자율 항해 수중 드론 설계 및 제어 시스템 개발 = Development of an Autonomous Underwater Vehicle Design and Control System

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 자율 항해 수중 드론의 설계 및 제어 시스템을 개발하고, 이를 기반으로 항력 저감과 통신 안정성을 검증하는 것을 목적으로 한다. 수중 드론은 해양 탐사, 군사 정찰, 해양 구조물 점검 등 다양한 분야에서 활용되고 있으나, 수중 환경 특성상 통신 제약과 유체 저항이 커 효율적 운용이 어렵다. 이에 본 연구에서는 상어 표피 구조를 모사하여 항력을 저감하고, LoRa-GPS 기반 통신을 적용한 자율 항해 시스템을 구축하였다.
기체 외형은 상어의 유선형 형상을 바탕으로 Autodesk Inventor를 이용해 3D 모델링 하엿으며, CFD 해석을 통해 외피에 작용하는 압력 분포를 분석하였다. 해석 결과, 전방부에서 최대 정압이 약 21,472 Pa이 발생하였으며, 이를 기준으로 외피의 최소 요구 강도를 도출하였다. ASTM D790 규격의 3점 굽힘 시험을 수행하여 PLA+, ABS, Onyx 필라멘트의 기계적 특성을 비교한 결과, Onyx를 주요 구조부, PLA+를 내부 프레임 및 외피에 적용하여 경량성과 강도를 동시에 확보하였다. 또한, 청상아리의 표피 구조를 단순화한 Denticle 모델을 배치 형태별로 CFD 해석한 결과, 1x2x3 격자 배열에서 항력계수가 약 23.4% 감소함을 확인하여 상어 표피 구조의 유체 저감 효과를 입증하였다.
제어 시스템은 Arduino Mega를 기반으로 GPS, LoRa 통신 모듈, 전자 나침반, 초음파 센서, BLDC 및 서보 모터를 통합하였다. GPS 정적 테스트에서 아크릴 밀폐 상태의 평균 오차는 7.21m로 나타나, 수중 드론용 통신 하우징으로 가장 안정적인 성능을 보였다. 또한 LoRa 통신 실험에서 약 500m 거리까지 안정적인 데이터 성능을 보임에 따라 최종 부유식 통신 모듈 하우징 재료를 아크릴로 선정하였다.
마지막으로, 자율 항해 알고리즘을 실내 지상 환경에서 검증하였다. 목표 좌표를 입력하면 GPS와 전자 나침반 데이터를 기반으로 방향을 계산하고, BLDC 모터와 서보 모터가 자동으로 구동되는 것이 확인되었다. 연구자가 수동을로 드론을 목표 좌표 근처로 이동시켰을 때, 시스템은 자동으로 정지하였으며, 도착 메시지를 출력하였다.
결과적으로, 본 연구는 상어 표피 구조의 항력 저감 효과와 LoRa-GPS 통신 기반 자율 항해 알고리즘의 실효성을 실험적으로 검증하였으며, 향후 실제 수중 환경에서의 자율 운용 및 통신 안정화 연구의 기반을 마련하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to develop the design and control system of an autonomous underwater drone and verify its drag reduction and communication stability. Underwater drones are widely used in fields such as marine exploration, military reconnaissance, and underwater infrastructure inspection; however, their efficient operation is limited by communication constraints and significant hydrodynamic resistance in underwater environments. To address these challenges, this study mimicked the surface structure of shark skin to reduce drag and implemented a LoRa-GPS-based communication system for autonomous navigation.
The drone’s outer body was designed with a streamlined shark-inspired shape using Autodesk Inventor, and the pressure distribution on its surface was analyzed through Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. The analysis revealed that the maximum static pressure of approximately 21,472Pa occurred at the front section, which was used to determine the minimum required strength of the hull material. To select a suitable 3D printing filament, three-point bending tests were conducted according to ASTM D790 standards using PLA+, ABS, and Onyx materials. Based on the experimental results, Onyx was adopted for the main structural components, while PLA+ was applied to the internal frame and exterior shell, achieving both lightweight and mechanical stability. Furthermore, CFD simulations were performed on simplified denticle models derived from the shortfin mako shark. The results confirmed that a overlapping 1×2×3 over arrangement achieved a drag coefficient reduction of approximately 33.4%, demonstrating the drag-reducing effect of the shark-skin-inspired surface.
The control system was constructed based on the Arduino Mega, integrating a GPS module, LoRa communication module, electronic compass, ultrasonic sensor, BLDC motors, and a servo motor. Static GPS testing showed an average error of 7.21 m under an acrylic enclosure, indicating the highest positioning stability among tested materials. LoRa communication tests achieved stable data transmission up to 500 m, leading to the selection of acrylic as the final housing material for the floating communication module.
Finally, the autonomous navigation algorithm was verified in an indoor ground-based environment. When the target coordinates were entered, the system calculated the heading direction based on GPS and compass data, and the BLDC and servo motors operated automatically. When the drone was manually moved near the target position, the system automatically stopped and displayed an arrival message, confirming proper operation of the control logic.
In conclusion, this study experimentally validated both the drag reduction effect of the shark-skin-inspired surface and the operational reliability of the LoRa-GPS-based autonomous navigation system. The outcomes of this research provide a foundational framework for future studies on fully autonomous underwater operations and communication stabilization in real aquatic environments.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 목적 및 범위 3
• Ⅱ. 수중 드론 설계 및 해석 4
• 2.1 수중 드론 외형 CAD 설계와 재료 검증 및 3D 프린팅 - 4
• 2.2 상어 표피 적용 모델링 및 CFD 해석 - 6
• Ⅲ. 제어 및 통신 시스템 개발 8
• 3.1 수중 드론 전체 시스템 개요 8
• 3.2 LoRa-GPS 기반 통신 모듈 설계 - 10
• 3.3 자율 향해 제어 알고리즘 17
• 3.4 제어 시스템 회로 구성 - 22
• Ⅳ. 실험 및 성능 평가 29
• 4.1 수중 드론 외형 설계 및 재료 선정 29
• 4.2 CFD 해석을 통한 상어 표피의 항력 저감 효과 분석 - 34
• 4.3 GPS 위치 정적 테스트 - 37
• 4.4 LoRa 통신 성능 검증 40
• 4.5 자율 항해 성능 평가 - 43
• Ⅴ. 결론 45