KR101406061B1 - 경로 설정을 통한 다기능 무인 선박을 이용한 하천 관리 시스템 - Google Patents

경로 설정을 통한 다기능 무인 선박을 이용한 하천 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경로 설정을 통한 다기능 무인 선박을 이용한 하천 관리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서를 이용하여 하천의 센싱 정보를 수집하는 무인 선박이 정해진 항해 항로를 이탈한 경우 기 설정된 비상 지점으로 이동시켜 관리하는 방안에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 하천 관리 시스템은 운항 중인 무인 선박의 위치 정보를 수집하는 위치 정보 수집 모듈, 운항 중인 무인 선박에 장착되며, 음향을 송출하고, 송출된 음향을 수신하는 음향 탐지 모듈, 음향 탐지 모듈에서 수신한 음향과 위치 정보 수집 모듈에서 수집한 위치 정보를 외부의 관제 시스템으로 전송하는 통신 모듈, 무인 선박의 운항 항로와 상기 위치 정보 수집 모듈에서 수집한 위치 정보가 상이하면, 상기 무인 선박이 상기 운항 항로로 이동하도록 무인 선박에 장착되어 있는 추진기를 제어하는 항로 제어 모듈을 포함하는 무인 선박 및 운항 항로를 벗어난 상기 무인 선박이 추진기를 이용하여 상기 운항 항로로 이동할 수 없는 경우, 상기 무인 선박의 현재 위치 정보와 현재 이동 속도를 고려하여 상대적으로 최소한으로 동력으로 도달할 수 있는 대피지점에 대한 정보를 산출하여 일정 시간간격으로 상기 무인 선박으로 전송하는 관제 시스템을 포함한다.

Description

경로 설정을 통한 다기능 무인 선박을 이용한 하천 관리 시스템{System for River Management}
본 발명은 경로 설정을 통한 다기능 무인 선박을 이용한 하천 관리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서를 이용하여 하천의 센싱 정보를 수집하는 무인 선박이 정해진 항해 항로를 이탈한 경우 기 설정된 비상 지점으로 이동시켜 관리하는 방안에 관한 것이다.
기존 하천 관리 시스템의 측량은 대부분 인적 자원을 이용하여 하천변 및 하상 측량을 현지에서 실시하고, 이를 전산화하는 과정으로 이루어지며, 이는 기후 및 지리적 요건에 따른 제약 및 숙련도, 전산화 작업 등의 과정에서 시간적 소요 및 오류 발생의 소지가 상존하고 있다. 또한 관리 요구에 따른 상시 또는 적시 측량이 어렵다는 단점을 가지고 있다.
이와 같은 단점을 극복하기 위해 무인화와 센서 기술 개발이 이루어지고 있다. 한국등록특허 제1184587호(발명의 명칭: 수자원 관리용 무인 보트 운영 시스템 및 그 운용 방법)는 항행과 관측 및 통신제어유닛을 각각 구비하여 무인 상태로 자동 운항 및 수자원 정보 획득이 가능한 무인 보트와 통신망을 통해 그 무인 보트와 통신하며 무인 운항과 수자원 정보 획득을 수행하는 관제국을 구비한 무인 보트 운용 시스템을 개시하고 있다. 이러한 구성의 무인 보트 운용 시스템 및 운용 방법은 조종자의 육안 관측 범위를 벗어나는 넓은 지역에 대해서도 수자원 정보를 무인 자동 상태에서 정확하고 원활하게 얻어낼 수 있게 해주며, 이를 이용할 경우 수자원 관리의 효율성을 극대화할 수 있고 결과적으로 수자원 개선에 크게 기여할 수 있게 된다.
또한, 한국등록특허 제1145761호(수질 모니터링 로봇)는 측정하고자하는 하천, 바다 또는 호수의 소정의 경로를 따라 이동하고, 이동 중 수질 및 환경 상태를 측정하여 사용자에게 제공하는 수질 모니터링 로봇에 관한 것으로, 하천, 바다 또는 호수의 수면 또는 수면아래에서 이동하는 이동유닛과; 상기 이동유닛에 장착되며, 상기 이동유닛을 이동시키는 구동력을 제공하는 구동부와; 상기 이동유닛에 장착되고, 상기 하천, 바다 또는 호수의 상태를 측정하는 센서부와; 상기 센서부에서 측정된 측정결과를 외부로 송신하는 통신부와; GPS신호를 수신하여 현재 위치를 결정하는 위치결정부와; 상기 위치결정부에서 결정된 현재 위치와 기 설정된 측정항로를 비교한 후 그 차이에 따라 상기 구동부를 제어하여 상기 이동유닛을 기 설정된 측정경로로 이동시키는 제어부를 포함하는 수질 모니터링 로봇을 제공한다.
