KR101530646B1 - 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유해 가스 오염지역에 측정자가 직접 접근하지 않고 무인 비행체를 오염지역에 접근시켜 유해 가스를 정확하고 신속하게 측정할 수 있는 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치는, 무인 비행체에 장착되며, 일면에 개구부가 형성되어 있는 하우징과; 상기 하우징 내부에 장착되어 상기 개구부를 통해 적외선을 방출하는 적외선 광원과; 상기 적외선 광원의 일측에 설치되어 외부의 가스에서 반사된 적외선이 입사되는 적외선 검출기와; 상기 하우징 내부에 설치되어, 상기 적외선 검출기에 입사된 적외선의 데이터를 외부의 분석기기로 송신하고, 상기 적외선 광원의 작동을 제어하는 제어신호를 수신하는 무선통신모듈과; 상기 하우징 내부에 설치되어, 상기 적외선 광원과 적외선 검출기 및 무선통신모듈의 작동을 제어하는 컨트롤러와; 상기 하우징 내부에 설치되어, 상기 적외선 광원과 적외선 검출기 및 무선통신모듈의 작동을 위한 전원을 공급하는 배터리를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

무인 비행체를 이용한 가스측정 장치 및 방법{Apparatus and Method for Measuring Gas Using Unmanned Aerial Vehicle}
본 발명은 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 드론(drone) 헬리콥터와 같은 무인 비행체에 적외선 광을 방출하는 적외선 광원과 가스에서 반사된 적외선을 수광하는 가스 검출기를 장착하고, 상기 검출기에 수광된 적외선의 데이터를 원격 무선통신을 이용하여 지상의 분석기기로 전송하여 가스의 화학종 및 농도를 신속하게 분석할 수 있는 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 유해 가스를 분석하기 위한 방법은 대상 가스를 직접 샘플링하는 방법이 가장 많이 사용된다. 이 방법은 유해 가스가 있는 장소에 가스 포집장치를 설치하고 일정한 시간동안 포집한 후 실험실로 이동하여 측정하는 방법으로, 오염지역에 측정자가 노출되어야 하는 문제점도 있으며, 부분적인 가스 포집 방법이기 때문에 채취시료의 대표성에도 문제가 있어 왔다.
그리고 유해가스를 원거리에서 측정할 수 있는 방법으로서 개방경로(open -path) 분광 분석법이 있는데, 이 개방경로(open -path) 분광 분석법은 측정 장비를 보다 먼 거리에서 측정할 수 있어 가스 포집방법에 비해 상대적으로 시료의 대표성을 확보할 수 있지만 광범위한 지역에 유해 가스가 분포되거나 독성가스가 누출된 경우 측정자가 위험에 노출되는 한계를 가진다.
대한민국 등록특허 제10-1256381호(등록일자 2013년 04월 15일) 대한민국 등록특허 제10-1229451호(등록일자 2013년 01월 29일)
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 유해 가스 오염지역에 측정자가 직접 접근하지 않고 무인 비행체를 오염지역에 접근시켜 유해 가스를 정확하고 신속하게 측정할 수 있는 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치는, 무인 비행체에 장착되며, 일면에 개구부가 형성되어 있는 하우징과; 상기 하우징 내부에 장착되어 상기 개구부를 통해 적외선을 방출하는 적외선 광원과; 상기 적외선 광원의 일측에 설치되어 외부의 가스에서 반사된 적외선이 입사되는 적외선 검출기와; 상기 하우징 내부에 설치되어, 상기 적외선 검출기에 입사된 적외선의 데이터를 외부의 분석기기로 송신하고, 상기 적외선 광원의 작동을 제어하는 제어신호를 수신하는 무선통신모듈과; 상기 하우징 내부에 설치되어, 상기 적외선 광원과 적외선 검출기 및 무선통신모듈의 작동을 제어하는 컨트롤러와; 상기 하우징 내부에 설치되어, 상기 적외선 광원과 적외선 검출기 및 무선통신모듈의 작동을 위한 전원을 공급하는 배터리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 가스측정 장치를 이용하여 가스를 측정하는 방법은, (a) 무인 비행체를 유해 가스 발생 지역의 상공으로 이동시키는 단계와; (b) 적외선 광원에서 적외선을 방출하는 단계와; (c) 적외선 검출기가 적외선을 수광하는 단계와; (d) 적외선 검출기에 수광된 적외선의 데이터를 무선통신모듈을 통해 외부의 분석기기로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 무인 비행체에 적외선 광원과 적외선 검출기를 장착하여 액티브 방식으로 유해 가스에 따른 적외선을 검출하고, 검출된 적외선 데이터를 무선통신을 통해 외부의 분석기기로 전송하여 피측정 지역의 유해 가스 성분과 농도를 정확하게 분석할 수 있다.
