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공학석사 학위논문

KAUV-1의 기구부 설계 및 동역학 해석

A Mechanism Design and Dynamics Analysis of KAUV-1

지도교수 최 형 식

2012 년 2 월 한국해양대학교 대학원

기 계 공 학 과

엄 태 웅

本 論文을 嚴台雄의 工學碩士 學位論文으로 認准함.

위 원 장 정 재 현 (인)

위 원 최 형 식 (인)

위 원 조 종 래 (인)

2012 년 2 월

한국해양대학교 대학원

목 차

Abstract 그 림 목 차 표 목 차

제 1 장 서 론 8 1.1연 구 배 경 8

1.1연 구 목 적 및 범 위 9 제 2 장 KAU V -1의 설 계 10

2.1 KAU V -1의 개 념 설 계 시 고 려 사 항 10 2.2 KAU V -1의 선 체 제 원 11

2.3 KAU V -1의 내 부 형 상 및 배 치 13 2.4 KAU V -1의 선 체 설 계 14

2.4.1 선 수 부 설 계 14 2.4.2 중 앙 부 설 계 15 2.4.3 선 미 부 설 계 25 2.4.4 수 중 추 진 체 설 계 27

제 3 장 KAU V -1의 수 중 추 진 체 C FD 해 석 34 3.1 추 진 체 의 해 석 및 계 산 격 자 34

3.2 해 석 조 건 및 경 계 조 건 35 3.3 C FD 해 석 결 과 및 고 찰 35 제 4 장 KAU V -1의 동 역 학 39

4.1 KAU V -1의 기 구 학 39 4.2 KAU V -1의 운 동 방 정 식 41 4.2.1 오 일 러 각 도 41

4.2.2 선 형 속 도 변 환 42 4.2.3 각 속 도 변 환 42 4.3 KAU V -1의 동 역 학 44 제 5 장 결 론 47

참 고 문 헌 48

A mechanism design and Dynamics analysis of KAUV-1

TaiWoong Uhm

Department of Mechanical Engineering Graduate School, Korea Maritime University

Abstract

T his pa per p res ent fo r t he d evel opm ent of the KAU V -1. T he hu ll of the KAU V -1, ba s ed on the m inia tu riza ti on a nd m odu la riza ti on were produ c ed. Pa rt of the n os e a nd ta il of KA U V -1 in orde r to redu c e the res is ta nc e o f the f lu id e qu a tions u s ing M y ring-pr of ile wa s des igne d.

T he m os t im porta nt fea tu re of the KAU V -1 by c onventiona l ru dder c ontro l the AU V ori enta tion, c om pa red to the wa y tha t the tra ns iti on KAU V -1, c enter o f gra vity t o a d ju s t the a c tu a tor a nd t he va r ia ble u nderwa ter pr opu ls ion is c ha ra c teriz ed b y c ontroll ing the di rec tion of the tra ns iti on. C FD a na ly s is wa s to ver ify the eff ic ienc y of propu ls i on throu gh the wa ter. Dy na m ic s throu gh the KAU V -1 rec ogniz e the c ha ra c ter is tic s of th e s im u la ted exerc is e .

그림목차

Fig.2.1 KAU V -1 11

Fig.2.2 Dim ens ion of KAU V -1 12

Fig.2.3 Equ ipm ent na m e of KAU V -1 13 Fig.2.4 N os e pa rt o f KAU V -1 14

Fig.2.5 W a ter pro of s t ru c tu re o f nos e pa r t 15 Fig.2.6 DV L ro om 16

Fig.2.7 L a y ou t o f equ ipm ent 17

Fig.2.8 Pa rtit ion p la te a nd ba s e pla te o f t he c onnec tion 18 Fig.2.9 Su ppor t of ba s e pla te 19

Fig.2.10 W a terp ro of of m iddl e pa rt 19

Fig.2.11 T igh tening of c la m p with KAU V -1 20 Fig.2.12 T igh tening of G PS & Antenna 21

Fig.2.13 T he a c tu a l s ha pe of t he GPS & A ntenna 22 Fig.2.14 T he wei ght o f c ont rol a c tu a to r of weight 22 Fig.2.15 T he c ente r o f g ra vity of KAU V -1 23

Fig.2.16 V er tic a l m otion of KAU V -1 23 Fig.2.17 T a il pa r t of KAU V -1 25

Fig.2.18 Ru d der of KAU V -1 26 Fig.2.19 Dim ens ion of ru dder 26 Fig.2.20 Pr opu ls ion of u nde rwa ter 27

Fig.2.23 T ef lon l ips ea l 31

Fig.2.24 C y linde r o f m a xon m oto r 31 Fig.2.25 Stru c tu re of m a gnetic c ou ple r 33 Fig.3.1 3D m ode ling of p ropu ls i on 34

Fig.3.2 G rid of th e c om pu ta tiona l dom a in 34 Fig.3.3 M u ltip le Fra m e Ref erenc e 35

Fig.3.4 V eloc ity a nd p res s u re d is tribu t io n on the pr opel ler pla ne 37

Fig.3.5 V el oc ity a nd pres s u re dis tri bu tio n on the m id-s ide p la ne 37

Fig.3.6 V o rtex a nd s tea m -line on the m id -s ide pla ne 37 Fig.4.1 Ea rth- fixed a nd body -f ixed c oo rdi na te s y s tem 39

표목차

T a ble. 2.1 Da ta of KAU V -1 12 T a ble. 2.2 Da ta of nos e pa rt 14 T a ble. 2.3 Da ta of m iddle pa rt 17 T a ble. 2.4 Fu nc tion o f the dev ic e 17

T a ble. 2.5 Spec if ic a tions of 6W m a xon m o tor 24 T a ble. 2.6 Spec if ic a tions of L M a c tu a tor 2 4 T a ble. 2.7 Da ta of ta il pa rt 25

T a ble. 2.8 Spec if ic a tions of rx -m otor 28

T a ble. 2.9 Spec if ic a tions of 200W m a xon m otor 32 T a ble. 2.10 Spec if ic a tions of m a gnetic c o u pler 33 T a ble. 3.1 C FD res u lts fo r f orwa rd dir ec ti on 36 T a ble. 3.2 C FD res u lts fo r ba c kwa rd di rec tion 36 T a ble. 4.1 6 D.O.F m oti on of KAU V -1 40

제 1 장 서론

1.1 연구 배경

과학이 발달함에 따라 로봇 기술의 엄청난 발전이 가능하게 되어 이제 지구를 벗어 나 우주의 미지의 영역까지 탐사가 가능하게 되었다. 그 중 지구 표면의 70%를 차지 하고 있는 바다는 인류가 살고 있는 터전보다 훨씬 많은 공간을 지니고 있을 뿐만 아 니라, 그 안에 담긴 자원의 활용성은 우주 못지 않게 무한하다. 하지만 바다에 대한 정 확한 정보를 가지고 있지 못하다. 바다를 탐사하기 위해서는 많은 기술이 필요하다. 바 다 밑 심해까지 탐사하기 위해서는 엄청난 바닷물의 압력과 높은 염분 밀도, 그리고 빛 한 점 들어오지 않는 어둠 등의 자연환경을 극복해야 한다.

