KR101177839B1 - 수중로봇 위치 측정 시스템 및 그 방법 및 시스템 - Google Patents

수중로봇 위치 측정 시스템 및 그 방법 및 시스템 Download PDF

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조기수
이재용
허종행
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Abstract

수중로봇 위치 측정 시스템 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇 위치 측정 시스템은, DGPS(Differential Global Positioning System)를 통해 위치를 측정하는 모선, 상기 모선과 이격된 위치에서 자선(自船)의 위치를 측정하고, 상기 모선으로부터 수신되는 모선의 위치정보와 자선의 위치정보를 비교하여 상기 모선에 대한 제1 상대적 위치정보를 획득하는 예인선, 상기 모선의 선저에서 이동 작업하며 상기 예인선과 음향 신호를 주고받아 획득되는 상기 예인선과의 거리정보를 상기 예인선으로 전달하는 수중로봇을 포함하되, 상기 예인선은 수중로봇으로부터 상기 거리정보를 받아 상기 수중로봇에 대한 제2 상대적 위치정보를 획득하고, 상기 제1 상대적 위치정보 및 제2 상대적 위치정보를 바탕으로 상기 모선으로부터 수중로봇의 제3 상대적 위치정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.

Description

수중로봇 위치 측정 시스템 및 그 방법 및 시스템{SYSTEM AND METHOD FOR UNDERWATER ROBOT GLOBAL POSITIONING}
본 발명은 수중로봇 위치 측정 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 선박의 저면에는 수중 생물이나 물이끼와 같은 부착물이 부착될 수 있으며, 이러한 부착물을 제거하지 않으면 선박의 속도를 저하시켜 연료소모량이 증가되는 문제가 있다. 또한, 선저의 유지보수 및 손상상태를 검사하기 위해서는 주기적으로 선저면에 대한 검사가 요구된다.
종래에는 선저 청소 및 검사를 위해 잠수부가 투입되어 직접 작업을 수행하였으나, 수중에서 이루어지는 작업환경이 열악하여 원격제어가 가능한 수중로봇을 이용하는 방안이 마련되었다. 이 때, 수중로봇이 수중에서 선박검사를 수행하기 위해서는 선박을 기준으로 하는 수중 위치 인식 시스템이 필요하다.
한편, 대표적인 수중 위치 인식 시스템(Underwater acoustic positioning system)은 LBL(Long baseline), SBL(Short baseline) 및 USBL(Ultra short baseline)등과 같은 시스템이 사용된다.
한편, 도 1은 종래의 LBL을 이용한 수중 위치 인식 시스템을 나타낸 개념도이다.
첨부된 도 1을 참조하면, LBL을 이용한 수중 위치 인식 시스템은 통상적으로 수중로봇에 하나의 송수신부(Transceiver)를 설치하고, 해저면(Sea floor)에 4대의 발신부(Transponder)를 설치하여 송수신부와 발신부간의 초음파 신호를 주고받아서 수중로봇의 위치를 측정한다. 그러나, LBL을 이용한 위치 인식 시스템은 작업영역 부근 해저면에 사전에 발신부를 설치 및 회수해야 하므로 현실성이 떨어지며, 작업영역이 제한적일 뿐 아니라 설치비용이 고가인 단점이 있다.
한편, 도 2는 종래의 USBL을 이용한 수중 위치 인식 시스템을 나타낸 개념도이다.
첨부된 도 2를 참조하면, USBL 및 SBL을 이용한 수중 위치 인식시스템은 LBL과는 반대되는 개념으로 선체에서 줄에 매달린 발신부(Transponder)를 물속으로 내려 발신부가 선체 아래에 근접해 있고, 수중로봇에 설치된 송수신부와 초음파 신호를 주고받아서 위치를 측정할 수 있다. 즉, 수중 검사 시마다 선체에서 발신부를 내려 배치(Deployment)할 수 있어서 비교적 운용이 용이하며, 그러한 이유로 수중로봇 용도로는 USBL 방식이 사용되고 있다.
그러나, USBL 등은 수중로봇의 탐식 영역이 선박 외부에 국한될 때는 문제가 되지 않지만, 수중로봇이 선박에 부착 또는 근접하여 작업할 때는 LOS(Lin of sight)이 확보되는 않는 문제가 있다. 예컨대, 도 2와 같이 USBL의 발신부(Transponder)가 선체 중앙에 위치할 때, 선박의 선수 또는 선미 지역은 구조물이 복잡하여 음파가 도달하지 못하는 사각지가 발생되어 수중로봇의 위치를 측정하지 못하는 문제가 있다.
