Navigation in an underwater environment is challenging because the global positioning system (GPS) is not available owing to the rapid attenuation of electromagnetic waves in water. Acoustic baseline systems are good alternatives to GPS for correcting dead-reckoning errors. However, their deployment and recovery generally require much time and effort.
This paper presents a relative navigation approach with a single beacon and an array of two hydrophones in the context of a simultaneous localization and mapping (SLAM) algorithm that can be applied to low-cost unmanned underwater vehicles (UUVs). A stationary sound source is employed as a landmark beacon and its position is estimated using the time difference of arrival (TDOA) measurements provided by hydrophones. However, TDOA estimation is challenging in an actual environment where noise is present. This research proposes a robust time delay estimation algorithm for pure tone acoustic beacon signals. Further, a pair of hydrophones provides a single TDOA measurement, which cannot provide a relative position at a specific time and has ambiguity.
To demonstrate and evaluate the effectiveness of the proposed methodology, a field experiment was conducted and the results are presented.
최근 로봇 및 자율운항 기술의 발전과 더불어 해양 환경의 중요성이 부각됨에 따라 수중 로봇에 대한 활용도 또한 높아지고 있다. 수중 로봇은 해양조사, 정찰 및 감시, 수중 작업 등 다양한 분야에 적용이 가능하며, 항법 또는 측위는 이러한 수중로봇의 실제적 운용을 위한 가장 기본적이며 필수적인 기술이다. 일반적으로 GPS(Global positioning system)로부터 얻은 절대위치 정보를 이용하여 추측 항법(Dead-reckoning navigation) 또는 관성 항법에 의해 발생하는 표류 오차를 보정하는 방법이 널리 사용되고 있으나, 수중 환경에서는 전자기 신호의 급격한 감쇠로 인하여 GPS의 사용이 사실상 불가능하다. 따라서 수중 로봇의 항법을 위해서 상대적으로 감쇠율이 낮은 초음파 기반의 위치추적시스템이 널리 사용되고 있으며, 그 대표적인 예가 장기선(LBL, Long baseline), 단기선(SBL, Short baseline), 초단기선(USBL, Ultra short baseline)이다. 이러한 초음파 위치추적시스템은 정밀한 절대 위치 정보를 제공해 주지만, 시스템의 복잡도가 커서 전개와 회수에 많은 시간과 비용이 소요되며 센서 보정에 많은 노력이 요구된다는 단점을 지닌다.
본 학위 연구에서는 두 개의 하이드로폰과 하나의 음원을 이용하여 간단하게 구동할 수 있는 저가의 초음파 기반 위치추정 시스템을 구현하고, 이를 3차원 수중운동체의 항법에 활용하는 것을 목표로 한다. 기존의 시스템이 발신된 신호가 수신기에 도달하는 도달시간의 측정을 통해 얻은 거리정보를 이용하여 음원의 위치를 결정하는 것과는 달리, 본 시스템에서는 기본적으로 두 하이드로폰 사이에 도달하는 신호의 도달지연시간차(TDOA, Time difference of arrival) 정보를 이용한다. 이 때 배경 잡음 및 다중 경로 신호가 존재하는 실제 환경에서 정밀한 측정값을 얻는 데 많은 어려움이 따르며, 도달지연시간차 정보만으로 수중 로봇과 음원의 상대 위치를 파악하는 과정에서 모호성이 발생한다. 본 연구에서는 이러한 문제에 초점을 맞추어 첫 번째로, 실제 환경에서 강인하고 정밀한 측정값을 얻기 위한 방법을 제안하며 두 번째로, 입자필터를 도입하여 측정값의 모호성을 극복하는 알고리즘을 제안한다. 이 때 필터 추정성능의 향상을 위하여 기존의 방향각 모델 대신 도달지연시간차 정보를 직접적으로 사용하는 모델을 제안한다.
제안하는 알고리즘은 실제 환경에서 무인시스템을 이용하여 획득한 데이터를 이용하여 그 타당성을 검증한다.