바다 탐사를 위한 과학 기술로는 무인 잠수정이 있다. 무인 잠수정은 크게 2 종류로 구분 할 수 있는데 ROV(Remotely Operated Vehicle)와 AUV(Autonomous Underwater Vehicle)이 있다.[1] 이 중 본 논문에서는 AUV를 주제로 정하고 연구를 하고자 한다. AUV는 자신의 위치와 자세 그리고 주위 환경변화를 감지 할 수 있는 센 서를 통하여 스스로 데이터를 인지한 후 주행경로를 자율적으로 설정하고 주어진 임무 를 수행하는 자율성을 지니는 무인 잠수정을 말한다.

무인 잠수정의 형태는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 항해 형으로 비교적 넓은 영역을 조사하기 위해 빠른 속도를 요구하는 잠수정의 형태이다. 이러한 형태는 선체의 유체저항을 최소화하기 위해 유선형의 선체로 제작되며, 종축 방향의 주 추진 기를 이용하여 운동을 제어한다. 두 번째는 항해 영역보다는 해저나 수중 구조물 등의 정밀 조사를 목적으로 하여 자기 위치 유지 및 자세제어에 용이하도록 추진기를 이용 해 6자유도 운동제어에 적합하도록 각도를 가지고 배치한 형태를 들 수 있다.[]

AUV가 수행 가능한 임무는 크게 민간용과 군수용으로 나눌 수 있다. AUV는 민간용 으로 심해ㆍ생물 생태계조사, 심해 생명 과학연구, 해저 지질학 연구, 해양 자원조사 등의 해양 과학조사와 해양 구조물 설치, 해저 모니터링, 해저 에너지 개발, 해저 구난, 해저 지진 감시, 해저 석유 산업 분야와 해저 광통신 선로 공사 등에 활용 가능하며, 군사용으로 적 잠수함 탐색 및 추적, 기뢰를 탐색하고 식별하여 제거하는 기뢰전, 적 해역 깊숙이 침투하여 각종 정보를 획득하는 정보전, 그리고 각 해역에서 해전에 필요

한 해양의 물리적 정보를 수집하는 해양 자료 수집의 역할을 수행 할 수 있다.[2]

이처럼 활용도가 우수한 AUV는 이미 세계 각국에서 많은 연구/개발이 이루어지고 있 다. 이에 우리나라도 AUV의 개발에 늦게나마 참여하여 대우중공업에서 1996년 러시 아로부터 6,000m급 AUV의 기술을 도입하여, 중요기술을 확보 ‘옥포 6000’을 개발하 였으며, 2001년부터 해양수산부의 6,000m급 무인 잠수정 개발 사업이 진행되어 2006 년 ‘해미래’ 및 ‘이심이’등을 개발하였다.[3] 또한 한국 원자력 연구소에서도 원전의 주 요 시설에 대한 감시와 점검을 위한 잠수정이 개발되어 운용되고 있다. 방사능에 대한 위험에 노출되어 있어 방사능에 내구성이 강한 무인 잠수정을 개발하여 사용하고 있 다.[] 최근에는 삼성 탈레스에서 한국해양대 지능로봇 및 자동화 실험실, 부경대와 협 력하여 ‘보토’라는 AUV를 개발하였다.

1.2 연구 목적 및 범위

연구배경에서 알 수 있듯이 AUV는 다양한 역할을 수행 할 수 있다. 이에 AUV를 설계/제작 함에 있어 AUV에 주어질 역할이 무엇인지를 정하는 것이 중요하다. 본 논 문에서 다루어질 AUV를 ‘KAUV -1’라 칭하도록 하겠다.

KAU V -1는 기본형으로 탑재된 센서를 통해 자기위치와 자세, 운항 성능을 주 역 할로 정하였고, 이를 바탕으로 연구 목적은 수밀구조, 운항에 적합한 선체 형상과 제어 시스템, 기존의 AUV와 다른 방식의 선회 및 상하 운동 방식의 효율성, 자체 개발한 수중 추진체의 성능 등을 실험을 통해 검증하도록 하겠다.

총 중량은 KAU V -1의 외부 선체와 내부에 구성되는 기구부 및 제어부, 배터리, 센서 등의 중량을 모두 합한 중량이고, 최대 잠수 깊이는 KAU V -1의 수밀 정도에 따라 결 정되고, 속도는 KAU V -1의 항력과 자체 개발한 수중 추진체의 추력에 의해 결정된다.

본 논문에서는 KAUV -1의 선체 설계를 비롯해 KAU V -1의 내부에 구성되는 제어 시스템 그리고 KAU V -1의 동역학 해석을 다룬 내용과 성능 시험에 대해 서술하겠다.

제 2 장 KAUV-1의 설계

2.1 KAUV-1의 개념설계 시 고려사항

본 논문에서 설계/제작하는 KAUV -1의 설계조건은 다음과 같다.

하나, 실제 해수 해역에서 실험하는데 있어 이동이나 인양이 가능하도록 공기 중 무게 21.5kgf 정도의 수준으로 최대한으로 소형으로 설계/제작하도록 한다.

둘, 예측되는 수압을 충분히 견딜 수 있는 수밀 방식과 KAU V -1의 기구부적으로나 제어시스템적으로 확장 혹은 축소될 경우를 고려해 선체부를 격벽(Partition)하여 이와 같은 상황에 용이하도록 설계한다.

