[논문]광센서 배열을 이용한 무인잠수정의 종단유도장치 시스템

손현중; 최형식; 강진일; 서주노; 정성훈; 김준영

doi:10.12673/jant.2019.23.2.125

광센서 배열을 이용한 무인잠수정의 종단유도장치 시스템
Underwater Guidance System for AUV using Optical Sensor Array 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.23 no.2 = no.95, 2019년, pp.125 - 133

손현중 (한국해양대학교 기계공학과) , 최형식 (한국해양대학교 기계공학과) , 강진일 (한국해양대학교-한국해양과학기술원 해양과학기술전문대학원 해양과학기술융합학과) , 서주노 (한국해양대학교 산업기술연구소) , 정성훈 (한국해양대학교 산업기술연구소) , 김준영 (한국해양대학교 해양신소재융합공학과)

초록
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본 논문에서는 수중에서 광과광센서를 이용하여 AUV의 도킹스테이션에의 도킹에 대한 새로운 연구를 하였다. 이를 위해 LED를 유도광원으로 사용하는 도킹스테이션과렌즈, 광 변위센서, 신호처리기, 연산처리기로 구성된 센서시스템 무인잠수정에 장착한 무인잠수정의 종단유도장치 시스템을 제안하였다. LED 복사광을 이용해 정밀한 상대각도 측정 정밀도를 얻을 수 있도록 집광렌즈 및 광센서 시스템의 원리해석과 이를 검증하기 위해 집광렌즈와 광센서 시스템을 직접 제작하고 기초실험을 수행하였으며 제작한 광학센서를 이용한 AUV와 도킹시스템을 제작하고 수조에서 기본적인 도킹시험을 수행하여 새로운 도킹 방법으로의 가능성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a new study was performed on the docking of AUV to docking station using light and light sensor system under the water. For this, a guiding system for AUV loading sensor system composed of lense, light sensor, signal processor, and processor and docking system with LED are proposed. An analysis on light sensor system and light-collecting lense to obtain accurate relative angle and measurement accuracy was performed. To prove this, the system was built and a basic experiment was performed. Finally, the feasibility of the developed docking system was verified the test in the water tank.

주제어

표/그림 (23)

그림 그림 1. 집광렌즈의 지향성을 이용한 상대각도 측정원리 Fig. 1. The principle of relative angle measurement using directivity of a condensing lens.
그림 그림 2. 집광렌즈 및 광센서의 좌표계 설정 Fig. 2. Coordinate system setting of the condensing lens and the optical sensor.
그림 그림 3. 광원 모듈부의 세부구조 Fig. 3. The detailed structure of the light source module part.
그림 그림 4. 광원의 변조 및 고유 ID의 인식 과정의 예시 Fig. 4. An example of the process of recognition of the modulation and unique ID of the light source.
그림 그림 5. 광센서 부의 세부구조 Fig. 5. The detailed structure of the optical sensor part.
그림 그림 6. 광원의 변조 및 고유 ID의 인식 과정의 예 Fig. 6. An example of the process of recognition of the modulation and unique ID of the light source.
그림 그림 7. 렌즈의 특성Fig. 7. Characteristics of Lens.
그림 그림 8. 광센서 하우징의 설계 Fig. 8. Design of optical sensor housing.
그림 그림 9 제작한 광원모듈부의 외형 Fig. 9. The appearance of the manufactured light source module part.
표 표 1. 광학센서 시스템의 성능결정요소 Table 1. Performance determinants of optical sensor systems.
그림 그림 10. 제작한 광센서부의 내부모습 Fig. 10. Internal view of the manufactured optical sensor part.
그림 그림 11. 제작한 광센서부의 외형 Fig. 11. The appearance of the manufactured optical sensor part.
그림 그림 12. 광센서 시험장치의 구조 Fig. 12. Structure of optical sensor experiment device.
그림 그림 13. 광센서 시험 사진 (1) Fig. 13. Photograph of optical sensor experiment (1).
그림 그림 14. 광센서 시험 사진 (2) Fig. 14. Photograph of optical sensor experiment (2).
그림 그림 15. 광센서 시험 결과 Fig. 15. Result of optical sensor experiment.
그림 그림 16. 광학식 도킹유도 시험을 위한 무인잠수정의 구성도 Fig. 16. Constitution of AUV for optical docking guidance experiment.
그림 그림 17. 도킹스테이션의 구조 Fig. 17. Structure of docking station.
표 표 2. 광센서 배열 값의 변화를 판단하는 기준표 Table 2. A reference table for judging a change in the optical sensor array value.
그림 그림 18. 도킹스테이션 유도 절차 시나리오 Fig. 18. The scenario of docking station induction procedure.
그림 그림 19. 도킹 상황 (1) Fig. 19. Situation of docking (1).
그림 그림 20. 도킹 상황 (2) Fig. 20. Situation of docking (2).
그림 그림 21. 광유도 실험 Fig. 21. Light guidance experiment.

