KR101544102B1 - 노후관로 측정용 스마트 관로로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 관로로봇이 노후관 노후 및 내부에 쌓인 이물질로 인해 내시경카메라가 이동이 힘들고, 카메라케이블을 통한 영상데이터 전송길이가 짧아서, 15m까지 이동 후, 다시 초기위치의 원상태로 복귀시킨 상태에서 이웃하는 또 다른 관로출입의 다른 지점으로 가서 내시경카메라를 투입한 후, 영상촬영해야 하므로, 측정시간이 오래걸리는 문제점과, 내시경카메라와 카메라케이블이 유선으로 연결되어 있고, 노후관 내부에 쌓인 이물질 및 누수홈으로 인해 카메라케이블이 꼬여서 내시경카메라를 통한 노후관 내부의 영상촬영이 힘든 문제점을 개선하고자, 메인제어보드(100), 스마트 관로로봇(200)이 구성됨으로서, 장거리(2km이상) 내시경 기능을 갖는 스마트 관로로봇을 제공할 수 있고, 지중에 매설된 노후관의 매핑(Mapping)를 통해 신뢰성 있는 노후관망 GIS를 구축시킬 수 있으며, 화상진단, 음압 진단으로 이루어진 하이브리드형 측정방식으로 기존에 비해 80% 정밀도를 갖는 누수/손실탐사율을 제공할 수 있고, 관로 청소 없이도, 노후관로 직경에 맞게 1:1 맞춤형으로 스마트 관로로봇의 높낮이를 가변시켜 바로 투입시킬 수 있어 측정시간을 기존에 비해 단축시킬 수 있고, 무선통신망을 통해 메인제어보드와 스마트 관로로봇을 연결시킬 수 있어, 지하에서도 에러나 잡음없이 양방향데이터 통신할 수 있는 노후관로 측정용 스마트 관로로봇을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

노후관로 측정용 스마트 관로로봇{THE APPARATUS OF PIPE MEASURING WITH SMART ROBOT}

본 발명은 노후관로 직경에 맞게 1:1 맞춤형으로 스마트 관로로봇의 높낮이를 가변시켜 바로 투입시킬 수 있어 측정시간을 기존에 비해 단축시킬 수 있고, 무선통신망을 통해 메인제어보드와 스마트 관로로봇을 연결시킬 수 있어, 지하에서도 에러나 잡음없이 양방향데이터 통신할 수 있는 노후관로 측정용 스마트 관로로봇에 관한 것이다.

일반적으로 지중에 매설된 노후관로의 상태를 탐사 및 측정하는 다양한 시스템 및 방법이 개발되고 있다.

이러한 설비들은 미관이나 설비보호로 인해 대부분 지중(지하)에 매립되고 있다.

하지만, 지중(지하)에 매립된 노후관로 관리가 상대적으로 소외되고 낙후, 방치되고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 기존의 노후관로 내부에 삽입되어 관내부 상태를 확인하는 장비로서 내시경카메라(NQ-15,NP-15)가 사용된다.

상기 내시경카메라는 공기밸브 및 새들 분수전에 사용이 가능하고, 카메라케이블을 관체내부에 삽입하여 15m이내까지 이동이 가능하며, 운용수압이 최대 7.6kgf/cm2의 특성을 가진다.

하지만, 내부에 쌓인 이물질로 인해 내시경카메라가 이동이 힘들고, 카메라케이블을 통한 영상데이터 전송길이가 짧아서, 15m까지 이동 후, 다시 초기위치의 원상태로 복귀시킨 상태에서 이웃하는 또 다른 관로출입의 다른 지점으로 가서 내시경카메라를 투입한 후, 영상촬영해야 하므로, 측정시간이 오래걸리는 문제점이 있었다.

또한, 내시경카메라와 카메라케이블이 유선으로 연결되어 있고, 노후관로 내부에 쌓인 이물질 및 누수홈으로 인해 카메라케이블이 꼬여서 내시경카메라를 통한 노후관로 내부의 영상촬영이 힘든 문제점이 있었다.

등록특허공보 등록번호 10-1041780호

상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 장거리(2km이상) 내시경 기능을 갖는 스마트 관로로봇을 제공할 수 있고, 지중에 매설된 노후관로의 매핑(Mapping)를 통해 신뢰성 있는 노후관망 GIS를 구축시킬 수 있으며, 화상진단, 음압 진단으로 이루어진 하이브리드형 측정방식으로 기존에 비해 80% 정밀도를 갖는 누수/손실탐사율을 제공할 수 있고, 관로 청소 없이도, 노후관로 직경에 맞게 1:1 맞춤형으로 스마트 관로로봇의 높낮이를 가변시켜 바로 투입시킬 수 있어 측정시간을 기존에 비해 단축시킬 수 있고, 무선통신망을 통해 메인제어보드와 스마트 관로로봇을 연결시킬 수 있어, 지하에서도 에러나 잡음없이 양방향데이터 통신할 수 있는 노후관로 측정용 스마트 관로로봇를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 노후관로 측정용 스마트 관로로봇는

스마트 관로로봇과 무선통신망으로 연결되어, 스마트 관로로봇의 이동, 기기구동에 관한 제어명령신호를 송신시키고, 이에 따른 응답신호를 수신받아, 화면상에 노후관로 내벽을 측정한 영상데이터와 음압데이터를 표출시키는 메인제어보드(100)와,