셋, KAUV -1의 속도는 약 5knot 정도로 60분 가량 운항이 가능하도록 설계하고, 수 밀구조는 수심 약 100m의 압력을 견딜 수 있도록 한다.

넷, 선체의 외형에서 선수부와 선미부는 Myring profile의 방식을 이용하여 운항에 있 어 용이하고 추진력을 높이며, 선체가 받는 유체저항계수를 최소화하고 안정적으로 설 계하도록 한다.

다섯, 탑재되는 주 처리 컴퓨터와 각종 센서들은 KAU V -1가 정확하고 안정적인 능력 을 발휘할 수 있도록 시스템을 구성한다.

여섯, 탑재되는 장비나 시스템의 고장 및 오작동의 빈도를 최소화하고 신뢰성을 높이 고, 성능이 검증된 장비를 선정하여 KAUV -1의 실험에 있어 보다 안정적이고 효율적 인 효과를 가질 수 있도록 설계한다.

2.2 KAUV-1의 선체 제원 KAU V -1는 Fig. 2.1와 같다.

Fig. 2.1 3D KAU V -1

KAU V -1의 선체는 크게 선수부, 중앙부, 선미부로 나누어진다. 선수부와 선미부는 항 력을 최소화하고 운항에 있어 도움이 되도록 Myring profile을 이용해 제작하였고, 중 앙부와 각각 연결하는 구조를 지니고 있다. 중앙부 또한 수압에 잘 견딜 수 있고, 충분 한 공간을 가지도록 원통형 구조로 제작하였다.

Fig. 2.2는 KAUV -1의 치수를 나타내었다.

Fig. 2.2 Dimension of KAUV-1

선수부의 길이는 146mm, 중앙부의 길이는 1027.5mm, 선미부의 길이는 327mm로 총 길이는 1500.5mm이다. KAU V -1의 총 중량은 약 21.5kgf이며, 부력은 약 23.6kgf이 다. 약 2.1kgf의 양성부력을 가지고 있다.

KAU V -1는 3D Modeling은 CATIA V5라는 프로그램을 사용하여 설계하였고, 2D 설 계 도면은 Auto CAD를 사용하였다. 선체를 구성하는 있는 재질은 AL6061, SUS304, PE, MC-NYLON을 선택하여 제작하였다.

KAU V -1의 선체의 총 길이(L)과 선체의 직경(D), 선체 중량(W)과 부력(B)은 Table.

2.1과 같이 정리하였다.

Table. 2.1 Data of KAUV-1

Parameter L D W B

Value 1500.5 180 21.5 23.6

Description Overall length Diameter Weight Buoyancy

Remark mm mm kgf Kgf(ρ =1024)

2.3 KAUV-1의 내부 형상 및 배치

Fig. 2.3 Equipment name of KAUV -1

KAU V -1의 내부와 탑재되는 장비의 배치는 Fig. 2.3과 같다. 탑재장비의 배치는 전장 부의 배선과 센서장비가 노이즈에 노출되는 정도를 고려하여 결정하였으며, 무게중심 이 선체의 중앙에 올 수 있도록 좌우대칭을 고려하여 배치하였다.

2.4 KAUV-1의 선체 설계

2.4.1 선수부 설계

Fig. 2.4 Nose part of KAUV-1

KAU V -1가 해수에서 운항하는데 있어 맨 먼저 해수와 부딪치며 앞으로 나아가야 하 는 부분이 선수부이다. 이에 선수부는 해수의 저항을 최소한으로 하는 구조를 가져야 하므로, 선수부를 Myring profile을 적용해 설계/제작하였으며 Fig. 2.4와 같다. 선수부 의 Myring Profile의 식은 식(2.1)과 같다.[]

2 1 2

) ) ( 1 2 (

) 1 (

1 a

a d x

x

KAUV -

_head

= ´ ´ - -

(2.1)

선수부와 관련된 제원은 Table2.2와 같다.

Table 2.2 Data of nose part

Length 146mm

Tickness 10t

Mass 0.65kg

Material Poly Ethylene

Fig 2.5 Waterproof structure of nose part

선수부 내부의 방수를 위하여 덮개를 볼트로 체결하고 덮개에 O-ring을 부착하여 수밀 이 가능하도록 설계하였다. 이처럼 각 부분을 격벽(Partition)이 가능하도록 설계하여 각 부의 체결이나 교체에 용이하도록 하였다.

2.4.2 중앙부 설계

중앙부는 DVL 실과 전장부로 나누어진다. DVL 실의 체결 모습은 다음 Fig 2.6과 같다.

DVL의 전체 이름은 Doppler Velocity Log이다.

Fig 2.6 DVL room

DVL(모델명:NavQuest600M)은 연속적 초음파를 사용하여 거리방향의 속도 분포를 얻 을 수 있는 기능을 지닌 장비이다.

전장부에는 KAUV -1의 센서와 추진기 및 무게추 제어 모터 등에 전력을 공급하는 배터리가 탑재되며, 각종 센서의 제어보드, PC가 탑재되는 공간이다.

중앙부와 관련된 제원은 Table2.3 와 같다.

Table2.3 Data of middle part

Length 1027.5mm

Tickness 6t

Mass 7.095kg

Material AL6061

Fig 2.7 L a y ou t of equ ipm ent

전장부에 탑재되는 장비의 기능은 Table2.4 과 같다.

Table2.4 Function of the device Equipment Functions

PC Small computer or PDA that can be used for real-time operating system, Microsoft Windows products

Battery 1,2,3 Using an external power supply that uses semi-permanent

Thruster Motor Controller

A device that converts torque to thrust

Weight Control Motor

Weights to control the motor, using weights, run-down motion

IMU Sensor Inertial measurement units

Depth Sensor As a sensor to measure hydrostatic pressure of knowing the depth of the device

Board 1,2 The performance of various sensors and controls to be able to use the device to aid

전장부의 장비는 고정 지지대와 볼트에 의해서 체결된다. 전장부의 Base Plate는 격벽 (Partition)되어 있는 Plate에 볼트에 의해 체결된다. Base Plate의 연결은 다음 Fig.

2.8 과 같다.

