URI-T, 해저 케이블 매설용 ROV의 선수각 제어 및 실해역 검증

Heading Control of URI-T, an Underwater Cable Burying ROV: Theory and Sea Trial Verification

Article information

J. Ocean Eng. Technol. 2019;33(2):178-188
Publication date (electronic) : 2019 April 29
doi : https://doi.org/10.26748/KSOE.2019.010
*Marine Robotics R&D Division, Korea Institute of Robot and Convergence, Pohang, Korea
조건래*orcid_icon, 강형주*orcid_icon, 이문직*orcid_icon, 이계홍*orcid_icon
*한국로봇융합연구원 해양로봇연구본부
Corresponding author Gun Rae Cho: +82-54-279-0459, sandman@kiro.re.kr

It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of 13th KROC 2018 in Pyeongchang.

Received 2019 January 27; Revised 2019 April 5; Accepted 2019 April 11.

Trans Abstract

When burying underwater cables using robots, heading control is one of the key functions for the robots to improve task efficiency. This paper addresses the heading control issue for URI-T, an ROV for underwater construction tasks, including the burial and maintenance of cables or small diameter pipelines. Through modeling and identifying the heading motion of URI-T, the dynamic characteristics and input limitation are analyzed. Based on the identification results, a PD type controller with appropriate input treatment is designed for the heading control of URI-T. The performance of the heading controller was verified in water tank experiments. The field applicability of the proposed controller was also evaluated through the sea trial of URI-T at the East Sea, with a water depth of 500 m.

1. 서 론

해양은 사람의 직접적인 접근이 제한되는 공간으로 다양한 분야의 작업들이 수중로봇을 활용하여 수행되고 있다(Christ and Wernli, 2014; Yuh, 2000). 한 예로 해저케이블 매설 분야를 들 수 있는데, 이 분야에는 육지와 도서 간의 전력공급을 위한 HVDC (High voltage direct current) 케이블 설치(Kwon et al., 2002), 해상풍력단지와 육지 간의 해저케이블 연결(Kim et al., 2012), 해저 통신케이블의 설치(Choi and Kim, 1997) 등이 포함된다. 해저 케이블 매설 분야는 사람이 접근하기 어려운 심해 작업을 포함할 뿐만 아니라, 작업 수행 시 매우 큰 힘이 필요하기 때문에 중작업 수행이 가능한 대형 수중로봇이 활용된다.

최근, 해저케이블 매설용 중작업용 ROV(Remotely operated vehicle)인 URI-T(Underwater robot it's trencher)가 개발되고 있다(Kang et al., 2018). URI-T는 수심 2,500m급의 해저에서 해저 케이블 및 소구경 파이프의 매설 작업과 유지보수 작업을 수행하는 로봇으로, Fig. 1에 그 모습을 도시하였으며, Table 1에 대략적인 사양을 정리하였다. URI-T는 국내 기술로 개발되고 있으며, 국외 소수 기업이 독과점하고 있는 수중로봇 분야에서 국내 기술 경쟁력을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 1

URI-T, an underwater cable burying ROV

Brief specification of URI-T

URI-T와 같은 수중 중작업용 로봇이 해저 케이블의 매설 작업을 수행함에 있어서, 로봇의 선수각 제어는 매우 중요한 역할을 한다. 특히, 로봇과 선상시스템 간의 전력 공급 및 통신을 위한 엄빌리컬 케이블의 손상 방지를 위해서는 엄빌리컬 케이블의 꼬임 수준이 철저하게 관리되어야 하는데, 이를 위해서는 로봇의 진⋅회수 시 로봇의 선수각 각도를 일정하게 유지할 수 있어야 한다. 또한, 해저 케이블 매설 작업이나 매설 후 결과 서베이 작업 등을 수행할 때도 해저 케이블 루트를 따라서 로봇이 선수각을 맞춰서 이동할 수 있어야 한다. 만약, 로봇의 선수각 제어가 제대로 동작하지 않는다면, 로봇 조종자에게 큰 부담이 되어 장시간 로봇 운용이 어려울 뿐만 아니라, 로봇의 고장 등 사고를 초래할 수도 있다. 사람의 접근이 제한되는 깊은 수심에서의 사고는 즉각적인 대응이 어려울 뿐만 아니라, 큰 경제적 손실로 이어질 수 있다.

본 연구에서는 해저케이블 매설용 중작업 ROV인 URI-T의 선수각 제어에 대해 다룬다. 먼저, URI-T의 선수각 거동에 대한 특성을 파악하기 위해 동역학 모델을 유도하고 실험 결과를 기반으로 모델 계수를 추정하였다. 이 결과를 활용하여 URI-T의 선수각 제어 알고리즘을 설계하였으며 수조 실험을 통해 성능을 검증하였다. 또한, 수심 500m급의 실해역에서 해저 케이블 매설 시험을 수행함에 있어서 개발한 선수각 제어를 적용함으로써, 현장 적용 성능을 검증하였다.

