2022. 9. 8. 17:59ㆍ카테고리 없음
히로시마 공업대학교 안종현 교수님 논문.
1. introduction
최근 jellyfish(해파리)의 개수가 증가하고 있으며 이는 어부, 관광업 등에 큰 피해를 미친다.
전통적인 방법은 그물로 해파리를 잡는것이지만 비용, 시간, 인력이 많이 든다. 게다가 일본에서는 출산률이 감소하고 있고 고령화가 진행되고 있어 underwater robot이 이 상황에서 언급되고 있다. 수중 로봇의 장점은 사람과 달리 육체적 부담을 견딜 필요가 없고, 긴 시간 일할 수 있다는 것이다.
이 논문에서, 우리는 jellyfish extermination work를 위한 ROV(remotely operated vehicle)를 개발했고, 이는 J.E.N.O.S(jellyfish extermination nifty-robot for ocean sustentation, 해파리 말살을 위한 훌륭한 로봇, 바다 생태유지를 위한)라 불린다. 또한 jellyfish extermination을 하는 ROV의 motion을 평가할 것이다.
2. development of jellyfish extermination ROV
2.1 operation of developed to ROV
ROV는 해파리 제거를 위해 5단계를 거친다.
1. ROV와 operator는 해파리가 증가하는 지점가지 보트로 옮겨진다. 그리고 ROV가 바다로 떨어진다.
2. ROV가 operator에 의해 해파리를 찾으려고 제어된다. 만약 찾으면, 접근한다.
3. ROV에 장착된 해파리 제거기가 물에서 해파리를 빨아들인다. 그리고 해파리가 칼날에 의해 잘려진다.
4. 같은 바다 영역에서 다른 해파리를 찾는다.
5. 바다에서 작업을 마치면, ROV를 보트로 올린다. 그리고 operator가 다른 바다에서 이 과정을 시도한다.
2.2 design concept and specifications of ROV
ROV의 design concept
1. 작은 크기와 가벼운 무게
- ROV는 2사람에 의해서 수행될수 있어야 한다.
2. 높은 유지성(maintainability)
- 바다에서 연결 불량이나 배터리가 죽는것같은 문제가 생기면, 빠르게 회복되고 수리되어야 한다.
3. 넓은 시야각과 높은 인식률
- 수중환경은 어둡고 물체를 인식하기 어렵다. 그리므로, ROV는 대상에 불을 키고 넓은 시야각이 있어야한다.
4. 높은 위치 안전성(positional stability)
- Fig.1에서 우리는 해파리를 빨아들이고 자르는 작동 방법을 제안했다. 그러나, 해파리를 빨아들이는 과정에서 ROV에 힘이 작용하기 때문에, ROV의 자세가 불안정(unstable)한 경향이 있다. 그러므로, ROV는 높은 위치 안전성이 필요하다.
디자인 컨셉 1~4를 고려해 설계한 ROV가 Fig.2.에 있다. 그리고 Table1에 ROV의 사양(specification)이 있다.
Fig.2 에 보여지듯이, ROV는 선체(hull)이 있는데, 이것은 카메라 돔, 아크릴 실린더, 쓰러스터, led와 해파리 제거기 로 구성되어 있다. 각각의 장치들은 ROV에 알루미늄으로 장착되어 있다.
ROV는 0.65 x 0.52 x 0.47 [m] 17[kg]으로 설계되었는데, 이는 설계컨셉 1을 만족하기 위해서다.
ROV의 선체는 컨셉2를 만족한다.
그림 3에 선체의 내부가 보여진다. 아두이노, 배터리, 모터 드라이버, 센서가 선체 안에 위치한다. 이것은 쉽게 넣고 빼기 위해 디자인된 single module이다.
카메라 시스템은 하나의 카메라와 두 개의 led와 2개의 서보모터로 구성되는데, 설계컨셉 3을 만족한다.
카메라 시스템은 pan과 tilit를 움직일 수 있다. 또한 최대밝기 1500lumen을 낼 수 있는 led가 장착되었다.
ROV의 회전의 중심과 해파리 제거기가 그림2 처럼 거리를 두고 장착되었기 때문에, ROV는 해파리 제거과정 동안 낮은 위치 안정성을 가진다. 그러므로, 해파리 제거기에서 오는 힘이 surge방향과 pitch각의 운동을 유발한다. 이 힘이 ROV의 자세를 불안정하게 하고, 해파리 제거 작업을 힘들게 만든다. ROV 는 8개의 thruster로 구성되어있는데 이것의 최대출력은 16V 5.25 kgf 인데 설계컨셉4의 만족을 위해서이다. 우리는 그림2에 본것처럼 ROV의 높은 위치 안정성을 위해 4개의 쓰러스터를 surge, sway방향에 위치하고 나머지 4개를 heave방향에 위치했다.
