KR101724436B1 - 수중작업로봇의 위치 인식 장치 및 방법 - Google Patents

수중작업로봇의 위치 인식 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수중작업로봇의 위치 인식 장치 및 방법에 관한 것으로, 수중작업로봇의 심도를 측정하는 심도센서부; 선박의 선체면에서의 수중작업로봇의 이동거리를 측정하는 이동거리 측정부; 및 수중작업로봇의 심도의 변화량 및 이동거리로부터, 선체면에서의 수중작업로봇의 위치를 인식하는 위치인식부를 포함하는 수중작업로봇의 위치 인식 장치를 개시한다.

Description

수중작업로봇의 위치 인식 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR RECOGNIZING POSITION OF UNDERWATER VEHICLE}
본 발명은 수중작업로봇의 위치를 인식하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
선박의 선저면에 부착된 해초나 물이끼, 패각류, 또는 따개비 등의 해양 생물 및 이물질(fouling)은 선체와 해수 간의 저항을 높여 연료 소모를 증가시키는 요인이 된다. 이에, 선저면에 부착된 해양 생물 및 이물질을 제거하기 위하여 청소로보과 같은 수중작업로봇이 이용된다. 선박의 선체면에는 빌지킬(bilge keel)과 같은 장애물이 존재하므로, 수중작업로봇은 장애물을 회피하면서 선체를 따라 주행하여 청소작업을 수행한다.
수중작업로봇에서 장애물을 인식하기 위한 센서로 주로 비전센서(vision sensor) 또는 초음파센서가 이용된다. 비전센서는 해양에서의 시야거리가 수미터 이내로 제한되며, 부유물, 이물질이 많은 해양 환경 조건에서 장애물을 정확하게 인식하기 어려운 문제점을 갖고 있다. 초음파센서 역시 부유물, 공기방울, 햇빛 등의 외란에 의하여, 빌지킬을 오인식하거나, 감지하지 못하는 경우가 발생한다. 수중 작업영역의 주변에 다수의 초음파 송수신기를 설치하여 수중작업로봇의 위치를 인식하는 방식이 있으나, 이 방식은 위치 인식의 정확도가 낮은 단점을 갖는다.
한편, 심도센서를 이용하여 수중작업로봇의 수심을 측정하는 방식은 선박의 중량, 화물의 적재량 등의 요인에 따라 선박의 드래프트(draft)량이 변화하므로, 수심 정보만으로는 선박에 대한 수중작업로봇의 정확한 상대 위치를 알기 어려운 단점이 있다. 자세센서를 이용하여 수중작업로봇의 자세를 산출하는 방식은 수중작업로봇이 장시간에 걸쳐 선체 바닥면을 주행시, 누적 오차가 발생하고, 정확한 자세 정보를 산출하기 어려운 문제를 갖는다.
본 발명은 수중작업로봇의 선박에 대한 상대적인 위치를 장애물 및 작업영역을 정확하게 인식할 수 있는 수중작업로봇의 위치 인식 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 수중작업로봇과 장애물의 위치 및 수중작업로봇의 작업영역을 정확하게 인식할 수 있는 수중작업로봇의 위치 인식 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 또 과제는 부유물, 공기방울, 햇빛 등의 외란에 관계없이 선박의 빌지킬과 같은 장애물을 정확하게 인식하여 수중작업을 수행할 수 있도록 하는 수중작업로봇의 위치 인식 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 수중작업로봇의 위치 인식 장치는 수중작업로봇의 심도를 측정하는 심도센서부; 선박의 선체면에서의 상기 수중작업로봇의 이동거리를 측정하는 이동거리 측정부; 및 상기 수중작업로봇의 심도의 변화량 및 이동거리로부터, 상기 선체면에서의 상기 수중작업로봇의 위치를 인식하는 위치인식부를 포함한다.
상기 위치인식부는, 상기 이동거리에 대한 상기 심도의 변화량의 비율로부터 상기 수중작업로봇이 위치한 선체면의 경사도를 산출하는 경사도 산출부; 및 산출된 경사도에 따라 상기 선체면에서의 상기 수중작업로봇의 위치를 결정하는 위치 결정부를 포함할 수 있다.
상기 수중작업로봇의 위치 인식 장치는 상기 수중작업로봇의 상하방향을 중심축으로 하는 회동각도인 요(yaw)각을 포함하는 자세정보를 측정하는 자세센서부를 더 포함하고, 상기 위치 결정부는 상기 경사도 및 상기 요각에 따라 상기 선체면에서의 상기 수중작업로봇의 위치를 결정할 수 있다.
