-D positions of the moving ROV in the basin. The measured signals are collected by DAQ system and the positions of the ROV are plotted by LabView program in real-time. To estimate the position of the ROV we used a trigonometric method. In X and Y plane the estimated data has a small errors but in Z plane the estimated data has large errors so we cannot use this data for position control. One solution of this problem is using depth sensor that implemented of the underwater vehicle. Hereafter, we will test in the ocean using designed SBL system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 4개의 하이드로폰 센서가 고정되어 있으며 이동체와 고정된 센서가 신호를 송수신함으로써 상호간의 위치추적이 가능하게 하였다. 본 논문에서 사용한 SBL의 위치추적의 기하학적 구조는 그림 1[6]과 같다.
본 논문에서는 비교적 제작이 간단하고 설치 및 운용이 용이한 SBL 방식을 이용하여 무인잠수정의 위치를 파악하고자 하며, 특히 삼각측량법의 계산방식[6]과 LabView 프로그램[7]을 적용하여 시스템을 구성하고자 한다.

제안 방법

실험에서는 함수발생기(Function Generator)를 이용하여 100kHz의 버스트(Burst) 신호를 발생하여 핑거(Pinger)를 통해 송신하였으며, 이 신호를 DAQ와 동조하였다. 고정된 4개의 하이드로폰으로 신호를 수신하여 300kHz의 샘플링 주파수로 A/D변환을 하고, 식 (1)과 식 (2)에 의하여 제안된 위치추적 알고리즘을 통하여 무인잠수정의 위치를 추정하였고, DAQ 시스템과 LabView 프로그램을 이용하여 실시간으로 화면상에 위치를 나타내었다.
본 논문에서는 수중에서 이동하는 무인잠수정(ROV)의 위치를 측정하는 방법 중의 하나인 단기선 방식(SBL)을 이용하여 잠수정의 위치측정을 수행하였고, 실제로 하이드로폰과 DAQ 시스템을 이용하여 수조에서 실험을 수행하였다. 입력된 신호를 이용하여 위치 계산방식으로 삼각측량법을 이용하였고, LabView 프로그램을 이용하여 실시간으로 무인잠수정의 위치를 계산하여 출력하였다.
본 논문에서는 제시된 위치추적 알고리즘의 성능 검증 및 수조실험을 위하여 하이드로폰과 DAQ(Data Acqusition) 시스템을 이용하여 하드웨어를 구성하였다. 그림 2는 본 논문에서 사용한 위치추적 시스템의 개념도를 나타낸다.
수조실험은 3가지의 경우로 수행했으며, Case 1과 Case 2는 송신센서를 트랙을 따라 이동시켰고, Case 3은 송신센서를 무인잠수정에 장착하여 실험하였다. 그림 11, 12 및 그림 13, 14는 각각 Case 1과 Case 2의 경우이며 수조내부에 파이프를 이용하여 4각으로 송신센서가 움직일 수 있는 트랙을 설치하여 송신센서의 이동속도를 다르게 하여 수행한 위치측정 결과이다.
실험에서는 함수발생기(Function Generator)를 이용하여 100kHz의 버스트(Burst) 신호를 발생하여 핑거(Pinger)를 통해 송신하였으며, 이 신호를 DAQ와 동조하였다. 고정된 4개의 하이드로폰으로 신호를 수신하여 300kHz의 샘플링 주파수로 A/D변환을 하고, 식 (1)과 식 (2)에 의하여 제안된 위치추적 알고리즘을 통하여 무인잠수정의 위치를 추정하였고, DAQ 시스템과 LabView 프로그램을 이용하여 실시간으로 화면상에 위치를 나타내었다.