메인제어보드와 무선통신망로부터 연결되어, 메인제어보드로부터 제어명령신호를 수신받아, 노후관로 내벽을 따라 이동하면서 누수부위에서 발생되는 음향을 측정하고, 노후관로 내벽을 영상을 촬영한 후, 음압데이터와 영상데이터를 메인제어보드로 전송시키는 스마트 관로로봇(200)으로 구성됨으로서 달성된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 무선통신망을 설정하여, 장거리(50m~500m) 내시경 기능을 갖는 스마트 관로로봇을 제공할 수 있고, 지중에 매설된 노후관로의 매핑(Mapping)를 통해 신뢰성 있는 노후관망 GIS를 구축시킬 수 있으며, 화상진단, 음압 진단으로 이루어진 하이브리드형 측정방식으로 기존에 비해 80% 정밀도를 갖는 누수/손실탐사율을 제공할 수 있고, 관로 청소 없이도, 노후관로 직경에 맞게 1:1 맞춤형으로 스마트 관로로봇의 높낮이를 가변시켜 바로 투입시킬 수 있어 측정시간을 기존에 비해 단축시킬 수 있으며, 무선통신망을 통해 지하에서도 에러나 잡음없이 양방향데이터 통신할 수 있는 좋은 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 노후관로 측정용 스마트 관로로봇(1)의 구성요소를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 메인제어보드의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 제1 무선통신모듈의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 제1 초음파통신망의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 5는 본 발명에 따른 제1 초음파송신부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 제1 초음파수신부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 7은 본 발명에 따른 스마트 관로로봇의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 8은 본 발명에 따른 스마트관로로봇의 구성요소를 도시한 사시도,
도 9는 본 발명에 따른 스마트관로로봇의 구성요소를 도시한 평면도,
도 10은 본 발명에 따른 쓰리포인트형 캠카메라부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 11은 본 발명에 따른 음향센서부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 12는 본 발명에 따른 스마트로봇제어모듈의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 13은 본 발명에 따른 자세감지제어모듈의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 14는 본 발명에 따른 제2 무선통신모듈의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 15는 본 발명에 따른 제2 초음파통신망의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 16은 본 발명에 따른 제2 초음파송신부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 17은 본 발명에 따른 제2 초음파수신부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 18은 본 발명에 따른 스마트 관로로봇이 메인제어보드와 무선통신망로부터 연결되어, 메인제어보드로부터 제어명령신호를 수신받아, 노후관로 내벽을 따라 이동하면서 누수부위에서 발생되는 음향을 측정하고, 노후관로 내벽을 영상을 촬영하는 것을 도시한 일실시예도,
도 19는 본 발명에 따른 메인제어보드에서 무선통신망을 통해 스마트 관로로봇으로부터 전송된 영상데이터와 음압데이터를 수신받아, 화면상에 표출시키는 것을 도시한 일실시예도.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 노후관로 측정용 스마트 관로로봇(1)의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것으로, 이는 메인제어보드(100), 스마트 관로로봇(200)로 구성된다.

먼저, 본 발명에 따른 메인제어보드(100)에 관해 설명한다.

상기 메인제어보드(100)는 스마트 관로로봇과 무선통신망으로 연결되어, 스마트 관로로봇의 이동, 기기구동에 관한 제어명령신호를 송신시키고, 이에 따른 응답신호를 수신받아, 화면상에 노후관로 내벽을 측정한 영상데이터와 음압데이터를 표출시키는 역할을 한다.

이는 도 2에 도시한 바와 같이, 보드몸체(110), 제1 무선통신모듈(120), 메모리부(130), 디스플레이부(140), 관로로봇제어부(150)로 구성된다.

상기 보드몸체(110)는 사각박스형상으로 이루어져, 각 기기를 외압으로부터 보호하는 역할을 한다.

상기 제1 무선통신모듈(120)은 스마트 관로로봇과 무선통신망을 통해 서로 연결되어, 양방향 데이터 통신이 되도록 통신연결시키는 역할을 한다.

여기서, 무선통신망은 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 적외선통신망(121), 제1 초음파통신망(122), 제1 자기장통신망(123), 제1 지그비통신망(124), 제1 WiFi통신망(125) 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.

상기 제1 적외선통신망(infrared transmission)(121)은 가시 광선보다 조금 아래 주파수대의 적외선을 사용하여 신호를 송수신하는 무선 통신 수단으로서, 가시 범위에서만 통신이 가능하다는 제한이 있지만 보안성이 뛰어나며, 전파 무선 통신보다 소형이므로 소비 전력도 적은 특성을 가진다.

이는 지하의 노후관로 일측을 개봉시켜, 스마트관로로봇을 투입시킨 후, 지하의 노후관로 전단 일측에 메인제어보드가 위치되어, 스마트관로로봇과 적외선통신을 하도록 구성된다.

상기 제1 초음파통신망(Ultra Sound Communication)(122)은 스피커와 마이크를 이용하여 초음파 신호에 정보를 실어 통신을 하는 방식으로서, 기준주파수(일예 : 1KHz~1MHz)를 사용하여 50m~500m 이내의 근거리에서 낮은 전력으로 메인제어보드와 스마트 관로로봇 간의 무선통신으로 데이터정보를 양방향으로 송수신시킬 수 있는 비 접촉식 근거리 무선 통신방식의 특성을 가진다.