AI 본문요약
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문제 정의

보다 구체적으로는 LED를 유도광원으로 사용하는 도킹스테이션과 렌즈, 광 변위센서, 신호처리기, 연산처리기로 구성된 센서 시스템을 무인잠수정에 장착한 무인잠수정의 종단유도장치 시스템을 제안하였다. 또한 본 논문에서 제안한 광학센서를 이용한 AUV와 도킹시스템을 제작하고 도킹알고리즘을 개발하였으며 개발한 시스템을 수조에서 도킹시험을 수행하여 새로운 도킹 방법으로의 가능성을 검증해 보고자 한다.
렌즈의 굴절을 이용해 광원 점의 상대각도를 추정하는 기본 목표 외에 수중에서는 광 감쇠와 산란에 의해 최종적으로 수신기에 도달하는 광신호의 강도가 적기 때문에 외부로부터 입사하는 광을 포토센서로 집광함으로 신호 대 잡음비 (S/N)를 향상시키는 부가 목표가 있다. 렌즈의 성능을 결정하는 중요 요소는 다음과 같다.
본 논문에서는 수중에서 광과 광센서를 이용하여 AUV의 도킹스테이션에의 도킹에 대한 새로운 연구를 하였다. 이를 위해LED를 유도광원으로 사용하는 도킹스테이션과 렌즈, 광 변위센서, 신호처리기, 연산처리기로 구성된 센서 시스템을 무인잠수정에 장착한 무인잠수정의 종단유도장치 시스템을 제안하였다.
본 논문은 이러한 문제점을 해결하고자 수중 전파속도가 음파보다 훨씬 빠른 LED (light emitting diode) 복사광을 이용해 정밀한 상대각도 측정 정밀도를 얻을 수 있고 데이터 갱신속도 또한 1초에 10번 이상 빠른 도킹유도 센서 시스템을 개발, 무인잠수정 도킹에 적용하고자 하는 것이다 [4]-[6].

가설 설정

앞서 설치한 광원을 스테이션의 유도등으로 가정하였고, 수조의 수심은 1 m로 광원을 수면보다 높게 설치하였다. AUV는광센서 모듈에서 검출된 빛의 세기를 입력으로 사용하여 수면에서 광원과의 상대각도를 구하고 방향타를 사용해 광원에 유도되는지 확인한다.