Fig. 2.8 Partition plate and base plate of the connection

Base Plate는 고정/분리가 가능하도록 설계하여 전장부에 대한 작업을 수행 시 편리하 게 작업이 가능하도록 하였고, 아래 Fig. 2.9에는 Base Plate에 움직임이나 충격을 방 지/완화시키기 위해 Base Plate 중간과 끝 부분에 지지대를 설치하였다. 지지대의 끝 부분은 중앙부 원통형 실린더의 내경을 고려해 설계하였다.

Fig. 2.9 support of base plate

DVL 실의 벽(Plate)이면서 격벽(Partition Plate)인 부분에 O-ring 자리를 내어 방수하 는데 사용 하였다. 전장부는 중요한 부분이므로 2중 O-ring의 수밀 구조를 지니도록 설계하였다. 이런 구조는 선미부와 연결되는 부분과 동일하다.

Plate에 있는 O-ring 자리에 O-ring을 넣고 각 연결부끼리 부착하여 면압을 이용하여 수밀이 되도록 한 후 연결부에 결합될 클램프를 이용해 각 부를 체결한다.

Fig. 2.11 Tightening of clamp with KAUV-1

클램프는 Plate의 외부 사다리꼴 모양에 맞게 설계하여 볼트를 이용하여 각 Plate를 고정할 때 부드럽게 고정이 가능하도록 하였다.

아래의 Fig. 2.12은 KAUV -1의 중앙부 후미에 GPS와 안테나가 고정되는 부분이다.

GPS와 안테나 연결 부분에 GPS와 안테나의 지름에 맞는 너비에 두께 1mm의 D-Cut 을 내어 연결에 용이하도록 하였다.

Fig. 2.12 Tightening of GPS & Antenna

아래의 Fig. 2.13은 GPS와 안테나의 실제 모습이다. GPS와 안테나 역시 수밀에는 O-ring이 사용된다. 중앙부의 원통형 실린더에 부착한 후 너트를 이용해 고정을 한다.

Fig. 2.13 The actual shape of the GPS & Antenna

아래의 Fig. 2.14는 중앙부의 Base Plate에 부착된 무게추이다. KAUV -1는 기존의 AUV가 방향타를 이용해 상하 운동을 하는 방식을 채택하지 않고 무게추를 제어해 상 하 운동을 하는 방식을 적용하였다. 무게추를 제어 하는데 있어서 Maxon motor와 LM Actuator를 이용하였다. LM actuator의 가이드 판에 무게추를 체결하여 Maxon motor 를 제어해 앞뒤로 무게추를 움직여 상하 운동을 하였다.

Fig. 2.14 The weight of control actuator of weight

아래의 Fig. 2.15는 CATIA V5를 이용해 KAUV-1의 무게 중심을 나타낸 그림이다. 수 평 운항 중에는 무게추를 무게 중심에 두고 운항을 한다.

Fig. 2.15 The center of gravity of KAUV-1

Fig. 2.16은 KAUV -1가 수심 방향으로 운항 할 때의 무게추의 위치와 수상 방향으로 운항 할 때의 무게추의 위치를 나타내었다. 무게추는 약 0.4kg이다.

Fig. 2.16 Vertical motion of KAUV-1

Maxon motor의 사양은 아래 Table2.5와 같다.

Table2.5 Specifications of 6W maxon motor

Gear Motor Encoder

Reduction 5.4:1 Watt 6W Counts per turn

512

Nominal voltage

24.0V Number of channels

3

No load speed

10500rpm Max.operating frequency

320kHz

Nominal torque

6.97mNm Reduction

absolute

27/5

Stall torque 1.14mNm

Max.speed 37500rpm

LM actuator의 사양은 아래 Table 2.6과 같다.

Table 2.6 Specifications of LM actuator

KR 15(LM Actuator)

Length 129mm

Length of rail 75mm

Lead 2

(Nㆍcm) 0.4

Backlash 0.01

2.4.3 선미부 설계

선미부 케이스와 관련된 제원은 Table 2.7 와 같다.

Table 2.7 Data of tail part

Length 190mm

Tickness 5t

Mass 0.62kg

Material MC-Nylon

아래의 Fig. 2.17은 선미부의 내부 형상과 각 부품을 나타내었다. 선미부의 케이스에도 선수부와 마찬가지로 유체의 저항을 최소화 하고 안정적인 운항이 가능하도록 Myring profile을 적용하였다. 선미부의 Myring profile의 형상에 대한 식(2.2)이다.

3 2

3 2

2 tan( )]( ( ))

[ )) (

)](

tan(

2 [3 2 ) 1 (

1 x a b o

c c c d b a c x

c d d x

KAUV- _tail = ´ ´ -

q

- + + + -

q

- + + (2.2)

방향타와 선미부의 케이스는 볼트를 이용해 체결한다. 기존의 AUV와는 달리 방향타의 수가 3개이고 120° 각도로 선미부의 케이스에 고정되어 있는 구조이다.

Fig. 2.18 Rudder of KAUV-1

Fig. 2.19와 같은 치수로 방향타가 설계되었으며, 방향타는 KAU V -1의 운항이나 잠항 시 발생하는 모멘트에 있어 원상태로 복귀하는데 도움이 된다.

Fig. 2.19 Dimension of rudder

2.4.4 수중 추진체 설계

아래 Fig. 2.20은 수중 추진체의 형상과 내부 배치를 나타내었다. KAUV -1에 장착되 는 수중추진체는 자체 개발하였다. 수밀 방식은 동일하게 O-ring을 사용하였고 회전부 의 수밀은 각각 테프론 립씰과 마그네틱 커풀러를 사용하였다.

아래의 Table 2.8은 RX-motor에 대한 제원이다.

Table 2.8 Specifications of rx-motor

RX-28

Weight(g) 72(g)

Dimension(mm) 35.6*50.6*35.5(mm) Gear Ratio(material) 1:193(metal)

Operation Voltage(V) 12~18.5

Holding Torque(kgfㆍcm) 37 at 18.5V/1.9A No load speed(RPM) 67

Network interface RS-485

Position Sensor Potentionmeter

Motor Maxon Motor

우선 수중 추진체의 좌우 운동을 제어하는 RX-motor부를 보면 아래의 Fig. 2.21과 같 이 RX-motor를 지지대에 고정하여 고정된 상태로 실린더에 고정된다. 고정된 상태에 서 회전추 또한 선미부 격벽(Partition Plate)에 고정한다. 회전축 고정에는 회전축에 단을 두어 1차적으로 회전을 막고 Powerlock을 사용해 한번 더 회전을 막았다.