하지만, 상술한 선행 기술들은 무인 선박을 이용한 수질 관리 및 위치를 벗어난 경우 기 설정된 항로로 이동시키는 방안을 나타내고 있으나, 기 설정된 항로를 이동할 수 없을 정도로 항로를 벗어난 경우에 대한 해결점에 대해서는 나타내고 있지 않다.
한국등록특허: 0883046호(발명의 명칭: 무인원격 수질 및 기상환경 모니터링 선박 및 이의 운영 방법) 한국등록특허: 0805358호(발명의 명칭: 수심측량조사장치가 탑재된 무선인터넷과 디지피에스를 이용한 원격 측정 로봇선) 한국등록특허: 1074586호(발명의 명칭: 농업 저수기용 무인 수질측정 및 시료채취장치)
본 발명이 해결하려는 과제는 무인으로 운행하는 무인 선박을 이용하여 하천을 관리하는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 무인 선박이 기 설정된 운항 항로를 벗어난 경우 기 설정된 항로 이동시키는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 기 설정된 운항 항로를 벗어나 운행하는 무인 선박이 기 설정된 운항 항로로 이동할 수 없는 경우 무인 선박을 관리하는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 음향 탐지 장치를 이용해 수집된 자료를 기반으로 하천의 형상 및 깊이를 측정하는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 운행 중인 무인 선박의 위치를 실시간 파악하며, 이를 기반으로 무인 선박의 추진 장치를 제어하는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 무인 선박에서 수집된 자료를 외부의 관제 시스템으로 전송하며, 관제 시스템은 전송받은 자료를 기반으로 무인 선박의 위치 및 하천의 상태를 파악하는 방안을 제안함에 있다.
이를 위해 본 발명의 하천 관리 시스템은 운항 중인 무인 선박의 위치 정보를 수집하는 위치 정보 수집 모듈, 운항 중인 무인 선박에 장착되며, 음향을 송출하고, 송출된 음향을 수신하는 음향 탐지 모듈, 음향 탐지 모듈에서 수신한 음향과 위치 정보 수집 모듈에서 수집한 위치 정보를 외부의 관제 시스템으로 전송하는 통신 모듈, 무인 선박의 운항 항로와 상기 위치 정보 수집 모듈에서 수집한 위치 정보가 상이하면, 상기 무인 선박이 상기 운항 항로로 이동하도록 무인 선박에 장착되어 있는 추진기를 제어하는 항로 제어 모듈을 포함하는 무인 선박 및 운항 항로를 벗어난 상기 무인 선박이 추진기를 이용하여 상기 운항 항로로 이동할 수 없는 경우, 상기 무인 선박의 현재 위치 정보와 현재 이동 속도를 고려하여 상대적으로 최소한으로 동력으로 도달할 수 있는 대피지점에 대한 정보를 산출하여 일정 시간간격으로 상기 무인 선박으로 전송하는 관제 시스템을 포함한다.
또한, 상기 무인 선박은 상기 음향 탐지모듈에서 수집된 음향 데이터의 정확성을 유지하기 위해 상기 음향 탐지모듈의 수직선상에 상기 위치 정보 수집 모듈을 배치하고, 상기 추진기는 주 추진기와 보조 추진기를 포함하며, 상기 무인 선박이 운항 항로를 벗어난 경우 또는 상기 주 추진기에 장애가 발생한 경우 상기 보조 추진 장치를 이용하여 상기 무인 선박을 비상 대피지점으로 이동시키고, 상기 항로 제어 모듈은, 상기 위치 정보 수집 모듈에서 위치 정보에 대한 보정 정보를 관제 시스템으로부터 수신하며, 수신한 보정 정보와 운항 항로를 비교하고, 비교 결과 오차가 설정치 이내인 경우에는 추진기를 이용하여 무인 선박을 운항 항로로 이동시키며, 설정치를 초과하는 경우에는 외부로 경고음을 발생하도록 제어하고, 상기 무인 선박은 하천의 용존 산소량 또는 수온을 측정하는 센서 모듈을 포함하며, 상기 센서 모듈은 상기 무인 선박의 운항 경로를 고려하여 상기 무인 선박에 부착하고, 상기 무인 선박은 하나의 주 추진 장치 이외에 적어도 두 개의 보조 추진 장치를 포함하고, 상기 관제 시스템은, 상기 음향탐지 모듈에서 탐지한 음향을 수신하는 통신 모듈; 상기 통신 모듈에서 수신한 음향을 이용하여 3차원 지형을 생성하는 3차원 지형 생성 모듈을 포함하고, 상기 무인 선박의 운항 항로와 비상 대피지점에 대한 정보를 저장하고, 상기 항로 제어 모듈은, 상기 위치 정보 수집 모듈로부터 전달받은 위치 정보를 이용하여 무인 선박의 위치 산출하는 위치 산출부; 상기 위치 산출부에서 산출한 무인 선박의 위치와 저장부에 저장된 무인 선박의 항로 정보를 이용하여 현재 운행 중인 무인 선박의 운항 항로에 대한 보정 데이터를 산출하는 보정 데이터 산출부를 포함하고, 상기 항로 제어 모듈은, 상기 위치 정보 수집 모듈로부터 전달받은 위치 정보를 이용하여 무인 선박의 위치 산출하는 위치 산출부; 상기 위치 산출부(400)에서 산출한 무인 선박의 위치를 전송하며, 상기 무인 선박의 항로 정보에 대응되는 현재 운행 중인 무인 선박의 운항 항로에 대한 보정 데이터를 수신하는 통신부를 포함할 수 있다.
