A Study on Underwater Navigation System of Sensor Model-based Underwater Track Robot

In this study, an underwater navigation algorithm was developed to apply the underwater navigation system to the underwater track robot. Generally, underwater navigation uses a Doppler Velocity Log(DVL) to measure the velocity of underwater vehicles. However, undersea platforms, such as underwater track robots, cannot use DVL due to the distance limitations of sensor operation. As a result, Dead Reckoning(DR) navigation is inevitably used, and which results in severe errors in attitude and position values over long periods of platform operation. To overcome this problem, we developed an underwater navigation system composed of coupled Inertial Navigation System(INS) composed Ultra Short Base Line(USBL) and additional track information. The INS sensors were modeled using the mathematical model of the accelerometer, the gyroscope, the magnetometer. Before the experiment, computer simulations were performed to analyze the expected sensor values for specific track missions in unexpected situations. Based on this, we developed an underwater navigation algorithm for a prototype underwater track robot which we developed at the lab and confirmed the effectiveness of the navigation algorithm through experiments. For the prototype underwater track robot, we developed the navigation system, the electric hardware, the control system, and the operating system. Finally, we applied the developed INS and the underwater navigation algorithm to the platform and verified a good performance through real sea experiments.1. 서 론 1.1 연구 배경 1 1.1.1 수중트랙로봇 2 1.1.2 항법 5 1.2 연구 목표 7 1.3 논문 구성 8 2. 항법 센서의 수학적 모델 2.1 관성 측정 장치 9 2.1.1 가속도계 10 2.1.2 각속도계 15 2.1.3 자력계 20 3. 융합 항법 알고리즘 3.1 좌표계 25 3.2 INS 항법 알고리즘 설계 26 3.2.1 자세 추정 26 3.2.2 속도 추정 33 3.2.3 위치 추정 34 3.2.4 INS 오차 모델 35 3.3 융합 항법 알고리즘 설계 38 3.3.1 시스템 오차 모델 38 3.3.2 측정 오차 모델 41 3.4 융합 항법 알고리즘 구성 41 3.5 융합 항법 시뮬레이션 42 3.5.1 S자 궤적 항법 시뮬레이션 44 3.5.2 사각형 궤적 항법 시뮬레이션 50 3.5.3 모의 진회수 항법 시뮬레이션 56 4. 수중항법 시스템 및 플랫폼 구성 4.1 수중항법 시스템 63 4.1.1 시스템 구성 63 4.1.2 운용 시스템 67 4.2 수중트랙로봇 69 4.2.1 플랫폼 구성 69 4.2.2 운용 시스템 76 5. 융합 항법 성능 실험 5.1 트랜칭 수중트랙로봇에 적용한 융합 항법 성능 실험 77 5.1.1 Heading 추정 성능 실험 79 5.1.2 실해역 융합 항법 성능 실험 80 5.2 수중트랙로봇에 적용한 융합 항법 성능 실험 86 5.2.1 기본 항법 성능 실험 88 5.2.2 미션 궤적 항법 성능 실험 91 5.2.3 사각형 궤적 항법 성능 실험 #1 95 5.2.4 사각형 궤적 항법 성능 실험 #2 98 6. 결론 103 부록 106 참고문헌 114 감사의 글 119Docto

