KR101249508B1 - 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법 및 자율 무인 잠수정의 위치 측정 장치 - Google Patents

자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법 및 자율 무인 잠수정의 위치 측정 장치 Download PDF

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Abstract

자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법 및 자율 무인 잠수정의 위치 측정 장치에 관한 것으로, 모선에서 진수되고, 잠항된 후 해저에서 이동되는 자율 무인 잠수정을 궤도 운동시키고, 운동된 궤도를 추정, 자율 무인 잠수정의 정확한 현재 위치를 계산함으로써 자율 무인 잠수정의 해저면 위치를 보정하는 것으로, 자율 무인 잠수정의 초기 위치 보정 및 해저면을 탐사하면서 즉시 현장에서 자율 무인 잠수정의 위치 측정을 보정할 수 있어 시간 증가에 따라 필연적인 선형 위치오차 누적을 방지하고 자율 무인 잠수정의 위치를 더 정확하게 측정 가능하게 한다.

Description

자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법 및 자율 무인 잠수정의 위치 측정 장치{Position Correction Method of the Autonomous Underwater Vehicle at Sea floor and Location Determination Apparatus for Autonomous Underwater Vehicle}
본 발명은 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법 및 자율 무인 잠수정의 위치 측정 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 해양 내에서 이동하는 무인 잠수정의 위치 오차를 보정하여 무인 잠수정의 해저 이동 시 위치를 더 정확하게 측정할 수 있도록 한 발명이다.
일반적으로, 해저를 탐사하는 자율 무인 잠수정(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)은 항법시스템이 필수적인데, 관성센서 기반의 관성항법장치를 기본으로 사용한다.
관성항법장치는 항법정보 측정을 위해 기본적으로 사용되며, 탑재된 관성센서의 오차로 인해 시간이 경과하면, 오차가 기하급수적으로 늘어나는 단점이 있다. 그렇기 때문에, 자율 무인 잠수정에서는 도플러 속도측정기(Doppler Velocity Log, DVL) 신호를 사용하여 관성항법의 오차를 보정하는 IMU-DVL 복합항법 방법이 널리 사용되고 있다. (IMU ; Inertial Measurement Unit)
자율 무인 잠수정이 모선으로부터 진수되면 초기에 GPS를 이용하여 위치를 세팅할 수 있으나, 잠항 과정에서는 GPS를 이용하여 위치를 보정할 수 없기 때문에 자율 무인 잠수정에 내장된 관성센서 및 보조 항법센서를 사용하여야 한다.
그러나, 자율 무인 잠수정이 잠항하여 해저면 근처에 도달하기 전에는 DVL 신호를 획득할 수 없기 때문에 IMU-DVL 복합항법이 정상적으로 동작하지 않게 되어 해저면 도달 시에는 관성항법에서 누적된 항법 위치 오차가 발생하게 된다.
자율 무인 잠수정 잠항 중 위치오차를 보정하기 위해, 일반적으로 USBL(Ultra-short Baseline)과 같은 초음파 측위시스템(Acoustic Positioning System)을 사용할 수 있다. USBL 측위법은 모함에 부착된 음향 Transceiver를 통해 수중 운동체(무인잠수정)에 음향신호를 송신하여 수중운동체로부터 응답신호가 돌아오면 그 시간지연과 신호가 오는 각도를 이용하여 수중운동체의 위치를 계산하는 방법이다. 그러나, USBL 측위법에는 아래와 같은 다양한 오차요소들이 존재한다.
상기 USBL 측위법의 오차요소는 경사거리 비례오차 (모함과 무인잠수정 사이 거리에 비례, 0.3~1% 오차), 초음파 음향신호 송수신 시간지연, USBL 계산 및 ATM 계산 시간지연, . USBL 측정이 끊어지는 오차 (Outlier, Black-out), 외란 오차 (파도/조류에 의한 모함의 요동)등이 있다.
이처럼 USBL과 같은 초음파 측위시스템은 해양환경에 따라 순간적인 이상 신호(Outlier)가 발생하거나 오랜기간 신호자체가 나오지 않는 현상(Black-out)이 심하고 수중 초음파 전달 중 자율 무인 잠수정 이동에 따른 위치오차 및 초음파 전달시간 측정오차가 커서 자율 무인 잠수정의 위치오차를 정밀하게 보정하기 어려운 문제점이 있는 것이다.
본 발명의 목적은 해저에 도달한 자율 무인 잠수정의 초기 위치 뿐만 아니라, 해저면 이동 중인 자율 무인 잠수정의 위치 오차를 정밀하게 보정할 수 있는 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법 및 자율 무인 잠수정의 위치 측정 장치를 제공하는 데 있다.
이러한 본 발명의 과제는 초음파로 대상체를 측위하는 초음파 측위법에서 대상체의 위치를 보정하기 위한 방법이며,
해저에서 자율 무인 잠수정이 궤적을 이루고 운동하는 궤적 운동 단계;
상기 궤적 운동 단계의 궤적을 추정하는 궤적 추정 단계;
상기 자율 무인 잠수정의 위치를 계산하는 위치 계산 단계를 포함한 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법을 제공함으로써 해결된다.
본 발명에 따른 상기 궤적 운동 단계는 자율 무인 잠수정이 해저면에 도달하여 도플러 속도 측정기의 신호를 사용할 수 있게 된 후 기준 지점을 중심으로 반복적인 원형 궤적을 그리면서 운동한다.
본 발명에 따른 상기 궤적 운동 단계는 평면상에서 원형 궤적을 반복적으로 이루어진다.