본 발명의 실시 예는 대형 선박의 선저면 에서 이동 작업을 수행하는 수중로봇의 위치를 측정하는 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수중로봇 위치 측정 시스템은,
DGPS(Differential Global Positioning System)를 통해 위치를 측정하는 모선; 상기 모선과 이격된 위치에서 자선(自船)의 위치를 측정하고, 상기 모선으로부터 수신되는 모선의 위치정보와 자선의 위치정보를 비교하여 상기 모선에 대한 제1 상대적 위치정보를 획득하는 예인선; 상기 모선의 선저에서 이동 작업하며 상기 예인선과 음향 신호를 주고받아 획득되는 상기 예인선과의 거리정보를 상기 예인선으로 전달하는 수중로봇을 포함하되, 상기 예인선은 수중로봇으로부터 상기 거리정보를 받아 상기 수중로봇에 대한 제2 상대적 위치정보를 획득하고, 상기 제1 상대적 위치정보 및 제2 상대적 위치정보를 바탕으로 상기 모선으로부터 수중로봇의 제3 상대적 위치정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 상대적 위치정보 내지 제3 상대적 위치정보는, 각각 두 지점간의 위치좌표, 거리, 방향, 각도 중 적어도 하나의 정보를 포함하는 3차원 위치정보인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 예인선은, 상기 자선의 위치를 측정하는 DGPS부; 상기 모선과 무선통신을 수행하여 상기 모선의 위치정보를 수신하는 예인선 통신부; 상기 수중로봇에서 방사되는 상기 음향신호를 수신하고, 그에 상응하는 응답 신호를 전송하는 복수의 USBL(Ultra short baseline) 발신모듈; 상기 수중로봇 전원 및 통신을 연결하기 위한 케이블의 단부와 연결되는 제1 케이블 연결부; 상기 수중로봇의 운용 동작을 원격 제어하는 위한 로봇 제어기; 상기 수중로봇에서 촬영되는 영상정보를 수신하여 표시하는 표시부; 및 상기 제1 상대적 위치정보와 제2 상대적 위치정보에 기초한 삼각 측정 기법을 이용하여 상기 모선으로부터 상기 수중로봇에 대한 제3 상대적 위치정보를 산출하는 상위 제어부 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 로봇 제어기는, 상기 수중로봇의 위치추적정보 및 동작상태정보를 표시하는 상태표시모듈; 및 상기 수중로봇의 작동상태를 원격으로 제어하는 조작모듈 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 상태표시모듈은, 상기 모선의 위치정보, 방향정보 및 크기정보 중 적어도 하나의 정보를 바탕으로 가상 모선을 표시하고, 상기 가상 모선에 상기 제3 상대적 위치정보에 따른 상기 수중로봇의 위치를 표시할 수 있다.
또한, 상기 상태표시모듈은, 상기 수중로봇의 이동에 따른 상기 케이블 길이정보와 상기 예인선과 수중로봇과의 거리정보를 비교하여 상기 예인선의 이동방향을 표시할 수 있다.
또한, 상기 수중로봇은, 상기 복수의 USBL 발신모듈로 상기 음향신호를 송신하고 수신되는 상기 응답신호의 시간차이를 이용하여 상기 예인선으로부터의 거리정보를 계산하는 USBL 송수신부; 상기 예인선과 연결되는 케이블의 타단부에 연결되는 제2 케이블 연결부; 적어도 하나의 카메라 모듈을 통해 촬영된 비디오 영상을 상기 예인선으로 전송하는 검사부; 상기 수중로봇의 속도, 방향, 수심, 장애물 인식 중 적어도 하나를 체크하는 센서부; 유영 및 자세제어를 위한 추력을 발생하는 적어도 하나의 추진기와 선저에서의 주행을 위한 주행수단을 포함하는 구동부; 및 상기 상위 제어부로부터 전달되는 제어명령을 통해 상기 수중로봇의 동작을 제어하는 하위 제어부 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 하위 제어부는, 상기 상위 제어부에서 거리정보 요청을 수신하면 상기 송수신부를 통해 계산되는 상기 예인선으로부터의 거리정보를 응답 전송할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 수중로봇의 동작을 제어하는 예인선이 모선의 선저에서 작업하는 수중로봇의 위치를 측정하는 방법은,
a) 상기 모선으로부터 DGPS를 통해 측정된 모선의 위치정보를 수신하는 단계; b) 상기 모선과 이격된 위치에서 자선(自船)의 위치를 측정하고, 상기 모선의 위치정보와 자선의 위치정보를 비교하여 상기 모선에 대한 제1 상대적 위치정보를 획득하는 단계; c) 상기 수중로봇으로부터 음향 신호 송수신에 따른 상기 수중로봇과의 거리정보를 수신하여 상기 수중로봇에 대한 제2 상대적 위치정보를 획득하는 단계; 및 d) 상기 제1 상대적 위치정보 및 제2 상대적 위치정보를 바탕으로 상기 모선으로부터 수중로봇에 대한 제3 상대적 위치정보를 획득하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 c) 단계는, 상기 예인선과 상기 수중로봇의 거리정보를 상기 수중로봇에 요청하는 단계; 상기 수중로봇의 송수신부에서 송신되는 음향신호에 USBL 발신모듈을 이용하여 응답하는 단계; 및 상기 수중로봇으로부터 상기 음향신호의 송수신 차이를 이용하여 산출되는 상기 거리정보를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 d) 단계 이후에, e) 수중로봇이 이동하는 단계; f) 상기 제2 상대적 위치정보 및 연결된 케이블 길이정보를 고려하여 예인선의 이동방향을 표시하는 단계; 및 g) 이동방향 안내에 따라 예인선을 이동하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면 검사 대상 선박(모선)과 예인선의 상대적 위치정보와 예인선과 수중로봇의 상대적 위치정보를 토대로 모선으로부터 수중로봇에 대한 상대적 위치를 측정할 수 있다.
