[논문]URI-T, 해저 케이블 매설용 ROV의 선수각 제어 및 실해역 검증

조건래; 강형주; 이문직; 이계홍

doi:10.26748/ksoe.2019.010

URI-T, 해저 케이블 매설용 ROV의 선수각 제어 및 실해역 검증
Heading Control of URI-T, an Underwater Cable Burying ROV: Theory and Sea Trial Verification 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.33 no.2, 2019년, pp.178 - 188

조건래 (한국로봇융합연구원 해양로봇연구본부) , 강형주 (한국로봇융합연구원 해양로봇연구본부) , 이문직 (한국로봇융합연구원 해양로봇연구본부) , 이계홍 (한국로봇융합연구원 해양로봇연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

When burying underwater cables using robots, heading control is one of the key functions for the robots to improve task efficiency. This paper addresses the heading control issue for URI-T, an ROV for underwater construction tasks, including the burial and maintenance of cables or small diameter pipelines. Through modeling and identifying the heading motion of URI-T, the dynamic characteristics and input limitation are analyzed. Based on the identification results, a PD type controller with appropriate input treatment is designed for the heading control of URI-T. The performance of the heading controller was verified in water tank experiments. The field applicability of the proposed controller was also evaluated through the sea trial of URI-T at the East Sea, with a water depth of 500 m.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

(1) ROV의 동역학 특성이 고등제어를 필요로 하는 특성(비최소위상특성, 매칭조건 등)을 갖는지 확인한다.
실해역 시험 수행시, 선수각 제어는 작업 전반에 걸쳐 적용되었다. 본 연구에서는 ROV의 진수과정 및 해저 케이블 매설 결과 서베이 과정에서의 선수각 제어 결과를 요약 정리하였다.
본 연구에서는 중작업용 수중 로봇인 URI-T의 선수각 제어기에 대해 다루었다. 먼저, URI-T의 선수각 거동에 대한 동역학 특성을 파악하기 위해 모델을 수식적으로 정리하였으며, 계수 추정을 통해 모델이 적절히 수립되었음을 검증하였다.
본 연구에서는 해저케이블 매설용 중작업 ROV인 URI-T의 선수각 제어에 대해 다룬다. 먼저, URI-T의 선수각 거동에 대한 특성을 파악하기 위해 동역학 모델을 유도하고 실험 결과를 기반으로 모델 계수를 추정하였다.

가설 설정

실제로, T_|n|n 및 T_|n|V는 추진기마다 다소 차이가 있을 수 있다. 그러나, URI-T에는 모두 동일한 모델의 추진기를 사용했으므로, 추진기의 계수값이 서로 같다고 가정한다. 추진기에 대한 조금 더 정교한 모델은 Kim and Chung(2006)에서 확인할 수 있다.
본 연구에서는 선수각 제어에 관해 다루므로, 선수각과 관련되지 않는 변수를 모두 0으로 가정한다: u = v = w= p = q= 0, x = y = z = ∅= θ = 0.

