무인수상정과 무인잠수정의 유선 결합 플랫폼 제어시스템 연구

Abstract

해양 탐사 시 비용에 대한 제약, 해류나 수압을 포함한 환경적 제약, 통신의 제약 등의 어려움과 그 넓이만큼 다양한 환경으로 인해 구체적인 목표, 임무 지역에 따라 필요에 맞는 플랫폼을 사용하는 경우가 일반적이다. 본 연구에서는 널리 사용하는 플랫폼 중 무인수상정(USV, Unmanned Surface Vehicle)의 육상과의 통신이 가능하다는 점, 선박 대비 비용이 저렴하다는 장점과 ROV(Remotely Operated Vehicle)의 높은 제어자유도, 실시간 통신이 가능한 장점 등을 결합한 시스템을 구성하고 제작하였으며 탑재된 센서들의 성능 시험과 완성된 플랫폼의 실해역 실험을 수행했다. 본 연구에서 제안하는 복합 플랫폼(Combined platform)은 USV와 무인 잠수정(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)이 수중케이블로 연결 되어 있으며 이를 운용하고 실시간으로 플랫폼 데이터를 수신할 휴대용 운용 콘솔로 구성되어 있다. UUV는 USV가 주행 시 예인체로써 소나를 이용해 해저면 정보를 수집하고 USV 정지 시 ROV의 형태로 단독 탐사가 가능하도록 하였으며 GPS(Global Positioning System)와 USBL(Ultra Short Base Line)을 활용해 UUV의 상대위치를 추정할 수 있게 하였다. USV는 파도나 해류 등 해양 활동이 활발한 연안에서의 사용을 고려해 복원력과 직진 주행성이 우수한 쌍동선형 선체를 사용하였으며 UUV는 예인 시 저항을 최소화하기 위해 어뢰형 형상으로 설계하였다. USV는 플랫폼의 통신 허브로써 운용 콘솔에서 송신된 제어 명령을 수신하여 USV와UUV의 제어부에 전달하고 센서 데이터, 시스템 상태 정보를 취합해 운용 콘솔로 송신한다. 또한 플랫폼의 전원으로써 USV, UUV에 전원 공급을 담당하고 전압 강하 현상과 수중 케이블 굵기를 고려해 300VDC로 승압하여 UUV에 공급한다. UUV는 수중 영상, 소나 데이터를 취득하는 역할을 수행하고 추진기를 이용해 USV와의 진행방향각 오차나 위치 오차를 능동적으로 보상하는 역할을 수행한다. 복합 플랫폼의 주요 제어 기능은 경유점 추종 제어(Waypoint Tracking)와 동적 위치 제어(Dynamic Positioning, DP)으로 경유점 제어의 경우 운용 콘솔을 통해 입력된 경유점을 추종하는 제어방식이고 동적 위치 제어는 운용 콘솔을 통해 입력된 DP 지점을 해류나 바람의 환경 영향을 이겨내고 위치를 유지하는 제어방식이다. 이러한 제어 방식을 수행할 때 USV 선체 후미에 부착된 2개의 주 추진기로 효과적인 직진 제어와 선회 제어를 위해 직진 제어기의 출력과 선회 제어기의 출력에 각각 가중치를 다르게 부여하는 Weight Scheduling 방식을 사용했다. UUV는 USV가 전송하는 방향각과 USBL 데이터를 수신하여 USV의 방향각을 추종하거나 상대거리를 좁히는 제어방식 2가지를 경우에 따라 선택해서 제어하는 방식을 사용했다. 실험 전 플랫폼의 거동을 확인하고 제어기의 성능을 확인하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 수행을 위해 USV 기준으로 동역학 모델을 유도하였고 플랫폼에 작용하는 여러 환경 영향 중 풍 하중과 조류하중을 고려하여 기본적인 플랫폼의 운동과 경유점 추종 등의 시뮬레이션을 수행하였다. 수상에서의 위치, 방향각 정보는 GPS로 취득이 가능하나 수중에서의 위치 정보는 USBL에 방향각 및 자세 정보는 AHRS에 의존한다. 따라서 수중에서 원활한 제어 성능 확보를 위해 센서 개별 실험을 선행했다. AHRS의 경우 정밀한 방향각을 반환하는 GPS와 같은 방향을 향하도록 물리적으로 고정 후 임의로 주행하면서 방향각 데이터의 신뢰도를 비교하였고 USBL은 공학수조에서 정적상태, 동적상태에서의 데이터를 취득해 거리 데이터의 신뢰도를 확인하였다. 마지막으로, 실해역 실험을 수행하면서 구성된 제어 시스템과 플랫폼의 성능을 확인하고 실시간으로 취득한 수중 센서 데이터를 확인하였다. DP 실험의 결과, DP 지점을 중심으로 3m이내에서 위치를 유지할 수 있음을 확인하였고 경유점 제어의 결과, 기준으로 4m 이내의 오차가 발생함을 확인할 수 있었다. 또한 USV와 UUV의 AHRS 방향각 센서 데이터와 USBL 데이터 기준으로 두 플랫폼 간의 추종 정도를 확인하였다.|Exploring ocean comes with certain limitations such as environmental disturbances, cost constraints and communication difficulties. As vast the ocean is, environments of mission areas differ widely. Hence, it is common to use platforms that meet needs of specific goals and mission areas. In this study, we designed a new platform that combines advantages of previously commercialized platforms in order to achieve reasonable coastal survey solution and real-time underwater exploration. The platform consists of unmanned surface vehicle (USV) and unmanned underwater vehicle (UUV), and both platforms are integrated via tether cable. This study introduces design, control and field experiments including sensor performance tests of the integrated platform. In order to withstand environmental disturbances such as waves and ocean currents, hull of USV is designed as catamaran-type with excellent resilience and surge motion capabilities. The USV is equipped with Global Positioning System (GPS) device and Ultra Short Base Line(USBL) device to estimate UUV's relative distance and orientation. The UUV is designed in the torpedo-type shape to minimize underwater resistance. The UUV is equipped with underwater camera and side scan sonar. Data acquired by these sensors are processed and transmitted to USV in real time. Also, UUV has 4 thrusters to control its attitude and position The USV is controlled to perform way point tracking and dynamic positioning. When carrying out these control methods, anti-windup PID control anc weight scheduling method was used in order to achieve both straight motion and turning motion effectively with two main thrusters attached to the rear of the USV hull. The UUV could be operated manually to acquire underwater camera vision or could set as autonomous control mode to cooperated with USV. The UUV has two autonomous control methods; that are relative heading angle control and relative position control. Operator can decide which control method to use, factoring the goal of the mission. Attitude and position values of UUV are dependent to Attitude/Heading Reference System(AHRS) and USBL sensor. To ensure the integrity of UUV control performance, AHRS and USBL test were conducted. Finally, the performance of the platform controller and hardware capability of the platform; (e.g. communication capability, operation hours and real-time underwater data acquisition) were verified through the field test. The results of the dynamic positioning experiment confirmed that the location can be maintained within 3 m from the set point. The result of way point control shows that platform could follow points within 4 m of distance errors. In addition, the control performance of UUV was confirmed through AHRS heading angle data and the USBL distance data. Through these tests, good performance of designed control system was shown.