따라서, 측정자가 유해 가스에 노출되지 않고 피측정 지역의 유해 가스를 정확하고 신속하게 측정할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 가스측정 장치의 주요부를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1의 가스측정 장치가 외부의 분석기기와 무선통신을 통하여 데이터를 송신하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스측정 장치를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 가스측정 장치의 적외선 광원과 적외선 검출기의 배치 구조의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 가스측정 장치의 적외선 광원과 적외선 검출기의 배치 구조의 다른 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 가스측정 장치의 적외선 광원과 적외선 검출기의 배치 구조의 또 다른 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 7의 적외선 광원과 적외선 검출기의 중심축선의 각도 조정 상태를 나타낸 평면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 가스측정 장치의 적외선 광원과 적외선 검출기의 또 다른 실시예를 나타낸 정면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치는 무인 비행체(1)에 장착되는 하우징(10)과, 상기 하우징(10) 내부에 장착되는 적외선 광원(20), 적외선 검출기(30), 무선통신모듈(40), 컨트롤러(50), 배터리(60) 등을 포함한 구성으로 이루어진다.
상기 무인 비행체(1)는 복수의 로터(3)를 구비한 드론(drone) 헬리콥터와 같이 원격조정장치에 의해 조정되는 비행체로서, 하부에 상기 하우징(10)을 고정하기 위한 마운트프레임(2)이 설치되어 있다.
상기 하우징(10)은 일측면에 적외선의 방출과 수광을 위한 개구부(11)가 형성되어 있는 원통체 또는 다각형 통체로 이루어져 무인 비행체(1)의 하부에 탈착 가능하게 장착된다. 상기 하우징(10)은 무게가 가벼운 합성수지 재질로 만들어지는 것이 바람직하다. 이 실시예에서 상기 하우징(10)의 개구부(11)는 측면부에 무인 비행체(1)의 전방을 향하여 개방되게 형성되었지만, 이와 다르게 하우징(10)의 하부면에 형성될 수도 있다(도 4 참조).
상기 하우징(10)의 내부에는 유해 가스에 적외선을 방출하고 유해 가스에서 반사된 적외선을 수광하여 액티브(active) 방식으로 가스 분광 분석을 수행하기 위한 적외선 광원(20) 및 적외선 검출기(30)가 설치된다.
상기 적외선 광원(20)은 적외선 중 중적외선을 방출하는 중적외선 광원을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 적외선 검출기(30)는 상기 하우징(10)의 개구부(11) 안쪽에 배치되어 개구부(11)를 통해 입사되는 적외선을 파장 대역에 따라 검출한다. 상기 적외선 검출기(30)는 특정 파장대의 적외선을 선별적으로 수신하는 적어도 1개 이상의 광학필터(31)(optical filter)로 구성된다. 예를 들어 이산화탄소(CO2)는 5군데의 파수 대역에서 흡수를 일으키며, 5개의 파수 대역을, cm-1(파장 대역,㎛)으로 나타내면, 각각 2526(4.3), 3703 (2.7), 5000(2.0), 6250(1.6), 7143(1.4)이며, 이 중 명확한 흡수 및 간섭을 피할 수 있는 2526(4.3)를 선택하여 광학필터(31)를 구성하여 이산화탄소를 검출할 수 있다. 또한 유해 가스 중 CH4의 파장 대역은 3.3, HC 는 3.4 그리고 CO는 4.6을 선택하여 광학필터(31)를 구성할 수 있다.
