KR100913724B1 - 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지무인탐사방법 - Google Patents

자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지무인탐사방법 Download PDF

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김진택
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윤동균
우종식
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류재훈
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한국농어촌공사
대우조선해양이엔알 주식회사
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Abstract

본 발명은 댐, 저수지 내용적 측량을 무인으로 수행하기 위하여 댐 또는 저수지의 지리정보파일을 기초로 하여 일정거리 단위로 항로 좌표를 생성 입력하여 탐사선에 설치된 DGPS, 소나 및 모션센서를 이용하여 효율적으로 탐사할 수 있는 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법을 제공하는데 그 목적과 효과가 있다.
본 발명은 댐 및 저수지 내용적 측량을 무인으로 수행하기 위하여 댐 및 저수지의 지리정보파일을 바탕으로 일정거리 단위로 항로의 위치좌표를 자동으로 생성 입력 저장하는 단계를 구비하며, 입력된 항로의 출발지점으로 이동하는 단계를 구비하며, 탐사선에 설치된 DGPS로 현재의 위치좌표를 실시간으로 획득하여 상기 설정된 위치좌표로 이동하면서 저수지 또는 댐의 하저면 데이터를 측정하는 단계를 구비하고, 이동 경로를 따라 탐사할 때 바람, 파도 및/또는 장애물에 의하여 항로를 설정된 각도 이상 벗어날 경우에 설정된 항로로 복귀하는 단계 및 모션센서를 채용하여 소나에서 측정한 측심데이터를 보정하는 단계를 구비하여 정확한 측심데이터를 얻는데 있다.
댐, 하저면 측량, 자율항법 알고리즘, 음향측심센서, 충돌회피, 모션센서

Description

자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지무인탐사방법{An Unmanned Probing Method for the Agriculture Using Auto-Controlling and Piloting Algorithm for Self-Control Probing}
본 발명은 농업용 댐 및 저수지 내용적 측량을 무인으로 수행하기 위하여 측정대상인 댐 또는 저수지 지형의 지리정보파일을 바탕으로 하여 일정거리 단위로 항로의 위치좌표를 생성 입력 저장하는 단계 및 수단을 구비하고, 입력된 항로의 출발지점으로 이동하는 단계 및 수단을 구비하며, 탐사선에 설치된 DGPS로 현재의 위치좌표를 실시간으로 획득하여 상기 입력 설정된 위치좌표로 이동하면서 저수지 또는 댐의 하저면의 측심데이터를 측정하는 단계 및 수단을 구비하고, 상기 입력된 위치좌표를 따라 이동하면서 하저면 측심데이터를 측정하는 단계 및 수단은 바람, 파도 및 장애물에 의하여 운항 항로를 설정치 이상 벗어날 경우에 지속적으로 주목표좌표와의 각도를 좁혀서 설정된 항로로 복귀하도록 탐사선을 제어하며, 탐사선의 중앙에 설치된 모션센서는 롤(roll), 피치(pitch) 및 방향(heading)정보를 측정하여 소나에서 측정한 측심데이터를 보정하고, 제어 항로각을 계산하여 설정된 항로로 신속하게 유도하여 신속하고 정확한 하저면 지형을 얻을 수 있는 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법을 제공하는데 있다.
종래의 무인탐사선은 육상에서 선박을 관측하면서 무선 조종하는 방식으로 사람의 시각에 의한 무인운항으로 거리에 의한 제한이 심하여 서로 필요한 정보를 교환하면서 필요한 임무를 효율적으로 수행하지 못하는 문제점이 있으며, 사람의 인위적인 조작으로 인하여 일정간격 및 폭으로 균일한 측량 데이터를 획득할 수 없는 문제점을 가지고 있다.
또 다른 종래기술은 농업용 댐, 저수지의 내용적 측량은 유인 탐사선에 음향 측심 장비를 이용하여 여러 지점을 이동하면서 수동적으로 측량함으로써, 측량 데이터의 정확성, 측량 지점간의 연관성, 측량에 소요되는 비용의 증가, 측량 시간 과다, 환경오염 및 인명사고 등의 수많은 문제점을 가지고 있었다.