대상 데이터

)는 그림 3의 오른쪽과 같다. TC4013의 전달감도(Transmitting Sensitivity)는 그림 4와 같으며, 본 실험에서는 그림 5의 방향성테스트에 사용된 100kHz로 신호를 사용하였다. 센서의 수평/수직 방향 방향성은 그림 5와 같이 전방향성 (Omni-directional)을 갖는 센서이다[9].
구현된 위치추적 시스템의 성능을 검증하기 위하여 그림 8에 보인 제주대학교 해양과환경연구소 내에 설치된 3m×3m×1.7m의 수조에서 실험을 수행하였다.
본 실험에서 사용된 DAQ 시스템은 그림 6과 같으며, National Instrument사의 NI USB-6251 BNC 모델이다. LabView 프로그램과의 최적화된 호환시스템이며, 8개의 아날로그 입력을 가지고 1.
실험에 사용된 하이드로폰은 RESON사의 TC4013 모델을 사용하였으며, 그림 3의 왼쪽과 같다. 신호의 증폭을 위해 사용된 프리앰프(Pre Amp.

데이터처리

본 논문에서는 수중에서 이동하는 무인잠수정(ROV)의 위치를 측정하는 방법 중의 하나인 단기선 방식(SBL)을 이용하여 잠수정의 위치측정을 수행하였고, 실제로 하이드로폰과 DAQ 시스템을 이용하여 수조에서 실험을 수행하였다. 입력된 신호를 이용하여 위치 계산방식으로 삼각측량법을 이용하였고, LabView 프로그램을 이용하여 실시간으로 무인잠수정의 위치를 계산하여 출력하였다. 실험결과, 제안된 알고리즘은 X, Y방향에 대해서는 비교적 정확한 추정 결과를 나타내었고 이를 이용하여 무인잠수정의 수평방향 위치제어용 데이터로 사용하기에 충분하다고 판단된다.

성능/효과

또한, Case 2 (그림 13, 14)의 경우 약 10cm/s 정도의 속도로 Case 1의 속도보다 2배 정도 빠르게 움직인 경우인데, 약간의 데이터들이 점프하는 경향을 나타내는 것을 제외하고는 정확하게 위치를 측정하고 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 본 논문에서 구현한 단기선 방식의 위치추적 방식은 X, Y평면에 대해서는 비교적 정확한 위치를 나타내었으나 Z방향에 대한 수심 위치 측정은 식(2)에서 계산된 x, y 위치 값을 사용하여 z의 위치를 계산하는 과정에서 오차가 누적되어 수평방향보다 다소 큰 오차를 포함하고 있다.
실제 송신센서를 ROV에 장착하여 이동한 경우에는 ROV가 수조벽면에 가까이 접근했을 경우 멀티패스(Multi-path)에 의한 영향과 자체 추진기 작동 소음에 의한 영향을 받아 Case 1과 2의 경우 보다 조금 더 많은 잡음성분을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 그림 16에서 보면 X, Y의 위치는 비교적 정확하게 추정하고 있으며, 무인잠수정의 수평방향 위치제어용 데이터로 사용하기에 충분한 기준 값의 5%이내의 오차 정도를 갖고 있다.
입력된 신호를 이용하여 위치 계산방식으로 삼각측량법을 이용하였고, LabView 프로그램을 이용하여 실시간으로 무인잠수정의 위치를 계산하여 출력하였다. 실험결과, 제안된 알고리즘은 X, Y방향에 대해서는 비교적 정확한 추정 결과를 나타내었고 이를 이용하여 무인잠수정의 수평방향 위치제어용 데이터로 사용하기에 충분하다고 판단된다. 그러나 Z방향에 대하여서는 오차를 포함하고 있어 수직방향 제어용 데이터로 사용하기 힘들다고 판단된다.

