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Development of Buoy-based Autonomous Surface Robot-kit
Development of Buoy-based Autonomous Surface Robot-kit
Journal of Ocean Engineering and Technology. 2015. Jun, 29(3): 249-254
Copyright © 2015, Korean Society of Ocean Engineers
  • Received : March 26, 2015
  • Accepted : June 22, 2015
  • Published : June 30, 2015
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현식 김

Abstract
Buoys are widely used in marine areas because they can mark positions and simultaneously acquire and exchange underwater, surface, and airborne information. Recently, the need for controlling and optimizing a buoy’s position and attitude has been raised to achieve successful communication in a heterogeneous collaborative network composed of an underwater robot, a surface robot, and an airborne robot. A buoy in the form of a marine robot would be ideal to address this issue, as it can serve as a moving node of the communication network. Therefore, a buoy-based autonomous surface robot-kit with the abilities of sonar-based avoidance, dynamic position control, and static attitude control was developed and is discussed in this paper. The test and evaluation results of this kit show the possibility of real-world applications and the need for additional studies.
Keywords
1. 서 론
부이(Buoy)는 위치 표시 뿐만 아니라 수중, 수상 및 공중 정보의 동시 획득 또는 상호 교환이 가능한 장점을 갖는 도구로서 해양 분야에서 광범위하게 적용되고 있다. 특히 최근에는 수중로봇(Underwater robot), 수상로봇(Surface robot), 공중로봇(Airborne robot) 등을 포함하는 이종형 협력네트워크(Heterogeneous collaborative network) 구성에 필수적인 요소로서의 연구개발에 대한 요구가 발생하고 있는데, 무빙 노드(Moving node)로서 부이의 정보 획득 및 위치/자세 최적화 연구가 핵심이다. 이를 위해서는 기존의 부이에 이동성을 추가하여 해양로봇 형태로 개발하는 것이 바람직하다.
해양로봇의 연구개발과 관련한 국내 기반은 매우 부족하지만, 최근에는 로봇교육에 대한 수요가 증가하고 있으므로 비용 및 구현성의 관점에서 장점을 갖는 해양로봇키트의 개발 및 적용을 통해서 해양로봇의 연구개발 기반을 정립하는 것은 매우 현실적인 방안일 것이다.
해양로봇키트의 개발 및 적용 사례로서, 자율형 수상로봇키트(Autonomous surface robot-kit)( Kim and Kim, 2011 )는 서지(Surge), 요(Yaw)의 2자유도(DOF, Degree of freedom) 운동에 기반한 수상 이동 능력을 보유하고 있고, 전방, 우측, 좌측의 3 채널(Channel) 장애물회피소나(OAS, Obstacle avoidance sonar) 탐지에 기반한 장애물 회피( Kim and Jin, 2009 ; Kim et al., 2011 ; Kim, 2012 ) 능력을 보유하고 있다. 또한, 자율형 수중로봇 키트(Underwater robot-kit)( Kim et al., 2012 )는 서지, 요, 피치(Pitch)의 3DOF 운동에 기반한 수중 이동 능력을 보유하고 있고, 전방, 우측, 좌측, 하향의 4채널 OAS 탐지에 기반한 장애물 회피 능력을 보유하고 있다. 자율형 공중로봇키트(Airborne robot-kit)( Kim, 2013 )는 서지, 요의 2DOF 운동에 기반한 공중 이동 능력을 보유하고 있고, 전방의 1채널 적외선(IR, Infrared) 센서 탐지에 기반한 장애물 회피 능력을 보유하고 있다. 하지만, 기존의 경우에는 소나기반 회피, 동적 위치제어, 정적 자세 제어 능력을 보유한 부이로봇키트는 없다.
따라서, 본 논문에서는 소나기반 회피, 동적 위치제어, 정적 자세제어 능력을 보유한 부이기반 자율형 수상로봇키트( Kim, 2014 )의 개발에 대해서 자세히 논의되었다.