2. URI-T의 선수각 동역학 모델 분석

2.1 시스템의 구성

Fig. 2에 ROV의 수평거동을 결정하는 시스템의 블록도를 도시하였다. Fig. 2로부터 알 수 있듯이, 제어기는 밸브팩 입력(μi, i=1,2,3,4)을 통해 밸브팩의 열림/닫힘 수준을 결정하며, 이 수준에 따라 추진기로 유입되는 작동유의 유량(Q)이 결정된다. 추진기는 작동유 유량에 의해 프로펠러가 회전하여 추진력(Ti)을 발생시킨다. ROV는 추진기의 추진력을 이용하여 거동하게 된다. 추진기의 선수각 거동을 결정하는 추진기는 총 4개이며, 플랫폼에 좌우 앞뒤 대칭으로 배치되어 있다. 추진기의 배치 위치는 Fig. 3에서 확인할 수 있다. 추진기의 회전 거동은 DVL(Doppler velocity log) 및 IMU(Inertial measurement unit)를 통해 측정된다. DVL은 지자기센서를 포함하며, ROV 선수각을 측정할 수 있다. IMU는 자이로센서를 포함하며, 선수각속도를 측정할 수 있다.

Fig. 2

Block diagram of ROV system for horizontal motion

Fig. 3

Location of thrusters in ROV

제어기의 역할은 DVL 및 IMU로부터 ROV의 선수각 및 선수각속도를 입력 받아 ROV의 선수각을 원하는 값으로 수렴시키기 위한 밸브팩 제어 입력을 결정하는 것이다. 적절한 선수각 제어 알고리즘을 결정하기 위해서는 ROV의 선수각 거동에 대한 동역학적 특성을 파악할 필요가 있다. 동역학 특성을 파악하는 목적을 조금 더 상세히 기술하면 다음과 같다.

(1) ROV의 동역학 특성이 고등제어를 필요로 하는 특성(비최소위상특성, 매칭조건 등)을 갖는지 확인한다.

(2) 밸브팩 제어입력이 회전모멘트(추진기 추력의 합력)과 선형적 관계에 있는지 확인한다.

(3) 입력불감대(Dead zone)나 입력포화(Saturation) 등 제어입력의 제한이 있는지 확인한다.

이상의 동역학 특성을 확인하기 위해, ROV의 동역학 모델을 분석했으며, 그 결과를 다음 절에 정리하였다. 2.2절에서는 동역학모델에 대한 수학적 접근 결과를 정리하였으며, 2.3절에서는 동역학 계수를 추정한 결과를 정리하였다.

2.2 트렌처의 선수각 동역학 모델

수중로봇의 동역학 모델은 다음과 같이 주어진다(Fossen, 1994).

(1) Mν˙+C(ν)ν+D(ν)ν+g(η)=τ

여기서, M은 강체와 유체 거동에 의한 관성행렬, C(v)는 코리올리력과 원심력 행렬, D(v)는 감쇠행렬, g(η)는 중력과 부력 벡터, τ는 추진기에 의한 제어 입력 힘과 토크, v=[u, v, w, p, q, r]T는 몸체고정좌표계에서의 속도변수, η=[x, y, z, ϕ, θ, ψ]T는 지구좌표계의 위치변수를 나타낸다. 본 연구에서는 선수각 제어에 관해 다루므로, 선수각과 관련되지 않는 변수를 모두 0으로 가정한다: u=v=w=p=q=0, x=y=z=ϕ=θ=0. 이 경우, 식 (1)로부터 선수각 거동에 관련된 동역학을 단순화하여 표현할 수 있으며, 식 (2)와 같이 구해진다(Fossen, 1994).

(2) (IZNr˙)r˙+(Nr+Nr|r||r|)r=τr

여기서, Iz는 ROV 강체의 선수각 회전에 대한 관성모멘트, Nr은 유체에 의한 추가 관성모멘트, NrNr|r|는 각각 1차 감쇠계수와 2차 감쇠계수, τr은 추진기의 조합을 통해 얻어지는 선수각 제어 입력이다. ROV의 선수각은 기구학적 관계로부터 구해질 수 있는데, 식 (2)로 주어진 선수각속도로부터 식 (3)과 같이 구해진다.

(3) ψ˙=r

식 (2)의 선수각 제어 입력(τr)은 추진기의 조합으로 구해진다. 트렌처에서 수평방향 추진기의 배치를 Fig. 3에 도시하였다. 네 개의 추진기를 통해 얻어지는 추진력은 식 (4)와 같이 표현할 수 있다.