제안 방법

(2) ROV를 해저 케이블 위로 이동 및 배치 : 사전에 알고 있는 해저 케이블 설치 위치 정보 및 로봇에 장착된 케이블 감지 센서 등을 이용하여 ROV를 해저케이블로 이동 및 배치함.
그 결과를 바탕으로, URI-T의 선수각 제어를 위한 제어기를 제안하였다. PD 기반의 제어 알고리즘을 적용하였으며, 동역학모델 분석의 결과를 반영하였다. 성능 검증을 위해 수조 실험을 수행하였으며, 그 결과 제어기가 적절히 설계되었음을 확인하였다.
먼저, ROV 동역학 모델의 계수 추정 방법은 다음과 같이 진행하였다. ROV 선수각 거동에 대해 임의의 밸브팩 제어입력을가하였으며, 센서를 통해 각 추진기의 회전속도, 선수각 및 선수각속도를 측정하였다. 그 결과를 이용하여 식 (7)의 동역학식에 대한 계수를 추정하였다.
를 이용하여, ROV를 해저면에 내림. ROV가 입수 후 해저면에 이르기까지 엄빌리컬 케이블 장력 유지 및 ROV 자세 유지를 위해 수직추진기를 이용하여 다운포스를 생성함. 엄빌리컬 케이블 꼬임 방지를 위해 ROV는 일정한 선수각을 지속적으로 유지해야 함.
그리고, 제어 입력에 대한 특성만 잘 처리하면 일반적인 제어기로도 충분히 선수각 제어를 수행할 수 있음을 예측할 수 있다. ROV의 선수각 제어 기는 기본적으로 PD(Proportional-derivative) 제어기에 기반하여 설계하였다. 구체적으로 기술하면 식 (14)-(15)와 같이 표현할수 있다.
URI-T 의 진수 시(수면에서 해저면에 안착할 때까지), 선수각을 75°로 일정하게 유지하도록 제어를 진행하였으며, 그 결과를 Fig. 15-17에 도시하였다.
이를 통해, 선수각 제어기의 설계 시 제어입력에 대해 적절한 제한 및 처리가 필요함을 파악하였다. 그 결과를 바탕으로, URI-T의 선수각 제어를 위한 제어기를 제안하였다. PD 기반의 제어 알고리즘을 적용하였으며, 동역학모델 분석의 결과를 반영하였다.
이 결과를 활용하여 URI-T의 선수각 제어 알고리즘을 설계하였으며 수조 실험을 통해 성능을 검증하였다. 또한, 수심 500m급의 실해역에서 해저 케이블 매설 시험을 수행함에 있어서 개발한 선수각 제어를 적용함으로써, 현장 적용 성능을 검증하였다.
본 장에서는 앞 장에서 도출된 ROV 선수각 거동의 분석 및 동역학 추정 결과를 활용하여, 선수각 제어를 위한 알고리즘을 제안한다. 또한, 수조실험 및 실해역 시험을 통해 선수각 제어 성능을 검증한 내용을 다룬다.
그리고 조류의 영향으로 URI-T의 위치 및 선수각이 변화하는데, 이를 바로 잡기 위해 선수각 제어를 수행하며, 또한 수평 방향의 추진력을 인가하여 위치를 유지하게 된다. 또한, 수직 추진기를 이용하여 다운포스를 인가함으로써 엄빌리컬 케이블에 일정 장력을 유지하도록 한다. URI-T 의 진수 시(수면에서 해저면에 안착할 때까지), 선수각을 75°로 일정하게 유지하도록 제어를 진행하였으며, 그 결과를 Fig.
본 연구에서는 해저케이블 매설용 중작업 ROV인 URI-T의 선수각 제어에 대해 다룬다. 먼저, URI-T의 선수각 거동에 대한 특성을 파악하기 위해 동역학 모델을 유도하고 실험 결과를 기반으로 모델 계수를 추정하였다. 이 결과를 활용하여 URI-T의 선수각 제어 알고리즘을 설계하였으며 수조 실험을 통해 성능을 검증하였다.
여기서, 밸브팩 제어입력(μ_i)은 제어보드에 가하는 신호값으로 [-1000 ~1000]의 범위에서 임의로 선택할 수 있다. 모델 추정 방법은 먼저 입력불감대 및 입력포화 구간을 파악하였으며, 밸브팩 제어 입력에 대해 추진기 회전 속도가 선형적으로 변화하는 구간에서는 최소자승법을 이용하여 선형모델을 도출하였다.
본 장에서는 앞 장에서 도출된 ROV 선수각 거동의 분석 및 동역학 추정 결과를 활용하여, 선수각 제어를 위한 알고리즘을 제안한다. 또한, 수조실험 및 실해역 시험을 통해 선수각 제어 성능을 검증한 내용을 다룬다.
설계된 제어기의 성능을 검증하기 위해 수조에서 실험을 진행했다. 기준궤적은 145°를 기준으로 좌우 90°를 회전하도록 스텝함수로 설정하였다.
식 (10)에 나타낸 밸브팩 제어 입력에 대한 추진기 회전 속도의 모델을 추정하였다. 실험을 통해 밸브팩 제어입력을 일정한 단위로 변경시켜 가면서 추진기의 정상상태 회전 속도를 측정하였으며, 이를 바탕으로 추진기의 모델을 추정하였다. 여기서, 밸브팩 제어입력(μ_i)은 제어보드에 가하는 신호값으로 [-1000 ~1000]의 범위에서 임의로 선택할 수 있다.
이상의 동역학 특성을 확인하기 위해, ROV의 동역학 모델을 분석했으며, 그 결과를 다음 절에 정리하였다. 2.
먼저, 식 (14)의 제어게인 K_d, K_p를 튜닝을 통해 선정하였다. 제어게인은 낮은 값에서 시작해서 천천히 높혀 가는 방법으로 튜닝하였다. 제어게인이 높아질수록 로봇의 응답속도는 빨라지게 되는데, 오퍼레이터가 보았을 때 로봇에 무리가 가거나 로봇운용 상 어려움이 발생하지 않는 범위 내에서 빠른 응답을 갖도록 게인을 튜닝하였다.
제어게인이 높아질수록 로봇의 응답속도는 빨라지게 되는데, 오퍼레이터가 보았을 때 로봇에 무리가 가거나 로봇운용 상 어려움이 발생하지 않는 범위 내에서 빠른 응답을 갖도록 게인을 튜닝하였다. 튜닝이 완료된 제어 게인을 적용하여 선수각 제어 시험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 10-12에 도시하였다. Fig.
URI-T의 운용 성능을 검증하기 위해 포항시 인근의 동해의 수심 500m 지점에서 실험을 진행했다. 해당 해역에서 해저에 테스트 케이블을 설치하였으며, 케이블 매설 및 매설결과 서베이 시험을 수행하였다. 실험 시나리오에 대한 개념도를 Fig.

