KR100805358B1

KR100805358B1 - 수심측량조사장치가 탑재된 무선인터넷과 디지피에스를 이용한 원격 측정 로봇선

Info

Publication number: KR100805358B1
Application number: KR1020040100573A
Authority: KR
Inventors: 최병길
Original assignee: 인천대학교 산학협력단
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2008-02-20
Also published as: KR20060061945A

Abstract

본 발명은 수심측량을 하기 위한 무선 원격측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 DGPS 위성정보를 이용한 위치정보 및 취득한 정보의 수신, 처리, 관리를 무선 또는 이동통신서비스를 이용하여 로봇선을 제어 할 수 있도록 된 중앙통제부와;

상기 DGPS 위성정보를 수신하는 GPS 수신부 및 해저의 수심정보를 취득하는 음향측심기(Echosounder)를 갖는 로봇선과;

상기 로봇선에서 취득한 정보의 수신, 처리, 관리 및 로봇선의 위치를 원격으로 제어할 수 있도록 부호분할 다중 접속방식(CDMA:Code Division Multiple Access)으로 이루어진 통신수단과;

상기 통신수단에 의한 무선인터넷과 DGPS를 이용하여 원격조정 할 수 있도록 데이터를 갖는 서버 및 그 데이터를 다운로딩 할 수 있도록 하는 PC로 이루어진 수심 원격측정 시스템을 구성한 것으로서, 지역이나 환경 조건에 제약을 받지 않고 필요한 정보를 취득할 수 있도록 함과 동시에 취득한 정보들은 무선 인터넷에 의해 자동으로 서버에 저장되므로 데이터 입력오류 또는 분실 등의 문제점을 해결할 수 있도록 하여 정확한 수심측량 및 해저지형정보의 획득 할 수 있도록 된지역이나 환경 조건에 제약을 받지 않고 필요한 정보를 취득할 수 있도록 된 무선인터넷과 디지피에스를 이용한 원격측정 시스템 및 원격 측정 로봇선을 제공할 수 있도록 한 것이다.

GPS, 중앙통제부, 로봇선, 수심측량,

Description

수심측량조사장치가 탑재된 무선인터넷과 디지피에스를 이용한 원격 측정 로봇선{DEPTH-SOUNDING APPARATUS MOUNTED REMOTE CONTROL SURVEY SHIP USING WIRELESS INTERNET AND DGPS}

도1은 본 발명에 따른 무선인터넷과 디지피에스를 이용한 원격측정 시스템 개략도.

도2는 본 발명에 따른 GPS 데이터를 나타낸 프로세스.

도3은 본 발명에 따른 GPS정보변환모듈 실행 화면 표시창 구성도.

도4는 본 발명에 따른 좌표계 변환과정을 나타낸 프로세스.

도5는 본 발명에 따른 수심정보 데이터 처리과정을 나타낸 프로세스.

도6은 본 발명에 따른 IC용 프로그램 개발 화면 표시창 구성도.

도7은 본 발명에 따른 위치정보 데이터를 나타낸 프로세스.

도8은 본 발명에 따른 설계된 위치정보데이터 처리시스템의 초기화면을 나타낸 표시창 구성도.

도9는 본 발명에 따른 설계된 로봇선의 상태확인 및 처리모듈을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도10은 본 발명에 따른 설계된 이동계획경로 설정 모듈중 계획선 작성을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도11a는 본 발명의 시스템에 따른 도면양식 중 페이지 설정기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도11b는 본 발명의 시스템에 따른 도면양식중 레이어 설정 기능을 나타낸 표시창 화면구성도.

도11c는 본 발명의 시스템에 따른 도면양식 중 선 설정기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도11d는 본 발명의 시스템에 따른 도면양식 중 문자설정 기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도11e는 본 발명의 시스템에 따른 도면양식 중 해칭 설정 기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도11f는 본 발명의 시스템에 따른 도면양식 중 블록 설정 기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도11g는 본 발명의 시스템에 따른 도면양식 중 점 설정 기능을 나타낸 표시창 화면구성도.

도11h는 본 발명의 시스템에 따른 도면양식 중 치수 설정 기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도11i는 본 발명의 시스템에 따른 도면양식 중 그리드 설정 기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도11j는 본 발명의 시스템에 따른 도면양식 중 개체스냅 설정 기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도11k는 본 발명의 시스템에 따른 도면양식 중 사선스냅 설정 기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도11ℓ은 본 발명의 시스템에 따른 도면 양식 중 단위 설정 기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도11m은 본 발명의 시스템에 따른 도면양식 중 환경 설정 기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도12a는 본 발명의 시스템에 따른 도형 처리 중 점 그리는 기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도12b는 본 발명의 시스템에 따른 도형처리 중 선 그리는 기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도12c는 본 발명의 시스템에 따른 도형처리 중 곡선 그리기 기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도12d는 본 발명의 시스템에 따른 도형처리 중 수치 넣기 기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도12e는 본 발명의 시스템에 따른 도형처리중 문자설정 기능을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도13은 본 발명의 원격제어 데이터 처리과정을 나타낸 프로세스.

도14a는 본 발명에 따른 원격제어 프로그램을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도14b는 본 발명에 따른 속도 및 방향제어 인터페이스를 나타낸 표시창 화면 구성도.

도15는 본 발명에 따른 로봇선의 계획 경로와 실제경로를 나타낸 예시도.

도16은 본 발명에 따른 로봇선 접속 프로그램을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도17은 본 발명의 RTCM 정보처리 프로그램을 나타낸 표시창 화면 구성도.

도18은 본 원발명의 로봇선 데이터 저장상태를 나타낸 화면 구성도.
도19는 본 발명의 로봇선의 평면 구성도.

도20은 본 발명의 로봇선의 측면 구성도.

도21은 본 발명의 로본선의 선미에 장착된 스크류와 방향키를 나타낸 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10:로봇선 11:선체

12:덮개 13:공간부

14:음향측심기 15:속도제어모터

16:방향제어모터 17:GPS수신부

18:중앙제어부 19:PDA

20:표시창 21,21':방향키

22,22':스크류 23:횡봉

24:힌지부 25:,25':지지대

26:롤러 27:지지패널

30:중앙통제부 40:DGPS

본 발명은 수심측량을 하기 위한 무선 원격측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선 인터넷을 이용하여 로봇선의 위치를 원격으로 제어하고 이에 장착된 GPS(Global Positioning System) 및 음향측심기(Echosounder) 등의 센서를 이용하여 저수지, 댐, 해양의 수심 및 해저 지형정보를 취득할 수 있도록 한 무선인터넷과 DGPS(Differential GPS, 상대측위)를 이용한 원격측정 시스템 및 원격 측정 로봇선에 관한 것이다.

기존의 저수지, 댐, 해양의 수심 및 해저 등의 수심측량은 측량선에 각종 장비를 설치하고 현장 조건에 맞도록 매개변수들을 변경하였으며, 지역이나 환경 조건에 제약을 많이 받아 왔다. 또한 사람의 접근이 어려운 지역과 오염지역에 대한 수심의 측정은 간접적인 방법을 사용하여 왔으나 이는 부정확하기 때문에 보다 정확한 자료의 취득을 위해서는 사람이 직접 접근하여 측량함으로서 그 만큼 위험부담을 갖는 문제점이 있었다.

따라서 기존의 수심측량은 측량선 + GPS + Echosounder + 운영소프트웨어 등의 복합시스템으로 구성된 선박은 사람이 직접 현장까지 선박을 조타하여 이루어 졌다. 즉, 측량선은 대부분 현지에서 조달하기 때문에 대상지역이 변경될 때마다 각종 장비를 새로 설치해야 하는 불편이 따랐으며, 선박의 조타도 항해사의 운전능력에 따라서 그 정확성이 상당히 큰 영향을 받게 된다. 특히 댐 및 저수지에서는 측량선을 이용하기 어려우며 측량선 자체의 무게로 인해 수심 1.5m 이하의 얕은 지역에 대해서는 접근이 어렵기 때문에 이들 지역에 대한 수심정보를 얻지 못하고 있는 실정이다.

따라서 지역이나 환경 조건에 제약을 받지 않고, 장비 설치 및 매개변수 설정 등 준비작업이 필요 없으며, 소수의 인원으로 필요한 수심정보를 취득할 수 있는 자동화된 측정 장비가 요구되고 있는 실정이다.

현재 국내에서 무인 원격체를 이용하여 수심 및 해저지형정보를 취득하는 기술은 아직까지 활성화되어 있지 않은 상태이다. 본 발명의 핵심기술이라고 할 수 있는 GPS, 수심측량, 무선통신 및 원격제어에 대한 국내외 기술을 살펴보기로 한다.

<국내기술동향>

GPS는 1993년부터 정상적으로 가동되기 시작한 위치정보확인시스템이다. 군사적인 이유로 일부 코드만을 개방하여 초기에는 그 정확도가 수십 m 정도였던 것이 민간단체의 연구에 의해 현재 수 mm 까지 정확도가 높아졌다.

이렇게 정확도를 높일 수 있었던 계기는 DGPS(Differential GPS, 상대측위)기법의 사용이다. DGPS는 정밀한 위치를 알고 있는 지점과 위치측정이 요구되는 지점에서 동시에 GPS 관측을 수행하고, 두 수신기에 수신된 반송파를 이용한 자료처리로 정밀도를 증가시키는 방법이다. DGPS 기법의 사용은 높은 정밀도를 요구하는 기준점 측량 등에 활용되고 있으나, 시간이 오래 걸려서 이동중인 물체의 위치를 추적하는데는 부적합하다.

광범위한 관측점의 정밀 좌표들을 빠른 시간내에 획득하기 위해서는 이동측량을 수행하는 동시에 후처리 자료처리 기법이 갖는 정밀도에 근접한 결과를 산출 할 수 있는 방법이 요구된다. 이러한 목적을 위해 개발된 것이 고정밀 이동측량 기법인 RTK(Real Time Kinematic, 실시간 이동측위)로서, 이는 정밀한 위치를 확보한 기준점의 반송파 오차 보정치를 이용하여 사용자가 실시각으로 수 cm의 정밀도를 유지하는 관측치를 얻을 수 있게 하는 기법이다. 오차보정을 위해 기준국에서 전송되는 데이터가 반송파 수신자료라는 것을 제외하고는 DGPS의 개념과 거의 유사하다.

초기 수심측량은 2대의 토탈스테이션을 이용해 방향선을 설정하고 통신에 의하여 일정 계획선에 따라 선박을 조향하면서 측정하는 기술이 주를 이루다가 최근에 와서는 GPS에 의한 선박의 위치 해석법과 음향측심기를 사용하여 수심을 측정하는 기법이 적용되고 있다. 이 기법에서는 노트북의 RS-232통신포트에 GPS위치와 음측기의 수심정보를 수신하여 화면상에 표시하며, GPS의 위치해석과 수심정보의 통합 및 처리기술이 적용되고 있다. 측정된 데이터의 분석은 외국소프트웨어를 주로 사용해 왔으며, 근년에 국내에서 개발한 해양측량소프트웨어가 3-4종 시판되고 있다.

무선통신 및 원격제어에 있어서는 RF모뎀에 의한 제어측정 부분은 이미 많이 발전되어 있기 때문에 무선통신 기반기술과 각종 모터에 대한 수치제어 기반기술은 이미 상당한 수준이라 할 수 있다. RF모뎀의 경우 가시범위인 약 2Km 이내에서 조향하는 모형선박과 항공기 등에 적용되는데 이 경우 가시가 불가능한 안개지역 또는 야간에는 조향을 할 수 없다는 단점이 있다. 최근에는 CDMA(Code Division Multiple Access, 부호 분할 다중 접속 방식)를 이용한 개인휴대통신이 상용화된 상태이며, 개선된 IMT2000은 현재 실용화 단계에 있다.

<국외기술동향>

국외에서도 무인 원격체를 이용하여 정보를 취득하는 사례는 드물며, 로봇선을 제작한 사례는 조사되지 않고 있다. 본 연구의 핵심 기술인 GPS, 수심측량, 무선통신 및 원격제어에 관련된 기술은 국내의 사정과 별 차이가 없다. GPS와 수심측량은 현재 기술개발보다는 실용화 단계로서 하드웨어의 국산화는 미비한 점이 있으나, 데이터 취득 및 분석에 대해서는 국내와 국외의 수준차이가 거의 없다고 할 수 있다. 또한 무선통신의 경우는 국외보다 오히려 국내의 기술 수준이 높아 외국으로 수출하고 있다. 다만 원격제어 및 로봇을 활용한 기술은 아직 세계시장을 주도하지 못하고 있다. 이에 대한 기술 동향을 사례 중심으로 살펴보면 다음과 같다.

