KR100386088B1 - 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에사용되는 투명창 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 스캐너에서 조사되는 레이저광의 일부분이 투명창에서 정반사되어 재귀반사체에서 반사되는 광으로 오인되지 않도록 함으로써, 이동체의 위치를 정확하게 인식할 수 있도록 하는 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 투명창을 제공하는 데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치를 인식할 수 있도록, 경사각 센서와, 재귀반사체와, 레이저 스캐너 및, 연산 처리부로 구성된 위치 인식장치에서, 상기 레이저 스캐너를 수중에서 물과 격리시키도록 설치되는 투명창에 있어서, 상기 투명창의 내부면은 입사되는 레이저광의 일부분이 정반사되어 상기 레이저 스캐너에 재입사되지 않도록 경사져 있고, 외부면은 굴절되어 투과된 레이저광이 상기 내부면 입사전의 레이저광과 평행하게 재굴절되어 수중을 통해 상기 재귀반사체에 입사되도록 상기 내부면과 평행하지 않게 경사져 있는 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 투명창이 제공된다.

Description

수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 투명창{Transparent cap for underwater robot localization system}

본 발명은 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 투명창에 관한 것이며, 특히, 수중(해안) 구조물의 상태 진단과 수중 원자력 발전설비나수중 저장설비의 진단검사에 응용될 수 있도록 매질이 바뀌더라도 레이저광을 정위치에 입사시키는 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 투명창에 관한 것이다.

수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 관한 기술은 대한민국 특허출원 제99-2527호에 기술되어 있다.

대한민국 특허출원 제99-2527호에 기술된 장치의 구성요소들을 간략하게 살펴보면 다음과 같다. 상기 위치 인식장치는 이동체에 장착된 경사각 센서(tilt angle sensor)와, 이동체에 장착된 레이저 스캐너(laser scanner)와, 이동체가 주행하는 수직 평면에 설치된 2개의 재귀반사체(retro-reflector)와, 반사광 검출부 및, 연산 처리부로 구성되어 있다.

상기 경사각 센서는 수평면에 대한 이동체의 지향각을 측정하고, 레이저 스캐너는 회전하는 레이저광을 출력하여 재귀반사체로부터 반사되는 반사광을 검출한다. 그리고, 반사광 검출부는 레이저 스캐너에서 검출된 반사광을 전기적인 신호로 변환시켜 재귀반사체의 상대적 방향각을 검출하며, 연산 처리부는 측정된 이동체의 지향각과 재귀반사체의 상대적 방향각으로부터 이동체의 절대위치를 계산한다. 즉, 위와 같이 구성된 위치 인식장치는 재귀반사체에서 반사되는 반사광을 레이저 스캐너에서 검출한 후 반사광 검출부 및 연산 처리부를 통해 이동체의 절대위치를 인식할 수 있는 것이다.

이렇게 구성된 위치 인식장치에는 레이저 스캐너를 수중에서 물과 분리하기 위한 투명창을 설치해야 한다. 이 때, 공기와 투명창의 경계면에서 공기에서 투명창의 재질인 플라스틱으로 매질이 바뀌어 레이저 스캐너의 레이저광 일부분이 정반사되는 데, 투명창의 형상에 따라 레이저 스캐너의 레이저광이 투명창의 경계면에 수직으로 입사해서 수직으로 반사되는 경우가 발생한다. 이렇게 수직으로 반사된 레이저광은 레이저 스캐너의 수광부로 입사되어 재귀반사체의 반사광 신호로 오인되기 때문에 위치인식 오류를 야기한다.

그러나, 종래기술의 투명창은 위와 같은 위치인식 오류를 야기하는 ∩형태로 형성되어 있다. 즉, 이런 ∩형 투명창은 도 1에 도시된 바와 같이 회전반사경의 거울면에서 반사되는 레이저광과 투명창의 내면이 직교하기 때문에, 레이저광이 투명창에서 정반사되어 다시 수광부에 인식된다. 이로 인해, 투명창에서 반사된 레이저광이 재귀반사체에서 반사된 광으로 오인되어 정확한 위치인식에 큰 문제가 발생한다. 즉, ∩형 투명창에 반사된 레이저광이 재귀반사체에서 반사된 광으로 오인되어 이동체(로봇)의 위치인식 오차를 유발한다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 레이저 스캐너에서 조사되는 레이저광의 일부분이 투명창에서 정반사되어 재귀반사체에서 반사되는 광으로 오인되지 않도록 함으로써, 이동체의 위치를 정확하게 인식할 수 있도록 하는 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 투명창을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 투명창의 형상을 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 투명창의 형상을 도시한 도면이고,

도 3은 도 2에 도시된 투명창 내면에서의 경면반사 영향을 설명하기 위한 도면이고,

도 4는 도 2에 도시된 투명창의 형상에 따른 레이저광의 진행방향을 설명하기 위한 도면이며,

도 5는 도 2에 도시된 투명창의 내부면과 외부면이 이루는 각을 계산하기 위한 도면.