또 다른 종래기술은 탐사선의 기울러짐에 대하여 정확하게 보정하는 방법이 별도로 마련되어 있지 아니하여 하저면의 측심데이터를 정확하게 얻을 수 없는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 탐사선 하부에는 농업용 댐, 저수지 내용적 측량을 위한 음향 측심 센서와 외부 돌출형 추진기를 구비하고, 전방 감시 및 충돌 회피를 위하여 탐사선의 전면에 전방 감시센서를 설치하며, 탐사선 내부에 위치한 탐사선 제어부에는 매트릭스 항로생성 알고리즘을 구비한 제어프로그램을 탑재하고, 제어프로그램에 의하여 생성된 항로의 위치좌표 정보에 따라 자율적으로 댐, 저수지 내용적 측량을 수행하여, 측정된 데이터를 메모리에 저장함과 동시에 육상 기지국에 실시간으로 측량한 수심, 위치 및 기울기 정보를 전송하여 댐, 저수지에 대한 기초 자료 확보 및 효율적인 관리를 하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 무선탐사선의 제어부에 탑재된 매트릭스 항로생성 알고리즘에는 원격 조정에 의한 탐사선의 탐사 거리 제한을 극복하고 탐사의 정확도를 높이기 위하여, 위도 및 경도가 표시되어 있는 해당 댐 및 저수지의 지리정보파일 상에 일정간격으로 매트릭스 형상으로 분할하고, 분할된 매트릭스에 기초하여 최적의 항로의 위치좌표를 생성하여 입력 저장하여 항로를 따라서 이동하면서 선박의 하부에 위치한 음향 측심 센서로 하저면의 수심 정보를 정확하게 측정하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 매트릭스 항로생성 알고리즘에 의하여 생성되어 입력 저장된 위치좌표를 따라 자율적으로 운항하여 하저면 지형을 음향측심센서로 측량하며, 탐사선 중앙에 모션센서를 부착하여 탐사선의 롤(roll) 및 피치(pitch) 각도를 이용하여 측심데이터 보정하고, 방향(heading)정보를 감지하여 항로를 제어하여 정확한 하저면 데이터를 산출 획득하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 무선탐사선의 제어부에 배터리 잔량을 주기적으로 체크하여 배터리의 전압이 설정치 이하로 떨어지면 자동으로 설정된 위치좌표로 귀환하도록 하여 견인 시에 발생하는 경비를 절감할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명 과제 해결 수단은 무인탐사선의 상부에 탐사선의 위치 정보를 획득하기 위한 DGPS 수신기와 육상기지국에 탐사데이터를 전송하고 제어용 신호를 송수신하기 위한 탐사선 원격 제어용 무선 수신기 및 데이터 통신용 RF 통신안테나가 설치되어 있으며, 탐사선 하부에는 농업용 댐, 저수지의 내용적 측량을 위한 음향 측심 센서와 외부 돌출형 추진기로 구성되어 있고, 전방 감시 및 충돌 회피를 위하여 전면에 전방 감시센서 및 초음파센서를 설치하고, 탐사선 내부에는 탐사선에 전원을 공급할 전원공급기와 두뇌라 할 수 있는 탐사선 제어부를 구비하며, 탐사선 제어부에는 매트릭스 항로생성 및 탐사 알고리즘을 구비한 제어프로그램을 탑재하고 제어프로그램에 의하여 생성된 항로의 위치좌표 정보에 따라 자율적으로 댐, 저수지 내용적 측량을 수행하여, 측정된 데이터를 메모리에 저장함과 동시에 육상 기지국에 실시간으로 탐사선의 위치정보, 수심, 배터리 전압, 모션센서에서 측정한 데이터를 전송하여 댐, 저수지에 대한 기초 자료 확보 및 효율적인 관리를 할 수 있는 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 무선탐사선의 제어부에 탑재된 매트릭스 항로생성 알고리즘에는 탐사선의 원격 조정에 의한 탐사 거리 제한을 극복하고 탐사의 정확도를 높이기 위하여, 위도 및 경도가 표시되어 있는 해당 농업용 댐 및 저수지의 지리정보파일 상에 일정간격으로 매트릭스 형태로 분할하고, 매트릭스 형태로 분할된 구간 중에서 측정 가능한 부분과 측정이 불가능한 부분으로 구분한 다음에 측정 가능한 영역에서 탐사간격을 5m내지 10m사이로 위치좌표를 입력 설정하여 최적의 항로좌표를 생성하며, 생성된 항로를 따라서 운항하면서 선박의 하부에 위치한 음향측심센서로 하저면의 수심정보를 정확하게 측정하고, 측정된 측심데이터를 바탕으로 하저면의 지형을 삼차원적으로 표시할 수 있으며, 장애물이 존재하거나 바람 및 파도에 의하여 정상적인 항로에서 설정된 범위(각도)를 벗어났을 경우에 진행 중인 주목표(main target)와 탐사선의 현재 위치와의 거리사이에 일정간격으로 부목표(sub target)를 설정하여 지속적으로 벗어난 각도를 좁혀서 설정된 항로로 복귀하도록 제어하여 정확한 측심데이터를 얻을 수 있도록 설계 제작된 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 매트릭스 항로제어 알고리즘에 의하여 설정 입력된 이동경로(위치좌표)를 따라 자율적으로 운항하여 하저면 지형을 음향측심센서로 측량하며, 탐사선 중앙에 모션센서를 부착하여 탐사선의 롤(roll, 좌우 기우러짐)에 의하여 발생된 기울기(ω)를 측정하고, 음향측심센서로 측정한 측심데이터(d)에 cosω를 곱하여 보정된 측심데이터(d')를 구하고, 탐사선의 피치(pitch, 앞뒤 기우러짐)에 의하여 발생된 기울기(θ)를 측정하고, 음향측심센서로 측정한 측심데이터(r)에 cosθ를 곱하여 보정된 측심데이터(r')를 구하며, 탐사선의 방향(heading)정보를 감지하여 