1982년 레바논 전쟁에서 이스라엘 공군은 무인항공기를 이용하여 레이더 기지를 파악한 후에 공격함으로써 큰 성과를 거두었다. 그러나, 이 경우는 무인기가 직접 정보를 취득한 것이 아니라, 레이더 기지에서 미사일을 발사하도록 유도한 표적 역할을 한 것에 불과하다. 이를 계기로 미국도 본격적인 무인항공기 개발을 추진하게 되었으며, 사전에 입력된 자료에 의해 임무를 수행하는 비행체와 무선 통제에 의해 임무를 수행하는 비행체를 포함하고 있다. 초기에는 무인기를 무기체계의 시험이나 훈련을 위한 표적용으로 사용하였으나 현재는 그 용도가 넓어져 정찰/관측/감시/표적획득/기만/전자전/공격용 등 다목적으로 개발되고 있다.

현재 미해군에서는 지뢰추적 수중 무인 잠수함을 개발 중에 있다. 2004년 말 에 완성될 예정인 무인 잠수함은 조이스틱이나 컴퓨터 단말기로 조정자에 의해 원격 조정되어 쉽게 지뢰를 찾아내는 지능 시스템과 수중 로봇 마이크로 시스템으로 구성된다.

일본에서는 1996년에 건설차량의 무인운전 시스템을 개발하였다. 후지다사가 개발한 자율주행시스템은, GPS에 의한 리얼타임 키네마틱 기법과 독자적인 자동운전제어기구를 조합하여 반경 10m를 포함한 곡선코스를 설정해 주행시험을 수행하였으며, 고속주행시의 적용검증(시속 10㎞)을 진행하는 한편, 실용화를 서두르고 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 국내외 기술동향을 분석한 결과, 이하 실시 되는 본 발명의 로봇선에 의한 수심정보취득에 대한 사례를 찾아보기 힘들었으며 독창적인 시스템으로 판단된다.

본 발명의 핵심기술 중에서 GPS 및 수심측량은 하드웨어의 국산화가 미비한 점이 있으나, 이를 이용한 정보의 취득 및 분석에서는 이미 해외 선진국의 기술과 별 차이가 없으며, 무선통신은 세계 기술시장을 주도적으로 선도하는 상황이다. 원격제어 및 로봇 활용기술은 아직 세계기술시장을 주도하고 있지는 못하지만 기반 기술은 확보된 상태이다. 각 분야별 기술들은 세계 기술수준과 비교해도 손색이 없지만 다각도의 활용이 부족한 상태이다. 기술의 복합응용은 기존의 분야별 기술개발에 비해 몇 가지의 장점을 도출할 수 있으며, 응용범위도 넓힐 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 원격측정 로봇선은 DGPS(Differential GPS, 상대측위)를 이용한 자동화 유도방법에 의하여 정형화된 정보를 취득하므로 신뢰도를 향상시킬 수 있고, 필요한 장비들을 내장하고 있으므로 장비설치나 매개변수 설정 작업이 필요 없으며, 지역이나 환경 조건에 제약을 받지 않고 필요한 정보를 취득할 수 있는 시스템을 제공함을 목적으로 하고.

또한 취득한 정보들은 무선 인터넷에 의해 자동으로 서버에 저장되므로 데이터 입력오류 또는 분실 등의 문제점도 해결할 수 있는 자동화된 측정 장비로 효과적이고 정확한 수심측량 및 해저지형정보의 획득 할 수 있도록 된 시스템을 제공함을 목적으로 하며, 더불어 본 발명은 로봇선을 초 소형화하여 승용차의 트렁크에 탐재될 수 있도록 하여 이동이 자유롭게 함으로서 산간지방의 호수, 저수지, 강, 하천 등의 수심과 지형을 저렴한 경비로 간단 용이하게 측량할 수 있도록 함을 목적으로 한 것이다.

이와 같이된 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

해저의 수심을 측량하기 위한 수심측량조사장치가 탐재 된 무인선박을 이용한 해상측량 장치에 있어서,

DGPS 위성정보를 이용한 위치정보 및 취득한 정보의 수신, 처리, 관리를 무선으로 로봇선(10)을 제어 할 수 있도록 된 중앙통제부(30)와;

상기 통신수단에 의한 무선인터넷과 DGPS를 이용하여 원격조정 할 수 있도록 데이터를 갖는 서버 및 그 데이터를 다운로딩 할 수 있도록 하는 PC로 이루어진 수심 원격측정 시스템을 특징으로 한다.

상기 로봇선은 해저의 수심을 측정하는 음향측심기(Echosounder)와, 속도와 방향을 제어하는 속도제어모터 및 방향제어 모터와, 위성정보를 수신할 수 있도록 안테나로 이루어진 GPS 수신부와,

상기 음향측심기, 속도제어모터 및 방향제어 모터,안테나 수신부의 입출력신호를 제어하는 중앙제어부와,

상기 중앙제어부의 신호를 외부로 입출력할수 있도록 PDA를 구비하여 무인 원격제어할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 GPS 수신부는 위성으로부터 수신한 정보를 RTCM를 보정하고 보정된 정보를 다시 위치데이터 위치보정후 NMEA 메세지, 필요한 문자분리, 좌표변환, 통신규약에 따른 데이터작성을 실시하여 중앙제어부로 보내어지도록 GPS 정보변환모듈로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 음향측심기는 측정데이터, 항목별 데이터분리, 수심데이터 축출, 통신규약에 따른 데이터 작성을 작성한 신호를 중앙제어부에 보내도록 음향측심기 정 보변환 모듈로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는 로봇선의 상태확인 및 처리모듈과, 이동계획경로 설정 모듈, 도형편집모듈로 이루어진 위치정보 데이터 처리부와, 로봇선의 제어, 데이터전송, 속도 및 방향전환 제어, 코드문자 수치적으로 역변환 수단을 갖는 제어 명령부로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 통신수단은 로봇선과 제어국의 입출력신호 제어를 리모콘 콘트롤러로 원격조정할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 통신수단은 로봇선과 제어국의 인출력신호 제어를 휴대폰으로 원격조정할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어진 인터넷 및 무선원격 조정 시스템으로 이루어지는 무인 로봇선의 구성을 살펴보면,

로봇선(10)은 선수에는 속도제어모터 및 방향제어 모터와 엔지부가 내장되도록 수납부를 형성하고 수납부 상부에 내부의 엔진부를 확인할 수 있도록 덮개(12)를 구비하며, 선미에는 일측이 개방된 공간부(13)가 형성되어 해저의 수심을 측정하는 음향측심기(Echosounder)(14)와, 속도와 방향을 제어하는 속도제어모터(15) 및 방향제어 모터(16)와, 위성정보를 수신할 수 있도록 안테나로 이루어진 GPS 수신부(17)가 구성된 선체(11)와;

상기 선체의 공간부(13) 선미 저면에는 로봇선(10)전진과 조타할 수 있도록 된 다수의 방향키(21)(21')및 스크류(22)(22')와;

상기 음향측심기, 속도제어모터 및 방향제어 모터, GPS 수신부(17)의 입출력 신호를 제어하는 중앙제어부(18)와;

상기 중앙제어부(18)의 신호를 외부로 입출력할 수 있도록 PDA(19)를 구비하여 무인 원격제어할 수 있도록 로봇선(10)이 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 방향키는 상단부에 위치한 횡봉(23)의 양측단부에 연결되어 힌지부(24)를 구성하고, 선미 양측의 지지대(25)(25')에 지지되어 방향제어 모터와 회전와이어로 연결되어 조타될 수 있도록 구성된다.

상기 스크류는 선미 하단에 양측에 설치되어 속도제어모터와 회전 와이어로 연결되어 로봇선의 속도를 조절할 수 있도록 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 수심 또는 지형을 측량하고자 하는 하천, 저수지, 호수, 강, 바다 중 한곳에 로봇선을 띄운다.

이때 로봇선을 조정하기 위한 제어국 즉 중앙통제부는 인근의 차량 또는 사무실이 될 수 있다.

따라서 중앙통제부(30)에서는 PC에 저장된 프로그램을 이용하여 로봇선을 운행할 수 있다. 이때 PC에 입력된 프로그램과 로봇선의 중앙제어부는 상호 호안 운영되도록하는 것은 당연하다.

본 발명의 로봇선(10)은 선수 즉 선체의 앞부인 내부 수납부에는 속도제어모터(15)와 방향제어 모터(16)와 기타 구동부인 엔지부가 내장되도록 하였다.

상기 수납부에는 속도제어모터(15)와 방향제어 모터(16)이외에 기어와 각종 부품이 수납부에 내장되는 이들의 구성품 들을 일일이 설명하는 것은 생략한다.

상기 선체의 선수에 내장된 속도 제어 모터(15)는 케이블에 연결되어 선미의 저부 양측에 설치된 스크류(22)(22')와 연결되도록 하였다.

상기 속도제어모터(15)는 스크류(22)(22')의 고속회전과 저속회전의 전달을 통상의 동력전달 케이블을 연결하여 제어할 수 있도록 하였다.

또한 방향제어 모터(16) 역시 선미의 양측에 설치된 방향키(21)(21')에 각각 동력 전달 케이블을 연결시켜 방향키를 조정(조타)할 수 있도록 하였다.

상기 선미 양측에 설치된 방향키(21)(21')는 상부에 횡봉(23)을 설치하여 양측 말단부와 방향키(21)(21')가 연결되는 부분에 힌지부(24)를 구성하여 중앙통제부에서 로봇선의 방향을 조정시 송출된 신호가 선체의 중앙 제어부(18)에 입력되고, 중앙 제어부는 방향제어 모터에 명령신호를 보내어 원하는 방향으로 조타시킬 수 있도록 하였다.

이때 방향제어 모터에 의해 연결된 회전 와이어가 양측 방향키 중 어느 일측을 당기거나 밀면 방향키 상부에 연결된 횡봉에 의해 2개의 방향키는 지시된 일측으로 회전되어 각도를 유지함으로서 로봇선의 선체는 원하는 방향으로 조탈 될 수 있게된다.

또한 선미 중앙부에는 선체의 길이 방향으로 공간부를 형성하고 이의 공간부에는 다수의 롤러(26)을 설치하고 공간부(13)에는 해저의 수심을 측정하는 음향측심기(Echosounder)(14)를 설치하되 상기 음향측정기는 상부가 지지패널(27)에 고정되고 지지패널(27) 양측은 밸트 또는 타이밍벨트에 연결되어 다수의 롤러(26)에 안내되도록 지지되어 중앙통제부에서 원격으로 음향측심기(14)를 공간부(13) 내의 거 리에서 이동시킬 수 있도록 하였다.

상기와 같이 구성된 로봇선(10)은 모든 입력 정보를 위성정보로 수신할 수 있도록 선체에 설치된 GPS 수신부(17)에 의해 입력된 정보는 선체의 중앙 제어부(18)에서 명령을 출력할 수 있도록 하였다.

상기 선체의 일측에는 중앙제어부(18)의 신호를 외부로 입출력할 수 있도록 PDA(19)를 구비하여 제어국인 중앙통제부(30)에서 무인 원격제어 할 수 있도록 로봇선(10)이 구성된 것이다.

이상과 같이 이루어진 본 발명의 로봇선과 이를 조정하기 위한 원격조정 시스템을 상세히 설명하면 다음과 같다.

1. 원격측정 로봇선

1)로봇선의 선체개발

<선체설계 및 안정성>

먼저 본 발명에서 사용된 무인 로봇선을 살펴보면, 로봇선의 선체는 각 모듈의 성능적인 측면, 장비의 안정성, 탑재할 장비들의 무게 등을 고려하여 설계하였으며, 설계조건은 다음과 같다.

⊙ 선체 길이 : 1.5m 이하

⊙ 선박 속도 : 12km/h 이상

⊙ 선회 반경 : 5m 이내

⊙ 작동 시간 : 최소 2시간 이상에서 최대 4시간 이상 작동되도록 설계하였다.

또한 해양 및 연안의 수심측량은 측량법에 의하여 파고 1m 이내에서 측정하도록 규정되어 있는 점을 감안하여 로봇선은 운반이 용이하도록 가급적 소형이면서도, 측량법에 규정된 범위 내에서 안정적으로 이동할 수 있도록 설계하였다.

로봇선의 속도는 시속 12km 이상이 되도록 설계하였다. 수심 측량시 선박의 속도에 대한 규정은 있지 않으나, 너무 느릴 경우 일일 작업량이 적어 효율성에 문제가 발생할 수 있으며, 너무 빠를 경우 수심측정 데이터의 정확도가 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, GPS, Echosounder 및 통신장비를 적재하고도 원하는 지점까지 수심측정에 적절한 속도로 이동할 수 있도록 설계하였다.

또한 본 발명의 로봇선(10)의 선회반경은 5m 이내가 되도록 설계하였다. 측량법에 규정된 측정간격은 음향측심기(14)를 이용할 경우, 20m ∼ 100m 이므로 선회반경은 최소 10m 이내이어야 한다. 따라서 로봇선을 이용한 수심측량은 선박이 소형이라는 점을 최대한 살려 선회반경이 규정의 절반인 5m 이내가 되도록 설계하였다.

