Developed Ethernet based image control system for deep-sea ROV

심해용 ROV를 위한 수중 원격 영상제어 시스템 개발

Abstract

Remotely operated vehicle(ROV) and autonomous underwater vehicle(AUV) have been used for underwater surveys, underwater exploration, resource harvesting, offshore plant maintenance and repair, and underwater construction. It is hard for people to work in the deep sea. Therefore, we need a vision control system of underwater submersible that can replace human eyes. However, many people have difficulty in developing a deep-sea image control system due to the deep sea special environment such as high pressure, brine, waterproofing and communication. In this paper, we will develop an Ethernet based remote image control system that can control the image mounted on ROV.

1. 서론

육지 자원이 고갈되어감에 따라 인류는 다양한 생물⋅에너지⋅광물 자원의 보고인 바다로 눈을 돌리고 있다. 지구 표면의 71%가 해양이고, 사람들은 연간 100만 톤의 바닷물고기를 소비하고 무궁무진한 해양 에너지를 보유하고 있는 바다는 무한한 경제적 가능성의 공간임과 동시에 심해의 경우 인간이 접근하기 매우 어려운 미지의 공간이기도 하다.

이로 인해 세계적으로 미지의 해양 공간을 연구하고 탐색하기 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

해양을 탐사할 수 있는 수중로봇은 그림 1과 같이 크게 사람이 탑승하는 유인형, 사람이 탑승하지 않는 무인형으로 구분할 수 있다. 무인해양로봇은 선이 연결되어 외부와 통신하고 전원을 공급하는 형태의 ROV(Remotely Operated Vehicle) 등과 무선으로 운용되며 자체적으로 미션을 수행하는 AUV(Autonomous Underwater Vehicle) 등으로 구분할 수 있다[1]-[2].

Fig. 1 Classification of marine robot

이처럼 무인잠수정과 자율무인잠수정은 사람을 대신하여 수중에서 해양환경 조사, 해저탐사, 자원채취, 해양 플랜트 유지 및 보수, 수중건설 등에 사용되고 있다. 해양로봇이 발전할수록 사람의 눈을 대신할 수 있는 수중잠수정용 영상제어 시스템의 필요성이 점차 높아지고 있다. 그러나, 고압, 염수, 방수, 통신 등의 심해 특수 환경으로 인해 심해용 영상제어 시스템의 개발에 어려움을 겪고 있다[3]-[4].

수중환경(underwater environment)은 공기보다 약 1,000배가 높은 밀도를 가지며 수심 10m 증가할 때마다 압력이 1bar씩 증가되어 사람이 심해에서 활동하기에 많은 어려움이 존재한다. 또한 지상에서 매우 유용하게 사용하고 있는 정보전달의 통신 수단인 전파를 사용할 없기 때문에 통신에 매우 큰 어려움이 있었다.

그래서, 본 논문에서는 국내 심해용 ROV에 적용가능한 Ethernet 기반 원격 영상제어 시스템을 개발하고자 한다.

2. Ethernet 기반 심해저용 영상제어 시스템의 구조

심해저용 영상제어 시스템은 그림 2와 같이 심해 영상을 촬영할 수 있는 수중 카메라와 심해의 어둠을 밝힐 수 있는 수중 라이트 모듈, 그리고 이를 제어 할 수 있는 심해 Ethernet 기반 원경 영상제어 모듈로 구성된다.

Fig. 2 Structure of image control system for deep sea

심해용 영상제어 모듈은 원격지인 해상 선상에서 모니터링 영상을 관찰하며 원격 제어할 수 있도록 Ethernet 통신이 가능하도록 구성하였다.

3. 6000m급 심해용 내압용기 설계

바다 수중 압력은 수심이 10m 증가할 때 마다 1bar씩 증가하기 때문에 수심 6000m 심해에서는 600bar 이상의 수압을 견딜 수 있어야 한다. 그러나 심해에서 사용되는 모든 제품을 내압 제품으로 개발 할 수 없기 때문에 심해 압력을 견딜 수 있는 내압용기 안에 카메라, 제어 보드 등을 넣어 사용한다.

본 논문에서는 심해용 카메라 모듈, 라이트 모듈, 영상제어 보드, 라이트 제어 보드 등 심해에서 사용되는 모듈을 탑재할 수 있는 수심 6000m급 심해용 내압용기를 설계하고 구조해석 시뮬레이션을 통해 안전성을 검증하였다.

다음 그림 3과 4는 HD 카메라 모듈용 내압용기의 최대변형율과 최대응력 구조해석 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 구조해석을 위한 실린더 재료는 표 1과 같이 설정하였으며 AL 7075-T6일 때 안전율 1.34 결과를 확인할 수 있다.

Table 1. Analysis of HD camera pressure vessel

Fig. 3. Maximum strain rate of HD camera pressure vessel

Fig. 4. Maximum stress of HD camera pressure vessel

내압용기의 구조해석 시뮬레이션 결과를 바탕으로 그림 5, 7과 같이 6000m급 HD 카메라용 내압용기와 영상제어 모듈용 내압용기를 상세 설계하였다. 상세설계를 바탕으로 그림 6, 8과 같이 내압용기 시제품을 제작하였다.

