27 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 해양공학수조의영상추적장치를이용한이심이 AU의위치추정 이필엽 전봉환 김영식 이판묵한국해양연구원해양시스템기술연구본부 Pitin Tacking f Autnu Undwat hicl 'ISiMI' uing a Iag Tacking St f CPMC FILLOUB LEE, BONGHUAN JUN, OUNGSHIK KIM, PANMOOK LEE Ocan Elatin St Rach Diviin, MOERI, KORDI, Dajn, Ka KE WORDS: AU(Autnu undwat vhicl 자율무인잠수정, CPMC(Cutizd Plana Mtin Caiag 컴퓨터제어평면운동장치, Dad Rckning Navigatin 추측항법, Iag tacking t 이미지추적장치, Pitin Tacking 위치추적 ABSTRACT: Thi a intduc a itin tacking f th autnu undwat vhicl(au 'ISiMI' in can ngining bain. Th itin tacking t cnit f a caa t, a cntl t and th diving dvic f CPMC. Thi a analz th aunt f hadingn n an AHRS(Attitud Hading Rfnc St. T analz th aunt f hadingn, thi a u a dad ckning thd. Bcau f hading and vlcit, th dad ckning thd accuulat itin. W hav tiatd th itin f th AU uing th vlcit and aw data f ISiMI and CPMC, ctivl and cad th ult. Th aw angl f ISiMI wa dittd du t th ving till tuctu f CPMC. Thi a dicu th itin f th tw thd, and uggt th bund f th tiatd itin. 1. 서론 AU가수중에서자율운항하기위해서는 AU의현재위치에대한정보와목표점으로이동하기위한필요정보들을파악한후, 이정보를이용하여목표점으로이동하도록자율적으로판단하는것은필수적이다. 수상의선박이나항공기와는달리수중의무인잠수정은전파의전달이어려운수중을항해하는관계로, 최근항법시스템으로보편화되어있는 GPS (Glbal itining t 등과같은전파항법시스템을제한적으로밖에이용할수없는한계를가지고있다. 이에따라수중의항법시스템은초음파항법 (APS, Acutic itining t 인 LBL(Lng balin, SBL(Sht balin, USBL(Ultaht balin 등을주로사용해왔으며, 관성센서를초음파항법센서의자세보정과방위각계측에활용하는보조항법센서로사용하여왔다 1. LBL, SBL, USBL 등의초음파항법시스템은시간이경과함에따른위치오차의발산은없지만, 고주파수의위치오차가있으며수중에서의초음파전달특성으로인하여긴시간간격의샘플링주기를갖는다. 일반적인수중항법으로 LBL을많이이용하고있으나, 센서를해저에설치하는번거로운작업과센서설치범위를벗어난영이필엽 : 대전광역시유성구장동 171 42868754 wanz@i..k 역에서의항법이곤란한단점이있다 2. 이에따라관성센서를위주로하여관성항법시스템을구성하고보조항법센서를융합하는복합항법시스템을구성하는것이요구된다. 본논문에서다루고자하는추측항법 (DadRckning 은수중운항체의속도정보와내압선체에내장되어있는소형의자세센서 (AHRS, Attitud Hading Rfnc St 의방위각정보를이용하여수중운항체의현재위치정보를얻어내는항법으로서, 외부의도움없이자신의위치를파악할수있는장점이있는반면, 센서의바이어스오차로인하여시간이경과됨에따라기하급수적으로오차가증가하는단점이있다. 본논문에서는 CPMC의위치정보와방위각정보를이용하여, 해양공학수조의철구조물에의해영향을받는 AHRS의마그네틱컴퍼스의성능을분석한후, 이를대체할수있는방법을제안한다. Fig. 1은본연구에서다루고자하는연구내용의전체적인흐름을나타내는것으로, CPMC 와이심이의각각의방위각정보를이용하여위치정보를얻고이를비교하는과정을나타내었다. 본논문의구성은다음과같다. 2장에서는해양공학수조의영상추적시스템에대한소개와이시스템에사용되는 CPMC와이심이에대해소개한다. 3장과 4장에서는이심이및 CPMC의속도정보를이용한추측항법에대해소개한후예를적용하여 CPMC와이심이의방위각으로부터얻은각각의위치정보들을비교분석하였다.