또한 작동시간은 최소 2시간 이상, 최대 4시간 이상이 되도록 설계하였다. 작동시간이 짧게 되면 연료 충전 및 측정지점으로의 이동에 시간이 소요되므로, 일일 작업량이 적어지게 된다. 따라서, 작동시간이 2시간 이상이 되도록 설계하여 오전과 오후에 각각 1번의 연료충전으로 작업을 지속할 수 있도록 설계하였다.

<선체제작 및 운동성 검토>

본 발명의 로봇선의 선체는 설계 조건을 충족할 수 있도록 제작하였다. 전복에 따른 위치정보 손실 및 장비의 결손 등을 사전에 방지하고, 안정적인 조향을 할 수 있도록 물리-역학적인 측면을 고려하였다.

즉, 무게의 중심을 안정적으로 배치할 수 있도록 하고, 선박의 폭을 크게 하여 측량법에 규정된 범위 내에서 안정적인 작업이 가능하도록 로봇선(10)을 제작하였다. 선체의 제원은 표 1과 같다.

구 분	제 원
전 장	130㎝
선수에서 선미	122cm
선미에서 스크류	8 cm
전 폭	66.5cm
전 고	42 cm

상기 표1에서 알 수 있듯이 전장과 전폭의 비는 약 2:1 정도로 전장에 비해 전폭을 넓게 하였으며, 전장과 전고의 비는 약 3:1 정도로 전장에 비해 전고를 낮게 하여 바람 및 파도의 영향을 최소한으로 할 수 있도록 제작하였다. 선체의 재질은 충격에 강한 FRP(Fiber Reinforced Polyester, 강화 플라스틱 섬유)로 제작하여 파손에 대비하였다.

또한 선체는 소형선 두 대를 연결한 쌍동선의 형태가 되도록 후미 중앙부에 공간부(13)를 형성하고 이의 공간부에는 해저의 수심과 지형을 측량할 수 있도록 된 음향측심기(14)가 설치되도록 제작하여 안전성을 확보하고, 로봇선의 선체(11) 전면부에는 장비들을 내부에 장착할 수 있도록 제작하였다. 이렇게된 본 발명의 로봇선은 선수부분부터 중간부분까지는 밑부분과 윗부분을 연결하여 이동시 공기 및 물에 의한 저항을 최소화할 수 있도록 제작하였으며, 내부에 내연엔진과 연료탱크를 적재하였다. 선미 중앙에는 GPS 수신기 및 Echosounder의 컨트롤러를 장착하여 무게중심이 선수나 선미 한쪽으로 치우치지 않도록 하였다. 또한 로봇선의 추진 스토크를 크게 두어 바람 등 외부 영향을 최대한 줄일 수 있도록 하였다. 추진 스토크를 크게 하기 위하여 소형의 내연엔진을 장착함으로써 GPS, Echosounder 등의 정보획득 장비와 CDMA 무선모뎀 등의 통신장비를 적재하고도 설계속도를 충족할 수 있도록 하였다.

또한 엔진부를 수납한 몸체상부에는 덮개(12)를 설치하고 유선형으로 제작하여 이동시 공기의 저항을 줄일 수 있도록 하였으며, 방열을 위하여 앞부분에 바람이 들어올 수 있도록 공기 흡입구를 제작하였다.

선미부분은 쌍동선 내부에 모터를 설치하고, 전자장비 및 배선과 스크류를 회전시키는 회전와이어가 상호간의 작동에 방해가 되지 않도록 키를 설치할 수 있는 지지대와 스크류가 바깥으로 돌출되었으며, 키는 물살을 가르기 위해 날카롭게 제작되었기 때문에 안전사고에 대비하여 작업중지시에는 분리할 수 있도록 제작하였다.

또한, 쌍동선의 형태를 유지하면서 장비를 적재할 수 있도록 장비적재함을 설치하였다. 장비적재함에는 GPS, Echosounder 및 통신장비를 적재할 수 있다.

덮개와 적재함은 방수처리하고, 내부를 부드러운 완충재로 채우고 적재되는 장비의 모양과 같은 공간을 두어 충격을 받지 않도록 제작하고 있으며, 덮개를 덮으면 완전방수될 수 있도록 하였다.

2) 로봇선 정보변환모듈 개발

본 발명의 GPS를 이용한 이동체의 위치측정에 대한 연구는 국내외에서 활발히 수행 중에 있다. 본 발명에서는 DGPS 기법중에서 고정밀 실시간 이동측위기법인 RTK OTF(Real Time Kinematic On The Fly, 실시간 동적측위)기법을 사용하였다.

GPS는 여러 가지 오차를 포함하고 있으며 사이클 슬립(Cycle slip)이나 다중경로(Multi-pass) 등 오차를 유발시키는 요인을 잠재하고 있다. 그러나 GPS는 시간, 시야, 기후에 제약이 적으며 휴대가 편리하고 상대적인 위치측정이 상당히 정확하기 때문에 이동체의 위치추적에 이용되고 있다.

또한 GPS는 1초마다 한번씩 위치를 측정하므로 이동하는 물체의 경우 이동 경로 및 위치를 확인할 수 있다. 이러한 방법을 응용하여 이동체의 실시간 위치를 측정하고 측정된 위치 좌표를 수치지도 상에 표시함으로써 위치를 추적할 수 있게 된다.

GPS의 신호 체계상 반송파에 의한 위치결정 방법이 코드에 의한 위치결정보가 정밀도 측면에서 큰 이득을 주지만, 반송파에 의한 단독측위 역시 후처리 상대측위 기법보다는 정밀도가 떨어지는 단점을 가지고 있다.

또한 광범위한 관측점의 정밀 좌표들을 빠른 시간내에 획득하기 위해서는 이동측량을 수행하는 동시에 후처리 자료처리 기법이 갖는 정밀도에 근접한 결과를 산출할 수 있는 방법이 요구된다.

이러한 목적을 위해 개발된 것이 DGPS(Differential GPS, 상대측위) 기법이다.

DGPS 기법은 두 대 이상의 GPS 수신기를 이용하는 기법으로서, 한 대의 수신기는 위치정보를 알고 있는 기지국(Reference)에 설치하고, 다른 한대는 위치를 알고자 하는 지점으로 이동하는 이동국(Rover)이 되며, 두 대의 수신기는 똑같은 신호를 독립적으로 수신하기 때문에 발생하는 오차가 같게 된다.

기지 점에서는 수신된 신호를 분석하여 오차 발생요인을 파악하고 오차보정정보를 이동국에 전송하면, 이동국에서는 보정정보를 이용하여 정확한 위치정보를 획득하게 된다.

이러한 DGPS 기법은 정지측위 및 이동측위에 모두 사용되며, 데이터의 보정도 실시간 처리, 후처리 등의 방법으로 이루어진다. DGPS 기법 중의 하나인 실시간 이동 측위 기법은 정밀한 위치를 확보한 기준점의 반송파 오차 보정치를 이용하여 사용자가 실시각으로 수 cm의 정밀도를 유지하는 관측치를 얻을 수 있게 하는 것이다.

실시간 이동측위기법의 기본 개념은 오차보정을 위해 기준국에서 전송되는 데이터가 반송파 수신자료라는 것을 제외하고는 DGPS의 개념과 거의 유사하다. 다만 실시간 이동측위기법은 각 위성에 대한 반송파 측정치를 지속적으로 제공하여야 하고, 정보의 전송 장애로 발생할 수 있는 오차의 한계가 DGPS보다 상대적으로 크기 때문에 보다 안정적이고도 신속한 정보 전달 통신 시스템이 요구된다.

GPS의 모호정수를 구하기 위해서 최소한 5개의 위성이 기준국과 이동국에서 관측되어야 하며, 4개의 위성을 관측할 경우 정확도는 미터정도가 된다. 한번 모호정수가 풀리고 나면 1∼2cm정도의 정확도가 될 것이며, 이때부터 GPS시스템은 4개 의 위성으로 원하는 정도로 기능을 수행하고 만약 위성의 수가 4이하로 떨어지면 코드만으로 해석을 한다.

실시간 측정에 있어 Kinematic기법의 경우 모호정수를 구하기 위하여 기지점에서 초기화가 필요하고, 이동국 수신기의 측점들을 이동할 경우 모든 위성의 신호 단절이 없어야만 측정이 가능하다.

그러나 OTF 측위기법은 정지측위에 의한 초기화가 필요하지 않고 관측시작부터 즉시 이동할 수 있으며 모호정수가 측정 중에 결정된다.

<로봇선 위치추적 및 유도를 위한 적용>

본 발명에서는 로봇선의 위치를 추적하고 위치 및 수심 정보를 획득하고자 하는 지점으로 로봇선을 보내기 위하여 GPS 정보변환모듈을 개발하였다. 연구에 사용된 GPS는 일본 TOPCON 사의 Legacy-H 모델로서 제원은 표 2와 같다.

항 목	제 원
정확도(2주파 수신에 의한 RTK일 경우)	수평 10mm+1.5ppm 수직 20mm 1.5ppm
통신속도	최소 300baud ∼ 최대 406,800 baud
사용시간	7시간(전용 배터리)

본 발명은 GPS 정보변환 모듈은 로봇선의 GPS에서 획득한 위성신호와 기준국에서 보내오는 보정신호를 이용하여 정밀한 3차원 위치좌표를 획득할 수 있도록 개발하였다.

따라서 로봇선의 GPS에서 수신한 위성신호는 센서에서 NMEA(The National Marine Electronics Association, 국제 해양전자공학 협회) 0183 표준 메시지의 형태로 출력되는데, 3차원 위치좌표, 위성상태 등 매우 다양한 정보를 포함하고 있 다. 이러한 NMEA 메시지는 RS232 통신 포트를 통하여 PDA에 곧바로 입력되고, 위치좌표, 속도, 방향 등 수심측정과 로봇선의 이동제어에 필요한 정보를 분리하도록 개발하였다. 도 2는 GPS 데이터의 처리과정을 나타낸 GPS 데이터 프로세스이고, 도3은 개발한 GPS 정보변환모듈의 실행화면이다.

이때 OTF 기법을 이용하여 이동체의 위치를 실시간으로 추적할 때 중요한 문제는 짧은 시간 안에 최소한의 오차로 위치정보를 획득해야 한다는 것이다. 이를 위해서는 기준국에서 정밀정지측위기법을 이용하여 GPS의 위성신호를 정확히 분석하고 이동체에 이 정보를 보내줌으로써 가능하다.

이러한 보정정보는 RTCM(Radio Technical Commisstion for Maritime Service, 해상서비스를 위한 라디오 기술)이라는 일정한 포맷에 의해 송신하도록 표준화되었다. 또한 이동체에서 보내오는 정보를 분석하여 정확한 위치를 파악하는 것이 중요하다.

이동체에서 보내오는 정보는 NMEA라고 하는 표준화된 규약에 의해 전송된다. 따라서 이동체의 정확한 위치파악을 위해서는 RTCM 및 NMEA에 대한 분석이 필요하다.

이러한 RTCM 및 NMEA와는 별도로 GPS에 의하여 획득된 위치정보는 지구 중심 좌표계인 WGS 84(World Geodetic System 84, 세계 측지 좌표계) 좌표계의 위치정보이므로 이를 우리나라 지도좌표인 TM(Transverse Mercator, 횡 메르카토르) 투영에 의한 평면좌표계로 변환해 주어야 한다. RTCM, NMEA, 좌표변환에 대한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

RTCM 및 NMEA

기준국의 수신기와 이동국 수신기 사이의 보정 데이터 전송은 RTCM 특별위원회에 의하여 표준화 되어졌으며 RTCM SC-104 포맷으로 명명되었다. RTCM 2.0 버전(version)은 코드의사거리에 대한 보정거리를 포함하지만 2.1 버전은 측정된 반송위상에 대한 보정치를 포함하고 있다.

이때 메시지의 형식은 거의 GPS 메시지 형식과 동일하며, 30 비트 워드(bit word)의 열로 구성되어져 있다. 각 메시지는 2워드 헤더로 시작한다.

첫 번째 워드는 고정 머리말과 메시지 형태 그리고 기준국의 명칭을 포함한다.

두 번째 워드는 제트-카운터(Z-counter) 형식에서 기준시간표, 열번호, 메시지길이 그리고 기준국 상태 지표등을 포함한다. 1부터 17까지의 메시지는 두 RTCM 버전에서 이용되어지는 반면 각각 3개의 헤더를 포함하는 18에서 21까지의 메시지는 오직 2.1버전만 포함한다. 18과 20 메시지는 높은 정확도를 가진 위치정보를 포함하고 RTK 기법을 지원한다.

