KR101408211B1

KR101408211B1 - 수중로봇의 위치 측정장치

Info

Publication number: KR101408211B1
Application number: KR1020130032389A
Authority: KR
Inventors: 박원철; 정구락
Original assignee: 박원철
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-06-16

Abstract

본 발명은 선박으로부터 일정거리만큼 위치에 설치된 수중구조물의 위치를 이용하여 선박으로부터 떨어져 수중에서 이동하면서 작업하는 수중로봇의 위치를 정밀하게 측정할 수 있도록 하는 수중로봇의 위치 측정장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수중로봇의 위치 측정장치는, 선박으로부터 일정거리로 떨어진 수중에서 작업하는 수중로봇에 부착되어 수중으로 음파를 발생하는 제1 음파발생부; 상기 선박 및 수중로봇에 일정거리 떨어진 수중구조물에 설치되어 상기 제1 음파발생부로부터 수중으로 발생된 음파를 수신하는 다수의 제1 음파수신부; 상기 수중구조물에 설치되며 수중으로 음파를 발생하는 다수의 제2 음파발생부; 상기 선박의 선저의 형상에 대응하는 다수의 위치에 부착되어 상기 제2 음파발생부로부터 수중으로 발생된 음파를 수신하는 다수의 제2 음파수신부; 및 상기 각 제1 및 제2 음파발생부로 상기 음파의 발생을 위한 음파발생신호를 각각 전송하고 상기 각 제1 음파수신부에서 상기 제1 음파발생부의 음파을 수신한 음파수신시간을 이용하여 상기 제1 음파수신부로부터 상기 제1 음파발생부의 거리를 계산하고 상기 각 제2 음파수신부에서 상기 제2 음파발생부의 음파를 수신한 음파수신시간을 이용하여 상기 제2 음파수신부로부터 상기 제2 음파발생부의 거리를 계산하며, 상기 계산된 각 거리를 이용하여 상기 수중로봇의 위치를 계산하는 제어부를 포함한다.

Description

수중로봇의 위치 측정장치{APPARATUS FOR MEASURING POSITION OF ROV}

본 발명은 수중로봇의 위치 측정장치에 관한 것으로서, 특히 선박으로부터 일정거리만큼 위치에 설치된 수중구조물의 위치를 이용하여 선박으로부터 떨어져 수중에서 이동하면서 작업하는 수중로봇의 위치를 정밀하게 측정할 수 있도록 하는 수중로봇의 위치 측정장치에 관한 것이다.

수중정보 수집이나 침몰된 선박의 구조 등의 수중작업을 위해서는 많은 준비가 필요하다. 이를 위해 종래에 다이버가 물속으로 직접 들어가서 수중에서 필요한 작업을 수행하였다. 이는 호흡문제로 인해 장시간 작업이 어렵고 수중 부유물로 인해 시계가 좋지 않으며 조류가 심한 곳에서는 작업하기 어려운 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 수중로봇이 도입되고 있다. 수중로봇은 해저탐사용으로 개발되어 각종 수중 환경정보 수집과 경로 및 자원 탐사 등과 같은 여러 가지 작업을 수행하여 수면의 선박으로 정보를 전달하도록 한다. 이 경우, 선박에서는 수중로봇의 위치를 실시간으로 정확하게 파악하는 것이 중요하다.

일반적으로 알려진 종래의 수중로봇 위치측정기술로는 장기선(LBL:Long Base Line), 단기선(SBL:Short Base Line) 및 초단기선(SSBL:Super Short Base Line) 위치인식법이 있다. LBL 기법은 해저면에 3개소 이상에 트랜스폰더를 설치하고 트랜스폰더가 형성하는 공간 내부에서 수중로봇이 이동할 때 그 위치를 측정하는 시스템으로 수 Km 이상의 장거리 영역에서 사용되고 있다. 정확도면에서 SBL이나 SSBL 기법보다 정확한 측면은 있으나 작업영역 외곽에 트랜스폰더를 설치하고 초기 정렬해야 하는 번거로움이 있어 주로 반복적인 활용이 가능한 해저 구조물 작업에 제한적으로 사용된다.

또한, SBL 기법은 선박 가장자리에 음파수신센서를 부착하고 해저에 위치한 수중로봇이 선박으로부터 일정거리 이상일 때 수중로봇에서 전송된 음파신호를 음파수신센서에서 수신하여 수중로봇의 위치를 측정하는 기술이다. 그러나 이는 음파수신센서가 선체의 가장자리에 고정되어 있어 선박이 파도에 흔들릴 경우 센서의 움직임으로 인해 수중로봇의 측정위치에 큰 오차가 발생할 수 있는 문제점이 있다.

또한, SSBL 기법은 다수의 음파수신센서와 트랜스듀서를 30㎝ 이내로 배열시킨 트랜스폰더를 선박의 현측에 배치하여 운용하는 것이다. 이 방법은 구조적으로 소형화할 수 있으나 정확도가 상기한 SBL 시스템에 비해 상당히 부족하다.

이와 같이 종래의 LBL 기법은 운용기법상 적용가능한 분야가 제한적이고, 나머지 SBL 및 SSBL 기법은 수중로봇이 해저에 위치하고 선박의 선측면에 음파수신센서가 배치됨으로써 선박의 흔들림에 따라 정확도가 결여되는 한계성을 가진다.

한편, 본 출원인의 한국등록특허 제10-1180331호에는 선저에서 작업하는 수중로봇의 위치를 측정하는 장치가 개시되어 있다. 이러한 선행특허는 선박의 선저면에 설치되어 그 위치가 알려진 다수의 음파수신센서와의 위치관계를 이용하여 수중환경에서 수중로봇의 위치를 정확하게 측정할 수 있는 장점은 있으나, 수중로봇의 위치측정시 선저에 설치된 다수의 음파수신센서와의 위치관계를 이용하기 때문에 수중로봇이 선저가 아닌 선저 밖으로 수중으로 이동한 경우에는 위치 및 방향을 정확하게 측정하기 어렵다는 문제점이 있다.