상기 수중작업로봇의 위치 인식 장치는 상기 선박의 선체면에 구비된 빌지킬(bilge keel)의 방향에 따라 상기 요각을 보정하는 자세센서 보정부를 더 포함할 수 있다.
상기 자세센서 보정부는, 상기 선박의 빌지킬의 방향에 따라 상기 요각을 보정하는 제1 자세센서 보정부; 상기 제1 자세센서 보정부의 보정 값에 따라 상기 수중작업로봇의 요각에 대한 누적오차 분석정보를 획득하는 누적오차 분석부; 및 상기 누적오차 분석정보를 이용하여 상기 빌지킬이 없는 선체 영역에서 상기 수중작업로봇의 요각을 보정하는 제2 자세센서 보정부를 포함할 수 있다.
상기 수중작업로봇의 위치 인식 장치는 초음파를 발생하여 장애물을 탐지하는 초음파센서부를 더 포함하고, 상기 위치인식부는, 상기 장애물이 탐지되는 경우 상기 수중작업로봇이 제1 작업영역에 위치한 것으로 인식하고, 상기 장애물이 탐지되지 않으면서 상기 심도가 설정된 기준값 이하인 경우 제2 작업영역에 위치한 것으로 인식할 수 있다.
상기 수중작업로봇은, 상기 제1 작업영역에서 상기 장애물의 탐지 위치에 따라 작업 경로를 결정하고, 상기 제2 작업영역에서 상기 수중작업로봇의 위치와 선박의 설계 데이터에 따라 작업 경로를 결정할 수 있다.
상기 초음파센서부는, 전방을 향해 제1 방향으로 초음파를 발생하여 상기 장애물을 탐지하는 제1 초음파센서; 및 상기 제1 초음파센서의 상부 측에 설치되고, 상기 제1 방향보다 하향 경사진 제2 방향으로 초음파를 발생하여 상기 장애물을 탐지하는 제2 초음파센서를 포함하고, 상기 수중작업로봇은, 상기 제2 초음파센서에서 상기 장애물을 탐지시 주행 속도를 줄이고, 상기 제1 초음파센서에서 상기 장애물을 탐지하면 정지하거나 주행 방향을 전환할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 수중작업로봇의 심도를 측정하는 단계; 선박의 선체면에서의 상기 수중작업로봇의 이동거리를 측정하는 단계; 및 상기 수중작업로봇의 심도의 변화량 및 이동거리로부터, 선체면에서의 상기 수중작업로봇의 위치를 인식하는 단계를 포함하는 수중작업로봇의 위치 인식 방법이 제공된다.
상기 수중작업로봇의 위치 인식 방법은 상기 수중작업로봇의 상하방향을 중심축으로 하는 회동각도인 요(yaw)각을 포함하는 자세정보를 측정하는 단계; 및 상기 선박의 선체에 구비된 빌지킬(bilge keel)의 방향 또는 상기 요각에 대한 누적오차 분석정보에 따라 상기 요각을 보정하는 단계를 더 포함하고, 상기 수중작업로봇의 위치를 인식하는 단계는, 상기 이동거리에 대한 상기 심도의 변화량의 비율로부터 상기 수중작업로봇이 위치한 작업영역의 경사도를 산출하는 단계; 및 상기 경사도 및 보정된 요각에 따라, 상기 선체면에서의 상기 수중작업로봇의 위치를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 수중작업로봇의 선박에 대한 상대적인 위치, 장애물의 위치 및 수중작업로봇의 작업영역을 정확하게 인식할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 수중 부유물, 공기방울, 햇빛 등의 외란에 관계없이 선박의 빌지킬과 같은 장애물을 정확하게 인식하여 수중작업을 수행할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치 인식 장치를 구비한 수중작업로봇이 선박의 선저를 청소하는 것을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 'A'부를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중작업로봇의 위치 인식 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중작업로봇의 위치 인식 장치를 구성하는 위치인식부의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중작업로봇의 위치 인식 장치를 구성하는 자세센서 보정부의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중작업로봇의 위치 인식 방법의 흐름도이다.
도 7 및 도 8은 도 6의 단계 S10을 설명하기 위한 도면으로서, 선박의 선체 일부를 보여주는 정면도이다.
도 9 및 도 10은 도 6의 단계 S30을 설명하기 위한 도면으로서, 도 9는 선박의 선체 일부를 보여주는 정면도이고, 도 10은 선박의 선체 일부를 보여주는 사시도이다.
