고속 자율 무인잠수정 적용을 위한 MEMS 기술기반 자세 측정 장치 개발 Development of Attitude Heading Reference System based on MEMS for High Speed Autonomous Underwater Vehicle원문보기
본 연구는 빠른 운항 속도와 짧은 운용 시간을 요구하는 임무에 활용될 저가 소형 자율 무인잠수정에 고가 대형 관성 측정 장치를 대신하여 사용할 수 있는 저가 소형 자세 측정 장치 개발 및 성능 검증을 수행하였다. 저가 소형 자세 측정 장치 개발을 위해서 MEMS 기술을 적용한 gyro, accelerometer 및 magnetometer 채택하여 MEMS 기반 하드웨어를 제작하였으며, 좌표 변환 공식과 칼만 필터를 적용하여 자세 계산 알고리즘을 구현하였다. 또한 개발된 MEMS 기반 자세 측정 장치에 대한 기본 성능 검증을 위한 지자기센서 검증 시험, 정적 자세 시험, 차량 시험, 운동 모사 장치 시험을 수행하였으며, 각각 시험 결과를 제시하였다. 지자기센서 검증 시험 결과 외부 자기장 보정을 통하면 개발된 MEMS 기반 자세 측정 장치의 측정 결과가 외부 자기장에 강인함을 확인하였으며, 정적 자세 시험 및 차량 시험을 통하여 자세 변화가 크지 않는 환경에서 자세 측정 오차가 $0.5^{\circ}/hr$ 임을 확인하였다. 운동 모사 장치 시험을 통하여 5분 내외 자세 변화가 큰 운동 중에도 자세 측정 오차가 발산하지 않고 $1^{\circ}/hr$ 이내임을 확인하였다. 상기 시험 결과로부터 개발된 MEMS 기반 자세 측정 장치가 목표 성능인 $1^{\circ}/hr$이내 roll, pitch, yaw 오차를 보여주고 있음 확인하였으며, 이로부터 20분 내외 운용 시간 동안 정확한 자세 정보 제공 가능성을 확인할 수 있었다.
본 연구는 빠른 운항 속도와 짧은 운용 시간을 요구하는 임무에 활용될 저가 소형 자율 무인잠수정에 고가 대형 관성 측정 장치를 대신하여 사용할 수 있는 저가 소형 자세 측정 장치 개발 및 성능 검증을 수행하였다. 저가 소형 자세 측정 장치 개발을 위해서 MEMS 기술을 적용한 gyro, accelerometer 및 magnetometer 채택하여 MEMS 기반 하드웨어를 제작하였으며, 좌표 변환 공식과 칼만 필터를 적용하여 자세 계산 알고리즘을 구현하였다. 또한 개발된 MEMS 기반 자세 측정 장치에 대한 기본 성능 검증을 위한 지자기센서 검증 시험, 정적 자세 시험, 차량 시험, 운동 모사 장치 시험을 수행하였으며, 각각 시험 결과를 제시하였다. 지자기센서 검증 시험 결과 외부 자기장 보정을 통하면 개발된 MEMS 기반 자세 측정 장치의 측정 결과가 외부 자기장에 강인함을 확인하였으며, 정적 자세 시험 및 차량 시험을 통하여 자세 변화가 크지 않는 환경에서 자세 측정 오차가 $0.5^{\circ}/hr$ 임을 확인하였다. 운동 모사 장치 시험을 통하여 5분 내외 자세 변화가 큰 운동 중에도 자세 측정 오차가 발산하지 않고 $1^{\circ}/hr$ 이내임을 확인하였다. 상기 시험 결과로부터 개발된 MEMS 기반 자세 측정 장치가 목표 성능인 $1^{\circ}/hr$이내 roll, pitch, yaw 오차를 보여주고 있음 확인하였으며, 이로부터 20분 내외 운용 시간 동안 정확한 자세 정보 제공 가능성을 확인할 수 있었다.
This paper proposes the performance evaluation test of attitude heading reference system (AHRS) suitable for small high speed autonomous underwater vehicle(AUV). Although IMU can provides the detail attitude information, it is sometime not suitable for small AUV with short operation time in view of ...
