초록 ▼

해양의 개발이 활발하게 진행되면서 각종 수중작업에 대한 수요가 급격히 증가하고 있으며 이에 따라 다양한 해양작업 기술 및 장비가 개발되고 있으며 수중작업장비로는 유인잠수정, 원격 조작 무인잠수정(ROV: Remotely Operated Vehicle), 자율무인잠수정(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)등이 주로 사용되고 있다.
이러한 수중작업 장비에 대한 기술 개발은 주로 해저석유 산업분야와 해저 광통신케이블 매설 사업 등 민수 부문수요와 유실물회수, 기뢰제거 작업 등 특수 군사적인 수요에 의해 주

해양의 개발이 활발하게 진행되면서 각종 수중작업에 대한 수요가 급격히 증가하고 있으며 이에 따라 다양한 해양작업 기술 및 장비가 개발되고 있으며 수중작업장비로는 유인잠수정, 원격 조작 무인잠수정(ROV: Remotely Operated Vehicle), 자율무인잠수정(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)등이 주로 사용되고 있다.
이러한 수중작업 장비에 대한 기술 개발은 주로 해저석유 산업분야와 해저 광통신케이블 매설 사업 등 민수 부문수요와 유실물회수, 기뢰제거 작업 등 특수 군사적인 수요에 의해 주도되어 왔으며, 관련 기술의 발전 속도는 수중작업에 투입되는 다양한 특수 기능의 센서 및 항법센서와 작업을 직접 수행하는 수중 매니퓨레이터 기술의 발전에 의해 결정되고 있다.
무인잠수정은 수중이라는 전파가 통하지 않는 열악한 환경에서 운용되기 때문에 수중에서 자신의 위치를 정확히 파악할 수 있는 항법기술이 필수적으로 요구되며 특히 우리나라 연근해와 같이 조류가 강한 곳에서는 그 중요성이 더욱 커진다. 한편, 수중에서 기뢰제거, 샘플채집과 같은 정밀한 작업을 효율적으로 수행하기 위하여 원격조작 매니퓨레이터가 많이 사용되고 있으며 육상 매니퓨레이터와 작업환경이 다르기 때문에 이와 관련한 새로운 기술이 활발하게 개발되고 있다.
본 연구는 민수용 및 군사용으로 활용이 가능한 수중작업기술을 확보하기 위하여 고성능의 수중작업선에서 요구되는 운항제어 및 항법장치의 설계기술과 정밀작업을 수행하기 위하여 필요한 수중매니퓨레이터의 설계기술을 확보하는 목적으로 수행되었다. 이를 위하여 반자율 무인잠수정(SAUV: Semi-AUV)를 개발하여 시험플랫폼으로 활용하였으며 다양한 항법시스템과 수중매니퓨레이터의 시제품을 개발하여 성능 시험을 수행하였다.
항법시스템은 정확한 자기위치를 실시간으로 산출할 수 있으며, 소형이고, 적은 에너지 소모율을 가지며, 비교적 저렴한 센서들로 구성되어 가격이 저렴하면서도 신뢰성이 확보되어 허용 항법위치오차가 0.2nm/hr이내가 되도록 목표성능을 설정하였다.
또한, 수중작업장비의 최종 작업수단인 매니플레이터는 최소한의 동력을 사용하면서도 정확한 목표물 접촉유지 기능을 가지며 해양환경에 의한 왜란에 강인한 마스터 슬레이브 방식의 제어 특성을 보유하고 선체운동을 보상하는 기능을 가지도록 목표성능을 설정하였다. 또한, 본 연구에서 시험 플랫폼으로 개발한 SAUV는 항법시스템과 매니플레이터 시스템을 효과적으로 탑재할 수 있도록 설계되었으며 전력소모가 최소화 되도록 하였으며 기뢰제거작업에 활용될 수 있도록 선체를 비자성체인 복합재료를 사용하여 제작되도록 하였다. 이러한 연구개발 과정을 통하여 기술의 기업이전과 제작비용의 절감이 될 수 있도록 하여, 향후 해저 작업이 용이하며 안전거리를 확보하면서도 실시간으로 제어가 가능한 SAUV를 저렴한 가격에 생산하여 ROV에서 발진하는 AUV(ROV Launch AUV)와 기뢰제거 장비(MDV)와 같은 정교하면서 위험한 수중작업장비 기술이 확보 되도록 하였다.

Abstract ▼

As the development of ocean resources become very active, the demands for underwater work increase rapidly, and various underwater technologies are developed for various vehicles such as ROV (Remotely Operated Vehicle) and AUV (Autonomous Underwater Vehicle).
The development of those technologies

As the development of ocean resources become very active, the demands for underwater work increase rapidly, and various underwater technologies are developed for various vehicles such as ROV (Remotely Operated Vehicle) and AUV (Autonomous Underwater Vehicle).
The development of those technologies has been led by industries related to subsea oil and underwater cable communication as well as by military related institutes doing recovery and removal of military sensitive objects. On the other hand the pace of technical innovation is led by various technology related to special sensors, positioning sensors and underwater manipulators.
Since underwater vehicles operate in an harsh environments where no radio wave is transmitted, the navigation technology which tells the vehicle′s position in real time is a very important technology. Its importance even increases for higher ClilTent environments such as in Korean domestic coastal area. On the other hand, many remotely operated manipulators have been adopted for delicate underwater works such as mine disposal, marine life sampling due to their high efficiency. New technologies for underwater manipulators are now developing actively based on know-hows from land robot′s manipulator development.
In order to improve both commercial and military underwater technologies, this research is aimed to develop design technologies for reliable integrated control and navigation system and for excellent underwater manipulator system for delicate underwater works, which are essential requirements of high performance underwater vehicles. For this purpose a test-bed SAUV(Semi-AUV) is manufactured as a test platform for the performance evaluation of various navigation system and underwater manipulator system.
The developed integrated navigation system is small in size with low power consumption rate, but still gives accurate real time position information with reasonable cost sensors. The target accuracy of the navigation system is 0.2 nm/hr.
A highly delicate electric manipulator system with low power consumption rate and with excellent target contacting capability is developed together with its master-slave type control system which has excellent robustness to environmental disturbances and has vehicle motion compensation function.

목차 Contents

• Part Ⅰ 서론...56
• 제 1 장 연구개발의 배경 및 목적...57
• 1. 연구개발의 배경...57
• 2. 연구개발의 목적...59
• 2.1 무인잠수정의 핵심기술 개요...59
• 2.2 연구개발의 최종목표...60
• 2.3 연구개발의 내용 및 범위...62
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...64
• 1. 국내 기술개발현황...64
• 1.1 지금까지의 연구개발 실절...64
• 1.2 현기술 상태의 취약성...66
• 2. 국외 기술개발 현황...68
• 2.1 국외 기술개발 사례...68
• 2.2 앞으로의 전망...69
• 제 3 장 시스템 요구분석 및 사양...71
• 1. SAUV 시스템의 요구분석...71
• 1.1 주요 SAUV의 비교...71
• 1.2 성능 요구분석...71
• 1.3 SAUV의 임무분석...74
• 1.4 임무 시나리오...80
• 2. SAUV 형태의 항법시스템 요구분석...83
• 2.1 기뢰의 종류 및 특성...84
• 2.2 MDV 항법 시스템...87
• 3. 수종 매니퓰레이터 요구분석...90
• 3.1 매니퓰레이터 필요성...90
• 3.2 매니퓰레이터 및 제어기의 유형과 적용분야...90
• 3.3 매니퓰레이터 시스템 요구사항...95
• 4. SAUV 시스템 사양...97
• 4.1 Dimensions...97
• 4.2 Underwater Vehicle...97
• 4.3 칼라 TV 카메라...98
• 4.4 SONAR Card(Navigation ＋ Search Functions)...98
• 4.5 Identification SONAR...98
• 4.6 Winch와 Umbilical Cable...99
• 4.7 기타 계측장비...99
• 4.8 동작하기 위한 환경조건...100
• Part Ⅱ 무인잠수정의 테스트베드 개발...101
• 제 1 장 테스트 베드 설계 및 제작...102
• 1. 테스트 베드의 일반배치 설계...102
• 1.1 테스트 베드의 설계...102
• 2. 선수부의 설계...105
• 2.1 소나 돔의 설계...105
• 2.2 수직 추진기의 설계 및 배치...106
• 2.3 선미부의 설계...110
• 2.4 내부 장비 배치...113
• 2.5 추진부의 설계...115
• 제 2 장 내압선체 및 국부구조 설계...120
• 1. 기본 형상 및 물성치 산정...121
• 1.1 설계 조건 및 기본 형상...121
• 1.2 물성치 산정...122
• 2. 1차설계...124
• 2.1. 내압선체의 제작...124
• 2.2. 구조해석(선형해석)...125
• 2.3. 내압시험 및 유한요소해석 결과 비교 및 분석...126
• 3. SAUV 내압선체 파괴 원인 분석 및 보완 사항...134
• 3.1. 원인 분석...134
• 3.2. 보완사항...138
• 3.3. 요약 및 정리...141
• 4. 2차설계(설계보완)...142
• 4.1. 구조해석...142
• 4.2. 내압시험 및 유한요소해석 결과 비교...147
• 4.3. 결과 정리...173
• 5. 국부강도해석...174
• 5.1. 로봇팔(매니퓨레이터) 연결부 구조해석...174
• 5.2. 부양고리의 구조해석...176
• 6. 결론...178
• 제 3 장 제어컴퓨터 및 인터페이스...179
• 1. 제어시스템...180
• 1.1. 제어컴퓨터...180
• 2. 항법시스템...188
• 2.1. 항법컴퓨터...189
• 2.2. SDLC 컨버터...189
• 3. 인터페이스 보드 설계 및 제작...191
• 3.1 인터페이스보드의 설계...191
• 3.2. 신호분배보드...193
• 3.3. 선수측 인터페이스 보드...195
• 3.4. 선미측 인터페이스 보드...196
• 제 4 장 운용소프트웨어 설계...199
• 1. QNX용 디바이스 드라이버...200
• 1.1. CPCI-100A 디바이스 드라이버...201
• 1.2. A/D 컨버터 모듈: IP-OPTOAD12...205
• 1.3. D/A 컨버터 모듈: IP-OPTODA12...206
• 1.4. IP-OctalPlus232...207
• 1.5. 디지털 I/O 모듈: IP-Unidig-E...209
• 1.6. 디바이스 인터럽트...210
• 2. 제어컴퓨터용 소프트웨어...212
• 2.1. Main() 프로세스...213
• 2.2. BCaS_Comm() 프로세스...216
• 3. 항법컴퓨터용 소프트웨어...219
• 3.1. Main() 프로세스...219
