[논문]새로운 Convertible ROV의 설계 연구

최형식; 전지광; 정상기; 박한일; 유삼상

doi:10.5916/jkosme.2012.36.4.451

새로운 Convertible ROV의 설계 연구
Study of Design for Convertible ROV 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.36 no.4, 2012년, pp.451 - 458

최형식 (한국해양대학교 기계에너지시스템 공학부) , 전지광 (한국해양대학교 대학원 기계공학과) , 정상기 (한국해양대학교 대학원 기계공학과) , 박한일 (한국해양대학교 해양공학과) , 유삼상 (한국해양대학교 기계에너지시스템 공학부)

초록
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수중의 작업 목적에 따라 ROV와 AUV의 두 가지 용도로 사용할 수 있는 새로운 구조의 변신 6자유도 수중로봇의 설계연구를 하였다. CROV의 ROV모드와 AUV모드에 대한 각각의 구조 설계연구를 수행하였으며 각각의 모드에 대한 제어시스템을 설계하고 AUV의 경우에는 추력에 따른 항해속도에 대한 해석을 수행하였다. ROV나 AUV의 정확한 위치 및 속도를 추정할 수 있도록 다양한 센서신호를 퓨전하여 처리하는 센서퓨전보드를 제작하고 확장 칼만필터를 포함하는 전체 제어시스템을 설계하고 제작하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the design study of a new convertible six d.o.f underwater robot which can be a ROV or AUV according to underwater work purpose is presented. A structure design about the ROV and the AUV and its design on the control system is presented. In case of the AUV, an analysis on thruster forces in accordance with operating speed has been performed. A sensor fusion board which can proceed various sensor signals to identify correct positions and speeds has been developed and a total control system including EKF(Extended Kalman Filter) has been designed and developed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

ROV로 사용할 때는 수중 매니퓰레이터를 부착하고 수상에서 연결된 테더 케이블로 공급되는 전력을 이용하여 원격으로 수중에서의 작업이 가능한 ROV로 구성된다. 또한, 매니퓰레이터와 테더 케이블을 제거하면 수중작업보다는 수중탐사와 같은 작업을 할 수 있는 AUV의 특성을 갖는 구조로 변신되는 새로운 구조 및 성능의 CROV(Convertible ROV)의 설계 연구를 하였다.
ROV로 사용할 때는 수중 매니퓰레이터를 부착하고 수상에서 연결된 테더 케이블로 공급되는 전력을 이용하여 원격으로 수중에서의 작업이 가능한 ROV로 구성된다. 또한, 매니퓰레이터와 테더케이블을 제거하면 수중작업보다는 수중 탐사와 같은 작업을 할 수 있는 AUV의 특성을 갖는 구조로 변신되는 새로운 구조 및 성능의 CROV의 설계 연구를 하였다.
본 연구에서는 수중에서의 해류나 선체의 유체 저항을 최소화하기 위해 유선형의 선체로 설계하였고 수평방향의 자기위치를 강인하게 유지하기 위하여 4대의 추진기를 대칭적으로 구성하도록 설계하였다. 또한 6 자유도 운동제어에 적합하도록 상하 대칭으로 3대의 수중추진기를 Figure 2과 배치 설계하였다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하도록 작업 목적에 따라 ROV와 AUV의 두 가지 용도로 사용할 수 있는 새로운 수중로봇의 설계를 하였다. ROV로 사용할 때는 수중 매니퓰레이터를 부착하고 수상에서 연결된 테더 케이블로 공급되는 전력을 이용하여 원격으로 수중에서의 작업이 가능한 ROV로 구성된다.
수중의 작업 목적에 따라 ROV와 AUV의 두 가지 용도로 사용할 수 있는 새로운 수중로봇의 설계 연구를 하였다. ROV로 사용할 때는 수중 매니퓰레이터를 부착하고 수상에서 연결된 테더 케이블로 공급되는 전력을 이용하여 원격으로 수중에서의 작업이 가능한 ROV로 구성된다.