후속연구

현재의 측정신호는 샘플링 주파수가 장비의 한계로 인해 충분한 용량이 아니며, 송신신호가 미약해 측정에 오차가 있는 상황이어서 추후 이를 보완하여 실 해역 실험에 적용할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SBL시스템을 채택하는 경우 고려하여야 하는 점은 무엇인가?	두 번째 방식은 SBL(Short BaseLine) 시스템인데 이는 심해저에 고정된 기준점으로 인한 이동영역의 제약을 없애기 위해 해저에 설치했던 수 개의 기준점을 수상에 위치한 선박으로 옮겨 넓은 해역의 탐사를 지속적으로 빠르게 수행하려는 방식이다. 이 방식을 채택하는 경우 수상선과 수중이동체는 일정 거리 범위 내에서 함께 이동해야 하고, 선박의 운동을 별도로 고려하여야 한다. 이러한 SBL방식을 응용한 세 번째 방식이 SSBL (Super Short BaseLine)이다.
	LBL시스템의 특징은?	가장 먼저 고안되고 사용되어 그 신뢰도가 검증된 방식인 LBL(Long BaseLine) 시스템은 해저에 수개의 고정된 기준점을 설치한 후 그 영역 내에서 이동하는 물체의 위치를 추적하는 방식이다. 이 방식은 수심에 관계없이 정밀하게 위치정보를 취득할 수 있는 반면 최대 수중통신 거리의 제약 때문에 이동체의 이동범위가 제한된다. 따라서 이 방식은 광역탐사에는 다소 부적합하지만 심해저 우선 채광지역의 정밀조사 등 좁은 영역의 정밀 위치추적에는 권장할 수 있는 방식이라 할 수 있다. 두 번째 방식은 SBL(Short BaseLine) 시스템인데 이는 심해저에 고정된 기준점으로 인한 이동영역의 제약을 없애기 위해 해저에 설치했던 수 개의 기준점을 수상에 위치한 선박으로 옮겨 넓은 해역의 탐사를 지속적으로 빠르게 수행하려는 방식이다.
	SBL 시스템이란 무엇인가?	따라서 이 방식은 광역탐사에는 다소 부적합하지만 심해저 우선 채광지역의 정밀조사 등 좁은 영역의 정밀 위치추적에는 권장할 수 있는 방식이라 할 수 있다. 두 번째 방식은 SBL(Short BaseLine) 시스템인데 이는 심해저에 고정된 기준점으로 인한 이동영역의 제약을 없애기 위해 해저에 설치했던 수 개의 기준점을 수상에 위치한 선박으로 옮겨 넓은 해역의 탐사를 지속적으로 빠르게 수행하려는 방식이다. 이 방식을 채택하는 경우 수상선과 수중이동체는 일정 거리 범위 내에서 함께 이동해야 하고, 선박의 운동을 별도로 고려하여야 한다.

참고문헌 (9)

J. Yuh, "Development in Underwaer Robotics," Robotics and automation 1995 IEEE International Conference, Vol. 2, pp. 1862-1867, 1995.
조경남, 서동철, 최항순, "SNU-LBL 시스템의 구성 및 이론적 전개", 한국수중로봇연구회 2005년 춘계워크샵, pp. 63-71, 2005.
이덕환, 고학림, 임용곤, "수중환경에서 위치추적 시스템의 DSP 구현", 한국음향학회지, 제26권, 제1호, pp. 48-54, 2007.
이용희, "LBL과 심도계를 결합한 천수역 수중위치추정시스템 개발", 서울대학교 조선해양공학과 석사학위 논문, 2006.
S.M. Smith and D. Kronen, "Experimental Results of an Inexpensive Short Baseline Acoustic Positioning System for AUV Navigation", Oceans '97. MTS/IEEE Conference, pp. 714-720, 1997.
P.H. Milne, "Underwater Acoustic Positioning System", E. & F.N. SPON, London, 1983.
LabView, NI LabView ver.8.5, National Instruments, 2008.
Stockton T.R. and McLennan M.W, "Acoustic Position Measurement, an Overview", Proc. 7th Ann. Offshore Technology Conference, pp. 255-264, 1975.
Hydrophone TC4013 Manual, RESON Inc. http://www.reson.com/graphics/design/Spec%20sheets/Hydrophones%20-%204000%20series/TC4013.pdf

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

SBL방식을 이용한 무인잠수정의 수중초음파 위치측정시스템 개발
Development of Acoustic Positioning System for ROV using SBL System 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

SBL방식을 이용한 무인잠수정의 수중초음파 위치측정시스템 개발 Development of Acoustic Positioning System for ROV using SBL System 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

유선철 (3) 변승우 (4)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

SBL방식을 이용한 무인잠수정의 수중초음파 위치측정시스템 개발
Development of Acoustic Positioning System for ROV using SBL System 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper