KR100922817B1 - 소형 자율무인잠수정 테스트베드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다양한 수요에 의해 개발될 일련의 유사 AUV(Autonomous underwater vehicle)들에 대한 표준 전형으로서의 역할을 수행하기 위한 소형 자율무인잠수정 테스트베드에 관한 것으로, 본 발명의 소형 자율무인잠수정 테스트베드는 외형선체를 이루는 선체부(10)와, 추진 및 조종제어 장치를 포함하는 상기 구동부(20)와, 컴퓨터 및 전기 인터페이스 장치와 소프트웨어를 포함한 제어부(30)와, 제어 또는 임무수행을 위해 설치되는 다양한 센서들로 구성된 상기 계측부(40)와, 수면위의 외부 시스템 또는 수중의 다른 잠수정과의 정보 교환을 위한 상기 통신부(50)로 구성되며, 두 명 이하의 운용자가 크레인 같은 보조 장비 없이 진수/인양, 운용, 그리고 유지보수가 가능한 AUV(Autonomous underwater vehicle)를 구현할 수 있다.

자율무인잠수정, 심도자동제어, 선수각 자동제어, 탱크테스트수조시험

Description

소형 자율무인잠수정 테스트베드{Small Autonomous Underwater Vehicle Test-bed}

도 1은 본 발명에 따른 소형 자율무인잠수정 테스트베드를 실제모습을 나타내는 사진.

도 2는 본 발명에 따른소형 자율무인잠수정 테스트베드의 구성을 나타내는 단면도.

도 3은 본 발명의 Myring의 선형을 나타내는 도면.

도 4는 본 발명의 소형 자율무인잠수정 테스트베드의 선체 구조를 나타내는 사시도.

도 5는 도 3에 의한 설계된 제어판형상을 나타내는 도면 및 사진.

도 6은 본 발명에 따른 소형 자율무인잠수정 테스트베드의 제어시스템 구성도.

도 7은 초기설계에 사용된 연축전지와 본 발명에 사용된 리튬폴리머 축전기의 비교사진.

도 8은 본 발명의 제어부가 슬라이딩 랙에 장착된 사진.

도 9는 본 발명에서 메인컴퓨터의 소프트웨어 구조를 나타내는 구조도.

도 10은 본 발명의 I/F 보드와 R/F모뎀을 나타내는 사진.

도 11은 본 발명의 소형 자율무인잠수정 테스트베드의 제어흐름을 나타내기 위한 블럭도.

도 12는 본 발명의 소형 자율무인잠수정 테스트베드을 2인 운용자에 의해 진수되는 모습을 나타내는 실시사진.

도 13은 본 발명의 소형 자율무인잠수정 테스트베드이 시험운항 하는 모습을 나타내는 실시사진.

도 14는 프로펠러 자항시험에서 프로펠러의 회전수와 자율무인잠수정의 속도 사이를 나타내는 선형관계 도표.

도 15는 본 발명에서 자율무인잠수정의 수평면 지그재그 운동에 대한 시뮬레이션과 실험결과를 나태내는 도표.

도 16은 추진모터를 800 rpm으로 회전한 상태에서 PD 제어기를 사용하여 선수각과 심도제어를 동시에 수행한 실험결과를 나타내는 도표.

도 17은 본 발명의 소형 자율무인잠수정 테스트베드의 횡동요각, 회동요각속도 및 선수동요각속도를 나타내는 도표.

도 18은 본 발명에서 제어시간 동안 소형 자율무인잠수정 테스트베드가 움직인 궤적을 수조고정좌표계에서 나타내는 도표.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 선체부 11: 선수부 12 : 중앙부

13: 선미부 14: 방향타 15: 승강타

16: 프로펠러 17: 부력재 181, 182: 선수및 선미캡

19: 장착용지그 20: 구동부 21: 구동모터

22: 리니어스테핑모터 30: 제어부 31: 싱글보드프로세스

32: 프레임그레버 33: CAN모듈 36: 메인컴퓨터

37: 배터리 38; 전원변환장치 39 : 추진기모터앰프

40: 계측부 41: 압력센서 42: 수중카메라

43: 전압센서 44: AHRS 50: 통신부

51: RF모뎀 52: 유선랜 53 : 무선랜

100 : 무인잠수정

본 발명은 다양한 수요에 의해 개발될 일련의 유사 AUV(Autonomous underwater vehicle)들에 대한 표준 전형으로서의 역할을 수행하기 위한 소형 자율무인잠수정 테스트베드에 관한 것이다.

일반적으로 AUV(Autonomous underwater vehicle)의 기계적 구조와 수밀 및 구동 메카니즘에서부터 전기, 전자, 계측 제어시스템, 소프트웨어 그리고 동역학모델에 이르기까지 AUV(Autonomous underwater vehicle) 개발에 필요한 일련의 기술들을 참조할 수 있도록 시험 검증하는 것이다.

특히, 중점을 두는 것은 이론적 연구와 실제 현상 사이의 차이에 의해 나타는 문제점들을 실험적으로 표면화시키고 이를 위한 대책을 사전에 수립하는 것이 다. 예를 들면, 수치모델과 실제모델사이의 모델링오차나, 실제 센서의 계측오차와 노이즈, 현장에서의 다양한 외란, 계측 센서들 간의 비동기, 시간지연, 부 시스템의 고장 등에 대처하기 위한 이론연구와 실험적 경험을 토대로 AUV(Autonomous underwater vehicle)의 신뢰성과 성능을 향상시키는 것을 들 수 있다. 이를 위해서는 필수적으로 많은 실험적 연구를 수반하여야 하며 실험비용을 최소화하는 것이 중요한 현안이 되었다.

그동안 AUV(Autonomous underwater vehicle)와 DUSAUV의 경험으로부터 얻은 새로운 테스트베드 AUV(Autonomous underwater vehicle)에 대한 강력한 요구사항은 소형화에 대한 필요성이었다. AUV(Autonomous underwater vehicle)의 크기와 사양은 AUV(Autonomous underwater vehicle)의 목적과 임무에 따라 결정되지만 개발과 운용에 필요한 비용 또한 설계의 제약조건이 된다. 반복적인 실험을 위한 테스트베드AUV(Autonomous underwater vehicle)의 경우, 운용비용과 편의성은 전체 실험횟수를 제한하는 가장 큰 제약조건이 된다. 운용비용을 결정하는 중요한 인자중 하나가 AUV(Autonomous underwater vehicle)의 규모이며 이는 운반에서 지원모선의 규모 및 운용인력에 이르는 일련의 비용요인에 가장 지배적인 영향을 미치는 인자이다.

이에 본 발명은 상술한 바와 같이 종래에 안고 있는 제반 문제점을 해소하고자 발명된 것으로, 다양한 수요에 의해 개발될 일련의 유사 AUV(Autonomous underwater vehicle)들에 대한 표준 전형으로서의 역할을 수행하기 위한 것으로 소형경량설계로 추가적인 센서나 장비의 탑재를 위한 여유부력을 포함한 후에도 크레인 없이 1~2인에 의해 쉽게 진수/인양 가능하도록 약 20~30kg 범위 내에서 제작이 가능하고 운용 속도와 거리에서도 약 2노트의 속도로 2시간 이상의 운항이 가능하며, 외형의 선형을 수학모델의 추정이 용이하고 추진 효율을 높일 수 있도록 현재 실험적으로 알려진 선형을 이용하여 최대심도는 최소 20m 이상에서도 유체저항계수가 적고 충분한 탑재공간을 확보할 수 있도록 하였으며, 연산 및 데이터 처리 능력에서도 탑재되는 주 처리 컴퓨터가 임무수행을 위한 충분한 계산능력을 갖도록 펜티엄 3급 이상의 능력을 갖추어서 취득 데이터를 자체 저장할 수 있는 저장능력을 확보하였다.

또한, 탑재장비나 부 시스템의 고장과 오동작의 빈도를 최소화하고 신뢰성을 높이기 위해 성능이 검증된 장비가 선정되어야 하고, 지속적이고 안정적으로 공급되는 장비들을 선정하여 고장발생시 즉각적인 대처가 가능하며, 기본 기능에 포함되어 있지 않은 기능을 추가로 확장할 경우, 기계적으로나 전기적인 기본 설계의 변경을 최소화하면서 확장할 수 있다.

따라서 본 발명에서는 자유무인잠수정의 설계목적과 개념을 비롯하여 하드웨어 및 소프트웨어의 구현과 테스트베드로서의 기능 확인을 위해 해양공학수조에서 수행된 수조시험 결과를 제시한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 무인잠수정(100)에 있어서, 선수부(11)와, 원통형 실린더인 중앙부(12)와, 한쌍의 방향타(14)와 승강타(15)가 구비되고 끝단에 프로펠러(16)가 구비된 선미부(13)와, 상기 선수부(11)와 중앙부(12) 사이에 구비된 선수캡(181)과, 상기 중앙부(12)와 부력재(13)에 사이에 구비된 선미캡(182)과, 상기 부력재(17)와 선미부(13) 사이에 구비된 선미튜브(19)로 구성된 선체부(10)와; 상기 선미부(13) 내측에 설치되어 상기 프로펠러(16)을 구동시키기 위한 구동모터(21)와, 상기 방향타(14)와 승강타(15)를 구동시키기 위한 리니어스테핑모터(22)로 구성된 구동부(20)과; 상기 중앙부(12) 내측에 설치되는 오퍼레이팅용 소프트웨어를 내장한 메인컴퓨터(36)와, 인터페이스 연결된 프레임그레버(32), CAN모듈(Controller Aerea Network : 33) 및 전원변환장치(38)에 연결되고 전원을 인가하기 위한 배터리(37)와, 상기 구동모터(21)와 싱글보드프로세서(31) 사이에 구비된 추진기모터앰프(39)로 구성된 제어수단(30)과; 상기 선체부(10) 내측에 설치되어 제어 및 임무수행을 위한 다수의 센서(41, 42, 43)로 구성되는 계측수단(40)과; 상기 제어수단(30)에 연결되어 수면위 외부시스템 및 다른 잠수정과의 정보교환을 위한 통신수단(50);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

목적을 달성하기 위한 다른 특징은, 상기 선수부(11)는 폴리우레탄 재질을 사용하며, 상기 중앙부(112)는 알루미늄 재질을 사용하며, 상기 선미부(13)는 일부가 부력재(17)로 제작되는 것을 특징으로 한다.

목적을 달성하기 위한 또 다른 특징은, 상기 선수부(11)와 선미부(13)의 선형은 Myring 선형에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.

목적을 달성하기 위한 또 다른 특징은, 상기 제어수단(30)은 상기 중앙 부(12) 내측에 구비된 슬라이딩랙에 설치되며, 중앙부(12)와 부력재(17) 사이에 구비된 접속커넥터에 의해 상기 구동부(20)와 자동으로 접속되는 것을 특징으로 한다.

목적을 달성하기 위한 또 다른 특징은, 상기 프레임그레버(32)와 CAN모듈(33)은 싱글보드 프로세스(31)를 중심으로 PC104 버스를 통하여 인터페이스 되며, 상기 메인컴퓨터(36)의 오퍼레이팅 시스템은 윈도우즈 XP에 RTX 실시간 커널을 탑재하는 것을 특징으로 한다.

목적을 달성하기 위한 또 다른 특징은,상기 배터리(37)는 리튬 폴리머형을 사용하는 것을 특징으로 한다.

목적을 달성하기 위한 또 다른 특징은, 상기 계측수단(40)은 중앙부(12)의 일측 중앙에 설치된 압력센서(41)와, 상기 선수부(11)의 중앙 내측에서 설치된 수중카메라(42)와, 상기 배터리(37)에 연결되어 잔량을 확인하기 위한 전압센서(43)와, 상기 메인컴퓨터(36)에 연결된 AHRS(Attitude Heading Reference System : 44)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

목적을 달성하기 위한 또 다른 특징은, 상기 통신수단(50)는 SMD(Surface-Mount Device)형 소자를 이용한 I/F 보드(54)에 장착된 R/F 모뎀(51)과 유선랜(52) 및 무선랜(53)이 장착되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 소형 자율무인잠수정 테스트베드를 실제모습을 나타 내는 사진. 도 2는 본 발명에 따른소형 자율무인잠수정 테스트베드의 구성을 나타내는 단면도. 도 3은 본 발명의 Myring의 선형을 나타내는 도면. 도 4는 본 발명의 소형 자율무인잠수정 테스트베드의 선체 구조를 나타내는 사시도. 도 5는 도 3에 의한 설계된 제어판형상을 나타내는 도면 및 사진. 도 6은 본 발명에 따른 소형 자율무인잠수정 테스트베드의 제어시스템 구성도. 도 7은 초기설계에 사용된 연축전지와 본 발명에 사용된 리튬폴리머 축전기의 비교사진. 도 8은 본 발명의 제어부가 슬라이딩 랙에 장착된 사진. 도 9는 본 발명에서 메인컴퓨터의 소프트웨어 구조를 나타내는 구조도. 도 10은 본 발명의 I/F 보드와 R/F모뎀을 나타내는 사진. 도 11은 본 발명의 소형 자율무인잠수정 테스트베드의 제어흐름을 나타내기 위한 블럭도. 도 12는 본 발명의 소형 자율무인잠수정 테스트베드을 2인 운용자에 의해 진수되는 모습을 나타내는 실시사진. 도 13은 본 발명의 소형 자율무인잠수정 테스트베드이 시험운항 하는 모습을 나타내는 실시사진. 도 14는 프로펠러 자항시험에서 프로펠러의 회전수와 자율무인잠수정의 속도 사이를 나타내는 선형관계 도표. 도 15는 본 발명에서 자율무인잠수정의 수평면 지그재그 운동에 대한 시뮬레이션과 실험결과를 나태내는 도표. 도 16은 추진모터를 800 rpm으로 회전한 상태에서 PD 제어기를 사용하여 선수각과 심도제어를 동시에 수행한 실험결과를 나타내는 도표. 도 17은 본 발명의 소형 자율무인잠수정 테스트베드의 횡동요각, 회동요각속도 및 선수동요각속도를 나타내는 도표. 도 18은 본 발명에서 제어시간 동안 소형 자율무인잠수정 테스트베드가 움직인 궤적을 수조고정좌표계에서 나타내는 도표.

본 발명의 자율무인잠수정(100)은 선체부(10), 구동부(20) 제어부(30), 계측 부(40), 통신부(50)로 크게 나누어질 수 있다. 상기 선체부(10)는 외형선체를 이루고 상기 구동부(20)는 추진 및 조종제어 장치를 포함하고, 상기 제어부(30)는 컴퓨터 및 전기 인터페이스 장치와 소프트웨어를 포함한다. 상기 계측부(40)는 제어 또는 임무수행을 위해 설치되는 다양한 센서(41, 42, 43)들이며, 상기 통신부(50)는 수면위의 외부 시스템 또는 수중의 다른 잠수정과의 정보 교환을 위한 장치이다.

본 발명의 자율무인잠수정 외관은 도 1과 같으며, 외형치수와 무게정보는 표 1에 나타내었다. 내부에 탑재된 장비는 도 2와 같이 배치되었다.

파라미터	값	단위	설명	비고
L	1,996	㎜	총길이
D	170	㎜	지름
V	21783799.6	㎣	부피	핀포함
W	about 19	kg	중량
B	215.82	N	부력	ρ=1000
CB	(627.9,0,0)	㎜	부력중심	선수에서부터

선체부(10)의 선형은 선체 지름과 길이의 비가 주어져 있을 경우, 최소의 유체저항계수를 갖는다고 알려진 Myring 선형식을 이용하였다. 상기 선체부(10)의 선형은 선수부(11), 중앙부(12) 그리고 선미부(13)로 나누어지고, 상기 중앙부(12)는 원통형 실린더이며, 상기 선수부(11)와 선미부(13)는 도 3에 나타난 Myring 선형에 대해 다음 식으로 각각 결정된다

여기서, 은 n지수계수이다. 선체부(10)의 파라미터들은 내부 장비의 탑재공간과 총 중량을 고려하여 반복되는 설계의 과정을 통하여 설계되었으며, 최종적으로 총 길이가 1.2m, 최대지름이 170mm로 결정되었다. 차원화된 선체부(10)의 파라미터는 표 2와 같다.

파라미터	값	단위	설명	비고
a	200	㎜	선수부
b	600	㎜	중아부
c	400	㎜	선미부
d	170	㎜	지름
aoffset	4	㎜	선수옵셋
coffset	30	㎜	선미옵셋
lf	1996	㎜	길이
l	1200	㎜	총길이

도 4에 외형선체의 분해도를 나타내며, 상기 중앙부(12)는 내압선체로 알루미늄으로 제작하였고, 상기 선수부(11)는 폴리우레탄으로 제작하였으며, 상기 선미부(13)의 일부는 부력재(17)로 제작하여 여유부력을 고려하였으며, 선체의 구조적 안정성을 고려하여 상기 선수부(11)와 중앙부(12) 사이에 구비된 선수캡(181)과, 상기 중앙부(12)와 부력재(13)에 사이에 선미캡(182)을 구비하였으며, 구동부(20)의 방수를 위한 튜브를 상기 부력재(17)와 선미부(13) 사이에 선미튜브(19)를 구비시켜 설계하였다. 상기 선미부(13)에는 구동모터(21)와 방향타(14)와 승강타(15)를 구동시키기 위한 리니어스테핑모터(22)가 구비되어 있다.

상기 선체부(10)의 선형은 선수부(11), 중앙내압실린더인 중앙부(12) 및 선미부(13)의 세 부분으로 나누었으며, 구조적 견고성과 수밀성 그리고 분해 조립의 편의성 등이 고려되었다.

상기 구동부(20)의 단면은 NACA 0012를 선정하였고 설계된 평면형상은 도 5 (a)에 그리고, 설계결과 파라미터는 표 3에 각각 나타내었다.

파라미터	값	단위	설명	비고
Sfin	4819.5	㎟	평면면적
Xfinpost	550	㎜	CB에 대한 모멘트암
δmax	20	degree	최대핀각도

상기 구동모터(21)로는 HYBRID 43000 리니어 스테핑 모터 시리즈로 선정하였다.

한 쌍의 방향타(14)는 하나의 리니어스테핑모터(22)에 의해 일괄 구동되고, 수평타(15)는 각각의 스테핑모터에 의해 각각 제어될 수 있다.

상기 구동부(20)에 요구되는 최대의 모멘트를 10kgcm으로 추정하고 승강타(15)의 축과 승강타(15)의 구동기인 리니어스테핑모터(22)의 축간거리가 5 cm라 하면 구동기에 필요한 최대 힘은 약 20 N이다. 승강타(15)의 구동기는 최대 25 N, 방향타의 구동기는 최대 50 N의 사양으로 선정하였다.

본 발명의 자율무인잠수정(100)에 사용될 추진기의 용량을 추정하기 위하여 도 3과 표 2에 나타난 선형을 이용하여 다음과 같은 항력식으로 저항을 계산하고 추진마력을 추정하였다.

선체의 저항계수는 0.2로 물의 밀도는 4℃ 청수를 가정하여 1,000kg/m³로 하였으며 프로펠러와 추진축계 및 모터의 효율을 0.4로 하여 추정하였다. 그 결과 속도에 따라 필요한 마력은 표 4와 같이 나타났다.

속도 [m/sec]	1	1.5	2	2.5	remark
저항 [N]	2.2698	5.1071	9.0792	14.1867
추력 [W]	2.2698	7.6608	18.1584	35.4656
소요전력 [W]	5.6745	19.1514	45.3960	88.6641	eta=0.4

추진기는 모형시험에 사용되는 소형 프로펠러 중에서 KP452 S175 모델을 선정하였다. 이에 따라 구동모터(21)는 모터와 추진기모터앰프(39)의 크기, 용량, 그리고 rpm을 고려하여 5.8:1 기어를 장착한 Maxon사의 EC32모터를 선정하였다. 상기 구동모터(21)인 EC32에 대한 사양은 표 5에 정리하였다.

항 목	사 양
제작사	MAXON MOTOR
모델	EC32 BLDC motor
정격출력	80 W
공칭전압	24 V
무부하회전수	11000 rpm
정지토크	355 mNm
5000 rpm에서 최대연속전류	3.1 A
5000 rpm에서 최대연속토크	54.4 mNm
최대효율	76%
토크상수	20.5 mNm/A
지름	32 mm
기어	4.8:1 감속기어

표 4의 추정결과와 제어부(30)에서 사용되는 기본 전력을 고려하여 자율무인잠수정의 최대 속도는 약 2m/sec 이상으로 추정되며 이는 하기에 설명할 실험결과와 일치하고 있다.

상기 제어부(30)은 펜티엄 싱글보드프로세스(31)를 중심으로 PC104 버스를 통하여 프레임 그래버(32)와 CAN모듈(Controller Aerea Network : 33)이 인터페이스 되어 있다.

아날로그 및 디지털 신호의 인터페이스를 위하여 자체 설계된 I/O 보드(35)가 내장되어 있으며 메인 컴퓨터(36)와는 CAN방식으로 통신하며 데이터를 주고받는다.

도 6은 제어부(20)의 구성을 나타내는 것으로 초기설계에서는, 에너지밀도가 낮은 단점이 있으나 저가이며 구하기 쉬운 장점이 있는 연축전기가 자율무인잠수정(100)의 전원으로 선정되었다. 그러나 최근 리듐이온, 리듐폴리머, 니켈 수소 축전지 등의 가격이 낮아짐에 따라 배터리(37)를 리듐 폴리머 형으로 교체하게 되었다. 이로써 전체 4.3kg의 여유부력을 추가로 얻으면서, 2시간 방전율에서 0.4A 이상의 이득을 얻게 되었다. 도 7은 초기설계에서 사용되었던 연축전지와 새로이 교체된 리듐 폴리머 축전지의 비교 사진이다.

도 2에서 보는 바와 같이 제어부(20)의 장비배치는 장비간의 전자기 및 기계적 간섭과 중량분포 그리고 유지보수의 편의성을 고려하여 진행되었다.

도 8에 전원 및 제어시스템이 조립된 내부 슬라이딩 랙의 모습을 나타낸 것으로 전원 및 제어시스템은 슬라이딩 랙에 장착된 후 내압 중앙선체인 중앙부(12) 내에 탑재되며 랙이 선체 내에 밀려 들어가면 선미부(13)의 구동부(20)와는 접속커넥터에 의해 자동 접속되는 구조로 설계되었다.

상기 제어수단(30)에서 메인컴퓨터(36)의 오퍼레이팅 시스템은 일반적으로 친숙한 윈도우즈 XP에 RTX 실시간 커널을 탑재하여 실시간성을 확보하였다.

운용소프트웨어는 비뉴얼 C++로 작성되었고, 선상 컴퓨터와는 유선 또는 무선 네트워크 통신과 R/F 무선통신을 한다. 소프트웨어의 디버깅이나 개발 또는 업그레이드 단계에서는 유/무선 네트워크에 연결되며 원격데스크탑 기능을 이용하여 온보드 상의 프로그램을 직접 엑세스한다. 개발이 끝난 후에는 무선 R/F 통신으로 연결되어 데이터를 주고받는다.

탑재된 메인 컴퓨터(36)의 소프트웨어 구조는 도 9에 나타난 바와 같이 RTX 프로젝트 내의 인터럽트 루틴을 이용하여 시리얼 통신포트와 CAN 통신을 비롯한 각종 인터페이스 장비들과 제어루틴과의 동기를 맞추고 제어를 수행한다.

상기 계측수단(40)은 기본적인 센서로 압력센서(41), AHRS(Attitude Heading Reference System : 44), CCD 카메라(42), 그리고 축전지의 잔량을 확인하기 위한 전압센서(43)가 자율자율무인잠수정(100)에 장착되었고, 상기 통신부(50)으로는 R/F 모뎀(51)과 유선(52) 및 무선랜(53)이 장착되어 있다. 압력센서(41)는 자율자율무인잠수정(100) 제어시스템에 수심정보를 제공하고, AHRS(44)는 3축 가속도, 3축 각속도 및 자세와 방위각 정보를 제공하며, 압력센서(41)와 함께 잠수정의 운동제어와 항법을 위해 사용된다.

CCD 카메라(42)는 선수부(11)에 장착되어 수중도킹을 위한 최종유도 알고리즘 개발을 위해 사용된다. 무인잠수정의 위치계측은 중요한 연구항목 중의 하나이며 환경에 따라 그 방법이 선정되어야 한다.

해양연구원의 해양공학수조 환경에서는 멀티패스의 영향으로 음파장비의 사용에 제약이 있는 대신 수조의 장비를 활용할 수 있는 반면, 호수나 바다에서는 자체 내장된 음파센서를 이용하여야 한다.

수조 내에서 무인잠수정 위치계측을 위하여 해양연구원의 해양공학수조에 설비된 CPMC(Computerized Planner Motion Carriage)의 이미지 추적 기능을 확장하여 수중에서의 위치측이 가능하였다. CPMC에서 계측된 자율자율무인잠수정(100)의 위치는 R/F 모뎀(51)을 통하여 실시간으로 자율무인잠수정(100)에 무선 전송하여 자율무인잠수정(100)가 자신의 위치를 알 수 있도록 하였다.

일반적으로 R/F모뎀(51)은 수중에서의 심한 감쇄로 사용에 제약을 받고 있으나 수조환경에서 3.5m 수심까지 양방향 전송이 가능함을 실험으로 확인하였으며, 향후 실해역 시험에서는 LBL 또는 USBL과 같은 초음파 장비가 할 수 있으며, 도플러 속도계를 추가로 장착하여 속도를 계측할 있다.

상기 R/F 모뎀(51)은 151.3MHz 대역, 100mW 출력, 10kbps의 전송속도, 최대 10km까지 양방향 통신할 수 있는 사양으로 선정하였고, 소형화를 위해 별도의 I/F 보드를 SMD(Surface-Mount Device)형 소자를 이용하였고 도 10에 R/F 모뎀(51)과 자체 설계 제작된 I/F 보드(54)를 나타내었고, 표 6에 센서들의 종류와 I/F 방법을 나타내었다.

센 서	모델	인터페이스 방식
카메라	OceanSpy (Tritech)	PAL
IMU	MI-A3370X (Micro Infinite)	RS232C
심도센서	PA500-102G	A/D
위치추적장치	CPMC image system	RS232C
속도센서	Option	RS232C

이와 같이 주요 관점인 소형화와 운용 용이성에 따라 제작된 본 발명의 자율무인잠수정는 기계적인 조립과 프로그램이 완성되면 크레인 없이 2인의 운용자에 의해 도 12과 같이 간단히 진수시킬 수 있다.

진수된 후에는 무선 R/F 통신에 의해 육상의 랩탑 컴퓨터로 수동 조종되며 원하는 위치에서 자동모드로 전환될 수 있고 이후 자동모드에서 임무를 수행한다. 자동모드에서 임무가 완수된 후 수면위로 부상하면 다시 수동조종 모드로 전환되어 인양위치까지 유도된다. 운용자에 의해 인양되면 별도의 통신선의 연결 없이 데이터를 무선으로 전송받고 새로운 임무를 전송할 수 있다. 전원 커넥터 접속 후 재충전하면 다시 다음 임무를 위해 진수 될 수 있다.

본 발명의 구성에 의한 바람직한 실시예인 수조시험 결과를 설명하면 다음과 같다.

<실시예 1>

- 자항전진 시험-

본 발명의 자율무인잠수정의 기능시험을 위하여 수조시험을 수행하였다.

수조시험은 해양공학수조에서 수행되었고, 도 13는 수조에서 시험중인 자율무인잠수정과 이를 추적하는 전차의 모습을 나타낸다. 전차와 자율무인잠수정을 연결하는 선은 랜 통신선으로 자율무인잠수정의 데이터를 실시간으로 모니터링하는 동시에 안전장치로 이용되는 선이며 실제 제어를 위한 데이터 통신은 모두 무선으로 이루어진다.

먼저, 프로펠러 자항 시험을 수행하였으며 프로펠러 회전수와 자율무인잠수정(100)의 속도 사이의 선형관계를 도 14에 나타내었다. 실험 결과로부터 추진모터가 최대회전수로 회전할 경우 추정되는 속도는 약 2.2m/sec 이며 최대 설계속도(2m/sec)는 약 1650rpm에 서 얻어짐을 알 수 있었다.

<실시예 2>

- 개루프 지그재그 운동 시험 결과

자율무인잠수정의 수평면 지그재그 시험 결과를 수치모델 시뮬레이션 결과와 비교하였다.

시뮬레이션에 사용된 유체계수는 앞에서 언급된 자율무인잠수정의 외형과 설계 파라미터들을 이용하여 추정한 결과를 사용하였다.

계수는 Nernstein & Smith의 방법에 의해 추정된 결과를 사용하였으며 Nernstein & Smith의 방법에서 구할 수 없는 비선형 조종운동계수와 운동속도에 대한 복합성분 계수는 Prestero의 방법에 의하여 구한 것을 사용하였다. 0.8m/sec의 속도로 전진하는 자율무인잠수정의 방향타를 ±12.6도의 사각파로 제어하였을 때, 선수각과 선수각속도를 계측하였다.

