CASE STUDY①
근해역 시험 집광로봇의
통합운용 소프트웨어 개발
여태경 한국해양연구원 선임연구원
[시스템 구성]
애플리케이션 요약
한국해양연구에서는 수심 약 5,000m에 부존되어 있는 망간단괴를 캐기 위한 심해 집광로봇(무한궤도형 원격자율주행로봇)의 개발에 앞서, 근해역 시험용 집광로봇인 미내로(MineRo)를 개발했다. 수중에서 미내로가 단괴를 채집하도록 적절히 운용하기 위해서는 DP선박과 선상운용 시스템의 지원이 필요하며, 미내로 내부에는 수많은 센서로부터의 정보 수집 및 액추에이터 제어, 그리고 선상운용 시스템과의 통신을 담당하는 리모콘이 탑재되어 있다. 
·수상선 : LabVIEW 2009, Database Connectivity Toolkit, PXI-8196, PXI-1031
·미내로 : LabVIEW 2009, Real-Time Module, PXI-8110, PXI-8430/4, PXI-8430/8, PXI-6220, PXI-6704
[NI 솔루션 채택된 이유]
· 수중 센서와 장비들의 다양하고 안정적인 DAQ 방법 지원 및 간편한 인터페이스
· RTOS을 통한 다양한 수중 센서와 장비의 실시간성 확보
· LabVIEW를 이용한 직관적이고 빠른 프로그래밍
· 검증된 네트워크와 Inter-thread communication methods을 통한 안정된 데이터 통신
· GUI 개발을 더욱 쉽게 지원해주는 직관적이고 간단한 인터페이스
· 데이터베이스 연결 툴킷으로 쉽게 SQL에 연결
해결 과제
미내로의 제어와 계측은 네트워크를 기반으로 하기 때문에, 이를 실현하기 위해 다음과 같은 사항을 중점적으로 고려했다.
· 수중 센서 및 장비를 위한 다양한 I/O 지원
· 미내로 제어를 위한 실시간성
· 선상 시스템과 미내로 장비간의 시간 동기화
· 시스템 통합운용을 위한 운용 소프트웨어 개발
미내로에는 수많은 센서와 장비들이 탑재되어 있으나 이들의 I/O가 개별적이기 때문에 다양한 I/O를 지원하는 장비가 필요하다. 그리고 수중에서는 각종 전자장비의 경우 내압 용기(Pressure housing or Canister)에 위치하며, 이것의 공간적 제약 때문에 하드웨어의 최적화가 필요하다. 미내로 운용 소프트웨어에는 속도제어, 수중항법, 자동경로 추종의 3가지 주요 알고리즘이 탑재되어 있고, 이들 알고리즘의 적용을 위해서는 샘플링 주기가 상이한 수중 센서와 장비들의 실시간성이 반드시 확보되어야 한다.
다음은 수상선과 미내로 장비 상호 간의 시간 동기화 문제가 해결되어야 한다. 이것은 미내로의 실시간성 확보에도 영향을 미치며, 특히 서로 다른 샘플링 주기를 갖는 데이터들을 동일한 주기로 데이터베이스에 저장하기 위한 필수 요건이다. 마지막으로 선박-집광로봇으로 구성되는 통합시스템의 운용을 위한 운용 소프트웨어의 개발이 요구된다.
솔루션
미내로 내부에 탑재된 수중 센서 및 장비들의 다양한 I/O를 지원하기 위해, 시리얼, DIO, AIO를 모두 지원하는 PXI 장비를 리모컨으로 채택했다. 이를 통해 개별 센서 I/O보드의 추가 및 설치가 획기적으로 감소하여, 내압 용기의 공간적 제약에 매우 유리하다. 미내로의 실시간성, 그리고 수상선과의 시간 동기화 문제를 해결하기 위해, 리얼타임 모듈을 사용하여 타임 크리티컬한 시스템을 구축했다.