제안 방법

LED 복사광을 이용해 정밀한 상대각도 측정 정밀도를 얻을수 있도록 집광렌즈 및 광센서 시스템의 원리해석과 이를 검증하기 위해 집광렌즈와 광센서 시스템을 직접 제작하고 기초실험을 수행하였다. 또한 제작한 광학센서를 이용한 AUV와 도킹시스템을 제작하고 도킹알고리즘을 개발하였으며 개발한 시스템을 AUV에 적용하여 수조에서 기본적인 도킹시험을 수행하여 새로운 도킹 방법으로의 가능성을 검증하였다.
또한 배치된 4개의 광원모듈은 각자 고유 ID를 가지고 ID마다 지정된 위상과 주파수로 LED를 점멸하여 AUV 입장에서 도킹스테이션의 방향을 인식할 수 있도록 설계하였다. 광무선 통신장치는 스테이션의 AUV 홀더 중앙부에 배치하여 AUV가 도킹이 완료되었을 때 광 무선통신으로 AUV와 데이터 통신하도록 설계하였다.
광학센서 기반의 AUV 도킹스테이션은 그림 17과 같이 원뿔대모양 프레임에 AUV홀더와 광원모듈, 광무선 통신장치, Payload로 설계하였다. 광원모듈은 스테이션 전면프레임에 90도 간격으로 총 4개를 배치하여 프레임의 간섭 없이 네 방향으로 광원을 복사하여 도킹을 유도할 수 있도록 설계하였다. 또한 배치된 4개의 광원모듈은 각자 고유 ID를 가지고 ID마다 지정된 위상과 주파수로 LED를 점멸하여 AUV 입장에서 도킹스테이션의 방향을 인식할 수 있도록 설계하였다.
광점변위 측정 센서는 렌즈의 집광점이 결상되는 면에 소형의 광센서를 그림 6과 같이 배열형태로 배치하여 광점의 세기 및 위치를 측정하고 이를 취합하여 렌즈 면에 대한 광원의 상대 각도를 측정할 수 있도록 설계하였다.
광학센서 기반의 AUV 도킹스테이션은 그림 17과 같이 원뿔대모양 프레임에 AUV홀더와 광원모듈, 광무선 통신장치, Payload로 설계하였다. 광원모듈은 스테이션 전면프레임에 90도 간격으로 총 4개를 배치하여 프레임의 간섭 없이 네 방향으로 광원을 복사하여 도킹을 유도할 수 있도록 설계하였다.
그림 19와 그림 20의 (A)는 각각 12시 방향의 광원과 3시 방향 광원에 유도된 AUV를 보여주고 (B)와 (C)은 광원센서 모듈의 광센서배열을 나타낸 것이다. 또한 AUV가 광원모듈에 의해 유도될 때 스테이션과의 충돌을 피하고 도킹을 위해 적정거리를 유지하여야 하며 이를 감지하기 위한 방법으로 스테이션과 AUV의 거리가 가까울수록 광센서모듈부의 광센서배열에 맺히는 상의 크기가 커지는 것을 착안하고 이용하였다.
광원모듈은 스테이션 전면프레임에 90도 간격으로 총 4개를 배치하여 프레임의 간섭 없이 네 방향으로 광원을 복사하여 도킹을 유도할 수 있도록 설계하였다. 또한 배치된 4개의 광원모듈은 각자 고유 ID를 가지고 ID마다 지정된 위상과 주파수로 LED를 점멸하여 AUV 입장에서 도킹스테이션의 방향을 인식할 수 있도록 설계하였다. 광무선 통신장치는 스테이션의 AUV 홀더 중앙부에 배치하여 AUV가 도킹이 완료되었을 때 광 무선통신으로 AUV와 데이터 통신하도록 설계하였다.
AUV는광센서 모듈에서 검출된 빛의 세기를 입력으로 사용하여 수면에서 광원과의 상대각도를 구하고 방향타를 사용해 광원에 유도되는지 확인한다. 또한 수면보다 위쪽에 있는 광원에 의해 광센서의 입력 값을 확인하고 자세제어기가 제어되는지 확인한다.
LED 복사광을 이용해 정밀한 상대각도 측정 정밀도를 얻을수 있도록 집광렌즈 및 광센서 시스템의 원리해석과 이를 검증하기 위해 집광렌즈와 광센서 시스템을 직접 제작하고 기초실험을 수행하였다. 또한 제작한 광학센서를 이용한 AUV와 도킹시스템을 제작하고 도킹알고리즘을 개발하였으며 개발한 시스템을 AUV에 적용하여 수조에서 기본적인 도킹시험을 수행하여 새로운 도킹 방법으로의 가능성을 검증하였다.
각각 자세제어기(①), 추진기(⑥), 방향타(⑦), 배터리(②, ⑤), 컨트롤보드 등으로 구성되어 있으며, 각 부품들은 선체 내부에 장착된다. 무인잠수정의 선수 공간에는 광센서모듈(⑧)과 DVL 센서(⑨)가 장착되어있고 방수커넥터를 이용해 내부 시스템과 연결되도록 하였다.
보다 구체적으로는 LED를 유도광원으로 사용하는 도킹스테이션과 렌즈, 광 변위센서, 신호처리기, 연산처리기로 구성된 센서 시스템을 무인잠수정에 장착한 무인잠수정의 종단유도장치 시스템을 제안하였다. 또한 본 논문에서 제안한 광학센서를 이용한 AUV와 도킹시스템을 제작하고 도킹알고리즘을 개발하였으며 개발한 시스템을 수조에서 도킹시험을 수행하여 새로운 도킹 방법으로의 가능성을 검증해 보고자 한다.
본 논문에서는 AUV에는 집광렌즈가 설치되고 도킹시스템에는 3개 이상의 LED 광원이 설치된다. 본 논문에서 제안하는 광학식 도킹센서의 핵심원리는 그림 1과 같이 광원이 렌즈의 중심축과 평행하지 않고 어긋날 때, 렌즈에서 맺히는 광점의 위치가 초점거리 중심에서 비례하게 이동한다는 점을 이용한 것이며 구체적인 내용은 다음과 같다.
본 논문에서 제안한 광학식 상대각도 측정센서 시스템을 제작하였으며 제작한 시제품의 내부모습 및 외형을 다음 그림 9, 10, 11에 나타내었다.
본 논문에서는 49 개의 광센서 칩을 사용하여 7 × 7 배열 형태의 광센서 배열을 구성하였고, 이에 따라서 56 채널의 ADC (analog-digital converter)를 사용하였다.
본 논문에서는 AUV에는 집광렌즈가 설치되고 도킹시스템에는 3개 이상의 LED 광원이 설치된다. 본 논문에서 제안하는 광학식 도킹센서의 핵심원리는 그림 1과 같이 광원이 렌즈의 중심축과 평행하지 않고 어긋날 때, 렌즈에서 맺히는 광점의 위치가 초점거리 중심에서 비례하게 이동한다는 점을 이용한 것이며 구체적인 내용은 다음과 같다.
본 설계에서는 센서 모듈의 housing 크기도 함께 고려해야 하므로 렌즈의 직경은 최소 75 mm 이상, 렌즈의 초점거리는 최소100 mm 이상을 적용하도록 설계하였다. 이에 따라 설계한 센서 하우징의 내부 배치는 그림 8과 같다.
본 연구에서 제작한 광원 모듈부를 탑재한 도킹 스테이션과 광센서 모듈부를 설치한 AUV를 이용해 고안한 도킹알고리즘을 적용해서 무인잠수정이 스테이션 근처에 도달하였을 때 수중도킹을 위해 광센서모듈을 사용하여 스테이션에 설치된 광원의 방향으로 AUV를 제어하는 실험을 수행하였다. 실험환경으로는 그림 21과 같이 크기 3 m × 4 m 수조에 1 m의 담수가 있는 실험환경을 구성하였다.
제작한 광센서 시스템의 분해능 성능측정을 위해 그림 12와 같이 광센서 모듈, 변조 없이 일정한 조도 값을 유지하며 상시 점등된 LED 광원, 광센서 모듈을 지정된 거리만큼 정확하게 이동시킬 수 있는 리니어 액추에이터로 광센서 시험 장치를 구성하였다. 설치된 광원을 기준으로 거리는 15 m, 좌우방향으로는 550 mm 거리를 이동하면서 광센서 배열의 중심 line에 배치된 광센서들의 출력을 검출할 수 있는 시험장치 및 시험 중인 사진을 각각 그림 13 및 14에 나타내었고 이 시험을 통해 데이터를 추출하고 비교하였다.
이 특징은 렌즈의 초점거리가 길수록, 즉 지향성이 높아질수록 광점의 위치가 변화되는 폭이 커지는 특징이 있다. 이러한 원리를 사용해서, 광점의 위치를 측정하는 광점변위 측정 센서인 photodiode array, CCD, PSD (position sensitive detector) 등을 사용해 집광렌즈의 중심축에 대한 피사체 광원의 상대각도를 측정한다.
본 논문에서는 수중에서 광과 광센서를 이용하여 AUV의 도킹스테이션에의 도킹에 대한 새로운 연구를 하였다. 이를 위해LED를 유도광원으로 사용하는 도킹스테이션과 렌즈, 광 변위센서, 신호처리기, 연산처리기로 구성된 센서 시스템을 무인잠수정에 장착한 무인잠수정의 종단유도장치 시스템을 제안하였다.