본 발명에 따른 상기 궤적 운동 단계는 기준 지점을 중심으로 시작점에서 운동을 시작하여 다시 시작점으로 되돌아오는 원형 폐곡선 형태를 그리면서 운동한다.
본 발명에 따른 상기 궤적 추정 단계는 궤적의 회전 반경과 회전 중심을 추정한다.
본 발명에 따른 상기 궤적 추정 단계는 자율 무인 잠수정이 주어진 궤적으로 운동하면서 측정된 초음파 위치 데이터를 모아서 신호 처리를 통해 궤적의 회전 반경과 회전 중심을 추정한다.
본 발명에 따른 상기 궤적 추정 단계는 궤적의 회전 중심 및 회전 반경을 변수로 가지는 원형 방정식과, 초음파 측위 시 측정값 사이의 오차가 최소화되도록 변수를 추정하는 기법을 포함한다.
본 발명에 따른 상기 위치 계산 단계는 상기 궤적 추정 단계에서 추정된 궤적의 회전 중심 및 회전 반경과 자율 무인 잠수정에 장착된 관성 측정 기기로부터 계산된 방위각 정보를 결합하여 계산한다.
상기 위치 계산 단계는,
수학식
Figure 112011067698002-pat00001
을 이용하여 자율 무인 잠수정의 위치를 계산한다.
(여기에서, X는 자율 무인 잠수정의 X좌표 값, Y는 자율 무인 잠수정의 Y좌표 값, Cx는 궤적 운동의 회전 중심의 X좌표 값, Cy는 궤적 운동의 회전 중심의 Y좌표 값, R은 궤적 운동의 회전 반경, φ는 자율 무인 잠수정의 방위각이다.)
본 발명에 따른 상기 자율 무인 잠수정의 회전 운동 반경은, 자율 무인 잠수정의 내부에서 회전 운동을 위해 설정된 값 또는 모선의 초음파 측정 기기에서 측정되고 계산되어 전송된 데이터 중 한 값이다.
본 발명의 과제는 모선에 장착되는 초음파 측위 기기;
자율 무인 잠수정의 내부에 장착되며 상기 초음파 측위 기기의 데이터를 받아 자율 무인 잠수정을 이동시키기 위한 항법 센서와, 항법 알고리즘이 내장된 컴퓨터를 포함한 자율 무인 잠수정의 위치 측정 장치를 제공함으로써 해결된다.
본 발명에 따른 상기 초음파 측위 기기는 모선에 장착되는 USBL(Ultrashort Baseline); 상기 모선에 장착되며, 상기 USBL를 통해 측정된 데이터 값을 자율 무인 잠수정에 전송하는 제 1 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem); 및 상기 자율 무인 잠수정에 장착되며 제 1 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)를 통해 전송되는 데이터를 받기 위한 제 2 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)을 포함한다.
본 발명에 따른 상기 초음파 측위 기기는 모선에 장착되는 SBL(Short Baseline);
상기 모선에 장착되며, 상기 SBL를 통해 측정된 데이터 값을 자율 무인 잠수정에 전송하는 제 1 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem); 및
상기 자율 무인 잠수정에 장착되며 제 1 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)를 통해 전송되는 데이터를 받기 위한 제 2 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)을 포함한다.
본 발명에 따른 상기 항법 센서는 관성 측정 기기(IMU; Inertial Measurement Unit); 및 도플러 속도 측정기(DVL;Doppler Velocity Log)를 포함한다.
본 발명에 따른 상기 항법 센서는 자력계(Magnetometer)를 더 포함한다.
본 발명의 과제는 a)자율 무인 잠수정이 해저에서 위치 보정 위치에 위치되면 자율 무인 잠수정에 장착된 관성 측정 기기(IMU; Inertial Measurement Unit), 도플러 속도 측정기(DVL;Doppler Velocity Log)를 이용하여 자율 무인 잠수정을 수평 원형 궤적 운동시키고, 모선에 보정 모드 운동 중임을 알리는 단계;
b)모선에서는 모선에 장착된 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)을 이용하여 신호 수신 확인 신호를 보내고, 모선에 장착된 USBL을 이용하여 자율 무인 잠수정의 위치를 측정하는 단계;
c)자율 무인 잠수정의 원형 궤적을 취득하여 얻어진 위치 데이터를 이용하여 최소 제곱법으로 원형 궤적을 커브 피팅하여 원형 운동 궤적의 중심과 반경을 계산하는 단계;
d)모선 및 자율 무인 잠수정에 장착된 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)을 이용하여 자율 무인 잠수정에 원형 궤적의 중심과 회전 반경을 알리는 단계;
e)모선으로부터 초기 위치를 수신한 자율 무인 잠수정의 원형운동을 종료하고, 자율 무인 잠수정에서 초기위치 수신 확인 신호를 수상 모선에 알리는 단계;
f)자율 무인 잠수정에 수신된 원형 궤적 중심값과 회전 반경을 이용하여 위치 보정을 실시하는 단계;를 포함한 잠수정의 해저면 위치 보정 방법을 제공함으로써 해결된다.
본 발명은 자율 무인 잠수정이 진수하고, 잠항하여 해저면에 도달하여 초기 위치 오차를 보정하여 자율 무인 잠수정 해저 탐색 시 위치정확도를 높이는 데 효과가 있다.