상기 적외선 검출기(30)의 광학필터(31)는 검출하고자 하는 유해 가스의 종류와 대응하는 수로 구성되는데, 만약 2종류의 유해 가스를 검출하고자 할 경우에는 2개의 광학필터(31)를 사용하여 적외선 검출기(30)를 구성할 수 있다.
상기 적외선 검출기(30)로서 광학필터(31)(optical filter) 이외에 Thermopile detector와 Pyroelectrical detector를 사용할 수도 있다.
도 5에 도시한 것과 같이, 상기 적외선 검출기(30)는 적외선 광원(20)의 일측부에 일렬로 나란하게 설치될 수 있다. 본 발명의 가스측정 장치는 적외선 광원(20)에서 중적외선을 주사하고, 반사된 적외선이 적외선 검출기(30)에 입사되는 방식으로 구성되며, 이 때 적외선 광원(20)이 적외선 검출기(30)보다 더 커야 반사광을 검출할 수 있다. 도 5에 도시한 것처럼 적외선 검출기(30)가 적외선 광원(20)의 일측부에 일렬로 설치될 경우, 360도로 반사되는 적외선의 아주 일부분의 반사광을 검출하기 때문에 신호대 잡음비가 작은 특징을 갖는다.
도 6에 도시한 것과 같이 상기 적외선 검출기(30)가 적외선 광원(20)을 중심으로 적외선 광원(20)의 주변부를 360°로 둘러싸도록 설치될 수도 있는데, 이와 같이 적외선 검출기(30)가 적외선 광원(20)의 주변부를 360°로 둘러싸도록 배치될 경우, 360도로 반사되는 반사광을 360도 방향에서 모두 검출하여 신호대 잡음비가 상기 일렬 배치 구조보다 상대적으로 높은 갖는 특징이 있다. 이러한 배치 구조는 거리에 대해서 반사광의 세기가 급격히 감소되는 것은 일렬 배치 구조와 동일하지만, 360도에서 적외선을 검출하게 되므로 더욱 원거리에서 측정이 가능한 이점을 갖는다.
또한 도 7 및 도 8에 도시한 것과 같이, 상기 적외선 검출기(30) 및 적외선 광원(20)은 각각의 중심축선들이 어느 한 지점에서 서로 만나면서 일정한 각도를 이루도록 설치될 수 있다. 이 때 상기 적외선 검출기(30)와 적외선 광원(20)의 중심축선들이 이루는 각도의 조절이 가능하도록 상기 하우징(10)에는 상기 적외선 검출기(30) 및 적외선 광원(20)의 위치 이동을 위한 곡선형 레일부(32)가 구성될 수 있다. 따라서, 상기 적외선 검출기(30) 및 적외선 광원(20)들이 상기 곡선형 레일부(32)를 따라 슬라이딩하여 그 위치가 가변됨으로써 적외선 검출기(30)와 적외선 광원(20)의 중심축선들이 이루는 각도가 용이하게 조절될 수 있게 된다.
또한 상기 적외선 검출기(30)와 적외선 광원(20)은 진동을 발생하는 무인 비행체(1)에 설치되어 반사된 적외선을 검출하게 되므로 적외선 검출기(30)의 수광 효율을 향상시키고 검출 오류를 최소화하기 위하여 상기 적외선 광원(20)과 하우징(10)의 면 사이와, 상기 적외선 검출기(30)와 하우징(10)의 면 사이에는 하우징(10)의 진동을 흡수하는 서스펜션부재(90)가 설치될 수 있다. 상기 서스펜션부재(90)로는 스프링 등의 탄성체와 공지의 진동 감쇠용 댐퍼(damper)를 사용하여 구성할 수 있다.
