한국해양연구원 - 무인탐사선의 원격제어 운용 프로그램 (USVMobile)

Author(s):
손남선 연구원 - 한국해양연구원 해양시스템안전연구소

Industry:
Transportation

Products:
LabVIEW, Data Acquisition

The Challenge:
본 프로젝트는 해양연구원의 기관고유과제로서, 소형무인탐사선의 핵심기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있다.

The Solution:
본 프로그램은 무인탐사선박에 설치되어, 자동운항 및 자동제어를 수행하고, 무선랜으로 육상스테이션과 연결하여 원격으로 모니터링 및 제어를 가능하게 한다.

요약
본 프로그램은 무인탐사선박에 설치되어, 자동운항 및 자동제어를 수행하고, 무선랜으로 육상스테이션과 연결하여 원격으로 모니터링 및 제어를 가능하게 한다. 무인선의 각종 항행센서(속도계, 자이로, 마그네틱콤파스, DGPS ), 추진기 및 제어기와 연결하여, 각종 신호 데이터를 취득하고, 원격으로 전송한다. 또한, 탐사하고자 하는 목표점에 대한 자동추적제어알고리즘(Auto Tracking Control Algorithm)이 구현되어, 탐사를 수행하고자 하는 해역의 위치를 입력후 기동시, 무인선이 자동운항을 통해 무인탐사를 수행한다.

개발배경
본 프로젝트는 해양연구원의 기관고유과제로서, 소형무인탐사선의 핵심기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 무인선은 개념상 무인항공기와 비교하여 볼 수 있다. 무인항공기가 자율운항을 통해 상공에서 민간 및 군용으로 무인정찰 및 관측업무, 무인전투업무를 수행하는 것과 같이, 무인선은 해양에서 그 역할을 수행한다. 본 과제에서는 이중에서 민간용으로 무인관측 및 탐사를 위해, 대양 및 연근해에서 육상과 무인선 혹은 무인선과 모선(Mother Ship)사이에서 원격으로 모니티링 및 제어를 수행하는 것을 최종목표로 삼고 있다.

본론
무인선의 핵심기술은 시스템통합기술, 자율운항 및 제어기술, 무선통신기술 등 크게 3가지로 나눠 볼 수 있다.
첫째, 시스템 통합기술은 무인선의 각종 항행센서 및 장비들을 HW 및 SW적으로 연결하여 무인선 자체의 운용컴퓨터에서 일괄 운용할 수 있게 해주는 기술이다 관건은 항행장비들의 신호들이 아날로그 신호, 디지털 신호, 시리얼 통신신호 등으로 서로 다르고 그 개수 또한 많다는 데에 있다. 이를 장비별로 살펴보면, 항행센서에는 속도계(Analog Input,AI;0~1V), 광자이로(AI:+-5v, 및 RS232 Serial signal), 마그네틱콤파스(AI:+-5v, 및 RS232 Serial signal), 2축경사계(AI:+-5v, 및 RS232 Serial signal 각1쌍), DGPS(RS232 Serial signal) 등이 있다. 또한, 제어기의 경우에도 추진제어기(AC 서보제어: AI:+-10V,AO:+-10V)와 조종제어기(타 스텝모터제어: AI:+-10V,AO:+-10V) 등이 있다. 이와 같이 무인선의 시스템에 포함된 각종 장비들을 통합하기 위해서는 약 32개의 아날로그 입력 및 출력신호, 그리고 4~5개의 시리얼통신을 동시에 수용하여야 한다. 이를 위해 기존의 C 기반의 장비를 사용할 경우, 매번 드라이버를 세팅하고 그에 맞게 초기화 및 호출 프로그램을 매번 수정해 주어야 하는 어려움이 있었다. 그러나, 본 과제를 수행하면서, LabVIEW 7 Express (한글판)및 NI의 DAQ-card를 사용하면서 손쉽게 문제를 해결할 수 있었다. 모든 아날로그 입출력 신호는 NI DAQ-card 2장과 LabVIEW 7 Express (한글판)의 DAQ Assistant를 이용하여 통합하였고, 4-5개의 시리얼 통신도 LabVIEW의 Instrument I/O를 이용하여 초기화에서 실시간 데이터 취득까지 구현이 가능하였다.