This paper proposes the performance evaluation test of attitude heading reference system (AHRS) suitable for small high speed autonomous underwater vehicle(AUV). Although IMU can provides the detail attitude information, it is sometime not suitable for small AUV with short operation time in view of price and the electrical power consumption. One of alternative for tactical grade IMU is the AHRS based micro-machined electro mechanical system(MEMS) which can overcome many problems that have inhibited the adoption of inertial system for small AUV such as cost and power consumption. A cost effective and small size AHRS which incorporates measurements from 3-axis MEMS gyroscopes, accelerometers, and 3-axis magnetometers has been developed to provide a complete attitude solution for AUV and the attitude calculation algorithm is derived based the coordinate transform equation and Kalman filter. The developed AHRS was validated through various performance tests as like the magnetometer calibration, operating experiments using land mobile vehicle and flight motion simulator (FMS). The test of magnetometer calibration shows the developed MEMS AHRS is robust to the external magent field change and the test with land vehicle proves the leveling error of developed MEMS AHRS is below $0.5^{\circ}/hr$. The results of FMS test shows the fact that AHRS provides the measurement with $0.5^{\circ}/hr$ error during 5 minutes operation time. These results of performance evaluation tests showed that the developed AHRS provides attitude information which error of roll and pitch are below $1^{\circ}$ and the error of yaw is below $5^{\circ}$ and satisfies the required specification. It is expected that developed AHRS can provide the precise attitude measurement under sea trial with real AUV.
This paper proposes the performance evaluation test of attitude heading reference system (AHRS) suitable for small high speed autonomous underwater vehicle(AUV). Although IMU can provides the detail attitude information, it is sometime not suitable for small AUV with short operation time in view of price and the electrical power consumption. One of alternative for tactical grade IMU is the AHRS based micro-machined electro mechanical system(MEMS) which can overcome many problems that have inhibited the adoption of inertial system for small AUV such as cost and power consumption. A cost effective and small size AHRS which incorporates measurements from 3-axis MEMS gyroscopes, accelerometers, and 3-axis magnetometers has been developed to provide a complete attitude solution for AUV and the attitude calculation algorithm is derived based the coordinate transform equation and Kalman filter. The developed AHRS was validated through various performance tests as like the magnetometer calibration, operating experiments using land mobile vehicle and flight motion simulator (FMS). The test of magnetometer calibration shows the developed MEMS AHRS is robust to the external magent field change and the test with land vehicle proves the leveling error of developed MEMS AHRS is below $0.5^{\circ}/hr$. The results of FMS test shows the fact that AHRS provides the measurement with $0.5^{\circ}/hr$ error during 5 minutes operation time. These results of performance evaluation tests showed that the developed AHRS provides attitude information which error of roll and pitch are below $1^{\circ}$ and the error of yaw is below $5^{\circ}$ and satisfies the required specification. It is expected that developed AHRS can provide the precise attitude measurement under sea trial with real AUV.
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문제 정의
개발된 MEMS 기반 자세 측정 장치를 실제 자율 무인 잠수정 운동과 유사한 환경에서 성능을 검증하기 위해서 본 연구에서는 자율 무인 잠수정의 3자유도 복합 운동 모사가 가능한 FMS을 이용하여 개발된 자세 측정 장치의 3자유도 운동 중 성능에 대한 검증을 수행하였다. FMS을 이용한 검증 시험을 수행하기 위하여 실제 자율 무인 잠수정에 적용되는 자율 조정 제어기, 제어컴퓨터, 통신 보드와 연결하여 실제 자율 무인 잠수정에 탑재된 것과 유사한 환경을 구성하여 시험을 수행하였다.
군사적 임무에 사용되는 일부 소형 자율 무인 잠수정은 긴 운용 시간 대신 고속 기동이 필요하기 때문에 30분 이내 운용 시간을 목표 성능으로 가지고 있으며, 임무에 요구되는 장비로 탑재로 탑재 공간(payload)이 제한적이기에 MEMS 관성 센서를 이용한 AHRS에 대한 개발 필요성이 높으나, 대부분의 MEMS 기반 AHRS 관련 국내 연구는 대부분 실제 제품 없이 가상 신호를 이용하여 추정 결과를 얻기 위한 필터 설계 등에 주력하고 있어, 실제 국내 개발한 MEMS 기반 자세 측정 장치 개발 및 성능 검증관련 연구는 미흡한 현실이다. 이에 본 논문에서는 실제 개발 완료되어 제작된 길이 1미터 내외 10노트 이상의 운항 속도와 30분 이내 운용 시간을 가지는 소형 자율 무인 잠수정에 적용하기 위한 MEMS 기반 자세 측정 장치를 소개하고 이에 대한 성능 검증결과를 제시한다. 본 논문의 구성은 아래와 같다.