상기 음향 탐지 모듈은, 수평 촬영이 가능한 측면주사음파 탐지기를 포함하며, 고주파를 이용하여 수면의 반사파와 하천 바닥면의 반사파를 이용하여 하천의 수심을 측정하며, 측정된 정보를 기반으로 하저 지형의 수치표고모형과 등고 데이터를 구축하며, 상기 음향 탐지 모듈로부터 수신된 정보를 기반으로 하저에 퇴적된 퇴적물의 물성을 판단함을 특징으로 할 수 있다.
상기 무인 선박은 출발지점, 목적 지점, 운항 항로를 포함한 비상시 무인 선박이 이동할 비상 대피지점에 대한 정보를 포함하며, 상기 위치 정보 수집 모듈로부터 수집된 정보로부터 산출된 위치 정보와 상기 운항 항로 사이의 거리가 설정된 거리 이상이면 상기 무인 선박을 상기 비상 대피지점으로 이동시키기 위해 추진기의 동작을 제어하며, 상기 위치 정보 수집 모듈은 적어도 두 개의 장치로부터 위치 정보를 수집함을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 하천 관리 시스템은 기존 업무 담당자가 직접 항목별로 해당 시설물에 대한 여러 가지 사항을 조사하여 기입하고, 조사된 정보들을 취합하는 방식으로 수행됨으로 발생했던 비용 문제를 무인 선박과 이를 관리하는 관제 시스템을 이용하여 저비용으로 하천을 관리할 수 있다.
또한, 무인 선박이 정해진 예상 항로를 이탈하는 경우, 미리 설정된 비상 대기 지점으로의 이동을 유도함으로써 관리자는 해당 지점에 도착한 무인 선박을 도착 즉시 관리 또는 수리할 수 있게 된다. 또한, 무인 선박이 좁은 하천을 자유롭게 이동할 수 있도록 주 추진 장치 이외에 보조 추진 장치를 이용하여 무인 선박의 자세 교정 및 회전 기능을 원활하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 하천 관리 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 측면주사음파 탐지 시스템을 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 무인 선박에 구축되는 플러그-인 시스템을 도시하고 있다.
도 4는 본 발명에서 제안하는 항로제어모듈에서 수행되는 동작을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명에서 제안하는 항로제어모듈에서 수행되는 동작을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 항로제어모듈의 구성을 도시한 블록도이다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 하천 관리 시스템의 구성을 도시한 도면이다. 이하 도 1을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 하천 관리 시스템을 구성하는 구성요소의 동작에 대해 상세하게 알아보기로 한다. 도 1에 의하면 하천 관리 시스템은 관제 시스템(100)과 무인 선박(200)으로 구분되며, 관제 시스템은 운영 단말, 3차원 지형 생성 모듈, 통신 모듈, 관제 서버 및 저장 DB를 포함하며, 무인 선박은 통신 모듈, 중앙 제어 모듈, 음향 탐지 모듈, 위치 정보 수집 모듈, 항로 제어 모듈, 센서 모듈을 포함한다. 이하에서는 무인 선박을 구성하고 있는 모듈에 대해 먼저 알아보기로 한다.
