Underwater Guidance System for AUV using Optical Sensor Array

광센서 배열을 이용한 무인잠수정의 종단유도장치 시스템

Abstract

In this paper, a new study was performed on the docking of AUV to docking station using light and light sensor system under the water. For this, a guiding system for AUV loading sensor system composed of lense, light sensor, signal processor, and processor and docking system with LED are proposed. An analysis on light sensor system and light-collecting lense to obtain accurate relative angle and measurement accuracy was performed. To prove this, the system was built and a basic experiment was performed. Finally, the feasibility of the developed docking system was verified the test in the water tank.

본 논문에서는 수중에서 광과광센서를 이용하여 AUV의 도킹스테이션에의 도킹에 대한 새로운 연구를 하였다. 이를 위해 LED를 유도광원으로 사용하는 도킹스테이션과렌즈, 광 변위센서, 신호처리기, 연산처리기로 구성된 센서시스템 무인잠수정에 장착한 무인잠수정의 종단유도장치 시스템을 제안하였다. LED 복사광을 이용해 정밀한 상대각도 측정 정밀도를 얻을 수 있도록 집광렌즈 및 광센서 시스템의 원리해석과 이를 검증하기 위해 집광렌즈와 광센서 시스템을 직접 제작하고 기초실험을 수행하였으며 제작한 광학센서를 이용한 AUV와 도킹시스템을 제작하고 수조에서 기본적인 도킹시험을 수행하여 새로운 도킹 방법으로의 가능성을 검증하였다.

그림 1. 집광렌즈의 지향성을 이용한 상대각도 측정원리 Fig. 1. The principle of relative angle measurement using directivity of a condensing lens.

그림 2. 집광렌즈 및 광센서의 좌표계 설정 Fig. 2. Coordinate system setting of the condensing lens and the optical sensor.

그림 3. 광원 모듈부의 세부구조 Fig. 3. The detailed structure of the light source module part.

그림 4. 광원의 변조 및 고유 ID의 인식 과정의 예시 Fig. 4. An example of the process of recognition of the modulation and unique ID of the light source.

그림 5. 광센서 부의 세부구조 Fig. 5. The detailed structure of the optical sensor part.

그림 6. 광원의 변조 및 고유 ID의 인식 과정의 예 Fig. 6. An example of the process of recognition of the modulation and unique ID of the light source.

그림 7. 렌즈의 특성Fig. 7. Characteristics of Lens.

그림 8. 광센서 하우징의 설계 Fig. 8. Design of optical sensor housing.

그림 9 제작한 광원모듈부의 외형 Fig. 9. The appearance of the manufactured light source module part.

그림 10. 제작한 광센서부의 내부모습 Fig. 10. Internal view of the manufactured optical sensor part.

그림 11. 제작한 광센서부의 외형 Fig. 11. The appearance of the manufactured optical sensor part.

그림 12. 광센서 시험장치의 구조 Fig. 12. Structure of optical sensor experiment device.

그림 13. 광센서 시험 사진 (1) Fig. 13. Photograph of optical sensor experiment (1).

그림 14. 광센서 시험 사진 (2) Fig. 14. Photograph of optical sensor experiment (2).

그림 15. 광센서 시험 결과 Fig. 15. Result of optical sensor experiment.

그림 16. 광학식 도킹유도 시험을 위한 무인잠수정의 구성도 Fig. 16. Constitution of AUV for optical docking guidance experiment.

그림 17. 도킹스테이션의 구조 Fig. 17. Structure of docking station.

그림 18. 도킹스테이션 유도 절차 시나리오 Fig. 18. The scenario of docking station induction procedure.

그림 19. 도킹 상황 (1) Fig. 19. Situation of docking (1).

그림 20. 도킹 상황 (2) Fig. 20. Situation of docking (2).

그림 21. 광유도 실험 Fig. 21. Light guidance experiment.

표 1. 광학센서 시스템의 성능결정요소 Table 1. Performance determinants of optical sensor systems.

표 2. 광센서 배열 값의 변화를 판단하는 기준표 Table 2. A reference table for judging a change in the optical sensor array value.