(4) τr=lcos(σ)i=14Ti

여기서, l은 ROV 센터에서 각 수평추진기까지의 거리, σ는 각 수평추진기 방향이 l의 수직 방향과 이루는 각도, Ti 는 각 추진기의 추진력을 나타낸다. 여기서, Ti 는 추진기 프로펠러의 회전에 의해 결정되며, 식 (5)와 같이 표현된다(Fossen, 1994).

(5) Ti=T|n|n|ni|ni+T|n|V|ni|V

여기서, ni(=1,2,3,4)는 추진기의 회전 속도, V는 추진기와 유체의 상대 속도, T|n|nT|n|V 는 각각 추진력 계수이다. 실제로, T|n|nT|n|V 는 추진기마다 다소 차이가 있을 수 있다. 그러나, URI-T에는 모두 동일한 모델의 추진기를 사용했으므로, 추진기의 계수값이 서로 같다고 가정한다. 추진기에 대한 조금 더 정교한 모델은 Kim and Chung(2006)에서 확인할 수 있다. 추진기와 유체의 상대속도 V는 ROV의 선수각 거동에 의해 발생할 수 있으며, Fig. 3으로부터 식 (6)과 같이 표현할 수 있다.

(6) V=rlcos(σ)

식 (2)-(6)를 정리하면, 추진기 회전 속도에 대한 ROV의 선수각 동역학을 식 (7)과 같이 표현할 수 있다.

(7) αr˙+βr+γ|r|r+δri=14|ni|=i=14|ni|ni

여기서 α, β, γ, δ의 계수값은 식 (8)과 같다.

(8) α=IzNr˙T|n|nlcos(σ),β=NrT|n|nlcos(σ),γ=Nr|r|T|n|nlcos(σ),δ=T|n|Vlcos(σ)T|n|n

식 (7)의 제어입력인 각 추진기의 회전 속도는 밸브팩의 제어 입력에 의해서 결정된다. 즉, 밸브의 열림 수준에 따라 추진기로 유입되는 작동유의 유량이 결정되며, 추진기의 회전 속도는 이 유량에 의해 결정된다. 추진기로 유입되는 유량은 식 (9)와 같이 표현된다(Lee and Chang, 2002).

(9) Qi=cA(μi)ΔPi

여기서, Qi는 각 추진기로 유입되는 작동유의 유량, c는 유량계수, A는 밸브의 열림 면적, ∆Pi는 밸브의 양단에 걸리는 작동유의 압력차이이다. 밸브의 열림 면적은 밸브팩 제어입력에 의해 결정된다. 또한, 추진기 회전 동역학이 매우 빠르다고 가정할 경우, 추진기 회전 속도는 입력 유량에 비례하므로 추진기의 회전 속도는 식 (10)과 같이 표현할 수 있다.

(10) ni=κQi=κcΔPiA(μi)

여기서, κ는 비례상수이다. 위 식으로부터, 밸브의 열림면적이 밸브팩 제어입력에 비례한다면, 추진기의 회전 속도는 밸브팩 제어입력에 비례함을 알 수 있다. 결론적으로, ROV의 선수각 거동에 대한 동역학 식은 식 (7)식 (10)으로 나타낼 수 있다.

2.3 URI-T 선수각 동역학의 추정 및 실험적 확인

여기서는 ROV의 선수각 거동 모델에 대해 실험결과를 이용하여 모델 계수를 추정한 결과를 다룬다. 동역학 모델의 추정은 크게 두 가지에 대해 진행하였는데, ROV 동역학 모델 추정과, 추진기 모델 추정이 그것이다.

2.3.1 ROV 선수각 동역학의 추정

먼저, ROV 동역학 모델의 계수 추정 방법은 다음과 같이 진행하였다. ROV 선수각 거동에 대해 임의의 밸브팩 제어입력을 가하였으며, 센서를 통해 각 추진기의 회전속도, 선수각 및 선수각속도를 측정하였다. 그 결과를 이용하여 식 (7)의 동역학식에 대한 계수를 추정하였다. 동역학 추정을 위해 식 (7)을 다시 표현하면 식 (11)과 같다.

(11) [f(r˙)f(r)f(|r|r)f(ri=14|ni|)]A[αβγδ]Φ=[f(i=14|ni|ni)]B

여기서, f(x)는 측정데이터의 전처리를 위한 필터 함수이다. 식 (11)에서 시스템 입력(B)과 출력(A)를 측정하면, 이를 이용하여 모델의 계수값(Φ)를 추정할 수 있다.