2. 키트 모델링 및 문제해결
일반적으로 3차원 공간에서 움직이는 강체(Rigid body)의 위치 및 방위를 정의하기 위해서는 6개의 독립좌표( Kim and Shin, 2007 )가 필요한데, 이에 해당하는 부이로봇키트의 운동은 서지, 스웨이(Sway), 히브(Heave), 롤(Roll), 피치, 요 등의 성분으로 표현되는 다음의 6DOF 운동으로 표현된다( Antonelli, 2006 )
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여기서, x = [ u v w p q r ] T 는 속도 벡터((Velocity vector)이다. M = MRB + MA 이고, C = CRB + CA 인데, MRB 는 강체 관성 행렬(Inerta matrix), MA 는 부가(Added) 관성 행렬이며, CRB 는 강체 코리올리(Coriolis) 및 구심(Centripetal) 행렬, CA 는 유체역학(Hydrodynamic) 코리올리 및 구심 행렬이다. DRB 는 감쇠(Damping) 행렬이고, gRB 는 중력(Gravity) 및 부력(Buoyancy) 벡터이다. 마지막으로, τ = [ X Y Z K M N ] T 는 힘(Force) 및 모멘트(Moment) 벡터이다. 식 (1)의 모델링 이해를 통해서는, 개발하고자 하는 부이로봇키트의 구동 또는 추진 메커니즘이 힘 및 모멘트 벡터의 발생과 직접적으로 연결되어 부이로봇키트의 운동 특성을 결정함을 알 수 있었다.
앞서 언급한 부이로봇키트의 운동 모델링에 대한 이해를 바탕으로, 소나기반 회피, 동적 위치제어, 정적 자세제어 능력을 보유한 부이로봇키트 개발을 구체화하기 위해서 다음과 같이 문제를 정의하였다.
문제를 정의하기 위해서 우선적으로 사례 분석을 수행하였는데, 미국의 해군대학원(NPS, Naval postgraduate school)은 수중, 수상 및 공중 시스템을 통신망으로 연계하여 그 효과를 극대화하는 이종형 협력네트워크와 관련하여 상용화 수준의 기술을 보유하고 있음을 알 수 있었다. 이와 관련된 이종형 협력네트워크 구성은 Fig. 1 에 보여 진다( Healey et al., 2005 ).
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Heterogeneous collaborative network
그림을 자세히 살펴보면, 협력네트워크에서 관문(Gateway)의 역할을 하고 있는 부이가 조류, 파도 등이 존재하는 실제 해양 환경에서 수중, 수상 및 공중 시스템과의 성공적인 통신을 위해서는 자신의 위치 및 자세를 최적화할 수 있어야 한다. 또한, 필요시에 정보를 획득할 수 있어야 한다.
그리고, 로봇교육에 사용되는 일반적인 키트는 그 적용의 편의성 및 비용절감 측면에서 초소형의 형태를 보유하고 있는데, 그로 인하여 부품 및 전원 탑재를 위한 공간이 협소하므로 최소한의 부품을 사용하여야 하며, 에너지의 소모도 줄여야 한다.
요약하면, 부이로봇키트는 정보 획득 및 위치/자세 최적화 문제가 존재할 뿐만 아니라, 비용/에너지 최소화 문제가 존재함을 알 수 있다.
개발된 부이로봇키트는 이러한 문제들을 동시에 해결하기 위해 1개의 OAS, 2개의 수평 추진기(Thruster), 1쌍의 회전래크(Rotary rack) 및 피니언(Pinion)을 갖는 메커니즘을 제안하는 것을 목표로 한다. 즉, 정보 획득 문제의 측면에서는 1개의 OAS를 활용하여 전방, 우측, 좌측, 하향의 4채널 OAS 탐지가 가능하도록 하였고, 나머지 문제의 측면에서는 2개의 수평 추진기, 1쌍의 회전래크 및 피니언을 활용하여 서지, 요, 롤, 피치의 4DOF 운동이 가능하도록 하였다. 제안된 메커니즘의 장점은 Fig. 2 를 통해 설명이 가능하다.
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Necessity of developed buoy robot-kit
앞의 그림은 어느 시점에서 부이로봇키트가 X축 방향에 존재하는 수중 Target A의 정보를 획득하여 Z축 방향에 존재하는 공중 System A에 정보를 실시간으로 전달하는 모습을 보여 주며, 필요에 의해 부이로봇키트가 X축 방향에 존재하는 수중 Target A의 정보를 Y축 방향에 존재하는 수상 System B에 정보를 실시간으로 전달하기 위해서는 내부의 회전래크를 Y축을 바라보도록 한 후 피니언을 이동시켜 롤 운동을 발생시키는 모습을 보여 준다. 이와 관련된 부이로봇키트의 내부 메커니즘은 Fig. 3 과 같은데, 이는 개발된 부이로봇키트가 임의의 방향으로 매우 효과적으로 자세를 제어할 수 있는 차별성을 가짐을 보여 준다.
