A Basic Study of ROV System Design for Underwater Structure Inspection

수중 구조물 검사를 위한 ROV 시스템 설계 연구

Abstract

Recently, various tries to apply ROV (Remotely Operated Vehicle) into underwater are being developed. However, due to underwater environment uniqueness, the additional problem must be taken into account when designing an ROV for the inspection of the underwater structure. This is because a GPS-based information method cannot be applied, and the obtainable image is also dependent on the turbidity. Also, it is necessary to be able to satisfy waterproof and operating speeds in consideration of most practical application environments. This paper describes the design results of the ROV system for underwater structure inspection considering the above problems. The designed system applied INS / DVL for location recognition and was configured to support 3D mapping and stereo camera-based image information using sonar depending on visibility. To satisfy the waterproof, a pressure vessel using a composite material was applied. And over-actuated system using eight thrusters to maintain a stable posture and operating speed was applied also. The designed system was verified by structural analysis and flow analysis also.

1. 서론

국내는 삼면이 바다인 환경의 특수성으로 인해서 인천대교, 광안대교와 같은 초 장대 해상교량을 비롯하여, 보령해저터널과 거가대교 해저터널 등과 같은 육상수중 복합 구조물이 매우 많다[1]. 이러한 육상수중 복합 구조물은 육상뿐만 아니라 수중에 중요한 부분들이 있어 검사하기 매우 어렵다. 현재는 최초 정밀안전진단 시에만 수중검사를 진행하고, 바닷물에 항상 잠겨있는 수중시설은 4년에 1회 이상만 수중검사를 진행하는 상황이다. 이러한 수중검사는 잠수부에 의해 수중카메라로 촬영한 이후에, 별도의 구조 진단 전문가가 육상에서 영상을 확인하는 형태의 간접검사로 진행된다[2]. 그러나 국내 하천, 저수지, 바다는 탁도가 높아 영상 촬영을 위한 시야 확보가 어렵고, 잠수부에 의한 검사시간이 제약된다. 따라서 파손, 균열, 박리, 침식, 부식 등이 수반되는 구조물을 전체적으로 정밀 검사하기에는 한계점이 존재한다.

최근 들어 위와 같은 문제점을 보완하기 위해 원격조작로봇(ROV: Remotely Operated Underwater Vehicle)을 이용하여 수중구조물을 검사하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다[3]. ROV를 이용하면 검사 시간의 제약에서 벗어날 수 있으며, 실시간으로 영상을 확인하는 것이 가능하여 구조 진단 전문가가 직접검사를 진행 할 수 있기 때문이다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 일반적인 원격시스템과 달리 ROV시스템을 수중에서 운용하기 위해서는 여러 가지 추가적인 제약사항들을 고려해야 한다.

본 논문에서는 위와 같은 문제들을 고려한, 수중 구조물 검사용 ROV 시스템의 설계과정 및 기본적인 검증에 대해 기술한다. 설계한 시스템은 3D scanning Sonar와 스테레오 카메라를 함께 사용하여 영상정보를 획득하며, INS(Inertial Navigation System)와 DVL(Doppler Velocity Log)을 통합한 위치인식을 통해 자율주행이 가능하고자 하였다. 운용수심과 유속조건 등을 고려하여, CFRP로 프레임을 설계하였으며, 8개의 추진기를 이용한 과추력 시스템을 구성하였다. 설계한 시스템의 내압성능 및 운항속도는 전산해석을 통해 검토되었으며, 운용수심을 고려한 내압용기를 실제 제작하여 외압시험을 통해 검증하였다.

본 논문의 2장은 수중 구조물 검사를 위한 ROV 시스템의 사양 설계에 대해 기술하며, 3장에서는 설계된 사양을 구현하기 위한 시스템의 구성을 설명한다. 4장에서는 설계 검증을 위해 수행하였던 전산해석 및 시험결과를 제시하고, 마지막으로 5장에서는 고찰 및 향후 연구에 대해 제시한다.