이는 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 초음파송신부(122a), 제1 초음파수신부(122b)로 구성된다.

상기 제1 초음파송신부(122a)는 스마트 관로로봇의 이동, 기기구동에 관한 제어명령신호를 초음파를 통해 스마트 관로로봇으로 송신시키는 역할을 한다. 이는 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 발진기(122a-1), 제1 송신용 증폭기(122a-2), 제1 송신용 초음파센서부(122a-3)로 구성된다.

상기 제1 발진기(122a-1)는 초음파생성용 기준주파수 파형을 생성시키는 역할을 한다. 이는 30khz~900khz로 설정된다.

상기 제1 송신용 증폭기(122a-2)는 제1 발진기에서 생성된 신호를 증폭하여 제1 송신용 초음파센서부로 전달시키는 역할을 한다.

상기 제1 송신용 초음파센서부(122a-3)는 노후관로 상에서 스마트 관로로봇쪽으로 초음파를 발생시키는 역할을 한다.

상기 제1 초음파수신부(122b)는 초음파를 통해 스마트관로로봇으로부터 영상데이터와 음압데이터를 수신받는 역할을 한다.

이는 도 6에 도시한 바와 같이, 제1 수신용 초음파센서부(122b-1), 제1 수신용증폭기(122b-2), 제1 비교기(122b-3)로 구성된다.

상기 제1 수신용 초음파센서부(122b-1)는 초음파를 통해 스마트관로로봇으로부터 전송된 영상데이터와 음압데이터를 수신받는 역할을 한다.

상기 제1 수신용증폭기(122b-2)는 제1 수신용 초음파센서부로부터 감지된 초음파를 증폭시키는 역할을 한다.

상기 제1 비교기(122b-3)는 제1 수신용증폭기로부터 증폭된 신호를 비교기를 통하여 신호레벨을 확인한 후, 스마트 관로로봇에서 전송된 영상데이터와 음압데이터의 디지털 명령신호로 변환시켜 마이컴부로 보내는 역할을 한다.

상기 제1 자기장통신망(Near Field Communication)(123)은 자기장 영역을 이용한 무선 통신 시스템으로 금속, 수중, 지중, 건물 붕괴 장해 등 극한 환경에서 무선 통신을 가능하게 하는 기술로서, 자기장 영역은 전자계가 안테나로부터 분리, 전자파가 되어 공간으로 전파되기 전까지의 거리를 말하는데, 안테나에서부터 λ(파장)/2π까지의 영역을 나타낸다. 이는 기존의 고주파(2.4GHz대) 통신과는 달리 저주파(100KHz~수백Hz)를 이용해 물, 흙, 금속 등의 극한 환경에서도 무선통신이 가능한 특성을 가진다.

상기 제1 지그비통신망(Zigbee Communication)(124)은 노드와 센서사이의 무선통신으로서, 저전력, 초소형, 저비용을 특징으로 하며 IEEE802.15.4를 기반으로 반경 10m~20m 내에서 250kbps의 속도로 데이터를 전송하며, 65,000개 이상의 노드를 연결할 수 있다.

또, 듀얼 PHY 형태로 주파수 대역은 2.4GHz, 868/915MHz를 사용하고, 모뎀방식은 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DS-SS)이며, 데이터 전송속도는 20~250kpbs의 특성을 가진다.

상기 제1 WiFi통신망(125)은 하이파이(Hi-Fi, High Fidelity)에 무선기술을 접목한 것으로, 고성능 무선통신을 가능하게 하는 무선랜 기술을 말한다.

즉, 무선 랜이란 네트워크 구축시 유선을 사용하지 않고 전파나 빛등을 이용하여 네트워크를 구축하는 방식으로 일명 「와이파이」(Wi-Fi)라 불리는 802.11B(IEEE 802.xx는 IEEE의 LAN에 대한 일련의 규격)는 3Com, 시스코 시스템즈(Cisco Systems), 애플(Apple Computer), 루슨트 테크놀로지(Lucent Technologies) 등에서 제안하고 있는 무선 표준이다. 이는 2.4GHz의 주파수 대역으로 구성된다.

상기 메모리부(130)는 제1 무선통신모듈을 통해 수신받은 스마트 관로로봇의 영상데이터와 음압데이터를 1차 저장시키는 역할을 한다.

상기 디스플레이부(140)는 메모리부에 저장된 영상데이터와 음압데이터를 추출해서 화면상에 출력시키는 역할을 한다.

상기 관로로봇제어부(150)는 스마트 관로로봇의 이동, 기기구동에 관한 제어명령신호를 송신시켜 스마트 관로로봇의 구동을 제어시키고, 스마트 관로로봇으로부터 전송된 영상데이터와 음압데이터를 디스플레이부로 출력시키는 역할을 한다.

이는 스마트 관로로봇으로부터 전송된 영상데이터와 음압데이터를 동기화시킨 후, 시간프레임별로 360도 파노라마 표출 또는 영상과 음압 동시표출시키도록 구성된다.