Fig. 2.21 Cylinder of rx-motor

이와 같은 상태에서 RX-motor를 제어하면 RX-motor의 실린더가 회전하게 되는데 이 점을 이용해 KAUV-1의 수중 추진체의 좌우 회전을 제어하도록 설계하였다. 이러한

Fig. 2.22 Left and right movement of propulsion

아래의 Fig. 2.23이 앞서 설명한 테프론 립씰이 RX-motor 회전부의 수밀을 담당하고 있다. 테프론 립씰은 기존에 사용되는 미케니컬 씰 보다 적은 공간을 차지하며 중/저속 회전을 가능하게 한다. Fig. 2.23는 테프론 립씰이 수밀되는 구조이다. 수압이 점점 세지는 깊이로 들어갈수록 회전축에 닿는 씰이 더 압착되어 수밀이 되는 방식을 가지 고 있다.

Fig. 2.23 Teflon lipseal

아래의 Fig. 2.24는 Maxon motor로 RX-motor의 실린더와 체결되어 함께 회전하는 Maxon motor의 실린더부이다. Maxon motor는 추진력을 내야 하기 때문에 고속의 회전과 고토크의 사양이 필요했다. 고속회전에는 테프론 립씰이 회전축의 수밀에 있어 서 적합하지 않기 떄문에 마그네틱 커풀러를 사용하였다.

아래의 Table 2.9는 Maxon motor의 사양을 정리한 것이다.

Table 2.9 Specifications of 200W maxon motor

Gear Motor Encoder

Reduction 6:1 Watt 200W Counts per turn

500

Nominal voltage

24.0V Number of channels

3

No load speed

17000rpm Max.operating frequency

200kHz

Nominal torque

114mNm Reduction

absolute

6:1

Stall torque 3180mNm

Max.speed 24000rpm

아래의 Fig. 2.25은 마그네틱 커풀러의 구조이다.

Fig. 2.25 Structure of magnetic coupler

Inner 마그네틱에 모터 축이 고정되고, Inner 마그네틱 위로 무자력의 Barrier로 덮어 일정 간격을 유지한 후 Outer 마그네틱을 부착하면 Outer 마그네틱에 프로펠러를 체 결한다. 아래의 Table 2.10은 마그네틱 커풀러의 사양을 나타낸다.

Table 2.10 Specifications of magnetic coupler Max Speed Weight Torgue Part No

RPM kg Nm

MTC-1 22000 0.8 1.5

제 3 장 KAUV-1의 수중 추진체의 CFD 해석

3.1 추진체의 해석 및 계산 격자

해석을 위하여 설계된 추진체를 3D로 모델링 한 것을 Fig. 3.1에 나타내었다. 수치 해 석에 사용된 덕트 프로펠러의 격자모형은 Fig. 3.2에 나타내었다. 계산에 사용된 격자 수는 총 5,281,598개이며, 격자는 CFX 전용 격자 생성기인 CFX-Mesh를 이용하여 생성하였으며, 벽 근처에서의 격자 수를 줄이기 위한 경계층을 고려하기 위하여 Hexa 격자로 생성하였다.

Fig. 3.1 3D modeling of propulsion

Fig. 3.2 Grid of the computational domain

3.2 해석조건 및 경계조건

CFD 해석은 비압축성 난류유동의 해석에 3차원 Reynolds Averaged Naveir- Stocks(RANS) 방정식과 연속 방정식을 지배방정식으로 하며 이는 유한체적법에 의하 여 이산화된다.[4]

난류모델은 CFX에서 제공하는 SST 난류모델을 사용하였으며, 벽 근처에서의 격자수 를 줄이기 위해 수정된 벽 법칙을 사용하였다. 계산된 y가 층류저층의 경계면의 값인 10이하가 되지 않도록 제한하여 모든 격자점이 층류 저층 바깥에 위치하도록 하였다.

CFD를 통한 해석에 있어서 적절한 가정을 통하여 수치계산에 소요되는 시간과 비용을 현저히 줄일 수 있다. 본 CFD 해석에서는 계산영역에 회전부와 정지부를 갖고 있으므 로, Fig. 3.3에 보인 바와 같은 전처리 과정에서 MRF(Multiple Reference Frame)를 사 용하였다. 여기서 회전부의 정지부 사이의 경계면에서 정보 전달 방법은 “Frozen Rotor” 방식을 사용하였다.

Fig. 3.3 Multiple reference frame

3.3 CFD 해석 결과 및 고찰

CFD 해석으로 전진방향으로 정지상태에서 정회전과 역회전에 대하여

600rpm~1300rpm까지의 각 rpm별 추력 및 토크를 구하였다. CFD 해석 결과를

Table 3.1 CFD results for forward direction Thrust[N]

rpm

All Blade Duct

Torque of Blade[Nm]

600 6.852 4.918 1.934 -0.1980

700 9.004 6.739 2.265 -0.2660

800 11.759 8.737 3.022 -0.3483

900 15.136 10.927 4.209 -0.4351

1000 18.957 14.014 4.943 -0.5461

1100 23.054 16.878 6.176 -0.6638

1200 26.920 19.685 7.235 -0.7849

1300 31.260 23.411 7.849 -0.9084

Table 3.2 CFD results for backward direction Thrust[N]

rpm

All Blade Duct

Torque of Blade[Nm]

600 -6.718 -4.552 -2.167 0.1624

700 -9.044 -6.117 -2.927 0.2175

800 -11.864 -8.023 -3.841 0.2846

900 -15.034 -10.160 -4.874 0.3586

1000 -18.648 -12.600 -6.048 0.4427

1100 -22.648 -15.350 -7.298 0.5389

1200 -26.970 -18.428 -8.542 0.6482

1300 -31.672 -21.833 -9.839 0.7681

Fig. 3.4 Velocity and pressure distribution on the propeller plane

Fig. 3.5 Velocity and pressure distribution on the mid-side plane

Fig. 3.6 Vortex and steamline on the mid-side plane

CFD 해석 결과로서 프로펠러 평면과 측면에서의 속도 및 압력 분포를 Fig. 3.4와 Fig.

