단일 카메라를 이용한 비쥬얼 서보 자율무인잠수정의 수중 도킹

Abstract

본 논문에서는 AUV의 비쥬얼 서보 제어기를 구현하기 위하여 AUV에 장착된 카메라의 광유동 방정식을 유도하고, 이를 AUV의 운동방정식과 통합된 상태방정식으로 변환하여 제어기를 설계하였다. AUV 선수에 장착된 카메라는 eye-in-hand와 유사하나, AUV의 동력학이 포함되어 제어기를 구성해야 한다. 매니퓰레이터의 경우는 카메라의 6자유도 운동이 직접 제어 가능하지만, AUV의 경우는 제어판을 이용하여 간접적으로 AUV 운동을 제어해야하는 점에 차이가 있다. AUV의 도킹을 위한 전략은 AUV가 도킹 과정에서 도킹용 덕트의 센터가 카메라의 센터와 일치하도록 제어판을 구동하는 방식이다. 비쥬얼 서보제어는 가격함수를 최소화하는 기법으로 구현되며, 제어입력은 CCD 평면상에 투영된 목표물의 위치와 AUV의 운동 데이터를 이용하여 생성된다. 목표물에 대한 카메라 심도를 20m 이내의 근거리에서는 영상처리로 추정하고, 원거리에 대해서는 초음파 거리계와 속도계를 이용한다. 제안된 비쥬얼 서보 제어기의 성능을 검증하기 위하여 AUV의 비선형 수치모델에 대하여 선수부에 카메라가 장착된 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 시험용 AUV 모델을 제작하여 한국해양연구원의 수조에서 실험을 수행하였다. 수중에서 해저기지의 목표점을 인식하는 것은 해저기지 주변에 수중 조명 장치를 설치하고 이를 영상처리하는 방법으로 실험이 수행되었다.