항로를 제어하여 최대한 설정 저장된 항로로 이동하도록 하여 정확한 하저면 데이터를 산출할 수 있는 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 무선탐사선의 제어부에 배터리 잔량(전압)을 주기적으로 체크하여 배터리의 전압이 설정치 이하로 떨어지면 자동으로 설정 저장된 위치좌표로 귀환하도록 하여 별도의 견인함에 따른 경비를 절감할 수 있는 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 탐사선 하부에는 농업용 댐, 저수지 내용적 측량을 위한 음향 측심 센서와 외부 돌출형 추진기를 구비하고, 전방 감시 및 충돌 회피를 위하여 탐사선의 전면에 전방 감시센서를 설치하며, 탐사선 내부에 위치한 탐사선 제어부에는 매트릭스 항로생성 알고리즘을 구비한 제어프로그램을 탑재하고, 제어프로그램에 의하여 생성된 항로의 위치좌표 정보에 따라 자율적으로 댐, 저수지 내용적 측량을 수행하여, 측정된 데이터를 메모리에 저장함과 동시에 육상 기지국에 실시간으로 측량한 수심, 위치 및 기울기 정보를 전송하여 댐, 저수지에 대한 기초 자료 확보 및 효율적인 관리를 할 수 있는 작용효과가 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 무선탐사선의 제어부에 탑재된 매트릭스 항로생성 알고리즘에는 탐사선의 원격 조정에 의한 탐사 거리 제한을 극복하고 탐사의 정확도를 높이기 위하여, 위도 및 경도가 표시되어 있는 해당 댐 및 저수지의 지리정보파일 상에 일정간격으로 매트릭스 형상으로 분할하고, 분할된 매트릭스에 기초하여 최적의 항로를 생성하여 위치좌표를 입력 저장하여 선박의 하부에 위치한 음향 측심 센서로 하저면의 수심 정보를 정확하게 측정하는데 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 매트릭스 항로생성 알고리즘에 의하여 생성하여 입력 저장된 항로의 위치좌표를 따라 자율적으로 운항하여 하저면 지형을 음향측심센서로 측량하며, 탐사선 중심에 모션센서를 부착하여 탐사선의 롤(roll) 및 피치(pitch)를 이용하여 측심데이터 보정하고, 방향(heading)정보를 감지하여 항로를 제어하여 정확한 하저면 데이터를 산출 획득하는데 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 무선탐사선의 제어부에 배터리 잔량을 주기적으로 체크하여 배터리의 전압이 설정치 이하로 떨어지면 자동으로 설정된 위치좌표로 귀환하도록 하여 별도의 견인에 의하여 발생하는 경비를 절감할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다. 본 발명은 무인탐사선의 상부에 탐사선의 위치 정보를 획득하기 위한 DGPS 수신기와 육상기지국에 탐사데이터를 전송하고 제어용 신호를 송수신하기 위한 탐사선 원격 제어용 무선 수신기 및 데이터 통신용 RF 통신안테나가 설치되어 있으며, 탐사선 하부에는 댐, 저수지 내용적 측량을 위한 음향 측심 센서와 외부 돌출형 추진기로 설치되어 있고, 전방 감시 및 충돌 회피를 위하여 전면에 전방 감시센서 및 초음파센서가 설치되어 있으며, 탐사선 내부에는 탐사선에 전원을 공급할 전원공급기와 두뇌라 할 수 있는 탐사선 제어부를 구비하고, 탐사선 제어부에는 매트릭스 항로생성 및 항로제어 알고리즘을 구비한 제어프로그램을 탑재하고 제어프로그램에 의하여 생성된 항로의 위치좌표 정보에 따라 자율적으로 댐, 저수지 내용적 측량을 수행하여, 측정된 데이터를 메모리에 저장함과 동시에 육상 기지국에 실시간으로 측량한 탐사선의 위치정보, 수심, 배터리 전압, 모션센서에서 측정한 데이터를 전송하여 댐, 저수지에 대한 기초 자료 확보 및 효율적인 관리를 할 수 있는 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법을 제공하는데 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나 이상의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
본 발명을 용이하게 이해하게 하는 도면에 대하여 살펴본다. 도1은 본 발명에 따른 자율항법 무인탐사선의 전체적인 개략도를 도시한 것이며, 도2는 본 발명에 따른 매트릭스 항로생성 알고리즘에 의한 항로생성의 두 가지 예를 도시한 것이다. 도3은 본 발명에 따른 매트릭스 항로생성 알고리즘 적용 예를 도시한 것이며, 도4는 본 발명에 따른 매트릭스 항로생성 알고리즘의 적용하여 탐사하는 구체적인 방법을 도시한 것이다. 도5는 본 발명에 따른 모션센서를 이용한 측심데이터의 보정 예를 도시한 것이며, 도6은 본 발명에 따른 모션센서를 이용한 제어 항로각을 연산하는 방법을 도시한 것이다. 도7은 본 발명에 따른 전체 장치의 개략적인 구성도를 도시한 것이며, 도8은 경기도 안성에 위치한 미산 저수지에서 본 발명에 따라 설계 제작된 무인탐사선으로 자율탐사를 수행하면서 무인탐사선의 제어부의 모니터에 표시된 화면을 캡쳐한 것이다. 도9는 본 발명에 따른 자율항법 알고리즘의 측심 데이터를 바탕으로 입체적으로 나타낸 하나의 예이며, 도10은 본 발명에 따른 자율항법 알고리즘의 측심 데이터를 바탕으로 색상을 이용하여 입체적으로 나타낸 또 다른 하나의 예이다. 본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 살펴본다.