따라서, 수중로봇이 선박으로부터 멀리 떨어진 수중에 존재하는 경우에 그 수중로봇의 위치 및 방향을 정밀하게 측정할 수 있는 기술개발에 대한 요구가 대두되고 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 수중환경의 공간에서 이동하면서 작업하는 수중로봇의 위치 및 방향을 정밀하게 측정할 수 있는 수중로봇의 위치측정장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 해상의 선박에서 해저면에 설치된 다수의 음파수신센서와의 위치관계를 이용하여 수중에서 수중로봇의 위치를 정확하게 측정할 수 있는 수중로봇의 위치 측정장치를 제공하는 다른 목적이 있다.

나아가, 본 발명은 장치의 설치가 용이하고 파도 등으로 인한 선박의 흔들림에도 수중로봇의 위치측정 정확도를 향상시킬 수 있는 수중로봇의 위치측정장치를 제공하는데 추가적인 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수중로봇의 위치 측정장치는,

선박으로부터 일정거리로 떨어진 수중에서 작업하는 수중로봇에 부착되어 수중으로 음파를 발생하는 제1 음파발생부; 상기 선박 및 수중로봇에 일정거리 떨어진 수중구조물에 설치되어 상기 제1 음파발생부로부터 수중으로 발생된 음파를 수신하는 다수의 제1 음파수신부; 상기 수중구조물에 설치되며 수중으로 음파를 발생하는 다수의 제2 음파발생부; 상기 선박의 선저의 형상에 대응하는 다수의 위치에 부착되어 상기 제2 음파발생부로부터 수중으로 발생된 음파를 수신하는 다수의 제2 음파수신부; 및 상기 각 제1 및 제2 음파발생부로 상기 음파의 발생을 위한 음파발생신호를 각각 전송하고 상기 각 제1 음파수신부에서 상기 제1 음파발생부의 음파를 수신한 음파수신시간을 이용하여 상기 제1 음파수신부로부터 상기 제1 음파발생부의 거리를 계산하고 상기 각 제2 음파수신부에서 상기 제2 음파발생부의 음파를 수신한 음파수신시간을 이용하여 상기 제2 음파수신부로부터 상기 제2 음파발생부의 거리를 계산하며, 상기 계산된 각 거리를 이용하여 상기 수중로봇의 위치를 계산하는 제어부를 포함한다.

본 발명에서, 상기 제어부는, 상기 측정된 제1 및 제2 음파발생부의 거리를 이용하여 상기 제2 음파발생부에 대한 절대좌표 위치를 계산하며 상기 제2 음파발생부의 절대좌표 위치를 이용하여 상기 제1 음파발생부의 절대위치를 계산한다.

본 발명에서, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 음파발생부와 양방향 통신을 각각 수행하여 상기 제1 및 제2 음파발생부로 음파발생신호를 전송하고 상기 제1 및 제2 음파발생부로부터 음파발생시간을 수신하는 제1 양방향 통신모듈; 상기 음파발생신호의 전송시간을 카운트하는 제1 타이머; 상기 제1 및 제2 음파수신부로 제어신호를 전송하고 상기 각 음파수신부로부터 음파수신시간을 각각 수신하는 송수신모듈; 및 상기 제1 양방향 통신모듈 및 상기 각 음파수신부로부터 각각 수신된 음파발생시간 및 음파수신시간을 이용하여 상기 제1 및 제2 음파발생부의 위치를 계산하는 위치계산부를 포함한다.

본 발명에서, 상기 제1 및 제2 음파발생부로부터 수신된 각 음파발생시간과 상기 제1 및 제2 음파수신부에서 수신한 상기 제1 및 제2 음파발생부별 음파수신시간 간의 지연시간 차이를 이용하여 상기 제1 및 제2 음파발생부의 위치를 계산한다.

본 발명에서, 상기 위치계산부는, 상기 계산된 제1 및 제2 음파발생부의 거리를 이용하여 상기 다수의 제2 음파발생부로부터 상기 수중로봇 간의 거리를 각각 계산한다.

본 발명에서, 상기 제2 음파발생부 및 상기 수중로봇의 위치를 시각적으로 디스플레이하는 표시부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서, 상기 표시부는, 상기 제2 음파발생부에 대한 상기 수중로봇의 상대좌표를 더 디스플레이한다.

본 발명에서, 상기 제1 및 제2 음파발생부는, 상기 제어부와의 양방향 통신을 수행하여 상기 제어부로부터 상기 음파발생신호를 수신하고 음파발생시 음파발생시간을 상기 제어부로 전송하는 제2 양방향 통신모듈; 상기 제2 양방향 통신모듈을 통해 수신된 음파발생신호에 따라 수중으로 음파를 발생하는 음파발진모듈; 및 상기 음파발생시간을 카운트하는 제2 타이머를 포함한다.

본 발명에서, 상기 제1 및 제2 음파수신부는, 상기 제1 및 제2 음파발생부로부터 수중으로 발생되는 음파를 각각 수신하는 음파수신모듈; 상기 수신되는 음파의 수신시간을 각각 카운트하는 제3 타이머; 상기 카운트된 음파수신시간을 저장하는 메모리; 및 상기 음파수신시간을 상기 제어부로 전송하는 통신부를 포함한다.

본 발명에서, 상기 제1 음파수신부 및 제2 음파발생부는 동일한 위치 및 개수로 고정설치된다.

본 발명에서, 상기 제1 음파수신부 및 제2 음파발생부는 각각 삼각형 형태가 되도록 서로 일체형으로 형성된다.