한편 도 2를 참조하면, 상기 하우징(10) 내부에는 외부에서 상기 적외선 광원(20)의 작동을 제어하는 신호를 수신하고, 적외선 검출기(30)에서 검출된 적외선 데이터를 외부의 분석기기(80)로 송신하는 무선통신모듈(40)과, 상기 적외선 광원(20)과 적외선 검출기(30) 및 무선통신모듈(40)의 작동을 제어하는 컨트롤러(50), 상기 적외선 광원(20)과 적외선 검출기(30) 및 무선통신모듈(40)의 작동을 위한 전원을 공급하는 배터리(60)가 설치된다.
또한 본 발명의 가스측정 장치는 상기 적외선 광원(20) 또는 적외선 검출기(30)의 일측에 설치되어 피측정 위치를 향해 레이저 빔을 조사하여 피측정 위치까지의 거리를 측정하는 거리측정기(70)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 거리측정기(70)에서 측정된 거리 정보는 외부의 분석기기(80)로 전송되어 가스의 정량 분석시 보정 계수로 활용된다.
또한 상기 거리측정기(70)를 장착하지 않고 GPS를 이용하여 피측정 위치와 무인 비행체(1) 간의 거리를 검출할 수도 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 가스측정 장치를 이용하여 가스를 측정하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
공장에서의 사고나 화재로 인해 유해 가스가 방출된 것으로 추정되면, 무인 비행체(1)를 유해 가스 발생 지역의 상공으로 이동시킨다.
무인 비행체(1)가 유해 가스 발생 지역의 상공에 도달하면, 측정자가 원격조정장치로 제어신호를 인가하면 상기 무선통신모듈(40)을 통해 컨트롤러(50)에 제어신호가 수신되어 적외선 광원(20)을 작동시키고, 적외선 광원(20)에서 피측정 위치에 적외선(바람직하기로 중적외선)을 방출하게 된다.
상기 적외선 광원(20)에서 방출된 적외선은 일부가 피측정 위치의 유해 가스에 흡수되고 일부는 반사되어 나와 상기 적외선 검출기(30)에 입사된다.
상기 적외선 검출기(30)는 적어도 1개 이상의 광학필터(31)로 구성되어, 적외선 파장 대역의 적외선을 선별적으로 수신하여 특정 유해 가스를 검출하게 된다.
상기 적외선 검출기(30)에 의해 검출된 유해 가스의 데이터는 무선통신모듈(40)을 통해 외부의 분석기기(80)(예를 들어 가스 측정 및 분석 소프트웨어가 내장된 컴퓨터)로 전송된다.
상기 분석기기(80)는 자체에서 구비하고 있는 가스 측정 및 분석 소프트웨어를 통해 유해 가스의 성분과 농도를 분석하여 출력하게 된다.
이와 같이 적외선 광원(20)에서 적외선을 조사하고 적외선 검출기(30)가 반사된 적외선을 검출하여 유해 가스에 대한 데이터를 획득하는 과정에서, 상기 거리측정기(70)를 이용하여 무인 비행체(1)와 피측정 위치까지의 거리를 측정하고, 측정된 거리 정보를 적외선 데이터와 함께 외부의 분석기기(80)로 전송하여 가스에 대한 정량 분석시 보정 계수로 사용하는 것이 바람직하다.
즉 유해 가스에 대한 정확한 정량 분석이 이루어지기 위해서 피측정 위치까지의 정확한 거리를 산출하여 유해 가스의 측정 데이터의 보정 계수로 사용하고, 변수 보정을 통해 정확한 유해 가스의 농도를 산출하는 것이 바람직하다.
