[46호]AHC(Active Heave Compensator)

2017 ICT 융합 프로젝트 공모전 참가상

AHC(Active Heave Compensator)

글 | 목포대학교 김권옥

1. 심사평
칩센 작품의 설계 의도에 따른 시제품을 제작하였으나, 실험 도중 발생한 문제점을 개선하기 위해 수행한 결과가, 설계 의도를 오히려 약화시키는 형태로 진행된 것으로 보입니다. 실제 현장에 적용하게 될 경우 현재의 데보 환경 보다 훨씬 더 다양한 제약사항과 변수가 생기기 마련인데, 그 변수를 극복하는것이 아닌, 실험 결과 도출을 위한 수정작업이 진행된 듯하여 아쉬움이 듭니다. 구성한 내용에서 key로 보이는 수중 센서 사용 내역과 모터 구동을 위한 calibration 알고리즘 부분의 강화가 필요할 것으로 생각됩니다.

뉴티씨 실제 동작하는 샘플을 만들어서, 우리나라도 산유사업에 뛰어들 가능성을 보여주는 작품입니다. 다만 일반적이지 않은 아이템이라서, 어느정도의 실용성을 갖췄는지는 이 분야의 전문가들이 평가해야 할 것으로 생각됩니다. 작품을 완성하는 데, 상당한 시일이 걸렸을 것으로 생각되어, 고생한 학생에게 격려를 보냅니다.

위드로봇 시스템 제작에 많은 고생을 했을 것 같습니다. 제어 부분에 대한 연구가 좀 더 보강이 되면 좋겠습니다.

2. 설계목표
2.1. 작품개요
육상면적이 좁아지고 환경규제가 강화됨에 따라 육상에 석유화학플랜트 및 공항 등의 대형 시설물이 들어서는데 제한이 많아져 해상플랜트에 대한 관심이 증가하고 있는 가운데, 해상에서 진행하는 여러 가지 작업들 중 대형 해상크레인이 진입하여 작업할 수 없는 협소한 지역에 소형 해상 구조물을 투입하여 작업을 할 수 있도록 축소된 소형구조물을 제작하여 시뮬레이션을 하는데 목적이 있다.

2.2. Project 목적 및 목표
수중에서 물체가 움직이지 않도록 하라!
2.3. 환경 및 제약조건
2.3.1. 전체 시나리오
① 부유식 설계물에 추가 매달려 있음
② 설계물을 수조에 띄움
③ 수조에 해양파가 작용함
④ 추를 서서히 내려놓아 물속에 잠기게 하여 멈춤
⑤ 해양파에 따라 설계물이 Heave 운동을 함
⑥ 설계물이 Heave 운동을 하더라도 추는 제자리를 유지하도록 해야 함

2.3.2. 환경
① 수조

② 해양파

③ 추

2.3.3. 제약조건
① 설계물은 부유식이어야 함
② 설계물은 수조에 계류할 예정
③ 설계물의 폭은 0.5m 이내, 높이는 2m 이내, 길이는 1m 이내로 설계
④ 설계물은 일정 수준의 복원성을 가지고 있어야 함
⑤ 설계물은 추를 위치를 유지시킬 때 능동 제어 기법을 사용해야 함
⑥ 사람이 직접 물리적인 힘을 가하지 않는 범위 내에서 추에 전기적/물리적 효 과를 능동적으로 가할 수 있도록 해야 함

2.3.4. 최종목표
설계물이 해양파에 따라 Heave 운동(상하왕복운동)을 하더라도 추는 제자리를 유지하도록 해야 한다.