본 발명에 사용되는 위치 인식장치는, 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치를 인식할 수 있도록, 상기 이동체에 장착되어 수평면에 대한 이동체의 지향각을 검출하는 경사각 센서와, 입사되는 레이저광을 반사하여 상기 이동체의 위치를 알리는 재귀반사체와, 상기 레이저광을 출력하고 상기 재귀반사체로부터 반사되는 반사광을 입력받는 레이저 스캐너와, 상기 레이저 스캐너에서 입력받은 반사광을 전기적인 신호로 변환하여 상기 재귀반사체의 방향각을 검출하는 반사광 검출부 및, 상기 이동체의 지향각과 상기 재귀반사체의 방향각으로부터 상기 이동체의 절대위치를 계산하는 연산 처리부로 구성된다. 그리고, 본 발명의 투명창은 상기 레이저 스캐너를 수중에서 물과 격리시키는 것으로서, 그 내부면은 입사되는 레이저광의 일부분이 정반사되어 상기 레이저 스캐너에 재입사되지 않도록 경사져 있고, 외부면은 굴절되어 투과된 레이저광이 상기 내부면 입사전의 레이저광과 평행하게 재굴절되어 수중을 통해 상기 재귀반사체에 입사되도록 상기 내부면과 평행하지 않게 경사져 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 투명창 외부면의 경사각은 투명창의 내부면 경사각 및 재질이 결정되면, 공기와 투명창 및 물의 각각의 굴절율과 투명창의 내부면 경사각을 스넬의 법칙에 적용하여 구하는 것이 바람직하다.

아래에서, 본 발명에 따른 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 투명창의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 투명창의 형상을 도시한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 투명창 내면에서의 경면반사 영향을 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 4는 도 2에 도시된 투명창의 형상에 따른 레이저광의 입사방향을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 2에 도시된 투명창의 내부면 및 외부면이 이루는 각을 계산하기 위한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 투명창은 ∧형태로 형성되어 있다. 즉, 레이저광이 입사되는 입사면(투명창의 내부면)이 소정의 각도로 경사지게 형성되어 있다. 이 때, 투명창의 기하학적인 관계를 도 3에 도시된 △ABC에서 구하면 수학식 1 및 수학식 2와 같이 표현된다.

상기 수학식 1 및 수학식 2에서, a는 레이저 스캐너 반사거울의 수직방향의 길이를 나타내는 것으로서, 레이저광이 반사거울에서 반사되는 지점부터 그 지점하부에 위치하는 반사거울 끝까지의 수직방향의 길이를 나타내고, b는 레이저광의 두께(통상, 2㎜ - 7㎜)를 나타낸다. 또한, c는 레이저광이 반사거울에 반사되는 지점에서부터 투명창에서 재반사되어 반송되는 지점까지의 수직방향의 길이를 나타내고, d는 레이저광이 반사거울에서 반사되는 지점에서부터 투명창에 입사되는 지점까지의 수평거리를 나타내며, θ는 상하 수직방향에 대한 투명창 내부면의 경사각을 나타낸다.

도 3에서 알 수 있듯이, 투명창 내부면에서 반사된 레이저광이 반사거울에 재입사되어 레이저 스캐너의 수광부에 수광되지 않게 하기 위해서는 수학식 3과 같은 부등식을 만족해야 하고, 수학식 3은 수학식 4와 같은 관계를 갖는다.

c ＞ a

그리고, 수학식 4의 부등식을 만족하는 본 발명의 θ조건은 수학식 5와 같이 표현된다. 즉, 수학식 5와 같은 경사각으로 투명창의 내부면을 형성하면 투명창에서의 레이저광의 정반사에 의한 위치인식의 잡음 영향을 제거할 수가 있다.