제안 방법
FMS을 이용한 검증 시험 시나리오는 roll 변화가 없는 상태(roll free)에서 정해진 yaw각과 심도, 속도까지 자율 무인 잠수정이 가속 및 회전 운동하고 정해진 목표에 도달한 이후에 정해진 yaw각과 속도를 유지하면서 운항하는 상황을 가정하여 수행하였으며, yaw각은 자북 방향으로 0°로 설정하였을 때 시계 방향을 양(+)으로 설정하였을 때 양의 방향과 음의 방향으로 각각 목표 각도를 설정하여 시험을 수행하였다.
개발된 MEMS 기반 자세 측정 장치를 실제 자율 무인 잠수정 운동과 유사한 환경에서 성능을 검증하기 위해서 본 연구에서는 자율 무인 잠수정의 3자유도 복합 운동 모사가 가능한 FMS을 이용하여 개발된 자세 측정 장치의 3자유도 운동 중 성능에 대한 검증을 수행하였다. FMS을 이용한 검증 시험을 수행하기 위하여 실제 자율 무인 잠수정에 적용되는 자율 조정 제어기, 제어컴퓨터, 통신 보드와 연결하여 실제 자율 무인 잠수정에 탑재된 것과 유사한 환경을 구성하여 시험을 수행하였다. FMS을 이용한 검증 시험 시나리오는 roll 변화가 없는 상태(roll free)에서 정해진 yaw각과 심도, 속도까지 자율 무인 잠수정이 가속 및 회전 운동하고 정해진 목표에 도달한 이후에 정해진 yaw각과 속도를 유지하면서 운항하는 상황을 가정하여 수행하였으며, yaw각은 자북 방향으로 0°로 설정하였을 때 시계 방향을 양(+)으로 설정하였을 때 양의 방향과 음의 방향으로 각각 목표 각도를 설정하여 시험을 수행하였다.
고가의 관성 항법 장비는 이러한 목표 성능에 부합되지 않기에 본 연구에서는 전술한 임무에 적합한 20 cm 이내 지름을 가지고 있는 소형 자율 무인잠수정에 탑재 가능하며 roll, pitch 방향은 1° 이하 오차를, yaw 방향은 5° 이하 오차를 가진 자세 측정 장치를 MEMS기술을 적용하여 개발하였다. 개발된 MEMS 기술 기반 자세 측정 장치는 roll, pitch, heading의 3축 자세를 측정하기 위한 장치로서 각각 3축의 MEMS 타입 자이로, MEMS 타입 가속도계, 지자기센서로 구성되어 있다. Fig.
개발된 자세 측정 장치를 일정한 방향으로 회전이 가능한 rate table에 장착하고 rate table을 yaw 방향으로 45° 단위로 회전한 후 정지시켜 roll, pitch, heading 방향으로 모두 정적 자세를 유지하고 있는 상태에서 자세 측정 장치 출력값을 측정하였다.
개발된 자세 측정 장치의 roll과 pitch 측정 특성을 파악하기 위하여 자동차에 자세 측정 장치를 장치하고 직선주로를 4회 왕복 주행하였다. 차량시험을 통해 자세 측정 장치의 roll, pitch의 동적 특성을 파악하기 위하여 전술급 IMU인 Honeywell사의 HG1700를 기준센서로 비교하였으며, Fig.
개발이 완료되어 제작된 소형 자율 무인 잠수정용 MEMS 기반 자세 측정 장치의 성능을 검증하기 위하여 4가지 시험을 수행하였다. 성능 검증 시험은 개발된 자세 측정 장치 내부에 설치된 지자기 센서 검증 시험, 미리 정해진 자세에서 자세 측정 장치의 자체 측정 성능을 검증하는 정적 자세 시험, 자동차를 이용하여 2자유도 운동 중 자체 측정 장치 성능을 검증하는 차량 시험 및 자율 무인 잠수정의 3자유도 운동을 모사하는 flight motion simulator(FMS)을 이용하여 3자유도 운동 중 자세 측정 장치 성능을 검증하는 FMS 시험으로 구성하였다.
