Han-Sol Jin;Hyungjoo Kang;Min-Gyu Kim;Mun-Jik Lee;Ji-Hong Li
한국해양공학회지
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제38권4호
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pp.187-198
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2024
Autonomous underwater vehicles (AUVs) have a limited bandwidth for real-time communication, limiting rapid responses to unexpected obstacles. This study addressed how AUVs can navigate to a target without a pre-existing obstacle map by generating one in real-time and avoiding obstacles. This paper proposes using forward-looking sonar with an occupancy grid map (OGM) for real-time obstacle mapping and a potential field algorithm for avoiding obstacles. The OGM segments the map into grids, updating the obstacle probability of each cell for precise, quick mapping. The potential field algorithm attracts the AUV towards the target and uses repulsive forces from obstacles for path planning, enhancing computational efficiency in a dynamic environment. Experiments were conducted in coastal waters with obstacles to verify the real-time obstacle mapping and avoidance algorithm. Despite the high noise in sonar data, the experimental results confirmed effective obstacle mapping and avoidance. The OGM-based potential field algorithm was computationally efficient, suitable for single-board computers, and demonstrated proper parameter adjustments through two distinct scenarios. The experiments also identified some of challenges, such as dynamic changes in detection rates, propulsion bubbles, and changes in repulsive forces caused by sudden obstacles. An enhanced algorithm to address these issues is currently under development.
We consider the probelem of identifying and underwater vehicle. It is assumed that a priori information about the parameteric model structure and values of the hydrodynamic coefficients is available from some other schemes. The concept of relative esnsitivity is introduced to plan and efficinet identification procedure. An analysis of the sensitivity of the overall system to a particular hydrodynamic coefficinet provides a tool to evaluate the relative importance of the same coefficient in a particular maneuver. Then it can be made possible to reduce the filter size by selecting some dominatn hydrodynamic coefficients as parameters to be estimated for a given maneuver, and this fact may be used for establishing a gradual identification scheme. The main merit of a gradual identification is substantially reduced computer burden with increased nimerical stability. An illustrative simualtion result is given.
Recently, great improvements have been made in developing autonomous underwater vehicles (AUVs) using stateof- the-art technologies for various kinds of sophisticated underwater missions. To meet increasing demands posed on AUVs, a powerful on-board computer system and an accurate sensor system with an well-organized control system architecture are needed. In this paper, a new control system architecture is proposed for AUV, ORCA (Oceanic Reinforced Cruising Agent) which is being currently developed by Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering (KRISO). The proposed architecture uses a hybrid architecture that combines a hierarchical architecture and a behavior based control architecture with an evaluator for coordinating between the architectures. This paper also proposed a sensor fusion structure based on the definition of 4 categories of sensors called grouping and 5-step data processing procedure. The development of the AUV, ORCA involving the system architecture, vehicle layout, and hardware configuration of on-board system are described.
제어로봇시스템학회 1993년도 한국자동제어학술회의논문집(국내학술편); Seoul National University, Seoul; 20-22 Oct. 1993
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pp.516-521
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1993
In order to hold a underwater vehicle at a depth, we can modulate buoyancy that acts on the underwater vehicle. In this research, by using a ballon, we was able to generate buoyancy that could control depth in which vehicle was operate. And in order to control flux of air that was flowed in balloon, we used solenoid valve, relief valve and so on. We derived differential equations of volume of balloon, pressure of inside of balloon, dynamic of underwater vehicle, and air flux for the simulation and linearized these differential equation. So we designed LQG/LTR controller, and applied the controller to nonlinear system. Through the simulation, we compares the nonlinear system with the linear system and investigated the operation of solenoid valve.
제어로봇시스템학회 1993년도 한국자동제어학술회의논문집(국내학술편); Seoul National University, Seoul; 20-22 Oct. 1993
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pp.533-539
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1993
In this paper, two side-attack guidance laws for an underwater vehicle are considered. In order to find the guidance command, we first make use of the optimal guidance law with terminal impact angle constraint. Secondly, the optimal solution of tracking problem is used. This paper shows some brief theory which is used in deriving the side-attack guidance laws, and the method of computing these guidance laws. Simulations on underwater vehicle for a constant moving target prove that the suggested side-attack guidance laws have enhanced side attack performance over the optimal guidance law with miss distance weighting only. Furthermore, from simulation results. we conclude that the guidance law using the optimal solution of tracking problem is more efficient for the side-attack guidance than the optimal guidance law with terminal impact angle constraint.