Fig. 3 Pht f CPMC(Cutizd Plana Mtin Caiag Fig. 1 Dign flw chat uing th itin and aw f th CPMC 2. 수중운동체의영상추적장치 2.3 수중운동체의영상추적장치해양공학수조의 CPMC는영상추적장치를통하여자유항주하는수중운동체를추종할수있는데개략적인흐름도는 Fig. 4 와같다. 수중운동체의영상추적장치는말그대로수중운동체를이미지프로세싱을통해 CPMC 가인식하여수중운동체의속도및운동방향으로추적하는장치로서이미지를인식하고처리하는카메라시스템과 CPMC 를제어하기위한컨트롤시스템그리고 CPMC를구동하기위한구동장치로나눌수있다. 2.1 수중운동체이심이한국해양연구원해양탐사장비연구사업단에서개발한소형 AU ' 이심이 (ISiMI : Intgatd Subgibl f Intllignt Miin Ilntatin' 는소형화와낮은운용비용에중점을두고설계제작된수조시험용테스트베드로서두명이하의운용자가크레인같은보조장비없이진수및인양, 운용, 그리고유지보수가가능한 AU이다. 외형은 Fig. 2와같다 4. Fig. 4 CPMC Iag Tacking St f Mdl Shi 회전대위에고정된 CCD 카메라의입력을받아 PC가이미지처리알고리즘을통해수중운동체추종을위한속도프로파일을실시간으로생성하고 PLC는속도프로파일을제어입력으로 CPMC를구동한다. Fig. 5는 CPMC의영상추적장치를통해수중운동체인이심이를추종하는장면을나타낸것이다. Fig. 2 Aaanc f ISiMI 2.2 CPMC(Cutizd Plana Mtin Caiag 대형제어형예인전차인 CPMC는 25년한국해양연구원의해양공학수조에설치된장치로 Fig. 3과같이주전차 (Xcaiag 와부전차 (caiag 로구성되어있고, 부전차에는회전대 (Tuntabl 가설치되어있어자유항주하는수중운동체를바로위에서추종 (Tacking 할수있다. 복잡하고정교한움직임을갖도록설계된 CPMC는여러제어기가직렬로연결되어있는 Cacad Cntl 을사용하고있다. Fig. 5 A Pht f Lighting and Caa Filt t 2.4 CPMC 와이심이의수조좌표변환수조중심좌표계를기준으로한이심이의절대위치값을얻기위해서는수조중심의절대좌표계, CPMC 의 caig 에있는카메라를기준으로한카메라좌표계, 그리고이심이를기준으로한이심이좌표계가필요하다. 수조중심의절대좌표계는 Fig. 6 과같이수조의중심에고정되는좌표계로서영상추적장치의기준좌표계가된다.
_, 는 여기서 _ caiag caiag, caaig의 좌표를 나타내며 2, 2 는카메라좌표계에서바라본이심이의위치값을나타낸다. 그리고 θ 는절대좌표계와카메라좌표계가서로이루고있는각도값을나타낸다. 수조중심에대한이심이의절대좌표를얻기위해서는식 (1 의결과로얻은 caiag 의좌표계를수조중심의절대좌표계로평행이동시키면된다. 이를식으로나타내면식 (2 와같다. Fig. 6 Th wld cdinat f wat bain cθ in 1 + 1 + 2 + 2 θ inθ c 1 + 1 2 + 2 θ (2 카메라좌표계는 Fig. 7과같이 caiag 의회전대에장착되어있는카메라를기준으로한좌표계로이심이의운동속도및진행방향에따라변환되는상대좌표계이다. 여기서, 은수조중심의절대좌표계에서바라본이심이 의위치값을나타내고 1, 1은절대좌표계에서바라본 caiag의위치값을나타낸다. 식 (2 에서입력으로주어진 1, 1, 2, 2, θ 는모두 caiga의 Rt I/O B를통해얻어진다. CPMC의영상추적장치는추적하고있는수중운동체의위치 Fig. 7 Th caa t cdinat f caiag 마지막으로이심이좌표계는이심이의운동속도및진행방향에따라변하는좌표계를나타낸다. 이상의 3개좌표계로부터수조중심을기준으로한이심이의절대위치값을얻기위해서는카메라좌표계와 caiag 의좌표계를일치시켜주는과정과 caiag의좌표계를수조중심의절대좌표계로이동시켜주는과정이필요하다. Fig. 8은 caiag의좌표계와카메라의좌표계를일치시켰을때두좌표계가이루고있는각도값과카메라좌표계에서바라본이심이의위치값을나타낸다. (, 를실시간으로계산하여저장하고, Rt I/O B를통해 caiag의위치 (,, 회전대의위치 ( θ, 이미지공간에서의이심이의위치 (,, θ 값을 DA를통해 ± 1 사이의전압신호로제공한다. 