상기 관로로봇제어부(150)는 AE(Acoustic Emission) 분석알고리즘엔진모듈이 포함되어 구성된다.

상기 AE(Acoustic Emission) 분석알고리즘엔진모듈(151)은 스마트 관로로봇으로부터 전송된 음압데이터를 기준으로 노후관로 내벽의 작은 변형이나 미세한 크랙을 비파괴적으로 분석시키는 역할을 한다.

이는 노후관로에서 생기는 탄성파가 파괴되기 이전부터 작은 변형이나 미세한 크랙(crack) 의 진행과정에서 발생하기 때문에 탄성파의 발생 경향을 진단하여 재료와 구조물의 결함 및 파괴를 발견 및 예상한다.

즉, 초음파 영역(수10kHz~수MHz)의 신호를 대상으로 하고 있어 초음파 탐상법과 비슷하지만 재료의 결함 자체가 방출하는 동적 에너지를 감지하는 점이 다른 비파괴검사 방법과 달라서, 가소성에 의한 변형이나 미세한 파괴의 진행 과정을 실시간으로 관측이 가능하고, 노후관로 내벽 결함의 위치를 파악할 수가 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 스마트 관로로봇(200)의 구성에 관해 설명한다.

상기 스마트 관로로봇(200)은 메인제어보드와 무선통신망로부터 연결되어, 메인제어보드로부터 제어명령신호를 수신받아, 노후관로 내벽을 따라 이동하면서 누수부위에서 발생되는 음향을 측정하고, 노후관로 내벽을 영상을 촬영한 후, 음압데이터와 영상데이터를 메인제어보드로 전송시키는 역할을 한다.

이는 도 7에 도시한 바와 같이, 관로로봇몸체(210), 스키보드날개형 탄성체(220), 쓰리포인트형 캠카메라부(230), 음향센서부(240), 헤드램프부(250), 스마트로봇제어모듈(260), 프로펠러부(270), 제2 무선통신모듈(280)로 구성된다.

첫째, 본 발명에 따른 관로로봇몸체(210)에 관해 설명한다.

상기 관로로봇몸체(210)은 전단면과 후단면이 관통된 날개달린 원통드럼 형상으로 이루어져 각 기기를 외부로부터 보호하고 지지하는 역할을 한다,

이는 알루미늄 합금재질로 이루어진다.

상기 관로로봇몸체는 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 전단면과 후단면이 관통된 원통드럼형상의 메인본체로 이루어지고, 메인본체의 표면 측면 둘레를 따라 스키보드날개형 탄성체가 형성되고, 헤드부 상에 헤드램프부가 형성되며, 헤드램프부 후단 일측에 제2 무선통신모듈이 형성되고, 중단부에 쓰리포인트형 캠카메라부와 음향센서부가 형성되고, 음향센서부 일측에 스마트로봇제어모듈이 형성되어 구성된다.

그리고, 후단부 엣지쪽에 프로펠러부가 형성되어 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 관로로봇몸체는 측면일측에 복수개의 부유체가 형성되어 구성된다.

상기 부유체(211)는 프로펠러의 추진력이 없을 경우에, 노후관로 내부에 흐르는 유체의 힘만으로 구동되어, 관로로봇몸체의 자세를 유지하면서 흐르는 유체의 힘에 따라 흘러가면서 관로로봇몸체를 이동시키는 역할을 한다.

이는 에어튜브와 스티로폼 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.

둘째, 본 발명에 따른 스키보드날개형 탄성체(220)에 관해 설명한다.

상기 스키보드날개형 탄성체(220)는 관로로봇몸체의 외부 표면 둘레를 따라 위치되면서, 노후관로의 직경에 따라 탄성체의 탄성력에 의해 맞춤형으로 관로로봇몸체의 자세를 지지하면서, 노후관로 내부에 흐르는 유체의 힘 및 프로펠러의 추진력을 전달받아 노후관로 내벽을 따라 미끄러지면서 이동되도록 보조해주는 역할을 한다.

이는 도 8에 도시한 바와 같이, 스키보드날개(221), 탄성체(222)로 구성된다.

상기 스키보드날개(221)는 노후관로 내부에 흐르는 유체의 힘 및 프로펠러의 추진력을 전달받아 노후관로 내벽을 따라 미끄러지면서 이동되도록 보조해주는 역할을 한다.

이는 노후관로의 직경에 맞게 설치되어, 통과 가능하도록 설계된 관의 크기에 따라 탄성체가 벌어졌다 오므라졌다 함으로써 관로로봇몸체를 노후관로의 내벽에 정위치시켜 자세 고정시킨다.

상기 탄성체(222)는 스키보드날개과 관로로봇몸체 사이에 설치되어, 탄성력에 의해 노후관로의 직경에 따라 탄성체의 탄성력에 의해 맞춤형으로 관로로봇몸체의 자세를 지지하는 역할을 한다.

이는 탄성스프링으로 구성된다.

즉, 일예로, 노후관로의 직경이 100mm인 경우에 스키보드날개를 접어서 노후관로에 삽입시키면 스키보드날개가 탄성체의 탄성력에 의해 노후관로 내벽과 맞춤형으로 접촉된다.

이로 인해, 노후관로 내부에 흐르는 유체의 힘 및 프로펠러의 추진력을 전달받아 노후관로의 중앙부위에 위치되면서, 노후관로의 내부 상면, 내부 측면, 내부 하면을 촬영할 수가 있다.

