KR100356335B1 - 수중촬영 등에 사용되는 무인잠수정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수중촬영 등에 사용되는 무인잠수정에 관한 것으로서, 종래의 무인잠수정은 러더 등의 조타장치를 사용하여 수중에서의 파손이 빈번할 뿐만아니라, 신속한 방향전환이 곤란하다는 문제점이 있었다.

또한, 구동장치를 이용하여 별도의 조타장치를 삭제한 것에 있어서도, 촬영 이나 탐색 등에서 요구되는 정밀한 동체제어가 곤란하다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 예시도면 도 3 내지 도 5 에서와 같이, 구동장치(12)(14)의 조합으로 다양한 형태의 동체조종이 가능하도록 동체(10)의 진행방향과 수직방향으로 독립된 구동장치(12)(14)를 배치시킴과 동시에, 신속한 급반전이 가능하도록 동체진행 방향으로의 구동장치(12)는 경사지게 배열시킨 것이다.

또한, 롤링이나 피칭 등 동체(10)의 흔들림이 방지되는 정밀한 수평조종제어가 수행되도록 자이로 센서 등에 의한 자세감지수단을 동체(10)에 장착시키고 각 구동장치(12)(14)의 구동력을 연산 출력하는 제어수단(18)을 마련하여 각 구동장치(12)(14)가 자세감지수단으로부터 제어수단(18)의 통제를 받도록 한 것이다.

따라서, 본 발명에서는 촬영 등에 사용되는 무인잠수정에 있어서 러더 등 별도의 조타장치가 없으면서도 기동성 있는 동체의 전환이 가능하고 화면포착을 위한 무인잠수정의 정밀한 동체제어가 수행되는 효과를 얻을 수 있는 것이다

Description

수중촬영 등에 사용되는 무인잠수정{Unmanned submarine for use in under water photography}

본 발명은 수중촬영 등에 사용되는 무인잠수정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 러더 등 별도의 조타장치가 삭제되면서도 잠수정 동체의 신속하고 정밀한 자세제어가 가능한 수중촬영 등에 사용되는 무인잠수정에 관한 것이다.

통상 인간의 잠수한계를 초월한 지역, 예를 들면 심해저 등과 같이 생리학상 인간의 잠수 수심한계를 초과한 지역이나, 오염지역 난파선 등과 같이 위험지역의 탐사 또는 군 수색용으로 무인잠수정이 사용되고 있음은 주지된 바와 같다.

이를 위한 무인잠수정은 중성 부력을 유지하는 유선형 동체를 위시하여 동력장치 및 조타장치 등이 장착된 것으로 이루어져 있다.

조타장치는 좌우의 방향을 조정하기 위한 러더(rudder)와 잠수를 조정하기 위한 다이브 블레이드(dive blade)로 구분되며, 모우터 등에 의한 엑튜에이터로 사용자의 제어를 받고 있다.

그러나, 이러한 조타장치에 의한 잠수정의 손상이 빈번하며, 그 이유로는 엑튜에이터 등의 구동부와 러더나 다이브 블레이드의 연결부 방수처리가 까다롭기 때문이다.

특히, 심해저 탐사인 경우 막대한 수압이 연결부에 작용되며 항해를 위한 상기 조타장치의 사용이 잦게 되면 연결부의 방수가 손상되어 잠수정의 방향제어가 곤란해 지는 것이다.

이와 더불어, 잠수정의 방향전환은 프로펠러에 의한 일방향 추진과 이와 연동되는 러더와 다이브 블레이드에 의하므로, 신속한 방향전환이 어려우며 특히 저속에서 기동성이 극히 열악한 문제점이 있는 것이다.

이에 동력장치인 프로펠러 제어에 의한 조타제어가 가능한 무인잠수정이 의욕적으로 개발되고 있으며, 예시도면 도 1 에 그 일례(출원번호10-1995-000744)가 도시되어 있다.