2. 시스템 사양 선정

검사용 ROV 시스템의 가장 기본적인 사양은 수중에서의 구조물을 식별할 수 있는 센서 시스템과 관련한 것이다. 현재 대부분의 ROV 시스템은 해외의 심해 해양플랜트 시공 등의 목적으로 설계되어 비교적 탁도가 높은 국내 바다 환경에서 구조물 검사용으로 적용하기에는 매우 어렵다. 그림 1에서는 수중 구조물 검사의 대표적인 대상이 되는 수중 교각 모형을 실제 제작하여 촬영한 것이다. 모형은 해양로봇센터의 조파수조내의 최대 수심 8.8 m 지점에 설치하였으며, 검사시에 일반적으로 사용되는 수중 LED 조명과 수중 카메라를 이용하여, 거리를 달리하여 촬영하였다. 짙은 색의 도장이 되어 있음에도 불구하고, 설치 전 지상에서 촬영한 것과 달리 모형과의 거리가 10 m 만 되면, 형태를 전혀 확인할 수 없어, 검사 대상 물체의 특징을 파악하기 매우 어려운 것을 보여준다.

Fig. 1 Structure Model Image of Air and Underwater

또한 보완적으로 Sonar를 추가하여, 수중에서도 노출된 철근이나 콘크리트 마모 등을 확인하는 사례가 존재하지만[4], 국내 환경에서 비전문가가 일반적으로 활용하기에는 다른 제약이 있다. Sonar에서 취득한 이미지 자체가 그림 2와 같이 낮은 해상도와 난반사에 의해 노이즈 등이 포함되어 검사대상물을 직관적으로 인식하기 어렵기 때문이다. 따라서 작업자의 제한된 시야를 보조하며, 직관적으로 검사 대상물과 ROV 주변 정보를 습득할 수 있도록 3차원 시각화 기능을 기본 사양으로 설정했다.

Fig. 2 Obstacle Image of Camera and Sonar

두 번째로 시스템의 전체적인 크기와 중량을 결정하게 되는 ROV 시스템의 구조와 관련된 부분이다. 국내에서 수중구조물의 분포가 가장 높은 서해안 및 남해안의 수심은 평균 60 미터이며, 최대 수심은 약 200 미터[5]로, 해당 수심에서는 20 bar 이상의 수압이 존재한다. 또한, ROV의 경우 안전설계기준에 따라 최대 사용압력의 1.5배 이상의 압력시험 기준을 충족할 수 있어야 하므로[6], 설계하고자 하는 ROV 시스템은 30 bar 이상의 내압 구조설계를 필요로 한다. 또한 동시에, 별도의 전용 진수인양 장치가 없이 운용할 수 있도록 시스템 전체의 중량은 200 kg 미만의 경량화가 되어야 한다.

다음으로 안정적인 시스템의 운영을 위해 필수적인 것으로, ROV의 최대 운항속도와 위치인식 방법을 선정해야 한다. 일반적으로 사람이 직접 작업할 수 없는 빠른 유속의 수중 환경에서도 ROV를 운영할 수 있다고 오해하기 쉽다. 그러나, 해상의 선박에서 직접 진수와 인양을 해야하는 점, 최소 수백미터에서 최대 수천미터에 이르는 케이블에 의한 항력 등의 문제로 인해, 관련분야의 사실상의 표준을 제시하고 있는 IMCA (International Marine Contractors Association)에서는 유속에 따라 ROV 운영의 제한을 가이드하고 있다[7]. 따라서, 0.5∼1.0 m/s 의 불규칙적인 조류가 존재하는 국내의 운용환경을 고려하여 최대 운용속도를 1.0 m/s로 선정하였다. 위치인식을 위해서는 해양플랜트의 시공과 수중 토목공사 등에서 사용되는 LBL(Long-Baseline) 시스템이나 USBL(Ultra Short-Baseline)시스템은 고려하지 않았다. 이러한 방식은 그림 3에 나타낸 것과 같이 미리 알고 있는 정확한 위치에 사전에 Transponder를 설치해야 하거나, Transceiver를 부착한 전용선박이 별도로 필요하여, 국내 환경에서 검사 목적의 ROV 시스템에서는 적용하기 힘들기 때문이다.

