[논문]수중 구조물 검사를 위한 ROV 시스템 설계 연구

류제두; 남건석; 하경남

doi:10.21289/ksic.2020.23.3.463

수중 구조물 검사를 위한 ROV 시스템 설계 연구
A Basic Study of ROV System Design for Underwater Structure Inspection 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.3, 2020년, pp.463 - 471

류제두 (한국생산기술연구원 해양로봇센터) , 남건석 (한국생산기술연구원 해양로봇센터) , 하경남 (한국생산기술연구원 해양로봇센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, various tries to apply ROV (Remotely Operated Vehicle) into underwater are being developed. However, due to underwater environment uniqueness, the additional problem must be taken into account when designing an ROV for the inspection of the underwater structure. This is because a GPS-based information method cannot be applied, and the obtainable image is also dependent on the turbidity. Also, it is necessary to be able to satisfy waterproof and operating speeds in consideration of most practical application environments. This paper describes the design results of the ROV system for underwater structure inspection considering the above problems. The designed system applied INS / DVL for location recognition and was configured to support 3D mapping and stereo camera-based image information using sonar depending on visibility. To satisfy the waterproof, a pressure vessel using a composite material was applied. And over-actuated system using eight thrusters to maintain a stable posture and operating speed was applied also. The designed system was verified by structural analysis and flow analysis also.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1 Structure Model Image of Air and Underwater
그림 Fig. 2 Obstacle Image of Camera and Sonar
그림 Fig. 3 LBL and USBL System Configuration
표 Table 1. Main Parts List
그림 Fig. 4 Communication Structure
그림 Fig. 5 Power Distribution Configuration
그림 Fig. 6 Control Block Diagram
그림 Fig. 7 Thruster Configuration
그림 Fig. 8 Shape and Material of Pressure Vessel
그림 Fig. 9 Structural Analysis of Pressure Vessel
그림 Fig. 10 Stress(a) and Deformation(b) of Dome
그림 Fig. 11 Flow Analysis Conditions
그림 Fig. 12 Fluid Flow for CFD at 1m/s
표 Table 2. Material Properties for Analysis
그림 Fig. 14 Underwater Robot Concept Design
그림 Fig. 13 Pressure vessel in chamber

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 위와 같은 문제들을 고려한, 수중구조물 검사용 ROV 시스템의 설계과정 및 기본적인 검증에 대해 기술한다. 설계한 시스템은 3D scanning Sonar와 스테레오 카메라를 함께 사용하여 영상정보를 획득하며, INS(Inertial Navigation System)와 DVL(Doppler Velocity Log)을 통합한 위치인식을 통해 자율주행이 가능하고자 하였다.