이것은 잠수정의 종축 주위에 약 90도의 각도로 배열된 4개의 프로펠러 조합으로 조타제어를 수행하도록 한 것으로, 각각의 프로펠러 구동력 조절로 별도의 조타장치 없이 잠수정의 방향전환이 이루어지도록 한 것이다.

그러나, 이는 선수에 레이다 등의 센서가 설치되어 목적물의 위치파악으로부터 목적물 위치까지의 도달과 충돌을 중요한 목적으로 하고 있는 기뢰폭파용 잠수정으로, 장면자체의 포착을 위한 잠수정 동체의 정밀한 자세제어까지는 필요 없기 때문에 촬영용이나 탐사용의 용도로는 적합치 않다는 문제점이 있다.

즉, 촬영용이나 탐사용의 잠수정은 인간의 잠수가 곤란한 지역에서의 화면포착과 탐색이 주된 용도이다.

이를 위해 원격조종카메라가 탑재되어 있으며, 사용자가 원하는 장면을 포착하기 위하여는 카메라의 위치를 보조해 주는 잠수정의 자유로운 자세제어가 필수적이다.

예를 들면, 정지상태에서의 촬영을 위해서는 잠수정의 자세가 고정된 상태를 유지해야 하며, 소정의 화면포착을 위한 카메라 앵글의 각도조절을 위해서는 잠수정 동체가 회전되어야 할 것이 요구된다.

그러나, 상기된 잠수정으로는 이러한 자세제어가 곤란하며, 그 이유로는 잠수정 선미에 배열된 프로펠러들은 잠수정의 전진방향으로 바람직하게 작용하나 이것만으로는 동체의 수평이나 현 자세 유지를 정밀하게 제어하기 어렵기 때문이다.

일례로, 유속 등 주변환경이나 프로펠러의 구동력 불균형 등에 의해 동체가 진행축에서 회전되거나 기울어져 전진될 우려가 있다.

따라서, 정상상태의 운행인 경우에는 예시도면 도 2a 와 같으나, 동체가 진행축에서 회전되거나 기울어진 경우에는 도 2b 와 같이 모니터(1)로 볼 때 회전되거나 기울어진 상태로 전진장면이 촬영되는 것이어서 촬영을 목적으로 하는 잠수정에 있어서는 큰 문제점이 된다.

또한, 구조상 정지상태의 유지와 수평이동 및 정지상태에서의 진행방향을 축으로 하는 동체회전제어 등이 곤란해 다양한 카메라 앵글을 요구하는 촬영용 무인잠수정으로는 부적합한 것이다.

이에 본 발명은 상기 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 러더 등 별도의 조타장치가 삭제되면서도 잠수정 동체의 신속하고 정밀한 자세제어가 가능한 수중촬영 등에 사용되는 수중촬영 등에 사용되는 무인잠수정을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

이를 위한 본 발명은 구동장치의 조합으로 다양한 형태의 동체조종이 가능하도록 동체의 진행방향과 수직방향으로 독립된 구동장치가 배치됨과 동시에, 신속한 급반전이 가능하도록 동체진행 방향으로의 구동장치는 경사지게 배열된 것이다.

또한, 롤링(rolling)이나 피칭(pitching), 요잉(yawing) 등 동체의 흔들림이 방지되는 정밀한 수평조종제어가 수행되도록 자이로 센서 등에 의한 자세감지수단이 동체에 장착되고 각 구동장치의 구동력을 연산 출력하는 제어수단이 마련되어 각 구동장치는 자세감지수단으로부터 제어수단의 통제를 받도록 한 것이다.