한편 전술한 실시예에서는 하우징(10)의 전방을 향한 측면에 개구부(11)가 설치되고 적외선 광원(20)이 이 개구부(11)를 통해 무인 비행체의 전방을 향해 적외선을 조사하여 가스를 측정하였지만, 도 4에 다른 실시예로 도시한 것과 같이 하우징(10)의 하부면에 개구부(11)를 형성하고, 적외선 광원(20)이 무인 비행체의 대략 연직방향 하측으로 적외선을 조사하여 가스를 측정할 수도 있다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
1 : 무인 비행체 10 : 하우징
11 : 개구부 20 : 적외선 광원
30 : 적외선 검출기 31 : 광학필터
32 : 곡선형 레일부 40 : 무선통신모듈
50 : 컨트롤러 60 : 배터리
70 : 거리측정기 80 : 분석기기
90 : 서스펜션부재

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 무인 비행체에 장착되며, 일면에 개구부(11)가 형성되어 있는 하우징(10)과;
    상기 하우징(10) 내부에 장착되어 상기 개구부(11)를 통해 적외선을 방출하는 적외선 광원(20)과;
    상기 적외선 광원(20)의 일측에 설치되어 외부의 가스에서 반사된 적외선이 입사되는 적외선 검출기(30)와;
    상기 하우징(10) 내부에 설치되어, 상기 적외선 검출기(30)에 입사된 적외선의 데이터를 외부의 분석기기(80)로 송신하고, 상기 적외선 광원(20)의 작동을 제어하는 제어신호를 수신하는 무선통신모듈(40)과;
    상기 하우징(10) 내부에 설치되어, 상기 적외선 광원(20)과 적외선 검출기(30) 및 무선통신모듈(40)의 작동을 제어하는 컨트롤러(50)와;
    상기 하우징(10) 내부에 설치되어, 상기 적외선 광원(20)과 적외선 검출기(30) 및 무선통신모듈(40)의 작동을 위한 전원을 공급하는 배터리(60)와;
    상기 적외선 광원(20) 또는 적외선 검출기(30)의 일측에 설치되어 피측정 위치를 향해 레이저 빔을 조사하여 피측정 위치까지의 거리를 측정하는 거리측정기(70);를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 적외선 광원(20)과 하우징(10)의 면 사이와, 상기 적외선 검출기(30)와 하우징(10)의 면 사이에는 하우징(10)의 진동을 흡수하는 서스펜션부재(90)가 설치된 것을 특징으로 하는 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 적외선 검출기(30)는 적외선 광원(20)의 일측부에 일렬로 설치된 것을 특징으로 하는 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 적외선 검출기(30) 및 적외선 광원(20)은 적외선 검출기(30)의 중심축선과 적외선 광원(20)의 중심축선이 어느 한 지점에서 만나면서 일정한 각도를 이루도록 설치된 것을 특징으로 하는 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 적외선 검출기(30)와 적외선 광원(20)의 중심축선들이 이루는 각도의 조절이 가능하도록 상기 하우징(10)에는 상기 적외선 검출기(30) 및 적외선 광원(20)의 위치 이동을 위한 곡선형 레일부(32)가 형성된 것을 특징으로 하는 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 적외선 검출기(30)는 적외선 광원(20)을 중심으로 적외선 광원(20)의 주변부를 360°로 둘러싸도록 배치된 것을 특징으로 하는 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 적외선 검출기(30)는 특정 파장대의 적외선을 선별적으로 수신하는 광학필터(31)(optical filter)로 된 것을 특징으로 하는 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치.
  9. 제2항에 있어서, 상기 하우징(10)의 개구부(11)는 하우징(10)의 측면에 형성된 것을 특징으로 하는 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치.
  10. 제2항에 있어서, 상기 하우징(10)의 개구부(11)는 하우징(10)의 하부면에 형성된 것을 특징으로 하는 무인 비행체를 이용한 가스측정 장치.
  11. 삭제
  12. (a) 무인 비행체를 유해 가스 발생 지역의 상공으로 이동시키는 단계와;
    (b) 적외선 광원(20)에서 적외선을 방출하는 단계와;
    (c) 적외선 검출기(30)가 적외선을 수광하는 단계와;
    (d) 적외선 검출기(30)에 수광된 적외선의 데이터를 무선통신모듈(40)을 통해 외부의 분석기기(80)로 전송하는 단계;를 포함하며,
    상기 (b) 단계 또는 (c) 단계를 수행하는 중에 무인 비행체와 피측정 위치까지의 거리를 측정하고, 상기 (d) 단계에서 측정 거리 정보를 적외선 데이터와 함께 외부의 분석기기(80)로 전송하여 상기 분석기기에서 거리 정보를 가스에 대한 정량 분석시 보정 계수로 사용하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체를 이용한 가스측정 방법.
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