선상운용 시스템에는 PXI Host controller를 위치시켜, 리모컨으로부터 모든 정보를 이용, 관리하거나 운용자 지령을 알리는 역할을 담당하게 했다. 이와 함께 데이터베이스 연결 툴킷을 추가로 사용하여 데이터 저장 및 변환 프로그램까지 개발했다. 
시스템 설명
미내로 운용을 위한 통합운용 시스템의 구성은 그림 2와 같으며, NI의 PXI 플랫폼을 기반으로 LabVIEW와 리얼타임 모듈을 사용하여 개발되었다. 미내로에 장착된 PXI 리모컨은 수상선에 있는 PXI Host controller와 함께 미내로 운용의 중추적인 역할을 담당하며, 상호 데이터를 송수신 한다.
수상선과 미내로의 위치 생성에 절대적인 역할을 담당하는 수상선의 항법 시스템은 TCP/IP 통신을 통해 PXI Host controller에 위치 정보를 제공한다.
미내로 통합운용 소프트웨어는 그 용도에 따라 크게 3가지로 구분되며, 이것의 주요 구조는 그림 3과 같다.
Host PXI controller에 탑재된 제어프로그램은 통합운용 시스템에서 생성되는 모든 데이터를 수집하고 가공해 각 클라이언트로 전송하는 서버 역할, 대부분의 제어 알고리즘을 구현하는 메인 역할, 그리고 운용자로부터 명령을 지령받아 전달하는 핵심적 역할을 담당한다.
리모트 프로그램은 미내로 내의 리모컨에 탑재된 프로그램으로, 실시간 특성이 있으며 센서로부터의 데이터 수집 및 호스트와의 송수신을 담당한다.
카메라 프로그램은 미내로의 전면에 부착된 수중 카메라와 Pan&Tilt를 제어하기 위한 것으로, 시리얼 통신과 미디어 컨버터의 광통신을 통해 구동된다. 수중 카메라로부터 획득된 영상은 수상의 카메라 PC와 DVR로 전송되어 영상 정보를 재생 및 녹화한다.
모니터링 프로그램은 통합 시스템의 전반적인 상태와 세부 사항들을 그래프와 숫자 형태로 표시한다. 이를 통해, 감독관(supervisor)은 운용자에게 적절한 명령을 지령한다. 내비게이션 프로그램은 수상선에 설치된 항법 시스템으로부터 전송되는 선박과 미내로의 위치 정보를 실시간으로 표시하는 프로그램이다.
데이터 저장 프로그램은 모든 시험과정에서 획득된 정보를 DB에 저장하는 프로그램이며, 저장된 데이터는 변환 프로그램을 통해 MATLAB의 Mat-파일 형태로 변환된다. 이를 이용하여 수중에서의 로봇 운용 상태와 개발 알고리즘의 성능 분석이 가능하다.
솔루션 개발 후 이점
장비 통합 전 단계에서의 센서 또는 장비의 개별 테스트용 프로그램 개발에 LabVIEW의 이용은 쉽고 편리한 접근법을 제공했다. 개별 테스트 프로그램은 Sub VI로 활용이 가능하므로 통합운용 소프트웨어 구성에 내용 변경 없이 적용할 수 있기 때문에 개발 시간을 단축시킬 수 있었다.
또한 프로그래밍 중 어떤 특정 함수가 요구될 때 이미 그 기능을 가진 많은 함수를 지원하므로 별도의 작업 없이 편하고 순조롭게 개발이 가능했다. 그뿐만 아니라 프로그램의 수정과 배포가 자유로워 알고리즘 개발이 손쉽게 진행되었다. 일례로, 근해 수중 시험 중 프로그램을 즉시 수정해야 할 때, 수정과 배포가 자유롭지 않았다면 큰 번거로움과 어려움에 직면했을 것이다.
이 솔루션은 또 2년간 총 3개월의 실해역 시험에서 운용 시스템이 이유 없이 멈추는 등의 이상 상황을 한번도 경험하지 못했을 정도로 시스템 안전의 우수성을 확인할 수 있었다.