그러나, 위와 같은 경사각으로 투명창의 내부면을 형성하더라도, 도 5에 도시된 바와 같이 레이저 스캐너에서 조사되는 레이저광이 투명창의 외부면에서 원하는 방향으로 조사되지 못할 경우에는 재귀반사체의 도달지점에서는 원하는 입사위치가 많이 어긋나게 된다. 그 결과 수중 이동체와 재귀반사체와의 거리가 멀면 멀수록 재귀반사체의 크기가 커져야 하는 단점이 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 투명창의 내부면과 외부면이 평행하지 않고 일정 각도를 이루도록 형성되어야 한다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 투명창 입사전의 레이저광(L₁)의 진행방향과 투명창 투과후의 레이저광(L₂)의 진행방향이 평행하도록 해야 한다. 그 방법을 도 5를 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도 5에 도시된 바와 같이, 레이저광 L₁의 진행방향과 레이저광 L₂의 진행방향이 평행하기 위해서는 수학식 6과 같은 관계가 성립해야 한다.

상기 수학식 θ₃는 상하 수직방향에 대한 투명창 외부면의 경사각을 나타내고, θ₅는 투명창 외부면의 법선에 대한 레이저광 L₂의 진행각을 나타낸다.

아래에서는 상기 수학식 6을 만족하기 위한 θ₁과 θ₃의 관계를 살펴보겠다. 스넬의 법칙에 의해 레이저광이 A점을 지날 때, θ₁과 θ₂의 관계는 수학식 7과 같이 표현된다.

마찬가지로 B지점에서 스넬의 법칙을 적용하면 수학식 8 및 수학식 9와 같이 표현된다.

상기 수학식 9에서 θ₄= θ₂+ θ₃- θ₁인 이유는 △ABC에서 θ₄가 수학식 10과 같은 관계를 갖기 때문이다.

그리고, 수학식 7은 수학식 11과 같이 표현된다.

상기 수학식 11를 수학식 9에 대입하면, θ₃를 구할 수 있다. 이렇게 θ₃를 구하게 되면, 레이저광 L₁과 평행한 레이저광 L₂가 재귀반사체에 입사될 수 있는 투명창을 설계할 수가 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 투명창은 레이저광의 일부분이 반사되는 투명창의 내부면이 경사지게 형성되어 이곳에서 반사되는 레이저광이 재귀반사체에서 반사되는 광으로 오인되지 않아 이동체의 위치를 정확하게 인식하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 투명창은 경사지게 형성된 내부면 및 외부면이 서로 평행하게 형성되어 있지 않아 투명창 입사전 레이저광과 평행한 레이저광을 재귀반사체에 입사시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 투명창에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (2)

1. 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치를 인식할 수 있도록, 상기 이동체에 장착되어 수평면에 대한 이동체의 지향각을 검출하는 경사각 센서(tilt angle sensor)와, 입사되는 레이저광을 반사하여 상기 이동체의 위치를 알리는 재귀반사체(retro-reflector)와, 상기 레이저광을 출력하고 상기 재귀반사체로부터 반사되는 반사광을 입력받는 레이저 스캐너(laser scanner)와, 상기 레이저 스캐너에서 입력받은 반사광을 전기적인 신호로 변환하여 상기 재귀반사체의 방향각을 검출하는 반사광 검출부 및, 상기 이동체의 지향각과 상기 재귀반사체의 방향각으로부터 상기 이동체의 절대위치를 계산하는 연산 처리부로 구성된 위치 인식장치에서, 상기 레이저 스캐너를 수중에서 물과 격리시키도록 설치되는 투명창에 있어서,

   상기 레이저광이 상기 레이저 스캐너의 반사거울에 반사된 후 출력되는 상기투명창의 내부면 및 외부면은 상하 수직방향에 대해 식 1, 식 2의 경사각(θ, θ₃)을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 투명창.

   식 1

   식 2

   식 1에서, a는 레이저광이 반사거울에서 반사되는 지점부터 그 지점하부에 위치하는 반사거울 끝까지의 수직방향의 길이, b는 레이저광의 두께, d는 레이저광이 반사거울에서 반사되는 지점에서부터 투명창에 입사되는 지점까지의 수평거리를 각각 나타낸다. 그리고, 식 2에서, θ₁은 투명창의 내부면 경사각, n₁은 공기의 굴절율, n₂는 투명창의 굴절율, n₃은 물의 굴절율을 각각 나타낸다.
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