• 3.2. BNaC_Comm() 프로세스...220
• 제 5 장 전원ㆍ구동 및 센서 시스템...222
• 1. 전원계통 설계...222
• 1.1. 축전지의 선정...222
• 1.2. 전원변환장치...225
• 2. 추진모터 및 기타 구동장치...225
• 2.1. 구동장치 개요...226
• 2.2. 추진모터...226
• 2.3. 발라스트 웨이트 이송용 모터...227
• 2.4. 카메라 팬/틸팅 모터...229
• 3. 계측 센서...230
• 3.1. 도플러 속도측정장치 (Doppler Velocity Log; DVL)...230
• 3.2. 초단기선 위치추적 장치 (USBL)...246
• 3.3. 탐사 소나 (Navigation Sonar)...258
• 3.4. 고도소나...274
• 3.5. 압력 센서...276
• 3.6. 수중카메라...277
• 3.7. 수중 전등...279
• 3.8. SAUV 선체 설치...280
• 4. 광 통신 시스템...282
• 4.1. 시스템 개요 및 기본구성...282
• 4.2. 광 시스템의 다중화 방식 및 변조방식...285
• 제 6 장 선상제어 시스템의 설계 및 제작...324
• 1. 선상제어 시스템의 설계 및 제작...324
• 1.1. 선상시스템 구성...324
• 1.2. 선상제어 시스템 제작 및 외형치수...326
• 1.3. 선상시스템 탑재장비 리스트 및 장비 사양...332
• 2. 선상제어시스템 소프트웨어...337
• 2.1. GUI 설계...337
• 2.2. 조이스틱 기능할당...342
• 2.3. 소프트웨어 구성...344
• Part Ⅱ 참고문헌...349
• Part Ⅲ 무인잠수정의 운항제어 시스템...352
• 제 1 장 무인잠수정의 항법시스템 개발...353
• 1. 수중항법 기술의 현황...353
• 1.1 Kongsberg Simrad : HiPap 500 system...353
• 1.2 SAIC's Marine Science & Technology Division...354
• 1.3 Kearfott Guidance & Navigation...355
• 1.4 Thales GeoSolutions...355
• 1.5 RD Instruments...356
• 1.6 Applanix Corporation...356
• 1.7 KVH Industries...357
• 1.8 LinkQuest...358
• 1.9 Sonardyne...358
• 1.10 Advanced Orientation Systems...359
• 1.11 C & C Technologies...360
• 1.12 Nautronix...361
• 1.13 Octopus Marine Systems...363
• 1.14 결론...364
• 2. 관성항법 알고리듬...365
• 2.1 개요...365
• 2.2 수중운항 관성항법 알고리듬...366
• 2.3 원추 운동 및 스컬링 운동 보정 알고리듬...377
• 2.4 항법센서 사양에 따른 항법 성능 분석...381
• 2.5 운항 중 정렬...396
• 2.6 불규칙 오차 식별기법 연구...406
• 2.7 수중 복합항법시스템...414
• 2.8 수중 항법 시뮬레이tus...423
• 2.9 관성센서의 보정기법...439
• 2.10 센서 성능 검증 시험...450
• 2.11 시험용 항법 시스템 제작...456
• 2.12 결론...472
• 3. 초음파 항법 알고리듬...476
• 3.1 개요...476
• 3.2 수중 항법 시스템...477
• 3.3 MDV의 항법 시스템...486
• 3.4 새로운 항법 시스템 도출...495
• 3.5 Simulation...517
• 3.6 결론...528
• 4. 수중복합항법 알고리듬...530
• 4.1 개요...530
• 4.2 간접되먹임 오차법을 이용한 SDINS의 항법 알고리듬...531
• 5. 항법 해석 수치 시뮬레이션...538
• 6. 항법성능평가 실험 및 분석...547
• 6.1 항법 시스템의 Rotating Arm 실험...547
• 6.2 항법성능 실험결과 및 고찰...550
• 7. 요약 및 항법 성능 개선방향...584
• 제 2 장 무인잠수정의 조종계수 추정...585
• 1. 모형선과 시험장비...585
• 1.1. 모형선...585
• 1.2. VPMM...585
• 1.3. 시험 준비...588
• 2. 시험 및 해 석 방법...588
• 2.1. 조종운동 수학 모형...588
• 2.2. 시험 조건...592
• 2.3. 시험 및 해석 방법...593
• 2.4. 해석 결과...594
• 2.5. 속도시험...595
• 2.6. 추진기 시험 결과...596
• 2.7. 조종성 계수 및 해석 결과...597
• 2.8. 조종 안정성 해석...615
• 3. 조종 운동 시뮬레이션 해석...615
• 3.1. 선회시험...615
• 3.2. 수평 Zig-Zag 시험...622
• 3.3. 연직 Zig-Zag 시험...624