본 발명은 해저면을 탐사하면서 필요 시에 간헐적으로 위치보정을 실시함으로써 관성항법시스템에 필연적인 누적위치오차를 최소화하는 효과가 있고, 노이즈에 둔감하여 자율 무인 잠수정의 위치를 더 정확하게 측정 가능한 효과가 있다.
본 발명은 탐사 중간에 절대위치를 보정하기 위하여 수면으로 부상하지 않고 해저면을 탐사하면서 즉시 현장에서 위치 측정을 보정할 수 있어 시간 증가에 따라 필연적인 선형 위치오차 누적을 방지하고 자율 무인 잠수정의 위치를 더 정확하게 측정 가능하게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 자율 무인 잠수정의 잠항 및 탐색 과정을 도시한 개개략도
도 2는 본 발명에 따른 자율 무인 잠수정의 위치 측정 장치의 구성을 도시한 개략도
도 3은 본 발명의 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법에서 위치 계산 방법을 도시한 개략도
도 4는 본 발명의 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법을 이용하여 자율 무인 잠수정의 초기 위치 오차를 보정하는 것을 나타낸 개략도
도 5는 본 발명에서 자율 무인 잠수정과 모함과의 데이터 통신 과정을 도시한 개략도
도 6은 본 발명의 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법을 이용하여 자율 무인 잠수정의 초기 위치 보정 및 탐사중 위치 현장 보정을 도시한 개략도
도 7은 본 발명의 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법의 보정 효과를 나타낸 그래프
도 8은 본 발명의 일 실시 예에서 자율 무인 잠수정의 위치를 USBL로부터 측정한 위치 x, y 시계열을 모사한 그래프
도 9는 본 발명의 일 실시 예에서 USBL 계측 신호 생성을 위하여 추가된 노이즈를 크기와 위상으로 표시한 시계열을 나타낸 그래프
도 10은 본 발명의 일 실시 예에서 커브 피팅 결과를 x-y 평면 궤적으로 나나타낸 그래프
도 11은 본 발명의 일 실시 예에서 커브 피팅 결과 회전 중심과 반경에 대한 추정 오차를 도시한 그래프
도 12는 본 발명의 일 실시 예에서 원운동 중심 오차의 평균값을 정리한 그래프
도 13은 본 발명의 일 실시예에서 회전 중심 및 반경의 추정 오차를 도시한 그래프
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 자율 무인 잠수정(2)의 해저면 위치 보정 방법 및 자율 무인 잠수정(2)의 위치 측정 장치는 모선(1)에서 진수하여 잠항한 후 해저면에 도달하는 자율 무인 잠수정(2)의 초기 위치 보정 및 상기 자율 무인 함수정이 해저를 이동하면서 탐사할 때 위치를 보정할 수 있게 한 것이다.
본 발명에 따른 자율 무인 잠수정(2)의 해저면 위치 보정 방법 및 자율 무인 잠수정(2)의 위치 측정 장치는 초음파로 대상체를 측위하는 초음파 측위법에서 대상체의 위치를 보정하기 위한 방법 및 장치이다.
도 2을 참고하면, 본 발명에 따른 자율 무인 잠수정(2)의 위치 측정 장치는 모선(1)에 장착되는 초음파 측위 기기;
자율 무인 잠수정(2)의 내부에 장착되며 상기 초음파 측위 기기의 데이터를 받아 자율 무인 잠수정(2)을 이동시키기 위한 항법 센서(20)와, 항법 알고리즘이 내장된 컴퓨터(30)를 포함한다.
상기 초음파 측위 기기는 모선(1)에 장착되는 USBL(Ultrashort Baseline)(11) 및 상기 모선(1)에 장착되며, 상기 USBL(11)를 통해 측정된 데이터 값을 자율 무인 잠수정(2)에 전송하는 제 1 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)(12), 상기 자율 무인 잠수정(2)에 장착되며 제 1 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)(12)를 통해 전송되는 데이터를 받기 위한 제 2 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)(13)을 포함한다.
상기 초음파 측위 기기는 모선(1)에 장착되는 SBL(Ultrashort Baseline) 및 상기 모선(1)에 장착되며, 상기 USBL(11)를 통해 측정된 데이터 값을 자율 무인 잠수정(2)에 전송하는 제 1 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)(12), 상기 자율 무인 잠수정(2)에 장착되며 제 1 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)(12)를 통해 전송되는 데이터를 받기 위한 제 2 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)(13)을 포함한다.
또한, 상기 항법 센서(20)는 관성 측정 기기(IMU; Inertial Measurement Unit)(21), 도플러 속도 측정기(DVL;Doppler Velocity Log)(22)를 포함한다.
또한, 상기 항법 센서(20)는 자력계(Magnetometer)(33)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 자율 무인 잠수정(2)의 해저면 위치 보정 방법은 상기한 자율 무인 잠수정(2)의 위치 측정 장치를 이용하여 초음파 측위법에서 대상체의 위치를 보정하기 위한 방법으로, 해저에서 자율 무인 잠수정(2)이 궤적을 이루고 운동하는 궤적 운동 단계를 포함한다.
상기 궤적 운동 단계는 자율 무인 잠수정(2)이 해저면에 도달하여 도플러 속도 측정기(22)의 신호를 사용할 수 있게 된 후 기준 지점을 중심으로 반복적인 원형 궤적을 그리면서 운동하는 것이다.
또한, 상기 궤적 운동 단계는 평면상에서 원형 궤적을 반복적으로 이루어지는 것이다.
또한, 상기 궤적 운동 단계는 기준 지점을 중심으로 시작점에서 운동을 시작하여 다시 시작점으로 되돌아오는 원형 폐곡선 형태를 그리면서 운동하는 것이다.