음향 탐지 모듈(200-3)은 음파를 이용하여 하천 및 바닥면의 고해상도 자료를 수집하여 3차원으로 가시화하여 하천의 형상을 표시한다. 음향 탐지 모듈(200-3)은 하천의 깊이를 측정하며, 수중 퇴적물의 분포 현황을 측정한다. 물론 음향 탐지 모듈(200-3)에서 측정한 음파 데이터를 관제 시스템으로 전송하며, 관제 시스템은 수신한 음파 데이터를 이용하여 하천의 깊이 및 수중 퇴적물에 대한 정보를 3차원의 형상 데이터로 표시할 수 있도록 산출한다.
기존 하상 구조에 대한 측심은 측정 담당자가 직접 현장에서 선박을 이용하여 교량을 이용하여 수행하였으며, 이는 계절 및 기후 요건에 따라 발생하는 오차를 완전히 제거하기 힘들며, 연속적으로 특정 지점을 측정하기 위해서는 상당 기간이 소요된다. 또한 LIDAR(라이더, Light Detection And Ranging) 자료를 이용하여 생성된 자료를 이용하는 방안 역시 형상에 대한 세부적인 자료를 취득하기 위해서는 상당한 시간과 비용을 소요해야 한다는 단점을 가지고 있다. 따라서 측심 측량 및 데이터화에 소요되는 시간을 단축하고, 하천 바닥면의 세부적인 형상을 가시화하여 관리하는 방안이 요구되며, 이를 위해 본 발명은 음향 탐지 모듈로부터 수집된 정보인 고해상도 자료를 영상으로 전환하며, 특히 측심정보를 활용하여 3차원 데이터를 생성하며, 이를 기반으로 하천의 준설 여부(준설 위치)나 준설량 등을 결정하게 된다.
본 발명과 관련하여 무인 선박의 이동속도는 유속을 고려하여 최대 5 내지 10㎞/h로 설계하는 것이 바람직하다. 즉, 하천의 모든 영역에 대한 정보를 수집하기 위해 무인 선박의 이동 속도는 센서를 이용하여 정보를 수집하는데 소요되는 시간을 고려한다.
또한, 무인 선박을 이용하여 사람이 접근하기 어려운 지점 또는 연속적인 구간에 대한 상시적 연속적 데이터 수집이 가능하다. 음향 탐지 모듈(200-3)은 광학사진과 동일하게 수평촬영을 통해 자료를 영상화시킬 수 있는 측면주사음파 탐지기를 활용하여 고해상도의 자료를 수집할 수 있다. 또한 음향 탐지 모듈(200-3)은 고주파를 이용하여 적은 범위를 조사하지만 고해상도의 데이터를 획득하며, 수면의 반사파와 바닥면의 반사파를 이용하여 수심을 측정한다. 부가하여 반사파의 특성을 활용하여 수중 퇴적물이나 수중 구조물의 형상 및 물성을 파악할 수 있다.
또한, GPS로부터 수집된 평면위치 정보와 수심 정보를 동시에 사용하며, 특히 동일한 평면 위치에 대한 여러 번의 관측값을 평균하여 자료를 생성한다. 부가하여 3차원 삼각망 제작 기술을 이용하여 TIN 정보를 생성하고 이로부터 하저 지형이 수치표고모형 및 등고 데이터를 구축한다. 구축된 자료를 3차원 상에 도시하고 측량에 필요한 각종 가공 자료로 활용한다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 측면주사음파 탐지 시스템을 도시하고 있다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 측면주사음파 탐지 시스템을 이용하여 하천의 지형을 3차원으로 표시하고 있음을 알 수 있다.
센서 모듈(200-4)은 다양한 정보를 수집한다. 하천의 용존 산소를 측정할 수 있는 용존 센서 측정 모듈을 구비할 수 있으며, 이외에도 다양한 환경 정보를 수집하는 센서를 무인 선박에 부착할 수 있다. 본 발명과 관련하여 센서 모듈(200-4)은 플러그-인 시스템으로 무인 선박에 구축된다.
센서 모듈(200-4)은 무인선박의 이동 및 제어에 문제가 발생하지 않는 형상과 무게의 센서를 탑재한다. 또한, 센서 모듈(200-4)은 무인선박의 특성상 취약 시간대 및 야간에도 지속적으로 정보의 수집이 가능하도록 설계하며, 수집된 정보는 특정 지점에 대한 위치 정보와 센서 정보를 융합하여 도시할 수 있다.
부가하여 센서 모듈은 소형화, 모듈화하여 무인 선박에 탑재한다. 무인 선박에 탑재되는 센서 모듈은 무인 선박이 이동하는데 장애가 되지 않는 위치에 부착하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 무인 선박에 구축되는 플러그-인 시스템을 도시하고 있다. 이하 도 3을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 무인 선박에 구축되는 플러그-인 시스템에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 3에 의하면 플러그-인 시스템은 센서 플러그-인 관리부, 센서 플러그-인 모듈, 센서 모듈을 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 플러그-인 시스템에 포함될 수 있다.