셋째, 본 발명에 따른 쓰리포인트형 캠카메라부(230)에 관해 설명한다.

상기 쓰리포인트형 캠카메라부(230)는 관로로봇몸체 표면의 중단 일측에 띠형상으로 형성되어, 1°~360°로 회전하면서 노후관로의 내부 상면, 내부 측면, 내부 하면을 촬영한 영상데이터를 스마트로봇제어모듈로 전달시키는 역할을 한다.

이는 도 10에 도시한 바와 같이, 노후관로의 내부 상면을 촬영하는 제1 카메라(231)와, 노후관로의 내부 측면을 촬영하는 제2 카메라(232)와, 노후관로의 내부 하면을 촬영하는 제3 카메라(233)와, 제1 카메라, 제2 카메라, 제3 카메라를 지지하면서 관로로봇몸체를 기준으로 1°~360°로 회전시키는 띠형회전모듈(234)과, 제1 카메라, 제2 카메라, 제3 카메라에서 촬영한 영상데이터를 저장시키는 메모리부(235)가 포함되어 구성된다.

상기 제1,2,3 카메라는 카메라제어모듈의 제어하에 구동되어, 쓰리포인트형 캠카메라부의 촬영렌즈와 촬상소자가 내장되어 있는 촬영부를 상하 좌우 이동 및 회전, 줌확대, 줌축소하면서 특정대상물을 촬영하도록 구성된다.

즉, 촬영렌즈와 촬상소자가 내장되는 촬영부와, 그 촬영부를 구동하는 줌모터, 포커스모터, 아이리스용 모터, 촬영부를 상하좌우 수평방향으로 이동시키는 팬(PAN : 수평방향)모터, 촬영부를 회전시키는 틸트(Tilt : 수직방향)모터로 구성된다.

그리고, 줌모터, 포커스모터, 아이리스용 모터, 팬모터, 틸티모터 각각에 구동 풀리 및 벨트, 그리고 팬틸트 각축을 지지하는 베어링이 구성된다.

넷째, 본 발명에 따른 음향센서부(240)에 관해 설명한다.

상기 음향센서부(240)는 쓰리포인트형 캠카메라부 일측에 위치되어, 노후관로쪽으로 음향신호를 송신시키고, 노후관로로부터 반사된 음압데이터를 수신받아 스마트로봇제어모듈로 전달시키는 역할을 한다.

이는 도 11에 도시한 바와 같이, 압전소자(241), 음향방출신호변환기(242)로 구성된다.

상기 압전소자(241)는 노후관로의 내벽에서 변형 또는 파괴시에 발생하는 음을 탄성파로 방출시키는데, 이때 방출시킨 탄성파에 의해 생긴 입자운동을 전기적 신호로 변환시켜 검출하는 역할을 한다.

상기 음향방출신호변환기(242)는 압전소자에서 검출된 음향방출(AE)파를 수신받아 음향방출신호로 변환시키는 역할을 한다.

다섯째, 본 발명에 따른 헤드램프부(250)에 관해 설명한다.

상기 헤드램프부(250)는 관로로봇몸체의 헤드부 상에 위치되어, 진행방향쪽으로 LED 불빛을 쏴주는 역할을 한다.

이는 파워LED모듈이 원형상으로 형성되어 구성된다.

여섯째, 본 발명에 따른 스마트로봇제어모듈(260)에 관해 설명한다.

상기 스마트로봇제어모듈(260)은 관로로봇몸체의 내부 후단에 원형 PCB기판으로 이루어져 각 기기의 전반적인 동작을 제어하는 역할을 한다.

이는 도 12에 도시한 바와 같이, 자세감지센서모듈(261), 데이터송신제어모듈(262), 위치수신제어모듈(263), 카메라제어모듈(264), 마이컴부(265), 배터리전원제어부(266)로 구성된다.

상기 자세감지센서모듈(261)은 관로로봇몸체의 표면 중단부 일측에 위치되어, 관로로봇몸체와 메인제어보드 사이의 거리, 관로로봇몸체 자체의 위치 및 자세 정보를 멀티센서부를 통해 센싱시키는 역할을 한다.

이는 도 13에 도시한 바와 같이, 관로로봇몸체의 수평자세를 감지하는 자이로센서(261a)와, 관로로봇몸체의 궤적과 가속도 상태를 감지하는 가속도센서(261b)와, 현재 관로로봇몸체의 진행방향과 방향각을 감지하는 지자계센서(261c)와, 관로로봇몸체의 기울기 및 롤링상태를 감지하는 기울기센서(tilt)(261d)로 구성된다.

상기 데이터송신제어모듈(262)은 메모리부에 저장된 음압데이터와 영상데이터를 불러와서, 제2 무선통신모듈을 통해 메인제어보드로 송신시키도록 제어하는 역할을 한다.

상기 위치수신제어모듈(263)은 제2 무선통신모듈을 통해 지상의 GPS위성으로부터 수신받은 현재 관로로봇몸체의 위치를 수신받아 마이컴부로 전달시키는 역할을 한다.