또한, 한정된 케이블길이를 고려하여 수중로봇의 이동작업에 따른 예인선의 이동방향을 안내함으로써 대형 선박에 대한 선저 작업을 수행할 수 있다.
또한, 예인선이 수중로봇의 이동에 따라 이동하여 위치측정을 위한 음향통신 영역을 확보함으로써 구조가 복잡한 선수 및 선미부분에 위치한 수중로봇의 위치를 정확하게 측정 할 수 있다.
도 1은 종래의 LBL을 이용한 수중 위치 인식 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 종래의 USBL을 이용한 수중 위치 인식 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇 위치 측정 시스템의 네트워크 구성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇 위치 측정 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇 위치 측정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 수중 로봇의 위치 추적에 따른 예인선의 운용방법을 나타낸 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇 위치 측정 시스템 및 그 방법 및 시스템에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇 위치 측정 시스템의 네트워크 구성을 나타낸다.
첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇 위치 측정 시스템은 검사 대상이 되는 모선(Mother Ship)(100), 상기 모선(100)과 연동하며 케이블을 통해 연결된 수중로봇(300)을 운영하는 예인선(Tugboat)(200) 및 상기 모선의 선저에 부착 또는 근접하여 작업을 수행하는 수중로봇(300)을 포함한다.
모선(100)은 DGPS(Differential Global Positioning System)부를 통해 모선의 위치정보(rA)를 측정하고, 무선통신을 이용하여 예인선(200)으로 송신한다.
예인선(200)은 모선(100)으로부터 일정거리 이격된 해상에 위치하여 수중로봇(300)의 위치정보를 측정한다.
구체적으로 설명하면, 예인선(200)은 탑재된 DGPS 모듈을 이용하여 자선(自船)의 위치정보(rB)를 측정하고, 수신된 모선의 위치정보(rA)와 자선의 위치정보(rB)를 비교하여 모선(100)에 대한 상대적 위치정보(이하 제1 상대적 위치정보라 명명함, rA-rB)를 획득한다. 여기서, 상기 rA, rB는 각각 모선(100)과 예인선(200)의 3차원 위치정보이며, 상기 rA-rB 는 모선(100)과 예인선(200)간의 3차원 거리정보를 의미한다. 그러므로, 이하 상대적 위치정보는 각각의 두 지점에 대한 위치정보뿐 아니라 각각 두 지점간의 거리 및 방향(각도)정보를 포함하는 3차원 위치정보인 것을 의미한다.
예인선(200)은 하부에 복수의 USBL 발신 모듈(4-Transponders, 231~234)을 설치하고, 수중로봇(300)에 설치된 하나의 송수신부(1-Transceiver)와 음향 센싱을 수행하여 예인선(200)과 수중로봇(300)의 상대적 위치정보(이하 제2 상대적 위치정보라 명명함, rB-rC)를 획득한다.
그리고, 예인선(200)은 모선(100)과 예인선(200)의 제1 상대적 위치정보(rA-rB)와 예인선(200)과 수중로봇(300)의 제2 상대적 위치정보(rB-rC)를 기초로 삼각 측정 기법을 이용하여 모선(100)으로부터 수중로봇(300)에 대한 상대적 위치정보(이하 제3 상대적 위치정보라 명명함; rA-rC) 를 획득한다.