제안 방법

Madis 사의 NFX를 이용하여 유동해석은 수행하였다. 유속 1m/s 환경에서 외형 주변의 유동장이 그림 12와 같이 나타났으며, 이때 전방 최대항력이 28.
이론적으로, 6자유도의 운동 체를 제어하기 위해서는 적절히 배치된 6개의 추진기로 제어가 가능하다. 그러나 본 연구에서는 구조물 검사를 위한안정적인 운동 제어를 위해 4개의 수평추진기와 4개의 수직추진기를 이용한 과구동 시스템을 적용하였다. 따라서 8개 추진기의 추진력들을 적절히 분배하는 것이 필요하며, 추진력 분배를 위한 제어력 분배식은 식(1)과 같이 정리할 수 있다[9].
다음으로는, 설계된 외형 및 추진시스템이 최대목표 속도를 만족할 수 있는지 검증하였다. 제안하는 시스템은 1 m/s 이상의 속도에서 발생하는 항력 이상의 충분한 추력을 가질 수 있어야 한다.
Sonar에서 취득한 이미지 자체가 그림 2와 같이 낮은 해상도와 난반사에 의해 노이즈 등이 포함되어 검사대상물을 직관적으로 인식하기 어렵기 때문이다. 따라서 작업자의 제한된 시야를 보조하며, 직관적으로 검사 대상물과 ROV 주변 정보를 습득할 수 있도록 3차원 시각화 기능을 기본 사양으로 설정했다.
따라서, 0.5∼1.0 m/s 의 불규칙적인 조류가 존재하는 국내의 운용환경을 고려하여 최대 운용속도를 1.0m/s로 선정하였다.
마지막으로, 지금까지의 해석 결과를 기반으로 전장 부를 보호하는 2개의 내압용기를 직접 제작하여 내압시험을 수행하였다. 시험은 해양로봇센터의 외압시험기를 이용하여, 그림 13 에 나타낸 것과 같이 30bar 이상의 압력을 30분간 유지하면서, 이상 유무를 확인하는 방법으로 수행 되었다.
그림1에서는 수중 구조물 검사의 대표적인 대상이 되는 수중 교각 모형을 실제 제작하여 촬영한 것이다. 모형은 해양로봇센터의 조파수조내의 최대 수심 8.8 m 지점에 설치하였으며, 검사 시에 일반적으로 사용되는 수중 LED 조명과 수중 카메라를 이용하여, 거리를 달리하여 촬영하였다. 짙은 색의도장이 되어 있음에도 불구하고, 설치 전 지상에서 촬영한 것과 달리 모형과의 거리가 10 m 만 되면, 형태를 전혀 확인할 수 없어, 검사 대상 물체의 특징을 파악하기 매우 어려운 것을 보여준다.
최종적으로 설계한 시스템은 그림 14과 같이 제작 할 예정이다. 본 연구에서 검증한 바와 같이 비강도와 밀도를 고려한 CFRP를 이용한 경량 유선형 구조와 안정적 동작을 위한 과 추진 시스템을 특징으로 하고 있다. 또한.
이는 기본적으로 시스템의전체적인 크기와 중량을 결정하게 되며, 전장 부를 보호하는 내압용기가 핵심부분이다. 본 연구에서는 비강도와 밀도를 고려하여, 그림 8과 같이 알루미늄(6061 T6)과 CFRP를 동시에 사용하여 2개의 내압용기를 설계하였다. 전력분배보드용 내압용기와 달리 제어보드용 내압용기에는 영상 카메라가 추가되어야 하므로 PMMA(polymethyl methacrylate) 재질의 돔 형태가 추가되는 복합형상을 지니고 있다.
본 논문에서는 위와 같은 문제들을 고려한, 수중구조물 검사용 ROV 시스템의 설계과정 및 기본적인 검증에 대해 기술한다. 설계한 시스템은 3D scanning Sonar와 스테레오 카메라를 함께 사용하여 영상정보를 획득하며, INS(Inertial Navigation System)와 DVL(Doppler Velocity Log)을 통합한 위치인식을 통해 자율주행이 가능하고자 하였다. 운용수심과 유속조건 등을 고려하여, CFRP로 프레임을 설계하였으며, 8개의 추진기를 이용한 과추력 시스템을 구성하였다.
운용수심과 유속조건 등을 고려하여, CFRP로 프레임을 설계하였으며, 8개의 추진기를 이용한 과추력 시스템을 구성하였다. 설계한 시스템의 내압성능 및 운항속도는 전산해석을 통해 검토되었으며, 운용수심을 고려한 내압용기를 실제 제작하여 외압시험을 통해 검증 하였다.
마지막으로, 지금까지의 해석 결과를 기반으로 전장 부를 보호하는 2개의 내압용기를 직접 제작하여 내압시험을 수행하였다. 시험은 해양로봇센터의 외압시험기를 이용하여, 그림 13 에 나타낸 것과 같이 30bar 이상의 압력을 30분간 유지하면서, 이상 유무를 확인하는 방법으로 수행 되었다.시험 종료 후 내압용기는 외형 변화 및 내부 누수가 발견되지 않았으며, 설계 목표였던 수심 200m의 내압성능을 만족함을 확인할 수 있었다.
또한 수중에서 시스템은 테더 케이블을 통해 전력을 공급받게 된다. 앞서와 같이 긴 거리로 인한 전압강하를 고려하여, 높은 전압을 사용하고, ROV 무게 경량화를 위해 육상에서 DC전력을 공급하기 위해 그림 5와 같이 380VAC 3상 전압을330 VDC으로 변환하여 공급할 수 있도록 전력 부를 구성하였다.
본 연구에서는 그림 6과 같은 제어시스템을 구성하였다. 여기서 INS, DVL, Depth Sensor 에 의해 계측된 플랫폼의 현재 X, Y, Z, Roll, Pitch, Yaw 정보뿐 아니라 3D Sonar를 이용한 Mapping및 경로 추정 값도 제어입력으로 이용하도록 하였다. 이러한 개별 추진기들의 구동에 의해 발생하는 추진력들이 원하는 위치와 자세를 유지할 수 있도록 하는 제어력으로 작용하게 된다.
설계한 시스템은 3D scanning Sonar와 스테레오 카메라를 함께 사용하여 영상정보를 획득하며, INS(Inertial Navigation System)와 DVL(Doppler Velocity Log)을 통합한 위치인식을 통해 자율주행이 가능하고자 하였다. 운용수심과 유속조건 등을 고려하여, CFRP로 프레임을 설계하였으며, 8개의 추진기를 이용한 과추력 시스템을 구성하였다. 설계한 시스템의 내압성능 및 운항속도는 전산해석을 통해 검토되었으며, 운용수심을 고려한 내압용기를 실제 제작하여 외압시험을 통해 검증 하였다.
다음으로는, 설계된 외형 및 추진시스템이 최대목표 속도를 만족할 수 있는지 검증하였다. 제안하는 시스템은 1 m/s 이상의 속도에서 발생하는 항력 이상의 충분한 추력을 가질 수 있어야 한다. 항력 크기를 유추하기 위해 간략 화된 외형을 가지고 그림 11과 같이 유동해석 모델 및 경계조건을 설계하였다.
지금까지 수중 구조물 검사용 ROV 시스템의 설계과정 및 기본적인 검증 과정을 기술하였다. 특히 국내 환경에 적합한 ROV 시스템의 사양의 선정을 논의하였으며, 선정된 사양을 구현하기 위한 시스템의 설계 과정을 소개하였다.
지금까지 수중 구조물 검사용 ROV 시스템의 설계과정 및 기본적인 검증 과정을 기술하였다. 특히 국내 환경에 적합한 ROV 시스템의 사양의 선정을 논의하였으며, 선정된 사양을 구현하기 위한 시스템의 설계 과정을 소개하였다. 설계 결과는 전산 해석 및 압력시험을 통해 목표한 운용수심 조건과 최대 속도를 만족할 수 있음을 검증하였다.
제안하는 시스템은 1 m/s 이상의 속도에서 발생하는 항력 이상의 충분한 추력을 가질 수 있어야 한다. 항력 크기를 유추하기 위해 간략 화된 외형을 가지고 그림 11과 같이 유동해석 모델 및 경계조건을 설계하였다.