이는 노후관로가 막혔거나 또는 파손된 관으로 인해 관로로봇몸체가 걸릴 경우에 노후관로의 현위치를 파악하여 시공할 수 있도록 현재 관로로봇몸체의 위치데이터를 지상의 GPS위성을 통해 지상에서 탐지한다.

상기 카메라제어모듈(264)은 쓰리포인트형 캠카메라부를 관로로봇몸체를 기준으로 1°~360°로 회전하면서 노후관로의 내부 상면, 내부 측면, 내부 하면을 촬영하도록 위치제어시키는 역할을 한다.

상기 마이컴부(265)는 각 기기의 전반적인 동작을 제어하는 역할을 한다.

이는 PIC원칩마이컴으로 구성된다.

즉, 입력단자 일측에 자세감지센서모듈의 자이로센서가 연결되어, 자이로센서에서 감지한 관로로봇몸체의 수평자세가 입력되고, 또 다른 입력단자 일측에 자세감지센서모듈의 가속도센서가 연결되어, 가속도센서에서 감지한 관로로봇몸체의 궤적과 가속도 상태가 입력되며, 또 다른 입력단자 일측에 지자계센서가 연결되어, 지자계센서에서 감지한 현재 관로로봇몸체의 진행방향과 방향각이 입력되고, 또 다른 입력단자 일측에 기울기센서가 연결되어, 기울기센서에서 감지한 관로로봇몸체의 기울기 및 롤링상태가 입력되며, 또 다른 입력단자 일측에 위치수신제어모듈이 연결되어, 제2 무선통신모듈을 통해 지상의 GPS위성으로부터 수신받은 현재 관로로봇몸체의 위치를 수신받고, 출력단자 일측에 데이터송신제어모듈이 연결되어 메모리부에 저장된 음압데이터와 영상데이터를 불러와서, 제2 무선통신모듈을 통해 메인제어보드로 송신시키도록 제어하고, 또 다른 출력단자 일측에 카메라제어모듈이 연결되어, 쓰리포인트형 캠카메라부를 관로로봇몸체를 기준으로 1°~360°로 회전하면서 노후관로의 내부 상면, 내부 측면, 내부 하면을 촬영하도록 위치제어시키며, 또 다른 출력단자 일측에 배터리전원제어부가 연결되어, 충전배터리의 상태를 체크하면서, 각 기기에 전원을 공급시키도록 제어시킨다.

상기 배터리전원제어부(266)는 마이컴부의 제어신호에 따라 구동되어, 충전배터리로부터 전원을 인가받아 각 기기에 전원을 공급시키는 역할을 한다.

이는 리튬 폴리머 배터리로 구성되고, 출력단자 일측에 정전압 레귤레이터가 포함되어 구성된다.

일곱째, 본 발명에 따른 프로펠러부(270)에 관해 설명한다.

상기 프로펠러부(270)는 노후관로에 물이 있을 때, 스마트로봇제어모듈의 제어신호에 따라 구동되어, 관로로봇몸체를 후단의 스크류회전에 의해 전후의 직선방향으로 구동시키는 역할을 한다.

이는 도 8에 도시한 바와 같이, 프로펠러(271), 고속회전모터(272)로 구성된다.

상기 프로펠러(271)는 고속회전모터의 회전력을 전달받아 관로로봇몸체를 전진방향 또는 후진방향으로 이동시키는 역할을 한다.

상기 고속회전모터(272)는 프로펠러에 회전력을 발생시키는 역할을 한다.

여덟째, 본 발명에 따른 제2 무선통신모듈(280)에 관해 설명한다.

상기 제2 무선통신모듈(280)은 헤드램프부 일측에 위치되어, 메인제어보드와 무선통신망으로부터 연결되어 무선통신망 신호에 정보를 실어, 메인제어보드로부터 제어명령신호를 수신받고, 측정한 음압데이터와 영상데이터를 메인제어보드로 송신시키는 역할을 한다.

여기서, 무선통신망은 도 14에 도시한 바와 같이, 제2 적외선통신망(281), 제2 초음파통신망(282), 제2 자기장통신망(283), 제2 지그비통신망(284), 제2 WiFi통신망(285) 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.

상기 제2 적외선통신망(infrared transmission)(281)은 가시 광선보다 조금 아래 주파수대의 적외선을 사용하여 신호를 송수신하는 역할을 한다. 즉, 가시 범위에서만 통신이 가능하다는 제한이 있지만 보안성이 뛰어나며, 전파 무선 통신보다 소형이므로 소비 전력도 적은 특성을 가진다.

이는 지하의 노후관로 일측을 개봉시켜, 스마트관로로봇을 투입시킨 후, 지하의 노후관로 전단 일측에 메인제어보드가 위치되어, 스마트관로로봇과 적외선통신을 하도록 구성된다.

상기 제2 초음파통신망(Ultra Sound Communication)(282)은 스피커와 마이크를 이용하여 초음파 신호에 정보를 실어 통신을 하는 방식으로서, 기준주파수(일예 : 1KHz~1MHz)를 사용하여 50m~500m 이내의 근거리에서 낮은 전력으로 메인제어보드와 스마트 관로로봇 간의 무선통신으로 데이터정보를 양방향으로 송수신시킬 수 있는 비 접촉식 근거리 무선 통신방식의 특성을 가진다.