[실시 예]
본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다. 본 발명의 매트릭스 항로생성 알고리즘이 탑재된 무인탐사선(11)의 수상부에는 탐사선의 현재 위치를 실시간으로 측정하기 위한 디지피에스(DGPS) 수신기(17), 탐사선 원격조정용 무선 수신안테나(15) 및 육상 기지국과 통신을 위한 RF 통신안테나(12)가 설치되고, 탐사선 원거리 식별을 위한 점멸램프(14) 및 보트 전원 On/Off 스위치 박스(23)가 설치되어 있다. 또한 배터리 충전을 용이하게 하기 위한 원형 캡과 유지 보수 및 정비를 용이하게 하기 위한 공간 형성을 위하여 사각 캡으로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 매트릭스 항로생성 알고리즘이 탑재된 무인탐사선(11)의 수 중부에는 탐사선 전방의 수중 구조물을 탐지하여 회피하기 위하여 전방 감시센서(18)가 설치되며, 댐, 저수지 수심을 측량할 수 있는 음향측심센서(19) 및 탐사선을 목표 지점으로 이동시키기 위하여 두 개의 추진기(22)가 평행되게 설치되어 있다.
탐사선 내부에는 탐사에 필요한 전원을 공급하기 위한 전원 공급기(20)와 매트릭스 항로생성 및 탐사 알고리즘이 탑재된 무인탐사선 제어부가 위치하고 있다. 매트릭스 항로생성 및 탐사 알고리즘이 탑재된 무인탐사선 제어부는 무인탐사선의 두뇌 역할을 수행하는 산업용 컴퓨터 및 제어프로그램이 저장된 메모리, 음향측심센서(19)와 연동하는 제어 프로그램, 탐사선의 자세를 감지하는 모션센서, 측량 데이터를 저장하는 메모리 또는 데이터베이스, 무선송수신기, 무선통신용 모뎀 및 배터리의 현재 상태를 관측하는 모니터링 보드 등을 구비하고 있다.
본 발명에 설계 제작된 자율항법을 위한 메트릭스 항로생성알고리즘은 농업용 댐 및 저수지의 지리정보 파일을 바탕으로 메트릭스 항로생성 알고리즘을 사용하여 농업용 댐 및 저수지의 지리정보 파일 상에서 정확한 위치좌표를 생성하기 위하여 일정간격으로 매트릭스 형상으로 분할하는 단계와 수단을 구비하고, 저수지의 가장자리를 경계로 수심측정이 가능한 영역과 불가능한 영역으로 구분하여 수심 측정이 가능한 분할된 매트릭스 상에서 5m내지 10m 간격으로 무인탐사선의 항로의 위치좌표를 생성 설정하여 메모리에 저장하는 단계 및 수단을 구비하고 있다.
상기 메트릭스 항로 생성 알고리즘은 전체 저수지 및 댐의 지리정보파일 상의 5m내지 10m 간격으로 메트릭스 형상으로 분할하고 저수지의 가장자리를 경계로 수심측정이 가능한 영역과 불가능한 영역으로 구분하여 항로를 생성 결정하되, 농업용 댐 및 저수지의 형상 및 탐사 위치에 따라 도2의 (a) 또는 도2의 (b) 형상으로 항로를 생성시켜 탐색할 수 있다.
도2의 (a)는 댐 및 저수지의 지리정보 파일을 바탕으로 메트릭스 항로생성 알고리즘(metrix way-point generation algorithm)을 사용하여 댐 및 저수지의 지리정보 파일 상에 5m내지 10m 간격으로 매트릭스 형상으로 분할하고, 분할된 매트릭스에서 저수지의 가장자리를 경계로 수심측정이 가능한 영역(도3의 survey region)과 불가능한 영역(도3의 non-survey region)으로 나누어 수심 측정이 가능한 매트릭스 상에서 5m내지 10m 간격으로 무인탐사선의 항로를 생성하여 생성된 위치좌표를 메모리에 저장하는 방법이고, 도2의 (b)는 가장자리로부터 중앙으로 일정간격으로 좁혀 가면서 항로를 5m내지 10m 간격으로 자동으로 항로의 위치좌표를 생성하고, 생성된 위치좌표를 메모리에 설정 저장하는 방법이다.
도3에서 도시된 바와 같이 수심측정이 불가능한 매트릭스 영역은 육지, 저수지의 가장자리에 육지와의 경계선이 포함되는 영역, 장애물이 존재하는 영역 또는 수심이 낮은 영역 등이 포함되며, 수심측정이 가능한 영역은 수심측정이 불가능한 영역의 내부에 위치하는 매트릭스 영역이 포함된다.
무인탐사선의 자율운항을 위하여 5m내지 10m 간격으로 자동으로 생성되는 항로의 위치좌표는 무선탐사선이 항로를 변경하는 위치좌표로 회전각도를 90°, 180°, 270° 및 임의의 각도 중에서 어느 각도로 회전할 것인지는 이동하는 항로상의 목표점에 의하여 결정되도록 구성되고, 각각의 위치좌표사이의 이동은 직선으로 이 동하도록 구성되어 있다.