가설 설정

무인 잠수정은 수중에서 받는 항력보다 큰 출력을 낼 수 있어야 한다. 외란을 무시하였을 때 수중에서 수평 추진기의 사용이 가능한지를 판단하기 위해 선체 형상을 입방체 형태로 가정, 수평 추진기가 최대 추력을 낸다고 가정하여 계산하였다.

제안 방법

ROV의 중량을 100Kg 이내로 줄이기 위하여 프레임은 주로 알루미늄 판재를 사용하고 강도보강을 위해서는 알루미늄 각재를 사용하였다. (a)는 ROV의 상판에 카메라, 조명 및 상부 추진체를 각재를 이용하여 고정하도록 설계하였다. (b)는 수평 추진체들을 고정하며 ROV의 중가지지를 위한 중간지지대이다.
ROV 형태에서의 자기 위치 유지 및 자세제어에 용이하도록 7개의 추진기를 6자유도 운동제어에 적합하도록 전방 30도의 각도를 가지고 배치하였다. 4개의 수평 추진기는 자율 운항 시 필요한 추력을 내기 위해 사용하며 3개의 수직 추진기는 선체의 상하 운동 때 사용 되도록 설계 하였다. 또한 각 추진기는 ROll 모션시 최대 복원력을 낼 수 있도록 선체의 좌/우 측면 끝에 근접 배치하였다.
우선 제어시스템의 구조를 각각 살펴보면 ROV 모드에 적용하는 제어시스템은 Figure 11과 같다[4]. ROV 는 선상에서 VDC 300V를 인가 받아 전원하우징에서 추진체 및 각 카메라, 조명, 각종센서와 제어 회로에 필요한 전압을 얻기 위해 전압강하와 전압 안정화 회로로 구성하였다[5-6].
ROV 모드에서의 구조를 설계하였다. 중소형크기 로 최소한 중량을 갖도록 최적 구조설계를 하였다.
AUV모드로 전환시 기본 구성품은 매니퓰레이터를 제외한 나머지 부분은 ROV모드와 동일하다. ROV 형태에서의 자기 위치 유지 및 자세제어에 용이하도록 7개의 추진기를 6자유도 운동제어에 적합하도록 전방 30도의 각도를 가지고 배치하였다. 4개의 수평 추진기는 자율 운항 시 필요한 추력을 내기 위해 사용하며 3개의 수직 추진기는 선체의 상하 운동 때 사용 되도록 설계 하였다.
ROV를 AUV로 변신할 때는 ROV구조에서와 같이 4개의 수평 추진기와 3개의 수직 추진기로 총 7개의 추진기를 가지며 6자유도 운동을 제어할 수 있는 구조가 되도록 설계하였다. AUV의 크기는 조작하기에 편리하면서 필요 장비를 탑재 할 수 있는 크기로 정하였으며 설계된 ROV 및 AUV의 개략적인 재원은 Table 1과 같다.
제어하우징의 IMU, DGPS, DVL, Depth 센서를 이용하여 Host PC와 선체와의 데이터 통신으로 오퍼레이터는 선상에서 ROV의 진행방향, 현 위치, 선체의 상태 등을 체크 할 수 있다. ROV와 오퍼레이터와의 정보교환에 중점을 두고 제어시스템을 설계하였다.