따라서, 본 발명에서는 촬영 등에 사용되는 무인잠수정에 있어서 러더 등 별도의 조타장치가 없으면서도 기동성 있는 동체의 전환이 가능하고 화면포착을 위한 무인잠수정의 정밀한 동체제어가 수행되는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

도 1 a,b 는 종래 무인잠수정을 나타낸 개요도,

도 2 a,b 는 종래 무인잠수정의 문제점을 설명하기 위한 개요도,

도 3 은 본 발명에 따른 무인잠수정을 나타낸 사시설명도,

도 4 a 는 본 발명에 따른 무인잠수정의 동체제어장치를 나타낸 블록도,

도 4 b 는 본 발명에 따른 무인잠수정 동체제어의 흐름도,

도 5 는 본 발명에 따른 무인잠수정의 동체 상하수직축 회전작동상태를 나타 낸 개요도,

도 6 은 본 발명에 따른 무인잠수정의 동체 진행축 회전작동상태를 나타낸 개요도,

도 7 은 본 발명에 따른 무인잠수정의 동체 좌우수직축 회전작동상태를 나타 낸 개요도,

도 8 은 본 발며에 따른 무인잠수정의 경사 수평이동의 작동상태를 나타낸 개요도이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

10 - 동체, 12,14 - 구동장치,

16 - 자세감지수단, 18 - 제어수단,

20 - 조종유니트

이하 첨부된 예시도면과 함께 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

예시도면 도 3 은 본 발명에 따른 무인잠수정을 나타낸 외관설명도이고, 예시도면 도 4 는 본 발명에 따른 제어수단과 그 작동상태를 나타낸 블록도 및 흐름도 이며, 예시도면 도 5 내지 도 8 은 본 발명에 따른 무인잠수정의 작동상태를 나타낸 설명도로서, 본 발명은 무인잠수정의 진행과 각 방향의 급전환이 가능하도록 동체(10)의 외주에 동체 진행방향으로부터 경사져서 대칭되는 1쌍의 구동장치(12)와 동체 진행방향 상하로의 수직방향으로 최소한 3개의 구동장치(14)가 독립적으로 구동되게 장착된다.

그리고, 동체(10)에는 자이로 센서 등 동체의 자세를 감지하는자세감지수단(16)이 장착됨과 더불어, 동체(10) 자세를 유지하기 위한 각 구동장치(12)(14)의 구동력 연산과 출력신호 송출을 수행하는 제어수단(18)이 마련되어져, 이 제어수단(18)의 입력단에 상기 자세감지수단(16)이 연결되고 제어수단(18)의 출력단에는 상기 각 구동장치(12)(14)가 연결된 수중촬영 등에 사용되는 무인잠수정이다.

미설명 부호 20 은 조종유니트이다.

상기된 바와 같이 본 발명은 독립적으로 작동되는 동력장치(12)(14)의 배열과 그 제어로 러더나 다이브 블레이드 등 종래 조타장치의 단점을 극복함과 더불어, 정밀한 무인잠수정 동체(10)의 자세제어가 수행되는 것이다.

이를 위한 본 발명은 전후진행과 좌우회전을 위한 1쌍의 독립된 구동장치(12)와 승강이동과 동체축 및 동체 수직축으로의 회전을 위한 3개의 독립된 구동장치(14) 조합으로 구동과 조타를 동시에 만족시킨다.

여기서, 독립된 구동장치(12)(14)란 별개로 구동되어 별개로 제어를 받는 구분된 구동장치로서, 예를 들면 각각의 모우터를 구비한 각각의 프로펠러이다.

상기 구동장치에서 동체진행방향의 각 구동장치(12)는 무인잠수정의 동체(10)와 경사지게 장착되어진다.

이것은 동체(10)의 회전기동성을 증가시키기 위한 것으로, 구동장치(12)의 출력방향이 회전시 동체(10)의 유체저항과 동체(10)의 무게중심을 고려한 동체(10) 회전중심 방향의 접선방향으로 정하여지게 배열되면 회전기동성이 최대화된다.

그러나, 동체(10)의 진행성과 회전성을 고려해 그 경사가 결정되어지는 것이지 상술된 회전중심에 일치되게 결정되는 것은 아니다.