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Internal mechanism of developed buoy robot-kit
만약에, 고정래크(Fixed rack) 및 피니언을 사용하는 경우에는 자세 제어를 위해서는 일반적으로 수평 추진기를 구동하여 부이로봇키트가 Y축을 바라보도록 요 운동을 발생시킨 후 피니언을 이동시켜 피치 운동을 발생시켜야 하는데, 이때는 수중 Target A의 정보를 놓치게 된다.
그리고, 래크 및 피니언을 사용하지 않는 경우에는 자세 제어를 위해서는 일반적으로 4개 이상의 수직 추진기를 사용하는데 ( Chol et al., 1995 ), 이때는 자세 유지를 위해 에너지의 지속적인 소모가 필요하다.
앞서 언급한 구동 및 추진 메커니즘 유형에 대해서 통신 성공률(Success rate), 제어 복잡성(Complexity), 비용/에너지 측면에서 비교 및 요약한 내용은 Table 1 에 보여 지는데, 제안된 메커니즘은 위치/자세 최적화 문제 및 비용/에너지 최소화 문제의 해결에 매우 적합함을 알 수 있다.
Comparison of actuation and propulsion mechanisms
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Comparison of actuation and propulsion mechanisms
3. 키트 시제작
앞서 언급한 메커니즘을 구현하는 것을 목표로 하는 부이로봇키트의 개발과 관련하여, 우선적으로 브레인스토밍(brainstorming)이 수행되었다. 그 결과는 Fig. 4 에 보여 진다.
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Brainstorming
브레인스토밍 결과를 살펴보면 부이로봇키트와 관련된 운용, 성능, 기능, 부품, 시험평가, 유지보수 등의 전반에 대한 아이디어 도출이 이루어졌음을 알 수 있다.
브레인스토밍을 기반으로, 운용개념(Operating concept)이 정립되었다. 그 결과는 Fig. 5 에 보여 진다.
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Diagram of operating concept
운용개념 정립을 기반으로, 요구사항 분석(Requirement analysis)이 수행되었으며, 그 결과로서 이동성(Mobility)(R1), 안정성(Stability)(R2), 유지보수성(Maintainability)(R3)의 요구사항들이 도출되었다.
요구사항 분석을 기반으로, 기능 분석(Functional analysis)이 수행되었으며, 그 결과로서, 저항최소화 기능(F1), 무게/부력 조절 기능(F2), 위치제어 기능(F3), 자세제어 기능(F4), 장애물회피 기능(F5), 분해/조립 기능(F6), 전원 ON/OFF 기능(F7), 프로그램 다운로드 기능(F8)의 기능들이 도출되었다.
기능 분석을 기반으로, 설계(Design)가 수행되었으며, 그 결과의 하나로서, 하드웨어/소프트웨어 가계도를 도출하였다.
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Hardware family tree
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Software family tree
하드웨어 가계도 기반의 설계 결과로서, 3D 모델링 도구인 카티아(CATIA, Computer aided three dimensional interactive application)를 이용한 설계도를 도출하였다. 대표적인 설계도는 Fig. 8 Fig. 9 에 보여 진다.
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Designed buoy robot-kit (assembled)
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Designed buoy robot-kit (disassembled)
특히, Fig. 9 의 사각형 표시부는 제안된 메커니즘의 핵심인 회전래크 및 피니언의 연관부를 나타내고, Fig. 10 은 그 조립 모습을 나타낸다. 상부의 모터가 회전하면 래크가 회전하게 되고, 하부의 모터가 회전하면 피니언이 이동하여 무게중심이 변화하게 되어 자세의 변화가 일어난다.
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Assembled rotary rack and pinion
또 다른 설계 결과로서, 전체적인 데이터의 연동도를 도출하였다. 연동도는 Fig. 11 에 보여 진다.
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Interface diagram
설계를 기반으로, 제작(Manufacturing)이 수행되었으며, 그 결과로서 하드웨어/소프트웨어 구성품이 시제작 또는 구입되었다.
하드웨어 시제작과 관련하여, 3D 프린팅 도구인 쾌속조형기(RP, Rapid prototyping)를 이용하였는데, 3D 모델링 및 프린팅 도구들을 사용함으로써 시간 및 구현성의 관점에서 부이로봇키트 하드웨어 시제품의 효율적인 확보가 가능하였다. Fig. 12 는 좌측 상단부터 시계방향으로 프린터, 용해기, 프린팅 소프트웨어툴을 나타낸다.
