분산된 로터로 구동되는 비행 스켈레톤 시스템의 디자인 상태추정 및 제어

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :공과대학 기계항공공학부,2020. 2. 이동준.In this thesis, we present key theoretical components for realizing flying aerial skeleton system called LASDRA (large-size aerial skeleton with distributed rotor actuation). Aerial skeletons are articulated aerial robots actuated by distributed rotors including both ground connected type and flying type. These systems have recently attracted interest and are being actively researched in several research groups, with the expectation of applying those for aerial manipulation in distant/narrow places, or for the performance with entertaining purpose such as drone shows. Among the aerial skeleton systems, LASDRA system, proposed by our group has some significant advantages over the other skeleton systems that it is capable of free SE(3) motion by omni-directional wrench generation of each link, and also the system can be operated with wide range of configuration because of the 3DOF (degrees of freedom) inter-link rotation enabled by cable connection among the link modules. To realize this LASDRA system, following three components are crucial: 1) a link module that can produce omni-directional force and torque and enough feasible wrench space; 2) pose and posture estimation algorithm for an articulated system with high degrees of freedom; and 3) a motion generation framework that can provide seemingly natural motion while being able to generate desired motion (e.g., linear and angular velocity) for the entire body. The main contributions of this thesis is theoretically developing these three components, and verifying these through outdoor flight experiment with a real LASDRA system. First of all, a link module for the LASDRA system is designed with proposed constrained optimization problem, maximizing the guaranteed feasible force and torque for any direction while also incorporating some constraints (e.g., avoiding inter-rotor air-flow interference) to directly obtain feasible solution. Also, an issue of ESC-induced (electronic speed control) singularity is first introduced in the literature which is inevitably caused by bi-directional thrust generation with sensorless actuators, and handled with a novel control allocation called selective mapping. Then for the state estimation of the entire LASDRA system, constrained Kalman filter based estimation algorithm is proposed that can provide estimation result satisfying kinematic constraint of the system, also along with a semi-distributed version of the algorithm to endow with system scalability. Lastly, CPG-based motion generation framework is presented that can generate natural biomimetic motion, and by exploiting the inverse CPG model obtained with machine learning method, it becomes possible to generate certain desired motion while still making CPG generated natural motion.본 논문에서는 비행 스켈레톤 시스템 LASDRA (large-size aerial skeleton with distributed rotor actuation) 의 구현을 위해 요구되는 핵심 기법들을 제안하며, 이를 실제 LASDRA 시스템의 실외 비행을 통해 검증한다. 제안된 기법은 1) 전방향으로 힘과 토크를 낼 수 있고 충분한 가용 렌치공간을 가진 링크 모듈, 2) 높은 자유도의 다관절구조 시스템을 위한 위치 및 자세 추정 알고리즘, 3) 자연스러운 움직임을 내는 동시에 전체 시스템이 속도, 각속도 등 원하는 움직임을 내도록 할 수 있는 모션 생성 프레임워크로 구성된다. 본 논문에서는 우선 링크 모듈의 디자인을 위해 전방향으로 보장되는 힘과 토크의 크기를 최대화하는 구속 최적화를 사용하고, 실제 적용가능한 해를 얻기 위해 몇가지 구속조건(로터 간 공기 흐름 간섭의 회피 등)을 고려한다. 또한 센서가 없는 액츄에이터로 양방향 추력을 내는 것에서 야기되는 ESC 유발 특이점 (ESC-induced singularity) 이라는 문제를 처음으로 소개하고, 이를 해결하기 위해 선택적 맵핑 (selective mapping) 이라는 기법을 제시한다. 전체 LASDRA 시스템의 상태추정을 위해 시스템의 기구학적 구속조건을 만족하는 결과를 얻을 수 있도록 구속 칼만 필터 기반의 상태추정 기법을 제시하고, 시스템 확장성을 고려하여 반 분산 (semi-distributed) 개념의 알고리즘을 함께 제시한다. 마지막으로 본 논문에서는 자연스러운 움직임의 생성을 위하여 CPG 기반의 모션 생성 프레임워크를 제안하며, 기계 학습 방법을 통해 CPG 역연산 모델을 얻음으로써 전체 시스템이 원하는 움직임을 낼 수 있도록 한다.1 Introduction 1 1.1 Motivation and Background 1 1.2 Research Problems and Approach 3 1.3 Preview of Contributions 5 2 Omni-Directional Aerial Robot 7 2.1 Introduction 7 2.2 Mechanical Design 12 2.2.1 Design Description 12 2.2.2 Wrench-Maximizing Design Optimization 13 2.3 System Modeling and Control Design 20 2.3.1 System Modeling 20 2.3.2 Pose Trajectory Tracking Control 22 2.3.3 Hybrid Pose/Wrench Control 22 2.3.4 PSPM-Based Teleoperation 24 2.4 Control Allocation with Selective Mapping 27 2.4.1 Infinity-Norm Minimization 27 2.4.2 ESC-Induced Singularity and Selective Mapping 29 2.5 Experiment 38 2.5.1 System Setup 38 2.5.2 Experiment Results 41 2.6 Conclusion 49 3 Pose and Posture Estimation of an Aerial Skeleton System 51 3.1 Introduction 51 3.2 Preliminary 53 3.3 Pose and Posture Estimation 55 3.3.1 Estimation Algorithm via SCKF 55 3.3.2 Semi-Distributed Version of Algorithm 59 3.4 Simulation 62 3.5 Experiment 65 3.5.1 System Setup 65 3.5.2 Experiment of SCKF-Based Estimation Algorithm 66 3.6 Conclusion 69 4 CPG-Based Motion Generation 71 4.1 Introduction 71 4.2 Description of Entire Framework 75 4.2.1 LASDRA System 75 4.2.2 Snake-Like Robot & Pivotboard 77 4.3 CPG Model 79 4.3.1 LASDRA System 79 4.3.2 Snake-Like Robot 80 4.3.3 Pivotboard 83 4.4 Target Pose Calculation with Expected Physics 84 4.5 Inverse Model Learning 86 4.5.1 LASDRA System 86 4.5.2 Snake-Like Robot 89 4.5.3 Pivotboard 90 4.6 CPG Parameter Adaptation 93 4.7 Simulation 94 4.7.1 LASDRA System 94 4.7.2 Snake-Like Robot & Pivotboard 97 4.8 Conclusion 101 5 Outdoor Flight Experiment of the F-LASDRA System 103 5.1 System Setup 103 5.2 Experiment Results 104 6 Conclusion 111 6.1 Summary 111 6.2 Future Works 112Docto