마지막으로 메시지21의 형태는 메시지1의 형태와 유사하다. 그리고 RTCM 메시지의 몇몇은 NMEA형식과 유사하다

아래의 표 3은 RTCM 메시지의 형식을 나타내는데, 기준국에서 정밀정지측위를 통해 분석한 보정정보와 측정정보들을 포함함으로써 이동체에서 짧은 시간동안 측정할 때 발생할 수 있는 오차를 최소화할 수 있도록 하였다.

구 분	내 용
1	CA 코드의 differencial 보정
2	전송된 항법메시지에서 궤도정보의 보정
3	기준국의 매개변수
6	여백
10	P 코드의 differencial 보정
16	표기하기 위한 ASCⅡ 코드화된 메시지
18	원 반송위상 측정치
19	원 코드거리 측정치
20	반송위상 보정
21	코드거리 보정

상기 표3과 같는 정보 메세지인 RTCM 보정정보에 의하여 로봇선의 호출에 의하여 상호 접속 상태가 유지되면 기준국의 고정 GPS 수신기에 의하여 계산된 보정신호를 로봇선에 전송한다. 이어서 로봇선은 이 보정신호를 수신하여 로봇선 GPS 수신기에서 수신한 위성신호를 이용하여 위치산출에 이 보정값을 적용시킨다.

또한 DGPS를 운영하기 위해서는 기준국에 대한 좌표를 결정하여야 한다. 이러한 좌표의 결정은 지구중심에 대한 절대위치를 산출하기 위한 것으로 24시간 이상 장시간 위성신호를 수신하여 1점에 대한 좌표를 구한다.

다른 기준점들은 다시 이를 기준으로 상대적인 DGPS 기준국에 대한 위치를 후처리 방법으로 산출하여 그 성과를 고정시켜야 한다. 고정된 기지국 성과와 위성신호에 의한 의사거리를 산출하여 다수의 이용자가 사용할 수 있는 통신체계를 구축하여야 한다.

현재 우리나라의 경우 실시간 보정메시지인 RTCM 방송은 해양수산부에서 운영하는 비콘(Beacon) 시스템이 있다. Beacon 수신기와 2주파수 GPS 수신기만 있으면 연안 및 내륙에서 25cm 이상의 위치정확도로 전국을 포괄하는 통일된 위치 측정이 가능하게 된다.

이러한 서비스 방송체계는 실시간 DGPS로 위치 측정이 가능하도록 하는 것으 로 사용자가 고정기지국 수신기를 따로 설치하지 않고 비콘 수신기만으로 정밀도가 높은 위치측정이 가능하게 된다.

일반적으로 DGPS를 실시간으로 구현하는 경우 GPS 수신기에서 송신하는 RTCM 보정신호가 디지털 형태이기 때문에 공중파에 의하여 송수신을 하기 위해서는 변조를 하여야 한다.

DGPS의 경우 이러한 변조장치인 모뎀이 기준국과 이동국에 모두 필요로 하며 단순한 RTCM만 구현하기 위해서는 기준국에서 이동국에 대하여 일방향으로 보정신호를 송신한다.

송수신통신 매개전자파는 UHF(Ultra High Frequency, 극초단파), VHF(Very High Frequency, 초단파), HF(High Frequency, 단파) 등이 주로 사용되며 방송과 수신국간 시통이 확보되어야 한다. 대개의 경우 도달범위는 10km∼20km 정도이며 범위를 확장하기 위하여 중계기를 설치한다.

또한 주파수 대역이 30MHz∼300MHz인 VHF에서는 RTCM 메시지를 1초 간격으로 전송할 경우 9600baud 정도로 데이터를 전송할 수 있다.

상기 데이터의 송신에서는 안테나의 위치가 대단히 중요하며 송신출력이 25W의 경우 약 70km 범위까지 포괄한다. HF는 파장이 3∼30MHz로 전리층에 의하여 반사되면 1000km까지 가능하게 된다.

기준국의 밀도증가에 따라 기준국 보정정보의 서비스로 RTK를 적용하기 위하여 통신의 조건과 배치밀도에 의한 기준국과 이동국간의 상대적인 거리에 따른 정도의 저하문제가 발생할 수 있다.

따라서 측위의 목적에 맞게 RTCM 체계를 적용하여야 한다. 이러한 보정신호의 서비스를 송수신하는 시스템은 전파체계를 이용하여 보정한다. 이러한 보정메시지는 범용적으로 NMEA에 의한 RTCM-104 규정을 준용하거나 RTCM에 포함된 불필요한 정보를 제거하고 특수한 목적으로 수행하도록 설계한 메시지형이 있다.

GPS 기준국의 일반적인 조건 이외에 RTCM 방송에 따른 수평적 도달제한 범위에 대한 조건을 고려하도록 한다. RTCM 메시지 채널은 주로 UHF/VHF와 FM 라디오 채널, 위성통신, 이동통신 서비스, TRS(Trunked Radio System, 중계회선시스템), 패킷 통신망 등이 있다.

상기 패킷 통신에 의한 RTCM 방송의 경우 무선상 2메가 속도로 전송이 가능하기 때문에 GPS 사용에 문제가 없다. 이러한 무선통신은 LAN(Local Area Network, 근거리 지역망) 개념으로 이동통신과 조합하면 간단하게 DGPS 시스템이 구성된다.

또한 무선통신은 RTTY(Radio TeleTYpe, 무선 타이프라이터), AMTOR(Amateur Microprocessor Teleprint Over Radio, 아마추어 무선 전신), FAX(Facsimile, 팩시밀리), PACKET(패킷) 등으로 다양하며, 이 중 패킷통신 유선용으로 X.25 프로토콜을 사용하고 무선의 경우 주로 AX.25 프로토콜을 사용한다. 패킷은 컴퓨터를 기본으로 하여 통신주파수의 경우 주로 UHF, VHF, HF를 사용하고 실제로 통신관리는 TNC(Terminal Node Controller, 단말기 교점 관리기)와 모뎀으로 구성된다.

상기 TNC는 AX.25를 내장하고 ROM과 TNC를 관리하는 마이크로프로세서인 CPU와 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 모뎀으로 구성된다. TNC는 유선에 사용하는 모뎀과 같이 RS232 포트와 접속하는 트랜시버와 컴퓨터 인터페이스에 전화 선을 이용한다.

상기 TNC는 9600bps 정도를 지원하는 것으로 무선통신기기는 일반적으로 최대 20kHz 폭 밖에 지원하지 못하는 제약이 있고 전파관리법상 16Hz에서 8kHz로 줄이고 있다. 노드 기능은 TNC 장치로 최대 16개의 각기 다른 정보를 송수신 처리할 수 있는 일종의 멀티플렉서로 사용자가 정보를 하나의 패킷으로 구성하여 전송할 수 있다. 즉, 수만개의 전파중에 자신이 필요한 전파만을 선택적으로 수신할 수 있다.

또한 TRS는 주파수 공용통신으로 적은 주파수를 많이 공유하는 무전기 형태로 혼신이 없고 저렴한 비용으로 장거리 음성통화 및 무선데이터 통신, GPS, 이동전화서비스가 가능한 것으로 복합형태의 무선 통신을 말한다.

이 경우 우리나라의 서비스 지역이 전국을 포괄하고 있지 않기 때문에 문제가 될 수 있다. TCP/IP나 디지털 서비스를 이용하여 인터넷의 접속에 의한 RTCM 보정처리와 별도의 TTY에 의하여 상대국의 호출과 수치데이터를 전송할 수 있다.

또한 RTCM 보정을 위한 여러 매체중에서 CDMA를 이용한 이동통신의 경우 패킷 통신방법과 TCP/IP 프로토콜에 의한 방법으로 사용될 수 있다. CDMA 모뎀에 의한 실시간 RTCM 전송방법은 CDMA가 디지털 형태의 전송이 이루어지기 때문에 단말기에서 제공되는 모뎀제어 명령어를 이용하여 RTCM 신호를 지속적으로 일방향으로 전송시키면 된다.

상기 CDMA를 이용한 이동통신 서비스망을 이용하면 표준모뎀 명령어에 의하여 기준국에서 이동국의 호출을 대기하고 이동국의 호출이 이루어지면 RTCM 메시지 를 전송해주면 된다.

이러한 여러 이동국의 지원을 위해서는 멀티플랙스와 같은 장치를 사용하여 다자간 송신이 가능해 진다.

본 발명의 시스템의 구성은 기준국 GPS 수신기에서 출력되는 방송을 RTCM 보정 메시지로 일반 이동통신 서비스망에 연결하고 자동 수신체계로 구축하여 이동국의 호출에 응답한 후에 바로 RTCM 메시지를 전송해 주어야 한다.

기준국은 일반 이동통신 서비스망을 이용하여 내장 또는 외장 모뎀과 연결하고 PC의 GPS RTCM 통신포트와 연결한다. 이어서 이동국의 호출을 대기하도록 한다. 이동국에서는 CDMA 모뎀을 이용하여 GPS와 연결하고 별도의 전환 소프트웨어를 운영한다. 기준국도 마찬가지로 CDMA 모뎀과 연결하고 자동 응답회수를 지정하기 위하여 CDMA 표준모뎀 명령어로 초기화 한다.

또한 NMEA 01833은 국제해양전자공학협회(National Marine Electronics Associa -tion) 의 위원회 번호이며, 이 위원회는 해상 전자 장치의 인터페이싱의 표준을 정하는 것을 목적으로 발족되었다. 이 표준은 GPS 수신기의 인터페이싱에도 널리 사용된다. NMEA-0183의 ASCⅡ텍스트로 출력될 수 있으며 데이터는 4800baud의 속도로 전송된다.

상기 NMEA 메시지는 사용장비에 따라 여러 가지 있으나 본 연구에서는 3차원 직각좌표 뿐만 아니라 속도 및 진행 방향을 얻을 수 있게 몇 가지 형식으로 데이터를 획득하게 된다. 이 중에서 로봇선의 위치추적 및 유도에 필요한 데이터들은 GGA(Global positioning system fixed data, 위성측위시스템의 고정데이터), GLL(Geographic position-Latitude, Longitude, 지리적 위치-위도, 경도) VTG(Course over ground and ground speed, 경로 및 속도) 등 세 가지 메시지로부터 얻을 수 있다.

아래의 표 4부터 표 6은 각 NMEA 메시지 형식중 GGA, GLL, VTG 메시지에 대한 내용을 나타낸다. 이 3개의 메시지를 분석하여 로봇선의 위치를 실시간으로 파악할 수 있는데, 각 메시지들은 GPS 위성을 사용할 수 있는 모든 분야에 대한 정보를 담고 있기 때문에 중복되는 내용들이 다수 있다.

또한 GPS 정보변환모듈에서는 이러한 메시지들의 각 항목을 선별하여 사용하도록 개발하였다.

좌표변환

본 발명의 로봇선의 제어와 자동유도를 위해서는 2개의 좌표체계가 필요하다. GPS 수신기에 의한 출력성과 부분에 해당되는 GPS 좌표계와 유도를 위한 도형정보기반이 되는 국가좌표계이다.

상기 GPS 좌표계는 이동체가 이동하는 궤적에 대한 실시간적 위치측정에 사용되며 국가좌표계는 로봇선이 실제적으로 이동되어야 할 특정위치를 표시하는 좌표계로서 사전에 설정되는 기본 좌표계로 사용된다.

상기 GPS 성과는 지구중심좌표계인 WGS 84 좌표계를 사용한다. 하지만 대부분의 자료들이 국가좌표를 사용하여 실제 GPS 성과와 차이가 있다.

따라서 2체계간의 공통점을 측정하여 GPS 좌표계와 지역좌표계 간의 변환을 위한 매개변수를 산출하여야 한다.

본 발명에서는 GPS 수신기에서 RS 232 통신포트로부터 데이터를 수신하여 미리 하드웨어에서 설정한 기준타원체와 3-파라미터에 의하여 출력되는 경위도좌표를 사용, TM 투영법으로 평면직각좌표를 계산하였으며, 이어서 이 평면직각좌표를 국가 평면좌표계로 변환하는 방법을 사용하였다.

GPS 수신기에서 위성신호를 처리하여 출력하는 성과는 지구중심좌표계인 WGS 84 좌표계로부터 변환된 측지좌표이다.

이렇게 변환된 좌표를 실용화하기 위해서는 사용하고자 하는 지역의 원점체계에 따라서 지역좌표로 변환하여야 하는데, 우리나라의 경우에는 베셀타원체에 의한 측지원자를 적용하여 변환하여야 한다. 이러한 변환성과는 현재 대부분 사용하 고 있는 지역좌표와 일정한 차이가 발생한다.

따라서 도4 같은 변환체계에 의하여 단계적인 변환과정을 거쳐야 한다.

이때 이동체의 위치측정과 유도를 위해서는 사전에 이러한 매개변수를 정의하여야 한다.