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Manufacturing equipment
하드웨어 구성품 구입과 관련하여, 4채널 OAS를 구입하였는데, 이는 ±15deg의 빔폭(Beam width)을 갖고, 0~31cm에 존재하는 물체의 전방, 우측, 좌측, 하향의 4채널 OAS 탐지가 가능하다. 그 특성곡선을 살펴 표면 직선성이 매우 우수함을 알 수 있다. Fig. 13 은 OAS 및 특성곡선을 나타낸다.
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Obstacle avoidance sonar and characteristic curve
소프트웨어 시제작과 관련하여, C언어 프로그래밍 도구인 AVR studio 프로그램을 이용하였는데, 라이브러리 함수 개념을 도입함으로써 재활용성을 높였다. Fig. 14 는 프로그래밍툴의 화면을 나타낸다.
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Programming tool
4. 키트 시험평가
개발된 부이로봇키트의 성능 검증을 위해서, 앞서 언급한 분석, 설계 및 제작 내용을 고려하여 분해조립 시험(T1), 서지 시험(T2), 요 시험(T3), 피치 시험(T4) 및 회피 시험(T5) 들이 수행되었다. T2, T3, T4의 통합시험인 T5는 Fig. 15 와 같이 수직 경사를 갖는 평면 장애물의 탐지 및 회피를 고려하였다.
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Top and side views of avoidance test
T5를 위한 시험평가 시나리오 구성은 Table 2 와 같은데, 부이로봇키트는 일정시간 동안 OAS의 좌측 정보를 이용하여 비례(Proportional) 제어 기반 벽면 추적(Wall tracking)을 수행한 후에, OAS의 전방 정보를 이용하여 장애물의 탐지를 위해 피드포워드(Feedforward) 제어 기반 자세 제어를 수행하고, 이후에 장애물 회피를 위해 우회전을 수행한다.
Scenario for test and evaluation
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Scenario for test and evaluation
수직 경사를 갖는 평면 장애물의 탐지 및 회피 모습 및 결과들은 Fig. 16 Fig. 17 에 보여지는데, 그 결과들은 탐지 및 회피가 15-17초 구간의 불안정성에도 불구하고 전체 시험 구간에서 성공적임을 보여 준다. 본 논문에서는 부이로봇키트의 메커니즘을 구현하는 것을 목표로 하므로 T5에서는 Fig. 2 의 통신 문제를 다루지는 않았지만, T5의 결과들을 통하여 개발된 부이로봇키트가 정보 획득 및 위치/자세 최적화 문제 및 비용/에너지 최소화 문제를 동시에 해결할 수 있음을 확인하였다. 추후 알고리즘의 개선, 유사환경에서의 실험/검증 등이 요구된다.이러한 결과들로부터, 부이 로봇키트는 OAS, 수평추진기, 회전래크 및 피니언 등의 효과적인 구성요소를 보유하고 있음이 증명되었다.
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Execution of test and evaluation
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Results of test and evaluation
시험평가를 통해, 관련된 요구사항 및 기능들이 충족함을 확인하였다. Table 3 은 개발 프로세스 결과물들의 추적성(Traceability)을 보여 주고, Table 4 는 개발된 부이로봇키트의 사양을 보여준다.
Traceability of development processes
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Traceability of development processes
Specifications of developed buoy robot-kit
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Specifications of developed buoy robot-kit
5. 결 론
본 논문에서는 소나기반 회피, 동적 위치제어 및 정적 자세제어 능력을 보유한 부이기반 자율형 수상로봇키트가 개발되었고 자세히 논의되었다.
개발된 부이로봇키트의 주요 특성은 다음과 같이 요약된다. 즉, 개발된 부이로봇키트는 소나기반 회피 문제를 해결하기 위해 1개의 OAS를 사용하며, 동적 위치제어 문제를 해결하기 위해 2개의 수평추진기를 사용하며, 정적 자세제어 문제를 해결하기 위해 1쌍의 회전래크 및 피니언을 사용한다.
개발된 부이로봇키트의 성능을 통합적으로 검증하기 위해서, 수직 경사를 갖는 평면 장애물의 탐지와 회피가 수행되었다. 시험평가 결과는 소나기반 수상장애물회피 등과 같은 로봇교육분야를 포함하는 실제 환경에서의 적용 가능성과 통신 및 센서의 추가 탑재 등을 통한 추가적인 연구의 필요성을 보여준다.
Acknowledgements
이 논문은 2013학년도 동명대학교 교내학술연구비 지원에 의하여 연구되었음 (2013A008)
References
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