이러한 이유에서 본 연구에서 개발한 자세 측정 장치 내부에 설치되어 있는 지자기 센서가 자율 무인잠수정 내부에서도 적절한 성능을 낼 수 있는지에 대한 검증과 검증 결과를 이용한 보정(calibration)을 수행해야 할 필요가 있다. 검증 및 보정을 위해서 정해진 방위각에 대한 회전 운동이 가능한 Rate table에 자세 측정 장치를 장착하고 회전 운동 중 자세 측정 장치의 지자기센서의 출력을 측정하였다. Fig.
고가의 관성 항법 장비는 이러한 목표 성능에 부합되지 않기에 본 연구에서는 전술한 임무에 적합한 20 cm 이내 지름을 가지고 있는 소형 자율 무인잠수정에 탑재 가능하며 roll, pitch 방향은 1° 이하 오차를, yaw 방향은 5° 이하 오차를 가진 자세 측정 장치를 MEMS기술을 적용하여 개발하였다.
개발이 완료되어 제작된 소형 자율 무인 잠수정용 MEMS 기반 자세 측정 장치의 성능을 검증하기 위하여 4가지 시험을 수행하였다. 성능 검증 시험은 개발된 자세 측정 장치 내부에 설치된 지자기 센서 검증 시험, 미리 정해진 자세에서 자세 측정 장치의 자체 측정 성능을 검증하는 정적 자세 시험, 자동차를 이용하여 2자유도 운동 중 자체 측정 장치 성능을 검증하는 차량 시험 및 자율 무인 잠수정의 3자유도 운동을 모사하는 flight motion simulator(FMS)을 이용하여 3자유도 운동 중 자세 측정 장치 성능을 검증하는 FMS 시험으로 구성하였다.
이에 반해 가속도계로 측청한 선가속도(linear acceleration)을 이용하여 자세를 계산하는 방식은 가속도계 출력을 적분하지 않고 행렬을 이용하여 가속도에 따른 힘을 계산하고 이에 대한 자세를 계산하기 때문에 가속도계 센서 오차에 의한 자세오차는 증가하지 않고 바이어스(bias)에 비례한 정밀을 가지게 되기 때문에 시간이 지남에 따라 상대적으로 정확한 자세 계산이 가능하다하고 할 수 있다. 이러한 이유에서 MEMS 형 AHRS을 이용하여 자세를 계산할 때는 적분을 통한 상대값 측정방식보다 운동체의 중력 성분을 이용하여 자세를 계산하는 정렬방식이 효과적이라고 판단 하여 본 연구에서는 정렬 방식을 이용하여 자세 계산 알고리즘을 구현하였다. 본 논문에서 가속도계를 이용하여 자세를 구하는 알고리즘은 다음과 같다.
데이터처리
개발된 자세 측정 장치의 roll과 pitch 측정 특성을 파악하기 위하여 자동차에 자세 측정 장치를 장치하고 직선주로를 4회 왕복 주행하였다. 차량시험을 통해 자세 측정 장치의 roll, pitch의 동적 특성을 파악하기 위하여 전술급 IMU인 Honeywell사의 HG1700를 기준센서로 비교하였으며, Fig. 5은 HG1700 측정값과 개발된 자세 측정 장치의 roll, pitch 측정값의 오차를 보여주고 있다. Roll과 pitch는 가속도계를 이용하여 중력성분을 측정하여 운동체의 자세를 계산하기 때문에 회전에 의한 가속도 성분이 roll과 pitch 측정에 영향을 줄 수 있는데, 이러한 사실은 Fig.
이론/모형
식 (5)와 (7)을 이용하면 정해진 정렬 시간 간격에서 roll, pitch 및 yaw을 계산할 수 있으나, 시간에 따른 미분 방정식 및 적분식을 계산하여야하기 때문에 누적 오차가 발생하게 된다. 이러한 오차를 보상하기 위해서 본 연구에서는 확장형 칼만 필터(extended Kalman filter)를 적용하였다. 칼만 필터를 적용하기 위한 시스템 상태(system state)와 측정치 (measurement)은 아래와 같이 정리할 수 있다.