우리나라의 경우 TM 투영법을 사용하여 평면좌표로 변환한다. 이 경우 원점에 대한 축척계수를 고려한다. 따라서, 평면직각좌표로부터 측지변환, 타원체 높이 입력, 측지좌표로부터 3차원 지심좌표변환, GPS에 의한 WGS 84의 X-Y-Z와 X'-Y'-Z'로부터 변환파라미터 산출, 산출된 파라미터를 통한 GPS 성과 변환 과정을 거치게 된다. 도4에서 상하간의 변환은 동일 좌표계에 의한 변환으로 측지원자와 투영법이 적용되며 좌우간의 변환은 이질적인 좌표계 사이의 변환으로 공통점을 이용한 변환파라미터의 산출과 적용절차가 필요하게 된다.

먼저 이동체의 위치를 측정하기 전에 변환매개변수를 정의하기 위하여 기존의 매개변수를 적용하거나 새로운 공통점을 이용하여 이를 구한다. 3차원 지심좌표계를 사용할 경우 좌표계의 원점은 지구의 질량중심이 되며 수학적 타원체의 원점과 차이가 있다.

따라서 이 변환은 우선 지구의 묘유선에 대한 곡률반경을 계산하고 측지원자를 적용하여 다음의 변환공식에 의한 측지좌표로부터 지구중심의 3차원 좌표를 구한다.

X=(N+h)cosφcosλ

Y=(N+h)cosφsinλ

Z=[N(1-ｅ²)+h]sinφ

여기서, 변환 공식에 의한 측지좌표에 따른 계산을 살펴보면 수학식2와 같다.

또한 3차원 지심좌표로부터 측지좌표로 역 변환할 경우 앞의 반복법을 사용하거나 다음 수학식3과 같이 중앙자오선의 길이에 의해 계산할 수 있다.

여기서

또한 측지좌표계를 변환하기 위해서는 매개변수를 필요로 하게 된다. 이러한 매개변수는 GPS 컨트롤러 내부 프로그램에 의하여 WGS 84 좌표계에 의한 지역좌표 LLH(Longitude-Latitude-Height, 경도-위도-표고)간에 3차원의 지구중심좌표에 대하여 이동량(T), 축척계수(λ), 회전행렬(R)과 측정값 X'로 변환하며 측지변환 매개변수의 산출을 위하여 3점 이상의 공통점에 대한 WGS 84 LLH와 지역좌표 L'L'H'가 필요하다. 변환된 3차원 좌표에 의한 지역좌표 계산모델은 Bursa-Wolf 모델, Molodensky 모델, Veis 모델 등에 의하여 계산한다. 우리나라에서 사용하는 베셀타원체와 WGS 84 좌표계간의 변환은 이러한 모델공식에 의하여 최소제곱으로 최적의 파라미터를 계산하고 Bursa-Wolf 모델의 경우 다음과 같은 공식으로 수학식 4와 같 이 파라미터를 산출한다.

X=(1+x)·R(Θz')·R(Θy')·R(Θx')X'+X₀

단 여기서,는 회전량이므로 미소하다.

관측방정식에 의하여

여기서,

V=[Vx' Vy' Vz' Vx Vy Vz]'(잔차)

X'=[X₀ Y₀ Z₀R Θ_X' Θ_y' Θ_z']' (미지수 : 파라미터)

W=[(X'-X)(Y'-Y)(Z'-Z) (관측치)

나머지 Molodenskij 모델이나 Veis 모델의 경우에도 이와 유사하게 계산한다. 측지원자에 의한 좌표변환의 경우에는 2좌표체계에 따라 GPS 성과와 기존의 국가 좌표로부터 변환공식에 의하여 2차원 지심좌표로 변환하고 다음 공식으로 측지 원자를 적용하여 동시에 변환한다.

또한 테일러 식에 의한 1차 전개에 의하여 묘유선의 곡률반경은 다음과 같다.

따라서,

가 된다.

T변환에 의한 선형화에 의하여 회전미소변위 와 의 이동량에 의하여 측지원자 a, f 변환에 따른 를 보정하게 한다. 지구중심 좌표계와 베셀에 의한 우리나라 실용성과에서 연구한 결과에 의하면 3-파라미터(parameter)의 경우 위도에 대하여 최대 6.55m, 경도에 대하여 최대 4.61m 차이가 있으며, 7-파라미터의 경우에는 평면적으로 위도의 경우 4.48m, 경도 2.07m로 실제 직접적으로 매개변수를 하드웨어에 입력하여 지역공통점에 대한 변환성과를 이용하지 않으면 편위가 발생하게 된다.

이동체의 유도는 주로 평탄지역이나 수면상에서 이루어지기 때문에 3차원의 지구중심 좌표로부터 측지좌표로 변환하고 이를 투영변환하여 사용지역에서의 공통점에 의한 평면변환요소를 구하여 단계적으로 접근하는 계단방식이 합리적이다.

계단식의 계산은 우선 WGS 84 좌표계에 의한 X-Y-Z로부터 φ-λ-h 좌표로 변환하는 과정에서 측지원자에 의한 묘유선의 곡률반경이 결정된다. 이 단계에서 준거타원체의 측지원자(φ-λ-h) 성과로 변환된다. 이어서 측지좌표로부터 평면좌표로 변환하기 위하여 축척계수와 원점을 설정하고 다음의 수학식 6과 같은 TM 공식에 의하여 변환하여야 한다.

여기서,

와 같이 이루어진다.

현재 우리 나라의 좌표계는 주로 평면좌표와 표고좌표 체계로 2원화하여 사용하고 있다. 2007년부터는 지구중심좌표계의 전면 시행으로 이러한 체계가 사라질 것이지만, 아직까지는 이를 고려해야 한다. GPS 측위성과는 시간과 지구중심좌표계에 의한 4차원 측위시스템으로서 T-X-Y-Z 좌표를 평면성과와 표고성과로 분리하여야 한다. 따라서, GPS에 의한 평면좌표와 국가좌표계에 의한 평면좌표계의 변환이 필요하다. 이러한 평면변환의 정도는 200km × 200km 지역에서 8mm ～ 15mm 이하의 오차가 발생하기 때문에 로봇선의 유도에는 큰 문제가 없다. 이러한 공통점에 의한 2차 평면변환은 다음과 같은 절차를 거치게 된다.

모든 공통점에 대한 GPS 좌표성과 X, Y, Z를 반복법에 의하여 베셀 타원체의 φ, λ, h로 계산한다. 다음 단계로 우리나라 원점계열에 의한 TM 투영변환을 하고, GPS의 (x, y)와 지역좌표계 (x, y)의 공통점에 대한 변환파라미터를 산출하며, 잔차를 점검한다. 마지막으로 산출된 파라미터로 좌표계산을 한다.

이러한 좌표변환처리 모듈이 GPS 컨트롤러 프로그램에 내장되어 있을 경우에는 NMEA 출력양식 중 수신기 장비제작사별로 변환방법에 의한 고유한 지역좌표 출력양식을 지원하기 때문에 소프트웨어적으로 사용자가 별도의 변환모듈을 작성하지 않고 NMEA 자료를 직접 사용할 수 있다.

따라서 휴대형의 1주파수 수신기의 경우 공통점에 의한 변환모듈을 지원하지 않고 하드웨어적으로 3차원 직각좌표계에 의한 지구중심좌표의 원점이동량과 측지원자에 해당하는 측지원자의 명칭을 선택하여 측지좌표를 산출하게 된다.

이 경우 실제 지역좌표와 차이가 많이 발생하기 때문에 추가적인 평면좌표 변환이 필요하다. 이것을 해결하기 위하여 GPS 수신기의 NMEA 포트로 출력되는 GGA 양식 내용 중에서 위도와 경도성과를 추출하여 TM 투영을 실시한 후 다시 이를 공 통점에 의한 파라미터를 산출하고, 이 파라미터에 의하여 다른 점의 좌표를 계산하는 과정을 거친다.

또한 투영변환 후에 공통점에 대하여 평면변환은 Helmert 변환에 의하여 관측방정식에 따라 최소제곱법으로 구한다. 물리적으로는 기계좌표에 의하여 출력되는 NMEA 데이터 양식에서 계산이 필요한 경위도와 높이를 추출하여 이를 좌표환산 처리에 사용한다. 여러 형태의 NMEA 출력 양식 중에서 GGA 양식이 가장 대표적인데 이 성과는 측정시간과 측지좌표가 시스템 내부에 사용자가 미리 설정해둔 측지원자에 의하여 WGS 84 성과를 베셀 성과로 환산한 결과가 GPS 수신기에서 출력된다. 따라서 이를 부가장치와 연결한 후에 변환하여 사용하는 것이 일반적인 형태이다.

이와 같은 등각변환은 RTK-GPS 측량의 측위정도가 100㎞ 이내에서는 ±2∼ 3cm 정도로 변환상 이동체 유도에 필요한 10cm 이내에 포함되기 때문에 로봇선 조향에 문제없이 적용할 수 있다.

본 발명은 이러한 변환절차에 따라 회전량과 이동량이 산출되면 원점의 이동량 및 축의 회전요소로부터 변환좌표를 구한다.

즉, 로봇선의 좌표계는 무게중심이 원점이 되며, 로봇선의 선두와 선미의 방향선이 x축, 이 축에 대하여 무게중심점으로부터 직각이 되는 축이 y축이 된다. 이동체의 회전각 추출은 자이로 시스템을 이용하거나 2대 이상의 수신기를 설치하여 2점간의 벡터변위에 따라서 이동체 자체의 방향 움직임에 대한 수치를 구할 수 있다.

또한 특수한 시스템의 경우, 하나의 수신기에 2개 이상의 안테나가 부착된 벡터용 수신기를 사용하여야 한다. 하지만 GPS의 도플러 측정에 의하여 이동순간부터 정확한 이동벡터의 측정이 가능하기 때문에 이동체의 이동방향을 추출할 수 있다.

따라서 이동체의 자체 방향인 절대좌표는 출발시점 상태에서 이동체의 자체 방향을 감지하는데 중요하지만 이동중에 이동체 자체의 방향을 추적하는 것은 커다란 의미가 없다. 이 문제에 있어서 이동체 유도의 경우에는 초기에 일정 구간을 운항시킴으로써 자체의 방향을 도플러 효과에 의해 추출할 수 있기 때문이다.

또한 선박의 조종모델에 사용되는 조종 운동방정식에서 적용하는 좌표계는 공간에 고정된 N-E 좌표계와 선체의 고정좌표에 의한 X-Y 좌표계로 2분화되며 선체에 고정된 좌표계는 원점이 무게중심과 일치한다고 가정한다.

이러한 이동체의 좌표는 방향센서에서 구한 성과만으로 조향하는 경우에는 물리적인 운동법칙의 계산에 의한 방향각도 중요하지만 GPS의 경우 선체 전체의 동적인 운동으로부터 최소 0.1초 간격으로 갱신된 이동체의 위치와 방향성과를 GPS로부터 구할 수 있을 뿐만 아니라 도플러 효과에 의한 속도 및 방향각이 주어져 이동체의 물리적인 특성을 감안하지 않더라도 이동체의 운동요소가 주어지게 된다.

따라서 시간변화에 의한 이동위치와 방향각으로부터 조향이 가능하기 때문에 이동체 자체의 좌표계는 본 발명에서는 큰 의미가 없다.

Echosounder를 이용한 수심측량

본 발명의 로봇선을 이용한 수심측량은 계획된 측심선에 따라 수면위치측량과 수심측량을 동시에 실시한다.

상기 수면위치측량 방법에는 직선유도법, 3점 양각법, 전자위치측정법, DGPS 방법 등이 있는데, 최근 DGPS 장비의 정확성이 향상되면서 DGPS 방법이 활발하게 사용되고 있다.

상기 수심측정은 대상지역에 따라 수심측정방법이 달라지는데 일반적으로 수심이 얕은 곳에서는 측심봉과 측심추를 이용하고, 수심이 깊은 곳에서는 Echosounder가 이용된다. Echosounder는 수면에서 매우 짧은 시간 지속하는 음파를 수저에 발사하는데, 발사된 음파는 사방에 확산하여 전파된다.

일부는 수직으로 수저방향에 전파되고, 수저면에서 일부는 투과되나 대부분은 반사되어 수면부근에 도달한다.

이대 음파신호는 일정한 범위로 확산되지만 평탄한 수저에서는 수직방향 부근의 음파신호가 가장 강하게 검출된다. 송신음파와 수신음파의 도달시간차 T를 정확히 측정하고, 수중음속 V를 알면 수심 Z는 수학식6과 같은 식으로 구할 수 있다.

일반적으로 음향측심기는 가정음속 V=1,500m/sec를 기준으로 설계되며, 시간차는 0.003sec 단위로 관측된다. 따라서,

를 K라 하면, Z=KT가 되어 시간만의 함수로 표시되므로 음파신호의 도달시간만 알면, 바로 이에 대응하는 수심을 알 수 있다.