즉, 예인선(200)은 모선(100)으로부터의 수중로봇(300)의 위치를 파악하고 이를 모선(100)의 크기정보에 반영하여 수중로봇(300)의 선저면에 대한 위치를 추적(Tracking)할 수 있다.
수중로봇(300)은 모선(100)의 선저에 부착 또는 근접 접근하여 선저 상태를 검사하는 원격조정잠수정(Remotely-operated vehicle, ROV), 무인잠수정(Autonomous Underwater Vehicles, AUV) 및 인텔리전트로봇 중 어느 하나일 수 있다.
수중로봇(300)은 하나의 송수신부(1-Transceiver)를 통해 음향신호를 방사하고, 예인선(200)에 설치된 복수의 USBL 발신모듈(4-Transponders)로부터 응답신호를 받아 예인선(200)으로 전달한다.
한편, 도 4를 통하여 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇 위치 측정 시스템의 구성을 좀더 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇 위치 측정 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 모선(100)은 DGPS부(110) 및 모선 통신부(120)를 포함한다.
DGPS부(110)는 위성을 통해 모선의 위치정보(rA)를 측정하여 모선 통신부(120)로 전달한다.
모선 통신부(120)는 주기적으로 상기 모선의 위치정보(rA)를 무선 통신을 통해 예인선(200)으로 송신한다.
예인선(200)은 수중로봇(300)의 전반적인 운용과 위치 추적을 수행하는 운용장치를 구비하여 DGPS부(210), 예인선 통신부(220), USBL 발신부(230), 케이블 연결부(240), 케이블(250), 로봇 제어기(260), 표시부(270) 및 상위 제어부(280)를 포함한다.
DGPS부(210)는 위성을 통해 자선의 위치정보(rB)를 측정하여 상위 제어부(280)로 전달한다.
예인선 통신부(220)는 모선(100)으로부터 모선의 위치정보를 수신하여 상위 제어부(280)로 전달한다. 이 때, 예인선 통신부(220)는 상기 모선의 위치정보와 함께 모선의 선체가 향하고 있는 방향 정보도 함께 수신할 수 있다.
발신부(230)는 수중로봇(300)의 위치 측정을 위해 송수신부(310)에서 방사되는 음향신호에 응답 신호를 전송한다. 발신부(230)는 상기 도 3에서와 같이 예인선(200)의 하부에 내려진 상태로 고정 설치되며 각각 음향신호에 대한 응답 신호를 전송하는 제1 발신모듈(231), 제2 발신모듈(232), 제3 발신모듈(233) 및 제4 발신모듈(234)를 포함한다. 이 때, 각 발신 모듈은 서로 일정거리 이격된 상태로 설치하며 수평 또는 수직 방향으로 배열되거나 사각형태로 설치할 수 있다.
케이블 연결부(240)는 수중로봇(300)에 전원 및 통신을 연결하기 위한 케이블(250)과 연결되며, 각종 신호를 송수신하기 위한 멀티플렉서(Multiplexer)를 포함한다.
케이블(250)은 양단이 예인선(200)과 수중로봇(300)에 구비된 케이블 연결부에 각각 연결되어 제어신호 전달 및 전원을 공급한다. 케이블(250)은 도면에서는 생략되었으나 예인선(200)에 구비된 케이블 드럼에 의해 감기거나 풀리며 수중로봇(300)의 부력에 영향을 최소화 하도록 중성부력을 가지는 특수 케이블을 사용할 수 있다.
로봇 제어기(260)는 상태표시모듈(Status Navigation module)(261) 및 조작모듈(Control joystick module)(262)를 포함한다.
상태표시모듈(261)은 수중로봇(300)의 위치추적 및 동작상태 정보를 표시한다. 이 때, 상태표시모듈(261)은 모선(100)의 위치정보, 방향정보 및 크기정보를 바탕으로 가상의 모선을 그래픽으로 표시한다. 그리고, 측정되는 모선(100)으로부터 수중로봇(300)의 제3 상대적 위치정보(rA-rC)에 따라 가상의 모선에 수중로봇(300)의 위치를 위치를 표시할 수 있다. 상기 모선의 크기정보는 미리 저장된 모선의 CAD정보를 활용할 수 있다.
또한, 상태표시모듈(261)은 수중로봇(300)의 이동에 따른 상기 케이블 드럼으로부터 획득되는 현재 케이블 길이정보와 수중로봇과의 거리정보를 비교하여 예인선(200)의 이동방향을 표시할 수 있다. 그래서, 예인선(200)이 수중로봇(300)의 이동에 대응하여 적정한 케이블 길이를 유지하도록 하는 네비게이션과 같은 역할을 수행한다.