성능/효과
Fig. 7와 Fig. 8에 제시되어 있는 2 가지 경우 모두 yaw 값에서 가장 큰 오차를 보여주고 있고, 특히 목표 yaw 각도인 30°와 -30°에 도달한 이후 두 경우 모두 FMS에서 측정된 yaw 값보다 자세 측정 장치에서 측정한 yaw 값이 작은 것을 확인할 수 있다.
Fig. 8을 제시된 결과를 살펴보면 50초 이후 목표 침로와 목표 수심에 도달한 이후 대략 1° 크기를 가진 파동 형태 변화를 보여 주고 있지만, 평균 2° 내외 오차를 보여 주고 있음을 확인할 수 있다.
본 연구를 통하여 개발된 자세 측정 장치는 MEMS 기술을 적용하여 내부 적재 공간이 협소한 소형 자율 무인잠수정에 적용 가능하다고 판단할 수 있다. 개발된 자세 측정 장치는 지자기 센서 검증 시험, 차량시험, FMS 시험을 통해 주어진 임무에 적합한 자세 측정 성능을 보여주어 짧은 시간 동안 고속으로 기동하는 소형 자율 무인잠수정에 적용하기에 충분한 성능을 보였다.
소형 자율 무인잠수정은 적재 공간에 제약이 많기 때문에 항법 장비를 포함한 모든 적재 장비는 소형화 및 경량화 필요성이 있단. 본 연구를 통하여 개발된 자세 측정 장치는 MEMS 기술을 적용하여 내부 적재 공간이 협소한 소형 자율 무인잠수정에 적용 가능하다고 판단할 수 있다. 개발된 자세 측정 장치는 지자기 센서 검증 시험, 차량시험, FMS 시험을 통해 주어진 임무에 적합한 자세 측정 성능을 보여주어 짧은 시간 동안 고속으로 기동하는 소형 자율 무인잠수정에 적용하기에 충분한 성능을 보였다.
후속연구
이러한 오차는 자율 무인 잠수정의 운동을 모사하기 위해 FMS이 구동될 때 마다 FMS의 고출력 모터에 의한 지구자기장이 왜곡되어 자세 측정 장치 내부 지자기센서가 영향을 받아 실제 침로인 FMS의 yaw과 비교하여 자세 측정 장치의 yaw 측정값에 오차가 발생한 것으로 볼 수 있으며, 이러한 오차는 자율 조종 제어기에 의한 제어 입력 값으로 사용되기 때문에, 자세 측정 장치 성능과는 무관한 결과로 판단된다. 또한 3분 시험 시간동안 자기장 변화가 큰 환경인 yaw 값이 변화할 때와 비교적 자기장 변화가 작은 일정한 방향으로 고정된 경우 모두 자세 측정 장치 오차가 발산하지 않고 일정한 범위 내에서 파동 형태 변화를 보여주고 있는 사실에서 개발된 자세 측정 장치가 이십여 분 이내 운영 시간 동안 정확한 자세 정보를 제공할 수 있을 것으로 예측할 수 있다.
그러나, 지자기센서는 Soft iron effect 또는 Hard iron effect 형태로 외부의 영향으로 인해 지구자기장의 왜곡이 발생하면 계산된 방향에 오차가 발생하게 되고, 소형 자율 무인잠수정은 자기 밀도가 높은 고출력 음향송신, 전지, 전동기 등의 장비가 협소한 공간에 장치하게 되어 있어 지구 자기장 왜곡이 발생할 가능성이 매우 높다고 할 수 있다. 이러한 이유에서 본 연구에서 개발한 자세 측정 장치 내부에 설치되어 있는 지자기 센서가 자율 무인잠수정 내부에서도 적절한 성능을 낼 수 있는지에 대한 검증과 검증 결과를 이용한 보정(calibration)을 수행해야 할 필요가 있다. 검증 및 보정을 위해서 정해진 방위각에 대한 회전 운동이 가능한 Rate table에 자세 측정 장치를 장착하고 회전 운동 중 자세 측정 장치의 지자기센서의 출력을 측정하였다.
