[논문 리뷰] Design and Development of a Robotic Vehicle for Shallow-Water Marine Inspections

Parag J. Tarwadi, Yuta Shiraki외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 09.

Microplastics and Plastic Pollution참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 얕은 수심의 해양 점검을 위한 저비용, 소형 원격 조작 잠수정(ROV)을 제시한다. 이 시스템은 라즈베리 파이 기반의 실시간 프로세서, 실시간 제어, 다중 센서 항법(GPS, 관성, 수심, 압력, 온도)을 통합하였으며, 표면 기지에서의 명령 동기화를 통해 단일 카메라를 이용한 수중 점검을 가능하게 한다. 이는 ACRA 2019에서 수영장 테스트를 통해 성공적으로 검증되었다.

ABSTRACT

Underwater marine inspections for ship hull or marine debris, etc. are one of the vital measures carried out to ensure the safety of marine structures and underwater species. This work details the design, development and qualification of a compact and economical observation class Remotely Operated Vehicle (ROV) prototype, intended for carrying out scientific research in shallow-waters. The ROV has a real-time processor and controller onboard, which synchronizes the movement of the vehicle based on the commands from the surface station. The vehicle piloting is done using the onboard Raspberry pi camera and the support of some navigation sensors like Global Positioning System (GPS), inertial, temperature, depth and pressure. This prototype of ROV is a compact unit built using a limited number of components and is suitable for underwater inspection using a single camera. The developed ROV is initially tested in a pool.

연구 동기 및 목표

• 얕은 수심의 해양 점검을 위한 경제적이고 소형의 ROV를 개발하기 위해.
• 현장 기지 명령과 함께 실시간 차량 제어를 가능하게 하기 위해.
• 더 나은 수중 위치 결정을 위해 항법 센서(GPS, 관성, 수심, 압력, 온도) 통합을 위해.
• 제한된 환경에서 단일 카메라 점검의 가능성을 입증하기 위해.
• 통제된 수영장 테스트를 통해 프로토타입을 검증하기 위해.

제안 방법

• ROV는 명령 동기화를 위한 실시간 프로세서 및 제어 장치로 라즈베리 파이를 사용한다.
• 차량의 이동은 실시간 시각 피드백을 위한 라즈베리 파이 카메라를 사용하여 조종한다.
• 항법은 통합된 센서(GPS, 관성 측정 장치(IMU), 온도, 수심, 압력 센서)에 의해 지원된다.
• 소형화와 비용 효율성을 확보하기 위해 최소한의 구성 요소로 설계되었다.
• 성능과 신뢰성을 평가하기 위해 통제된 수영장 환경에서 프로토타입을 테스트하였다.
• 표면 기지에서의 명령이 실시간으로 전송되고 처리되어 차량 운동을 제어한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 효과적인 얕은 수심 해양 점검을 위한 소형, 저비용 ROV는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 얕은 수중 환경에서 신뢰할 수 있는 항법을 가능하게 하는 센서 융합 기법은 무엇인가?
• RQ3 단일 내장 카메라와 라즈베리 파이를 사용하여 실시간 제어와 시각 피드백을 달성할 수 있는가?
• RQ4 GPS, 수심, 압력, 관성 센서의 통합은 ROV 위치 정확도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 이러한 시스템을 통제된 수영장 기반 테스트 환경에 구현하는 데의 가능성은 무엇인가?

주요 결과

• ROV 프로토타입은 내장된 라즈베리 파이 프로세서를 통해 실시간 제어 및 명령 동기화를 성공적으로 구현하였다.
• GPS, 관성, 수심, 압력, 온도 센서의 통합은 얕은 수심 조건에서 안정적인 항법을 가능하게 하였다.
• 단일 카메라 시각 피드백 시스템은 점검 작업에 필요한 충분한 상황 인식 능력을 제공하였다.
• 소형, 저비용 설계는 통제된 수영장 테스트에서 실현 가능하고 효과적인 것으로 입증되었다.
• 시스템은 기술적 타당성을 확인하기 위해 오스트레일라시아 로봇공학 및 자동화 회의(ACRA 2019)에서 발표를 수락하였다.
• 프로토타입는 얕은 수심 점검 시나리오에서 비용, 크기, 기능성의 설계 목표를 모두 충족시켰다.