또한, 상기 궤적 운동 단계는 최소한 1회 이상 원형 궤적을 그리도록 상기 자율 무인 잠수정(2)이 운동되는 것이다.
또한, 상기 궤적 운동 단계는 5m이상의 회전 반경을 가지고 회전되는 것이 바람직하다.
상기 궤적 운동 단계 후에는 궤적을 추정하는 궤적 추정 단계가 이루어진다.
상기 궤적 추정 단계는 궤적의 회전 반경과 회전 중심을 추정하는 것으로, 자율 무인 잠수정(2)이 주어진 궤적으로 운동하면서 측정된 초음파 위치 데이터를 모아서 신호 처리를 통해 궤적의 회전 반경과 회전 중심을 추정한다.
또한, 상기 궤적 추정 단계는 궤적의 회전 중심 및 회전 반경을 변수로 가지는 원형 방정식과, 초음파 측위 시 측정값 사이의 오차가 최소화되도록 변수를 추정하는 기법을 포함한다.
상기 궤적 추정 단계에서 추정된 회전 중심과 회전 반경은 위치 계산 단계에서 상기 자율 무인 잠수정(2)의 위치를 계산하는 데 이용된다.
상기 위치 계산 단계는 상기 궤적 추정 단계에서 추정된 궤적 데이터를 통해 상기 자율 무인 잠수정(2)의 위치를 계산한다.
상기 위치 계산 단계는 상기 궤적 추정 단계에서 추정된 궤적의 회전 중심 및 회전 반경과 자율 무인 잠수정(2)에 장착된 관성 측정 기기(21)로부터 계산된 방위각 정보를 결합하여 계산한다.
본 발명에 따른 자율 무인 잠수정(2)의 해저면 위치 보정 방법은 자율 무인 잠수정(2)을 해전에서 일정한 반경에서 원형의 궤적을 그리도록 원운동(궤적 운동)시키고, 모선(1)의 USBL(11)에서 자율 무인 잠수정(2)의 위치를 모니터링하며, 얻어진 데이터를 원으로 커브 피팅(궤적 추정)하고, 이를 자율 무인 잠수정(2)에 전달하여 자율 무인 잠수정(2)의 위치를 결정(위치 계산)하는 방법이다.
커브 피팅은 최소 자승 서클 피팅(Sircle fitting) 등 다양한 방법의 사용이 가능하다. 커브 피팅법으로 얻어진 결과는 자율 무인 잠수정(2)의 회전 중심과 반경이며, 자율 무인 잠수정(2)의 방위각 신호를 이용하여 자율 무인 잠수정(2)의 절대위치를 계산하는 과정으로 진행된다.
도 3을 참고하면, 상기 위치 계산 단계는 하기 수학식 1을 이용하여 자율 무인 잠수정(2)의 위치를 계산한다.
[수학식 1]
Figure 112011067698002-pat00002
X : 자율 무인 잠수정의 X좌표 값
Y : 자율 무인 잠수정의 Y좌표 값
Ck : 궤적 운동의 회전 중심의 X좌표 값
Cp : 궤적 운동의 회전 중심의 Y좌표 값
R : 궤적 운동의 회전 반경
φ : 자율 무인 잠수정의 방위각
상기 자율 무인 잠수정(2)의 회전 운동 반경은 자율 무인 잠수정(2)의 내부에서 회전 운동을 위해 설정된 값 또는 모선(1)의 초음파 측정 기기에서 측정되고 계산되어 전송된 데이터 중 한 값인 것이다.
자율 무인 잠수정(2)이 해저면 근처 임의의 위치에서 원운동을 하는 경우, 자율 무인 잠수정(2)에 내장된 자세센서로부터 방위각이 정확히 측정되므로, 자율 무인 잠수정(2)이 원운동하는 회전 중심의 절대위치와 회전 반경을 알면 현재 자율 무인 잠수정(2)의 절대위치를 계산할 수 있다. 회전 중심의 절대위치는 수상에 위치한 모선(1)의 USBL(11)에서 측정하여 음향 통신 모뎀(ATM : Acoustic Telephone Modem)을 통해 자율 무인 잠수정(2)에 전달되며, 회전 반경은 자율 무인 잠수정(2) 내부에서 결정하거나 수상 USBL(11)에서 측정된 데이터를 사용할 수 있다.
한편, 본 발명인 자율 무인 잠수정(2)의 위치 측정 장치를 이용하여 자율 무인 잠수정(2)의 해저면 위치 보정 방법을 더 상세히 설명하면 하기와 같다.
a)자율 무인 잠수정(2)이 해저에서 위치 보정 위치에 위치되면 자율 무인 잠수정(2)에 장착된 관성 측정 기기(21), 도플러 속도 측정기(22)를 이용하여 자율 무인 잠수정(2)을 수평 원형 궤적 운동시키고, 모선(1)에 보정 모드 운동 중임을 알리는 단계;
b)모선(1)에서는 모선(1)에 장착된 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)(12, 13)을 이용하여 신호 수신 확인 신호를 보내고, 모선(1)에 장착된 USBL(11)을 이용하여 자율 무인 잠수정(2)의 위치를 측정하는 단계;
c)자율 무인 잠수정(2)의 원형 궤적을 취득하여 얻어진 위치 데이터를 이용하여 최소 제곱법으로 원형 궤적을 커브 피팅하여 원형 운동 궤적의 중심과 반경을 계산하는 단계;
d)모선(1) 및 자율 무인 잠수정(2)에 장착된 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)을 이용하여 자율 무인 잠수정(2)에 원형 궤적의 중심과 회전 반경을 알리는 단계;
e)모선(1)으로부터 초기 위치를 수신한 자율 무인 잠수정(2)의 원형운동을 종료하고, 자율 무인 잠수정(2)에서 초기위치 수신 확인 신호를 수상 모선(1)에 알리는 단계;
f)자율 무인 잠수정(2)에 수신된 원형 궤적 중심값과 회전 반경을 이용하여 위치 보정을 실시하는 단계;를 포함한다.