One of the most difficult problems in depth control for underwater vehicle is the effect of seaway disturbance. When a underwater vehicle operates in a near surface environment, the seaway generates essentially two types of stochastic disturbances that influence the boat notion. One component of the seaway forces is of large magnitude with a relatively narrow-band, first order component. The other component is generally of somewhat smaller magnitude, second order component. Since the magnitude of the first order component is generally such greater than the compensating force that can be generating by the planes, it is undesirable for the controller to generate a control command. In this paper, we used LPC(Linear Predictive Coding) processing to uncontrollable seaway disturbance. This method can be used extensively in sensor signal processing of underwater vehicles.
In image processing and robotic applications, two-dimensional (2D) black and white patterned planar markers are widely used. However, these markers are not detectable in low visibility environment and they are not changeable. This research proposes an active and adaptive marker node, which displays 2D marker patterns using light emitting diode (LED) arrays for easier recognition in the foggy or turbid underwater environments. Because each node is made to blink at a different frequency, active LED marker nodes were distinguishable from each other from a long distance without increasing the size of the marker. We expect that the proposed system can be used in various harsh conditions where the conventional marker systems are not applicable because of low visibility issues. The proposed system is still compatible with the conventional marker as the displayed patterns are identical.
수중사석고르기 장비와 같은 착저형 수중장비를 활용하여 해저면에서 수중 작업을 수행할 경우 해당 장비는 작업경계면을 정확히 인식하고 작업장 내에 자리잡고 있는 것이 중요하다. 이는 장비 전복과 같이 장비 안전사고와 직결될 수 있기 때문이다. 이 때 작업경계면 표식을 위해서는 잠수부의 도움이 필수적인데, 이를 위하여 잠수부가 수중작업을 수행할 때 작업이 용이하면서도 시중에서 쉽게 구할 수 있으며 재료를 선정하는 것이 중요한데 나일론줄을 해저면에 설치하여 작업경계를 표시하도록 하였다. 수중에서 주변 환경을 관찰하기 위하여 소나와 팬틸트를 이용하여 소나시스템을 구성하였으며 이를 이용하여 거리변화에 따른 수중 작업경계면 탐지 여부를 확인하였다. 또한 수중사석고르기 장비에 최종적으로 소나시스템을 설치하고 나일론줄로 표시된 작업경계면에 대한 탐지여부를 검증하였다. 본 연구결과를 활용하여 착저형 수중장비를 이용한 수중작업 시 작업경계면 인식을 수행할 수 있는 방안을 확보하였다. 작업경계면 인식 방안을 활용할 경우 추후에 개발될 수 있는 다양한 종류의 착저형 수중작업 장비의 작업절차에 광범위하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
This paper presents a novel aided navigation method for AUV (Autonomous Underwater Vehicles). The navigation system for AUV includes several sensors such as IMU (Inertial Measurement Unit), DVL (Doppler Velocity Log) and depth sensor. In general, the $13^{th}$ order INS error model, which includes depth error, velocity error, attitude error, and the accelerometer and gyroscope biases as state variables is used with measurements from DVL and depth sensors. However, the model may degrade the estimation performance of the heading state. Therefore, the $11^{th}$ INS error model is proposed. Its validity is verified by using a degree of observability and analyzing steady state error. The performance of the proposed model is shown by the computer simulation. The results show that the performance of the reduced $11^{th}$ order error model is better than that of the conventional $13^{th}$ order error model.
This paper proposes a study for accurate surface localization system using DWT(Discrete Wavelet Transform) and GPS/INS fusion algorithm. Because the propagation in the underwater is not passed by characteristics of the medium unlike the ground, the sonar system like DVL is used instead of GPS. But since these systems are installed on the seafloor and operated, a long time is required for installation and navigation systems are limited outside of the range area. And it is difficult to estimate position in a three-dimensional considering the depth in actual marine environment. In this paper, before the development of underwater localization system, precisely estimated position system is proposed in a two-dimensional by developing surface localization system using removing noise and disturbance with DWT and relatively inexpensive GPS and INS sensor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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