조작모듈(262)은 수중로봇(300)의 작동상태를 원격으로 제어하는 제어명령을 생성하여 케이블(250)을 통해 전달한다. 여기서, 상기 제어명령은 수중로봇(300)의 유영, 주행, 자세제어 및 감시작업을 위한 각종 센서 또는 장비의 작동명령 중 적어도 하나를 포함한다.
표시부(270)는 수중로봇(300)에서 촬영되는 영상정보(Video)를 수신하여 표시한다. 이 때, 표시부(270)는 수중로봇(300)로부터 복수의 카메라에 대한 영상을 수신하는 경우 화면을 분할하여 영상을 표시할 수 있다.
상위 제어부(280)는 수중로봇(300)의 운용과 그 위치를 측정하기 위한 상기 각부의 동작을 제어한다.
제어부(280)는 모선의 위치정보(rA)와 자선의 위치정보(rB)를 비교하여 모선(100)에 대한 제1 상대적 위치정보(rA-rB)를 계산한다. 그리고, 수중로봇(300)으로부터 예인선(200)과의 거리정보를 수신하면, 예인선(200)의 DGPS 위치정보를 기준으로 수중로봇(300)의 상대적 거리정보에 따른 제2 상대적 위치정보(rB-rC)를 계산한다.
그리고, 제어부(280)는 제1 상대적 위치정보(rA-rB)와 제2 상대적 위치정보(rB-rC)에 기초한 삼각 측정 기법을 이용하여 모선(100)으로부터 수중로봇(300)의 제3 상대적 위치정보(rA-rC)를 산출한다.
이 때, 상기 제1 상대적 위치정보와 제2 상대적 위치정보는 모선(100), 예인선(200) 및 수중로봇(300)의 위치가 운용상 또는 해상 환경의 특성상 변화될 수 있으므로 동일 시간대(설정 시간 이내) 또는 동일 설정주기 내에 측정되는 정보를 이용한다.
이상의 설명에서 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇(300)의 운영 및 위치 측정을 위해 예인선(200)을 이용하는 이유 중 하나는 케이블(250)의 길이와 관계가 있다.
기존에는 상기 도 2에서와 같이 검사대상 선박 즉, 본 발명의 경우 모선(100)에서 수중로봇을 진수하여 선저검사를 수행하였다. 그러나, 이러한 경우에 수중로봇(300)이 대형선박의 선저에서 작업을 수행하기 위해서는 선박의 크기 맞는 케이블(250)이 필요하여 운용비용이 늘어나며 케이블 길이가 짧은 경우 작업이 불가능한 문제가 있다.
일반적으로 케이블(Fiber optic cable)(250)의 가격은 통상 100m에 약1500만원 이상으로 여기에 수중로봇 운용에 사용되는 중성부력의 특수케이블을 적용하는 경우 상당한 운용비용이 발생하는 문제가 있다. 또한, 중성부력의 특수 케이블(250)을 사용한다 하더라도 케이블 길이가 길면 조류의 영향을 많이 받고 수중로봇(300)이 선저의 한정된 공간에서의 이동을 반복하기 때문에 케이블(250)이 꼬임 현상이 발생될 수 있다.
이에 대한 본 발명의 실시 예에 따르면 수중로봇(300)이 약300m 이상의 대형 모선(100) 주변을 주행하더라도, 예인선(200)이 일정간격을 유지하면서 같이 이동하기 때문에 케이블(250)의 길이 및 운용비용을 줄일 수 있는 이점이 있다. 그리고, 예인선(200)과 로봇이 이동하더라도 모선(100)과의 제1 상대적 위치정보(rA-rB)와 수중로봇(300)과의 제2 상대적 위치정보(rB-rC)는 실시간으로 갱신되기 때문에 수중위치 측정에 문제되지 않는다.
수중로봇(300)은 송수신부(310), 케이블 연결부(320), 검사부(330), 센서부(340), 구동부(350) 및 하위 제어부(360)를 포함한다.
송수신부(310)는 음향신호를 예인선(200)에 설치된 복수의 발신모듈(231~234)로 송신한 후 각 발신모듈로부터 응답신호를 수신하면, 상기 송수신한 신호의 시간차이를 이용하여 예인선(200)으로부터의 거리정보(Ln)를 계산한다. 케이블 연결부(320)와 케이블(250)를 통해 예인선(200)으로 전송한다.