본 발명에 따라 설계 제작된 메트릭스 항로 생성 알고리즘은 도3에서와 같이 댐 또는 저수지의 지리정보파일로부터 읽은 댐 또는 저수지의 전체 지형을 5m내지 10m 간격으로 수많은 매트릭스 형상으로 영역을 분할하는 단계 및 수단을 구비하고, 수많은 영역으로 분할된 매트릭스 중에서 수심측정이 가능한 영역과 불가능한 영역으로 구분하는 단계 및 수단을 구비하며, 수심 측정이 가능한 매트릭스 영역에서 5m내지 10m 간격으로 도2의 (a) 또는 (b) 형상으로 탐사영역 전체에 대하여 무인탐사선의 최적 항로의 위치좌표를 생성 입력 저장하는 단계 및 수단을 구비하고 있다.
저수지 또는 댐의 내부에 장애물이 존재할 경우에는 저수지 및 댐의 지리정보 파일 상의 매트릭스 형상으로 분할된 영역에서 수심측정 불가능 영역에 포함시켜 항로를 생성하거나 수심측정 가능 영역에 포함시켜서 항로를 생성하여 탐사를 수행할 경우에는 탐사선 전방의 수상 장애물을 탐지하는 전방 감시센서(18)에 의하여 탐사 시에 자동으로 장애물을 회피하여 항로를 변경하여 수심을 측정하도록 구성되어 있다.
다음은 본 발명에 따라 설계 제작된 자율운항 탐사 알고리즘에 대하여 살펴본다. 본 발명에 따라 설계 제작된 자율운항 탐사 알고리즘은 수상에서 생기는 예측 불가능한 환경(바람 세기의 변화, 수상 물결의 높이, 임의 장애물)에 적응하여 최대한 정확한 측심데이터를 획득할 수 있도록 구성되어 있다.
본 발명에 따라 설계 제작된 자율운항 탐사 알고리즘은 생성된 항로에서 방 향성이 변하는 위치좌표(Point)를 목표좌표(Way-point, Target)로 선정하여 자율적으로 제어되며, 보다 정확한 정보를 얻기 위하여 도4에 도시된 Way-point를 주목표(Main Target)로 항해하고, 장애물, 바람 및 파도 등에 의하여 항로가 설정된 범위(각도) 이상으로 이탈할 경우에 용이하게 설정된 항로로 복귀할 수 있도록 현재 위치와 주목표(Main Target)사이에 일정거리로 다수개의 부목표(Sub Target)를 설정하여 설정된 항로로 복귀 이동하도록 제어할 수 있도록 구성되어 있다.
도4를 통해서 구체적으로 살펴본다. 도4에서와 같이 무인탐사선이 장애물, 바람 및 파도 등에 의하여 항로를 이탈할 경우를 대비하여 무인탐사선의 현재 위치와 주목표(Main Target)와의 각도(φ)를 실시간으로 계산하여 메모리에 설정된 설정 값(각도(φ))보다 클 경우에 과거의 주목표좌표와 현재의 주목표좌표사이에 하나 이상의 부목표좌표(Sub Target)를 설정하고 최대한 신속하게 설정된 부목표로 이동하여 설정된 항로로 진입하여 탐사가 이루어지도록 구성되어 있다. 상기 메모리에 설정 저장된 설정 값(φ)은 측정된 측심데이터가 인접항로에서 측정한 측심데이터와 중복될 정도로 벗어나지 않도록 주목표좌표와의 거리 및 탐사를 위한 항로의 폭에 따라 다르게 설정될 수 있다.
도4에서와 같이 이전 주목표좌표에서 현재의 주목표좌표(Main Target)로 이동하면서 음향측심센서로 일정간격으로 측심데이터를 획득하되, 이동하면서 무인탐사선이 장애물, 바람 및 파도 등에 의하여 설정된 범위(각도) 이상으로 항로를 이탈할 경우에 현재의 주목표좌표(Main Target)와 탐사선의 각도를 실시간으로 계산하여 부목표(Sub Target)를 선정하고 지속적으로 각도를 좁혀 나가면서 최대한 신속하게 설정된 항로로 진입하여 정확한 탐사가 이루어지도록 구성된 자율운항 탐사 알고리즘이다.
본 발명에 따라 설계 제작된 자율운항 탐사 알고리즘을 효율적으로 적용될 수 있도록 구성하기 위하여 선체 자세 정보(Roll, Pitch) 및 방향(Heading) 정보를 정확하게 감지하기 위하여 모션센서가 무인탐사선의 중앙에 고정 설치되며, DGPS에서 측정한 현재 무인탐사선의 위치(위도, 경도)를 실시간으로 갱신하면서 무인탐사선의 방향정보와 연동시켜 주목표(Main Target)를 향해서 항해하도록 두 개의 추진기(22)에 전달하여 원하는 방향으로 이동하면서 탐사가 이루어지도록 구성되어 있다.
무인탐사선의 중앙에 고정 설치된 모션센서에서 감지한 자세정보인 롤(Roll)과 피치(Pitch)는 도5에서와 같이 선체의 흔들림에 대한 자세제어 및 측심 데이터를 보정하는데 사용된다. 보다 구체적으로, 도5에서와 같이 모션센서에서 감지한 자세정보인 롤(Roll)의 각도(ω)와 피치(Pitch)의 각도(θ) 데이터가 메모리에 설정된 설정 값보다 크게 되면 음향 측심센서에서 측정한 측심데이터를 보정하게 되며, 보정을 위한 수식은 도5에서 도시된 바와 같이 롤(Roll)의 각도(ω)에 의한 보정 측심데이터는 수식(1)과 같고, 피치(Pitch)의 각도(θ)에 의한 보정 측심데이터는 수식(2)과 같다.
