IMU(Inertial Measurement Unit)는 선박, 잠수함, 항공기 및 군용장비 응용분야에서 적용되어 자세 측정 영역에 주로 사용되고 있지만, 이런 IMU는 고가의 장비이기 때문에 특수 분야에서만 한정적으로 이용되어 왔다. 그러나 MEMSAHRS(MEMS : Micro Electro Mechanical System, AHRS : Attitude and Heading Reference System)의 현 기술 상황은 지능형 MEMS AHRS가 채택된 응용분야에서 가격이 높은 IMU를 대체 할 수 있는 수준에 이르고 있다. 본 논문에서는 자이로 센서, 가속도 센서, 지자기 센서를 사용한 AHRS를 이용하여 선박의 주요 운동 요소인 횡동요, 종동요, 선수동요 값을 측정할 수 있는 무선 선체 운동 측정 시스템을 개발하였다. 또한 AHRS 센서가 발생시키는 오차인 순간 가속도, 지자기의 영향 및 진동에 대응하기 위하여 칼만 필터링 기능이 탑재된 센서를 적용함으로서 최적의 성능을 실현하고자 하였다. 본 연구에서 구현한 AHRS 센서를 이용한 무선 선체 운동 측정 시스템을 이용하여 실선 실험을 실행하였으며, 선박의 제한적인 설치 상황에서도 편리하게 적용할 수 있을 것으로 보여진다. 향후 이 시스템이 선박에서 INS(Integrated Navigation System) 및 VDR(Voyage Data Recorder)과 같은 선박 장비와 호환되어 활용될 경우 항해 안전과 해양사고 분석에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
IMU(Inertial Measurement Unit)는 선박, 잠수함, 항공기 및 군용장비 응용분야에서 적용되어 자세 측정 영역에 주로 사용되고 있지만, 이런 IMU는 고가의 장비이기 때문에 특수 분야에서만 한정적으로 이용되어 왔다. 그러나 MEMS AHRS(MEMS : Micro Electro Mechanical System, AHRS : Attitude and Heading Reference System)의 현 기술 상황은 지능형 MEMS AHRS가 채택된 응용분야에서 가격이 높은 IMU를 대체 할 수 있는 수준에 이르고 있다. 본 논문에서는 자이로 센서, 가속도 센서, 지자기 센서를 사용한 AHRS를 이용하여 선박의 주요 운동 요소인 횡동요, 종동요, 선수동요 값을 측정할 수 있는 무선 선체 운동 측정 시스템을 개발하였다. 또한 AHRS 센서가 발생시키는 오차인 순간 가속도, 지자기의 영향 및 진동에 대응하기 위하여 칼만 필터링 기능이 탑재된 센서를 적용함으로서 최적의 성능을 실현하고자 하였다. 본 연구에서 구현한 AHRS 센서를 이용한 무선 선체 운동 측정 시스템을 이용하여 실선 실험을 실행하였으며, 선박의 제한적인 설치 상황에서도 편리하게 적용할 수 있을 것으로 보여진다. 향후 이 시스템이 선박에서 INS(Integrated Navigation System) 및 VDR(Voyage Data Recorder)과 같은 선박 장비와 호환되어 활용될 경우 항해 안전과 해양사고 분석에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
The IMU(Inertial Measurement Unit) which is the expensive equipment has been used as a special limited area, usually in measurement of posture of applying to the areas of ship, submarine, aircraft and military equipment application. However, in the current situation, MEMS AHRS technology can replace...
The IMU(Inertial Measurement Unit) which is the expensive equipment has been used as a special limited area, usually in measurement of posture of applying to the areas of ship, submarine, aircraft and military equipment application. However, in the current situation, MEMS AHRS technology can replace the high-priced IMU in MEMS AHRS selected application field. In this paper, wireless hull motion measurement system was suggested for measuring key elements of ship's movement such as rolling, pitching and yawing using gyro, acceleration and magnetic sensors of AHRS. In order to reduce the error such as instantaneous acceleration, effects and vibration of geomagnetic, we have adopted the sensors equipped with Kalman filtering. The Wireless hull motion measurement system using AHRS sensors was tested in actual ship and it could easily be applied in limited installation circumstances of the ship. In the future, this system can be useful in the navigation safety and marine accident analysis by using with ship equipment such as INS or VDR in the maritime.