대상 데이터

이때, 일반적인 최대 작업수심인 200 m를 고려하면, 실제적인 케이블의 길이는 300 m 이상이 필요하다[8]. 따라서 이러한 케이블 거리로 인한 데이터 손실을 최소화하기 위해서 광섬유를 이용하였다. 그림 4에 나타낸 바와 같이 제한된 대역폭으로 인해, 빠른 응답이 필요한 제어는 플랫폼 내부에서직접 수행하되, 검사 영상 정보와 3D Mapping데이터는 육상으로 전송하도록 구성하였다.

데이터처리

제안하는 시스템의 구성 및 설계가 선정된 사양을 만족할 수 있는지를 확인하기 위해 검증을 수행하였다. 앞 절에서 논의된 바와 같이 제안하는 ROV 시스템은 30 bar 이상의 내압성능을 만족할 수 있어야 한다.

이론/모형

3.1 통신부와 전력부의 구성

구조물을 검사하기 위한 시스템의 목적에 가장 필요한 영상정보와 제어정보의 전송을 위해서는 테더 케이블(Tether Cable)을 이용하였다. 이때, 일반적인 최대 작업수심인 200 m를 고려하면, 실제적인 케이블의 길이는 300 m 이상이 필요하다[8].
표 2 에 나타낸 재료별 물 성치[11]를 이용하여Midas 사의 MESHFREE를 이용하여 그림 9와 같이 구조해석을 수행하였다[12]. 물체의 파괴를 가장 정확하게 예측하는 기준으로 알려져 있는 본마이제스 응력(von Mised stress)를 기준으로 검토 하였다.
표 2 에 나타낸 재료별 물 성치[11]를 이용하여Midas 사의 MESHFREE를 이용하여 그림 9와 같이 구조해석을 수행하였다[12]. 물체의 파괴를 가장 정확하게 예측하는 기준으로 알려져 있는 본마이제스 응력(von Mised stress)를 기준으로 검토 하였다.