그러나, 실제 수중의 음속은 염분, 수온, 수압 등에 의하여 미소하게 변화하므로 엄밀한 관측값을 구하려면 관측 당시의 실제 음속을 구하여 음속도 보정해 주어야 한다.

또한 해수의 경우 수심의 기준면과 관측시 해수위 차이를 고려한 조위보정, 수면으로부터 음파송출기까지의 깊이를 고려하는 흘수보정이 필요하며, 선박의 운동, 자료 측정시점의 일치화 등에 의한 오차요인에 대하여 보정해주어야 한다.

또한 음속의 보정방법에는 바-체크(Bar-Check)에 의한 방법, 해수의 염분, 온도 등의 데이터를 이용한 계산방법, 속도계로 직접 음속도를 구하는 방법 등이 있다. 바-체크법은 Echosounder의 음속도 보정방법으로 수심 30m ∼ 50m 미만의 수심에 사용한다. 음파를 반사할 수 있는 판에 1m 간격으로 길이를 표시한 와이어를 연결한 것을 바-판(Bar-Plate)이라고 한다.

즉, 측량선에 Echosounder를 설치하고 측량대상 구역 중 파고가 없는 곳을 택하여 수중으로 바-판을 1m ∼ 2m 간격으로 침하시키면서 Echosounder의 기록수심과 바의 수심을 동기화하기 위하여 온도, 염도 등의 해수조건에 대한 음속도를 보정하는 것을 바-체크라고 한다.

또한 데이터 수치계산법은 해수의 깊이에 따른 각 층의 염분, 수온, 수압을 직접 관측하여 정확한 음속도를 계산하고 가정음속과의 보정량을 구하는 방법으로, 계산식에는 Willson식, Matthew식, 우리나라 해양연구소 KORDI식 있다.

또한 정밀수심측량을 수행하는 선박의 Echosounder는 선박의 운동에 영향을 받기 때문에 선박의 운동을 고려한 보정이 필요하다. 특히, 상하운동(Heave), 좌우회전운동(Pitch) 및 전후회전운동(Roll)에 대한 보정은 가장 기본적이고 중요한 인자이다.

일반적으로 선박의 전후운동(Surge) 및 좌우운동(Sway)은 평면위치변화에만 영향을 미치며, 중심축을 따른 선박의 회전운동(Yaw)은 Echosounder가 선박의 중심지점에 설치된 경우 오차는 무시할만한 정도가 된다.

이때 측정시점의 일치에 의한 오차는 측정장비의 측정간격을 조정하면 감소시킬 수 있다.

음향측심기 ( Echosounder )를 이용한 해저지형정보 획득

음향측심기(Echosounder) 정보변환모듈은 트랜스듀서에서 획득하여 문자열로 출력되는 데이터를 분석하여 수심을 측정할 수 있도록 개발하였다. 본 발명의 실험에 사용된 음향측심기(Echosounder)는 호주 BRUTTOUR 사의 CEESTAR 모델로서 제원은 표 7과 같다.

항목	제원
주파수	200Khz
음향발신각도	8도
측정 깊이	0.3m ∼ 99.99m
정확도	깊이의 200ppm
통신속도	최소 4,800baud ∼ 최대 115,200baud

또한 트랜스듀서에서 인지한 신호는 컨트롤러에서 변환되어 RS232 통신포트를 통해 PDA에 입력된다. 입력된 데이터에는 트랜스듀서에서 해저지면, 해저지면에 서 암반층까지의 데이터가 포함되어 있으므로, 이를 분석하여 순수한 수심데이터를 추출한 후, 통신모듈을 통해 제어국에 전송되도록 개발하였다. 도5는 음향측심기(Echosounder) 데이터의 처리과정을 나타낸 순서도이다.

모터 드라이브 및 중앙제어보드

본 발명의 모터 드라이브와 중앙제어부(중앙제어보드)는 마이크로 컨트롤러인 PIC(Pxxx Interrupt Controller, 단절제어기) 단일기판의 형태로 개발 및 설계하였다.

상기 마이크로 컨트롤러(Micro controller)를 이용하여 하드웨어의 구동을 직접 제어함으로써 데이터의 처리효율을 높이고 데이터의 처리시간을 단축하기 위한 목적으로 개발하였다.

상기 모터 드라이브는 제어명령체계에 의하여 정량화된 속도 및 방향조절 명령 성분이 숫자의 형태로 전달되면 이를 모터 회전량으로 전환하여 해당 모터를 제어명령만큼 회전시킬 수 있도록 개발하였다.

상기 중앙제어부는 통합된 GPS 및 Echosoun -der 의 데이터와 모터 드라이브에 전달될 모터제어 명령을 동시에 처리하도록 설계하였다.

상기 모터드라이브는 국내 컴파일 사의 PICBASIC을 이용하여 개발하였으며, 도6은 EEPROM에 제어명령을 입력하기 위한 IC용 프로그램 개발화면을 나타낸 것이다.

2. 로봇선 제어국

1) 위치정보데이터 처리시스템

본 발명의 GPS를 이용한 위치정보데이터 처리시스템은 로봇선의 상태확인 및 처리모듈, 이동계획경로 설정 모듈, 도형편집 모듈로 구성하였다.

상기 로봇선의 상태확인 및 처리모듈은 로봇선이 전송하는 위치 및 수심좌표, GPS의 위성정보 등의 데이터를 시각화하여 사용자가 로봇선의 위치와 상태를 한눈에 알아볼 수 있도록 하였다.

또한 로봇선의 이동경로를 계획하여 로봇선에 송신함으로써 자동으로 위치정보 및 수심정보를 획득할 수 있도록 구성하였으며, 로봇선의 상태확인, 처리 및 이동경로의 계획은 CAD를 기반으로 시각화할 수 있도록 구성하였다.

도7은 위치정보데이터의 처리과정을 나타낸 순서도이고, 도8은 설계된 위치정보데이터 처리시스템의 초기화면을 나타낸 표시창(20)이다.

로봇선의 상태 확인 및 처리모듈

본 발명은 로봇선의 상태 확인 및 처리모듈은 로봇선의 위치, 위성수신상태, 이동상황 등을 쉽게 파악할 수 있도록 구성하였다. 도9에 도시한 바와 같이 화면 좌측에는 로봇선의 위치좌표, 시간, 위성상태, 수심, 속도, 방향 등의 내용을 수치로 출력하여 세부적인 상태를 모니터링할 수 있도록 구성하였다.

또한 화면 중앙에 삽입한 CAD 엔진을 이용하여 측정지역의 수치지도 및 로봇선의 이동 궤적을 화면에 출력함으로써 로봇선의 이동상황을 시각화할 수 있도록 구성하였다. 도9는 설계된 로봇선의 상태 확인 및 처리모듈을 나타낸 표시창(20) 화면이다.

이동계획 경로 설정모듈

본 발명의 이동계획경로 설정모듈은 로봇선 유도에 대한 수/자동화 알고리즘 연구 내용을 적용하여, 화면을 보면서 로봇선을 측정지점으로 직접 이동시키거나, 지정한 경로를 따라 자동으로 이동할 수 있도록 경로를 지정해 줄 수 있도록 구성하였다.

또한 로봇선에 구비한 CAD 엔진을 기반으로 출발점과 도착점의 입력, 이동간격(피치)의 설정, 이동계획선 표시, 계획선의 선택, 계획선과 실제 궤적과의 이격내용 표시 등의 기능을 수행할 수 있도록 구성하였다.

도10은 설계된 이동계획경로 설정 모듈 중 계획선 작성을 나타낸 표시창(20) 화면을 나타낸 것이다.

도형편집모듈

본 발명의 도형편집모듈은 도면편집, 도형양식, 도형처리의 세 부분으로 구성하였다. 상기 도면편집 기능은 사용자가 측정지역의 수치지도, 계획선, 측정데이터 등을 편집하여 필요한 정보들만을 도면으로 만들 수 있도록 구성하였으며, 취소, 취소복구, 속성보기, 복사, 이동, 회전, 축척, 미러, 자르기, 블록생성, 지우기 등의 기능을 가지고 있다.

또한 도형양식 기능은 레이어 및 각종 도형의 속성을 설정할 수 있도록 구성 하였으며, 페이지, 레이어, 선, 문자, 해칭, 블록, 점, 치수, 도형지원, 단위설정, 화면설정 등의 속성을 설정하는 기능을 가지고 있다. 도11a부터 11m까지는 도형양식 기능의 세부 기능을 나타낸 표시창(20) 화면이다.

상기 도형처리 기능은 도면 작성에 필요한 각종 보조 도형작성 및 설명을 추가할 수 있는 기능을 가지고 있는 것으로, 점, 선, 다각형, 곡선, 원, 호, 타원, 사각형 등의 도형, 수평, 수직, 평행, 각도, 반경, 직경, 둘레 등에 대한 수치선, 문자, 심볼, 래스터, 모자이크 등을 추가하는 기능을 가지고 있다. 도12a부터 12d 까지 도형처리 기능의 세부 기능을 나타낸 표시창(20) 화면을 나타낸 것이다.

2) 이동체의 원격제어시스템

본 발명의 속도조절 및 조향키의 조작에 필요한 내/외부 파라미터들에 대하여 분석하고, 속도의 증감 및 방향 전환을 정량화하였으며, 사용자가 로봇선을 원하는 지점으로 보낼 수 있도록 수/자동화 알고리즘에 대하여 연구하였다. 물의 저항으로 인해 스크류 및 키의 회전이 제조시의 성능과 다르게 나타나므로, 로봇선을 실제로 물에 띄운 후, 진행속도 및 회전반경을 테스트를 실시 하였다.

상기 수/자동화 알고리즘은 분석된 내/외부 파라미터들을 적용하여 CAD 기반에서 계획한 이동경로와 동일하게 이동할 수 있도록 속도조절 및 회전반경에 대한 데이터를 얻기 위해 테스트하였다. 도13은 원격제어 데이터의 처리과정을 나타낸 순서도이다.

로봇선 운동명령체계 개발

본 발명의 운동 제어체계 분석 및 명령어 구조 설계를 살펴보면, 로봇선의 제어는 방향과 속도를 조절하는 2개의 모터에 의하여 조정된다. 추진력을 담당하는 내연엔진의 토크(Torque)조절 밸브에 연결된 모터를 제어함으로써 실제 필요한 힘을 얻게 되고, 방향을 담당하는 키에 연결된 모터를 제어함으로써 방향을 전환하게 된다.

이러한 모터의 제어를 통해 로봇선의 이동을 제어하게 되는데 필요한 토크의 변화→추진력 조절 및 방향 조절→가감속 및 방향전환의 절차를 거치게 된다.

여기서, 기본적인 모터의 운동에서 어떻게 정확한 위치와 속도를 낼 수 있는가 하는 것은 모터의 성능을 얼마나 정확하게 분석하고 조절하느냐에 좌우된다. 이를 위해, VTC(Vector Torque Control)에 의한 디지털 서브모터를 사용하면 모터의 성능을 정확하게 조절할 수 있다. VTC 모터드라이브는 1994년경에 상용화되었으며, 현재에는 대부분 디지털 사인웨이브 포지션 서보 드라이버(Digital sine-wave position servo dirver)에 의하여 벡터토크, 속도, 위치 등이 상호 작용하여 작동된다.

본 발명의 로봇선의 제어는 직선운동(가속, 감속, 정지)과 방향전환(좌, 중, 우)으로 구분되며, 각각을 담당하는 모터에 의하여 제어된다.

상기 방향전환에서는 모터의 회전량과 키의 회전각을 정량화하는데 큰 어려움이 없지만, 속도를 제어할 경우 선박의 자중 때문에 관성력이 생겨 처음 발진시 많은 토크가 필요하게 되므로 모터의 회전량에 따른 속도의 정량화가 어렵다.

본 발명에서는 방향전환모터의 제원에 의한 제어각도를 설정하고 운동량변화를 점검하여 정량화하였으며, 속도조절모터는 모터의 회전량과 속도와의 관계를 테스트하여 정량화하였다.

또한 원격 이동측위에 따른 로봇선의 유도에 있어서 양측모터를 구동, 제어하기 위하여 모터제어용 프로토콜 작성이 필요하다.

본 발명의 아날로그 형태의 파형자료를 수치화하는 인코더(Encoder)와 서브 모터에 대한 디지털 신호를 통해 원하는 변위량 만큼 모터의 회전수를 제어함으로써 이동 변위량을 조작할 수 있도록 하였다.

제어명령체계 개발

본 발명은 로봇선을 조향하기 위해서는 현재의 위치에서 이동하고자 하는 목표점까지에 대한 거리 및 방위각을 분석하고 이를 이동체가 진행한 궤적과 비교하고 조정해야 한다.