본 발명에서, 상기 수중구조물에 형성되며 상기 제1 음파수신부 또는 제2 음파발생부의 수심을 검출하는 수심센서를 더 포함하며 상기 수심센서에서 검출된 수심정보를 상기 제어부로 전송한다.

본 발명에서, 상기 수심센서는 상기 제1 음파수신부 또는 제2 음파발생부 중 적어도 하나에 부착되거나 또는 내부에 내장된다.

본 발명에서, 상기 제어부는, 상기 다수의 제1 음파수신부 중 적어도 3개의 제1 음파수신부별로 각각 수신한 상기 제1 음파발생부의 음파수신시간 간의 지연시간을 이용하여 상기 제1 음파수신부로부터 제1 음파발생부까지의 거리 및 방향을 계산하고, 상기 다수의 제2 음파수신부 중 적어도 3개의 제2 음파수신부별로 각각 수신한 상기 제2 음파발생부의 음파수신시간 간의 지연시간을 이용하여 상기 제2 음파수신부로부터 제2 음파발생부까지의 거리 및 방향을 계산하며, 상기 계산된 두 거리 및 방향으로부터 상기 수중구조물을 기준으로 상기 수중로봇까지의 거리 및 방향, 상기 선박을 기준으로 상기 수중구조물과 수중로봇까지의 각각의 거리 및 방향을 계산하는 계산한다.

본 발명에 따른 수중로봇의 위치 측정장치에서는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

먼저, 본 발명에 의하면 수중구조물을 해저면에 고정되도록 설치하고 이러한 수중구조물과의 위치관계를 통해 수중로봇의 위치를 측정하기 때문에 선박이 파도나 바람 등에 의해 흔들리더라도 수중에서 작업하는 수중로봇의 위치를 정밀하게 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 선박의 흔들림을 측정하는 정밀계측기 없이도 반복작업에 의해 수중구조물에 설치된 음파수신부의 기준위치 측정이 가능함으로써, 소규모의 위치측정장비로도 수중로봇의 정밀한 위치측정이 가능하다.

또한, 본 발명에 의하면 이동식 수중구조물을 적용함으로써 종래의 LBL과 같은 고정식 위치 측정장치보다는 이동성이 증대되며 선박에 설치되는 종래의 SBL 위치 측정장치보다 더 정밀한 위치측정이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇의 위치 측정장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇의 위치 측정장치의 구현 예.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 제어부, 제1,2 음파발생부 및 제1,2 음파수신부가 통신하는 모습을 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 음파발생부 및 제1 음파수신부에서의 음파발생시간과 음파수신시간에 대한 타임차트의 예시도.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제2 음파발생부 및 제2 음파수신부에서의 음파발생시간과 음파수신시간에 대한 타임차트의 예시도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 음파발생부의 위치를 계산하는 개념을 도시한 일 예시도.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇의 위치 측정장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수중로봇의 위치 측정장치(100)는 제1 음파발생부(110), 다수의 제1 음파수신부(130), 다수의 제2 음파발생부(140), 다수의 제2 음파수신부(160) 및 제어부(170)를 포함하여 구성된다. 또한, 본 발명의 다른 실시 예에서 상기한 수중로봇의 위치 측정장치(100)는 제1 수심센서(120), 제2 수심센서(150), 표시부(180) 중 적어도 하나 이상을 더 포함할 수도 있다.

제1 음파발생부(110)는 수중로봇(10)에 하나가 설치된다. 수중로봇(10)은 수중에서 이동하면서 기설정된 수중작업을 수행한다. 이러한 제1 음파발생부(110)는 외부에서 제어부(170)로부터 수신되는 음파발생신호에 따라 수중으로 음파를 발생한다. 수중로봇(10)에는 제1 수심센서(120)가 더 설치될 수도 있다. 이러한 제1 수심센서(120)는 제1 음파발생부(110)의 수심정보를 제어부(170)로 전송한다.

다수의 제1 음파수신부(130)는 바람직하게는 수중구조물(20)에 설치된다. 이러한 수중구조물(20)은 파도, 해조류, 물고기 등으로 인해 이동되지 않도록 해저면에 고정설치되는 물체이다. 각 제1 음파수신부(130)는 제1 음파발생부(110)로부터 수중으로 발생된 음파를 수신한다. 이들 제1 음파수신부(130)는 수중구조물(20)에 다수 개가 설치되는데, 수중구조물(20)의 위치를 정확하게 측정하기 위하여 최소 3개가 설치된다. 이하에서는 설명의 편의상 제1 음파수신부(130)는 서로 일정한 간격을 유지하며 3개로 설치된 일례에 대하여 설명하기로 한다.

다수의 제2 음파발생부(140)도 수중구조물(20)에 설치된다. 이들 각 제2 음파발생부(140)는 외부에서 제어부(170)로부터 수신되는 음파발생신호에 따라 수중으로 음파를 각각 발생한다. 이러한 제2 음파발생부(140)도 수중구조물(20)에 다수 개가 설치되는데, 바람직하게는 미리 설정된 임의의 장소에 최소 3개가 설치된다. 예컨대, 제2 음파발생부(140)는 상기한 제1 음파수신부(130)와 동일한 위치에 설치될 수 있다. 즉, 제2 음파발생부(140)도 예컨대 3개가 서로 일정간격을 유지하도록 설치될 수 있다.

본 실시 예에서는 제1 음파수신부(130)와 제2 음파발생부(140)가 일례로 각각 3개씩으로 구성되고 이러한 3개가 수중구조물(20)에 기하학적 구조로 배치된다. 예컨대 삼각형 형태로 배치된다. 이때, 이들 3개의 제1 음파수신부(130)는 서로 일정거리만큼 떨어져 있으므로 제1 음파발생부(110)로부터 이들 각각의 제1 음파수신부(130) 간에는 각각 거리차이가 발생하고 그 거리차이로 인해 3개의 제1 음파수신부(130)에서 제1 음파발생부(110)로부터 수중으로 발생되는 음파를 각각 수신하는 시간, 즉 음파수신시간에는 지연이 발생한다.