상기한 본 발명에 따른 자율 무인 잠수정(2)의 해저면 위치 보정 방법은 자율 무인 잠수정(2)의 해저면 초기 위치 즉, 자율 무인 잠수정(2)이 진수 후 해저면에 도착한 초기 위치를 보정할 수 있다.
해저를 탐사하는 자율 무인 잠수정(2)의 경우, 자율 무인 잠수정(2)이 진수 후 해저면에 도착한 초기 위치를 보정하는 과정이 반드시 필요하다. 이는 자율 무인 잠수정(2)의 초기 위치가 부정확한 경우 해저면을 이동하는 자율 무인 잠수정(2)의 위치를 정확하게 측정할 수 없기 때문이다.
특히, 자율 무인 잠수정(2)의 진수 후 잠항 과정에서 자율무인잠수함의 속도를 계측하기 어려우므로, 속도 정보를 가지고, 속도 정보를 보조 항법정보로 이용하는 IMU-DVL 복합항법은 오차가 기하급수적으로 증가한다.
따라서, 자율 무인 잠수정(2)이 해저면에 도달하여 DVL 계측이 가능해질 때에는 많은 위치오차가 누적되어 있으므로, 정밀항법을 수행하기 위해서는 자율 무인 잠수정(2)이 해저면에 도달 후, 초기위치를 보정하여야 한다.
자율 무인 잠수정(2)의 해저면 초기 위치에서의 위치 보정 방법은 도 4를 참고하면, 자율 무인 잠수정(2)이 해저면 일정 고도에 도달하면 상기한 본 발명에 따른 자율 무인 잠수정(2)의 해저면 위치 보정 방법을 이용하여 위치 보정이 이뤄진다.
도 5는 자율 무인 잠수정(2)의 위치오차 보정을 위하여 수상 모선(1)과 자율 무인 잠수정(2)간에 통신 프로세스를 나타낸다. 즉, 자율 무인 잠수정(2)이 해저면에 도달하면, 초기 위치오차 보정을 위하여 자율 무인 잠수정(2)은 보정 모드(Calibration mode)에 들어가는 것을 ATM을 통하여 수상에 위치한 모선(1)에 알리고, 이를 수신한 수상에 위치한 모선(1)은 이때부터 USBL(11)을 이용하여 얻어지는 자율 무인 잠수정(2)의 궤적을 취득한다. 수상에 위치한 모선(1)에서는 지정된 자율 무인 잠수정(2) 궤적 취득시간이 경과하면 얻어진 자율 무인 잠수정(2) 위치 데이터를 이용하여 자율 무인 잠수정(2) 원운동의 중심과 반경을 커브피팅 한다. 얻어진 회전중심은 ATM을 통해 자율 무인 잠수정(2)에 전송되며, 자율 무인 잠수정(2)은 초기위치를 결정하고 초기화 종료 신호를 수상선에 응답하면서 해저면 탐사를 시작한다.
자율 무인 잠수정(2)이 해저면을 탐사하는 중간에 모선(1)과 근접하여 USBL(11)을 이용한 위치 추적이 가능하고 ATM으로 통신이 가능한 위치에 도달하는 경우에는 초기 위치오차 보정법과 동일한 방법으로 위치오차를 현장 보정(In-Situ Calibration)하는 것이 가능하다.
도 6을 참고하면, 자율 무인 잠수정(2)이 초기 위치오차를 보정하고 'ㄹ‘자 모드로 해저면을 탐사하면서 탐사중 위치를 현장 보정하는 과정을 확인할 수 있다.
그리고, 모선(1)이 ’ㄹ‘자 탐사영역의 좌측에 위치한 경우에, 자율 무인 잠수정(2)이 방향을 회전하는 시점에 원형 운동을 수행하여 위치 현장 보정을 추가한 예를 나타낸다. 이러한 위치 현장 보정법은, 초음파로 대상체를 측위하는 초음파 측위법에서 시간이 증가함에 따라 필연적으로 발생하는 선형 위치오차 누적을 방지하는 효과가 있다. 이 방법을 적용하면, 자율 무인 잠수정(2)이 탐사 중간에 절대위치를 보정하기 위하여 수면으로 부상하는 단점을 극복할 수 있다. 위치 현장 보정 시간간격을 조절함으로써 위치오차의 바운드를 조절할 수 있으며, 위치보정 시간간격을 반영하여 자율 무인 잠수정(2)의 해저면 탐사 경로 계획 수립에 반영한다.
도 7을 참고하면, 자율 무인 잠수정(2)이 해저면을 탐사하는 중에 시간이 경과함에 따라 위치오차가 선형적으로 누적 증가하는 경향을 도시하였고, 위치 현장 보정법을 이용하는 경우에는 이 위치오차를 일정 범위로 제한시키는 효과를 도식적으로 나타낸 것이며, 초기위치 보정 효과를 함께 표시하였다.