Fig. 3 LBL and USBL System Configuration

지금까지 요소들을 고려하여, 국내 환경에서 비전문가도 운영가능한 구조물 검사용 ROV 시스템의 설계사양은 다음과 같이 정리할 수 있다. 첫 번째, 스테레오 카메라와 3D Sonar를 함께 구성하여, 점군 데이터(Point Cloud)형태로 취득한 원시데이터를 정합과정을 거쳐 3차원 지도형태로 나타낼 수 있어야 한다. 두 번째, 복합재료를 이용하여 비중량(specific weight)과 내압성(pressure-resistant)을 고려한 프레임이 제작되어야 한다. 마지막으로 유선형으로 설계된 외형은 충분한 추력을 가지는 추진기를 복수로 적용하여 최대 운항속도 이상의 항력(Drag Focre)을 가질 수 있어야 한다. 이때, 시스템의 위치정보는 INS(Inertial Navigation System)와 DVL(Doppler Velocity Log)을 통합하여 비 GPS 환경에서 사용할 수 있도록 한다. 이상을 만족할 수 있게 선정한 하드웨어의 구성은 표 1과 같다.

Table 1. Main Parts List

3. 시스템의 구성 및 설계

3.1 통신부와 전력부의 구성

구조물을 검사하기 위한 시스템의 목적에 가장 필요한 영상정보와 제어정보의 전송을 위해서는 테더 케이블(Tether Cable)을 이용하였다. 이때, 일반적인 최대 작업수심인 200 m를 고려하면, 실제적인 케이블의 길이는 300 m 이상이 필요하다[8]. 따라서 이러한 케이블 거리로 인한 데이터 손실을 최소화하기 위해서 광섬유를 이용하였다. 그림 4에 나타낸 바와 같이 제한된 대역폭으로 인해, 빠른 응답이 필요한 제어는 플랫폼 내부에서 직접 수행하되, 검사 영상 정보와 3D Mapping 데이터는 육상으로 전송하도록 구성하였다.

Fig. 4 Communication Structure

또한 수중에서 시스템은 테더 케이블을 통해 전력을 공급받게 된다. 앞서와 같이 긴 거리로 인한 전압강하를 고려하여, 높은 전압을 사용하고, ROV 무게 경량화를 위해 육상에서 DC전력을 공급하기 위해 그림 5와 같이 380VAC 3상 전압을 330 VDC으로 변환하여 공급할 수 있도록 전력부를 구성하였다.

Fig. 5 Power Distribution Configuration

3.2 제어 및 추진 시스템의 설계

본 연구에서는 그림 6과 같은 제어시스템을 구성하였다. 여기서 INS, DVL, Depth Sensor 에 의해 계측된 플랫폼의 현재 X, Y, Z, Roll, Pitch, Yaw 정보뿐 아니라 3D Sonar를 이용한 Mapping 및 경로 추정 값도 제어입력으로 이용하도록 하였다. 이러한 개별 추진기들의 구동에 의해 발생하는 추진력들이 원하는 위치와 자세를 유지할 수 있도록 하는 제어력으로 작용하게 된다.

Fig. 6 Control Block Diagram

이론적으로, 6자유도의 운동체를 제어하기 위해서는 적절히 배치된 6개의 추진기로 제어가 가능하다. 그러나 본 연구에서는 구조물 검사를 위한 안정적인 운동 제어를 위해 4개의 수평추진기와 4개의 수직추진기를 이용한 과구동 시스템을 적용하였다. 따라서 8개 추진기의 추진력들을 적절히 분배하는 것이 필요하며, 추진력 분배를 위한 제어력 분배식은 식(1)과 같이 정리할 수 있다[9].

τ_c = C_TF ;

τ_c = [F_x F_y F_z M_x M_y M_z]^T

F = [F₁ F₂ F₃ F₄ F₅ F₆ F₇ F₈]^T       (1)

여기서 τ_c는 ROV 시스템의 운동제어를 위해 필요한 제어력 벡터이며, F 는 8개 추진기들의 추력벡터를 나타낸다. 또한 C_T 는 추력벡터와 제어력벡터 사이의 관계를 나타내는 추력분배 행렬로써, 그림 7에 나타낸 추진기들의 기구학적 배치정보를 이용하면 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.