한편, 동체진행방향 상하로의 수직방향으로 3개의 독립된 구동장치(14)가 장착되어 3점 구동방식을 이루며, 전방 2개의 구동장치가 동체(10)의 승강을 담당한다.

나머지, 후방의 구동장치는 동체진행방향 좌우로의 수직축에서 동체(10)의 회전을 담당하며, 동체(10)가 전방이나 후방으로 기울어져 있을 때에나 피칭이 발생하였을 때 이것을 보정하는 역할을 하게 된다.

이러한 독립된 구동장치(12)(14)는 사용자의 조종과 이에 따른 제어수단(18)의 출력신호에 따라 각각의 구동장치(12)(14) 출력 즉, 프로펠러의 회전과 회전수가 별개로 제어된다.

그 운동유형을 공간좌표상에서 설명을 하면, 동체(10)축방을 x축으로 하면 본 발명은 x축 방향으로 독립된 2점 구동방식과 z축 방향으로 독립된 3점 구동방식의 조합으로 이루어져 있다.

이에 의해 x축 방향으로의 진행과 z축의 회동운동이 가능하고, z축 방향으로 승강운동과 x축의 회동운동이 가능하며, y축의 회동운동이 가능하다.

또한, 이러한 운동의 조합으로서, x-z 평면상의 경사 수평이동이 가능하고, z축상의 나선운동과 x축상의 나선운동이 가능하며, 동체(10)를 90°반전시키면 y축 방향으로의 수평운동도 가능해 진다.

여기에, 제어수단(18)에 따른 동체(10)운동의 기본제어가 설정되면 상기 운동이 정밀하게 제어하게 된다.

예를 들어, 동체(10) 진행중 정지하고자 한다면 동체(10)는 관성에 의해 계속 진행하려 할 것이다.

이때, 급정지를 위한 역회전 출력을 제어수단(18)에 설정해 놓으면, 사용자는 조종관을 제어하여 역회전시키지 않더라도 제어수단(18)에 의해 급정지가 가능하게 된다.

이러한 설정값은 진행출력에 따른 비례치로 나타나며 실험에 의해 결정된다.

이러한 구동장치(12)(14)의 구동력 조합으로 잠수정의 자세와 동작이 사용자의 임의에 따라 기동성 있게 다양한 형태로 제어되는 것이며, 이것은 수중촬영 등을 위한 무인잠수정에 있어서는 필수적인 것이다.

즉, 상술된 바와 같이 수요자를 만족시키기 위한 카메라 앵글제어가 수행되기 위해서는 카메라가 탑재된 잠수정이 카메라 앵글을 위한 자세를 유지해야 하며, 이것은 지상에서 사람이 카메라를 조정할 때 손으로 들고 카메라 앵글을 조정하는 것과 마찬가지로 수중의 카메라 앵글 조정을 위해서는 무인잠수정의 앵글 역시 조정되어야 하는 것과 같은 이치이다.

이러한 다양한 앵글의 조정이 본 발명의 무인잠수정에서는 가능하게 되며, 또한 앵글의 신속한 변환에 있어 본 발명의 구동장치(12)(14)의 제어로 가능해 지는 것이다.

이에 부가하여 본 발명은 진행이나 정지시 동체(10)의 자세가 유지되도록하여 더욱 정밀한 동체(10)의 조종이 가능하도록 보조한다.

동체(10)의 자세유지를 위한 본 발명은 제어수단(18)의 입력단에 자세감지수단(16)이 연결되고 제어수단(18)의 출력단에 각 구동장치(12)(14)가 연결되어, 자세감지수단(16)으로부터 현 자세의 정보가 제어수단(18)에 입력되어 그 자세를 유지하기 위한 구동장치(12)(14)의 제어가 수행된다.