대상 데이터

본 실험에서 리니어 액추에이터의 위치가 50 mm부터 130 mm 사이에 있을 때 렌즈의 집광 포인트가 센서 모듈의 정중앙센서에 결상되었다. 즉 액추에이터 위치 50 mm과 130 mm의 중간 값인 80 mm가 본 실험에서 광 송신 모듈과 광 수신 모듈이 서로 정확하게 일직이 된 상태라고 판단할 수 있다.
실험환경으로는 그림 21과 같이 크기 3 m × 4 m 수조에 1 m의 담수가 있는 실험환경을 구성하였다.
제작한 광센서 시스템의 분해능 성능측정을 위해 그림 12와 같이 광센서 모듈, 변조 없이 일정한 조도 값을 유지하며 상시 점등된 LED 광원, 광센서 모듈을 지정된 거리만큼 정확하게 이동시킬 수 있는 리니어 액추에이터로 광센서 시험 장치를 구성하였다. 설치된 광원을 기준으로 거리는 15 m, 좌우방향으로는 550 mm 거리를 이동하면서 광센서 배열의 중심 line에 배치된 광센서들의 출력을 검출할 수 있는 시험장치 및 시험 중인 사진을 각각 그림 13 및 14에 나타내었고 이 시험을 통해 데이터를 추출하고 비교하였다.