3.5에 나타내었으며, 측면에서의 보텍스분포와 유선분포를 Fig. 3.6에 나타내었다.

1300rpm에서의 속도분포와 압력분포를 살펴보면, 유체는 블레이드의 회전방향의 역방 향으로 회전하여 추력을 발생시키고 있음을 알 수 있다. 덕트부의 박리는 덕트의 꼬리 부에서 발생하여 유체의 저항이 감소되고, 프로펠러의 하중계수를 낮추어 효율 향상을 기여하고 있음을 알 수 있다.

제 4 장 KAUV-1의 동역학

4.1 KAUV-1의 기구학

6자유도를 지닌 KAUV-1의 운동을 해석하기 위하여 Fig. 4.1에 표현되는 동체 고정 좌표계(Body-fixed coordinate system)인 X₀ Y₀ Z₀와 지구 고정 좌표계(Earth-fixed coordinate system) XYZ를 정의하여야 한다. 일반적으로 동체 고정 좌표계에서 원점 O는 무게 중심과 일치시킨다. 수중로봇을 위한 동체 축에서 X₀은 길이 방향의 축, Y₀ 은 횡 방향 축 그리고 Z₀은 수직방향의 축으로 정의한다. 동체 고정 좌표계에서의 운 동은 지구 고정 좌표계에 관하여 표현한다.[5]

지구 자체의 공전과 자전에 의한 영향은 없는 것으로 가정하고 KAUV-1의 속도에 영 향을 영향을 미치지 않는다고 가정한다. 지구 고정 좌표계는 관성 고정 좌표계

(Inertial-fixed coordinate system)이라고도 한다. 따라서 KAUV-1의 위치와 자세는 관성 고정 좌표계를 통해 표현하며, KAUV-1의 선형 속도와 각 속도는 동체 고정 좌 표계에 의해 표현된다.

Table 4.1 6 D.O.F motion of the KAUV-1 Motion of 6 D.O.F Force and

moment

Linear and angular velocity

Position and Euler angles Motion in the x-direction

(surge)

X

u x

Motion in the y-direction (sway)

Y

v

y

Motion in the z-direction (heave)

Z

w z

Rotation about the x- axis(roll)

K p

f

Rotation about the y-axis (pitch)

M q

q

Rotation about the z-axis (yaw)

N

r y

지구 고정 좌표계에 대한 동체 고정 좌표계의 자세는 오일러 각(Euler angle)으로 표시 한다. 오일러 각은 기준 좌표계 즉, 본 논문에서 지구 고정 좌표계를 각 축에 대하여 3 번 회전시켜 동체 고정 좌표계에 일치시킬 때 얻어지는 각으로 회전은 요(

y

^{), 피치}

(

q

^),롤(

f

)의 순으로 정한다. 오일러 각의 경우 동체의 자세가 수직에 가까워지면 자세 를 표현 할 수 없는 한계를 가지고 있으나, 수중 로봇의 경우 자세가 수직에 가까운 운동이 거의 일어나지 않으므로 사용하여도 무방하다고 판단하여 채택하였다.[6]

4.2 KAUV-1의 운동방정식

4.2.1 오일러 각도

6자유도 KAUV-1의 운동은 식(4.1)의 벡터들로 묘사할 수 있다.

T T T

T T T

T T T

] [

] [

] [

2 1

2 1

2 1

t t t

n n n

h h h

=

=

=

T T T

Z Y X

w v u

z y x

] [

] [

] [

1 1 1

=

=

=

t n h

T T

T

N M K

r q p

] [

] [

] [

2 2 2

=

=

=

t n

y q f h

(4.1)

h

는 지구 고정 좌표계로 표현하는 위치와 자세이고,

n

는 동체 고정 좌표계로 표현하 는 병진과 회전 속도이다. 그리고

t

는 동체 고정 좌표계로 표현하는 KAUV-1의 전체 힘과 모멘트이다.

동체 고정 좌표계와 지구 고정 좌표계 사이의 병진 속도의 좌표 변환은 식(4.2)와 같은 행렬로 표현된다.

1 2 1

( h ) n

h J & =

(4.2)

식(4.2)는 행렬로 표현하면 식(4.3)과 같다.

ú ú ú û ù

ê ê ê ë é

= ú ú ú û ù

ê ê ê ë é

w v u J

z y x

) (

₂

1

h

&

(4.3)

여기서

J

₁

( h

₂

)

는 오일러 각도 롤(

f

^{), 피치(}

q

^{), 요(}

y

)의 함수를 통해 구성된 변환 행 렬이다.

각 축에 대한 기본적인 회전행렬인 식(4.4)와 같은 일반적인 각 축에 대한 회전 각도로

ú ú ú û ù

ê ê ê ë é

-

=

f f

f

f

f

cos sin

0

sin cos

0

0 0

1

,

Cx ^,

ú ú ú û ù

ê ê ê ë

é -

=

q q

q q

q

cos 0 sin

0 1 0

sin 0 cos

,

Cy ^,

ú ú ú û ù

ê ê ê ë é -

=

1 0 0

0 cos sin

0 sin cos

,

y y

y y

xf

C

(4.4) 4.2.2 선형 속도 변환

직교 좌표 공간상에서 자세는 기준 좌표계의 축에 대한 연속적인 회전으로 일반화시켜 서 생각할 수 있다.

3회의 회전을 통해

J

₁

( h

₂

)

을 변환행렬이라 하며, 수중 로봇은 오일러 각도의 항들로 회전을 표현한다. 오일러 각도를 이용한 좌표 변환은 z축을 중심으로

f

^{만큼 회전한}

후, y축을 중심으로

q

만큼 회전시키고 마지막으로 x축을 중심으로

y

^{만큼 회전하여}

식 의 행렬로 표현할 수 있다.

ú ú ú û ù

ê ê ê ë é

-

+ -

+

+ +

-

=

f q f

q q

f y q f y y

q f f y q

y

q f y f

y f

q y f

y q

y h

cos cos sin

cos sin

cos sin sin sin cos sin

sin sin cos cos cos

sin

sin cos cos sin

sin sin

sin cos cos

sin cos

cos ) (

₂ J1

(4.5)

4.2.3 각 속도 변환

동체 고정 좌표계는 표현되는 각속도 벡터

n

₂

= [

p q r

]

^T와 오일러 속도 벡터

[ ^{f q y} ]

^T

h &

₂

= & & &

와의 관계는 변환 행렬

J

₂

( h

₂

)

에 의해 식(4.6)과 같이 표현할 수 있 다.