케이블 연결부(320)는 예인선(200)과 연결되는 케이블(250)의 타단부에 연결되어 예인선(200)으로 각종 신호를 송수신하기 위한 멀티플렉서(Multiplexer)를 포함한다.
검사부(330)는 적어도 하나의 카메라 모듈(331) 및 조명 모듈(332)을 포함한다.
카메라 모듈(331)은 운용자의 원격제어를 위한 시야확보와 선저 검사를 위해 촬영된 비디오 영상을 예인선으로 전송한다.
조명 모듈(332)은 카메라 모듈(331)의 앵글방향에 대한 시야확보를 위해 조명을 투사한다.
센서부(340)는 속도 및 방향을 체크하는 IMU(Inertial measurement unit)(341), 수심을 체크하는 깊이 센서(Depth Sensor)(342), 장애물 인식을 위한 근접 센서(343) 등 일반적으로 수중로봇의 운용을 위해 탑재되는 센서들을 포함한다.
구동부(350)는 도면에서는 생략되었으나 프로펠라를 통해 추력을 발생하는 적어도 하나의 추진기, 수중로봇(300)의 유영방향 및 자세제어를 위한 유영핀 및 모선(100)의 선저에 부착된 상태로 주행하는 주행수단을 포함한다.
상기 주행수단은 엔진으로 구동되는 무한궤도 또는 바퀴로 구성될 수 있으며 어느 자세에서든 자력을 통해 선저 바닥에 부착된 상태로 주행할 수 있다.
하위 제어부(360)는 예인선(200)의 상위 제어부(280)로부터 하달되는 제어명령을 통해 수중로봇(300)의 상기 각부의 동작을 제어한다.
특히, 하위 제어부(360)는 예인선(200)의 상위 제어부(280)에서 수중로봇(300)의 위치 측정(추적)을 위한 거리정보 요청을 수신하면 송수신부(310)를 제어하여 음향신호를 송신하고, 예인선(200)으로부터의 거리정보를 계산하여 응답하도록 한다.
이 밖에도 수중로봇(300)은 그 작업 용도에 따라 다관절 팔과 같은 부가장치들을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 다관절 팔의 단부에는 모선(100)의 선저 청소를 위한 브러쉬나 수중용접을 위한 토치 등이 구비되어 원하는 작업을 수행할 수 있다.
한편, 다음의 5 및 도 6을 통하여 전술한 수중로봇 위치 측정 시스템의 구성을 바탕으로 하는 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇 위치 측정 방법 및 그 위치 측정을 위한 예인선 운용방법을 설명한다.
먼저, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇 위치 측정 방법을 나타낸 흐름도이다.
첨부된 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 예인선(200)은 모선(100)으로부터 DGPS를 통해 측정된 모선의 위치정보를 수신한다(S101).
예인선(200)은 DGPS부(210)를 통해 자선의 위치정보를 측정한다(S102). 그리고, 모선의 위치정보(rA)와 자선의 위치정보(rB)를 비교하여 모선(100)에 대한 거리정보를 포함하는 제1 상대적 위치정보(rA -rB)를 계산한다(S103).
예인선(200)은 수중로봇(300)으로 초음파 센싱 명령에 의한 예인선(200)으로부터의 거리정보를 요청한다(S104).
수중로봇(300)은 예인선으로부터 거리정보 요청을 수신하면, 송수신부(310)를 통해 설치된 복수의 발신모듈(231~234)로 음향신호를 송신하고(S105), 각 발신모듈(231~234)로부터 응답신호를 수신한다(S106).
수중로봇(300)은 상기 송수신한 신호의 시간차이를 이용하여 예인선(200)의 발신모듈(231~234)로부터의 거리정보(L1~L4)를 산출하고(S107), 산출된 거리정보를 예인선(200)으로 전송하여 응답한다(S108).
예인선(200)은 수중로봇(300)으로부터 거리정보를 수신하면 수중로봇(300)의 상대적 거리정보에 따른 제2 상대적 위치정보(rB-rC)를 계산한다(S109).
그리고, 예인선(200)은 제1 상대적 위치정보(rA-rB)와 제2 상대적 위치정보(rB-rC)에 기초한 삼각 측정 기법을 이용하여 모선(100)으로부터 수중로봇(300)의 제3 상대적 위치정보(rA-rC)를 산출한다(S110).
이 때, 상기 제1 상대적 위치정보와 제2 상대적 위치정보는 기 설정된 동일 시간대 또는 동일 설정주기에 획득되는 정보를 이용한다.
예인선(200)은 산출된 모선(100)을 기준으로 하는 수중로봇(300)의 제3 상대적 위치정보(rA-rC)를 그래픽상의 가상 모선에 반영하여 수중로봇(300)의 실시간 위치정보를 화면으로 표시한다.