The IMU(Inertial Measurement Unit) which is the expensive equipment has been used as a special limited area, usually in measurement of posture of applying to the areas of ship, submarine, aircraft and military equipment application. However, in the current situation, MEMS AHRS technology can replace the high-priced IMU in MEMS AHRS selected application field. In this paper, wireless hull motion measurement system was suggested for measuring key elements of ship's movement such as rolling, pitching and yawing using gyro, acceleration and magnetic sensors of AHRS. In order to reduce the error such as instantaneous acceleration, effects and vibration of geomagnetic, we have adopted the sensors equipped with Kalman filtering. The Wireless hull motion measurement system using AHRS sensors was tested in actual ship and it could easily be applied in limited installation circumstances of the ship. In the future, this system can be useful in the navigation safety and marine accident analysis by using with ship equipment such as INS or VDR in the maritime.
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문제 정의
본 논문에서는 MEMS AHRS 센서 기반의 IMU를 이용하여 선체 운동 계측 데이터를 획득하여 실시간 선체 운동을 모니터링 할 수 있는 무선 선체 운동 계측 시스템의 구현과 이와 관련된 알고리즘을 개발하였다.
9에 샘플 계측 지점 표시)에서 횡동요, 종동요, 선수동요의 계측 결과를 AHRS 센서에 의한 결과와 실제 측정치를 함께 도시하였다. 본 연구는 선박의 내항 성능 평가를 위한 선체 운동 요소의 유의 진폭치 계산에 필 요한 표준편차 값을 구하기 위하여 AHRS를 이용하여 무선 으로 횡동요와 같은 선체 운동 요소를 계측하고 해석을 수행 하고자 한 연구이다. 따라서 선체 운동이 다른 항해 구간보다 비교적 크게 발생한 1차 실험 구간에서의 샘플링 구간을 선정하였으며, AHRS에 의한 계측 값과 경사계 등에 의한 실측 값을 상호 비교하고 있다.
이러한 평가 방법상의 문제점을 개선하고 평가 요소 계측상의 어려움을 해결할 수 있는 방법으로, 임의의 대표 요소 한가지에 의한 선박 전체의 항해안전성 평가에 대한 연구가 진행중이다. 이에 본 연구는 실제 해상에서 선체 운동 요소를 계측하고, 계측된 데이터의 처리 및 해석을 통하여 선박의 종합적인 항해 안전성을 평가할 수 있는 시스템 개발의 기초 연구로서 수행되었다. 본 연구에서는 AHRS 센서 자체의 특성 오차와 장시 간 사용으로 인한 누적 오차를 보정하기 위해 칼만 필터링 기능이 탑재된 센서를 선정하여 선체 운동 계측 시스템에 적용하였다.
제안 방법
AHRS 센서 계측값의 검증을 위한 실선에서의 실제 측정은 선체 중앙부에 위치한 지점에서 JIN HANG Marine Equipment사와 LILLEY & GILLIE사에서 제작된 눈금간격 이 1°인 아날로그 선박용 경사계(clinometer)를 설치하여 횡동요와 종동요를 실측하였고, 경사계의 움직임을 CCTV로 촬영하여 영상을 시간 정보를 포함하고 있는 DVR(Digital Video Recorder) 시스템에 기록하여 실험 후 데이터 분석시에 시간대별 검색이 가능하도록 하였다.
실제 선수동요 계측은 ECDIS 시스템에서 NMEA0183 표준 포맷으로 기록된 GYRO (TokyoKeiki TG-8000 Model) heading 값(진방향)을 10 times/sec heading update rate로 추출하여 측정하였다. AHRS 센서에 의한 선수동요를 측정하기 위한 방법으로는 지자기 센서로 감지되는 각도 값을 초기 설정 때 Gyroscope 에서 받은 진방위 값을 기준으로 보정하여 항해시에는 좌우 측 각도 변동량을 측정하였다.
본 연구에서는 AHRS 센서 자체의 특성 오차와 장시 간 사용으로 인한 누적 오차를 보정하기 위해 칼만 필터링 기능이 탑재된 센서를 선정하여 선체 운동 계측 시스템에 적용하였다. 그리고, 제한된 환경인 선박에서 선체 운동 계측을 효과적으로 계측하기 위하여 무선 시스템을 접목시킨 무선 선체 운동 계측 시스템을 개발하였으며, 본 시스템을 이용하여 실선에서의 실험을 수행하였다.
본 연구는 선박의 내항 성능 평가를 위한 선체 운동 요소의 유의 진폭치 계산에 필 요한 표준편차 값을 구하기 위하여 AHRS를 이용하여 무선 으로 횡동요와 같은 선체 운동 요소를 계측하고 해석을 수행 하고자 한 연구이다. 따라서 선체 운동이 다른 항해 구간보다 비교적 크게 발생한 1차 실험 구간에서의 샘플링 구간을 선정하였으며, AHRS에 의한 계측 값과 경사계 등에 의한 실측 값을 상호 비교하고 있다. 실선 실험 선박인 한바다호의 횡동요 주기는 계산값이 10.