성능/효과

본 연구에서는 8개의 추진기를 이용한 과 구동 시스템으로 설계하였으므로, 6자유도의 제어입력 r_c을 발생시키기 위한 추력벡터 F는 무수히 많이 존재할 수 있다. 따라서 이러한 과 구동 시스템에 대한 해를 구하기 위한 최적화를 통해 추력벡터를 결정하는 과정이 추가적으로 필요하다.
특히 국내 환경에 적합한 ROV 시스템의 사양의 선정을 논의하였으며, 선정된 사양을 구현하기 위한 시스템의 설계 과정을 소개하였다. 설계 결과는 전산 해석 및 압력시험을 통해 목표한 운용수심 조건과 최대 속도를 만족할 수 있음을 검증하였다.
시험은 해양로봇센터의 외압시험기를 이용하여, 그림 13 에 나타낸 것과 같이 30bar 이상의 압력을 30분간 유지하면서, 이상 유무를 확인하는 방법으로 수행 되었다.시험 종료 후 내압용기는 외형 변화 및 내부 누수가 발견되지 않았으며, 설계 목표였던 수심 200m의 내압성능을 만족함을 확인할 수 있었다.
최대 응력은 21.2 MPa 로 인장 응력의 27.9%로 해석되어, 30 bar 의 환경에서 내압성능을 만족할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

또한. 스테레오 카메라와 소나를 동시에 적용하여, 저시야 환경을 극복할 수 있는 매핑 정보 생성 및 주행 알고리즘 연구를 계속 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	서해안 및 남해안의 수심은 무엇인가?	두 번째로 시스템의 전체적인 크기와 중량을 결정하게 되는 ROV 시스템의 구조와 관련된 부분이다. 국내에서 수중구조물의 분포가 가장 높은 서해안 및 남해안의 수심은 평균 60 미터이며, 최대 수심은 약 200 미터[5]로, 해당 수심에서는 20bar 이상의 수압이 존재한다. 또한, ROV의 경우안전설계기준에 따라 최대 사용압력의 1.
	육상수중 복합 구조물의 수중검사의 제한사항은?	이러한 수중검사는 잠수부에 의해 수중카메라로 촬영한 이후에, 별도의 구조 진단 전문가가 육상에서 영상을 확인하는 형태의 간접검사로 진행된다[2]. 그러나 국내 하천, 저수지, 바다는 탁도가 높아 영상 촬영을 위한 시야 확보가 어렵고, 잠수부에 의한 검사시간이 제약된다. 따라서 파손, 균열, 박리, 침식, 부식 등이 수반되는 구조물을 전체적으로 정밀 검사하기에는 한계점이 존재한다.
	육상수중 복합 구조물의 수중검사는 어떻게 진행되는가?	현재는 최초 정밀안전진단 시에만 수중검사를 진행하고, 바닷물에 항상 잠겨있는 수중시설은 4년에 1회 이상만 수중검사를 진행하는 상황이다. 이러한 수중검사는 잠수부에 의해 수중카메라로 촬영한 이후에, 별도의 구조 진단 전문가가 육상에서 영상을 확인하는 형태의 간접검사로 진행된다[2]. 그러나 국내 하천, 저수지, 바다는 탁도가 높아 영상 촬영을 위한 시야 확보가 어렵고, 잠수부에 의한 검사시간이 제약된다.

참고문헌 (12)

국토교통 통계누리, http://stat.molit.go.kr
정유석 외, 한국구조물진단유지관리공학회 논문집, 20,5,50, (2016).

원문보기 상세보기
L. L. Whitcomb : Underwater robotics: out of the research laboratory and into the field. Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, San Francisco, pp.709-716, (2000)
백혁 외, 한국해군과학기술학회지, 2,1, 21, (2019)
국립해양조사원 누리집, http://www.khoa.go.kr
한국선급 : 잠수선 규칙. 한국선급, 대전, pp.8-9, (2012)
International Marine Contractors Association, https://www.imca-int.com/
Robert D. Christ and Robert L. Wernli, Sr. : The ROV Manual 2nd Ed., Butterworth-Heinemann, Elsevier, pp.85-88, (2014)
T.I. Fossen : Guidance and control of Ocean Vehicles, Wiley & Sons, New York, pp. 6-56, (1994)
남건석 외, 로봇학회 논문지, 15,1, pp.32-38, (2020)

원문보기 상세보기
S. Y. Yoo, B. H. Jun, H. W. Shim, P. M. Lee, Journal of Ocean Engineering and Technology, 27,6, pp. 65-72, (2013)

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https://www.midasit.com/

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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