Fig. 5 Design of pressure vessel for HD camera module

Fig. 6 Pressure vessel for HD camera module

Fig. 7 Design of pressure vessel for image control module

Fig. 8 Pressure vessel for image control module

4. 수중 원격 영상제어 모듈 설계

해양수중로봇(ROV, AUV 등)은 인간이 안전하게 작업할 수 없는 곳이나 접근이 어려운 곳에서 사용되어지며, 수중로봇의 영상제어 시스템은 인간의 눈과 같은 역할을 수행하기 때문에 해양 로봇에 필수적인 시스템이다.

그러나 심해에서는 육상에서와 같이 전파를 이용한 통신수단을 이용할 수 없기 때문에 통신에 많은 어려움이 있다. 심해 카메라 모듈에서 전송되는 비디오 영상은 다른 데이터에 비해 용량이 크기에 더욱 어려움을 겪고 있었다.

이에 Ethernet기반 원경 영상제어 모듈을 개발하여 고화질의 영상을 실시간으로 볼 수 있도록 그림 9와 같이 시스템 구조를 설계하였다.

Fig. 9 Software architecture of image control system

Ethernet 기반 원격 영상제어 모듈은 카메라 모듈의 확장성을 고려하여 IP 카메라 2대, HD/SDI 카메라 2대, Analog 카메라 2대 총 6대의 카메라를 제어할 수 있도록 설계하였다. 또한, 원격제어 명령에 따라 카메라 전원 ON/OFF 할 수 있는 전원 제어 회로부 설계, 부착되는 라이트의 밝기를 조절하고 라이트 ON/OFF가 가능한 라이트 제어 회로부 설계, 내압 용기 내부 온/습도 및 누수를 체크 할 수 있도록 온습도 센서 회로부 설계 등 우수한 영상을 취득 할 수 있도록 고기능성 영상제어 보드를 설계하였다. 그리고, 원격지의 제어 명령을 다양한 형태의 카메라로 전송하고 카메라의 정보를 수신 가능한 통신 보드를 설계하였다.

Ethernet기반 원격 영상제어 모듈과 영상변환 모듈의 시제품은 그림 10과 같으며, 영상제어 모듈, 라이트 제어 모듈, 통신 모듈 등이 내압용기에 함께 탑재되어 있다.

Fig. 10 camera control module(L) & image conversion module(R)

마지막으로 영상 제어 시스템의 원격지 제어를 위해 그림 12와 같이 제어용 GUI 프로그램을 개발하였다. GUI 프로그램은 카메라 모듈에 장착된 팬틸트를 제어함으로써 HD급 고화질의 심해 영상을 자유롭게 수집할 수 있도록 제작하였다. GUI에서는 영상제어모듈 내압용기 내부의 온⋅습도 상태 모니터링, 카메라 줌(in-out), 카메라 오토포커스, 심해 수중촬영을 위한 LED on/off 제어, 팬틸트 방향 제어 등을 수행할 수 있도록 구성하였다.

Fig. 11 Image control module mounted on pressure vessel

Fig. 12 GUI program

5. Ethernet기반 영상제어모듈의 성능평가 및 수중 테스트

본 논문에서 개발한 Ethernet 기반 영상 제어모듈과 6000m급 내압용기의 평가를 위해 한국해양선박연구소에서 내압용기 600bar 평가를 수행하였으며 그 결과 6000m 급 내압용기 개발을 성공하였다.

그리고, 한국해양과학기술원의 경작업용 ROV에 카메라 모듈을 장착하여 동해 실해역 수심 500m에서 수중 촬영을 수행할 수 있었다. 수중 촬영 결과는 그림 13과 같으며, 시험평가를 위해 심해에 미리 설치해 둔 임의의 구조물을 향해 점차 접근하는 영상을 시간 순으로 화면 캡쳐한 것이다. 수중평가를 통해 수중 500m에서도 원활하게 영상을 전달 받을 수 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 13 Video image of underwater

6. 결론

무인잠수정과 자율무인잠수정은 사람을 대신하여 수중에서 해양환경 조사, 해저탐사, 자원채취, 해양 플랜트 유지 및 보수, 수중건설 등에 사용될 수 있다. 사람이 심해에 직접 들어가지 작업을 수행할 수 없기 때문에 사람의 눈을 대신할 수 있는 수중잠수정용 영상제어 시스템의 필요성이 대두되고 있다. 그러나, 고압, 염수, 방수, 통신 등의 심해 특수 환경으로 인해 심해용 영상제어 시스템의 개발에 어려움을 겪고 있다.

이를 위해, 본 논문에서는 심해용 ROV를 위한 Ethernet 기반 원격 영상제어 시스템과 6000m급 내압용기를 개발하였다. 이를 위하여 600bar까지 견딜 수 있는 내압용기 4종(영상제어 내압용기, 라이트 내압용기, HD카메라 내압용기, SD 카메라 내압용기)을 설계, 개발하였다. 또한 카메라 제어 모듈, 라이트 제어 모듈, 통신모듈, 영상 변환모듈, 영상제어 모듈을 위한 제어보드를 설계 개발하였다. 또한, 본 논문에서 제안하는 시스템의 신뢰성 평가를 위해 육상 600bar 내압용기 평가를 수행하였으며, 동해 앞바다 500m 수중 시험을 통해 필드 테스트를 성공적으로 완료하였다.

향후에는 연근해 양식장 등에 사용할 수 있는 소형 무인잠수정용 영상제어모듈을 개발하여 원격지 인터넷 상에서 제어가 가능하도록 영상제어 시스템을 구축해 보고자 한다.