ROV의 제어시 수중에서 선체의 상태를 실시간으로 오퍼레이터가 알기위해 3대의 저조도 수중 카메라를 장착하였다. 제어하우징의 IMU, DGPS, DVL, Depth 센서를 이용하여 Host PC와 선체와의 데이터 통신으로 오퍼레이터는 선상에서 ROV의 진행방향, 현 위치, 선체의 상태 등을 체크 할 수 있다.
개발한 관절구동기의 육상성능시험을 하였다. 시험 조건은 입력 48V 최대전류 2.
그리고 ROV나 AUV의 정확한 위치 및 속도를 추정할 수 있도록 다양한 센서신호를 퓨전 하여 처리하는 센서퓨전보드를 제작하고 확장 칼만필터를 포함하는 전체 제어시스템을 설계하였다.
매니퓰레이터의 구조는 작업공간을 크게 하고 어깨관절의 부하를 줄이기 위해 하부 관절 3개가 최하부로부터 요-피치-피치 구조이다. 따라서 관절 구동기의 용량을 작게 설계하여 경량이고 소형화된 설계를 하였다. 해중에서의 매니퓰레이터의 구조는 Figure 5와 같다.
모터에서 바로 프로펠러로 동력전달이 가능한 구조이다. 또한 감속기와 마그네틱 커플링을 제거하여 간편한 구조인 outer rotor 방식을 채택하였다.
또한, CROV의 ROV모드에 대해 구체적인 구조 설계연구를 수행하였다. 또한, 각각의 모드에 대한 제어시스템을 설계하고 AUV의 경우에는 추력에 따른 항행속도에 대한 해석을 수행하였다.
또한, CROV의 ROV모드에 대해 구체적인 구조 설계연구를 수행하였다. 또한, 각각의 모드에 대한 제어시스템을 설계하고 AUV의 경우에는 추력에 따른 항행속도에 대한 해석을 수행하였다.
본 연구에서 CROV는 Figure 2와 같이 전체 기구부 구성은 선체, 제어하우징, 전원하우징, 배터리하우징, 테더케이블, 매니퓰레이터, 추진기, DVL, USBL로 설계하였다. AUV모드로 전환시 기본 구성품은 매니퓰레이터를 제외한 나머지 부분은 ROV모드와 동일하다.
해중에서의 매니퓰레이터의 구조는 Figure 5와 같다. 전체적인 매니퓰레이터의 구조는 요-피치-피치-롤-피치-롤 구조로 설계하였다. 전체 중량은 25kg의 경량이지만 가반하중은 공기 중에서 20kg으로 설계 제작하였다.
중소형크기 로 최소한 중량을 갖도록 최적 구조설계를 하였다. 제어, 전원, 배터리 하우징, 매니퓰레이터 및 추진기들을 선체에 튼튼하며 용이한 구조로 구성되도록 설계하였다. 이들은 Figure 3의 개발 ROV의 측면 단면도에 나타나 있다.
ROV 모드에서의 구조를 설계하였다. 중소형크기 로 최소한 중량을 갖도록 최적 구조설계를 하였다. 제어, 전원, 배터리 하우징, 매니퓰레이터 및 추진기들을 선체에 튼튼하며 용이한 구조로 구성되도록 설계하였다.
추진체의 제어를 위한 센서데이터는 확장 칼만 필터를 사용하여 각각의 센서 데이터를 Figure 13과 같이 융합하고 AUV에서 중요한 자율 주행 알고리즘에 적용하도록 설계하였다.