본 발명의 실시 예로 본 발명의 효과를 설명하면 하기와 같다.
본 발명에 따른 자율 무인 잠수정(2)의 해저면 위치 보정 방법을 이용하여 자율 무인 잠수정(2)의 초기오차 보정 방법의 유효성을 검증하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 태평양 심해에서 운용하는 경우, 동해에서 운용하는 경우 및 천해에서 운용하는 경우를 고려하여 자율 무인 잠수정(2)의 해저면 탐사 심도를 6,000m, 2,000m와 100m로 정하였다. 자율 무인 잠수정(2)이 해저면에 도달하여 위치보정을 위하여 원운동을 하기 시작하는 위치는 알려지지 않은 임의의 위치가 된다. 시뮬레이션에서는 결과의 비교를 위하여 편의상 기준 위치로부터 (x=200, y=100) 떨어진 지점을 중심으로 회전하는 것으로 설정하였다.
자율 무인 잠수정(2)의 전진 속도는 1.5 m/s로 일정하며, USBL(11)을 이용한 위치 계측치에는 USBL(11) 고유의 계측 오차가 존재하는 것으로 정하였다. USBL(11) 위치 신호를 수신하는 주기는 음파가 모선(1)과 자율 무인 잠수정(2) 사이의 왕복 시간을 고려하여, 6,000m 심도의 경우는 8초 간격, 2,000m는 3초, 100m는 1초로 정하였다. USBL(11)은 심해용으로 정밀급 트랜시버(slant range의 0.3% 위치오차)를 이용하고(IXSEA, 2004), 천해용은 범용(slant range의 2.5% 위치오차)을 이용하는 것으로 가정하였다 (Applied Acoustics Eng. Ltd, 2010).
시뮬레이션은 초기 위치가 원운동 중심으로부터 일정 반경의 원주상의 임의 위치에 도달하여 이를 중심으로 원운동하며, 자율 무인 잠수정(2)의 초기 위치와 USBL(11) 위치계측 오차를 100회에 걸쳐 매번 랜덤하게 발생시켰다.
[제1실시예]
제1실시예는 정밀급 USBL를 이용하여 자율 무인 잠수정의 초기위치에 대한 오차 보정을 하는 예이다.
몬테카를로 시뮬레이션은 자율 무인 잠수정의 원운동 반경 변화와 커브피팅을 위하여 소요되는 시간을 변수로 정하고, 각 조건에 대하여 100회 실시하였다. 6,000m 심도에서 운용되는 자율 무인 잠수정의 초기위치 보정 시뮬레이션 조건은 다음과 같다.
(1) 고정조건: 자율 무인 잠수정 속도 1.5m/s, 수심 6000m, USBL의 Std Dev = 18m, USBL의 신호 업데이트 주기 : 8초
(2) 가변조건: 회전반경 R(=25, 50, 100, 150m), 데이터 취득시간(=300, 600, 1200, 1800sec)
도 8은 수심 6,000m에서 반경 50m의 원운동을 하는 자율 무인 잠수정의 위치를 USBL로부터 측정한 위치 x, y 시계열을 모사한 것이며, 도 9는 USBL 계측 신호 생성을 위하여 추가된 노이즈를 크기와 위상으로 표시한 시계열을 나타낸다.
도 10 및 도 11은 커브피팅 결과를 나타낸다. 도 10은 x-y 평면 궤적 및 피팅 결과를 나타내고, 도 11은 궤적의 회전 중심과 반경에 대한 추정 오차를 나타낸다. 도 10에서 ‘*’ 마크가 있는 실선은 USBL에서 얻어진 자율 무인 잠수정의 위치 궤적을 나타내며, 붉은 점선은 자율 무인 잠수정이 실제로 이동한 원운동 궤적을 나타내고, 검은 실선은 커브피팅에 의하여 얻어진 원운동 궤적을 나타낸다. 시뮬레이션에서 얻어진 추정 원운동 중심과 반경은 각각 (200.391m, 99.672m)와 54.597m로 계산되었다. 원운동 중심의 오차는 (0.391m, -0.328m)이며, 원운동 반경 오차는 4.597m이다. 중심의 오차는 1m 이내에 들어오는 결과를 보여, 자율 무인 잠수정의 초기위치오차 보정 성능이 뛰어남을 보였다. 반경오차가 큰 것은 원운동 궤적의 USBL신호를 최소제곱법으로 커브피팅하므로 원 외각에 위치한 USBL 신호가 원 내부에 존재하는 USBL 신호보다 큰 영향을 미치므로 항상 추정된 반경이 원래 원 궤적의 반경보다 크게 나타나게 된다. 이는 초기위치추정에 영향을 미치므로 큰 의미를 갖지는 않는다.
표 1은 가변조건(2)를 가지고, 6,000m 수심에서 운용되는 자율 무인 잠수정에 대하여 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한 원운동 중심 오차의 평균값을 정리한 표이며, 도 12는 이를 그래프로 나타낸 결과이다.
시간(sec)
궤도 회전반경
(m)		 300sec 600sec 1200sec 1800sec
25m 6.233 3.996 2.871 2.304
50m 4.892 2.985 2.219 1.856
100m 4.920 3.088 1.891 1.528
150m 9.575 2.810 1.888 1.554
2m이내의 범위에 들어오기 위해서는, 자율 무인 잠수정이 원운동 반경을 최소 100m를 유지하며 20분간의 원운동을 해야 하며, 5m 이내의 회전중심 오차를 갖기 위해서는 50m 반경으로 최소 한주기의 원운동 시간(300초)을 갖는 범위에서 초기위치오차 보정을 실시해야 함을 확인할 수 있다. 한 주기의 샘플을 갖지 않는 경우(150m 반경, 300초 샘플시간)는 커브피팅에 의한 회전중심의 오차가 크게 (2배) 증가한다.