제주 연안 파래 대발생 해역의 영양염 유입 특성

제주 해역은 우리나라에서 기후변화의 영향을 가장 빨리 받는 해역으로 아열대화가 진행되고 있고, 최근 연안 오염물질 증가, 자원감소, 어장 피해 및 생태계 교란이 빈번하게 발생하고 있다. 제주 연안에는 매년 갈파래류(Ulva sp)가 대번성하는 녹조가 발생하여 연안생태계에 심각한 영향을 주고 있고, 연안 어업 및 관광산업에도 심각한 피해를 주고 있다. 제주 연안에는 자연적으로 영양염을 공급하는 담지하수의 유입량이 많고, 육상양식장으로부터 인위적인 고농도의 영양염이 공급되고 있다. 제주 신양리 해역과 신흥리 해역은 녹조가 빈번하게 발생하는 대표적 제주 해역으로 입구가 좁은 만 형태를 갖추고 있고, 주변 양식장으로부터 배출수가 유입되고, 담지하수가 유입되는 공통점을 갖고 있다. 또한 만의 입구는 방파제 건설로 인하여 더 협소해져 있어 만 내 해수의 순홖이 원홗하지 못한 해역이다. 신양리 해역은 만의 서쪽과 동쪽이 큰 차이를 보이고 있는데 만의 서쪽에서 양식장 배출수 및 담지하수가 주로 유입되고 있고 방파제가 서쪽을 막고 있어 해수의 흐름이 동쪽에 비해 느린 것으로 보인다. 그래서 신양리 해역 서쪽이 동쪽에 비해 영양염의 농도가 높고 녹조가 더 빈번하게 발생하고 있다. 반면 신흥리 해역은 만의 안쪽에서 바깥으로 갈수록 영양염의 농도가 낮아지는 경향을 보이는데, 외부 유입원에 따라 각 영양염의 농도는 차이를 보이고 있다. 담지하수가 주로 유입되는 곳에는 질산염과 규산염의 농도가 가장 높게 나타나고, 양식장 주변에서는 암모니아의 농도가 가장 높게 나타나며, 하수가 유입되는 곳에서는 인산염의 농도가 가장 높게 나타나고 있다. 신흥리 해역에서 녹조가 가장 많이 발생하는 해역도 만의 안쪽지역으로 영양염의 농도 분포와 유사한 것으로 판단된다.2

