한국형 수중로봇시스템의 기술개발연구 - 시나리오플래닝 적용으로 - A Study on Development of Technology System for Deep-Sea Unmanned Underwater Robot of S. Korea analysed by the Application of Scenario Planning원문보기논문타임라인
본 연구는 미래예측방법으로 많이 활용되고 있는 시나리오플래닝 방법론을 적용하여 2006년에 개발된 한국형 수중로봇시스템(심해무인잠수정시스템)의 바람직한 미래상을 도출하였다. 한국이 개발한 이 심해무인잠수정의 설계심도는 6000미터이며, 그 구성을 보면, '해미래'는 실질적인 심해탐사작업을 실행하고, 이 '해미래'를 지원하는 '해누비'는 심해에서 시료채취나 탐사가 가능하다. 한편 이 한국형 심해무인잠수정시스템은 수중복합항법시스템을 사용하고 있지만, 6000m심해에서 5m이내의 항법오차가 있고 50cm이내의 상대 위치오차를 가지고 있다. 따라서 본고는 이를 보완하여 관련 분야에서 기술 선도국이 될 수 있는 한국정부가 추진해야 할 바람직한 미래전략방향을 고찰했다. 그 결과 인디케이터와 가상벽을 갖춘 외부장치를 구비한 심해무인잠수정 시스템 개발이 한국에 있어 미래지향적인 정책추진방안이었다.
본 연구는 미래예측방법으로 많이 활용되고 있는 시나리오플래닝 방법론을 적용하여 2006년에 개발된 한국형 수중로봇시스템(심해무인잠수정시스템)의 바람직한 미래상을 도출하였다. 한국이 개발한 이 심해무인잠수정의 설계심도는 6000미터이며, 그 구성을 보면, '해미래'는 실질적인 심해탐사작업을 실행하고, 이 '해미래'를 지원하는 '해누비'는 심해에서 시료채취나 탐사가 가능하다. 한편 이 한국형 심해무인잠수정시스템은 수중복합항법시스템을 사용하고 있지만, 6000m심해에서 5m이내의 항법오차가 있고 50cm이내의 상대 위치오차를 가지고 있다. 따라서 본고는 이를 보완하여 관련 분야에서 기술 선도국이 될 수 있는 한국정부가 추진해야 할 바람직한 미래전략방향을 고찰했다. 그 결과 인디케이터와 가상벽을 갖춘 외부장치를 구비한 심해무인잠수정 시스템 개발이 한국에 있어 미래지향적인 정책추진방안이었다.
This study is about development of technology system for an advanced deep-sea unmanned underwater robot of S. Korea analysed by the application of scenario planning. It was developed a 6000m class next-generation deep-sea unmanned underwater vehicle(or robot, UUV) system, soonly ROV 'Hemire' and Dep...
This study is about development of technology system for an advanced deep-sea unmanned underwater robot of S. Korea analysed by the application of scenario planning. It was developed a 6000m class next-generation deep-sea unmanned underwater vehicle(or robot, UUV) system, soonly ROV 'Hemire' and Depressor 'Henuvy' in 2006 at S. Korea and motion control, adaptive control algolithm, a work-space manipulator control algolithm, especially the underwater inertial-acoustic navigation system robust to initial errors and sensor failures. But there are remained matters on position tracking of the USBL, inertial-acoustic navigation system, attitude sensor, designed sonar sensors. So this study suggest the new idea for settle the matters and then this idea help the development of the underwater inertial-acoustic navigation system robust to initial errors and sensor failures, such as acoustic signal drop-out, by modifying the error covariance of the failed sonar signal when drop-out occurs. As a result, the future policy for deep-sea unmanned underwater robot of S. Korea is to further spur the development of new technology and more improvement of the technology level for deep-sea unmanned underwater robot system with indicator and imaginary wall as external device.