2,000m 심도에서 운용되는 자율 무인 잠수정의 초기위치 보정을 위한 몬테카를로 시뮬레이션을 동일한 방법으로 수행하였고, 시뮬레이션 조건은 다음과 같다.
(3) 고정조건: 자율 무인 잠수정 속도 1.5m/s, 수심 2000m, USBL의 Std Dev = 6m, USBL의 신호 업데이트 주기 : 3초
(4) 가변조건: 회전반경 R(=15, 25, 35, 50m), 데이터 취득시간(=100, 200, 300, 600sec)
표 2는 가변조건 (4)를 가지며 2,000m 수심에서 운용되는 자율 무인 잠수정에 대하여 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한 원운동 중심 오차 및 반경 오차를 정리한 표이다.
시간(sec)
궤도 회전반경
(m)		 100sec 200sec 300sec 600sec
15m 1.792 1.246 0.962 0.689
25m 1.596 1.132 0.902 0.589
35m 1.830 1.125 0.778 0.552
50m 3.363 0.971 0.861 0.547
표 2로부터, 2,000m 수심에서 운용하는 자율 무인 잠수정의 회전중심 오차는 한 주기 이상의 데이터에 대하여 피팅하면 모든 경우에 대하여 2m 이내의 위치오차범위에서 초기보정이 가능함을 알 수 있다. 1m이내의 범위에 들어오기 위해서는, 자율 무인 잠수정이 원운동 반경에 무관하게 최소 300초 이상의 원운동 데이터에 대하여 커브피팅을 수행해야 한다.
[제2실시 예]
제2실시 예는 범용 USBL을 이용하여 자율 무인 잠수정의 초기위치에 대한 오차 보정을 하는 예이다.
천해역에서 운용되는 자율 무인 잠수정에 대하여 초기위치 보정을 위한 몬테카를로 시뮬레이션을 동일한 방법으로 수행하였고, 범용의 USBL을 이용하는 것으로 가정하였다. 시뮬레이션 조건은 다음과 같다.
(1) 고정조건: 자율 무인 잠수정 속도 1.5m/s, 수심 100m, USBL의 Std Dev = 2.5m, USBL의 신호 업데이트 주기 : 1초
(2) 가변조건: 회전반경 R(=15, 25, 35, 50m), 데이터 취득시간(=60, 120, 180, 240sec)
도 13은 100m 수심에서 자율 무인 잠수정이 반경 5m로 120초간 원운동 데이터에 대하여 몬테카를로 시뮬레이션 결과를 보인다, 도 13에서 100번의 랜덤한 위치오차를 갖는 데이터에 대한 시뮬레이션 전체에 있어서 위치오차 최대치가 1m를 넘지 않았고 평균 38.8cm의 위치오차를 갖는 결과를 보인다.
표 3은 가변조건 (2)를 가지며 100m 수심에서 운용되는 자율 무인 잠수정에 대하여 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한 원운동 중심 오차 및 반경 오차를 정리한 표이다.
시간(sec)
궤도 회전반경
(m)		 60sec 120sec 180sec 240sec
5m 0.555 0.388 0.333 0.280
10m 0.492 0.282 0.254 0.226
15m 0.428 0.304 0.250 0.213
20m 0.465 0.300 0.225 0.189
표 3으로부터, 100m 수심에서 운용하는 자율 무인 잠수정의 회전중심 오차는 모든 경우에 대하여 1m 이내의 위치오차범위에서 초기보정이 가능함을 알 수 있다. 2분 이상의 1m이내의 원운동 데이터에 대하여 커브피팅을 수행하면 평균 40cm 이내의 위치오차 범위의 초기보정이 가능한 결과가 얻어졌다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지에 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있으며 이는 본 발명의 구성에 포함됨을 밝혀둔다.
1 : 모선 2 : 자율 무인 잠수정
10 : 초음파 측위 기기 11 : USBL
12 : 제 1 음향 통신 모뎀 13 : 제 2 음향 통신 모뎀
20 : 항법 센서 21 : 관성 측정 기기
22 : 도플러 속도 측정기 23 : 자력계
30 : 컴퓨터

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 초음파로 대상체를 측위하는 초음파 측위법에서 대상체의 위치를 보정하기 위한 방법이며,
    해저에서 자율 무인 잠수정이 궤적을 이루고 운동하는 궤적 운동 단계;
    상기 궤적 운동 단계의 궤적을 추정하는 궤적 추정 단계;
    상기 자율 무인 잠수정의 위치를 계산하는 위치 계산 단계를 포함하며,
    상기 궤적 운동 단계는,
    자율 무인 잠수정이 해저면에 도달하여 도플러 속도 측정기의 신호를 사용할 수 있게 된 후 기준 지점을 중심으로 반복적인 원형 궤적을 그리면서 운동하는 것을 특징으로 하는 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 궤적 운동 단계는,
    평면상에서 원형 궤적을 그리면서 운동하는 것을 특징으로 하는 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 궤적 운동 단계는,
    기준 지점을 중심으로 시작점에서 운동을 시작하여 다시 시작점으로 되돌아오는 원형 폐곡선 형태를 그리면서 운동하는 것을 특징으로 하는 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법.
