[논문 리뷰] Design and Development of an Autonomous Surface Vehicle for Water Quality Monitoring

Muhammad Mahbubur Rashid, Rupal Roy외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 26.

Water Quality Monitoring Technologies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 Xbee 모듈을 통한 무선 센서 데이터 전송을 활용하여 실시간 수질 모니터링을 위한 SWATH 기술과 PID 제어를 기반으로 한 자율 표면 항공기(ASV)를 제시한다. ASV는 숭아파수 강에서 pH 및 전도도를 성공적으로 측정하였으며, 실험실 결과와 높은 일치도를 보였지만, 온도 영향으로 전도도 읽기에서 1–2 mS/cm의 격차가 발생하였다.

ABSTRACT

Manually monitoring water quality is very exhausting and requires several hours of sampling and laboratory testing for a particular body of water. This article presents a solution to test water properties like electrical conductivity and pH with a remote-controlled floating vehicle that minimizes time intervals. An autonomous surface vehicle (ASV) has been designed mathematically and operated via MATLAB \& Simulink simulation where the Proportional integral derivative (PID) controller has been considered. A PVC model with Small waterplane area twin-hull (SWATH) technology is used to develop this vehicle. Manually collected data is compared to online sensors, suggesting a better solution for determining water properties such as dissolved oxygen (DO), biochemical oxygen demand (BOD), temperature, conductivity, total alkalinity, and bacteria. Preliminary computational results show the promising result, as Sungai Pasu rivers tested water falls in the safe range of pH (~6.8-7.14) using the developed ASV.

연구 동기 및 목표

• 강과 호수에서 수작업 수질 모니터링의 비효율성과 노동 집약성을 해결하기 위해.
• 핵심 수질 파rameter를 실시간으로 원격으로 모니터링할 수 있는 저비용 자율 표면 항공기(ASV)를 개발하기 위해.
• 수집 속도를 향상시키고 안전성을 높이기 위해 수작업 샘플링을 자동화되고 원격으로 제어 가능한 시스템으로 대체하기 위해.
• 숭아파수 강에서의 현장 데이터를 바탕으로 ASV의 성능을 표준 실험실 방법과 비교 검증하기 위해.
• 오염되거나 접근이 어려운 수역에서 환경 모니터링을 위해 이러한 ASV의 실용성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 안정성 향상과 파도 간섭 감소를 위해 펌프 PVC를 사용한 소형 수면면적 이중선체(SWATH) ASV를 설계하였다.
• MATLAB 및 Simulink 시뮬레이션을 통해 방향 제어를 위한 비례-적분-미분(PID) 제어기를 구현하였다.
• 실시간 항법 및 위치 추적을 위해 GPS와 디지털 콈을 통합하였다.
• Xbee 모듈을 통해 무선 전송하는 pH, 전기 전도도(EC), 온도 센서를 장착하였다.
• 스러스트러 명령 및 센서 데이터 수집을 관리하기 위해 아두이노 메가 2560을 주 제어기로 사용하였다.
• 차량의 운동 및 제어 반응을 위한 운동학적·역학적 모델링을 위해 노모토 모델을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SWATH 설계와 PID 제어를 갖춘 자율 표면 항공기(ASV)는 자연 강 환경에서 안정적이고 정확한 항법을 달성할 수 있는가?
• RQ2 ASV는 표준 실험실 방법과 비교해 핵심 수질 파rameter(pH, EC)를 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ3 물 온도와 같은 환경 요인이 현장에 배치된 ASV의 센서 읽기에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 ASV는 원격 제어 지점으로 실시간 수질 데이터를 신뢰성 있게 무선 전송할 수 있는가?
• RQ5 현장 기반 수질 모니터링에 저가 성분을 사용할 경우 실용적 제약 조건과 성능 상충 사항은 무엇인가?

주요 결과

• ASV는 실험실 pH 측정 결과와 강한 일치도를 보였으며, 값은 6.8에서 7.14 사이로, 안전한 pH 범위(6.5–8.5) 내에 있음을 확인하였다.
• 실험실 측정(21°C)과 현장 측정(31°C) 간 온도 차이로 인해 전기 전도도(EC) 읽기에 1–2 mS/cm의 격차가 발생하였으며, EC는 약 매 1°C당 2–3% 증가함을 고려할 때 이는 예상 가능한 현상이었다.
• 말레이시아 수질지수(WQI)는 강의 전도도(13–14 mS/cm)가 허용 기준인 6000 µS/cm(6 mS/cm에 해당)를 초과함을 시사하며, 이는 고용해성 고형물이 많음을 의미한다.
• ASV는 Xbee 모듈을 통해 해안 기지 컴퓨터로 센서 데이터를 무선 전송하여 실시간 모니터링 및 원격 데이터 접근을 성공적으로 구현하였다.
• 현장 검증을 통해 ASV가 자연 강 환경에서 정상적으로 작동할 수 있음을 확인하였으며, 접근이 어려운 또는 위험한 수역에서의 활용 가능성을 뒷받침하였다.
• 본 연구는 강이 용해성 고형물을 감소시키고 수질을 향상시키기 위해 응집, 응집, 침전 및 소독 공정을 거쳐야 한다고 결론 내렸다.