This study is about development of technology system for an advanced deep-sea unmanned underwater robot of S. Korea analysed by the application of scenario planning. It was developed a 6000m class next-generation deep-sea unmanned underwater vehicle(or robot, UUV) system, soonly ROV 'Hemire' and Depressor 'Henuvy' in 2006 at S. Korea and motion control, adaptive control algolithm, a work-space manipulator control algolithm, especially the underwater inertial-acoustic navigation system robust to initial errors and sensor failures. But there are remained matters on position tracking of the USBL, inertial-acoustic navigation system, attitude sensor, designed sonar sensors. So this study suggest the new idea for settle the matters and then this idea help the development of the underwater inertial-acoustic navigation system robust to initial errors and sensor failures, such as acoustic signal drop-out, by modifying the error covariance of the failed sonar signal when drop-out occurs. As a result, the future policy for deep-sea unmanned underwater robot of S. Korea is to further spur the development of new technology and more improvement of the technology level for deep-sea unmanned underwater robot system with indicator and imaginary wall as external device.
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문제 정의
곧 6000m심해에서 5m이내의 항법오차가 있고 50cm이내의 상대 위치오차를 가지고 있었던 문제를 보완하는 기술제안이다.
따라서 본 연구는 미래예측방법으로 많이 활용되고 있는 시나리오플래닝 방법론을 활용하여 한국형 심해 무인잠수정 시스템의 바람직한 미래상을 도출한다. 본 연구에서는 기존 시나리오플래닝 방법론에 따라 다음의 순서로 한국형 심해무인잠수정 시스템의 미래상을 도출하고 향후 전략방안을 도출한다.
또한 이를 위해 현재 미래예측도구로서 통용되고 있는 시나리오 플래닝 기법을 도입하며, 연구의 범위는 한국이 개발 하여 현재 사용 중인 ‘해미래’, ‘해누비’라는 명칭을 가진 심해무인잠수정시스템의 기술로서 상용화된 분야에 한정하며, 특히 육지에서 이미 상용화된 기술임에도 불구하고 심해라는 초고압극한상태로 인해, 수중에서 적용되기 어려운 기술 분야에 집중하여 이러한 문제점을 보완 및 해결하는 방안을 모색하고자 한다.
따라서 본 연구는 미래예측방법으로 많이 활용되고 있는 시나리오플래닝 방법론을 활용하여 한국형 심해 무인잠수정 시스템의 바람직한 미래상을 도출한다. 본 연구에서는 기존 시나리오플래닝 방법론에 따라 다음의 순서로 한국형 심해무인잠수정 시스템의 미래상을 도출하고 향후 전략방안을 도출한다. 전략의 방향성 탐색을 위한 가장 적합한 방법은 역시 시나리오에 기반을 둔 전략설정이기 때문이다[10].
본고는 이러한 점에서, 한국이 개발한 ‘해미래’, ‘해누비’라는 명칭을 가진 수중로봇 심해무인잠수정시스템의 기술을 분석하여 보다 미래지향적인 발전책을 모색하고자 한다.
본고는 현재 전 세계적으로 치열하게 경쟁 중인 로봇분야에서 특히 심해 자원에 대한 개발과 탐사에서 중요한 분야인 수중로봇에 중점을 두고, 한국이 개발하여 운용 중인 한국형 심해무인잠수정시스템의 바람직한 전략방향을 고찰하고 보다 발전적인 정책적 제안을 하였다.
제안 방법
곧 이 USBL Posidonia 6000은 한국형 심해무인잠수정시스템인 ‘해미래’와 ‘해누비’에 있어서의 수중위치추적에 있어, 수중진수장치를 예인하면서 광대역을 탐사하도록 설계되었다.
그림 4처럼, 본고에서 중점을 두고 있는 한국형 심해무인잠수정시스템은 이상의 문제점 아래에서, 주변의 소음에 영향을 쉽게 받는 초음파센싱시스템의 오류에 강인한 수중복합항법시스템을 구현하였다. 또한 이러한 복합항법시스템의 초기오차 자기복구 및 drop-out 등 초음파 센서의 고장에 따른 위치추정 오차 자기복구 성능을 보강하고, USBL를 이용해서 ‘해미래’와 ‘해누비’의 트랜스듀서를 광통신을 이용하여 TTL트리거링 함으로써 USBL의 샘플레이트를 2배로 증가시킬 수 있는 시스템을 구현하였다[2].