제2 음파수신부(160)는 선박의 선저(30)측 부근에 다수 개가 설치된다. 제2 음파수신부(160)는 수중구조물(20)에 설치된 다수의 제2 음파발생부(140)으로부터 수중으로 발생된 음파를 수신한다. 본 실시 예에서 다수의 제2 음파발생부(140) 중 적어도 하나에서 수중으로 발생된 음파를 수신하도록 설정할 수 있다. 이러한 제2 음파수신부(160)는 3개 또는 4개가 바람직하다. 본 실시 예에서는 일례로 선저(30)의 형상에 대응하는 4개의 위치에 설치한다. 이러한 4개의 제2 음파수신부(160)의 설치위치에 따라 선저(30)의 형상을 개략적으로 파악할 수 있게 된다. 이와 같이 설치된 4개의 제2 음파수신부(160)에서 제2 음파발생부(140)로부터 발생되는 음파를 반복해서 수신함으로써 선저(30)에 설치된 제2 음파수신부(160)의 설치위치를 고려하면 각 제2 음파발생부(120)의 위치를 측정할 수 있게 된다.

제어부(170)는 제1 음파발생부(110)로 음파발생신호를 출력하여 수중으로 음파를 발생하도록 하고 제1 음파발생부(110)로부터 발생된 음파에 대하여 다수의 제1 음파수신부(130)에서 수신한 각각의 음파수신시간 간의 차이를 이용하여 제1 음파발생부(110)의 위치를 계산한다. 또한, 다수의 제2 음파발생부(140)로 음파발생신호를 출력하여 수중으로 음파를 발생하도록 하고 제2 음파발생부(140)로부터 발생된 음파에 대하여 다수의 제2 음파수신부(160)에서 수신한 각각의 음파수신시간 간의 차이를 이용하여 제2 음파발생부(120)의 위치를 계산한다. 이때, 제2 음파발생부(120)의 위치계산에서는 다수의 제2 음파발생부(120) 중에서 적어도 하나에 대하여 위치를 계산하도록 설정한다.

또한, 제어부(170)는 상기와 같이 각각 계산된 제1 음파발생부(110) 및 제2 음파발생부(140)의 위치정보를 이용하여 선저(30)에 대한 수중로봇(10)의 상대위치를 측정한다. 이를 통해 선저(30)로부터 어느 위치에 수중로봇(10)이 작업하고 있는지 그 작업위치를 파악할 수 있게 된다. 이때, 이러한 위치는 선저(30)로부터 수중로봇(10)까지의 거리 및 방향을 모두 포함한다.

표시부(180)는 제1 음파발생부(110) 및 다수의 제2 음파발생부(130)의 위치를 시각적으로 디스플레이한다. 이로써, 수중구조물(20) 및 수중로봇(10)의 위치를 화면으로 표시 및 확인할 수 있다. 또한, 표시부(180)는 수중구조물(20)에 대한 수중로봇(110)의 상대좌표도 디스플레이한다. 이로써, 운용자는 수중구조물(20)로부터 수중로봇(110)이 어느 위치에서 작업하는지를 화면을 통하여 시각적으로 확인할 수 있게 된다.

제1 수심센서(120)는 제1 음파발생부(110)가 위치한 지점의 수심을 검출하여 제어부(170)로 전송한다. 또한, 제2 수심센서(150)는 제1 음파수신부(130) 및 제2 음파발생부(140)가 위치한 지점의 수심을 검출하여 제어부(170)로 전송한다. 이를 위하여 제2 수심센서(150)는 다수의 제1 음파수신부(130) 및 제2 음파발생부(140) 중 적어도 하나 이상에 부착되거나 그 내부에 내장됨이 바람직하다. 이러한 각 수심정보는 수중로봇(10)의 위치를 측정하는데 이용될 수 있다. 이는 하기에서 다시 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 수중로봇의 위치 측정장치의 구현 예이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 수중로봇(10)은 선박(40)으로부터 일정거리 만큼 떨어진 수중에서 이동하면서 작업을 수행하는데 수중로봇(10)에 대한 수중 작업명령은 선박(40)과 연결된 케이블을 통해 수중로봇(10)에 전달된다. 수중구조물(20)은 수중로봇(10)과 선박(40)으로부터 일정한 거리로 떨어진 해저면에 고정설치되며 역시 선박(40)과 연결된 케이블을 통해 신호를 송수신한다. 이러한 수중구조물(20)은 수중로봇(10)의 작업위치에 따라 다른 위치로 이동시킬 수도 있다.

수중로봇(10)에 설치된 제1 음파발생부(110)는 제어부(170)로부터 수신되는 음파발생신호에 따라 수중으로 음파를 발생하고 그 음파발생시간을 카운트하여 제어부(170)로 회신한다. 이처럼, 제1 음파발생부(110)로부터 수중으로 발생된 음파는 수중구조물(20)에 설치된 3개의 제1 음파수신부(130)에서 각각 수신한다. 이때, 3개의 제1 음파수신부(130)는 서로 일정한 간격으로 떨어져 설치되므로 각 제1 음파수신부(130)에서 제1 음파발생부(110)의 음파를 수신하는 음파수신시간이 각각 다르게 나타난다. 즉, 3개의 음파수신시간 간에는 시간지연이 발생한다.