보정 측심데이터(d') = 보정전 측심데이터(d) * cosω (1)
보정 측심데이터(r') = 보정전 측심데이터(r) * cosθ (2)
에 의하여 보정된 측심 데이터를 연산한다. 상기 설정되는 값은 수심을 고려하여 설정할 수 있도록 구성되어 있다.
상기 모션센서에서 감지한 롤(Roll) 및 피치(Pitch)의 각도 모두가 설정된 각도범위를 벗어날 경우에는 롤(Roll)에 의하여 발생된 각도(ω)로 측심데이터를 보정한 후 다시 피치(Pitch)에 의하여 발생한 각도(θ)로 보정을 수행하여 측심데이터를 보정하거나, 피치(Pitch)에 의하여 발생한 각도(θ)로 보정을 수행한 후 롤(Roll)에 의하여 발생된 각도(ω)로 보정하여 측심데이터를 보정할 수 있다.
상기 모션센서에서 감지한 롤(Roll) 각도 및 피치(Pitch) 각도를 이용한 보정에서 설정된 각도범위는 측정대상 저수지의 전체적인 수심을 고려하여 측정된 측심데이터를 보정하지 않을 경우에 인접한 앞뒤좌우에서 측정된 측심데이터의 위치와 중복되거나 그 이상으로 벗어나지 않는 범위에서 결정하는 것이 바람직하며, 무인탐사선의 운영자가 일방적으로 입력 설정할 수도 있다.
본 발명에 따라 설계 제작된 자율운항 탐사 알고리즘 중에서 항로각 제어에 대하여 도6을 바탕으로 살펴본다. 도6은 무인탐사선이 하나의 주목표좌표에서 다른 하나의 주목표좌표로 이동할 때 무인탐사선의 현재 위치좌표가 주목표좌표와 대비하여 동서(X 축)와 남북(Y 좌표)을 기준으로 φ(│arctan(△Y/△X)│* 180/π)각도를 이루고 있는 경우이며, 무인탐사선의 중앙에 위치한 모션센서의 Heading 데이터(각도)와 DGPS의 위도 및 경도 데이터를 이용하여 현재 항로각(Current degree, φ c ), Target 항로각(Target degree, φ o ) 및 제어 항로각(Control degree, φ t )을 계산한다. 도6에서 무인탐사선의 제어를 위한 제어 항로각(φ t )을 살펴보면, 제어 항로각(φ t )의 계산식은 식(2)과 같다.
φ = │arctan(△Y/△X)│× 180/π
if △X >0, △Y>0 then φ o = 90 - φ
if △X >0, △Y<0 then φ o = 90 + φ
if △X <0, △Y>0 then φ o = -(90 - φ)
│ if △X <0, △Y<0 then φ o = -(90 - φ)
φ t = φ o - φ c (2)
where, △X = X t - X c
△Y = Y t - Y c
상기 계산된 제어 항로각(φ t )과 DGPS에 의한 Way-point 거리 정보를 바탕으로 자율운항 탐사 알고리즘은 추진기에 출력값(PWM Value)을 비례적으로 방향을 제어하여 주목표좌표에 도달하도록 구성되어 있다.
도7은 산업용 컴퓨터에 입력되어 있는 임의의 저수지에 대한 지리정보 파일을 바탕으로 본 발명에 따라 설계 제작된 매트릭스 항로생성 알고리즘을 적용하여 일정간격으로 무인탐사선의 자율운항을 위한 위치좌표를 순차적으로 생성하고, 생성된 위치좌표를 따라서 일정간격으로 이동하면서 음향측심센서(초음파센서)를 이용하여 저수지 하저면의 수심을 일정간격으로 측정하는 것을 도시한 것이며, 도7의 우측상부에 표시된 그림은 무인탐사선을 제어하면서 측심데이터를 획득할 때 모니터 상에 나타난 화면을 캡쳐하여 나타낸 것이다.
도8은 경기도 안성에 위치한 미산 저수지에서 본 발명에 따라 설계 제작된 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘으로 자율탐사를 수행하면서 무인탐사선의 제어부의 모니터에 표시된 화면을 캡쳐한 것이다. 도8의 좌측 저수지에서 흰색 선으로 도시된 항로는 무인탐사선이 본 발명에 따라 설계 제작된 매트릭스 항로생성 알고리즘에 의하여 항로를 생성시켜 설정 저장된 항로를 따라서 자율항해를 하면서 음향측심센서(소나)로 저수지의 측심 데이터를 획득하는 실험을 수행하는 과정을 도시한 것으로 바람 또는 파도에 의하여 무인탐사선이 항로를 벗어나는 경우에도 항로제어 알고리즘에 의하여 설정된 항로로 복귀하여 자율적으로 제어 운행됨을 흰 곡선 부분을 통해서 알 수 있으며, 우측화면에는 무인탐사선의 운항모도, GPS좌표, 모션센서에서 획득한 헤딩방향각, 롤(좌우 기우러짐), 피치(앞뒤 기우러짐)의 데이터, 음향측심센서(소나)가 측정한 측심데이터, 측정횟수 및 배터리의 전압 등이 표시되어 운행자가 필요한 데이터 및 항로를 확인하여 정상적으로 탐사가 이루어지고 있는지를 확인할 수 있다.