이때제공되는 caiag와이심이 의위치 (,, θ 정보는 AD 변환을통해선상 PC로제공이되며다시 RF 통신을통해이심이에게최종적으로전달된다. Fig. 9는이심이의상대위치값을앞에서언급한변환과정을통해최종적으로이심이에전달하는과정을나타낸그림이다. Fig. 9 Pitin data flw f ISiMI uing th cdinat tanfatin Fig. 8 A tanfatin f caa cdinat 이를이용하면카메라좌표계를 caiag 좌표계로의좌표변환이가능하다. 이를수식으로나타내면식 (1 과같다. cθ inθ in c θ θ 2 2 (1 3. 수조내에서 AHRS를이용한추측항법의위치추정성능확인본논문에서언급되는추측항법 (Dad Rckning Navigatin 은속도정보와초기위치정보를가지고현재위치를추측하는매우직관적인방법으로서자이로나마그네틱컴퍼스를이용하여진행각도를파악하고가속도센서나속도계를이용하여진행한시간으로부터거리를파악하는항법이다 3. 원리적으로진행거리에비례하는누적오차의특성을갖는다. 본논문에서는이심이에내
장되어있는 AHRS 의마그네틱컴퍼스의성능을분석하려한다. 이를분석하기위해서는이심이의속도정보, 방위각정보, 그리고기준이되는위치정보가필요하다. 이심이의속도정보는이심이에저장된위치정보를미분하여얻었고방위각정보는 AHRS 의 aw 값을통해얻었다. 그리고기준이되는위치정보는 CPMC 에저장된위치데이터를이용하였다. 3장에서는먼저추측항법식에대해간단히언급한후 CPMC 의위치정보와이심이의위치정보의오차를분석하였다. 그리고 CPMC 의위치정보와추측항법을적용해얻은이심이의위치정보를비교하였다. 3.1 이심이의속도와방위각을이용한추측항법 이심이의속도정보를이용한추측항법을적용하는식은아래와같다. S nwx S ldx + iiix t S nw S ld + iii t 여기서 SnwX 와 S nw 는추측항법을통해얻은위치값을나타내고 t 는시간을나타낸다. 그리고 iiix 와 iii 는수조좌표계의중심을기준으로한이심이의속도를나타낸다. CPMC 의방위각과이심이에장착된 AHRS 의방위각의성능을비교하기위해각각두개의 iiix 와 iii 를구하였다. 하나는 CPMC 의방위각을적용하여얻은이심이의속도로서이를식으로나타내면식 (4 와같이나타낼수있다. iiix iii ix T1 i (3 T2 (4 여기서 T 1 은식 (5 와같고 T2 는 T1 의역변환행렬을나타낸다. c( awcc in( awcc T 1 (5 in( c( aw cc awcc 다른하나는이심이에장착된 AHRS 의방위각을적용하여얻은속도로서식 (6 과같이표현할수있다. iiix iii T3 (6 ix T1 i Fig. 1은영상추적장치를통해얻은 CPMC의위치정보값과이를 DA와 AD 변환과정을거쳐 RF 통신을통해받은이심이의위치정보값을각각비교한결과이다..7.6.5.4.3.2.1 ISiMI al itin v CPMC al itin ISiMI al itin CPMC al itin 17 16 15 14 13 12 11 1 9 X Fig. 1 Rult f al itin abut th ISiMI and CPMC, 의경우 ±.1 오차를보이고있다. 이오차는 CPMC의데이터를 Rt I/O B로보내면서수행하는 DA 변환과다시 Rt I/O B 데이터를이심이에전송하면서수행하는 AD 변환과정에서발생한오차로추정된다. 3.3 추측항법을적용한이심이의계측결과비교 Fig. 11은추측항법을적용하여얻은이심이의위치정보와 CPMC의기준위치정보값을비교분석한결과이다. 1.2 1.8.6.4.2 CPMC v ISiMI ISiMI al itin alid aw data f CPMC ISiMI itin alid aw data f AHRS CPMC al itin 17 16 15 14 13 12 11 1 9 X Fig. 11 Rult f al itin abut th ISiMI and CPMC 여기서 T 3 은식 (7 과같다. 