하이브리드 수중 글라이더의 제어 연구

In this paper, the control of the Hybrid underwater glider (HUG), which has the advantage of high precision route search function and long-term mission capability was studied. The whole control hardware system of the HUG were constructed including a control algorithm. The whole control hardware system is composed of a the control system, the autonomous control system, and the actuator control system. The control system was designed for the smooth and precise path tracking of the HUG. The autonomous control system was developed for autonomous control of the HUG using the Linux operating system which is based on single board computer Edison. In addition, the actuator control system was designed to control the propeller, thrusters, buoyancy engine, and the rudder using the STM32F407V microcontroller. Also, PID control algorithm was designed for the actuator control system, and the extended Kalman filter was designed for the navigation system. In order to verify the performance of the developed control system, the navigation system, and the developed algorithm, a number of various experiments were performed and good performance of the developed system was shown through results.List of Tables iv List of Figures vi Abstract viii 1. 서 론 1.1 연구배경 1 1.2 하이브리드 수중 글라이더 동작 개념 4 1.3 연구목적 6 2. 하이브리드 수중 글라이더의 기구부 2.1 선체 구조 7 2.2 기구부 구조 8 2.2.1 부력엔진 9 2.2.2 자세제어기 11 2.2.3 추진기 및 러더 13 3. 제어시스템 설계 3.1 제어시스템 구성 15 3.2 자율제어시스템 16 3.3 액추에이터 제어시스템 17 3.3.1 부력엔진 제어시스템 20 3.3.2 자세제어기 제어시스템 22 3.3.3 추진기 및 러더 제어시스템 24 3.4 센서 시스템 26 3.4.1 DVL 27 3.4.2 AHRS 28 3.4.3 수심 측정기 29 3.4.4 측심기 30 3.4.5 GPS 31 3.4.6 누수 센서 32 3.5 배터리 및 전원 회로 33 4. 제어 알고리즘 연구 4.1 동역학 모델링 37 4.2 제어 알고리즘 42 4.3 항법 알고리즘 43 5. 성능 시험 5.1 DVL 성능 시험 46 5.2 GPS 성능 시험 48 5.3 항법 알고리즘 성능 시험 49 5.4 자세제어기 및 부력엔진 성능 시험 50 5.5 자세 제어 시험 51 6. 결론 6.1 결론 및 향후과제 54 감사의 글 55 참고문헌 56 부록 5