2.3 design of power and communication system
ROV의 전력 공급원은 14.8V, 18Ah의 리튬이온배터리이다. DC 14.8V가 fan, 전압계, LED들, 모터드라이버, tether interface board에 공급한다. 또한 DC/DC converter로 변환된 DC 5V가 센서들과 processing unit들에 적용된고, 이들은 usb camera, 아두이노 우노와 메가에 연결되어 있다.
통신 시스템이 그림 5에 표시되어 있다. 그림 4에서 보여진 것 처럼, ROV의 통신 시스템은 다양한 통신 format에 의해 이용된다. 배에 있는 컴퓨터가 ROV와 tether interface에 의해 ethernet cable로 연결되어 있고, USB server에 의해 ethernet 신호가 USB serial로 변환된다. 아두이노 메가와 우노에 연결된 usb hub가 USB server와 연결되어 있다. 아두이노 메가는 쓰러스터와 해파리 제거기, led와 IMU data를 얻는데 이용된다. PWM signal이 쓰러스터와 led에 이용된다. 아두이노 메가에 의해 방출되는 pwm signal은 1100 to 1900 micro seconds의 range를 가진다. 아두이노 우노는 카메라 움직임을 위한 서보 모터와 depth sensor data를 얻는데 이용된다.
2.4 jellifish extermination device
우리는 그림1에서 보여진 흡입기로 해파리를 제거하는 방법을 제안한다. 이것은 그림6과 표2에 설명되어 있다. 해파리 제거기는 쓰러스터, wire mesh, 아크릴 실린더와 프레임으로 이루어져 있다. 쓰러스터가 회전하면, 해파리는 흡수되고 wire mesh와 쓰러스터의 날에 의해 잘린다. 잘린 해파리는 바다 환경 시스템을 위한 유기체이기 때문에 수집하지 않는다.
wire mesh는 스테인리스 스틸로 이루어져있고 mesh의 크기는 15 x 15 mm 이다. 이것은 해파리를 부수지만 이것보다 단단한 바위, 조개등을 막아준다.
3. evaluation experiment of developed ROV
우리는 ROV motion의 안정성과 해파리 제거기의 성능을 2가지 실험으로 평가하였다.
motion stability는, 가속도와 각속도에 의해 평가된다. 해파리 제거기는 해파리 샘플 제거 시간에 의해 평가된다.
3.1 evaluation of extermination motion control
해파리 제거기를 사용하면 로봇이 앞으로 감에 따라 pitch angle이 회전한다. 이 문제를 해결하기 위해서, 우리는 다른 쓰러스터들을 이요해 자세를 안정화하였다. 이 실험에서, 제거기의 쓰러스터는 1.44kgf로 설정되었다. 결과는 아래에 있다.
그림 7의 a~c는 surge, wawy, heave direction의 가속도를 나타낸다. 그리고 d~f는 roll, pitch, yaw angle의 각속도를 나타낸다. 점선은 다른 모터의 제어가 없을 때 제거 motion에서 가속도와 각속도를 나타내고, 실선은 제어가 있을때를 나타낸다.
또한 각각의 데이타는 ROV에 장착된 IMU로부터 측정되었다.
그림7의 점선을 보면, 제거 motion에서 가속도가 surge direction에서 적용되었고, 그리고 최대 가속도는 2.27 m/s^2이다. 그림7의 실선은 다른 쓰러스터의 제어가 들어가서, 가속도가 약 30.0% 감소하였다.
그림7의 b와 c는 sway와 heave 방향인데 약간의 가속도만 있다.
그림7의 d와 f는 roll,yaw angle의 각속도를 나타내는데 조금의 각속도가 있다. 그러나, 그림7의 e의 점선은 높은 각속도를 나타내고 이 pitch angle의 최대 각속도는 17.76deg/s 이다. 다른 쓰러스터의 제어와 함께, 각속도가 약 25.8% 감소하였다.
그림8에 이 과정이 나타난다. 관측의 결과로, 로봇이 거의 움직이지 않는다.
3.2 evaluation of jellyfish extermination device
결론 : 빨아들이는 해파리의 부피가 클 수록 더 낮은 flow rate가 발생함.
4. conclusion
이 논문에서 우리는 해파리 제거를 위한 ROV를 설계하고 개발했고 그리고 해파리 제거에 대한 ROV motion을 평가했다. ROV는 설계 컨셉 1~4를 만족하도록 설계되었다.
제거 모션 제어의 평가 과정에서, 다른 쓰러스터의 제어 없이 surge 방향의 최대 가속도는 2.27 m/s^2, pitch angle의 최대 각속도는 17.76 deg/s였다. 다른 쓰러스터의 제어가 들어가서 surge 가속도는 30.0%, pitch 각속도는 25.8% 감소하였다.
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