대상 데이터

URI-T의 운용 성능을 검증하기 위해 포항시 인근의 동해의 수심 500m 지점에서 실험을 진행했다. 해당 해역에서 해저에 테스트 케이블을 설치하였으며, 케이블 매설 및 매설결과 서베이 시험을 수행하였다.

데이터처리

먼저, URI-T의 선수각 거동에 대한 특성을 파악하기 위해 동역학 모델을 유도하고 실험 결과를 기반으로 모델 계수를 추정하였다. 이 결과를 활용하여 URI-T의 선수각 제어 알고리즘을 설계하였으며 수조 실험을 통해 성능을 검증하였다. 또한, 수심 500m급의 실해역에서 해저 케이블 매설 시험을 수행함에 있어서 개발한 선수각 제어를 적용함으로써, 현장 적용 성능을 검증하였다.

이론/모형

25rad/s로 설정하였다. 계수 추정 단계에는 Instrumental variable method(IVM)을 적용하였다(Rao and Unbehauen, 2006; Soderstrom and Stoica, 2002). 통상적으로 이용되는 최소자승법은 편향된 측정오차에 대해 계수추정오차를 갖는 것으로 알려져 있는데 IVM은 재귀적 방법을 통해 편향오차의 영향을 제거하는 효과적인 방법이다(Soderstrom and Stoica, 2002).
전처리단계는 식 (11)의 필터 f(x)를 적절히 설계함으로써, 측정데이터에서 노이즈를 제거하는 단계이다. 본 연구에서는 전처리 단계에 State variable filter(SVF)를 적용하였다(Unbehauen and Rao, 1998; Garnier et al., 2003). Garnier et al.