Data Collection system with underwater glider

연구개발의 목적 및 필요성 ○ 군사적 측면 - 우리나라 관할해역 내에서 중국, 러시아, 일본 등 주변국 잠수함정의 활동이 증가하고 있고 북한은 강도 높은 해상 훈련을 통해 남하 침투 및 공격 능력을 유지하고 있음 - 동해는 대부분 수심이 깊고 연중 한․난류가 복잡하게 교차하여 수평․수직적으로 음파의 전달이 제한되며 상․어선의 활동이 빈번하여 주변 소음 준위가 높아 ‘잠수함의 천국’이라고 일컬을 정도로 대잠환경이 취약한 해역임 - 우리 해군은 이러한 열악한 대잠환경 하에서 다양한 탐지체계를 운용하고 있으나 작전해역을 감시하는데 어려운 제약 사항이 상당히 존재함 - 우리나라 영해 및 작전해역에 대한 지속성 있는 수중감시망 구축을 위하여 우리나 라 영해의 특성에 최적화된 수중글라이더와 통제․운용체계 개발이 시급한 실정임 ○ 기술적 측면 - 상용 수중글라이더는 저속으로 운용되는데 (~0.7knots) 유속이 빠른 우리 해역 (동해1knot 내외)에서 운용 가능한 수중글라이더가 요구됨 - 상용 수중글라이더는 필수 부품 이외 센서 등을 추가로 설치할 수 있는 공간 (Payload)이 협소하여 우리 군에서 요구하는 사양에 맞게 동체 또는 일부 장치에 대한 개조가 불가함 - 상용 수중글라이더의 핵심기술은 제조국의 기술이전 및 수출 제한 대상이며 해외에 서의 교육을 통해서만 사용자의 정비 및 운용 숙련도를 높일 수 있음 ○ 경제․산업적 측면 - 광범위한 작전해역을 대상으로 수중감시망을 구축한다는 것은 천문학적인 예산과 전문 인원, 수십 년의 시간과 노력이 요구됨 - 기존에는 함정, 항공기, 고정형 감시체계 등 고비용 탐지체계에 의존하였으나 최근 무인 및 자율제어 기술의 발달로 지능형 무인자율수중체계를 개발하여 기존의 탐지 체계를 대체하고 있음 - 수중글라이더가 개발되어 작전에 투입되면 대잠탐색을 위한 해군 함정들의 출동 일수 감소에 따른 예산 절감 및 출동 장병 피로도를 완화시킬 수 있음 - 수중글라이더 국산화 기술을 통해 급증하고 있는 국내외 민간해양/기상 연구개발 분야에서의 수요 충족 및 수입대체 효과가 예상됨 - 극동아시아 주변 해역의 기상 및 해류 특성에 최적화된 장비개발로 향후 아시아 및 서태평양권에서의 무인자율수중체계 국제시장 선점을 기대할 수 있음 연구개발의 내용 및 범위 ○ 최종목표 - 한반도 주변 해역 해양환경에 최적화된 민․군 겸용 수중글라이더 플랫폼 및 제반 운용체계 구축 ○ 연차별 목표 - 1차년도 : 요구성능 충족을 위한 수중글라이더 설계 및 기초 제작, 구조 설계 및 동특성 해석, 자료수집 시스템 설계 - 2차년도 : 수중글라이더 플랫폼 제작, 운용․통제체계 및 진․회수장치 제작, 자료수집 시스템 개발 - 3차년도 : 수중글라이더 시제, 진․회수장치, 자료수집 시스템의 실해역 운용평가, 제어 알고 리즘 검증 연구개발 결과의 활용계획 ○ 실용화 목표 및 내용 - 수중소음, 잠수함 탐지 등 국방 분야에서 수중의 모든 음원을 측정하는 시스템은 단일 하이드로폰을 기본으로 하고 있음. 단일 하이드로폰은 수중소음의 세기만 측정할 수 있고 방향성 추적이 불가능한 분명한 한계점이 있음 - 기개발된 수중글라이더는 크고 무거워서 운용이 불편하고 부력엔진 큰 소음이 지속적으로 발생하기 때문에 음향자료 획득 임무에 적합하지 않음. 따라서 수중글라이더의 경량화 및 목표속도와 저소음을 만족하는 새로운 추진 기술개발이 필요함 - 실용화 목표 · 표적 방향성 탐지가 불가능한 단일채널 수중청음 시스템의 한계를 극복하기 위한 다채널 방향성 음향탐지 시스템 개발과 저소음 복합추진 수중무인이동체를 활용 한 실해역 운용 - 실용화 내용 · 저소음 복합추진 수중글라이더 개발 · 다채널 방향성 음향탐지 시스템 개발 · 해양‧음향 자료 분석 시스템 개발 · 실해역 시험평가 ○ 실용화 성과 (활용계획) - 저소음 복합추진 수중무인이동체를 통해 고품질의 음원 수집 - 고정밀 복합항법 기술을 통해 수중무인이동체의 수중 위치 방위각 정확도 향상 - 무인자율 대잠환경 관측망을 구축하여 표적탐지 정보를 해군에 제공 - 고정 (부이) 또는 이동플랫폼 (수중무인이동체)와 연동하여 시/공간적으로 표적 위치를 탐지하는 시스템으로 활용 - 군, 해양생태계 보호 및 해양공학 분야 등 폭넓은 분야에서 활용국방과학연구