도9와 도10은 본 발명에 따라 설계 제작된 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법을 탑재하고 항로를 따라서 이동하면서 획득한 측심데이터를 바탕으로 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용하여 수심이 깊은 곳은 낮게 수심이 얕은 곳은 높게 도시하거나 색상을 이용하여 입체적으로 하저면 지형을 나타낸 것이며, 도9 및 도10에 표시된 수치 및 색상은 음향측심센서(소나)에서 측정한 수심을 나타낸 것이며, 상기 측심데이터는 필요에 따라 소나 또는 운항속도를 제어하여 조밀하게 또는 조밀하지 않게 획득할 수 있다.
본 발명에 따른 농업용 댐 또는 저수지의 하저면의 지형을 탐사하는 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법을 요약하면, 댐 또는 저수지의 지리정보파일로부터 댐 또는 저수지의 전체 지형을 일정간격의 매트릭스 형상으로 영역을 분할하는 단계를 거쳐서, 분할된 매트릭스 영역 중에서 수심측정이 가능한 영역과 불가능한 영역으로 구분하는 단계를 거치고, 수심 측정이 가능한 매트릭스 영역에서 무인탐사선의 항로의 위치좌표를 생성하는 단계를 거치며, 자율운항 탐사 시에 무인탐사선에 설치된 DGPS에서 얻은 위치좌표와 상기 생성된 항로의 위치좌표를 실시간으로 비교하면서 설정된 항로의 위치좌표로 이동하면서 저수지 또는 댐의 수심을 측정하는 단계를 거치고, 무인탐사선이 항로 이동하면서 수심을 측정할 때 장애물, 바람 또는 파도에 의하여 무인탐사선이 설정된 범위 이상으로 항로를 이탈할 경우에 현재의 주목표좌표와 무인탐사선의 각도를 실시간으로 계산하여 부목표를 선정하고 지속적으로 각도를 좁혀서 설정된 항로로 복귀하도록 제어하는 단계로 이루어진다. 상기 저수지 또는 댐의 수심을 측정하는 단계는 무인탐사선의 중앙에 설치된 모션센서로 감지한 자세정보 중에서 롤 각도(ω)와 피치 각도(θ)를 측정하고 측정된 롤 각도(ω)와 피치 각도(θ) 데이터가 메모리에 설정 저장된 설정 값보다 크면 음향 측심센서에서 측정한 측심데이터를 보정하며, 보정 데이터는 음향 측심센서에서 측정한 측심데이터에 cosω 또는 cosθ 를 곱하여 연산하여 보정하고, 모션센서에서 측정된 롤 각도(ω)와 피치 각도(θ) 모두 설정 값보다 클 경우에 롤 각도(ω)와 피치 각도(θ)를 이용하여 각각에 대하여 측심데이터를 보정하는 단계이다. 또한 본 발명은 앞서 기술한 내용 중에서 필요한 단계를 포함시켜 구성할 수 있다.
본 발명은 무인탐사선의 상부에 탐사선의 위치 정보를 획득하기 위한 DGPS 수신기와 육상기지국에 탐사데이터를 전송하고 제어용 신호를 송수신하기 위한 탐사선 원격 제어용 무선 수신기 및 데이터 통신용 RF 통신안테나가 설치되어 있으며, 탐사선 하부에는 댐, 저수지 내용적 측량을 위한 음향 측심 센서와 외부 돌출형 추진기로 구성되어 있고, 또한 전방 감시 및 충돌 회피를 위하여 전면에 전방 감시센서 및 초음파센서를 설치하고, 탐사선 내부에는 탐사선에 전원을 공급할 전원공급기와 두뇌라 할 수 있는 탐사선 제어부를 구비하며, 탐사선 제어부에는 매트릭스 항로생성 및 항로제어 알고리즘을 구비한 제어프로그램을 탑재하고 제어프로그램에 의하여 생성된 항로 정보에 따라 자율적으로 댐, 저수지 내용적 측량을 수행할 수 있는 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법을 제공함으로써 측정된 댐, 저수지의 하저면 지형에 대한 기초 자료 확보 및 효율적인 관리를 할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.