자세감지수단(16)으로는 자이로 센서 등이 이용되며, 자이로 센서는 주지된 바와 같이 롤링, 피칭, 요잉 등 공간에서의 물체자세를 검출하는 센서로 이것을 이용하여 무인잠수정 동체(10)의 자세를 판단하며, 이 판단에 의해 구동장치(12)(14)를 통해 동체(10)의 자세제어가 수행되는 것이다

출력신호는 공간에서의 좌표신호(저항값)로 입력되며, 제어수단(18)에는 이 좌표신호의 각 축상 적정 허용범위가 설정되어 있어, 이 범위를 초과한 동체(10) 롤링이나 피칭, 요잉이 발생되면 이것을 허용범위 내로 복원하기 위하여 구동장치(12)(14)의 제어가 수행되는 것이다.

동체(10)의 자세를 복원하기 위한 제어수단(18)의 출력은 동체(10)의 물리적 성질과 각 주변상황을 고려해 실험적으로 결정되어 지며, 이것의 연산이 제어수단(18)에 설정되어 있음은 당연하다.

사용자의 조종이 자이로 센서의 제어신호보다 우선되게 설정됨은 당연하고, 여기서 사용자의 조종은 회전을 위한 조종이다.

즉, 자이로 센서는 동체(10)의 각축으로 회전을 감지하며, 동체(10)의 단순한 전후진이나 승강은 감지하지 못한다.

이러한 자이로 센서에 의한 동체제어를 설명하면, 상승과 더불어 전진을 위한 조종을 하면 동체(10)는 경사방향으로 동체수평이동을 한다.

이것에 의한 동체(10)의 운동은 자이로 센서에 검출되지 않는다.

그러나, 이러한 경사운동 중 주변환경에 의해 동체(10)에 회전운동이 발생되면, 예를 들어 롤링이나 피칭등이 발생되면 자이로 센서는 이것을 검출하게 되고, 이러한 롤링이나 피칭을 방지하는 제어가 수행되는 것이다.

이것은 사용자가 회전운동을 위한 조종을 명령하지 않는 상태에서, 제어수단(18)은 3차원 각 축에 설치된 자이로 센서의 송출신호에 따라 구동장치(12)(14)의 제어를 수행하는 것이며, 이것은 사용자의 조종에 의한 구동과는 별개여서, 결과적으로는 사용자의 조종과 제어수단(18)의 조종이 조합된 형태로 구동된다.

한편, 사용자가 동체(10)를 Z축상으로 회전시키면 동체(10)에는 요잉이 발생되는 상태이다.

이때, 자이로 센서에 의한 요잉신호와 사용자의 조종신호가 제어수단(18)에 송출되고, 제어수단(18)은 사용자의 조종신호를 처리하며 자이로 센서의 요잉 신호를 무시하게 된다.

여기서, 상기 운동에서 제어수단(18)이 무시하는 신호는 요잉 신호 만이다.

즉, 제어수단(18)의 신호대비는 각 축에 따른 별개의 신호대비여서, 만약 이와 상관없는 동체(10)의 운동, 예를 들어 상기 조종 중 롤링이 발생되면 이것은 사용자의 조종과 무관한 회전이 된다.

따라서, 제어수단(18)은 요잉의 신호는 사용자의 조종이 우선되어 무시하지만 상기 롤링에 있어서는 이것을 방지시키기 위한 구동장치(14)의 제어가 수행되는것이다.

이에 의해 사용자의 조종에 보조하여 자이로 센서를 통한 제어수단(18)의 정밀한 동체제어가 수행되는 것이다.

또한, 이러한 자이로 센서를 통해 본 발명에서는 발전된 형태의 자세제어가 사용자의 설정에 따라 수행되며, 그 예를 들어보면 현자세를 기준값으로 그 자세를 유지하기 위한 제어가 수행된다.

즉, 촬영상 여러 가지 이유로 동체(10)를 기울어야 할 상황이 발생되며, 이 기울어진 자세를 유지시켜야 할 상황도 발생된다.