센서 플러그-인 관리부(210-1)는 플러그-인 시스템을 구성하고 있는 모든 구성 요소들을 관리한다. 센서 플러그-인 관리부(210-1)는 센서 모듈(200-4)에서 측정한 측정 데이터를 별도의 저장 모듈에 저장하도록 지시하거나, 센서 플러그-인 모듈(210-2)에 저장하도록 지시한다. 센서 플러그-인 관리부(210-1)는 저장한 측정 데이터를 필요한 경우 외부의 서버로 전송하도록 지시한다.
센서 플러그-인 모듈(210-2)은 센서 모듈(200-4)로부터 전달받은 측정 데이터를 저장하거나 필요한 경우 외부의 서버로 전송한다. 센서 모듈(200-4)은 하천의 수질을 감시하기 위한 데이터를 측정한다. 일 예로 센서 모듈(200-4)은 하천의 용존 산소를 측정하기 위한 용존 산소 센서 모듈을 포함할 수 있다. 이외에도 다양한 데이터를 수집하기 위한 센서 모듈이 본 발명에서 제안하는 센서 모듈에 포함될 수 있다. 즉, 수온을 측정하는 온도 센서가 센서 모듈에 포함될 수 있다.
위치 정보 수집 모듈(200-6)은 무인 선박의 위치 정보를 수집한다. 수집된 위치 정보는 항로제어를 위한 시스템에 적용될 수 있다. 항로 제어를 위한 운항제어모듈(200-5)은 출발지점과 도착지점 사이의 항로 정보를 기반으로 지속적으로 무인 선박의 이동 항로를 감시한다. 일반적으로 자동화된 운항제어모듈은 전자지도상에 선박의 항로가 계획된 항로로부터 크게 이탈하는 경우에 대해 출발 지점으로부터 도착지점까지의 지정된 경유 지점을 지정하여 이를 감시하는 기능을 구현하고 있다.
하지만 이는 일반적으로 해양 선박에 대한 운항제어모듈로서 자체 보정 및 자동 접안 유도등의 기능을 가지고 있지 않으며, 데이터의 안정적 수집을 위해서는 계획된 항로를 점형이 아닌 선형으로 처리하여 실시간으로 자체 수집된 위치정보를 기반으로 계획 항로에 대해 보정을 수행해야 한다.
따라서 출발지점과 도착지점을 제외하고 측정을 수행할 지점을 항로 상에 지정할 수 있도록 기능이 추가되어야 하며, 급격한 환경변화 등으로 인한 항로 이탈 등으로 유발되는 측정 장치의 유실을 막기 위한 비상 접지 지점의 설정을 고려한 모듈이 요구된다.
천정 위성을 보유하지 않은 우리나라에서는 미국 GPS위성을 기반으로 시스템이 구현되어 있어 통상적으로 차량 등에 사용되는 GPS 시스템으로는 10m 이내의 오차가 보일 수 있다. 이러한 오차는 수집된 데이터의 가용성 저하 등을 유발하여 정밀한 측량 등에 사용할 수 없게 되므로, 정밀한 측위를 위하여 기존에 개발되어 일부 사용되고 있는 PTK-GPS, DGPS 기술을 접목하여 수 cm 내로 위치의 정확도를 향상시킬 필요가 있다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 항로 제어 및 위치 추적을 위한 GPS 구축 방안에 대한 개념도이다.
본 발명에서 제안하는 항로제어모듈(200-5)은 무인선박 내에 장착된 위치정보 수집 모듈(200-6)로부터 지속적으로 위치 정보를 제공받는다. 항로제어모듈(200-5)은 관제 시스템으로부터 수신된 항로정보 또는 내부 시스템에 다운로드된 항로정보에 대한 기하연산을 수행하여 현재 위치와 운항 항로간의 차이를 계산한다.
항로제어모듈(200-5)은 현재 위치와 운항 항로간의 차이가 발생하면 이에 대한 정보를 이용하여 추진기 등을 제어한다. 즉, 항로제어모듈(200-5)은 차이가 발생한 거리 및 방향 정보를 이용하여 무인 선박이 원래 예정된 항로를 이동하도록 제어한다.
또한 항로제어모듈(200-5)은 무인선박이 일정한 범위를 이탈하여 지속적으로 운행하는 경우 비상 대기 지점으로 이동하도록 추진기를 제어한다.