따라서 이러한 문제를 극복하기 위해 본고에서는 인디케이터(indicator)와 가상벽 설정기능을 갖는 외부 장치를 제공하여 심해에서 작동 초기부터 정해진 구역 안에서 각 장치와 수중로봇을 운항하게 한다.
또한 만약 해저면에 2개의 트랜스폰더를 설치하면, 수중진수장치에 또 다른 기준점이 되는 거리계측 소나를 설치하여 운용하고, 만약 거리계측 소나가 해저 기준점에 1개만 있는 경우에는 해저면에 기준점이 되는 USBL트랜스폰더를 설치하여 이 위치를 선상에서 Calibration하여 기준점으로 활용하였다.
또한 위치추적 시에 Newton알고리즘을 이용하여 추정하였으며 Newton알고리즘에서 매 iteration시에 Jacobian행렬의 norm을 추정하고, 행렬의 norm이 임계값이상이 되어 역행렬에 의한 해가 불안정해질 때는 또 다른 초기값을 이용하여 해를 구하게 하여, 이동체의 위치를 보다 신뢰성이 있게 하였다[6].
또한 이러한 복합항법시스템의 초기오차 자기복구 및 drop-out 등 초음파 센서의 고장에 따른 위치추정 오차 자기복구 성능을 보강하고, USBL를 이용해서 ‘해미래’와 ‘해누비’의 트랜스듀서를 광통신을 이용하여 TTL트리거링 함으로써 USBL의 샘플레이트를 2배로 증가시킬 수 있는 시스템을 구현하였다[2].
본고에서는 이를 위해 한국형 심해무인잠수정시스템 추진의 미래상을 시나리오플래닝을 통하여 고찰하여 보고, 이러한 바람직한 미래상을 달성하기 위해서 주요한 전략방향으로 인디케이터(indicator)와 가상벽 설정기능을 갖는 외부장치를 제공하여 심해에서 작동 초기부터 정해진 구역 안에서 각 장치와 수중로봇을 운항하게 하여, 현재 문제로 남아있는 수심이 6000m에 이르면 600기압에 이르러 초고압 극한상태가 되면서, 수시로 변하는 심해 해류의 움직임과 함께, 빛과 전파가 수중에서 통과하기 매우 어렵게 되어 각 개별장치, 각 수중로봇 사이에서 신호가 단절되는 dropout상황이나 6000m심해에서 5m이내의 항법오차 및 50cm이내의 상대 위치오차로 인한 문제에 대한 보완 및 정책적 시사점을 제공하였다.
후속연구
즉 그림 11처럼, 제안된 인디케이터와 가상벽 설정 기능을 갖추면, 수중로봇은 이 기준점(A, B, C, D점)을 중심으로 구역별 블록단위로 그 가상벽 안에서만 운항하면서 자원을 탐사하고 채취하게 된다. 따라서 drop-out상황이나 6000m심해에서 5m이내의 항법오차 및 50cm이내의 상대 위치오차로 인해 심해 특성으로 로봇이 유실되어도 미리 정해진 이 가상벽의 범위를 로봇이 이탈하지 않으므로 추후 교신을 하거나 오차보정에 있어 보다 정밀한 기술적 제어를 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수중로봇은 어떻게 분류할 수 있나요?
심해무인잠수정은 수중로봇의 한 분야로서 수중로봇은 크게 유인잠수정과 무인잠수정으로 구분할 수 있고 무인잠수정은 다시 유삭식 수중로봇(ROV)와 무삭식 수중로봇(AUV)로 나뉜다[1].
우리나라의 심해무인잠수정은 몇 미터까지 탐사할 수 있나요?
한국해양연구원 해양 시스템안전연구소는 2001년부터 6개년 사업으로 당시 해양수산부로부터 특정연구사업으로 지정받아 이를 개발하였다. 한국이 개발한 이 심해무인잠수정의 설계 심도는 6000미터로서 이는 전 세계 해양의 약 97%를 탐사할 수 있는 성능을 갖춘 것이다. 구성을 보면, ‘해 미래’는 원격제어무인잠수정(Remotely Operated Vehicle, ROV)으로서 실질적인 심해탐사작업을 실행하고, 이 ‘해미래’를 지원하는 ‘해누비’는 수중진수장치로서 단독으로도 운영이 가능하며 예인형 수중카메라를 갖추고 사이드스캔 소나 기능을 장비하고 있다.