1차 실험에서의 날씨는 해 상 및 기상 상태가 풍랑이 이는 상황이었고, 2차 실험은 비교적 평온한 편이었다. 또한, 조류에 의한 외력의 경우 대지속력과 대수속력을 비교하여 측정하였으며, 1차에서는 선박의 진행방향에 대하여 역방향(역조) 그리고 2차에서는 순방향 (순조)으로 작용하였다.
무선 선체 운동 계측 시스템은 세 부분으로 구성하여 설계하였다. AHRS 센서를 사용하여 항해중인 선박의 횡동요, 종동요, 선수동요 데이터를 측정하는 선체 운동 계측 부분, 측 정된 데이터를 무선 네트워크를 통하여 전송하는 무선 센서 네트워크 부분과 전송된 데이터를 수신하여 정보 처리하는 데이터 수집 처리 부분이다.
본 연구에서 선체 운동을 실시간 계측하기 위해 사용된 관성측정장치(IMU)의 자세측정시스템(AHRS) 센서는 3축 MEMS 가속도(Accelerometer), 자이로스코프(Gyroscope), 지자기(Magnetometer) 센서로 구성되어 있으며, 이는 3축에 직각으로 배치되어 총 9축이 측정되므로 각 센서로부터 선체 운동을 6 자유도(DOF: Degree of Freedom) 요소를 계측하여 결과 값을 얻을 수 있다. 선체운동 계측부에 적용한 센서 는 시중에서 판매하는 저가의 상용 제품인 32Bit MCU(Micro Controller Unit)를 탑재한 디지털 타입의 AHRS 모듈 센서와 정밀도가 높은 6 DOF 및 범용 3 DOF 계측용 MEMS AHRS 센서를 사용하였다.
이에 본 연구는 실제 해상에서 선체 운동 요소를 계측하고, 계측된 데이터의 처리 및 해석을 통하여 선박의 종합적인 항해 안전성을 평가할 수 있는 시스템 개발의 기초 연구로서 수행되었다. 본 연구에서는 AHRS 센서 자체의 특성 오차와 장시 간 사용으로 인한 누적 오차를 보정하기 위해 칼만 필터링 기능이 탑재된 센서를 선정하여 선체 운동 계측 시스템에 적용하였다. 그리고, 제한된 환경인 선박에서 선체 운동 계측을 효과적으로 계측하기 위하여 무선 시스템을 접목시킨 무선 선체 운동 계측 시스템을 개발하였으며, 본 시스템을 이용하여 실선에서의 실험을 수행하였다.
선체 6자유도 운동의 3요소(횡동요, 종동요, 선수동요)와 가속도를 계측하기 위한 AHRS 센서의 데이터를 획득하고 분석하기 위하여 센서 제작 업체에서 개발 툴로 제공하는 NT-ARS와 Uni-Matrix의 두 가지 프로그램을 사용하여 AHRS 센서 계측 데이터 모니터링 및 수집 작업을 하였다. 이 S/W는 AHRS 센서 데이터 수집 및 제어가 가능한 프로 그램으로서 센서별 통신 포트 설정, 센서 보정, 주파수 설정 등의 기능이 있고, 센서 계측 값의 텍스트 데이터, 그래프 표시, 2D 그래프와 3D 그래픽 구현이 되어 사용상 편리성과 결과 데이터를 다양하게 가공할 수 있다.
본 연구에서 선체 운동을 실시간 계측하기 위해 사용된 관성측정장치(IMU)의 자세측정시스템(AHRS) 센서는 3축 MEMS 가속도(Accelerometer), 자이로스코프(Gyroscope), 지자기(Magnetometer) 센서로 구성되어 있으며, 이는 3축에 직각으로 배치되어 총 9축이 측정되므로 각 센서로부터 선체 운동을 6 자유도(DOF: Degree of Freedom) 요소를 계측하여 결과 값을 얻을 수 있다. 선체운동 계측부에 적용한 센서 는 시중에서 판매하는 저가의 상용 제품인 32Bit MCU(Micro Controller Unit)를 탑재한 디지털 타입의 AHRS 모듈 센서와 정밀도가 높은 6 DOF 및 범용 3 DOF 계측용 MEMS AHRS 센서를 사용하였다. Fig.