성능/효과

(4) ROV 회수 : ROV 진수의 반대 과정으로 진행되며, ROV는 일정한 선수각을 지속적으로 유지해야 함. 작업 시나리오에서 언급한바와 같이, 해저 케이블 매설 작업을 진행하기 위해서는 정확한 선수각 제어가 필수적이다.
8은 재귀적으로 진행되는 계수 추정 기법의 반복 회수에 따라서 추정된 계수가 수렴해 가는 결과를 도시한 그림이며, 최종적으로 추정된 계수의 결과를 Table 2에 정리하였다. Fig. 6과 Fig. 7으로부터, 시뮬레이션 결과가 실제 실험결과와 매우 유사함을 알 수 있는데, 이 결과로부터 추정된 ROV의 동역학 모델이 실제 ROV의 선수각 거동을 잘 모사하고 있음을 알 수 있다.
성능 검증을 위해 수조 실험을 수행하였으며, 그 결과 제어기가 적절히 설계되었음을 확인하였다. 마지막으로, 동해상에서 수심 500m급의 실해역 시험에서 제안한 선수각 제어알고리즘을 적용 하여 현장 적용 성능을 확인하였다. 실해역 실험의 결과를 통해 선수각 제어가 원활히 이루어짐을 확인하였으며, URI-T가 케이블 매설과 관련된 일련의 작업을 수행함에 있어서 충분히 활용 적임을 검증하였다.
마지막으로, 제곱근을 취함으로써, ROV 선수각 구동 토크가 PD 제어입력(ζi )과선형적인 관계를 갖도록 했다.
본 연구에서는 중작업용 수중 로봇인 URI-T의 선수각 제어기에 대해 다루었다. 먼저, URI-T의 선수각 거동에 대한 동역학 특성을 파악하기 위해 모델을 수식적으로 정리하였으며, 계수 추정을 통해 모델이 적절히 수립되었음을 검증하였다. 이를 통해, 선수각 제어기의 설계 시 제어입력에 대해 적절한 제한 및 처리가 필요함을 파악하였다.
PD 기반의 제어 알고리즘을 적용하였으며, 동역학모델 분석의 결과를 반영하였다. 성능 검증을 위해 수조 실험을 수행하였으며, 그 결과 제어기가 적절히 설계되었음을 확인하였다. 마지막으로, 동해상에서 수심 500m급의 실해역 시험에서 제안한 선수각 제어알고리즘을 적용 하여 현장 적용 성능을 확인하였다.
이것은, 식 (15)에서 표시한 바와 같이, 추진기 밸브팩의 입력불감대를 보상하는 점프 입력이 작용하기 때문이다. 수조 실험 결과를 통해, URI-T가 제안한 선수각 제어 알고리즘을 이용해 적절한 제어 성능을 확보할 수있음을 검증하였다.
마지막으로, 동해상에서 수심 500m급의 실해역 시험에서 제안한 선수각 제어알고리즘을 적용 하여 현장 적용 성능을 확인하였다. 실해역 실험의 결과를 통해 선수각 제어가 원활히 이루어짐을 확인하였으며, URI-T가 케이블 매설과 관련된 일련의 작업을 수행함에 있어서 충분히 활용 적임을 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로봇의 선수각 제어가 제대로 동작하지 않을경우 발생하는 문제점은?	또한, 해저 케이블 매설 작업이나 매설 후 결과 서베이 작업 등을 수행할 때도 해저 케이블 루트를 따라서 로봇이 선수각을 맞춰서 이동할 수 있어야 한다. 만약, 로봇의 선수각 제어가 제대로 동작하지 않는다면, 로봇 조종자에게 큰 부담이 되어 장시간 로봇 운용이 어려울 뿐만 아니라, 로봇의 고장등 사고를 초래할 수도 있다. 사람의 접근이 제한되는 깊은 수 심에서의 사고는 즉각적인 대응이 어려울 뿐만 아니라, 큰 경제적 손실로 이어질 수 있다.
	ROV의 선수각 거동에 대한 동역학적 특성을 파악하는 목적은?	제어기의 역할은 DVL 및 IMU로부터 ROV의 선수각 및 선수 각속도를 입력 받아 ROV의 선수각을 원하는 값으로 수렴시키기 위한 밸브팩 제어 입력을 결정하는 것이다. 적절한 선수각 제어 알고리즘을 결정하기 위해서는 ROV의 선수각 거동에 대한 동역학적 특성을 파악할 필요가 있다. 동역학 특성을 파악하는 목적을 조금 더 상세히 기술하면 다음과 같다.
	URI-T란 무엇인가?	, 2018). URI-T는 수심 2,500m급의 해저에서 해저 케이블 및 소구경 파이프의 매설 작업과 유지보수 작업을 수행하는 로봇으로, Fig. 1에 그 모습을 도시하였으며, Table 1에 대략 적인 사양을 정리하였다.

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Yuh, J., 2000. Design and Control of Autonomous Underwater Robots: a Survey. Autonomous Robots, 8(1), 7-24. https://doi.org/10.1023/A:1008984701078

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저자의 다른 논문 :

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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