최초의 유선무인수중로봇은 무엇인가요?
수중로봇에서 최초의 무인잠수정 개발은 케이블이 연결된 무인잠수정으로서 ‘푸들’이라는 명칭인 드미트리 레비코프가 1953년에 만든 것이다. 또한 미해군은 개발초창기부터 그 필요성을 알고, 연구개발에 많은 노력을 기울였는데, 1990년 6,096m를 잠수하며 해저 구난을 지휘할 수 있는 CURV Ⅲ를 개발하였다.
심해무인잠수정은 수중로봇의 한 분야로서 수중로봇은 크게 유인잠수정과 무인잠수정으로 구분할 수 있고 무인잠수정은 다시 유삭식 수중로봇(ROV)와 무삭식 수중로봇(AUV)로 나뉜다[1].
수중로봇의 분야와 종류[1]
외국의 다양한 수중로봇[1]
수중로봇이 수중에서 자기 위치를 정확하게 파악할 수 있는 기술 개발은 탐사목적에 부합하는 작업 수행 능력 향상 및 로봇의 유실 등을 방지하는 장비의 보호 등에 있어 꼭 필요한 기술이며, 특히 수중 환경에서의 위치추적 기술은 3차원 공간상에서 얼마만큼 수중로봇의 위치를 정확하게 추정할 수 있는가와 같은, 신뢰성 있는 좌표의 추청이 중요하다[1].
해양수산부, "차세대 심해 무인잠수정 개발(1단계) 연구보고서", pp. 58-57, 2007.
1980년대가 되면서, 그림 2와 같이, 컴퓨터관련 기술이 급속히 발전하면서 무인잠수정의 기능이 다양화되었는데, 미국, 프랑스, 영국, 캐나다, 일본, 러시아, 노르 웨이, 스웨덴, 이태리, 독일, 호주, 중국 등은 무인잠수정 개발을 본격화하였고, 최근에는 6000m 심해를 탐사 하는 무인잠수정이 다양하게 등장하였다[2].
먼저 ROV인 ‘해미래’를 분리한 상태에서 수중진수장치 단독으로 심해탐사가 가능하고, 특정해역에서 위치를 정밀하게 추적가능한 수중복합항법시스템을 사용하여 넓은 해역에 걸쳐 심해무인잠수정의 위치를 추적할 수 있으며, ROV인 ‘해미래’를 이용한 정밀탐사작업 및 AUV인 ‘이심이’를 이용해 탐사 중인 인근 심해역 조사가 가능하다[2].
특히 ROV인 ‘해미래’의 항법과 정밀 유도제어는 관성계측센서와 초음파 도플러 속도계를 이용하며, ROV인 ‘해미래’와 수중진수장치 사이의 거리를 보조적으로 이용하여, 고정밀 수중항법이 가능하다[2].
이 방법은 6000m심해에서 5m이내의 항법오차가 있고 50cm이내의 상대 위치오차를 가지고 있다[2].
또한 이러한 복합항법시스템의 초기오차 자기복구 및 drop-out 등 초음파 센서의 고장에 따른 위치추정 오차 자기복구 성능을 보강하고, USBL를 이용해서 ‘해미래’와 ‘해누비’의 트랜스듀서를 광통신을 이용하여 TTL트리거링 함으로써 USBL의 샘플레이트를 2배로 증가시킬 수 있는 시스템을 구현하였다[2].
한국형 심해무인잠수정시스템의 위치추정 및 수중복합항법시스템의 개요도[2]
한국형 심해무인잠수정시스템의 USBL 위치추적시스템[2]
즉 ROV와 수중진수장치는 온누리호라는 지원모선과 케이블로 연결되어 있는 이유로 수중선체에 장착된 트랜스폰더에서 발신하는 신호를 선상 트랜스듀서 어레이에서 획득하여 위치를 추적하는 방식이며, 해저에 계류되는 트랜스폰더와 AUV용 트랜스폰더는 선상 트랜스듀서 어레이에서 발신하는 신호에 응답신호를 재발신하는 방식으로 운용된다[2].