그림 1. 무인선 운용프로그램의 GUI

그림 2. Block Diagram (Instrument IO 및 C기반 DLL을 이용한 DGPS 데이터 처리부)

둘째로, 자율운항제어기술은 항행계기로부터 현재의 무인선의 위치 및 방위정보를 얻고, 입력된 목표점으로 자동운항하기 위해 제어기의 입력을 도출하는 기술이다. 본 기술을 위해 우선, DGPS로부터 정밀한 경위도 좌표 및 진행방향에 대한 정보를 얻고, Gyro의 방향을 보정하고, 입력된 목표위치와의 거리차이 및 방위차이를 계산하여 제어기(추진 및 조종)의 제어명령을 도출한다. 이 부분의 알고리즘은 기존에 본 연구소에서 개발한 C기반으로 개발되어 있었다. 따라서, Labview를 이용하여 시스템 통합의 편리한 잇점을 얻었지만, 중요한 자율운항제어 알고리즘을 손쉽게 운용프로그램에 적용하지 못한다면 큰 어려움이 있는 것이었다. 그러나, 여기서 LabVIEW의 범용라이브러리를 import하는 기술을 적극 활용하여 문제를 해결하였다. 기존의 C library를 정규DLL으로 생성하여, LabVIEW에서 이를 import하여 해당 부분에 바로 적용할 수 있었다.

셋째로, 무선통신기술은 무인선의 운용시스템과 육상 혹은 모선(mother ship)과 무선으로 연결하여 원격으로 시스템의 정보들을 모니터링하고, 원격으로 무인선을 통제하는 기술이다.
기존에는 무인선의 운용시스템과 육상의 모니터링 시스템을 개별적으로 설치하여, C기반의 Socket 프로그램을 작성하여, TCP/IP 통신을 수행하였다. 그러나, 이런 경우 무선랜이 불안정하여 중간에 통신이 끊기게 되면, 진행하고 있는 무인선은 통제 불능에 빠지게 되고, 무인선의 안전을 보장할 수 없게 된다. 이런 경우 직접 무인선을 예인하여, 무인선내 운용프로그램 및 원격프로그램을 재기동하여야 시험을 재개할 수 있었다. 이를 위해, 본 과제에서는, 기존의 C기반의 Client-Server 구조의 통신시스템에서의 통신불안을 해소하고, 안정적인 모니터링 및 원격제어를 구현하기 위해서 LabVIEW의 Remote Panel 기법을 이용하였다. Remote Panel에서는 설사 중간에 통신이 끊기더라도 곧바로 원격으로 재실행을 통해 연결을 손쉽게 하여, 원격모니터링 및 제어를 재개할 수 있었다.

그림 3. 무선랜을 이용해 원격통제되고 있는 무인탐사선(대전 갑천)

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
본 무인탐사선 시스템을 개발하는데 거의 2년 반이 소요되었다. 1년간의 자율운항제어알고리즘연구, 그리고 1년간의 모형선과 하드웨어 장비 구매 및 제작이라는 시간이 소요되었다.
나머지 6개월 가운데 5개월은 하드웨어적인 통합과 하드웨어의 개별적인 캘리브레이션 테스트에 소요되었다. 실제 시스템 통합에서 프로그램 구현까지는 1개월이 채 걸리지 않았다는 것이다. 결국, 본 시스템을 개발하면서 NI의 인스트루먼트 및 LabVIEW를 이용하여, 개발시간을 최대한 단축시키게 된 것이다.
본론에서도 언급한 바와 같이, 본 과제를 수행하면서 얻게 된 잇점은 크게 4가지로 요약할 수 있다. 첫째로는, 다양한 인스트루먼트들의 인터페이스를 대상으로, DAQ-card 및 LabVIEW의 DAQ Assistant 및 Instrument IO 기능을 이용하여 손쉽게 시스템을 통합할 수 있었다. 둘째로는, 타프로그래밍 언어(C) 기반의 라이브러리들(DLL)을 손쉽게 Import하면서, 언어간의 호환성을 극대화하여, 기존에 개발된 다양한 라이브러리들을 그대로 사용할 수 있었다. 셋째로는, 무선랜 환경하에서, 원격 시스템을 구현함에 있어, Remote Panel 방법을 사용하여, 별도의 모니터링 프로그램을 필요로 하지 않고, 네트웍상에서 안정적인 원격통제 시스템을 구현할 수 있었다. 끝으로, 이상에서 언급한 다양한 이점들을 통해 개발시간을 최대한 단축시킬 수 있었다.
본 시스템을 개발할 수 있도록 도와준 연구소 관계자 여러분들과, NI 담당 직원분들게 감사함을 전하고 싶다.

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
손남선 연구원
한국해양연구원 해양시스템안전연구소

Browse All Case Studies »