수중구조물(20)에는 3개의 제1 음파수신부(130) 및 이와 동일한 개수와 위치에 3개의 제2 음파발생부(140)가 설치된다. 제2 음파발생부(140)도 제어부(170)로부터 수신되는 음파발생신호에 따라 수중으로 음파를 발생하고 그 음파발생시간을 카운트하여 제어부(170)로 회신한다. 이처럼 제2 음파발생부(140)로부터 수중으로 발생된 음파는 선저(30)에 설치된 다수의 제2 음파수신부(160)에서 각각 수신한다. 이 경우에도 다수의 제2 음파수신부(160)에서 제2 음파발생부(140)의 음파를 수신하는 음파수신시간이 각각 다르게 나타나며, 각 음파수신시간 간에 시간지연이 발생한다.

도면에서 알 수 있듯이 수중구조물(20)은 선저(30)로부터 일정거리에 떨어져 해저면에 설치되며 다수의 제1 음파수신부(130) 및 제2 음파발생부(140)는 기하학적인 배치의 구조물로 설치된다. 이러한 기하학적 배치로 인해 음파를 발생하는 수중로봇(10)의 제1 음파발생부(110)의 위치를 계산할 수 있다. 본 실시 예에서는 일례로 제1 음파수신부(130)가 제1 음파발생부(110)의 음파를 삼각형 형태로 수신하기 위해 3개로 구현되어 삼각형 형태로 해저면에 고정설치됨으로써 표류하지 못하게 한다. 나아가, 바람직하게는 소정의 연결부재를 이용하여 서로 연결함으로써 일체형으로 구현하도록 할 수 있다. 이로써, 해저에 설치가 간편해진다. 제1 음파수신부(130)는 제1 음파발생부(110)로부터 발생된 음파를 수신함에 있어서 다수의 제1 음파수신부(130)가 제1 음파발생부(110)의 음파를 서로 독립적으로 수신한다. 이들 각 제1 음파수신부(130)가 위치한 지점의 수심은 제2 수심센서(150)에 의해 측정될 수 있다. 이렇게 각 제1 음파수신부(130)에서 음파를 수신하면 그 음파의 수신시간을 유무선 통신을 이용하여 제어부(170)로 회신한다. 바람직하게는 유선으로 음파수신 시간을 전송한다.

선박(40)의 선저(30)에 다수의 제2 음파수신부(160)가 설치된다. 본 실시 예에서는 예컨대 4개가 설치된다. 제2 음파수신부(160)는 제2 음파발생부(140)로부터 수중으로 발생된 음파를 수신하고 그 음파수신시간을 제어부(170)로 전송한다. 이때 각 제2 음파수신부(160)는 제2 음파발생부(130)의 음파를 서로 독립적으로 수신한다. 이들 각 제2 음파수신부(160)의 위치는 DGPS를 이용하여 측정될 수 있다.

제어부(170)는 선박(40)에 설치되며 제1 음파발생부(110), 다수의 제1 음파수신부(130), 다수의 제2 음파발생부(140) 및 다수의 제2 음파수신부(160)와 통신을 수행한다. 또한, 제어부(170)는 제1 및 제2 음파발생부(110,120)로 각각 음파발생신호를 전송하고 그 각각의 음파의 발생시간을 수신하여 저장하며, 제1 및 제2 음파수신부(130,140)로부터 음파의 수신시간을 수신하여 저장한다. 이로써, 제어부 (170)는 각 제1 음파수신부(130)로부터 수신된 제1 음파발생부(110)의 음파에 대한 음파수신시간 간의 지연시간을 이용하여 수중구조물(20)로부터 수중로봇(10)의 상대위치를 계산하고, 나아가 다수의 제2 음파수신부(160)로부터 수신된 제2 음파발생부(140)의 음파에 대한 음파수신시간 간의 지연시간을 이용하여 선저(30)로부터 수중구조물(20)의 상대위치를 계산한다.

수중구조물(20)의 위치는 수시로 바뀌는 것이 아니므로 1차적으로 수중구조물(20)의 위치를 반복적으로 측정하여 파도에 의한 선박(40)의 흔들림이나 측정오차를 제거하여 정밀한 위치를 확보한다. 수중구조물(20)의 정밀한 위치가 측정되면 2차적으로 수중로봇(10)의 위치를 연속적으로 측정할 수 있게 된다. 이와 같이, 수중로봇(10)은 자체적인 위치인식기능이 없으므로 선박(40)으로부터 위치를 전달받아 해당 위치에 대한 수중작업을 수행할 수 있도록 한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 제어부, 제1,2 음파발생부 및 제1,2 음파수신부가 통신하는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 제어부(170)는 제1 양방향 통신모듈(171), 제1 타이머(172), 송수신모듈(174) 및 위치계산모듈(175)을 포함하며, 나아가 타이머 동기화모듈(173)을 더 포함할 수 있다.

제1 양방향 통신모듈(171)은 제1 및 제2 음파발생부(110,140)와 양방향 통신을 수행하여 제1 및 제2 음파발생부(110,140)로 음파발생신호를 전송하고 제1 및 제2 음파발생부(110,140)로부터 음파발생에 따른 음파발생시간을 수신한다. 이러한 제1 양방향통신모듈(171)은 유선 또는 무선으로 신호를 송수신할 수 있다. 본 실시 예에서는 바람직하게는 유선통신을 통해 제1 및 제2 음파발생신호 및 음파발생시간을 송수신하고, 무선통신을 통해 제2 음파수신부(160)의 음파수신시간을 수신한다.

제1 타이머(172)는 제어부(170)에서 제1 및 제2 음파발생부(110,140)로 전송되는 음파발생신호의 전송시간을 카운트한다.

송수신모듈(174)는 제어부(170)에서 각각의 제1 음파수신부(130) 및 제2 음파수신부(160)로 동작을 위한 제어신호를 각각 전송하고, 이러한 제1 및 제2 음파수신부(130,160)로부터 제1 및 제2 음파발생부(110,140)의 음파에 대한 음파수신시간을 각각 수신한다.