그런데, 잠수정 등의 기본설계는 기본상태인 평형을 유지하기 위해 복원력을 확보하기 위한 저중심 설계여서, 무인잠수정을 기울어진 상태로 유지시키기 위하여는 그 복원력에 대항하도록 구동장치(12)(14)의 각 부를 제어해야 한다.

이때, 사용자는 무인잠수정을 조종하면서 한편으로는 카메라를 조정해야 하는데, 본 발명에서는 사용자가 조종을 통해 동체(10)를 회전시켜 기울여 놓으면 이때부터 제어수단(18)의 구동장치(12)(14) 제어가 수행되어, 만약 동체(10)가 그 복원력에 의해 복귀되려 할 때 이것은 회전운동으로 자이로 센서에 의해 그 운동이 감지되므로, 사용자의 조종이 아닌 복원력에 의한 동체(10)의 복귀가 저지되는 것이다.

따라서, 본 발명에서는 종래의 잠수정이 수행할 수 없는 급반전, 수평이동이 기본적으로 가능하며, 이에 부가되어 롤링이나 피칭, 요잉 등의 동체(10) 회전진동이 방지된 동체(10)의 이동이 가능하고, 더욱 발전되어 동체(10)를 사용자의 임의에 따라 기울여 놓았을 때, 이것의 자세유지가 수행되는 것이다.

한편, 이러한 동체제어를 기본으로 카메라의 자세제어가 수행되면 더욱 발전된 카메라 앵글의 조정이 가능하다.

실적용례를 들어보면, 본 출원인이 출원한 무선 영상 촬영장치(출원번호 20-2000-0013863)를 응용하여, 1차로 본 발명의 구동장치(12)(14)가 무인잠수정의 동체를 제어하게 하고, 2 차로 카메라의 자세를 제어하게 하면 사용자가 원하는 카메라의 앵글을 자유롭게 조정할 수 있는 것이다.

이것은 카메라의 운반체에 카메라를 회전시키는 별도의 수단과 카메라의 자세를 제어하는 수단을 구비하여, 카메라가 일정한 자세를 유지토록 한 것이며, 반대로 사용자의 조종을 통해 카메라 회전 제어도 가능하다.

따라서, 본 발명에 따른 무인잠수정의 동체(10)내에 카메라의 자세제어가 가능한 별도의 장치를 구비하면, 동체자세제어와 연동되어 충분한 카메라 앵글의 조정이 가능한 것이다.

상술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 동체의 진행방향과 수직방향으로 각각 독립된 구동장치가 배치되어 각 구동장치의 조합으로 다양한 형태의 동체조종이 가능하게 됨과 더불어, 동체진행 방향으로의 구동장치는 경사지게 배열되어 신속한 급반전이 가능하고, 각 구동장치는 자세감지수단으로부터 제어수단(18)의 통제를 받게 되어 롤링이나 피칭 등 동체의 흔들림이 방지되는 정밀한 수평조종제어가 수행됨으로써, 촬영 등에 사용되는 무인잠수정에 있어서 화면포착을 위한 무인잠수정의 신속하고 정밀한 동체제어가 수행되는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 무인잠수정의 진행과 각 방향의 급전환이 가능하도록 동체(10)의 외주에 동체 진행방향으로부터 경사져서 대칭되는 1쌍의 구동장치(12)와 동체 진행방향의 수직방향으로 최소한 3개의 구동장치(14)가 독립적으로 구동되게 장착됨과 더불어, 동체(10)에는 자이로 센서 등 동체의 자세를 감지하는 자세감지수단(16)이 장착되고, 동체(10)의 자세를 유지하기 위한 각 구동장치(12)(14)의 구동력 연산과 출력을 수행하는 제어수단(18)이 마련되어져, 이 제어수단(18)의 입력단에 상기 자세감지수단(16)이 연결되고 제어수단(18)의 출력단에 상기 각 구동장치(12)(14)가 연결된 수중촬영 등에 사용되는 무인잠수정.