이후, 상기 S101 단계 내지 S111 단계는 수중로봇(300)의 운용이 종료될 때까지 주기적으로 반복하여 수중로봇의 위치를 추적한다.
다음, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 수중 로봇의 위치 추적에 따른 예인선의 운용방법을 나타낸 흐름도이다.
첨부된 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 예인선(200)의 운용방법에 있어서 예인선(200)이 음향신호를 주고받아 수중로봇(300)에 대한 제2 상대적 위치정보를 계산하는 S201 단계 내지 S206 단계는 상기 도 5의 S104 단계 내지 S109 단계와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
예인선(200)은 수중로봇(300)이 이동하면, 상기 제2 상대적 위치정보와 현재 풀려져 있는 케이블(250)의 길이를 비교한다(S208). 이 때, 상기 케이블(250)길이 정보는 케이블 드럼으로부터 획득할 수 있다.
예인선(200)은 수중로봇(300)의 작업 이동량에 적은 경우 케이블(250)의 길이가 연장되도록 풀 수도 있으나, 풀어진 현재 케이블(250)의 길이를 유지하는 경우 케이블(250)길이를 고려하여 수중로봇(300)과 예인선의 간격이 유지될 수 있도록 예인선(200)의 이동방향을 표시한다(S209).
예인선(200)은 케이블(250)의 길이를 고려한 이동방향 안내에 따라 수중로봇(300)의 이동방향으로 이동하여 케이블(250)의 적정 길이를 유지하여 케이블(250)의 길이가 수중로봇(300)의 이동에 방해가 되지 않도록 한다(S210). 이 때, 예인선(200)은 발신부(230)의 음향신호 방향도 고려하면서 이동하는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 실시 예에 따르면 모선(100)과 예인선(200)의 제1 상대적 위치정보와 예인선(200)과 수중로봇(300)의 제2 상대적 위치정보를 토대로 모선(100)으로부터 수중로봇(300)에 대한 위치를 측정할 수 있다.
또한, 수중로봇(300)의 이동작업에 따른 예인선(200)과 수중로봇(300)의 거리정보 및 케이블 길이정보를 고려하여 예인선(200)의 이동을 안내함으로써 한정된 케이블(250)길이를 갖고서도 대형 선박에 대한 선저 작업을 수행할 수 있다. 특히, 예인선(200)이 수중로봇(300)의 이동에 따라 이동하여 위치측정을 위한 음향송수신을 수행함으로써 구조가 복잡한 선수 및 선미부분에 위치한 수중로봇(300)의 위치를 정확하게 측정 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 모선
110: DGPS부 120: 모선 통신부
200: 예인선
210: DGPS부 220: 예인선 통신부 230: 발신부
240: 케이블 연결부 250: 케이블 260: 로봇 제어기
270: 표시부 280: 상위 제어부
300: 수중로봇
310: 송수신부 320: 케이블 연결부 330: 검사부
340: 센서부 350: 구동부 360: 하위 제어부

Claims (11)

  1. DGPS(Differential Global Positioning System)를 통해 위치를 측정하는 모선;
    상기 모선과 이격된 위치에서 자선(自船)의 위치를 측정하고, 상기 모선으로부터 수신되는 모선의 위치정보와 자선의 위치정보를 비교하여 상기 모선에 대한 제1 상대적 위치정보를 획득하는 예인선;
    상기 모선의 선저에서 이동 작업하며 상기 예인선과 음향 신호를 주고받아 획득되는 상기 예인선과의 거리정보를 상기 예인선으로 전달하는 수중로봇을 포함하되,
    상기 예인선은 수중로봇으로부터 상기 거리정보를 받아 상기 수중로봇에 대한 제2 상대적 위치정보를 획득하고, 상기 제1 상대적 위치정보 및 제2 상대적 위치정보를 바탕으로 상기 모선으로부터 수중로봇의 제3 상대적 위치정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 수중로봇 위치 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 상대적 위치정보 내지 제3 상대적 위치정보는,
    각각 해당하는 두 지점간의 위치좌표, 거리, 방향, 각도 중 적어도 하나의 정보를 포함하는 3차원 위치정보인 것을 특징으로 하는 수중로봇 위치 측정 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 예인선은,
    상기 자선의 위치를 측정하는 DGPS부;
    상기 모선과 무선통신을 수행하여 상기 모선의 위치정보를 수신하는 예인선 통신부;
    상기 수중로봇에서 방사되는 상기 음향신호를 수신하고, 그에 상응하는 응답 신호를 전송하는 복수의 USBL(Ultra short baseline) 발신모듈;
    상기 수중로봇 전원 및 통신을 연결하기 위한 케이블의 단부와 연결되는 제1 케이블 연결부;