따라서 선체 운동이 다른 항해 구간보다 비교적 크게 발생한 1차 실험 구간에서의 샘플링 구간을 선정하였으며, AHRS에 의한 계측 값과 경사계 등에 의한 실측 값을 상호 비교하고 있다. 실선 실험 선박인 한바다호의 횡동요 주기는 계산값이 10.2초, 실측 평균 값이 8.6초로 선체가 낮은 주기로 움직이므로 각 AHRS 센서마다 sampling rate를 10Hz로 하여 센서 계측 값을 취득하였다. 샘플링 구간에서의 계측 데이터의 AHRS 센서 계측치 값은 횡동요각 –3° ～ 14° , 종동요각 –3° ～ 5.
실선에서의 운항중 해상 실험은 먼저 출항전 접안한 부두에서 AHRS 센서의 자세 결정과 선수각의 오차를 보정하기 위해서 고정판에 각 센서를 고정하고 횡동요와 종동요 값의 0점 보정 작업과 선수방향(heading)을 선박의 자이로 컴파스 값과 일치시켜 초기 설정을 하였고, 전용 데이터 수집 S/W를 사용하여 출항 후 30분 간격으로 횡동요, 종동요, 선수동요의 데이터를 취득 및 저장하였다.
AHRS 센서 계측값의 검증을 위한 실선에서의 실제 측정은 선체 중앙부에 위치한 지점에서 JIN HANG Marine Equipment사와 LILLEY & GILLIE사에서 제작된 눈금간격 이 1°인 아날로그 선박용 경사계(clinometer)를 설치하여 횡동요와 종동요를 실측하였고, 경사계의 움직임을 CCTV로 촬영하여 영상을 시간 정보를 포함하고 있는 DVR(Digital Video Recorder) 시스템에 기록하여 실험 후 데이터 분석시에 시간대별 검색이 가능하도록 하였다. 실제 선수동요 계측은 ECDIS 시스템에서 NMEA0183 표준 포맷으로 기록된 GYRO (TokyoKeiki TG-8000 Model) heading 값(진방향)을 10 times/sec heading update rate로 추출하여 측정하였다. AHRS 센서에 의한 선수동요를 측정하기 위한 방법으로는 지자기 센서로 감지되는 각도 값을 초기 설정 때 Gyroscope 에서 받은 진방위 값을 기준으로 보정하여 항해시에는 좌우 측 각도 변동량을 측정하였다.
본 연구에 적용한 계측 장비는 크기가 작고 무선으로 데이터 처리가 가능하여, 선교 또는 기타 선내 특정 장소에 쉽게 설치 할 수 있으므로 실선 실험에서는 실습선 한바다호의 무게중심 근처 상부 부근에 위치한 지점의 장소를 선정하여 실험하였다. 실험 계측치의 보정은 설치 장소와 선체 운동의 중심점과의 좌표 값을 이용하여 선체운동 계측 값을 분석하였다. Fig.
무선 센서 네트워크(WSN, Wireless Sensor Network)는 공간 및 위치에 제약 없이 다양한 공간에 설치되어 주위 환경 정보를 수집한 뒤 센서 노드들 간의 독립적인 무선 네트워크를 통해 목적지로 전송할 수 있는 기술이다. 특히 선박의 제한된 환경에서 이러한 장점을 지닌 WSN을 적용하여 선박 내・외부의 근거리 통신망의 활용을 통한 선박 환경에 최적화된 선체 운동 계측 시스템의 무선 네트워크 망을 구축하였다. Fig.
대상 데이터
실선 실험은 한바다호의 2013년도 제1차 연안항해 기간 중인 3월 18일에서 3월 22일 사이에 2회에 걸쳐 선상에서 실시 하였다. Fig. 9 및 Table 4에서와 같이 실험 대상 선박이 부산-제주 항해구간에서 1차 실험은 남서 방향으로 항해하면서 계측되었으며, 2차 실험은 반대로 북동 방향으로 항해하면서 조사되었다.
본 연구에 적용한 계측 장비는 크기가 작고 무선으로 데이터 처리가 가능하여, 선교 또는 기타 선내 특정 장소에 쉽게 설치 할 수 있으므로 실선 실험에서는 실습선 한바다호의 무게중심 근처 상부 부근에 위치한 지점의 장소를 선정하여 실험하였다.
실선 실험은 한바다호의 2013년도 제1차 연안항해 기간 중인 3월 18일에서 3월 22일 사이에 2회에 걸쳐 선상에서 실시 하였다. Fig.
해상에서의 실선 실험을 위하여 한국해양대학교 실습선 한 바다호를 실험 모델로 선정하였다. Table 3과 Fig.