초음파거리계를 갖는 한국형 심해무인잠수정시스템의 수중복합항법시스템[2]
보조항법용 2개 초음파 트랜스듀서(거리-각도 계측 소나)를 갖는 한국형 심해무인잠수정시스템의 수중복합항법시스템[2]
두 개의 거리센서를 갖는 한국형 심해무인잠수정시스템의 수중복합항법시스템[2]
Liberti, J.C., and Rappaport, T.S., Smart Antennas for Wireless Communications :IS-95 and Third Generation CDMA Applications, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, pp. 1-50, 1999.
현재 관련한 선행연구가 많이 이루어지고 있는데, 수중환경에서 위치추적 시스템의 DSP 구현에 있어서는 Hyperbolic위치추적 방식[3]을 이용하여 수중로봇과 고정체 간의 시간 동기에 관계없이 수중로봇이나 고정체에서 수신되는 신호의 상대 시간 지연[4]을 이용하여 이동체의 3차원 위치를 추정하였고[5], 네 개의 초음파센서를 그림 3처럼, 수중의 서로 다른 위치에 고정시키고 이동 중인 센서와 서로 다른 신호를 송수신하게 함으로써 고정체와 이동체 모두에서 이동체의 3차원 위치추적과 이동체의 원격제어를 가능하게 하였다[6].
Carter, G.C., Coherence and Time Delay Estimation :An Applied Tutorial for Research, Development, Test, and Evaluation Engineers., Piscataway,NJ, IEEE Press, pp. 1-518, 1993.
현재 관련한 선행연구가 많이 이루어지고 있는데, 수중환경에서 위치추적 시스템의 DSP 구현에 있어서는 Hyperbolic위치추적 방식[3]을 이용하여 수중로봇과 고정체 간의 시간 동기에 관계없이 수중로봇이나 고정체에서 수신되는 신호의 상대 시간 지연[4]을 이용하여 이동체의 3차원 위치를 추정하였고[5], 네 개의 초음파센서를 그림 3처럼, 수중의 서로 다른 위치에 고정시키고 이동 중인 센서와 서로 다른 신호를 송수신하게 함으로써 고정체와 이동체 모두에서 이동체의 3차원 위치추적과 이동체의 원격제어를 가능하게 하였다[6].
박준석,지용일,김성환, "수중환경에서 위치추적 시스템의 구현에 관한 연구", 음향학회하계학술발표대회논문집, 22권, 4호, 2003.
현재 관련한 선행연구가 많이 이루어지고 있는데, 수중환경에서 위치추적 시스템의 DSP 구현에 있어서는 Hyperbolic위치추적 방식[3]을 이용하여 수중로봇과 고정체 간의 시간 동기에 관계없이 수중로봇이나 고정체에서 수신되는 신호의 상대 시간 지연[4]을 이용하여 이동체의 3차원 위치를 추정하였고[5], 네 개의 초음파센서를 그림 3처럼, 수중의 서로 다른 위치에 고정시키고 이동 중인 센서와 서로 다른 신호를 송수신하게 함으로써 고정체와 이동체 모두에서 이동체의 3차원 위치추적과 이동체의 원격제어를 가능하게 하였다[6].
현재 관련한 선행연구가 많이 이루어지고 있는데, 수중환경에서 위치추적 시스템의 DSP 구현에 있어서는 Hyperbolic위치추적 방식[3]을 이용하여 수중로봇과 고정체 간의 시간 동기에 관계없이 수중로봇이나 고정체에서 수신되는 신호의 상대 시간 지연[4]을 이용하여 이동체의 3차원 위치를 추정하였고[5], 네 개의 초음파센서를 그림 3처럼, 수중의 서로 다른 위치에 고정시키고 이동 중인 센서와 서로 다른 신호를 송수신하게 함으로써 고정체와 이동체 모두에서 이동체의 3차원 위치추적과 이동체의 원격제어를 가능하게 하였다[6].