본 발명은 원활한 항로제어와 선박의 기동을 위해 하나의 주 추진 장치 이외에 다 방향 보조 추진 장치를 무인 선박에 장착하여 회전 및 자세 유지 기능을 향상시키며, 필요한 경우 비상 대기 지점으로 이동하도록 유도한다.
위치 정보 수집 모듈(200-6)은 무인 선박의 위치 정보를 수집한다. DGPS를 이용한 실시간 보정을 위해 임베디드 제어 시스템에서 관제 시스템의 측위 보정 시스템과 지속적으로 통신을 수행한다.
음향 탐지 모듈(200-3)에 의해 수집된 데이터의 정확성을 유지하기 위해 위치 정보 수집 모듈(200-6)을 구성하고 있는 GPS 안테나는 음향 탐지 모듈의 수직 방향에 위치하도록 한다.
무인 선박 시스템은 제어, 통신, 센서, 동력, 이동 제어의 기능을 수행하는 각 모듈로 구성된다. 제어 모듈은 나머지 모듈에 대한 상태 감시와 명령전송을 수행하는 중앙 시스템으로서 높은 안정성과 효율을 가진 시스템으로 설계되어야 하며, 운용에 필요한 최소 사양과 인터페이스로 구성된 임베디드 시스템으로 구현할 필요가 있다.
도 5는 본 발명에서 제안하는 항로제어모듈에서 수행되는 동작을 도시한 흐름도이다. 이하 도 5를 이용하여 본 발명에서 제안하는 항로제어모듈에서 수행되는 동작에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
S300단계에서 항로제어모듈은 위치 정보 수집 모듈로부터 수집된 무인 선박의 위치 정보를 일정시간 간격 또는 실시간으로 전달받는다.
SS302단계에서 항로제어모듈은 전달받은 위치 정보를 외부의 관제 시스템으로 전달한다.
S304단계에서 항로제어모듈은 외부의 관제 시스템으로부터 전달한 위치 정보에 대응되는 보정 정보를 수신한다. 즉, 위치 정보 수집 모듈에서 수집한 위치 정보를 외부의 관제 시스템으로 전송하고, 전송한 위치 정보에 대응되는 보정 정보를 수신한다. 물론 항로제어모듈은 수집한 위치 정보에 대한 보정 정보를 직접 산출할 수 있다.
S306단계에서 항로제어모듈은 수신한 보정 정보와 항로 정보의 차이를 산출한다. 항로제어모듈은 산출한 차이가 임계치를 초과하면 S308단계로 이동하여 경보음을 발생하도록 제어하며, 산출한 차이가 임계치 미만이면 S310단계로 이동하여 추진기를 이용하여 무인선박의 운항 항로를 보정한다.
이하에서는 본 발명에서 제안하는 데이터 통신을 위한 무선통신 모뎀과 기타 장비에 대해 알아보기로 한다. 종래에 개발 또는 연구되었던 장치들은 제어를 위한 상세한 응용 프로토콜의 규격이 없고, 부착되어 개발된 모뎀에 대해서만 운용이 가능하여 통신망의 변경에 대한 수용성이 부재하다는 단점을 가지고 있다. 또한 응용수준에서도 프로토콜 규약의 확장성과 모뎀 특성에 따른 변경을 적용하기 위해서는 전체 응용프로그램 수준에서 변경이 필요하여, 운용의 연속성 및 안정성에 문제를 발생할 수 있다.
따라서 본 발명은 모뎀 종류와 상관없이 통신환경을 초기화, 유지, 종료할 수 있는 인터페이스를 플러그인 형태로 개발하여 기종간 호환성 및 개발-배포의 수월성을 향상시키고, 모뎀 장치를 중앙 제어보드에 연결하는 소켓을 설계 및 개발하여 운영 효율을 개선하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 이동 경로에 대해서 주기-실시간 통신을 선택하여 수행할 수 있도록 설정할 수 있으며, 비상 대피시에는 대피 완료까지 초단위의 실시간 통신을 수행하고, 대피 완료 후에는 위치 측정을 통해 이동이 없는 상태인 경우에는 1분 단위 통신을 수행하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 항로제어모듈의 구성을 도시한 블록도이다. 이하 도 6을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 항로제어모듈의 구성에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 6에 의하면, 항로제어모듈은 제어부, 위치 산출부, 보정 데이터 산출부, 저장부를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 항로제어모듈에 포함될 수 있다.