\(\begin{align}C_{T}=\left(\begin{array}{cccccccc}\cos \theta_{v} & \cos \theta_{v} & -\cos \theta_{v} & -\cos \theta_{v} & 0 & 0 & 0 & 0 \\ \sin \theta_{v} & \sin \theta_{v} & \sin \theta_{v} & \sin \theta_{v} & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ -c_{w} \sin \theta & -c_{w} \sin \theta & c_{w} \sin \theta & c_{w} \sin \theta & \bar{b}_{5} & -\bar{b}_{6} & -\bar{b}_{7} & \bar{b}_{8} \\ -c_{w} \cos \theta & -c_{w} \cos \theta & c_{w} \cos \theta & c_{w} \cos \theta & -\bar{a}_{5} & -\bar{a}_{6} & \bar{a}_{7} & \bar{a}_{8} \\ \bar{l}_{1} & \bar{l}_{2} & \bar{l}_{3} & \bar{l}_{4} & 0 & 0 & 0 & 0\end{array}\right)\end{align}\)       (2)

where \(\begin{align}\bar {b}_5 = b_v + b_w\end{align}\), \(\begin{align}\bar {b}_6 = b_v - b_w\end{align}\), \(\begin{align}\bar {b}_7 = b_v + b_w\end{align}\), \(\begin{align}\bar {b}_8 = b_v - b_w\end{align}\),

\(\begin{align}\bar {a}_5 = a_v - a_w\end{align}\), \(\begin{align}\bar {a}_6 = a_v - a_w\end{align}\), \(\begin{align}\bar {a}_7 = a_v + a_w\end{align}\), \(\begin{align}\bar {a}_8 = a_v + a_w\end{align}\)

\(\begin{align}\bar{l}_{1}=\left(b_{h}+b_{w}\right) \cos \theta_{h}+\left(a_{h}-a_{w}\right) \sin \theta_{h}\end{align}\), \(\begin{align}\bar{l}_{2}=- \left(b_{h}-b_{w}\right) \cos \theta_{h}-\left(a_{h}-a_{w}\right) \sin \theta_{h}\\\end{align}\),

\(\begin{align}\bar{l}_{3}=- \left(b_{h}+b_{w}\right) \cos \theta_{h}-\left(a_{h}+a_{w}\right) \sin \theta_{h}\\\end{align}\), \(\begin{align}\bar{l}_{4}=\left(b_{h}-b_{w}\right) \cos \theta_{h}+\left(a_{h}+a_{w}\right) \sin \theta\end{align}\)

Fig. 7 Thruster Configuration

본 연구에서는 8개의 추진기를 이용한 과구동 시스템으로 설계하였으므로, 6자유도의 제어입력 τ_c을 발생시키기 위한 추력벡터 F는 무수히 많이 존재할 수 있다. 따라서 이러한 과구동 시스템에 대한 해를 구하기 위한 최적화를 통해 추력벡터를 결정하는 과정이 추가적으로 필요하다. 소비되는 에너지를 최소화하는 최적해를 구하면 각 추진기에 필요한 추력벡터 F는 식(3)과 같이 의사 역행렬 C^†_t을 통해 구할 수 있다[10].

τ_c - C_tF = 0

F = C⁺_tτ_c       (3)

4. 전산 해석 및 내압 시험

제안하는 시스템의 구성 및 설계가 선정된 사양을 만족할 수 있는지를 확인하기 위해 검증을 수행하였다. 앞 절에서 논의된 바와 같이 제안하는 ROV 시스템은 30 bar 이상의 내압성능을 만족할 수 있어야 한다. 이는 기본적으로 시스템의 전체적인 크기와 중량을 결정하게 되며, 전장부를 보호하는 내압용기가 핵심부분이다. 본 연구에서는 비강도와 밀도를 고려하여, 그림 8과 같이 알루미늄(6061 T6)과 CFRP를 동시에 사용하여 2개의 내압용기를 설계하였다. 전력분배보드용 내압용기와 달리 제어보드용 내압용기에는 영상 카메라가 추가되어야 하므로 PMMA(polymethyl methacrylate) 재질의 돔 형태가 추가되는 복합형상을 지니고 있다.