위치계산모듈(175)은 제1 양방향 통신모듈(171) 및 제1 음파수신부(130) 및 제2 음파수신부(160)로부터 수신된 음파발생시간 및 음파수신시간을 이용하여 제1 음파발생부(110) 및 제2 음파발생부(140)의 위치를 각각 계산하고, 그 제1 및 제2 음파발생부(110,140)의 상대위치로부터 수중로봇(10)의 절대좌표 위치를 산출한다. 더 바람직하게는 위치계산부(175)에서 각 제1 및 제2 음파발생부(110,140)별로 음파발생시간 및 음파수신시간 간의 지연시간 차이를 이용하여 제1 음파발생부(110) 및 제2 음파발생부(140)의 위치를 계산한다. 이에 대해서는 하기에서 구체적으로 설명한다.

타이머동기화모듈(173)은 제어부(170)의 제1 타이머(172), 후술하는 제1 및 제2 음파발생부(110,140)의 제2 타이머(113) 및 제1 및 제2 음파수신부(130,160)의 제3 타이머(133) 간의 시간동기화를 수행한다. 이는 제어부(170)에서 음파발생시간 및 음파수신시간의 정확도를 높이기 위하여 각 타이머(172,113,133) 간의 카운트시간을 동기화를 수행하기 위한 것이다.

또한, 본 발명에 따른 제1 및 제2 음파발생부(110,140)는 각각 제2 양방향 통신모듈(111), 음파발진모듈(112) 및 제2 타이머(113)를 포함한다.

제2 양방향 통신모듈(112)은 상기한 바와 같이 제어부(170)와 양방향 통신을 수행하여 제어부(170)로부터 음파발생신호를 수신하고 음파발생에 따른 그 음파발생시간을 다시 제어부(170)로 회신한다. 이로써, 제어부(170)는 제1 및 제2 음파발생부(110)에서 발생한 각 음파의 발생시간을 얻게 된다.

음파발진모듈(112)은 제어부(170)로부터 제2 양방향 통신모듈(112)을 통해 수신된 음파발생신호에 따라 수중으로 음파를 발생한다. 이러한 음파는 수중에서 무선으로 전송되는 무선파이다.

제2 타이머(113)는 음파발진모듈(112)에서 각각 발생한 음파의 발생시간을 각각 카운트한다. 이와 같이 카운트된 음파발생시간은 제2 양방향 통신모듈(111)을 통해 제어부(170)로 전송된다.

또한, 본 발명에 따른 제1 및 제2 음파수신부(130,160)는 각각 음파수신모듈(131), 제2 타이머(132), 메모리(133) 및 통신부(134)를 포함하여 구성된다.

음파수신모듈(131)은 제1 및 제2 음파발생부(110,140)로부터 수중으로 각각 발생되는 음파를 수신한다. 이때, 제2타이머(132)는 각각 수신된 음파에 대한 음파수신시간을 카운트한다. 메모리(133)는 카운트된 음파수신시간을 저장한다. 또한, 통신부(134)는 이들 음파수신시간을 제어부(170)로 전송한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 음파발생부 및 제1 음파수신부에서의 음파발생시간과 음파수신시간에 대한 타임차트의 예시도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제2 음파발생부 및 제2 음파수신부에서의 음파발생시간과 음파수신시간에 대한 타임차트의 예시도이다.

먼저, 도 4는 일례로 제어부(170)에서의 음파발생신호의 출력시점, 제1 음파발생부(110)에서의 음파발생시간의 출력시점, 제1 음파수신부(130)에서의 음파수신시간의 출력시점에 대한 타이밍을 도시하고 있다.

도 4를 참조하면, 선박(40)에 위치한 제어부(170)에서 유선 통신을 통해 수중로봇(10)에 설치된 제1 음파발생부(110)로 t10시점에 음파발생신호를 전송한다. 제1 음파발생부(110)가 음파발생명령신호에 따라 t11시점에 음파를 발생시키면 다수의 제1 음파수신부(130)에서는 t12,t13,t14 시점에 각각 음파를 수신하게 된다. 이때, 제어부(170)와 제1 음파발생부(110) 간에는 일정한 거리가 있으므로 약간의 시간지연(t11-t10)이 발생하며, 제1 음파발생부(110)에서 음파를 발생한 시점(t11) 이후에 일정한 시간이 경과하여 t12 시점부터 차례로 제1 음파수신부(130)에서 이러한 음파를 수신하게 된다. 각각의 제1 음파수신부(130)는 제1 음파발생부(110)와의 거리가 각각 다르므로, 도 4의 예시와 같이 음파를 수신하는 시점(t12,t13,t14)도 각각 다르게 나타난다. 따라서, 제어부(170)에서는 이러한 음파수신시간의 차이를 이용함으로써 제1 수신부(130)로부터 음파발생부(110)의 위치를 측정하게 된다.

또한, 도 5에는 일례로 제어부(170)에서의 음파발생신호의 출력시점, 제2 음파발생부(140)에서의 음파발생시간의 출력시점, 제2 음파수신부(160)에서의 음파수신시간의 출력시점에 대한 타이밍을 도시하고 있다. 도 5에도 제어부(170)에서 t20시점에 음파발생신호를 전송하면 제2 음파발생부(140)에서는 t21시점에 음파를 발생하고 다수의 제2 음파수신부(160)에서는 t22,t23,t24시점에 각각 음파를 수신한다. 이때, 제어부(170)에서는 제2 음파발생부(140)의 위치를 반복하여 측정하기 위해 음파발생신호를 반복해서 출력할 수도 있다. 즉 t25시점에 재차 음파발생신호를 출력할 수도 있다. 그러면 위와 동일하게 제2 음파발생부(140)는 t26시점에 음파를 발생하고 각 제2 음파수신부(160)에서는 t27,t28,t29시점에 각각 음파를 수신한다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 음파발생부의 위치를 계산하는 개념을 도시한 일 예시도이다.