이러한 이동체 제어를 위한 모터의 작동은 가속, 감속, 정지와 방향전환 키의 회전각에 의하여 진행속도와 방향을 조정한다. 단일기판 형태의 PIC를 사용하는 경우에는 단순한 데이터의 통신을 지원하여 1바이트(Byte) 단위로 전송, 처리되기 때문에 모터를 제어하기 위하여 일정한 규약을 작성하여야 한다.

본 발명에서는 제어 단위를 ASCII 코드 문자로 변환하여 전송하고 로봇선에서 수치데이터로 역 변환하도록 하였다. 이러한 수치별 모터제어 동작상태는 표 8과 같다.

제어구동	명 령 어	비 고
속 도	$SPEED,1..180+CRLF	1..50범위사용
방 향	$DIRECT,1..180+CRLF	51..100범위사용
해 상 력	3도(Degree)조향분해	최소 회전각

즉, ASCII 코드 1 ∼ 50까지는 속도변화에 할당하고, 51 ∼ 100까지는 방향전환에 할당하였다. 단순 1바이트 전송에 의한 속도와 방향판단을 로봇선에서 받은 수치에 의하여 분류한 후 이를 구분하여 모터를 작동하도록 하였다. 그림 3.33과 3.34는 서브모터의 제어명령을 이용하여 원격제어 프로그램으로 개발한 화면이다.

운항궤적에 의한 수학적 모델

본 발명의 이동체의 이동경로는 원격 제어부(제어국)에서 일정한 방향성을 설정하고 조향하기 때문에 이러한 이동체의 위치를 샘플링하여 이들의 선형분석을 통하여 실제의 궤적을 수학적으로 표현하여야 한다.

상기 이동체의 이동에 따른 궤적은 각종 보간법에 의하여 추정될 수 있으며 여러 가지 형태의 보간법을 사용한다.

본 발명에서는 선형과 원형에 대하여 운항하였으며, 위치(x, y)에 대한 평면적 분석만을 수행하였다. 선형화에 의한 최적화는 주어진 점(x₁, y₁), (x₂, y₂)‥‥,(x_n, y_n)을 이용하여 지수형의 곡선형으로 다음과 같이 나타낸다.

y=Ce^Ax

여기서, 양변에 log를 취하여

In(y)=Ax + In(c)

로 변환하면 그 변수는 다음과 같다.

Y=In(y),X=x,B=In(c)

새로운 변수 X, Y에 대한 선분은 Y = AX + B의 공식으로 나타내어 xy 평면의 원시점좌표(x_k, y_k)가 XY평면으로 (x_k, y_k)=(x1 ·In(y_k)) 좌표로 변환되어 선형화된다. A와 B의 미지수를 구하기 위하여 점{(x_k, y_k)}에서 최소제곱법의 정규방정식으로 나타내어 A, B를 찾으면 C를 구할 수 있다. 즉,

최소제곱법에 의하여 N개의 점좌표{(x_k, y_k)}와 M개의 선형독립함수가 주어지면 M의 계수{Cj}를 구하기 위한 선형함수 f(x) 는

로 나타내고 행렬에 의하여 F^TFC=F^TY 에서 C 계수를 구한다.

이러한 점위치에 대한 선형화 내용은 여러 형태의 선형화 공식에 따라서 통상적인 방법에 의해 계산된다.

로봇선 유도 알고리즘 개발

본 발명의 로봇선의 유도는 인위적인 조작에 의하여 유도하는 수동화 유도와 훈련에 의하여 로봇선 고유의 기계적인 상수 값을 얻어서 소프트웨어 방식으로 유도하는 자동화 유도가 있다. 수동화 유도는 중앙통제부에서 로봇선의 위치를 모니터링하면서 로봇선의 속도와 방향을 설정하는 방법이고, 자동화 유도는 GPS에 의하여 실시간으로 그 위치를 구하고 벡터변위량을 산출하고 이동경로를 예측함으로써 로봇선의 속도와 방향을 자동으로 조절하는 방법이다.

또한 자동화 유도의 경우 조작감도를 훈련에서 구하여 미리 입력하고 이동체의 변위량에 대한 기준 설정방향각에 맞추어 조향을 하도록 한다. 프로그램으로 자동조향하기 위하여 로봇선의 속도와 기준위치점에 대한 벡터 변위량을 1초 단위로 계산하고 임계치를 벗어나는 경우 제어명령을 전송한다.

본 발명은 로봇선을 이동시킬 경우, 순간위치와 사전에 설계한 경로를 비교하여 오차를 찾아낼 수 있으며, 이 순간 위치에 대하여 현재의 위치로부터 다음 점에 대한 이동체의 위치를 매번 추정하게 된다. GPS의 경우 데이터가 불안정하여 발생하는 과대 오차를 알고리즘에 의하여 보정하여야 한다. GPS에 의하여 취득한 측위정보(시간, 위치, 속도, 방향 등)와 로봇선의 물리적인 법칙에 의한 2종류의 자료로부터 제어운동을 모델화하여 로봇선 유도의 문제를 해결하게 된다. 이러한 해 결 방법들은 이동체의 벡터운동에 대한 모델링의 경우 물리적인 운동법칙에 따라서 다음의 3가지 가정을 두고 있다.

즉, 정지상태의 물체는 계속 정지하려 하고 움직이는 물체는 운동을 멈추려 한다는 것, 주어진 모든 힘의 합이 이동체의 위치이동에 사용되며 이에 대한 반대방향의 저항력이 있다는 것, 정확한 위치로 이동하려면 조정이 필요하다는 것이다.

이러한 3가지 조정개념은 1997년 Christopher와 Arius Kaufmann이 VMS(Vector Movement System)를 소개하였다. 이러한 이동체의 벡터운동에 대한 모델링의 절차는 이동중 순간적인 시간에 대하여 이동운동을 도형적으로 표시하고, 이동체에 힘을 가하며, 이동체를 회전하는 과정이 필요하다.

상기 VMS는 헥사 맵(Hexa-map)을 이용하여 벡터상태를 나타내는 방법으로서 예로는 게임프로그램의 이동체 조정에 사용하는 방법이 있다. 이 방법은 이동체 운동을 6각형으로 구성하여 수직선으로 이등분 한 2개의 도식과 하단의 전후-좌우, 현재-좌우 난을 이용하여 기수(Odd)와 우수(Even)로 서로 교대해 가면서 이동체의 방향을 작성하는 개념이다. 이동체가 이동을 하면 선박의 이동방향에 화살표를 그려 넣고, 선박의 방향을 화살표로 나타낸 후, 선박을 회전한다. 정해진 경로를 통과하는 경우에는 현재의 속도와 방향을 6각형의 좌측에 기입하고 우측에는 로봇선의 방향표시를 나타내는데 사용한 조작사항을 기록한다.

이동체에 대한 움직임을 실행하기 위하여 우선적으로 화살표의 레벨을 계산하고 육각형의 우측난에 현재의 화살표 방향을 기록한 후, 좌측에는 진행할 화살표의 방향을 기록한다. 현재의 방향은 내부 6각형에 화살표로 표시한다. 회전결과에 대해서는 바깥 부분의 6각형에 화살표를 표시하고 계속하여 홀수와 짝수를 교대로 이용한다. 이러한 헥사-맵의 경우, 특수한 프로그램의 작성에 필요한 개념설정에 유용하게 사용되며 이동체의 유도를 위해서는 실시간으로 이동체에 대한 지도를 작성하여야 하기 때문에 여러 개의 지도를 필요로 한다. 이러한 개념을 로봇선의 유도에 적용할 경우, 매우 복잡하게 되지만 GPS에 의한 이동체의 이동경로에 대하여 수치적으로 정보를 얻을 수 있고 매 1초 단위로 이동체에 대한 정확한 위치와 속도 및 방향을 알 수 있을 뿐만 아니라 실시간으로 조정할 수 있기 때문에 이러한 개념적인 접근의 시도를 달리하여야 한다. 일반적으로 선박의 경우, 조종 성능을 추정하는 방법으로 자유항로 주행 모형시험을 통하여 추정한 조종계수를 사용한다. 이론적인 조종운동방정식에 의한 결과를 실제의 실험결과와 비교하여 이론모델을 구성하는 과정을 되풀이하였다.

정확한 조종모델의 유도는 설계에 필수적이지만 유체동력적인 계수들의 이론적인 추정에 한계가 있고 여러 요인에 대한 정확한 평가가 어렵기 때문에 조종모델은 비선형성과 불확실성이 내포되어 있다고 간주해야 한다.

해양선박의 경우, 자동조타장치에 사용되는 여러 가지의 제어방법 중에서 고전적으로 PID(Proportional Integral Derivative, 비례적분도함수) 제어방법이 주로 사용되고 있으며, 이 경우 Nomoto가 제안한 1차 모델을 대상으로 한다. 선박운항의 자동제어 시스템은 수로에서 선박의 조정을 위한 퍼지제어기 설계가 시도되었으며, 신경망에 의한 자동조타장치가 사용되기도 한다.

따라서 실제적으로 이동체를 유도할 경우 변수에는 속도와 조향 뿐만 아니라 축척과 굴절요소들이 짧은 시간 동안에도 일정하게 존재하게 된다. 2차 모델의 경우 y는 미지의 오차량으로 공분산행렬 Cy에 의하여 2차 모델이 더욱 정확하게 된다.

또한 음향비콘으로 일정지역을 운항한다고 가정했을 때, 목표지점에 대하여 로봇선의 이동위치를 점검한 수에 따라 목표점과의 거리와 위치에 독립적인 최소제곱으로 계산한다. 실제 이동한 경로에서 확인 점을 연결한 결과는 도15와 같이 나타낼 수 있다.

즉, 로봇선의 계획경로를 점선으로, 실제경로를 실선으로 나타내었을 때, 두 경로에 오차가 발생하게 된다. 이러한 오차를 알기 위해서는 실시간으로 이동방향과 경로에 대한 매 시간마다 위치를 추정하는 방법을 사용하여야 한다.

3. 통신 및 백업시스템

1) 로봇선과 제어국간 통신시스템

본 발명의 무선 인터넷 통신 및 RF모뎀 통신 시스템에 있어서, 로봇선과 제어국인 중앙통제부의 통신시스템은 이동통신 서비스망을 이용한 무선인터넷과 라디오 주파수(RF : Radio Frequency) 모뎀을 이용한 2채널 보완시스템으로 구성하였다.

기본적인 통신 수단으로는 CDMA(Code Division Multiple Access, 코드 분할 다중 접속) 모뎀을 이용한 무선인터넷 통신을 이용하고 라디오 주파수(RF) 모뎀을 이용한 통신은 보조적인 수단으로 이용한다.

본 발명에서는 CDMA 모뎀을 이용한 무선인터넷 통신시스템을 개발하였다. 본 발명의 연구에 사용된 CDMA 무선모뎀은 국내 Growell 사의 EK-001B 모델로서 제원은 표 9와 같다.

항 목	제 원
크기	112 × 60 × 26(mm)
주파수	800Mhz
사용규격	IS-95B

본 발명에서 송수신되는 데이터의 형태는 같고, 중앙통제부에서 무선인터넷 또는 RF 모뎀을 선택하여 데이터를 송수신할 수 있도록 설계하였다. 무선인터넷은 CDMA를 이용하여 구현하도록 설계하였다. 로봇선과 중앙통제부는 RS232 통신포트를 통해 CDMA 무선모뎀과 연결되는데, 각각 고유의 번호(전화번호)를 가지고 기존의 이동통신서비스를 이용하여 실시간으로 정보를 교환한다.

이때 이동통신서비스를 이용한 무선인터넷 통신의 장점은 거리에 상관없이 고속으로 데이터를 송수신할 수 있다는 점이다. 따라서, 중앙통제부국의 위치에 상관없이 원격지에서 로봇선을 조작하고 데이터를 송수신할 수 있는 장점이 있으며, 단점으로는 이동통신서비스 중계국과의 교신에 문제가 있거나, 지형적인 이유로 이동통신서비스를 이용하기 어려울 경우에 데이터 송수신이 불가능하다는 점이다.

본 발명에서는 이를 보완하기 위해서 RF 모뎀을 이용할 수 있도록 설계하였다. RF 모뎀은 근거리 통신장비로서 약 1∼2km 거리에서 데이터의 송수신이 가능하다. 따라서 이동통신서비스를 이용한 무선인터넷이 불가능할 경우에도 로봇선을 이용할 수 있다.

CDMA를 이용한 무선인터넷 통신은 TCP/IP(Transmission Control Protocol/ Internet Protocol, 전송제어규약/인터넷 규약)에 의한 방법으로 사용된다. CDMA는 데이터를 디지털의 형태로 전송하기 때문에 단말기에서 제공되는 모뎀제어 명령어를 이용하여 데이터를 전송하면 된다. CDMA 표준모뎀 명령어에 의하여 중앙통제부에서 로봇선의 호출을 대기하고 이동국의 호출이 이루어지면, 데이터를 전송한다. 표 10은 CDMA 표준모뎀 명령어 중 데이터 통신에 사용되는 명령어이다.