Tracing in the new source of the golden tide Sargassum horneri using the remote sensing and modeling

중국 동쪽 연안은 세계 최대 규모의 해조류 대발생(macroalgae bloom; MAB) 해역으로 최근 매년 녹조(green tide)와 갈조(golden tide)가 나타나고 있다. MAB의 발생은 20세기 초부터 보고되었으며, 1970년대 이후에는 산업화 발달에 의한 연안 부영양화로 세계 곳곳으로 확대되었으며 그 규모가 점차 커지고 있다. 동중국해와 황해에 출현하는 부유 갈조는 주로 괭생이모자반(S. horneri) 단일종으로 2000년대 이전부터 동중국해에 나타났으나 최근 그 규모가 증가하는 추세이다. 특히 2015년에는 기록적인 모자반이 출현이후 지속적으로 우리나라 연안에 영향을 주고 있다. 모자반 수거량은 2015년 약 25,000톤, 2016년 2,400톤, 2017년 4,400톤, 2018년 2,200톤, 2019년 860톤, 2020년 5,200톤, 2021년 1월 6,000톤에 달한다. 우리나라 해역에 영향을 미치는 외래기원 괭생이모자반의 발생과 이동경향 분석을 위해, 2008년부터 2021년까지 해색위성(500m~1,000m 공간해상도)과 고해상도 광학위성(10m 공간해상도)을 이용하여 해수 표층에 부유하는 모자반 위치 정보를 시계열 자료로 추출하여 시/공간적인 변화를 분석했다. 모자반의 기원지 분석은 해수 유동 수치모델을 이용한 역추적 입자 추적 방법을 사용했다. 황해 및 동중국해에 출현하는 괭생이모자반의 발생시기는 10월~ 6월이며, 우리나라에 영향을 미치는 시기는 연도별 차이가 있으면 해류와 바람 등의 조건에 따라 다르게 나타났다. 괭생이모자반은 2020년 이전에는 3월~5월에 우리나라 연안에 영향을 주었지만, 2021년의 경우 1월에 제주 및 서해안 연안에 영향을 주었다. 위성과 모델링 분석 결과에서 12월~2월에 우리나라에 영향을 주는 모자반은 산둥반도와 발해만에서 유입되는 모자반이고, 3월~5월에 유입되는 것은 대부분 중국 장강 유역을 포함하는 저장성일원에서 발원한 것이지만, 일부분은 산둥반도에서 유입된 종과 혼합된 것으로 조사되었다. 기존의 조사 결과는 저장성 일대에서 발생한 모자반이 영향을 주었지만, 최근 중국의 생육지의 북상으로 기원지가 다르고 다양한 계절에 걸쳐 영향을 주는 것으로 조사되었다.2