도 6에서는 일례로 수중구조물(20)로부터 수중로봇(10)의 위치를 측정하는 예를 설명하기로 한다. P는 수중로봇(10)에 설치된 제1 음파발생부(110)이고 A,B,C는 수중구조물(20)에 설치된 3개의 제1 음파수신부(130)를 나타낸다. P의 좌표를 (x,y,z)이라고 하고, A의 음파수신부1을 원점으로 두고 B의 음파수신부2를 X축과 일치시키면, 제1 음파발생부의 위치(P)와 A,B,C 음파수신부 간의 거리 a, b, c에 대해서는 하기와 같이 수학식 1이 성립한다.

......(2)

......(3)

이때, d는 A,B,C 음파수신부 간의 거리이며, 각 음파발생부의 좌표는 위 3개의 방정식을 이용하여 a,b,c를 계산하고, 이로부터 P(x,y,z)를 구할 수 있다.

또한, 제1 수심센서(120)를 이용하는 경우 P의 높이(h)는 제1 음파발생부(110)의 수심과 동일하므로 P(x,y,z)에서 z=h가 되며, 하기와 같은 수학식2가 성립한다.

......(5)

위 방정식을 풀면 P의 좌표를 구할 수 있는데, 수학식 1의 방법과 비교할 때 제1 수심센서(120)의 정확도가 월등히 정밀하므로 위치계산에서 정확성이 개선될 수 있는 장점이 있다.

이처럼, 3개의 제1 음파수신부(130)에서 측정된 제1 음파발생부(110)의 음파수신시간 간의 지연시간 차이를 이용하면 제1 음파발생부(110)와 각각의 제1 음파수신부(130) 간의 거리가 계산되며, 더 나아가 수중로봇(10)에 설치된 제1 수심센서(120)에서 측정된 수심을 고려하고 제1 음파수신부(130)를 기준으로 할 때 측정대상인 제1 음파발생부(110)의 위치는 유일하게 명시될 수 있다. 따라서 제1 음파발생부(110)의 위치가 정확하게 측정되면 수중에서 제1 음파수신부(130)에 대한 수중로봇(10)의 상대위치 정보는 연속적으로 측정할 수 있게 된다.

위와 동일한 방식으로 선저(30)에서 수중구조물(20)의 위치도 정확하게 구할 수 있다. 즉, 선저(30)에 제2 음파수신부(160)에서도 동일한 방식을 적용하면 DGPS 측정에 의해 알려진 좌표인 4개의 제2 음파수신부(160)에 의해 수중구조물(20)에 부착된 제2 음파발생부(140)의 위치도 유일하게 측정될 수 있다. 이러한 결과로부터 수중로봇(10)의 위치를 측정할 수 있으며, 그 위치는 절대좌표 위치가 된다. 이러한 절대좌표 위치는 GPS에 의해 결정되는 유일한 좌표계의 위치이다.

이와 같이, 수중에 존재하는 수중로봇(10)의 좌표는 수중구조물(20)에서 위치가 알려진 3개 이상의 음파수신부에서 음파를 수신하는 경우 그 음파의 수신시간 차이를 이용함으로써 구할 수 있다. 이때, 수중구조물(20)에서 수중로봇(10)의 절대좌표 위치를 알기 위해서는 수중구조물(20) 내 3개의 음파수신부의 절대좌표를 알아야 한다. 이를 위해 선저(30)에 설치된 4개의 음파수신부에서 수중구조물(20)에 설치된 3개의 음파발생부의 음파를 수신하고, 각 음파수신시간의 지연시간 차이를 이용하여 수중구조물(20)의 절대좌표 위치를 계산하도록 한다. 이러한 관계에 의해 수중구조물(20)의 절대좌표 위치 및 수중로봇(10)의 절대좌표 위치를 계산할 수 있다.

상기에서 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

수중정보를 획득하기 위해서는 수중에서 작업하는 수중로봇의 위치를 정확하게 파악하고 판단할 필요가 있다. 특히, 수중로봇이 해저의 시계가 잘 확보되지 않는 탁도가 높은 곳에서 수중작업을 해야하는 경우, 작업대상 목표지점을 파악하고 정확히 이동해야 하는데, 이때 수중로봇의 위치 인식이 정확하지 않으면 수중 탐사에 장시간을 허비하게 되므로 수중위치 인식은 매우 중요한 조건이 된다.

이러한 측면에서 본 발명에 따른 수중로봇의 위치 측정장치는 선박으로부터 일정한 거리에 떨어져 이동하면서 주중작업하는 수중로봇의 위치를 간단한 구성으로 정밀하게 측정할 수 있으므로 해양 관련산업에 유용하게 적용될 수 있다.