이는 도 15에 도시한 바와 같이, 제2 초음파송신부(282a), 제2 초음파수신부(282b)로 구성된다.

상기 제2 초음파송신부(282a)는 측정한 음압데이터와 영상데이터를 초음파를 통해 메인제어보드로 송신시키는 역할을 한다.

이는 도 16에 도시한 바와 같이, 제2 발진기(282a), 제2 송신용 증폭기(282b), 제2 송신용 초음파센서부(282c)로 구성된다.

상기 제2 발진기(282a)는 초음파생성용 기준주파수 파형을 생성시키는 역할을 한다. 이는 30khz~900khz로 설정된다.

상기 제2 송신용 증폭기(282b)는 제2 발진기에서 생성된 신호를 증폭하여 제2 송신용 초음파센서부로 전달시키는 역할을 한다.

상기 제2 송신용 초음파센서부(282c)는 노후관로 상에서 메인제어보드쪽으로 초음파를 발생시키는 역할을 한다.

상기 제2 초음파수신부(282b)는 초음파를 통해 메인제어보드로부터 제어명령신호를 수신받는 역할을 한다.

이는 도 17에 도시한 바와 같이, 제2 수신용 초음파센서부(282b-1), 제2 수신용증폭기(282b-2), 제2 비교기(282b-3)로 구성된다.

상기 제2 수신용 초음파센서부(282b-1)는 초음파를 통해 메인보드로부터 전송된 제어명령신호를 수신받는 역할을 한다.

상기 제2 수신용증폭기(282b-2)는 제2 수신용 초음파센서부로부터 감지된 초음파를 증폭시키는 역할을 한다.

상기 제2 비교기(282b-3)는 제2 수신용증폭기로부터 증폭된 신호를 비교기를 통하여 신호레벨을 확인한 후, 메인제어보드의 디지털 명령신호로 변환시켜 마이컴부로 보내는 역할을 한다.

상기 제2 자기장통신망(Near Field Communication)(283)은 자기장 영역을 이용한 무선 통신 시스템으로 금속, 수중, 지중, 건물 붕괴 장해 등 극한 환경에서 무선 통신을 가능하게 하는 기술로서, 자기장 영역은 전자계가 안테나로부터 분리, 전자파가 되어 공간으로 전파되기 전까지의 거리를 말하는데, 안테나에서부터 λ(파장)/2π까지의 영역을 나타낸다. 이는 기존의 고주파(2.4GHz대) 통신과는 달리 저주파(100KHz~수백Hz)를 이용해 물, 흙, 금속 등의 극한 환경에서도 무선통신이 가능한 특성을 가진다.

상기 제2 지그비통신망(Zigbee Communication)(284)은 노드와 센서사이의 무선통신으로서, 저전력, 초소형, 저비용을 특징으로 하며 IEEE 802.15.4를 기반으로 반경 10m~20m 내에서 250kbps의 속도로 데이터를 전송하며, 65,000개 이상의 노드를 연결할 수 있다.

또, 듀얼 PHY 형태로 주파수 대역은 2.4GHz, 868/915MHz를 사용하고, 모뎀방식은 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DS-SS)이며, 데이터 전송속도는 20~250kpbs의 특성을 가진다.

상기 제2 WiFi통신망(285)은 하이파이(Hi-Fi, High Fidelity)에 무선기술을 접목한 것으로, 고성능 무선통신을 가능하게 하는 무선랜 기술을 말한다.

즉, 무선 랜이란 네트워크 구축시 유선을 사용하지 않고 전파나 빛등을 이용하여 네트워크를 구축하는 방식으로 일명 「와이파이」(Wi-Fi)라 불리는 802.11B(IEEE 802.xx는 IEEE의 LAN에 대한 일련의 규격)는 3Com, 시스코 시스템즈(Cisco Systems), 애플(Apple Computer), 루슨트 테크놀로지(Lucent Technologies) 등에서 제안하고 있는 무선 표준이다. 이는 2.4GHz의 주파수 대역으로 구성된다.

이하, 본 발명에 따른 노후관로 측정용 스마트 관로로봇의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.

먼저, 노후관로의 스타트 투입지점에 스마트 관로로봇을 투입시키고, 노후관로의 엔드 배출지점에 메인제어보드를 위치시킨다.

다음으로, 메인제어보드(100)가 스마트 관로로봇과 무선통신망으로 연결되어, 스마트 관로로봇의 이동, 기기구동에 관한 제어명령신호를 송신시킨다.

다음으로, 도 18에 도시한 바와 같이, 스마트 관로로봇이 메인제어보드와 무선통신망로부터 연결되어, 메인제어보드로부터 제어명령신호를 수신받아, 노후관로 내벽을 따라 이동하면서 누수부위에서 발생되는 음향을 측정하고, 노후관로 내벽을 영상을 촬영한다.

이때, 노후관로 내벽을 따라 이동하는 스마트 관로로봇이 이물질 또는 노폐물에 의해 노후관로에 막혔거나 또는 파손된 부위로 인해 스마트관로로봇이 걸릴 경우에 노후관로의 현위치를 파악하여 시공할 수 있도록 현재 관로로봇몸체의 위치데이터를 지상의 GPS위성을 통해 수신받는다.

