Nowadays, many different kinds of robots are used for different kinds of applications. Robots play important roles in manufactureing plants, military applications, medical applications, in entertainment application and in household applications. Moreover. Moreover some robots can fly, hover and swim by themselves. Then, many researchers research on autonomous mobile robot, areal robot and underwater. This thesis suggests a new method for underwater robot can be used in traking the goal, exploring marine resource and finding fish school and swimming in an aquarium.
Most underwater robots use propeller or thruster to generate the propusion force, but propellers are not very efficient because of resistance of water. To solve this problem caused by propeller, researchers suggests that the design of underwater robot is similar to fish. This fish-shaped underwater robot swim like a fish, so robot fish have higher energy efficiency and turn faster than the robot use propeller. Robot fish swim using Lighthill`s method and to do their mission, robot fish should process information about environment and decide next behavior(direction and speed). Robot fish get information by vision information and some researchers choose global vision system to get information. However, robot fish can only swim in limited environment when using global vision system. So, global vision system is not good solution for getting environment information, this thesis decide that camera sensor is installed front side of robot fish head.
By using vision inforamtion, robot fish can calculate angle and distance between robot fish head and goal and it is possible to calculate distance and angle between robot fish and goal location when robot fish knows first joint angle. After getting information of locaiton of goal, robot fish should determine steering angle to change heading direction. Calculating Steering angle is very difficult because lift force, drag force and hydrodynamic force work on fish body. Using simplified fish model, steering angle can be calculated. In addition, robot fish can change its direction in a vertical by center of mass controller.
To test vision algorithm and steering angle, goal tracking experiment that robot fish tracks the fixed goal is performed at a swimming pool. After robot fish moves to fixed goal, robot fish tracks the moving goal. In this experiment, moving goal is a robot fish(Fibo3). Using color and shape of robot fish, follower robot fish distinguish front robot fish. Moreover, to swim like real fish, both fishs exhibit schooling behaviors. Follwer fish swim freely until robot fish find other fish. After finding robot fish, it tracks front fish(alignment). If both fishs are close(cohension), follower fish is getting slower(segmentation) and if not, follwer fish is getting faster.
본 논문에서는 물 속에서 유영하는 로봇 물고기가 목표물과 로봇 물고기 사이의 상대적 위치를 추정하는 알고리즘과 로봇 물고기가 원하는 위치에 갈 수 있는 조향각도를 계산할 수 있는 방법을 제시한다. 이 방법을 이용하면 목표물에 관한 색정보와 크기 정보가 주어진다면 목표물이 있는 장소까지 로봇 물고기가 최대한 효율적으로 이동하는 것이 가능하다. 뿐만 아니라 로봇 물고기가 이동하는 방향을 예측하는 것이 가능하기 때문에 경로를 설정을 하고 그 경로를 따라가도록 로봇 물고기에 명령을 내리는 것이 가능하다. 또한 로봇 물고기를 기준으로 상대적 위치를 알기 때문에 로컬라이제이션을 위한 맵핑이 가능하고 경로 계획을 세우는 것도 가능하다. 본 논문에서는 제한되어 있는 로봇 물고기의 내부공간에 최소한의 센서를 사용을 하여 목표물을 추정하는 것을 목표로 하였다. 그렇기 때문에 가속도 센서와 자이로 센서를 이용한다면 가운데 바디의 움직임과 첫번째 조인트의 요축 방향으로의 흔들림을 보정할 수 있기 때문에 보다 정밀한 위치 추정이 가능하다. 또한 조향각도에 따른 로봇 물고기의 움직임을 계산하기 위해서 로봇 물고기와 유체 사이에 작용하는 힘에 대한 분석하고 물 속에서 흔들림이 발생하는 로봇 물고기를 역학적으로 분석하는 데 도움이 되고, 이 분석은 로봇 물고기의 움직임을 향상시킬 수 있다. 그렇기 때문에 본 논문에서 제시한 방법과 그에 따른 실험결과는 지상에서 모바일 로봇이 이용하는 알고리즘을 적용할 수 있는 가능성을 보여준다.
제시한 방법의 성능을 더 높이기 위해서 로봇 물고기에 적용되는 알고리즘이 아닌 다른 형태의 수중 로봇에서 적용되는 다른 알고리즘을 적용하는 것이 필요하다. 수중 로봇과는 달리 로봇 물고기에서는 내부의 공간이 제한되어 있다는 단점이 있지만 mean-shift algorithm이나 Histogram, tamplete mathcing 등 수중에서도 적용할 수 있는 비전 정보 처리 방법과 수중 로봇에서 사용되는 추적 알고리즘을 적용하면 로봇 물고기의 목표물 추적 능력은 더욱 향상될 수 있다. 그리고 제시한 알고리즘을 적용하여 실제 물고기와 유사한 행동을 하기 위해 구현한 군집행동은 로봇 물고기가 움직이는 물체도 추적할 수 있다는 것을 보여 주었고 실제 물고기와 같이 행동하는 것이 가능하고 나아가 군집행동을 하는 로봇 물고기가 동시에 임무에 투입되는 것이 가능하다는 것을 보여 주었다. 여러 대의 로봇 물고기가 군집운동을 하며 각각의 임무를 수행하는 것이 가능하다. 제시한 기능을 탑재한 로봇 물고기는 앞으로 해저의 자원탐사, 어군의 탐지 및 군사적 목적으로 사용하는 것이 가능하며 아쿠아리움 등에서 전시용으로 사용하는 것이 가능하다.