성능/효과
5°, 선수동요각 250° ～ 261°을 얻을 수 있었고, 실제 측정치 값은 횡동요각 –2° ～ 13° , 종동요각 –3° ～ 5°, 선수동요각 251° ～ 261°의 범위에 있었다. 센서 계측치와 실측치의 최대 및 최소 진폭치가유사하다는 것을 알 수 있다.
AHRS로 계측된 데이터의 표준편차 값을 토대로 한 종동요 및 횡동요의 유의 진폭치와 실측된 운동 진폭치와는 유사한 값을 나타내고 있다. 즉 1차 항해 구간에서의 AHRS에 의한 횡동요의 유의 진폭치와 실측에 의한 운동 진폭치의 차이는 0.9도, 종동요 진폭치의 차이는 0.7도 차이가 발생하며, 선수동요의 경우에는 상대적으로 큰 1.3도의 차이가 있음을 확인하였다. 선수동요의 차이가 큰 원인은 지자기 MEMS 센서는 지구의 자기장을 측정하여 magnetic heading으로 방위 각을 계산하지만 지구의 자기장이 약하기 때문에 이를 측정하여 방위로 환산할 경우 높은 오차를 보이므로 지자기 외란 에 대한 보상 또는 주기적으로 자이로를 통한 교정이 필요하기 때문인 것으로 추정되므로(Rotenberg et al.
후속연구
그리고, 선체 운동 계측 시스템에 무선 시스템을 접목시켜 선박의 제한된 환경 요건을 해소하여 실무에 편리하게 적용시켰다. AHRS 는 향후 hull stress monitor, loading master, electronic inclinometer, VDR(Voyage Data Recorder) 등의 고도화될 선박 안정성 평가를 위한 시스템의 기초 장비로 적용되어 여러 선박 안전시스템 분야에서도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
, 2005), AHRS 센서로 측정된 heading 계측 값이 실측 값인 자이로 컴파스에 의한 값보다 변동 폭이 크게 나타났다. 그러므로 AHRS 센서를 이용한 heading 값에 대한 선수동요 계산의 정확도를 향상시키기 위해서는 향후 이에 대한 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
본 연구에서 구현한 AHRS 센서 기반의 선체 운동 모니터링 시스템은 선체 운동의 주요 평가 요소인 횡동요, 종동요, 선수동요의 회전 운동 값을 측정함에 있어 실제 해상에서 파랑의 영향을 직접 받는 실선에서 실험한 결과 AHRS의 횡동요와 종동요에 대한 선체 운동 계측은 선수동요보다 비교적 정확성과 신뢰성이 높은 것으로 나타났으며, 선수동요 계측에 대해서는 향후 정확성을 높일 수 있는 방안 및 알고리즘 개발에 대한 연구가 필요한 것으로 판단된다. 그리고, 선체 운동 계측 시스템에 무선 시스템을 접목시켜 선박의 제한된 환경 요건을 해소하여 실무에 편리하게 적용시켰다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
IMU는 주로 어느 영역에서 사용되고 있는가?
IMU(Inertial Measurement Unit)는 선박, 잠수함, 항공기 및 군용장비 응용분야에서 적용되어 자세 측정 영역에 주로 사용되고 있지만, 이런 IMU는 고가의 장비이기 때문에 특수 분야에서만 한정적으로 이용되어 왔다. 그러나 MEMS AHRS(MEMS : Micro Electro Mechanical System, AHRS : Attitude and Heading Reference System)의 현 기술 상황은 지능형 MEMS AHRS가 채택된 응용분야에서 가격이 높은 IMU를 대체 할 수 있는 수준에 이르고 있다.
무선 센서 네트워크란?
무선 센서 네트워크(WSN, Wireless Sensor Network)는 공간 및 위치에 제약 없이 다양한 공간에 설치되어 주위 환경 정보를 수집한 뒤 센서 노드들 간의 독립적인 무선 네트 워크를 통해 목적지로 전송할 수 있는 기술이다. 특히 선박의 제한된 환경에서 이러한 장점을 지닌 WSN을 적용하여 선박 내・외부의 근거리 통신망의 활용을 통한 선박 환경에 최적화된 선체 운동 계측 시스템의 무선 네트워크 망을 구축 하였다.
무선 선체 운동 계측 시스템을 구성하는 세 부분은?
무선 선체 운동 계측 시스템은 세 부분으로 구성하여 설계 하였다. AHRS 센서를 사용하여 항해중인 선박의 횡동요, 종동요, 선수동요 데이터를 측정하는 선체 운동 계측 부분, 측 정된 데이터를 무선 네트워크를 통하여 전송하는 무선 센서 네트워크 부분과 전송된 데이터를 수신하여 정보 처리하는 데이터 수집 처리 부분이다.
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