제주 연안 파래 대발생 현황 분석

제주 주변 바다는 전 세계 해양에서 지난 30년 동안 가장 빨리 온난화가 진행된 5개 지역해 중 하나로 분류되고 있을 뿐만 아니라(>2°C), 미래에도 지속적으로 수온이 상승할 것으로 예측되고 있는 지역해 중 하나이다. 현재 제주 바다는 기후변화에 대한 취약 해역으로 변화되고 있고, 더불어 산업화에 의한 오염이나 부영양화의 영향으로 제주를 포함한 주변 바다는 심각한 해양생태계 변화가 나타나고 있다. 특히 제주 연안은 유해생물의 대량 출현 및 아열대/열대생물이 유입되면서 많은 지역에서 번성하고 있다. 제주 해양생태계는 우리가 알지 못하는 이상 현상들이 계속 발생하면서 해양자원 및 수산업 분야에서 위기가 현저하게 나타나고 있는 지역으로 변화되고 있다. 특히, 갈파래과의 Ulva속 해조류는 전 세계적으로 해양의 녹조 대발생(green tide)의 대부분을 차지 하고있으며, 해양생태계 및 연안홖경오염에 원인이 되고 있다. 해양 레져 및 관광자원으로써 해양의 측면에서 해조류의 대량 번식과 폐사는 악취를 유발하고 자연경관을 해쳐 큰 피해를 주고 있다. 제주지역은 구멍갈파래(U. austrailis), 가시파래(U. prolifera), 큰갈파래(U. ohnoi), 참갈파래(U. lactuca), 잎파래(U. linza)가 대발생의 주요 종으로 알려져 있다. 본 연구는 제주연안 조간대의 Ulva속 해조류의 분포를 알아보기 위하여 제주 서부의 한수리, 신창, 북부의 함덕, 김녕, 동부의 종달리, 신양리 방두만, 하도리, 신흥리, 김녕, 함덕, 시흥, 토끼섬을 선정하여 2019년 후반부터 현재까지 월별 사리 간조 때 드론으로 촬영하여 분석에 이용하였다. 촬영사진은 GPS 좌표 정보를 기반으로 합성, 조간대부분만 나타나게 마스킹하고 객체분류하여 분포 면적을 분석하였다.2

침묵의 제주 바다 : 신양 방두만 파래 대발생 원인 분석 및 저감 방안

제주도 동쪽 해안에 위치한 신양리 방두만은 반 폐쇄적인 만(0.9km × 0.9km)으로 사구 해안을 포함하고 있다. 신양 방두만은 북쪽에서 동쪽 해안을 따라 넓은 모래사장이 있으며, 조위 변화에 크게 영향을 받는 얕은 수심을 가지고. 북서쪽 신양포구에서 해저지하수가 용출 되고, 서쪽 연안을 따라 국내에서 처음으로 시작한 광어 육상양식장들이 위치해 있다. 제주 신양 방두만의 파래 대발생은 90대 중반 이후 시작되어 매년 현재까지 지속적으로 발생하고 있다. 본 연구는 제주 신양 방두만 파래 대발생 원인을 분석하고 저감 방안을 마련하기 위해 2019년부터 현재까지 조사를 수행하고 있다. 드론 조사는 신양 방두만의 파래 발생 면적 변화를 계산하기 위해 월별 사리 간조 때 수행되었다. 해양환경 조사는 만 내 9개 정점과 연안 12개 정점에 대해서 월별 CTD 관측과 시료 분석을 완료했고, Drift를 이용하여 조위 변화에 따른 해류 관측을 수행했다. 파래 발생 원인을 분석하기 위해 수치모델을 이용한 해수 유동 시뮬레이션을 수행했다. 신양 방두만 파래 발생은 3월에 최저, 6월에 최대를 나타냈다. 2020년 한해 파래 누적 발생 면적은 약 2백만m²로 축구장 280개 규모이고, 6월 발생은 3십만m²로 축구장 42개에 달한다. 신양 방두만에서 해조류 증가 경향은 만의 동쪽 가장자리와 만의 중간 지점, 양식장 배출수와 용천수가 유출되는 서쪽 가장자리에 지속적으로 존재한다. 이는 겨울철 수온 상승의 효과와 더불어 만 내의 인공구조물로 인해 해수의 유동이 원활하지 않아 유입된 해조류가 해변에 쌓이고, 지하에서 유출되는 용천수와 육상양식장 배출수로 인해 성장에 적합한 환경으로 변화된 것으로 조사되었다. 해수 유동 시뮬레이션 결과에서도 90년대 후반 서쪽 입구에 건설된 항구와 방파제의 영향으로 건설전보다 항내 체류시간이 증가되고 외해로 배출되는 입자보다는 만 내 연안으로 유입되는 입자가 증가되는 것으로 조사되었다. 결과적으로 파래 대발생을 저감할 수 있는 방안은 양식장 배출수의 관로 개선과 연안으로 유입되는 해저지하수의 감소 그리고 해수 순환이 잘 될 수 있는 방파제 구조 변경을 제시되었다. 이와 더불어 발생 초기에 파래를 수거하여 발생 면적의 감소를 위한 수거 연구를 수행했고, 2022년 작년 발생의 30~50% 정도가 감소되었다.2