	항 목
1	CNIP	명령 : At + cnip <prot number>, <cnip number> 번호를 NAM에 저장하는 방법
2	Data connection	명령 : AT + CRM = 140 ATDT <IP number>, <Port number> ATDT 211.119.249.147, 23 (접속 예)
3	Mobile to Mobile	명령 : ATDT <상대방 전화번호>

본발명의 제어국인 중앙통제부와 로봇선은 CDMA 무선 모뎀을 이용하여 자동으로 호출하고 응답한다. 중앙통제부에 CDMA 모뎀을 연결하여 모뎀의 초기화 명령인 AT와 ATZ 및 이동국의 호출에 대한 응답회수를 1회로 설정한다.

이어서 이동국에서 중앙통제부의 전화번호를 이용하여 At + ATDT + <IP number> + <Port number> 명령으로 호출한다. 이러한 호출은 시스템을 가동하기 시작하면서 1회 호출을 시도하고 만약 전화연결이 끊어지면 재호출을 하도록 프로그램을 작성하였다.

상기 중앙통제부에서는 로봇선의 호출을 대기하고 있다가 ‘RING’ 이라는 메시지가 전송되면 곧 데이터의 송신과 수신을 수행한다. 로봇선의 호출은 중장통제부의 보정 메시지를 수신하고 GPS 수신기에 전달한다. 로봇선에서 호출하기 전에 우선적으로 중앙통제부의 응답모드로 설정하였다.

이때 호출이 이루어져 연결이 되면 GPS의 RTCM 포트와 RS 232 케이블을 연결하고 통신조건이 일치되도록 한다. 중앙통제부는 통신대기 상태가 설정되고 이어서 로봇선에서 호출하면 기준국에서는 RING 메시지와 접속의 성공을 나타내는 ‘CONNECTED 19200’과 같은 연결 및 전송속도가 표시된다.

이어서 GPS에 의한 보정메시지를 연속적으로 로봇선에 전송한다. 도16은 제어국에서 로봇선을 호출하는 프로그램을 나타낸 것이며, 도17은 RTCM 보정처리 프로그램을 설계한 화면을 나타낸 표시창(20)이다.

본 발명의 주요기능은 중앙통제부의 응답기능과 로봇선의 호출 및 RTCM 보정처리로 프로그램 내부적으로 제 1 통신포트를 GPS로 하고 제 2 통신포트를 CDMA 모뎀으로 설정한 경우 중앙통제부에서는 모뎀으로부터 ‘RING'과 ’CONNECT'라는 이벤트가 발생하면 자동적으로 GPS 포트에 RTCM 메시지를 전달한다.

또한 로봇선의 경우 전화번호로 호출을 하고 마찬가지로 ‘CONNECT'라는 이벤트가 발생하면 전송받은 보정메시지를 바로 GPS 포트로 연결하도록 하였다.

본 발명의 원격측정 시스템의 통신은 외부통신과 내부통신으로 구분할 수 있다. 외부통신은 로봇선, 중앙통제부, 데이터 백업 서버간의 무선 인터넷 통신을 말하며, 내부통신은 로봇선에서의 GPS, Echosounder, 모터드라이브, 중앙제어보드, CDMA, PDA 간의 통신과 중앙통제부에서의 GPS, CDMA 모뎀, 노트북 또는 PDA 간의 통신을 말한다.

또한 외부통신과 내부통신을 원활히 수행하기 위해서는 일정한 규약에 의한 데이터 포맷이 필요하다. 외부통신은 TCP/IP라는 인터넷 통신 규약에 의해 쉽게 해결할 수 있으나, 내부통신은 일부 데이터 통신에 대한 규약이 필요하다.

내부통신에서 각 기기의 연결은 RS232 포트를 통해 이루어지는데 이 부분은 시스템의 개발 언어인 비주얼 베이직(Visual Basic)에서 제공하는 명령어를 통해 포트를 열고 데이터를 전송하고 포트를 닫는 기능을 수행할 수 있다. 따라서 이 부분에 대해서는 특별한 규약을 정할 필요가 없다.

또한 개발해야 할 통신 규약은 로봇선에서 중앙통제부로 보내는 획득 데이터의 통합과 중앙통제부에서 로봇선의 이동을 제어하기 위해 보내는 제어명령에 있다. 로봇선에서 보내는 통합데이터에는 로봇선의 위치좌표, GPS 위성신호 수신상태, 수심측정값 등이 있고, 중앙통제부에서 보내는 모터제어신호가 있는데, 데이터의 누락없이 신속하게 송수신하기 위해서는 GPS의 NMEA 메시지와 같은 일정한 형식으로 작성된 한 문장의 데이터가 적당하다.

기본적인 통신규약을 구성하는 데이터들에 대한 내용은 표 11과 같다.

송수신 관계	구성 데이터
로봇선에서 제어국	GPS	시간, X, Y, Z, 속도, 방향, 위성수, DOP, 수평오차, 수직오차
로봇선에서 제어국	Echosounder	H
제어국에서 로봇선	GPS	RTCM 신호
제어국에서 로봇선	모터	속도조절성분, 방향조절성분

2) 위치정보 및 제어정보 데이터 백업시스템

위치정보 및 제어정보 데이터 백업시스템은 로봇선과 이동국이 교환하는 정보를 실시간으로 서버에 저장함으로써 로봇선의 고장, 전복 등 만일의 상황에 대비할 수 있도록 설계하였다. 로봇선은 물리-역학적인 측면을 고려하여 설계하였지만, 로봇선의 고장, 전복, 파손 등의 위험성을 내포하고 있다. 작업도중 이러한 상황이 발생할 경우 측정중인 데이터가 손실될 우려가 있다. 서버에서도 무선인터넷을 이용하여 로봇선(10)과 중앙통제부(30)의 정보교환 내용을 수신할 수 있도록 설계하였다.

측정된 데이터는 로봇선에 장착된 PDA의 메모리에 저장되고, 통합데이터를 중앙통제부에서 수신하여 1차적으로 백업하게 되며, 제어국에서 데이터의 백업을 담당하는 서버에 전송함으로써 2차적으로 백업하게 된다.

백업시스템은 통신시스템과 데이터베이스로 구성하였는데, 통신시스템은 3.3.1의 CDMA 무선 인터넷 통신과 동일하다. 도18은 통신규약에 의해 교환되는 측정 데이터 및 제어명령은 실시간으로 백업시스템에 전송되고 백업시스템에서는 전송된 데이터를 다시 각각의 항목별로 분리하여 표의 형태로 저장하게 된다. DBMS(DataBase Management System, 데이터베이스 관리 시스템)로는 MS 사의 Access를 이용하기로 하였다. Access는 DBMS 중에서 비교적 사용이 편리하고, GIS(Geographic Information System, 지리정보체계)의 데이터 포맷으로 많이 사용되고 있기 때문에 원격측정로봇선의 측정데이터를 활용하는데 용이할 것으로 판단된다. 도18은 설계된 데이터베이스 중에서 로봇선의 데이터 저장 화면구성을 나타낸 것이다.
또한 본 발명의 첨부된 도면중 도19는 본 발명의 로봇선의 평면 구성도 이고, 도20은 본 발명의 로봇선의 측면 구성도이며, 도21은 본 발명의 로본선의 선미에 장착된 스크류와 방향키를 나타낸 구성도로서, 상기에서 설명한 바와 같이 로봇선(10)의 각각의 구성부를 나타낸 것이다.

3) 현장 모니터링시스템

본 발명의 현장 모니터링시스템은 로봇선과 중앙통제부를 하나의 대화그룹으로 관리하여 정보교환 내용을 모니터에 시각화함으로써 현장의 상황을 모니터링 할 수 있도록 설계하였다. 무선인터넷을 이용하여 로봇선의 획득정보 및 중앙통제부의 제어정보를 실시간으로 수신하고 화면에 출력하여 모니터링할 수 있도록 설계하였으며, 경우에 따라서 수신한 데이터를 이용하여 실시간으로 분석작업을 수행할 수 있도록 하였다. 다수의 측정지역 또는 여러 대의 로봇선을 관리할 경우, 각각의 로봇선을 하나의 그룹으로 관리할 수 있도록 하였으며, 필요에 따라서 수신되는 내용을 데이터베이스로 저장함으로써 즉시 다른 프로그램에서 작업할 수 있도록 하였다.

또한 본 발명의 위치정보데이터 처리시스템은 로봇선의 상태확인 및 처리모듈, 이동계획경로 설정 모듈, 도형편집 모듈로 구성하여 현재의 위치에서 이동하고자 하는 목표점까지에 대한 거리 및 방위각을 분석하고 이를 이동체가 진행한 궤적과 비교하고 조정할 수 있는 수/자동화 알고리즘을 연구하고 모델링하였다. 또한 로봇선과 중앙통제부간의 통신시스템은 이동통신 서비스망을 이용한 무선인터넷과 RF모뎀을 이용한 2채널 시스템으로 이루어진 무선인터넷과 디지피에스를 이용한 원격측정 시스템 및 원격 측정 로봇선을 제공토록 한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 원격측정 로봇선은 사전 큰 준비작업 없이 1인이 간단 용이하게 원격 조정할 수 있으므로 기존의 수심측량 방법에 비해 경제적이고 데이터의 취득 및 저장이 자동화되어 수심측량 분야에서 활발히 이용될 수있는 장점이 있으며,

또한 취득된 정확한 데이터는 하상지형도 작성, 담수량 산정 등을 통해 전국에 분포한 내륙지역 1만 여개 저수지의 수자원 관리, 홍수시의 피해 예방 등에 이용될 수 있어 토목구조물 시공 및 유지관리, 환경정보 획득 등의 분야에 활용함으로써 궁극적으로는 국토의 효율적인 관리를 할 수 있는 장점이 있으며,

또한 수중지형 모델링, 교각 밑부분 쇄굴조사 등 해양 토목구조물 시공 및 유지관리분야, 환경센서 추가장착을 통한 대기, 수질 정보획득 등 환경정보 취득분야, 군사적 이유로 출입이 통제된 지역의 영상정보획득 등 군사분야에서도 활용이 가능한 장점을 가지며, 특히 본 발명은 하천, 강, 바다 등의 수심과 지형을 원격으로 측량할 수 있는 로봇선을 초소형화시켜 자동차의 트렁크에 탐재할 수 있도록 함으로서 이동이 신속하고 측량시 원격조정이 간편 용이한 동시에 산업사회 전반에 걸쳐 응용할 수 있도록 된 효과를 갖는다.

Claims

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해저의 수심을 측량하기 위한 수심측량조사장치가 탑재 된 무선인터넷과 디지피에스를 이용한 원격 측정 로봇선에 있어서,

해저의 수심을 측량하기 위한 수심측량조사장치가 탐재 된 무인선박을 이용한 해상측량 장치에 있어서,

로봇선(10)은 선수에는 속도제어모터 및 방향제어 모터와 엔진부가 내장되도록 수납부를 형성하고 수납부 상부에 내부의 엔진부를 확인할 수 있도록 덮개(12)를 구비하며, 선미에는 일측이 개방된 공간부(13)가 형성되어 해저의 수심을 측정하는 음향측심기(Echosounder)(14)와, 속도와 방향을 제어하는 속도제어모터(15) 및 방향제어 모터(16)와, 위성정보를 수신할 수 있도록 안테나로 이루어진 GPS 수신부(17)가 구성된 선체(11)와;

선체의 공간부(13) 선미 저면에는 로봇선(10)을 전진과 조타할 수 있도록 형성된 다수의 방향키(21)(21')및 스크류(22)(22')와;

음향측심기, 속도제어모터 및 방향제어 모터, GPS 수신부(17)의 입출력신호를 제어하는 중앙제어부(18)와;

중앙제어부(18)의 신호를 외부로 입출력할 수 있도록 PDA(19)를 구비하여 무인 원격제어할 수 있도록 로봇선(10)이 구성된 것을 특징으로 수심측량조사장치가 탑재 된 무선인터넷과 디지피에스를 이용한 원격 측정 로봇선.
제7항에 있어서,

방향키는 상단부에 위치한 횡봉(23)의 양측단부에 연결되어 힌지부(24)를 형성하고, 선미 양측의 지지대(25)(25')에 지지되며 방향제어 모터(16)와 회전 와이어로 연결되어 조타될 수 있도록 구성 한 것을 특징으로 하는 수심측량조사장치가 탑재 된 무선인터넷과 디지피에스를 이용한 원격 측정 로봇선.
제7항에 있어서,

스크류는 선미 하단 양측에 설치되어 속도제어모터(15)와 회전 와이어로 연결되어 로봇선의 속도를 조절할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 수심측량조사장치가 탑재 된 무선인터넷과 디지피에스를 이용한 원격 측정 로봇선.