다음으로, 스마트 관로로봇에서 무선통신망을 통해 노후관로 내벽에서 촬영한 음압데이터와 영상데이터를 메인제어보드로 전송시킨다.

끝으로, 도 19에 도시한 바와 같이, 메인제어보드에서 무선통신망을 통해 스마트 관로로봇으로부터 전송된 영상데이터와 음압데이터를 수신받아, 화면상에 표출시킨다.

이때, AE(Acoustic Emission) 분석알고리즘엔진모듈은 스마트 관로로봇으로부터 전송된 음압데이터를 기준으로 노후관로 내벽의 작은 변형이나 미세한 크랙을 비파괴적으로 분석시킨다.

1 : 스마트형 관로측정장치 100 : 메인제어보드
110 : 보드몸체 120 : 제1 무선통신모듈
130 : 메모리부 140 : 디스플레이부
150 : 관로로봇제어부 200 : 스마트 관로로봇
210 : 관로로봇몸체 220 : 스키보드날개형 탄성체
230 : 쓰리포인트형 캠카메라부 240 : 음향센서부
250 : 헤드램프부 260 : 스마트로봇제어모듈
270 : 프로펠러부 280 : 제2 무선통신모듈

Claims (7)

1. 스마트 관로로봇과 무선통신망으로 연결되어, 스마트 관로로봇의 이동, 기기구동에 관한 제어명령신호를 송신시키고, 이에 따른 응답신호를 수신받아, 화면상에 노후관로 내벽을 측정한 영상데이터와 음압데이터를 표출시키는 메인제어보드(100)와,
   메인제어보드와 무선통신망로부터 연결되어, 메인제어보드로부터 제어명령신호를 수신받아, 노후관로 내벽을 따라 이동하면서 누수부위에서 발생되는 음향을 측정하고, 노후관로 내벽을 영상을 촬영한 후, 음압데이터와 영상데이터를 메인제어보드로 전송시키는 스마트 관로로봇(200)으로 구성되는 노후관로 측정용 스마트 관로로봇에 있어서,
   상기 스마트 관로로봇(200)은
   전단면과 후단면이 관통된 날개달린 원통드럼 형상으로 이루어져 각 기기를 외부로부터 보호하고 지지하는 관로로봇몸체(210)와,
   관로로봇몸체의 외부 표면 둘레를 따라 위치되면서, 노후관로의 직경에 따라 탄성체의 탄성력에 의해 맞춤형으로 관로로봇몸체의 자세를 지지하면서, 노후관로 내부에 흐르는 유체의 힘 및 프로펠러의 추진력을 전달받아 노후관로 내벽을 따라 미끄러지면서 이동되도록 보조해주는 스키보드날개형 탄성체(220)과,
   관로로봇몸체 표면의 중단 일측에 띠형상으로 형성되어, 1°~360°로 회전하면서 노후관로의 내부 상면, 내부 측면, 내부 하면을 촬영한 영상데이터를 스마트로봇제어모듈로 전달시키는 쓰리포인트형 캠카메라부(230)와,
   쓰리포인트형 캠카메라부 일측에 위치되어, 노후관로쪽으로 음향신호를 송신시키고, 노후관로로부터 반사된 음압데이터를 수신받아 스마트로봇제어모듈로 전달시키는 음향센서부(240)와,
   관로로봇몸체의 헤드부 상에 위치되어, 진행방향쪽으로 LED 불빛을 쏴주는 헤드램프부(250)와,
   관로로봇몸체의 내부 후단에 원형 PCB기판으로 이루어져 각 기기의 전반적인 동작을 제어하는 스마트로봇제어모듈(260)과,
   노후관로에 물이 있을 때, 스마트로봇제어모듈의 제어신호에 따라 구동되어, 관로로봇몸체를 후단의 스크류회전에 의해 전후의 직선방향으로 구동시키는 프로펠러부(270)로 구성되는 것을 특징으로 하는 노후관로 측정용 스마트 관로로봇.
   
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5. 제1항에 있어서, 상기 스마트로봇제어모듈(250)은
   관로로봇몸체의 표면 중단부 일측에 위치되어, 관로로봇몸체와 메인제어보드 사이의 거리, 관로로봇몸체 자체의 위치 및 자세 정보를 멀티센서부를 통해 센싱시키는 자세감지센서모듈(251)과,
   메모리부에 저장된 음압데이터와 영상데이터를 불러와서, 무선통신모듈을 통해 메인제어보드로 송신시키도록 제어하는 데이터송신제어모듈(252)과,
   무선통신모듈을 통해 지상의 GPS위성으로부터 수신받은 현재 관로로봇몸체의 위치를 수신받아 마이컴부로 전달시키는 위치수신제어모듈(253)과,
   쓰리포인트형 캠카메라부를 관로로봇몸체를 기준으로 1°~360°로 회전하면서 노후관로의 내부 상면, 내부 측면, 내부 하면을 촬영하도록 위치제어시키는 카메라제어모듈(254)과,
   각 기기의 전반적인 동작을 제어하는 마이컴부(255)와,
   마이컴부의 제어신호에 따라 구동되어, 충전배터리로부터 전원을 인가받아 각 기기에 전원을 공급시키는 배터리전원제어부(256)로 구성되는 것을 특징으로 하는 노후관로 측정용 스마트 관로로봇.
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