센서배열과 이동체의 기하학적 배열[6]
또한 위치추적 시에 Newton알고리즘을 이용하여 추정하였으며 Newton알고리즘에서 매 iteration시에 Jacobian행렬의 norm을 추정하고, 행렬의 norm이 임계값이상이 되어 역행렬에 의한 해가 불안정해질 때는 또 다른 초기값을 이용하여 해를 구하게 하여, 이동체의 위치를 보다 신뢰성이 있게 하였다[6].
시나리오플래닝은 미래의 불확실성을 제한적으로 보다 잘 이해할 수 있는 방법론[7]으로서, 통계적 예측도 아니고 단일한 예측도 아니지만 미래를 알 수 있는 방법[8]이며, 원하는 미래상(future vision)을 명확히 하고 체계적인 계획수립에 결정적인 도움을 주기 때문에 미래예측(foresight)과정에서 가장 많이 사용되는 기법이다[9].
이상윤, 윤홍주, "공공데이터를 활용한 국가정보화 전략연구-시나리오플래닝을 적용하여", 한국전자통신학회논문지, 7권, 6호, pp. 1259-1273, 2012.
시나리오플래닝은 미래의 불확실성을 제한적으로 보다 잘 이해할 수 있는 방법론[7]으로서, 통계적 예측도 아니고 단일한 예측도 아니지만 미래를 알 수 있는 방법[8]이며, 원하는 미래상(future vision)을 명확히 하고 체계적인 계획수립에 결정적인 도움을 주기 때문에 미래예측(foresight)과정에서 가장 많이 사용되는 기법이다[9].
시나리오플래닝은 미래의 불확실성을 제한적으로 보다 잘 이해할 수 있는 방법론[7]으로서, 통계적 예측도 아니고 단일한 예측도 아니지만 미래를 알 수 있는 방법[8]이며, 원하는 미래상(future vision)을 명확히 하고 체계적인 계획수립에 결정적인 도움을 주기 때문에 미래예측(foresight)과정에서 가장 많이 사용되는 기법이다[9].
이원일, 임덕순, 이연희, 정의정, "기술혁신 클러스터 구축의 전략방향 설정에 관한 연구-판교 테크노벨리-시나리오플래닝을 중심으로", 기술혁신학회지, 14권, 2호, pp. 301-319, 2011.
특히 한국의 경우, 현재 기술 환경과 수준면에서 기술흡수형 국가군에 속하는데, 전 세계적으로 최첨단 기술의 선점을 위해 각국이 사활을 걸고 있는 현 시점에서 급변하는 신기술의 변화에 제대로 적응하지 못하거나 수용하지 못하면 관련한 새로운 시장에서 그 이익을 차지하거나 선점하지 못한다는 점에서[11], 그리고 기술혁신과정에 있어 미래 유망영역에 대한 선제적 대응의중요성이 더욱 강조되면서[12], 수중로봇 분야에서 한국형 심해무인잠수정시스템 관련 부족한 점으로 남아있는 기술적 문제들의 해결은 필수적인 요소라 할 수 있다.
안세정, 김도현, 권오진, 배영철, 이준영, "유망영역 탐지를 위한 키워드 매핑의 동태적 분석: 그래핀 사례연구", 한국전자통신학회논문지, 7권, 6호, pp. 1393-1401, 2012.
특히 한국의 경우, 현재 기술 환경과 수준면에서 기술흡수형 국가군에 속하는데, 전 세계적으로 최첨단 기술의 선점을 위해 각국이 사활을 걸고 있는 현 시점에서 급변하는 신기술의 변화에 제대로 적응하지 못하거나 수용하지 못하면 관련한 새로운 시장에서 그 이익을 차지하거나 선점하지 못한다는 점에서[11], 그리고 기술혁신과정에 있어 미래 유망영역에 대한 선제적 대응의중요성이 더욱 강조되면서[12], 수중로봇 분야에서 한국형 심해무인잠수정시스템 관련 부족한 점으로 남아있는 기술적 문제들의 해결은 필수적인 요소라 할 수 있다.
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