    상기 수중로봇의 운용 동작을 원격 제어하는 위한 로봇 제어기;
    상기 수중로봇에서 촬영되는 영상정보를 수신하여 표시하는 표시부; 및
    상기 제1 상대적 위치정보와 제2 상대적 위치정보에 기초한 삼각 측정 기법을 이용하여 상기 모선으로부터 상기 수중로봇에 대한 제3 상대적 위치정보를 산출하는 상위 제어부 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중로봇 위치 측정 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 로봇 제어기는,
    상기 수중로봇의 위치추적정보 및 동작상태정보를 표시하는 상태표시모듈; 및
    상기 수중로봇의 작동상태를 원격으로 제어하는 조작모듈 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중로봇 위치 측정 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 상태표시모듈은,
    상기 모선의 위치정보, 방향정보 및 크기정보 중 적어도 하나의 정보를 바탕으로 가상 모선을 표시하고, 상기 가상 모선에 상기 제3 상대적 위치정보에 따른 상기 수중로봇의 위치를 표시하는 것을 특징으로 하는 수중로봇 위치 측정 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 상태표시모듈은,
    상기 수중로봇의 이동에 따른 상기 케이블 길이정보와 상기 예인선과 수중로봇과의 거리정보를 비교하여 상기 예인선의 이동방향을 표시하는 것을 특징으로 하는 수중로봇 위치 측정 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 수중로봇은,
    상기 복수의 USBL 발신모듈로 상기 음향신호를 송신하고 수신되는 상기 응답신호의 시간차이를 이용하여 상기 예인선으로부터의 거리정보를 계산하는 USBL 송수신부;
    상기 예인선과 연결되는 케이블의 타단부에 연결되는 제2 케이블 연결부;
    적어도 하나의 카메라 모듈을 통해 촬영된 비디오 영상을 상기 예인선으로 전송하는 검사부;
    상기 수중로봇의 속도, 방향, 수심, 장애물 인식 중 적어도 하나를 체크하는 센서부;
    유영 및 자세제어를 위한 추력을 발생하는 적어도 하나의 추진기와 선저에서의 주행을 위한 주행수단을 포함하는 구동부; 및
    상기 상위 제어부로부터 전달되는 제어명령을 통해 상기 수중로봇의 동작을 제어하는 하위 제어부 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중로봇 위치 측정 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 하위 제어부는,
    상기 상위 제어부에서 거리정보 요청을 수신하면 상기 송수신부를 통해 계산되는 상기 예인선으로부터의 거리정보를 응답 전송하는 것을 특징으로 하는 수중로봇 위치 측정 시스템.
  9. 수중로봇의 동작을 제어하는 예인선이 모선의 선저에서 작업하는 수중로봇의 위치를 측정하는 방법에 있어서,
    a) 상기 모선으로부터 DGPS를 통해 측정된 모선의 위치정보를 수신하는 단계;
    b) 상기 모선과 이격된 위치에서 자선(自船)의 위치를 측정하고, 상기 모선의 위치정보와 자선의 위치정보를 비교하여 상기 모선에 대한 제1 상대적 위치정보를 획득하는 단계;
    c) 상기 수중로봇으로부터 음향 신호 송수신에 따른 상기 수중로봇과의 거리정보를 수신하여 상기 수중로봇에 대한 제2 상대적 위치정보를 획득하는 단계; 및
    d) 상기 제1 상대적 위치정보 및 제2 상대적 위치정보를 바탕으로 상기 모선으로부터 수중로봇에 대한 제3 상대적 위치정보를 획득하는 단계
    를 포함하는 수중로봇 위치 측정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 예인선과 상기 수중로봇의 거리정보를 상기 수중로봇에 요청하는 단계;
    상기 수중로봇의 송수신부에서 송신되는 음향신호에 USBL 발신모듈을 이용하여 응답하는 단계; 및
    상기 수중로봇으로부터 상기 음향신호의 송수신 차이를 이용하여 산출되는 상기 거리정보를 수신하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중로봇 위치 측정 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 d) 단계 이후에,
    e) 수중로봇이 이동하는 단계;
    f) 상기 제2 상대적 위치정보 및 연결된 케이블 길이정보를 고려하여 예인선의 이동방향을 표시하는 단계; 및
    g) 이동방향 안내에 따라 예인선을 이동하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중로봇 위치 측정 방법.
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