실험결과로부터 계수를 추정하는 단계는 크게 (i) 전처리단계와 (ii) 계수 추정단계로 구분할 수 있다. 전처리단계는 식 (11)의 필터 f(x)를 적절히 설계함으로써, 측정데이터에서 노이즈를 제거하는 단계이다. 본 연구에서는 전처리 단계에 State variable filter(SVF)를 적용하였다(Unbehauen and Rao, 1998; Garnier et al., 2003). Garnier et al.(2003)에서는 현재까지 보고된 15가지 전처리 기법에 대한 성능을 비교분석하고 있는데, SVF는 그중에서 가장 효과적인 기법 중 하나이다. SVF는 시스템차수와 동일한 차수를 갖는 저대역통과필터로 f(x)를 설계하는 기법이며, 저대역통과 필터의 차단주파수(Cut-off frequency)를 설정함으로써 설계할 수 있다. 식 (7)은 1차 동역학이므로 SVF는 1차 저대역통과필터로 설계하였으며, 차단주파수는 튜닝을 통해 0.25rad/s로 설정하였다. 계수 추정 단계에는 Instrumental variable method(IVM)을 적용하였다(Rao and Unbehauen, 2006; Soderstrom and Stoica, 2002). 통상적으로 이용되는 최소자승법은 편향된 측정오차에 대해 계수추정오차를 갖는 것으로 알려져 있는데 IVM은 재귀적 방법을 통해 편향오차의 영향을 제거하는 효과적인 방법이다(Soderstrom and Stoica, 2002). IVM은 최소자승법을 이용하여 초기 계수값을 추정하며, 추정된 모델의 시뮬레이션 결과와 실제 측정된 데이터를 활용하여 추정된 계수값이 수렴할 때까지 추정 과정을 반복하게 된다. SVF와 IVM을 이용한 계수 추정과정을 Fig. 4에 도시하였다.

Fig. 4

Parameter estimation procedure using SVF and IVM

ROV 동역학 모델에 대한 계수 추정 결과를 Table 2Fig. 5-8에 나타내었다. Fig. 5는 임의의 밸브입력을 통해 생성된 각 수평추진기의 회전 속도를 도시한 그림이다. 선수각의 양방향 회전에 대해서 다양한 선수각속도 및 주기로 회전되는 실험결과를 얻기 위해 임의로 입력을 생성했다. Fig. 6Fig. 7은 ROV의 선수각 거동이 갖는 선수각 측정값과 회전 속도 측정값을 도시한 그림이다. Fig. 6Fig. 7에는 추정된 ROV 동역학 모델을 이용하여 시뮬레이션을 통해 재구성한 선수각과 선수각속도도 함께 도시하였다. Fig. 8은 재귀적으로 진행되는 계수 추정기법의 반복 회수에 따라서 추정된 계수가 수렴해 가는 결과를 도시한 그림이며, 최종적으로 추정된 계수의 결과를 Table 2에 정리하였다. Fig. 6Fig. 7으로부터, 시뮬레이션 결과가 실제 실험결과와 매우 유사함을 알 수 있는데, 이 결과로부터 추정된 ROV의 동역학 모델이 실제 ROV의 선수각 거동을 잘 모사하고 있음을 알 수 있다.

Parameter estimation results of heading dynamics of URI-T

Fig. 5

Rotating velocity of horizontal thrusters

Fig. 6

Heading angle of ROV: experimental results vs. reconstructed results using estimated model

Fig. 7

Yaw angular velocity of ROV: experimental results vs. reconstructed results using estimated model

Fig. 8

Parameter estimation results of heading dynamic model

2.3.2 추진기 모델의 추정

식 (10)에 나타낸 밸브팩 제어 입력에 대한 추진기 회전 속도의 모델을 추정하였다. 실험을 통해 밸브팩 제어입력을 일정한 단위로 변경시켜 가면서 추진기의 정상상태 회전 속도를 측정하였으며, 이를 바탕으로 추진기의 모델을 추정하였다. 여기서, 밸브팩 제어입력(μi)은 제어보드에 가하는 신호값으로 [-1000 ~ 1000]의 범위에서 임의로 선택할 수 있다. 모델 추정 방법은 먼저 입력불감대 및 입력포화 구간을 파악하였으며, 밸브팩 제어 입력에 대해 추진기 회전 속도가 선형적으로 변화하는 구간에서는 최소자승법을 이용하여 선형모델을 도출하였다.