성능/효과

(1) 렌즈의 직경 - 렌즈의 직경이 클수록 수광하는 광량이 증가한다.
(2) 렌즈의 초점거리 - 렌즈의 초점거리가 길수록 광 굴절각이 적어지게 되며 이는 굴절 안정성이 증가시키게 되어 정밀하게 상이 모아진다.
본 실험에서 리니어 액추에이터의 위치가 50 mm부터 130 mm 사이에 있을 때 렌즈의 집광 포인트가 센서 모듈의 정중앙센서에 결상되었다. 즉 액추에이터 위치 50 mm과 130 mm의 중간 값인 80 mm가 본 실험에서 광 송신 모듈과 광 수신 모듈이 서로 정확하게 일직이 된 상태라고 판단할 수 있다. 이 상태에서 리니어 액추에이터를 계속 이동하여 광센서 배열에 뚜렷한 변화가 감지된 지점을 다음 표 2에 나타내었다.
이 실험에 따르면 그림 15 (a)의 결과를 얻을 수 있다. 즉, 광송신 모듈과 광 수신 모듈의 거리를 15 m로 고정하여 광 수신 모듈을 x축으로 이동할 경우 최대 70 mm, 평균 52 mm 마다 광센서 배열에서 뚜렷한 변화가 감지되었다. 이를 통해 개발한 시스템의 추정 각도 분해능은 15m 거리에서 최대 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인잠수정의 수중 도킹이란?	무인잠수정의 수중 도킹은 충전과 통신을 위하여 무인잠수정을 수면으로 부상시키지 않고 수중에 설치된 스테이션으로 유도하여 결합시키는 것을 말한다. 무인잠수정이 도킹 스테이션까지 안전하고 신속하게 도킹하기 위해서는 무인잠수정이 도킹스테이션에 대한 본선의 방향 각도를 정확하고 빠르게 측정하여 도킹스테이션을 향해 접근하면서 정확히 안착될 수 있도록 자세제어를 하는 것이 요구된다.
	USBL의 특징은 무엇인가?	USBL을 이용한 시스템의 경우 수중에서 신호감쇠가 적어광역추적이 가능하지만 해수의 온도 변화와 분포에 영향을 받게 되고 수면에서 발생하는 잡음에 민감하며 음파의 반사와 굴절에 의한 다중경로 진행파의 간섭이 존재하므로 도킹을 위한 근거리 정밀 추적에 어려움이 있다.
	해양조사 시 AUV는 전력공급에서 어려움을 겪는데 이를 해결하기 위해 하는 것은?	해양조사 시AUV는 데이터의 송수신과 장시간 운용을 위한 전력공급에서많은 어려움을 겪고 있다. AUV의 운용시간을 늘리기 위해 충전장치를 설치한 해저 구조물이나 다른 무인잠수정과에의 도킹으로 이를 해결하고 있다. 이러한 시스템을 이용하면 AUV를인양할 필요가 없어 장기적으로 자동 운용이 가능하여 비용과 시간에 있어서 경쟁력을 가질 수 있다.

참고문헌 (6)

H. Kaushal and G. Kaddoum, "Underwater optical wireless communication," in Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, IEEE Access, New Jersey: NJ, Vol 4, pp.1518-1547, 2016.
K. R. Son, "Performance analysis of the visible light communication in seawater channel," The Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 37, No.5, pp.527-532. 2013.

원문보기 상세보기
W. J. Cox, Simulation modeling and design of underwater optical communication systems, Ph. D. dissertation, North Carolina State University, NC, 2012.
N. E. Farr, J. D. Ware, C. T. Pontbriand, and M. A. Tivey, "Demonstration of wireless data harvesting from a subsea node using a ship of opportunity," in Proceeding of the 2013 Oceans-San Diego, IEEE, San Diego: CA, pp.1-5, 2013.
S. Arnon, "Underwater optical wireless communication network", in Proceeding of SPIE-The International Society for Optical Engineering, Vol. 49, No. 1, Bellingham: WA, pp.1-6, 2010.
D. Anguita, D. Brizzolara and G. Parodi, "Optical wireless communication for underwater wireless sensor networks: hardware modules and circuits design and implementation", in Proceeding of OCEANS 2010 MTS/IEEE SEATTLE, Seattle: WA, pp.1-8, 2010.

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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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