Fig. 8 Shape and Material of Pressure Vessel

표 2 에 나타낸 재료별 물성치[11]를 이용하여 Midas 사의 MESHFREE를 이용하여 그림 9와 같이 구조해석을 수행하였다[12]. 물체의 파괴를 가장 정확하게 예측하는 기준으로 알려져 있는 본마이제스 응력(von Mised stress)를 기준으로 검토 하였다.

Table 2. Material Properties for Analysis

Fig. 9 Structural Analysis of Pressure Vessel

30 bar의 외부압력을 인가하였을 경우, CFRP 부분은 최대 응력 79.0 MPa, 알루미늄 부분은132 MPa의 결과를 얻었다. 이는 표 2에 나타낸 인장응력 대비 각각 15.2%, 42.5% 로, 충분한 구조강도를 만족할 수 있음을 알 수 있다. 구조적으로 가장 취약할 것으로 생각되는 PMMA 재질의 돔 부분은 그림 10에 응력분포와 변위분포를 보다 상세히 나타내었다.

Fig. 10 Stress(a) and Deformation(b) of Dome

최대 응력은 21.2 MPa 로 인장 응력의 27.9%로 해석되어, 30 bar 의 환경에서 내압성능을 만족할 수 있음을 확인하였다.

다음으로는, 설계된 외형 및 추진시스템이 최대 목표 속도를 만족할 수 있는지 검증하였다. 제안하는 시스템은 1 m/s 이상의 속도에서 발생하는 항력 이상의 충분한 추력을 가질 수 있어야 한다. 항력 크기를 유추하기 위해 간략화된 외형을 가지고 그림 11과 같이 유동해석 모델 및 경계조건을 설계하였다.

Fig. 11 Flow Analysis Conditions

Madis 사의 NFX를 이용하여 유동해석은 수행하였다. 유속 1m/s 환경에서 외형 주변의 유동장이 그림 12와 같이 나타났으며, 이때 전방 최대 항력이 28.05 Kgf 로 나타났다. 본 연구에서는 그림 7에 나타낸 것과 같이 4개의 수평 추진기를 45도 방향으로 대칭하게 구성되어 있으며, 표 2에 따르면 전방에 배치한 2개 추진기의 정회전시 최대 추력이 25 Kgf, 후방에 배치한 2개 추진기의 역회전시 최대 추력이 14.5 Kgf 이므로, 직진 방향 최대 추력은 55.8 Kgf 이다. 이는 목표 속도 1 m/s 에서의 최대 항력 보다 두 배 가량 높은 값으로, 추진기의 효율을 고려하더라도 목표 속도를 충분히 만족할 수 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 12 Fluid Flow for CFD at 1m/s

마지막으로, 지금까지의 해석 결과를 기반으로 전장 부를 보호하는 2개의 내압용기를 직접 제작하여 내압시험을 수행하였다. 시험은 해양로봇센터의 외압시험기를 이용하여, 그림 13 에 나타낸 것과 같이 30bar 이상의 압력을 30분간 유지하면서, 이상 유무를 확인하는 방법으로 수행되었다. 시험 종료 후 내압용기는 외형 변화 및 내부 누수가 발견되지 않았으며, 설계 목표였던 수심 200m의 내압성능을 만족함을 확인할 수 있었다.

Fig. 13 Pressure vessel in chamber

5. 결론 및 향후 연구

지금까지 수중 구조물 검사용 ROV 시스템의 설계과정 및 기본적인 검증 과정을 기술하였다. 특히 국내 환경에 적합한 ROV 시스템의 사양의 선정을 논의하였으며, 선정된 사양을 구현하기 위한 시스템의 설계 과정을 소개하였다. 설계 결과는 전산 해석 및 압력시험을 통해 목표한 운용수심 조건과 최대 속도를 만족할 수 있음을 검증하였다.

최종적으로 설계한 시스템은 그림 14과 같이 제작 할 예정이다. 본 연구에서 검증한 바와 같이 비강도와 밀도를 고려한 CFRP를 이용한 경량 유선형 구조와 안정적 동작을 위한 과 추진 시스템을 특징으로 하고 있다. 또한. 스테레오 카메라와 소나를 동시에 적용하여, 저시야 환경을 극복할 수 있는 매핑 정보 생성 및 주행 알고리즘 연구를 계속 진행할 계획이다.

Fig. 14 Underwater Robot Concept Design