추진기 모델 추정 결과를 Fig. 9에 도시하였다. Fig. 9의 실험 결과로부터 추진기 모델은 몇가지 비선형적 특성을 가짐을 알 수 있다. 그 특성은 입력불감대와 입력포화를 들 수 있다. 입력불감대의 경우 Fig. 9의 Valve input (x축) [-70 ~ 70] 구간에서 추진기 회전 속도가 0이 됨을 확인할 수 있다. 또한, 입력불감대를 지나면 급격히 출력이 증가하여, 선형 변화 구간에 접근함을 알 수 있다. 이는 압력 범위가 9~280bar(0.9~28MPa)인 추진기 밸브팩의 특성에 기인한 것인데, 즉, 입력이 입력불감대를 지날 경우, 밸브를 통해 전달되는 압력이 0에서 9bar(0.9MPa)로 점프함을 의미한다. 이러한 입력불감대의 특성은 밸브의 설계에 따라 달라지는 밸브 고유의 특성이다. Fig. 9에서 확인할 수 있듯이, 입력불감대와 입력포화 사이 구간을 선형함수로 근사하였으며, 이 결과가 밸브의 선형 구간을 비교적 잘 표현함을 알 수 있다. 이 결과를 식 (10)의 모델과 결부하여 생각하면, 밸브의 열림 면적 수준이 밸브팩 제어 입력에 비례하여 변화함을 의미한다. 또한, Fig. 9에서 입력포화 현상도 확인할 수 있으며, 이는 추진기의 최대 출력 속도 제한에 의한 것이다. 추진기의 이러한 특성은 제어시스템의 응답특성을 나쁘게 하고 심할 경우 불안정성을 유발할 수 있는 원인이 된다. 따라서, 제어기 설계시 주의를 필요로 한다. Fig. 9에 점선으로 도시된 추정모델을 수식화함으로써 식 (10) 의 추진기 모델을 개선하였다. 개선된 모델은 추진기의 입력불감대, 입력포화, 그리고 선형 구간을 묘사할 수 있도록 했으며, 식 (12)와 같이 표현된다.

Fig. 9

Rotating velocity according to valve-pack input: experiment vs. estimated model

(12) ni=sat(ksgn(μi)max(abs(μi)μdz,0),nmax)

여기서, sat(), max(), sgn() 함수의 정의는 식 (13)과 같다.

(13) sat(x,xmax)={xmax,x>xmaxx,xmaxxxmaxxmax,x<xmax,max(x,y)={x,xyy,x<y,sgn(x)={1,x>00,x=01x<0

추정된 추진기 모델의 계수값을 Table 3에 정리하였다. 또한, Fig. 8에 추정된 추진기 모델의 응답곡선을 함께 도시하였는데, 이로부터 모델이 실험 결과를 잘 반영함을 확인할 수 있다.

Parameter estimation results of thruster model

3. 선수각 제어기의 설계 및 실험적 성능 검증

본 장에서는 앞 장에서 도출된 ROV 선수각 거동의 분석 및 동역학 추정 결과를 활용하여, 선수각 제어를 위한 알고리즘을 제안한다. 또한, 수조실험 및 실해역 시험을 통해 선수각 제어성능을 검증한 내용을 다룬다.

3.1 선수각 제어 알고리즘 설계

Fig. 2에서 도시한 바와 같이, 선수각 제어기는 센서로부터 측정된 현재의 선수각(ψ) 및 선수각속도(r)를 이용하여, ROV의 선수각이 주어진 기준값(ψd)에 안정적으로 수렴하게 하는 밸브팩 제어입력(μi)를 산출하는 것이다. 적절한 제어기를 설계하기 위해서는 2장에서 분석된 ROV의 선수각 동역학 모델 및 추진기 모델의 특성을 고려할 필요가 있는데, 요약하면 다음과 같다.

(1) 밸브팩 제어 입력에 입력불감대 및 입력포화와 같은 제한이 존재한다. 또한, 밸브팩 제어 입력과 추진기 회전 속도가 선형 관계에 있는 경우, ROV 선수각 구동 토크는 밸브팩 제어 입력(μi)의 제곱에 비례한다. 좀 더 상세히 설명하면, 식 (12)에서 추진기 회전 속도는 밸브팩 제어입력에 비례하며, 식 (7)에서 ROV 선수각 구동토크는 추진기 회전 속도의 제곱에 비례함을 알 수 있다.

(2) ROV 선수각 동역학은 식 (7)에서 알 수 있듯이 비선형 동역학을 가진다. 그러나, 시간 지연과 같은 비최소위상 특성은 포함하지 않으며, 선수각속도에 대해 직접적인 제어 입력을 가할 수 있으므로 매칭조건도 만족한다.

이러한 특성으로 볼 때, 제어기 설계 시 제어입력의 특성에 대한 적절한 처리가 필요함을 알 수 있다. 그리고, 제어 입력에 대한 특성만 잘 처리하면 일반적인 제어기로도 충분히 선수각 제어를 수행할 수 있음을 예측할 수 있다. ROV의 선수각 제어기는 기본적으로 PD(Proportional-derivative) 제어기에 기반하여 설계하였다. 구체적으로 기술하면 식 (14)-(15)와 같이 표현할 수 있다.