2 2 2

2

( h ) n

h & = J

(4.6)

식(4.6)을 행렬로 표현하면 식(4.7)과 같다.

ú ú ú û ù ê ê ê ë é

= ú ú ú û ù ê ê ê ë é

r q p J

₂

( h

₂

) y

q f

&

&

&

(4.7)

지구 고정 좌표계에 대한 동체 고정 좌표계의 자세는 식(4.8)과 같다.

2 2 1 2 ,

, ,

2

0 ( )

0 0

0 0

0 h h

y q

f

n

_{f f q}

&

&

&

&

=

-

ú ú ú û ù ê ê ê ë é

´ + ú ú ú û ù ê ê ê ë é + ú ú ú û ù ê ê ê ë é

= C

_x

C

_x

C

_y

J

(4.8) 식(4.8)로부터 변환행렬

J

₂

( h

₂

)

을 행렬로 나타내면 식(4.9)와 같다.

ú ú ú û ù

ê ê ê ë é

-

=

q f q

f

f f

q f q

f h

cos / cos cos

/ sin 0

sin cos

0

tan cos tan

sin 1 ) (

₂ J2

(4.9)

2개의 오일러 각도

J

₁

( h

₂

)

^과

J

₂

( h

₂

)

의 표현으로 기구학적 방정식을 표현하면 식 (4.10)과 같다.

지구 고정 좌표계에 대한 수중 로봇의 속도와 각속도는 오일러 각을 이용하여 다음의 식(4.11)로 표현된다.

] sin sin sin sin [cos ]

cos sin sin sin [cos cos

cos y q + y q f - y f + y q f + y f

= u v w

x&

] sin cos sin

sin [sin ]

cos cos sin

sin [sin cos

sin y q + y q f + y f + y q f - y f

= u v w

y&

f q y

q

q cos sin cos sin

sin v w

z & = - + +

q f q

f

f & = p + q sin tan + r cos tan f

f q & = q cos - r sin

q f y f

cos

) cos sin

(

q

+

r

=

&

(4.11)

4.3 KAUV-1의 동역학

동역학을 해석하는데 있어 동체 고정 좌표계의 원점이 부력의 중심에 위치한 것으로 가정한다. 그리고 동체 고정 좌표계를 기준으로 수중 로봇의 6자유도 운동 방정식을 다음 식에 나타낸다.[7]

å å å

å å å

= + - -

+ - +

- + -

+ +

- -

+

= + - -

+ - +

- + -

+ +

- -

+

= + - - - - +

- + -

+ +

- -

+

= + +

- +

+ -

+ -

= + +

- +

+ -

+ -

= + +

- +

+ -

+ -

N wq

vr u y ur wp v x m

I p rq I

p q I rp q pq I I r I

M vp

uq w x wq vr u z m

I r qp I

r p I qr p rp I I q I

K ur

wp v z vp uq w y m

I q pr I

q r I pq r qr I I q I

Z p

rq y q rp x q p z vp uq w m

Y r

qp x p qr z p r y ur wp v m

X q

pr z r pq y r q x wq vr u m

g g

xz xy

yz xx

yy zz

g g

yz xz

xy zz

xx yy

g g

xy yz

xz yy

zz xx

g g

g

g g

g

g g

g

)]

( ) (

[

) (

) (

) ( ) (

)]

( ) (

[

) ( ) (

) (

) (

)]

( ) (

[

) (

) (

) (

) (

)]

( ) ( ) (

[

)]

( ) (

) (

[

)]

( ) (

) (

[

2 2

2 2

2 2 2

2 2 2

2 2

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

(4.12)

여기서

w v

u ,

,

: surge, sway, heave velocities r

q

p ,

,

: roll, pitch, yaw rates

Z Y

X , ,

: external forces

N M

K , ,

: external moments

g g

g y z

x

, ,

: 초기 부력 중심에 대한 무게 중심

I

ab : 초기 부력 중심에 대한 관성 모멘트(

a, b

^는 x ,

,

y z⁾

m

: KAUV-1의 무게

을 나타낸다.

수중 로봇의 운동에 영향을 미치는 유체 정역학, 유체 동역학 댐핑, 프로펠러 추진과 토크 등을 포함한 힘과 모멘트의 운동 방정식에서 제어 입력 값인 가속도 항을 분리한 6자유도 운동 방정식을 단순화하면 식(4.13)과 같다.

prop uv

pq wp

ur r r

r v

HS v

uw rp

vp uq

q q q w

HS w p p HS p

uw rp

vp uq

q q w

q w

HS w

uv pq

wp ur

r r v

r v

HS v

prop rr

vr qq

wq u

u u HS

N uv X pq N wp N ur N r N r r N v v N N N

uw M rp M vp M uq M q M q q M w w M M M

p K p p k K K

uw Z rp Z vp Z uq Z q Z w Z q q Z w w Z Z Z

uv X pq Y wp Y ur Y r y v y r r Y v v Y Y Y

X rr X vr X qq X wq X u X u u X X X

+ +

+ +

+ + +

+

=

+ +

+ +

+ +

+

=

+ +

=

+ +

+ +

+ + +

+

=

+ +

+ +

+ + +

+

=

+ +

+ +

+ + +

=

å å å å å å

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

(4.13)

HS : formula of hydrostatic forces and moments

q f

q

f q q

f q f

q f q

f q

q

sin ) (

sin cos ) (

cos cos ) (

sin ) (

sin cos ) (

cos cos ) (

cos cos ) (

sin cos ) (

sin ) (

B y W y B

x W x N

B x W x B

z W z M

B z W z B

y W y K

B W Z

B W Y

B W X

b g b

g HS

b g b

g HS

b g b

g HS

HS HS

HS

- -

- -

=

- -

- -

=

- -

- -

= -

= -

=

- -

=

여기,

Xprop : roll 축에 대한 KAUV-1의 프로펠러 추력(X_prop

=

F_prop

´ cos b

⁾ Fprop : KAUV-1의 추력

b

: roll 축과 KAUV-1 사이의 각도 Nprop : KAUV-1의 모멘트

W : KAUV-1의 무게 B : KAUV-1의 부력

제 5 장 결론

본 논문에서는 활용도가 다양한 무인 잠수정 KAUV-1를 직접 설계/제작하였다. 논문 에는 비중이 적으나 전장시스템 또한 직접 설계/제작함으로써 많은 노하우와 연구성과 를 가져올 수 있었다.