  5. 삭제
  6. 초음파로 대상체를 측위하는 초음파 측위법에서 대상체의 위치를 보정하기 위한 방법이며,
    해저에서 자율 무인 잠수정이 궤적을 이루고 운동하는 궤적 운동 단계;
    상기 궤적 운동 단계의 궤적을 추정하는 궤적 추정 단계;
    상기 자율 무인 잠수정의 위치를 계산하는 위치 계산 단계를 포함하며,
    상기 궤적 추정 단계는,
    자율 무인 잠수정이 주어진 궤적으로 운동하면서 측정된 초음파 위치 데이터를 모아서 신호 처리를 통해 궤적의 회전 반경과 회전 중심을 추정하는 것을 특징으로 하는 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 궤적 추정 단계는,
    궤적의 회전 중심 및 회전 반경을 변수로 가지는 원형 방정식과, 초음파 측위 시 측정값 사이의 오차가 최소화되도록 변수를 추정하는 기법을 포함한 것을 특징으로 하는 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 위치 계산 단계는,
    상기 궤적 추정 단계에서 추정된 궤적의 회전 중심 및 회전 반경과 자율 무인 잠수정에 장착된 관성 측정 기기로부터 계산된 방위각 정보를 결합하여 계산하는 것을 특징으로 하는 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 위치 계산 단계는,
    수학식
    Figure 112011067698002-pat00003

    을 이용하여 자율 무인 잠수정의 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법.
    (여기에서, X는 자율 무인 잠수정의 X좌표 값, Y는 자율 무인 잠수정의 Y좌표 값, Cx는 궤적 운동의 회전 중심의 X좌표 값, Cy는 궤적 운동의 회전 중심의 Y좌표 값, R은 궤적 운동의 회전 반경, φ는 자율 무인 잠수정의 방위각이다.)
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 자율 무인 잠수정의 회전 운동 반경은,
    자율 무인 잠수정의 내부에서 회전 운동을 위해 설정된 값 또는 모선의 초음파 측정 기기에서 측정되고 계산되어 전송된 데이터 중 한 값인 것을 특징으로 하는 자율 무인 잠수정의 해저면 위치 보정 방법.
  11. 모선에 장착되는 초음파 측위 기기;
    자율 무인 잠수정의 내부에 장착되며 상기 초음파 측위 기기의 데이터를 받아 자율 무인 잠수정을 이동시키기 위한 항법 센서와 항법 알고리즘이 내장된 컴퓨터를 포함하며,
    상기 항법 센서는,
    관성 측정 기기(IMU; Inertial Measurement Unit); 및
    도플러 속도 측정기(DVL;Doppler Velocity Log)를 포함한 것을 특징으로 하는 자율 무인 잠수정의 위치 측정 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 초음파 측위 기기는,
    모선에 장착되는 USBL(Ultrashort Baseline);
    상기 모선에 장착되며, 상기 USBL를 통해 측정된 데이터 값을 자율 무인 잠수정에 전송하는 제 1 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem); 및
    상기 자율 무인 잠수정에 장착되며 제 1 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)를 통해 전송되는 데이터를 받기 위한 제 2 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)을 포함한 것을 특징으로 하는 자율 무인 잠수정의 위치 측정 장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 초음파 측위 기기는,
    모선에 장착되는 SBL(Short Baseline);
    상기 모선에 장착되며, 상기 SBL를 통해 측정된 데이터 값을 자율 무인 잠수정에 전송하는 제 1 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem); 및
    상기 자율 무인 잠수정에 장착되며 제 1 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)를 통해 전송되는 데이터를 받기 위한 제 2 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)을 포함한 것을 특징으로 하는 자율 무인 잠수정의 위치 측정 장치.
  14. 삭제
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 항법 센서는 자력계(Magnetometer)를 더 포함한 것을 특징으로 하는 자율 무인 잠수정의 위치 측정 장치.
  16. a)자율 무인 잠수정이 해저에서 위치 보정 위치에 위치되면 자율 무인 잠수정에 장착된 관성 측정 기기(IMU; Inertial Measurement Unit), 도플러 속도 측정기(DVL;Doppler Velocity Log)를 이용하여 자율 무인 잠수정을 수평 원형 궤적 운동시키고, 모선에 보정 모드 운동 중임을 알리는 단계;
    b)모선에서는 모선에 장착된 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)을 이용하여 신호 수신 확인 신호를 보내고, 모선에 장착된 USBL을 이용하여 자율 무인 잠수정의 위치를 측정하는 단계;
    c)자율 무인 잠수정의 원형 궤적을 취득하여 얻어진 위치 데이터를 이용하여 최소 제곱법으로 원형 궤적을 커브 피팅하여 원형 운동 궤적의 중심과 반경을 계산하는 단계;
    d)모선 및 자율 무인 잠수정에 장착된 음향 통신 모뎀(ATM;Acoustic Telephone Modem)을 이용하여 자율 무인 잠수정에 원형 궤적의 중심과 회전 반경을 알리는 단계;
    e)모선으로부터 초기 위치를 수신한 자율 무인 잠수정의 원형운동을 종료하고, 자율 무인 잠수정에서 초기위치 수신 확인 신호를 수상 모선에 알리는 단계;
    f)자율 무인 잠수정에 수신된 원형 궤적 중심값과 회전 반경을 이용하여 위치 보정을 실시하는 단계;를 포함한 것을 특징으로 하는 잠수정의 해저면 위치 보정 방법.
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