(14) ζi=Kdr+Kp(ψdψ),
(15) μi=sgn(ζi)sat(abs(ζi+sgn(ζi)μdz2),μmax2)

식 (14)는 선수각에 대한 PD 제어기를 나타내며, Kd, Kp 는 제어 이득이다. 그리고, 식 (15)는 ROV 및 추진기가 갖는 입력 제한에 대한 처리를 진행하는 부분으로, 입력불감대, 입력포화 및 입력 비선형성을 보상하도록 설계했다. 식 (15)에서 알 수 있듯이, PD제어에 의해 설계된 제어입력이 0이 아닐 경우, 입력불감대 크기에 해당하는만큼 추가 입력을 더해줌으로써 입력불감대를 보상하였다. 또한, 식 (14) 포함된 포화함수를 통해, PD 제어 입력은 유효한 제어 입력 범위로 제한하였다. 마지막으로, 제곱근을 취함으로써, ROV 선수각 구동 토크가 PD 제어입력(ζi)과 선형적인 관계를 갖도록 했다.

3.2 수조 실험을 통한 성능 검증

설계된 제어기의 성능을 검증하기 위해 수조에서 실험을 진행했다. 기준궤적은 145°를 기준으로 좌우 90°를 회전하도록 스텝함수로 설정하였다. 먼저, 식 (14)의 제어게인 Kd, Kp 를 튜닝을 통해 선정하였다. 제어게인은 낮은 값에서 시작해서 천천히 높혀 가는 방법으로 튜닝하였다. 제어게인이 높아질수록 로봇의 응답속도는 빨라지게 되는데, 오퍼레이터가 보았을 때 로봇에 무리가 가거나 로봇운용 상 어려움이 발생하지 않는 범위 내에서 빠른 응답을 갖도록 게인을 튜닝하였다. 튜닝이 완료된 제어 게인을 적용하여 선수각 제어 시험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 10-12에 도시하였다. Fig. 10에 기준궤적 및 선수각 제어 응답을 도시하였으며, 실제 URI-T의 선수각 응답이 기준궤적에 점근적으로 수렴함을 확인할 수 있다. Fig. 11에 궤적 추종 오차를 도시하였으며, 과도응답 구간을 제외하면 선수각 오차가 1°이내로 유지함을 확인할 수 있다. Fig. 12는 제어입력을 도시한 그림이며, 선수각 제어를 위한 추진기 제어 입력(수평추진기)이 PD 제어기를 기반으로 적절히 동작하고 있음을 확인할 수 있다. Fig. 12에서, 제어입력이 [-70 ~ 70] 구간을 지속적으로 움직이는 것을 확인할 수 있다. 이것은, 식 (15)에서 표시한 바와 같이, 추진기 밸브팩의 입력불감대를 보상하는 점프 입력이 작용하기 때문이다. 수조 실험 결과를 통해, URI-T가 제안한 선수각 제어 알고리즘을 이용해 적절한 제어 성능을 확보할 수 있음을 검증하였다.

Fig. 10

Experimental results of heading control in water tank: desired trajectory and response

Fig. 11

Experimental results of heading control in water tank: tracking error

Fig. 12

Experimental results of heading control in water tank: control input (valve pack input signal)

4. 실해역 성능 검증 실험

4.1 실험 환경 및 시나리오

URI-T의 운용 성능을 검증하기 위해 포항시 인근의 동해의 수심 500m 지점에서 실험을 진행했다. 해당 해역에서 해저에 테스트 케이블을 설치하였으며, 케이블 매설 및 매설결과 서베이 시험을 수행하였다. 실험 시나리오에 대한 개념도를 Fig. 13에 도시하였으며, 작업 순서를 요약하면 다음과 같다.

Fig. 13

Conceptual diagram of underwater cable burial task

(1) ROV 진수 : 진회수 장비1 및 엄빌리컬 윈치2를 이용하여, ROV를 해저면에 내림. ROV가 입수 후 해저면에 이르기까지 엄빌리컬 케이블 장력 유지 및 ROV 자세 유지를 위해 수직추진기를 이용하여 다운포스를 생성함. 엄빌리컬 케이블 꼬임 방지를 위해 ROV는 일정한 선수각을 지속적으로 유지해야 함.

(2) ROV를 해저 케이블 위로 이동 및 배치 : 사전에 알고 있는 해저 케이블 설치 위치 정보 및 로봇에 장착된 케이블 감지센서 등을 이용하여 ROV를 해저케이블로 이동 및 배치함.

(3) 해저 케이블 매설 또는 매설 결과 서베이 수행 : 해저 케이블을 매설할 경우, ROV에 장착된 매설 장비를 이용하여 케이블 매설 작업을 진행함. 기 매설한 결과를 확인할 경우, ROV에 장착된 카메라 및 케이블 감지 센서를 이용하여 매설된 케이블 상태를 확인함. 작업을 수행하면서, ROV는 해저 케이블 경로를 따라 이동함. 이때, 선수각 제어를 통해 ROV 선수각을 적절히 조정함으로써, ROV가 경로를 정교하게 추종할 수 있도록 해야 함.

(4) ROV 회수 : ROV 진수의 반대 과정으로 진행되며, ROV는 일정한 선수각을 지속적으로 유지해야 함.