대상 데이터

AUV의 제어시스템은 ROV의 제어시스템과 유사하나 AUV 모드에서는 선상으로 전송되는 센서의 데이터가 직접 제어 회로에 전송되어 센서 데이터의 연산을 통해 현재 위치를 추정, 선체의 상태와 경로를 제어하게 된다. ROV의 제어 회로에 DSP프로세서인 TMS320c 28335를 사용하여 데이터 수신회로를 결합하게 된다. AUV는 주행 중 수집된 영상을 메모리에 저장하여 회수 후 영상 데이터를 육상에서 분석할 수 있도록 영상 저장장치를 따로 제어하우징에 장착하였다.

성능/효과

66인 고가반하중의 성능을 갖는다. 매니퓰레이터의 2중 오일 구조를 적용한 새로운 회전축계 방수 구조인 관절구동기의 방수테스트를 실시하여 성공적으로 마쳤다, 또한 육상 시험에서 관절구동기의 토크 시험을 통하여 20kg의 외부 부하를 이송할 수 있는 성능을 검증하였다.
전류 및 출력은 토크에 비례해서 증가한다. 정지 토크가 정격 토크의 약 9.17배인 것을 감안할 때 제작된 관절구동기는 목표 최대 토크인 66Nm의 약 3.2배정도를 낼 수 있다.

후속연구

6m/s이고 대략 3 Knot의 수평 추진속도를 가진다. 여기서 C_d를 충분히 크게 설정하였는데, 선형설계를 최적으로 하여 이를 낮추면 최대 4Knot도 가능하게 설계될 것이다.
향후 개발한 CROV의 동적특성 및 항법제어에 대한 보다 심도있는 해석연구와 실험연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ROV와 AUV의 특징은 각각 무엇인가?	ROV는 모선에 연결된 케이블을 통한 수동적인 제어로 구동되고 보통의 경우에는 작업을 위한 매니퓰레이터가 달려있어 수중바닥면에 안착한 후에 혹은 저속의 운동에서 작업을 수행한다. AUV는 원격조종과 동력 전달을 하기 위한 별다른 장치 없이 동력원과 스스로 움직이기 위한 제어장치 및 센서를 갖추고 주로 수중탐사 작업이나 단순한 조작을 할 수 있도록 구성되어 있다. 이와 같이 ROV와 AUV는 작업 목적에 맞게 구조와 성능이 명확히 구분이 되도록 설계 제작되어 한번 제작되면 주어진 용도 외에는 다른 일을 할 수가 없다.
	CROV란 무엇인가?	ROV로 사용할 때는 수중 매니퓰레이터를 부착하고 수상에서 연결된 테더 케이블로 공급되는 전력을 이용하여 원격으로 수중에서의 작업이 가능한 ROV로 구성된다. 또한, 매니퓰레이터와 테더 케이블을 제거하면 수중작업보다는 수중탐사와 같은 작업을 할 수 있는 AUV의 특성을 갖는 구조로 변신되는 새로운 구조 및 성능의 CROV(Convertible ROV)의 설계 연구를 하였다.
	수중로봇은 어떻게 나뉘어지는가?	수중로봇은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 유선 원격제어 무인 잠수정 ROV(Remotely Operated vehi cle)와 자율 무인 잠수정AUV(Autonomous Underwate Vehicle)로 나눌 수 있다[2-3].

참고문헌 (8)

S. M. Ong, A Mission Planning Expert System with Three-Dimensional Path Optimization for the NPS Model 2 Autonomous Underwater Vehicle Master Thesis, Naval Postgraduate School, 1990.
변승우 외, "수중작업용 Hovering AUV의 Test-bed 설계" 국방수중로봇 워크샵 2005.
Y. S. Choi, "Underwater robot technology for inspection", Underwater Robot a Research Body Workshop, pp. 23-27, 2006.
이종식, 이판묵, 이종무, 홍석원, "300m급 수중 ROV 개발에 관한 연구" 한국해양공학회, 제8권 제1호, pp. 50-61, 1994.
최현택, 김기훈, 이판묵, 이종무, 전봉환, "Introduction to ROV and motion control & signal processing for ROV hemire", 한국정밀공학회, vol. 26, no.26, pp. 41-47, 2009.
최현택, 류승철, 이판묵, 이종무, 전봉환, 이계홍, 김기훈, "심해 무인잠수정 해미래의 운동 제어 시스템", 대한전기학회, ICS;07 정보 및 제어 심포지움 논문집, pp. 319-321, 2007.
유선철, "Introduction to specific purpose AUV and applications", 한국정밀공학회, vol. 26, no.5, pp. 33-40, 2009.
오수훈, 김태식, "칼만 필터를 이용한 무인기의 표적 위치 추정 정확도 개선", 한국항공우주연구원, 항공우주기술, 제6권, 제1호, pp. 237-244, 2007.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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