이심이에내장된 AHRS의방위각정보를추측항법에적용하 여얻은이심이의위치정보를 CPMC 의위치정보와비교해 c( aw in( i awi T 3 (7 보면시간이지날수록 CPMC의위치정보와오차가점점커 in( aw c( i awi 진다는사실을알수있다. 이는추측항법이갖는본질적인누그리고이심이의방위각과 CPMC 의방위각을초기정렬하기위적오차에의한것과해양공학수조의구조적인문제를들수있해아래와같이식을적용하였다. 다. Fig. 12를살펴보면이심이의방위각정보와 CPMC 의방위 aw cc awi + α (8 각정보가다소큰오차를보이고있음을알수있다. 이심이와 CPMC 의방위각정보가서로오차가발생하는이유는이 α 는고정된상수이어야하지만해양공학수조의구조물의특성심이에내장된마그네틱컴퍼스가해양공학수조를이루고있에의해수시로변한다. 본논문에서는 α 는철구조물에매우큰영향을받고있기때문이다. 실제로를 123 로고정하였다. 3.2 CPMC 와이심이의계측결과분석비교
CPMC aw v ISiMI aw 8 CPMC v ISiMI 12 1 8 ISiMI aw data CPMC aw data 6 4 CPMC aw ISiMI g g d w a 6 4 2 2 2 4 2 6 4 8 6 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 ti c Fig. 12 Th aw data f CPMC and ISiMI 1 2 15 1 5 5 X Fig. 13 Rult f al itin abut th ISiMI and CPMC 이심이가수중에서정지또는직선운동을하고있을때 AHRS의마그네틱컴파스의각도값이한쪽방향으로계속증가하는현상이자주발생하는데이때의방위각정보를확인하면 AHRS 에내장된마그네틱컴퍼스가한쪽방향으로증가또는감소하는현상을확인할수있다. 하지만이심이의방위각정보를 CPMC의방위각정보로대체하여추측항법을적용하면실제 CPMC 의위치정보와거의일치하는결과를갖는것을살펴볼수있다. Fig 13과 14는앞선결과와는달리 AHRS 의회전각속도에대한정보를사용한경우에대한결과이다. CPMC의방위각및위치정보와거의비슷한결과를보이지만다소오차가발생함을볼수있다. 4. 결론 g d w a 2 15 1 5 5 1 15 CPMC v ISiMI 2 2 4 6 8 1 12 ti c ISiMI g CPMC aw Fig. 14 Th aw data f CPMC and ISiMI 본논문에서는한국해양연구원에서개발된항주형소형 AU 이심이와 CPMC 의영상추적장치를이용하여, 이심이에내장된 AHRS의마그네틱컴퍼스의특성에대해살펴보았다. 먼저수조전영역에서이심이가취득한위치정보와 CPMC의위치정보가 ±.1정도의오차가발생하고, 이오차가 DA와 AD 변환과정에서발생하고있음을실험결과를통해확인할수있었다. 또한수조시험시 AHRS의마그네틱컴퍼스가해양공학수조의철구조물에의해많은영향을받기때문에, 이센서를사용하는것보다는 AHRS의회전각속도또는 CPMC의방위각정보를사용하는것이더욱효과적이라는사실을확인하였다. 후 본연구는해양수산부의지원으로수행된 차세대심해무인잠수정개발 과제와해양연구원중점연구사업 U기반탐사선단의스마트운용기술개봘 과제의연구결과중일부임을밝히며, 연구비지원에감사드립니다. 기 참고문헌 1 Wlvn, S. and Fild, M.(1998. "POS/S an aidd intial navigatin t f ubibl vhicl", Pc. f Ocan '98 Cnfnc, l. 1,. 13 17, Oct. 2 Titttn, D. H. and Wtn, J. L.(1997. Stadwn intial navigatin tchnlg, Pt Pginu, Lndn. 3 L. L. Whitcb, D. R. g, and H. Singh.(1999. "Advanc in dl bad navigatin f undwat btic bhicl", Pc. f IEEE/ICRA 1993,. 39946. 4 전봉환, 박진영, 이판묵, 이필엽, 오준호 (27. 자율무인잠수정테스트베드이심이의개발과수조시험, 한국해양공학회지., 제 21권., 제 2호., 6774.