도 14에 자율무인잠수정(100)의 수평면 지그재그 운동 결과를 시뮬레이션 결과와 비교하여 나타내었다. 시뮬레이션에서 사용된 수평운동 계수는 표 7에 나타내었으나 도 15에 표시된 시뮬레이션 결과는 선수각속도와 선수각가속도에 대한계수 과 을 각각 4.2배와 5배씩 증가시켜 보정하였다. 향후, 다양한 운동에 대한 실험을 수행한 후 모델인식 방법을 통하여 보다 정확한 계수를 추정할 예정이다.

센 서	모 델
	-0.001885
	-0.001502
	-0.001563
	-0.018515
	0.000660
	-0.023988
	-0.011760
-0.002283	-0.002283
	-0.001554
	0.018192

<실시예>

- 자동제어 시험 결과 -

자율무인잠수정(100)의 폐루프 자동제어 실험으로 선수각과 심도를 동시에 제어하는 실험을 수행하였으며, 이때 자율무인잠수정(100)의 수조 고정좌표계에 대한 운동궤적을 계측하였다.

도 16는 추진기를 800 rpm으로 회전한 상태에서 PD 제어기를 사용하여 선수각과 심도제어를 동시에 수행한 실험결과이다.

출발 후 약 27초 시점에 설계속도인 1m/sec에 도달하였다. 방위각과 심도 모두 주어진 명령 값 70도와 0.5m에 각각 잘 추종함을 확인하였다. 실험결과에서 나타난 것처럼 출발 초기, 낮은 속도에서는 제어판에 의한 조종력이 작아 선수각 및 심도 응답 속도가 낮았으나 선수각 응답은 전진 속도가 약 0.2m/sec 에 도달 하면서 응답 속도가 빨라지기 시작하였고, 심도 응답은 전진속도가 0.4m/sec 에 도달하면서 응답속도가 빨라지기 시작하였다.

심도 응답이 더 늦은 것은 자율무인잠수정(100)이 미약하게 양성부력을 가지도록 발라스팅 된 것과 무게중심과 부력중심이 일치하지 않음으로 인해 피치운동에 더 많은 제어력이 필요하기 때문이다.

도 17에는 시스템의 상태인 횡동요각, 횡동요각속도 및 선수동요각속도를 나타낸다. 마지막으로, 도 18은 제어시간동안 자율무인잠수정(100)가 움직인 평면 궤적을 수조고정 좌표계에서 표시한 것이다.

실험에서 사용된 본 발명의 자율무인잠수정은 무인잠수정 테스트베드로 사용되기 위한 기본기능의 검증이 이루어졌고 실험결과로부터 전진속도, 수평면 및 수직면 운동에 대한 특성을 파악하였다.

이와 같이 본 발명의 무인잠수정의 소형화는 설계제약조건의 가장 상위에 위치하게 되었다. 자율무인잠수정(100)의 설계과정은 소형화와 상반되는 설계항목들과의 트레이드오프 과정으로 진행되었다. 예를 들면, 운용시간은 배터리의 탑재공간과 밀접히 연관되어 있으며, 탑재되는 프로세서 및 센서들의 종류와 수량, 그리고 향후 확장성을 고려한 여유 공간과 여유부력 등이 무인잠수정의 총 중량과 크기에 연동되어 있는 설계의 항목들이었다.

자율무인잠수정(100)의 형태는 크게 두 가지로 나누어질 수 있다. 첫 번째는 항주형으로 비교적 넓은 영역을 조사하기 위한 것이다. 수백미터에서 수백킬로미터까지의 거리를 항행하며 자료를 수집한다. 이러한 형태는 선체의 유체저항을 최소화하기 위해 유선형의 선체로 제작되며 종축 방향의 주 추진기와 제어판을 이용하여 운동을 제어한다. 두 번째는 수미터에서 수백미터의 영역 내에서 해저나 수중 구조물의 정밀 조사를 목적으로 하는 형태이다.

자기 위치 유지와 자세제어에 용이하도록 여러 대의 추진기를 6자유도 운동 제어에 적합하도록 각도를 가지고 배치한다. 항행형 자율무인잠수정 테스트베드이며 중요한 임무중 하나는 자율무인잠수정의 수중 도킹 기술 개발을 위한 실험용 테스트베드로서의 기능을 수행하는 것이다. 그 결과 어뢰와 유사한 형태를 가지는 외형구조로 결정되었다.

외형선체의 구조적인 측면에서 자율무인잠수정은 크게 두 가지 형태를 갖는다. 첫째는 수밀된 장비들을 프레임 구조에 고정하고 내압방수 케이블로 연결한 후 이들을 외곽선체로 둘러싸는 형태이며, 두 번째는 선체 자체가 내압수밀 구조로 이루어진 형태이다. 자율무인잠수정(100)의 선체는 소형화의 목적을 달성하기 위해 공간이용 효율이 높고 따라서 소형 경량화가 용이한 후자의 형태를 선택하였다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 도면에 설명되었으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통산의 지식을 가진자에 의해 본 발명의 기술상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 자율무인잠수정의 개발과 성능향상을 위해 수행되어야 하는 일련의 실험을 적은 비용으로 쉽게 수행할 수 있도록 하는 것이었으며 두 명이 크레인의 도움 없이 진수 인양할 수 있으며, 자율무인잠수정를 이용하여 수조에서 시험을 수행하였으며 그 결과를 수치모델의 시뮬레이션 결과와 비교하였다.