도1 : 본 발명에 따른 자율항법 무인탐사선의 전체적인 개략도
도2 : 본 발명에 따른 매트릭스 항로생성 알고리즘에 의한 항로생성의 두 가지 예
도3 : 본 발명에 따른 매트릭스 항로생성 알고리즘 적용 예
도4 : 본 발명에 따른 매트릭스 항로생성 알고리즘
도5 : 본 발명에 따른 모션센서를 이용한 측심데이터의 보정 예
도6 : 본 발명에 따른 모션센서를 이용한 제어항로 각 연산
도7 : 본 발명에 따른 전체 장치의 개략적인 구성도
도8 : 본 발명에 따른 무인탐사선의 제어부에 표시된 데이터
도9 : 본 발명에 따른 자율항법 알고리즘의 측심 분석 데이터 1
도10 : 본 발명에 따른 자율항법 알고리즘의 측심 분석 데이터 2
<도면부호의 간단한 설명>
11; 자율항법 무인탐사선 12; RF 통신안테나
13; 정비용 사각 캡 14; 점멸램프
15; 무선 수신안테나 16; 배터리 교환용 원형 캡
17; DGPS 수신기 18; 전방 감시센서
19; 음향측심센서 20; 전원공급기
21: 제어부 방열하우징박스 22; 외부 돌출형 추진기
23: 스위치 박스

Claims (6)

  1. 댐 또는 저수지의 하저면의 지형을 탐사하는 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법에 있어서,
    댐 또는 저수지의 지리정보파일로부터 댐 또는 저수지의 전체 지형을 일정간격의 매트릭스 형상으로 영역을 분할하는 단계;
    분할된 매트릭스 영역 중에서 수심측정이 가능한 영역과 불가능한 영역으로 구분하는 단계;
    수심 측정이 가능한 매트릭스 영역에서 무인탐사선의 항로의 위치좌표를 생성하는 단계;
    자율운항 탐사 시에 무인탐사선에 설치된 DGPS에서 얻은 위치좌표와 상기 생성된 항로의 위치좌표를 실시간으로 비교하면서 설정된 항로의 위치좌표로 이동하면서 저수지 또는 댐의 수심을 측정하는 단계; 및
    무인탐사선이 생성된 항로로 이동하면서 수심을 측정할 때 장애물, 바람 또는 파도에 의하여 무인탐사선이 설정된 범위 이상으로 항로를 이탈할 경우에 현재의 주목표좌표와 무인탐사선의 각도를 실시간으로 계산하여 부목표를 선정하고 지속적으로 각도를 좁혀서 설정된 항로로 복귀하도록 제어하는 단계를 포함한 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법.
  2. 청구항1에 있어서,
    상기 저수지 또는 댐의 수심을 측정하는 단계는 무인탐사선의 중앙에 설치된 모션센서로 감지한 자세정보 중에서 롤 각도(ω)와 피치 각도(θ)를 측정하고, 측정된 롤 각도(ω)와 피치 각도(θ)의 데이터가 메모리에 설정 저장된 값보다 크면 음향 측심센서에서 측정한 측심데이터를 보정하되, 롤 각도(ω)를 이용한 보정 측심데이터(d')는 음향 측심센서에서 측정한 측심데이터에 cosω 을 곱하여 연산하여 보정하고, 피치 각도(θ)를 이용한 보정 측심데이터(r')는 음향 측심센서에서 측정한 측심데이터에 cosθ 을 곱하여 연산하여 보정하며,
    모션센서에서 측정된 롤 각도(ω)와 피치 각도(θ) 모두 메모리에 설정 저장된 값보다 클 경우에는 롤 각도(ω)를 이용하여 보정 측심데이터를 구한 후 피치 각도(θ)이용하여 한 번 더 보정하여 보정 측심데이터를 연산하거나 피치 각도(θ)이용하여 보정 측심데이터를 구한 후 롤 각도(ω)를 이용하여 한 번 더 보정하여 보정 측심데이터를 연산하는 단계를 더 부가함을 특징으로 하는 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법.
    (보정 측심데이터(d') = 보정전 측심데이터(d) * cosω)
    (보정 측심데이터(r') = 보정전 측심데이터(r) * cosθ)
  3. 청구항1 또는 청구항2에 있어서,
    상기 설정된 항로로 복귀하도록 제어하는 단계는 무인탐사선의 위치좌표가 주목표좌표와 대비하여 동서와 남북을 기준으로 φ 각도를 이루고 있을 경우에 무인탐사선의 중앙에 위치한 모션센서의 헤딩 각도와 DGPS에 얻은 위도 및 경도 데이터를 이용하여 현재 항로각(φc ), 목표좌표의 항로각(φo ) 및 제어 항로각(φt )을 계산하고, 제어 항로각(φt )은 목표좌표의 항로각(φo )에서 현재 항로각(φc )을 빼서 연산하며, 연산된 제어 항로각(φt )으로 무인탐사선을 이동시켜 목표좌표에 복귀할 수 있도록 제어함을 특징으로 하는 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법.
    {φ = │arctan(△Y/△X)│× 180/π}
  4. 청구항1에 있어서,
    상기 무인탐사선의 항로의 위치좌표를 생성하는 단계에서는 수심측정이 불가능한 영역은 저수지의 가장자리에 육지와 경계선이 포함되는 영역 또는 수심이 낮은 매트릭스 영역이 포함되며, 수심측정이 가능한 영역은 수심측정이 불가능한 영역의 내부에 위치하는 매트릭스 영역으로 한정하여 무인탐사선의 항로의 위치좌표를 생성함을 특징으로 하는 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법.
  5. 청구항1에 있어서,
    상기 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘은 무인탐사선이 항로를 따라서 이동하면서 획득한 측심데이터를 바탕으로 수심이 깊은 곳은 낮게 수심이 얕은 곳은 높게 도시하여 하저면 지형을 입체적으로 도시하거나 색상을 이용하여 입체적으로 도시하는 단계를 더 구비함을 특징으로 하는 자율탐사를 위한 항로생성 및 탐사 알고리즘을 이용한 농업용 댐 및 저수지 내용적 무인탐사방법.
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