위치 산출부(400)는 위치 정보 수집 모듈로부터 전달받은 위치 정보를 이용하여 무인 선박의 위치 산출한다. 보정 데이터 산출부(402)는 위치 산출부(400)에서 산출한 무인 선박의 위치와 저장부(404)에 저장된 무인 선박의 항로 정보를 이용하여 현재 운행 중인 무인 선박의 운항 항로에 대한 보정 데이터를 산출한다. 물론 상술한 바와 같이 보정 데이터 산출부(402)는 위치 정보 수집 모듈에서 수집한 위치 정보에 대응되는 보정 정보를 이용하여 무인 선박의 운항 항로에 대한 보정 데이터를 산출한다.
저장부(404)는 무인 선박의 운항 항로를 저장하며, 필요한 경우 항로제어모듈의 구동에 필요한 정보를 저장한다. 제어부(406)는 항로제어모듈을 구성하고 있는 각 구성요소에 대한 동작을 제어한다.
통신 모듈(200-1)은 외부의 관제 시스템과 통신을 수행하며, 특히 무인 선박의 위치 정보를 설정된 시간 간격으로 전송하며, 무인 선박에서 측정한 측정 데이터를 관제 시스템으로 전송한다. 또한 통신 모듈(200-1)은 관제 시스템으로부터 필요한 정보를 수신한다. 즉, 관제 시스템은 무인 선박이 운항 항로 상에서 일정 범위를 벗어나는 경우, 무인 선박의 위치 정보를 이용하여 무인 선박이 스스로 운항 항로 상에 지정된 특정 지점으로 대피하는 기능을 원활하게 수행할 수 없는 경우, 무인 선박의 현재 위치 정보와 현재 이동 속도를 고려하여 상대적으로 최소한의 동력으로 도달할 수 있는 대피지점에 대한 정보를 일정 시간간격으로 무인 선박으로 전송한다. 이와 함께 본 발명은 항해 항로를 이탈한 무인 선박을 대피 지점으로 대피하여 시스템을 회수할 수 있다.
중앙 제어 모듈(200-2)은 무인 선박을 구성하고 있는 각 구성요소의 동작을 제어한다.
이하에서는 관제 시스템의 구성에 대해 알아보기로 한다. 상술한 바와 같이 관제 시스템은 운영 단말, 3차원 지형 생성 모듈, 통신 모듈, 관제 서버 및 저장 DB로 구성된다. 운영 단말(100-1)은 관제 시스템을 구성하고 있는 각 구성요소의 동작을 제어한다.
3차원 지형 생성 모듈(100-2)은 무인 선박으로부터 제공받은 정보를 이용하여 하천의 3차원 지형을 생성한다. 3차원 지형 생성 모듈(100-2)에 의해 생성한 3차원 지형을 이용하여 하천의 세부 형상 및 측정 특성에 대한 모니터링이 가능하다. 통신 모듈(100-3)은 무인 선박으로부터 무인 선박의 위치 정보를 실시간 또는 설정된 시간 간격으로 수신한다. 관제 서버(100-4)는 제공받은 무인 선박의 위치 정보를 이용하여 무인 선박의 운항 항로를 별도의 표시부에 표시하도록 지시하거나, 무인 선박이 예정된 운항 항로를 설정치를 초과하여 벗어나는 경우 무인 선박의 현재 위치를 고려하여 대피 지점을 산출하여 무인 선박으로 전송한다.