또한, 수평면과 수직면 운동에 대한 PD 제어시험을 수행하여 향후, 다양한 제어알고리즘의 개발에 활용될 수 있음을 보였다. 향후 자율무인잠수정은 모델인식 방법을 통해 수치모델을 보정하고 무인잠수정을 위한 각종 기술들의 개발을 위해 수치 시뮬레이션에서 시험까지를 지원할 수 있는 테스트베드로 활용될 예정이다.

본 발명의 자율무인잠수정은 두 명 이하의 운용자가 크레인 같은 보조 장비 없이 진수/인양, 운용, 그리고 유지보수 할 수 있는 AUV(Autonomous underwater vehicle)를 구현하는 것이다. 시뮬레이션에서 실제 실험을 통한 결과의 피드백 주기를 짧게 하고 적은 인력으로 운용이 가능케 함으로써 기술개발과 경험축적에 소요되는 시간을 줄이는 것이 가능하다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 선수부(11)와, 원통형 실린더인 중앙부(12)와, 한쌍의 방향타(14)와 승강타(15)가 구비되고 끝단에 프로펠러(16)가 구비된 선미부(13)와, 상기 선수부(11)와 중앙부(12) 사이에 구비된 선수캡(181)과, 상기 중앙부(12)와 부력재(17)에 사이에 구비된 선미캡(182)과, 상기 부력재(17)와 선미부(13) 사이에 구비된 선미튜브(19)로 구성된 선체부(10)와;

   상기 선미부(13) 내측에 설치되어 상기 프로펠러(16)을 구동시키기 위한 구동모터(21)와, 상기 방향타(14)와 승강타(15)에 구동시키기 위해 연결된 리니어스테핑모터(22)로 구성된 구동부(20)와;

   상기 중앙부(12) 내측에 설치되는 오퍼레이팅용 소프트웨어를 내장한 메인컴퓨터(36)와, 인터페이스 연결된 프레임그레버(32), CAN모듈(Controller Aerea Network : 33) 및 전원변환장치(38)에 연결되고 전원을 인가하기 위한 배터리(37)와, 상기 구동모터(21)와 싱글보드프로세서(31) 사이에 구비된 추진기모터앰프(39)로 구성된 제어수단(30)과;

   상기 선체부(10) 내측에 설치되어 제어 및 임무수행을 위한 다수의 센서(41, 42, 43)로 구성되는 계측수단(40)과;

   상기 제어수단(30)에 연결되어 수면위 외부시스템 및 다른 잠수정과의 정보교환을 위한 통신수단(50);를 포함하고,

   상기 선수부(11)는 폴리우레탄 재질을 사용하며, 상기 중앙부(112)는 알루미늄 재질을 사용하며, 상기 선미부(13)는 일부가 부력재(17)로 제작되며,

   상기 선수부(11)와 선미부(13)의 선형은 Myring 선형에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 소형 자율무인잠수정 테스트베드.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 제어수단(30)은 상기 중앙부(12) 내측에 구비된 슬라이딩랙에 설치되며, 중앙부(12)와 부력재(17) 사이에 구비된 접속커넥터에 의해 상기 구동부(20)와 자동으로 접속되는 것을 특징으로 하는 소형 자율무인잠수정 테스트베드.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 프레임그레버(32)와 CAN모듈(33)은 싱글보드 프로세스(31)를 중심으로 PC104 버스를 통하여 인터페이스 되며, 상기 메인컴퓨터(36)의 오퍼레이팅 시스템은 윈도우즈 XP에 RTX 실시간 커널을 탑재하는 것을 특징으로 하는 소형 자율무인잠수정 테스트베드.
6. 삭제
7. 제 3항에 있어서,

   상기 계측수단(40)은 중앙부(12)의 일측 중앙에 설치된 압력센서(41)와, 상기 선수부(11)의 중앙 내측에서 설치된 수중카메라(42)와, 상기 배터리(37)에 연결되어 잔량을 확인하기 위한 전압센서(43)와, 상기 메인컴퓨터(36)에 연결된 AHRS(Attitude Heading Reference System : 44)로 구성되는 것을 특징으로 하는 소형 자율무인잠수정 테스트베드.
8. 제 3항에 있어서,

   상기 통신수단(50)은 SMD(Surface-Mount Device)형 소자를 이용한 I/F 보드(54)가 장착된 R/F 모뎀(51)과 유선랜(52) 및 무선랜(53)이 장착되는 것을 특징으로 하는 소형 자율무인잠수정 테스트베드.

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