10 : 수중로봇 20 : 수중구조물
30 : 선저 40 : 선박
110 : 제1 음파발생부 120 : 제1 수심센서
130 : 제1 음파수신부 140 : 제2 음파발생부
150 : 제2 수심센서 160 : 제2 음파수신부
170 : 제어부 180 : 표시부

Claims

선박으로부터 일정거리로 떨어진 수중에서 작업하는 수중로봇에 부착되어 수중으로 음파를 발생하는 제1 음파발생부;
상기 선박 및 수중로봇에 일정거리 떨어진 수중구조물에 설치되어 상기 제1 음파발생부로부터 수중으로 발생된 음파를 수신하는 다수의 제1 음파수신부;
상기 수중구조물에 설치되며 수중으로 음파를 발생하는 다수의 제2 음파발생부;
상기 선박의 선저의 형상에 대응하는 다수의 위치에 부착되어 상기 제2 음파발생부로부터 수중으로 발생된 음파를 수신하는 다수의 제2 음파수신부; 및
상기 각 제1 및 제2 음파발생부로 상기 음파의 발생을 위한 음파발생신호를 각각 전송하고 상기 각 제1 음파수신부에서 상기 제1 음파발생부의 음파를 수신한 음파수신시간을 이용하여 상기 제1 음파수신부로부터 상기 제1 음파발생부의 거리를 계산하고 상기 각 제2 음파수신부에서 상기 제2 음파발생부의 음파를 수신한 음파수신시간을 이용하여 상기 제2 음파수신부로부터 상기 제2 음파발생부의 거리를 계산하며, 상기 계산된 각 거리를 이용하여 상기 수중로봇의 위치를 계산하는 제어부; 를 포함하는 수중로봇의 위치 측정장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 측정된 제1 및 제2 음파발생부의 거리를 이용하여 상기 제2 음파발생부에 대한 절대좌표 위치를 계산하며 상기 제2 음파발생부의 절대좌표 위치를 이용하여 상기 제1 음파발생부의 절대위치를 계산하는 수중로봇의 위치측정장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 제1 및 제2 음파발생부와 양방향 통신을 각각 수행하여 상기 제1 및 제2 음파발생부로 음파발생신호를 전송하고 상기 제1 및 제2 음파발생부로부터 음파발생시간을 수신하는 제1 양방향 통신모듈;
상기 음파발생신호의 전송시간을 카운트하는 제1 타이머;
상기 제1 및 제2 음파수신부로 제어신호를 전송하고 상기 각 음파수신부로부터 음파수신시간을 각각 수신하는 송수신모듈; 및
상기 제1 양방향 통신모듈 및 상기 각 음파수신부로부터 각각 수신된 음파발생시간 및 음파수신시간을 이용하여 상기 제1 및 제2 음파발생부의 위치를 계산하는 위치계산부; 를 포함하는 수중로봇의 위치 측정장치.
제3항에 있어서,
상기 제1 및 제2 음파발생부로부터 수신된 각 음파발생시간과 상기 제1 및 제1 음파수신부에서 수신한 상기 제1 및 제2 음파발생부별 음파수신시간 간의 지연시간 차이를 이용하여 상기 제1 및 제2 음파발생부의 위치를 계산하는 수중로봇의 위치 측정장치.
제4항에 있어서, 상기 위치계산부는,
상기 계산된 제1 및 제2 음파발생부의 거리를 이용하여 상기 다수의 제2 음파발생부로부터 상기 수중로봇 간의 거리를 각각 계산하는 수중로봇의 위치 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 음파발생부 및 상기 수중로봇의 위치를 시각적으로 디스플레이하는 표시부를 더 포함하는 수중로봇의 위치 측정장치.
제6항에 있어서, 상기 표시부는,
상기 제2 음파발생부에 대한 상기 수중로봇의 상대좌표를 더 디스플레이하는 수중로봇의 위치 측정장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 음파발생부는,
상기 제어부와의 양방향 통신을 수행하여 상기 제어부로부터 상기 음파발생신호를 수신하고 음파발생시 음파발생시간을 상기 제어부로 전송하는 제2 양방향 통신모듈;
상기 제2 양방향 통신모듈을 통해 수신된 음파발생신호에 따라 수중으로 음파를 발생하는 음파발진모듈; 및
상기 음파발생시간을 카운트하는 제2 타이머; 를 포함하는 수중로봇의 위치 측정장치.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 음파수신부는,
상기 제1 및 제2 음파발생부로부터 수중으로 발생되는 음파를 각각 수신하는 음파수신모듈;
상기 수신되는 음파의 수신시간을 각각 카운트하는 제3 타이머;
상기 카운트된 음파수신시간을 저장하는 메모리; 및
상기 음파수신시간을 상기 제어부로 전송하는 통신부; 를 포함하는 수중로봇의 위치 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 음파수신부 및 제2 음파발생부는 동일한 위치 및 개수로 고정설치되는 수중로봇의 위치 측정장치.
제10항에 있어서,
상기 제1 음파수신부 및 제2 음파발생부는 각각 삼각형 형태가 되도록 서로 일체형으로 형성되는 수중로봇의 위치 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 수중구조물에 형성되며 상기 제1 음파수신부 또는 제2 음파발생부의 수심을 검출하는 수심센서를 더 포함하며 상기 수심센서에서 검출된 수심정보를 상기 제어부로 전송하는 수중로봇의 위치 측정장치.
제12항에 있어서,
상기 수심센서는 상기 제1 음파수신부 또는 제2 음파발생부 중 적어도 하나에 부착되거나 또는 내부에 내장되는 수중로봇의 위치 측정장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 다수의 제1 음파수신부 중 적어도 3개의 제1 음파수신부별로 각각 수신한 상기 제1 음파발생부의 음파수신시간 간의 지연시간을 이용하여 상기 제1 음파수신부로부터 제1 음파발생부까지의 거리 및 방향을 계산하고, 상기 다수의 제2 음파수신부 중 적어도 3개의 제2 음파수신부별로 각각 수신한 상기 제2 음파발생부의 음파수신시간 간의 지연시간을 이용하여 상기 제2 음파수신부로부터 제2 음파발생부까지의 거리 및 방향을 계산하며, 상기 계산된 두 거리 및 방향으로부터 상기 수중구조물을 기준으로 상기 수중로봇까지의 거리 및 방향, 상기 선박을 기준으로 상기 수중구조물과 수중로봇까지의 각각의 거리 및 방향을 계산하는 수중로봇의 위치 측정장치.