작업 시나리오에서 언급한바와 같이, 해저 케이블 매설 작업을 진행하기 위해서는 정확한 선수각 제어가 필수적이다. ROV의 진수 및 회수 과정에서 선수각을 유지하지 못하면 엄빌리컬 케이블이 꼬이면서 케이블 손상을 야기하게 된다. 해저 케이블 매설 경험이 풍부한 현장 전문가의 의견에 따르면, 매설 작업 중 엄블리컬 케이블이 반바퀴 이상 꼬이는 것을 지양한다고 한다. 케이블 매설 작업 또는 매설 결과 서베이 작업 중에도 ROV가 해저 케이블 경로를 정교하게 추종하기 위해서 선수각 제어는 필수적이다. 선수각 제어의 성능이 떨어질 경우, ROV가 포설된 케이블을 제대로 따라가지 못해 작업의 효율성이 저하된다.

4.2 실해역 실험을 통한 선수각 제어 성능 검증

실해역 시험 수행시, 선수각 제어는 작업 전반에 걸쳐 적용되었다. 본 연구에서는 ROV의 진수과정 및 해저 케이블 매설 결과 서베이 과정에서의 선수각 제어 결과를 요약 정리하였다.

4.2.1 ROV 진수 시 선수각 제어 결과

실해역 시험 중 URI-T를 진수하는 모습을 Fig. 14에 도시하였다. URI-T 진수 시에 선박은 선수각을 조류 방향으로 향하게 하고 플랫폼은 그 반대 방향을 향하게 하는데, 이는 URI-T가 적절한 위치 유지에 실패할 경우에 URI-T가 선박의 아래로 들어가는 것을 방지하기 위함이다. 그리고 조류의 영향으로 URI-T의 위치 및 선수각이 변화하는데, 이를 바로 잡기 위해 선수각 제어를 수행하며, 또한 수평 방향의 추진력을 인가하여 위치를 유지하게 된다. 또한, 수직 추진기를 이용하여 다운포스를 인가함으로써 엄빌리컬 케이블에 일정 장력을 유지하도록 한다. URI-T의 진수 시(수면에서 해저면에 안착할 때까지), 선수각을 75°로 일정하게 유지하도록 제어를 진행하였으며, 그 결과를 Fig. 15-17에 도시하였다. Fig. 15에 기준 궤적 및 제어 답을 도시하였으며, 제어 오차가 4.4° 이내로 안정적으로 선수각을 유지함을 알 수 있다. Fig. 15에서 0~150초 구간에서 제어오차가 상대적으로 큰 것을 알 수 있는데, 이는 URI-T가 수면 근처에 위치하는 상황으로, 조류가 강하게 작용하기 때문이다. 150초 이후 선수각 제어 오차가 2° 이내로 낮아지는데, 이는 진수가 진행되어 수심이 깊어지면 조류가 상대적으로 약해지기 때문이다. 제어 오차가 수조 실험의 결과에 비해 비교적 크게 나타나는데, 이는 조류, ROV 하강에 따른 유체동역학, 엄빌리컬 케이블의 장력 변화 등 외란이 크기 때문이다. Fig. 16에 제어 오차를 도시하였으며, 해당 구간에서 최대 제어오차는 4.4°, 제어오차 절대값의 평균값은 0.82°이다. Fig. 17에는 선수각 제어를 위한 제어입력 값을 도시하였으며, 제어오차에 따라 제어입력이 적절히 생성됨을 확인할 수 있다.

Fig. 14

Launching of URI-T

Fig. 15

Heading control results during launching process: desired trajectory and response

Fig. 16

Heading control results during launching process: tracking error

Fig. 17

Heading control results during launching process: control input (valve pack input signal)

4.2.2 해저 케이블 매설 결과 서베이 시 선수각 제어 결과

해저 케이블의 매설 결과를 서베이 할 경우, ROV는 해저 케이블 경로를 따라 이동하면서 카메라 영상 및 케이블 감지 센서를 이용하여 매설 상태를 검증하게 된다. 해저 케이블의 경로는 정확한 직선이 아닐 수 있으므로 경우에 따라 ROV의 선수각을 조정해 줄 필요가 있다. Fig. 18은 3m 깊이로 매설 실험을 수행한 결과에 대해 서베이를 진행하는 모습을 도시한 그림이다. Fig 18에서 해저면에 큰 구덩이가 있는 것을 확인할 수 이다. 이 구덩이는 해저케이블 매설 작업 시 파여진 결과로서, 매설 작업이 균등한 폭과 깊이로 수행되었음을 확인할 수 있다. 해저 케이블 매설 결과 서베이 작업에서의 선수각 제어 결과를 Fig. 19-21에 도시하였다. Fig. 19는 선수각 제어의 기준 값과 제어 응답을 도시한 그림이며, 케이블 경로에 따라 변화하는 기준값에 대해 제어 응답이 안정적으로 수렴하고 있음을 확인할 수 있다. Fig. 20에 제어오차를 도시하였으며, 과도 응답 구간을 제외하면 최대 오차 4.87°, 제어오차 절대값의 평균값이 0.58° 수준으로 나타났다. Fig. 21에 제어 입력을 도시하였으며, 제어 오차에 따라 적절히 제어 입력이 생성됨을 확인할 수 있다.