기본 요건인 자기위치와 자세, 운항 성능 테스트를 주 목적으로 제작한 KAUV-1은 수 중 운항에 적합한 선체 형상을 Myring Profile을 적용해 설계/제작해보았고, KAUV-1 을 소형으로 제작하여 실험하는데 있어 이동이나 인양이 쉽고, 각 부분을 모듈화하여 선체를 수리 및 확장 등에 용이하도록 설계하였다.

KAUV-1는 기존의 AUV와는 달리 선회 및 상하 운동을 다른 방식을 접목하였다. 이 에 무게조절 엑츄에이터와 가변 벡터 수중 추진체를 개발했다.

무게조절 엑츄에이터에는 LM 가이드와 모터, 무게추를 이용하여 상하 운동을 제어하 고, 가변 벡터 수중 추진체는 RX-motor를 추가로 부착하여 수중 추진체가 좌우로 회 전이 가능한 구조로 설계하였고, 수밀 방법에 있어서 O-ring 및 테프론 립씰, 마그네 틱 커풀러를 적용 직접 개발하여 경제적으로나 연구적으로 효율적인 추진체를 개발하 였다.

CFD 해석을 통해 자체 개발한 수중 추진체의 정방향/역방향의 추력 및 토크에 대해 알아 볼 수 있었다. 임펠러에 걸리는 추력값과 덕트부의 추력값은 rpm이 증가함에 따 라 정방향과 역방향 모두 비례하여 증가함을 알 수 있었고, 유체는 블레이드의 회전방 향의 역방향으로 회전하여 추력을 발생시키고 있음을 확인할 수 있었다.

KAUV-1의 6자유도 운동 방정식 해석을 통해 속도 및 가속도식을 정립하였다. 이에 따라 KAUV-1를 실험하는데 있어 보다 효율적이고 정확한 실험을 할 수 있도록 하였 다.

참고문헌

[1] 이판묵, “Development an Advanced Deep-Sea Unmanned Underwater Vehicle”, 한국해양연구원, pp.349,2003

[2] 한종희, “수중 작업을 위한 소형 무인 잠수정/매니퓰레이터 시스템의 개발”, 국방 로봇 기술 시범 및 워크샵, pp.44~45, 2006

[3] J. Yuh, “Development in Underwater Robotics” Robotics and Automation, 1995 Proceedings, 1995 IEEE International Conference, Vol 2, pp. 1862~1867, May 1996

[4] 이판묵 외, “심해무인잠수정 해미래와 해누비의 개발”, 국방수중로봇워크샵 2005, pp. 30~32 , 2005.10.

[5] 최영수 외 3명, “원전 감시 점검을 위한 수중로봇 기술”, 수중로봇기술연구회 2006 추계 워크샵, pp.23~27, 2006

[6] Myring, D. F, 1976. A theoretical study of body drag in subcritical axisymmetric flow, Aeronautical Quarterly, vol. 27, pp186-194

[7] 모장오, 남구만, 강신정, 임효남, 이영호(2002). “상용코드를 이용한 원심펌프 임펠 러 성능해석에 관한 연구”, 2002년 추계 동력기계학회발표논문

[8] 권경엽, “MVFF를 이용한 자율 수중 로봇의 제어에 관한 연구”, 창원대학교, pp.

10~11, 2005.

[9] 김기훈, “무인잠수정 SNUUV 1의 자율제어 비선형 운동에 대한 해석”, 서울대학교, pp. 5, 2005.

[10] Thor I. Fossen, “Guidance and Control of Ocean Vehicles”, John Wiley & Sons, 1994.

감사의 글

2008년 여름에 실험실에 들어와 생활을 시작한지 3년이라는 시간 동안 지능 로봇 및 자동화 실험실에 몸담아 있으면서 정말 많은 경험을 할 수 있었습니다. 처음에는 아무 것도 모르고 시작한 실험실 생활이 시간이 지날수록 점점 의미 있게 느껴지고 많이 배 웠다고 생각합니다.

항상 학부 수업 중간중간에 학생들에게 동기부여를 말씀해 주시던 최형식 교수님을 통해서 처음 지능 로봇 및 자동화 실험실을 알게 되었고, 그 소속이 되어 많이 부족한 저를 가르침과 꾸짖음으로 여기까지 이끌어 주신 최형식 교수님께 감사의 말을 전하고 싶습니다. 교수님의 가르침 덕분에 저 자신 스스로도 좀 더 발전되고 단단해질 수 있 었습니다. 그리고 본 논문의 심사를 맡아주신 정재현 교수님과 조종래 교수님께도 진 심으로 감사 드립니다.

3년이 넘는 시간 동안에 같이 생활하신 선배님들, 학부를 마치고 석사가 되었을 때 많 은 도움을 준 호성이형, 해용이형, 성율이형, 그리고 몇 달 전까지 함께 늘 붙어다니며 생활한 사수 지광이형 정말 힘들고 지칠 때 저에게 큰 힘이 되었습니다. 그리고 동기 이지만 정말 든든한 동생 종수 항상 내 의견을 들어주고 지지해주어서 내가 이렇게 졸업을 할 수 있게 된 거 같다.

이제 곧 2학년이 될 상기, 동준이, 명만이 이제 너희들이 실험실을 이끌어 나가는데 동 기생들끼리 서로 도와가면 각자 맡은 업무에 대해 지금처럼만 하면 발전되는 실험실이 될 꺼 같다. 그리고 이제 1학년으로 들어올 정민이, 세훈이, 희영이 학부생을 벗어나 석사가 될텐데 너희들도 지금처럼만 한다면 큰 어려움 없이 생활 할 수 있을꺼라고 생 각한다. 내가 실장으로 있으면서 너희들에게 되도록이면 간섭 안하고 존중하며 평등하 게 대하도록 노력했는데 너희들은 어떻게 느꼈는지 궁금하네…^^ 만약에 자그만한 불 만이 있었다면 이해해주길 바란다.