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연구개발의 목적 및 필요성 ○ 군사적 측면 - 우리나라 관할해역 내에서 중국, 러시아, 일본 등 주변국 잠수함정의 활동이 증가하고 있고 북한은 강도 높은 해상 훈련을 통해 남하 침투 및 공격 능력을 유지하고 있음 - 동해는 대부분 수심이 깊고 연중 한․난류가 복잡하게 교차하여 수평․수직적으로 음파의 전달이 제한되며 상․어선의 활동이 빈번하여 주변 소음 준위가 높아 ‘잠수함의 천국’이라고 일컬을 정도로 대잠환경이 취약한 해역임 - 우리 해군은 이러한 열악한 대잠환경 하에서 다양한 탐지체계를 운용하고 있으나 작전해역을 감시하는데 어려운 제약 사항이 상당히 존재함 - 우리나라 영해 및 작전해역에 대한 지속성 있는 수중감시망 구축을 위하여 우리나 라 영해의 특성에 최적화된 수중글라이더와 통제․운용체계 개발이 시급한 실정임 ○ 기술적 측면 - 상용 수중글라이더는 저속으로 운용되는데 (~0.7knots) 유속이 빠른 우리 해역 (동해1knot 내외)에서 운용 가능한 수중글라이더가 요구됨 - 상용 수중글라이더는 필수 부품 이외 센서 등을 추가로 설치할 수 있는 공간 (Payload)이 협소하여 우리 군에서 요구하는 사양에 맞게 동체 또는 일부 장치에 대한 개조가 불가함 - 상용 수중글라이더의 핵심기술은 제조국의 기술이전 및 수출 제한 대상이며 해외에 서의 교육을 통해서만 사용자의 정비 및 운용 숙련도를 높일 수 있음 ○ 경제․산업적 측면 - 광범위한 작전해역을 대상으로 수중감시망을 구축한다는 것은 천문학적인 예산과 전문 인원, 수십 년의 시간과 노력이 요구됨 - 기존에는 함정, 항공기, 고정형 감시체계 등 고비용 탐지체계에 의존하였으나 최근 무인 및 자율제어 기술의 발달로 지능형 무인자율수중체계를 개발하여 기존의 탐지 체계를 대체하고 있음 - 수중글라이더가 개발되어 작전에 투입되면 대잠탐색을 위한 해군 함정들의 출동 일수 감소에 따른 예산 절감 및 출동 장병 피로도를 완화시킬 수 있음 - 수중글라이더 국산화 기술을 통해 급증하고 있는 국내외 민간해양/기상 연구개발 분야에서의 수요 충족 및 수입대체 효과가 예상됨 - 극동아시아 주변 해역의 기상 및 해류 특성에 최적화된 장비개발로 향후 아시아 및 서태평양권에서의 무인자율수중체계 국제시장 선점을 기대할 수 있음 연구개발의 내용 및 범위 ○ 최종목표 - 한반도 주변 해역 해양환경에 최적화된 민․군 겸용 수중글라이더 플랫폼 및 제반 운용체계 구축 ○ 연차별 목표 - 1차년도 : 요구성능 충족을 위한 수중글라이더 설계 및 기초 제작, 구조 설계 및 동특성 해석, 자료수집 시스템 설계 - 2차년도 : 수중글라이더 플랫폼 제작, 운용․통제체계 및 진․회수장치 제작, 자료수집 시스템 개발 - 3차년도 : 수중글라이더 시제, 진․회수장치, 자료수집 시스템의 실해역 운용평가, 제어 알고 리즘 검증 연구개발 결과의 활용계획 ○ 실용화 목표 및 내용 - 수중소음, 잠수함 탐지 등 국방 분야에서 수중의 모든 음원을 측정하는 시스템은 단일 하이드로폰을 기본으로 하고 있음. 단일 하이드로폰은 수중소음의 세기만 측정할 수 있고 방향성 추적이 불가능한 분명한 한계점이 있음 - 기개발된 수중글라이더는 크고 무거워서 운용이 불편하고 부력엔진 큰 소음이 지속적으로 발생하기 때문에 음향자료 획득 임무에 적합하지 않음. 따라서 수중글라이더의 경량화 및 목표속도와 저소음을 만족하는 새로운 추진 기술개발이 필요함 - 실용화 목표 · 표적 방향성 탐지가 불가능한 단일채널 수중청음 시스템의 한계를 극복하기 위한 다채널 방향성 음향탐지 시스템 개발과 저소음 복합추진 수중무인이동체를 활용 한 실해역 운용 - 실용화 내용 · 저소음 복합추진 수중글라이더 개발 · 다채널 방향성 음향탐지 시스템 개발 · 해양‧음향 자료 분석 시스템 개발 · 실해역 시험평가 ○ 실용화 성과 (활용계획) - 저소음 복합추진 수중무인이동체를 통해 고품질의 음원 수집 - 고정밀 복합항법 기술을 통해 수중무인이동체의 수중 위치 방위각 정확도 향상 - 무인자율 대잠환경 관측망을 구축하여 표적탐지 정보를 해군에 제공 - 고정 (부이) 또는 이동플랫폼 (수중무인이동체)와 연동하여 시/공간적으로 표적 위치를 탐지하는 시스템으로 활용 - 군, 해양생태계 보호 및 해양공학 분야 등 폭넓은 분야에서 활용국방과학연구

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