향후 지구자기장의 왜곡이 없는 조건에서 실제 탑재 자율 무인잠수정의 추진전지, 추진전동기, 소나 등 각 부품을 이용한 하드웨어 활용 폐회로 시뮬레이션 (Hardware in thre loop simulation: HILS)을 수행하여 실제 부품이 작동 하는 환경에서 서의 자세 측정 장치의 성능을 확인하고 실해역 실험을 통해 실제 환경에 지구 자기장 변화에 따른 성능을 살펴볼 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
관성항법시스템의 장단점은?
, 2005). 자율 무인 잠수정에 가장 많이 채택되고 있는 관성항법시스템(Inertial Navigation System: INS)은 관성 측정 장치 (Inertial Measurement Unit: IMU)을 이용하여 관성의 변화를 측정하여 위치, 속도 및 자세를 계산할 수 있는데, 외부의 도움 없이 독립적인 항법을 수행하며 높은 해상도와 짧은 출력 주기로 데이터 제공이 가능하다는 장점을 가지고 있는 반면, IMU의 바이어스 등과 같은 오차와 적분 방식의 항법 알고리즘으로 인해 시간이 지남에 따라 항법오차가 제한 없이 발산할 수 있다는 단점을 가지고 있다. INS을 대신하여 사용할 수 있는 장비 중 하나가 자세 측정 장치(Attitude heading reference system: AHRS) 이다(Titterton and Weston, 1997; Park and Lee; 2008).
자세 측정 장치는 관성항법시스템에 비해 어떤 점이 좋은가?
INS을 대신하여 사용할 수 있는 장비 중 하나가 자세 측정 장치(Attitude heading reference system: AHRS) 이다(Titterton and Weston, 1997; Park and Lee; 2008). INS는 위치, 속도, 자세 등을 제공할 수 있지만, 자체 bias 오차가 1° 이하인 전술급 자이로와 같은 고가이며 정밀도 높은 IMU가 필요하기 때문에 가격이 비싸며 계산 과정이 매우 복잡한 반면, AHRS는 자세만 제공 가능하지만, 상대적으로 정밀도가 낮은 장비를 사용하여도 INS와 비교하였을 때 오차가 크지 않는 값을 제공 가능하고 계산 과정이 단순하여 시스템 구현이 용이하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 이유에서 수중 로봇뿐만이 아니라 다양한 자동화 무인화된 시스템에 MEMS(Machined electro mechanical system) 기술을 적용한 관성 센서를 이용한 AHRS을 적용하기 위한 연구가 많이 이루어 지고 있다 (Kim, 2011; Heo, 2010).
자율 운항 무인잠수정에서 가장 중요한 기술은?
수중 운동체 중 운용자의 개입이 최소화되어 스스로 자율 운항 로직에 의해서 운용 가능한 자율 무인잠수정(Autonomous underwater vehicle: AUV)에 대한 수요는 해양 플랜트 산업과 같은 민간 부분과 기뢰탐색작전과 같은 국방 분야에서 증대하고 있다. 자율 운항해야 하는 무인잠수정에서 가장 중요한 기술은 외부 도움 없이 스스로 운동 및 위치를 제어하는 자율 제어 기술이라고 할 수 있기 때문에 무인잠수정의 항법과 자율제어 기술에 많은 연구들이 국내외적으로 진행되어 왔다 (Kim et al., 2009; Hwang and Seong, 2012; Hwang et al.
참고문헌 (12)
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Hwang, A., W. Seong, and P. Lee(2012), Experiment on Simultaneous Localization and Mapping Based on Unscented Kalman Filter for Unmanned Underwater Vehicles, International Journal of Offshore and Polar Engineering, Vol. 22, No. 1, pp. 63-68.
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Lee, P. M., B. H. Jun, Y. K. Lim, S. W. Hong and S. I. Yang(2005), Pseudo Long Base Line (LBL) Hybrid Navigation Algorithm Based on Inertial Measurement Unit with Two Range Sonar, Jounal of the Korea society of Ocean Engineering, Vol. 19, No. 5, pp. 71-77.
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Showalter, S.(2004), The Legal Status Of Autonomous Under Vehicles, The Marine Technology Society Journal, Spring, Vol. 38, No. 1, pp. 80-83.
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