• 3.4. 심도 변경 시험...625
• 4. 모형시험 결언...628
• 제 3 장 무인잠수정의 제어기 개발...629
• 1. 통합시뮬레이션 환경...629
• 1.1. 통합시뮬레이션 환경의 구조...629
• 1.2. 시뮬레이션 환경의 구축...633
• 1.3. 통합시뮬레이션 환경에 사용된 모델...636
• 1.4. 시뮬레이션 환경을 이용한 운항제어 시뮬레이션...639
• 2. 무인잠수정 제어알고리듬 개발...644
• 2.1. 개요...644
• 2.2. 좌표계의 설정 및 좌표변환...645
• 2.3. 자동 운동제어기...645
• 2.4. 수동 및 반자동 제어기...648
• 2.5. 통합시뮬레이션 환경을 이용한 SAUV 제어 시뮬레이션...649
• 2.6. 수조시험...660
• 3. 신경회로망을 이용한 운동제어기 설계...674
• 3.1. 개요...674
• 3.2. 신경회로망 기반의 적응제어기...675
• 3.3. SAUV의 운동제어...680
• 3.4. 결론...683
• Part Ⅲ 참고문헌...686
• Part Ⅳ 수중 매니퓨레이터 시스템...693
• 제 1 장 수중 매니퓰레이터의 설계...694
• 1. 수중 매니퓰레이터의 형태...694
• 2. 요소설계...696
• 2.1 BLDC 모터 및 기어...696
• 2.2 방수 커넥터...696
• 2.3 동적 실링...697
• 3. 링크 및 관절 설계...700
• 3.1 기저링크(L1) 및 첫 번째 관절 (J1)...700
• 3.2 두번째 링크(L2) 및 두 번째 관절(J2)...700
• 3.3. 세 번째 링크(L3) 및 세 번째 관절(J3)...700
• 3.4. 네 번째 링크(L4) 및 네 번째 관절(J4)...700
• 4. 관절구동 메카니즘...702
• 5. 작업용 공구의 설계...703
• 6. 내부 유적...704
• 제 2 장 마스터 6자유도 햅틱 장치의 설계...706
• 1. 마스터 매카니즘...706
• 2. 햅틱 장치의 기구학...707
• 2.1 햅틱 장치의 구조...707
• 2.2 햅틱 장치의 기구학...708
• 2.3 정방향 기구학...708
• 2.4 역방향 기구학...709
• 2.5 1차 기구학적 모델링 (1st order Kinematic Modeling)...709
• 2.6 내부기구학(Internal Kinematics)...710
• 3. 햅틱 기구의 성능지수...712
• 3.1 작업공간(workspace)...712
• 3.2 기구학적 등방성 지수(Kinematic Isotropic Infer)...712
• 3.3 최대 힘 전달비(Maximum Force Transmission Ratio)...713
• 4. 최적설계 (Optimum Design)...714
• 4.1 설계지수(Cost Function)...714
• 4.2 설계인자(Design Parameters)...714
• 4.3 구속조건(Constraint)...715
• 4.4 최적설계 결과...715
• 5. 구동장치의 용량결정 (Actuator Sizing)...718
• 6. VnVnet 마스터 햅틱장치...719
• 제 3 장 강인한 위치 및 힘 제어 알고리즘 개발...720
• 1. 외란 관측기를 이용한 강인 제어기...721
• 1.1 외란 관측기...721
• 1.2 비 구동 관절을 지니는 로봇의 동역학 모델...723
• 1.3 모의 실험 결과...724
• 2. 마스트 로봇의 제어...728
• 2.1 주로봇의 모델링...729
• 2.2 최적제어기 설계...732
• 2.3 강인 제어기 설계...735
• 2.4 모의 실험 결과...737
• 3. 실험 결과...745
• 3.1. 실험환경...745
• 3.2 실험결과...747
• 4. 결론...753
• 제 4 장 공기 중 성능 시험...754
• 1. 공기 중 성능시험 개요...754
• 2. 공기 중 성능시험 결과...754
• 2.1. 각 관절의 최대 속도 측정 실험...755
• 2.2. 관절 경로 추종 성능...759
• 2.3. 작업 공간 경로 추종 성능...762
• 2.4. 햅틱을 이용한 원격 명령 추종 시험...765
• 3. 결론...767
• 제 5 장 수중 수조 성능 시험...768
• 1. 수조 성능 시험 개요...768
• 2. 수중 수조 성능 시험 결과...769
• 2.1. 관절 경로 추종 성능...769
• 2.2. 작업 공간 경로 추종 성능...772
• 2.3. 햅틱을 이용한 원격 명령 추종 시험...774
• 3. 결론...778
• Part Ⅳ 참고문헌...779
• Part Ⅴ 결론...781
• 제 1 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도...782
• 1. 연구결과의 목표 달성도...782
• 2. 연구개발 결과...784
• 3. 관련기술 발전에의 기여도...786
• 제 2 장 연구개발 결과의 활용계획...788