저장 DB(100-5)는 관제 시스템을 구동하기 위한 정보를 저장하며, 특히 무인 선박의 운항 항로와 비상 대피 지점에 대한 정보를 저장한다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100: 관제 시스템 200: 무인 선박
100-1: 운영 단말 100-2: 3차원 지형 생성 모듈
100-3: 통신 모듈 100-4: 관제 서버
100-5: 저장 DB 200-1: 통신 모듈
200-2: 중앙 제어 모듈 200-3: 음향 탐지 모듈
200-4: 센서 모듈 200-5: 항로 제어 모듈
200-6: 위치 정보 수집 모듈

Claims (12)

  1. 운항 중인 무인 선박의 위치 정보를 수집하는 위치 정보 수집 모듈;
    운항 중인 무인 선박에 장착되며, 음향을 송출하고, 송출된 음향을 수신하는 음향 탐지 모듈;
    음향 탐지 모듈에서 수신한 음향과 위치 정보 수집 모듈에서 수집한 위치 정보를 외부의 관제 시스템으로 전송하는 통신 모듈;
    무인 선박의 운항 항로와 상기 위치 정보 수집 모듈에서 수집한 위치 정보가 상이하면, 상기 무인 선박이 상기 운항 항로로 이동하도록 무인 선박에 장착되어 있는 추진기를 제어하는 항로 제어 모듈을 포함하는 무인 선박 및
    운항 항로를 벗어난 상기 무인 선박이 추진기를 이용하여 상기 운항 항로로 이동할 수 없는 경우, 상기 무인 선박의 현재 위치 정보와 현재 이동 속도를 고려하여 상대적으로 최소한으로 동력으로 도달할 수 있는 계획된 비상 대피지점에 대한 정보를 산출하여 일정 시간간격으로 상기 무인 선박으로 전송하는 관제 시스템을 포함하고,
    상기 무인 선박은,
    상기 음향 탐지모듈에서 수집된 음향 데이터의 정확성을 유지하기 위해 상기 음향 탐지모듈의 수직선상에 상기 위치 정보 수집 모듈을 배치하고,
    상기 추진기는 주 추진기와 보조 추진기를 포함하며,
    상기 무인 선박이 운항 항로를 벗어난 경우 또는 상기 주 추진기에 장애가 발생한 경우 상기 보조 추진 장치를 이용하여 상기 무인 선박을 비상 대피지점으로 이동시키고,
    상기 항로 제어 모듈은,
    상기 위치 정보 수집 모듈에서 위치 정보에 대한 보정 정보를 관제 시스템으로부터 수신하며, 수신한 보정 정보와 운항 항로를 비교하고, 비교 결과 오차가 설정치 이내인 경우에는 추진기를 이용하여 무인 선박을 운항 항로로 이동시키며, 설정치를 초과하는 경우에는 외부로 경고음을 발생하도록 제어하고,
    상기 무인 선박은 하천의 용존 산소량 또는 수온을 측정하는 센서 모듈을 포함하며,
    상기 센서 모듈은 상기 무인 선박의 운항 경로를 고려하여 상기 무인 선박에 부착하고,
    상기 무인 선박은 하나의 주 추진 장치 이외에 적어도 두 개의 보조 추진 장치를 포함하고,
    상기 관제 시스템은,
    상기 음향탐지 모듈에서 탐지한 음향을 수신하는 통신 모듈;
    상기 통신 모듈에서 수신한 음향을 이용하여 3차원 지형을 생성하는 3차원 지형 생성 모듈을 포함하고,
    상기 무인 선박의 운항 항로와 비상 대피지점에 대한 정보를 저장하고,
    상기 항로 제어 모듈은,
    상기 위치 정보 수집 모듈로부터 전달받은 위치 정보를 이용하여 무인 선박의 위치 산출하는 위치 산출부;
    상기 위치 산출부에서 산출한 무인 선박의 위치와 저장부에 저장된 무인 선박의 항로 정보를 이용하여 현재 운행 중인 무인 선박의 운항 항로에 대한 보정 데이터를 산출하는 보정 데이터 산출부를 포함하고,
    상기 항로 제어 모듈은,
    상기 위치 정보 수집 모듈로부터 전달받은 위치 정보를 이용하여 무인 선박의 위치 산출하는 위치 산출부;
    상기 위치 산출부(400)에서 산출한 무인 선박의 위치를 전송하며, 상기 무인 선박의 항로 정보에 대응되는 현재 운행 중인 무인 선박의 운항 항로에 대한 보정 데이터를 수신하는 통신부를 포함함을 특징으로 하는 하천 관리 시스템.
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  11. 제 1항에 있어서, 상기 음향 탐지 모듈은,
    수평 촬영이 가능한 간섭측면주사음파 탐지기를 포함하며,
    고주파를 이용하여 수면의 반사파와 하천 바닥면의 반사파를 이용하여 하천의 수심을 측정하며,
    측정된 정보를 기반으로 하저 지형의 수치표고모형과 등고 데이터를 구축하며,
    상기 음향 탐지 모듈로부터 수신된 정보를 기반으로 하저에 퇴적된 퇴적물의 물성을 판단함을 특징으로 하는 하천 관리 시스템.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 무인 선박은
    출발지점, 목적 지점, 운항 항로를 포함한 비상시 무인 선박이 이동할 비상 대피지점에 대한 정보를 포함하며,
    상기 위치 정보 수집 모듈로부터 수집된 정보로부터 산출된 위치 정보와 상기 운항 항로 사이의 거리가 설정된 거리 이상이면 상기 무인 선박을 상기 비상 대피지점으로 이동시키기 위해 추진기의 동작을 제어하며,
    상기 위치 정보 수집 모듈은 적어도 두 개의 장치로부터 위치 정보를 수집함을 특징으로 하는 하천 관리 시스템.
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