Fig. 18

Survey of cable burial status using URI-T

Fig. 19

Heading control results during survey task: desired trajectory and response

Fig. 20

Heading control results during survey task: tracking error

Fig. 21

Heading control results during survey task: control input (valve pack input signal)

5. 결 론

본 연구에서는 중작업용 수중 로봇인 URI-T의 선수각 제어기에 대해 다루었다. 먼저, URI-T의 선수각 거동에 대한 동역학 특성을 파악하기 위해 모델을 수식적으로 정리하였으며, 계수 추정을 통해 모델이 적절히 수립되었음을 검증하였다. 이를 통해, 선수각 제어기의 설계 시 제어입력에 대해 적절한 제한 및 처리가 필요함을 파악하였다. 그 결과를 바탕으로, URI-T의 선수각 제어를 위한 제어기를 제안하였다. PD 기반의 제어 알고리즘을 적용하였으며, 동역학모델 분석의 결과를 반영하였다. 성능 검증을 위해 수조 실험을 수행하였으며, 그 결과 제어기가 적절히 설계되었음을 확인하였다. 마지막으로, 동해상에서 수심 500m급의 실해역시험에서 제안한 선수각 제어알고리즘을 적용하여 현장 적용 성능을 확인하였다. 실해역 실험의 결과를 통해 선수각 제어가 원활히 이루어짐을 확인하였으며, URI-T가 케이블 매설과 관련된 일련의 작업을 수행함에 있어서 충분히 활용적임을 검증하였다.

Notes

1)

통상 A-frame이라고 불리며, 대형 ROV를 진수 및 회수하기 위해 선박에 설치되는 장비이다.

2)

엄빌리컬 케이블은 ROV에 전원 공급 및 통신을 위해 선상운영시스템과 연결되는 케이블을 말한다. 엄빌리컬 윈치는 엄빌리컬 케이블을 감고 푸는 기능을 수행하는 장비이다. URI-T와 같은 대형 ROV는 통상적으로 엄빌리컬 케이블의 길이를 조절하여 진수 및 회수를 진행한다.

Acknowledgements

이 논문은 2013년 해양수산부 재원으로 해양수산과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구임(해양개발용 수중건설로봇사업단, PJT200539)

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Article information Continued

Fig. 1

URI-T, an underwater cable burying ROV

Fig. 2

Block diagram of ROV system for horizontal motion

Fig. 3

Location of thrusters in ROV

Fig. 4

Parameter estimation procedure using SVF and IVM

Fig. 5

Rotating velocity of horizontal thrusters

Fig. 6

Heading angle of ROV: experimental results vs. reconstructed results using estimated model

Fig. 7

Yaw angular velocity of ROV: experimental results vs. reconstructed results using estimated model

Fig. 8

Parameter estimation results of heading dynamic model

Fig. 9

Rotating velocity according to valve-pack input: experiment vs. estimated model

Fig. 10

Experimental results of heading control in water tank: desired trajectory and response

Fig. 11

Experimental results of heading control in water tank: tracking error

Fig. 12

Experimental results of heading control in water tank: control input (valve pack input signal)

Fig. 13

Conceptual diagram of underwater cable burial task

Fig. 14

Launching of URI-T

Fig. 15

Heading control results during launching process: desired trajectory and response

Fig. 16

Heading control results during launching process: tracking error

Fig. 17

Heading control results during launching process: control input (valve pack input signal)

Fig. 18

Survey of cable burial status using URI-T

Fig. 19

Heading control results during survey task: desired trajectory and response

Fig. 20

Heading control results during survey task: tracking error

Fig. 21

Heading control results during survey task: control input (valve pack input signal)

Table 1

Brief specification of URI-T

Contents Specification
Size 6.5 × 5.0 × 4.5 m
Weight 21,280 kg(air) / 540 kg(water)
Max. water depth 2,500 m
Max. burying depth 3.0 m
Max. burying speed 2.0 km/hr
Max. forward speed 3.0 knot (5.56 km/hr)

Table 2

Parameter estimation results of heading dynamics of URI-T

Parameter Estimated value
α 181,708.08
β 8,934.97
γ 144,592.43
δ −34.98

Table 3

Parameter estimation results of thruster model

Classification Parameter Estimated value
Dead zone μdz 70.0
Linear zone k [deg/s] 18.33
Saturated Zone μmax 376.1
nmax [deg/s] 5609.8