3. 작품 설명
3.1. 전체형상

3.2. 작동원리

·  위에 표시된 모터를 통해 샤프트가 돌아가면서 줄을 내려 추를 내려준다.
·  구조물이 파도에 의해 아래로 내려간다.
· 초음파센서에서 구조물의 위치를 파악한다
· 파악된 위치를 바탕으로 모터쉴드에 명령을 내려 모터를 작동시킨다.
· 모터가 작동하여 피니언 기어를 돌려 와이어와 연결된 랙 기어를 구조물의 양끝으로 이동시킨다.
· 랙 기어와 함께 이동된 와이어의 길이에 따라 위치가 보상된다.
· 반대로 파도에 의해 구조물이 올라간다.
· 초음파센서에서 구조물의 위치를 파악한다.
· 파악된 위치를 바탕으로 모터쉴드에서 명령을 내려 모터를 작동시킨다.
· 모터가 작동하여 피니언 기어를 돌려 와이어와 연결된 랙 기어를 구조물의 안쪽으로 이동시킨다.
· 랙 기어와 함께 이동된 와이어의 길이에 따라 위치가 보상된다.

4. 설계물 수정사항
4.1. 제작 중 발생한 문제점 및 해결책
· 제작과정에서 하부구조물의 부피가 늘어나서 계산했던 구조물의 흘수가 변경됨
▶ 목표흘수를 정하고 요구되는 질량을 추가하고 복원력 재계산

4.2. 모터의 전압이 높아 아두이노 보드와 호환X
▶ 모터 변경 및 새로운 모터에 맞는 베어링, 커플링 변경

4.3. 모터와 기어 연결로 인해 샤프트가 길어지면서 랙기어와 피니언기어가 서로 맞물리지 않음
▶ 기어들이 서로 맞물리도록 기준이 되는 판 설치

4.4. 센서가 수중에서 거리측정 X
▶ 공기중에서 실습경험이 있는 센서를 사용하고, 수조 위에 판을 대어 구조물에서 판까지의 거리를 측정함.

4.5. Calibration값을 사용한 아두이노 소스의 구동X
▶ Calibration값을 사용하지 않는 아두이노 소스로 변경

5. 제어
5.1. 제어 기본 알고리즘

5.2. 추를 일정 위치에 내리는 소스

5.3. calibration을 적용한 제어 소스

위의 소스는 Calibration 값을 사용하여 모터를 구동해 보았는데 구동이 잘 되지 않아서 Calibration 값을 사용하지 않고 소스를 만들어 다시 구동해보기로 했다.

5.4. Calibration 값을 적용 하지 않은 소스

Calibration 값을 사용하지 않은 소스를 가지고 했는데 Calibration 값을 사용한 소스보다 안정적이고 변하는 오차가 작아서 최종실험 때 Calibration 값을 사용하지 않은 소스를 사용 하기로 함.

6. 모형실험
6.1. 실험 방법
① 수조에 구조물을 계류한다.
② 추를 내린다.
③ 전원을 켠다.
④ 파도를 친다.
⑤ 실험영상을 촬영한다.
⑥ 영상을 분석한다.

6.2. 실험그래프 및 분석

(1) 실험 1 (정지, T(주기) = 1500, S = 30,)

(2) 실험 2 (KP = 3, KD = 1, 역방향계수 = -1.15, T(주기) = 1500, S = 30,)

실험 1, 2 비교

6.3. 분석
· 미세한 제어가 되는 것도 있었으나, 대부분의 실험에서 제어가 되지 않는 것으로 파악.
· 원인은 구조물과 추의 움직임이 동일하지 않고, 구조물의 움직임 보다 추의 움직임이 반 박자 느린 것으로 추정된다.

7. 향후 개선방향
1. 구조물의 종방향 길이를 늘려 Pitching을 줄인다.
2. Moon Pool과 렉기어의 길이에 여유를 준다.
3. 구조물의 움직임보다 추의 움직임이 반박자 느리므로 추의 위치를 직접 계측한다.

8. 기대효과 및 활용방안
· 해양작업용 소형 구조물의 요구사항 정립으로 이후 유사한 과제의 개발에 기초 자료로 활용
· 해양작업용 소형 구조물 모형시험 수행으로 여러 시뮬레이션을 하는데 활용할 수 있음
· 구조물의 파랑 중 거동해석을 통한 운동 데이터 확보
· 해양 크레인의 소형 구조물 설계 데이터를 확보
· 모형실험을 통해 실제 현장에서 작업 시 발생할 수 있는 문제점을 분석하여 실제 작업시 발생 가능한 문제점을 사전에 예방할 수 있다.