도 11은 도 6의 단계 S50 및 S70을 설명하기 위한 도면으로서, 선박의 저면을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 12는 도 6의 단계 S60을 설명하기 위한 도면으로서, 선박의 선체 일부와 빌지킬을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 전체에서 사용되는 '~부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부'가 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소와 '~부'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소 및 '~부'들에 의해 분리되어 수행될 수도 있고, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 수중작업로봇의 위치 인식 장치는 수중작업로봇의 심도를 측정하는 심도센서부; 선박의 선체면에서의 수중작업로봇의 이동거리를 측정하는 이동거리 측정부; 및 수중작업로봇의 심도의 변화량 및 이동거리로부터, 선체면에서의 수중작업로봇의 위치를 인식하는 위치인식부를 포함한다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 수중작업로봇의 심도와 이동거리 정보를 이용하여 선체면에서의 수중작업로봇의 위치를 인식함으로써, 수중작업로봇의 선박에 대한 상대적인 위치 및 작업영역을 정확하게 인식할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치 인식 장치를 구비한 수중작업로봇(10)이 선박(20)의 선저를 청소하는 것을 예시하는 도면이고, 도 2는 도 1의 'A'부를 확대하여 보여주는 도면이다. 도 1에서 화살표는 수중작업로봇(10)의 청소경로를 예시적으로 나타낸 것이다. 이하에서, 선박(20)의 선저를 청소하는 수중작업로봇(10)을 예로 들어, 본 발명의 실시 예에 따른 수중작업로봇의 위치 인식 장치에 대해 설명하지만, 본 발명의 실시 예에 따른 위치 인식 장치는 수중청소로봇뿐 아니라, 다양한 수중작업을 수행하는 수중작업로봇에 적용될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 수중작업로봇(10)은 주행부(15)를 구비하여 선박(20)의 선체에 부착되어 이동하면서 선저를 청소한다. 수중작업로봇(10)은 선저에 부착된 해초나 물이끼, 패각류, 또는 따개비 등의 해양 생물 및 이물질(fouling)을 제거하기 위한 청소 작업을 수행할 수 있다. 수중작업로봇(10)은 주행프레임(11), 주행프레임(11)에 설치되는 청소모듈(12) 및 주행부(15)를 구비할 수 있다.
청소모듈(12)은 예를 들어, 선체에 부착된 해양 생물과 이물질을 제거하는 브러시(brush)와, 브러시를 회전 구동하는 구동부(예를 들어, 구동모터)로 이루어질 수 있다. 주행부(15)는 주행휠을 구동하여 수중작업로봇(10)을 청소 경로를 따라 주행시킬 수 있다. 주행부(15)의 주행휠은 자석 또는 전자석 부재(미도시)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 수중작업로봇(10)은 선체와 자석 부재 간의 인력에 따라 선체에 부착될 수 있다. 주행휠과 선체면 간의 마찰력을 높이기 위하여 주행휠의 외주연에 고무 재질의 휠커버가 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중작업로봇의 위치 인식 장치(100)의 구성도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중작업로봇의 위치 인식 장치(100)는 심도센서부(110), 이동거리 측정부(120), 위치인식부(130), 초음파센서부(140), 자세센서부(150), 자세센서 보정부(160), 통신인터페이스부(170), 메모리(180) 및 제어부(190)를 포함한다.
심도센서부(110)는 수중작업로봇(10)의 심도(depth)를 측정한다. 심도센서부(110)는 수압을 측정하여 수중작업로봇(10)의 수심을 측정하는 수심센서로 제공될 수 있다. 심도센서부(110)는 수중작업로봇(10)의 프레임(11) 중심부에 설치될 수 있다. 심도센서부(110)에 의해 측정된 심도 값은 수중작업로봇(10)의 위치 인식을 위해 위치인식부(130)로 제공된다.
이동거리 측정부(120)는 수중작업로봇(10)의 선체면에서의 이동거리를 측정한다. 일 예로, 이동거리 측정부(120)는 주행부(15)의 주행휠에 설치되어 회전수를 카운트하여, 수중작업로봇(10)의 이동거리를 측정하는 엔코더(encoder)로 제공될 수 있다. 다른 예로, 이동거리 측정부(120)는 수중작업로봇(10)의 속도를 누적하거나, 가속도를 이중 적분하는 등의 다양한 방식으로 수중작업로봇(10)의 이동거리를 측정할 수도 있다. 이동거리 측정부(120)에 의해 측정된 이동거리 값은 수중작업로봇(10)의 위치 인식을 위해 위치인식부(130)로 제공된다.
위치인식부(130)는 수중작업로봇(10)의 심도의 변화량 및 이동거리로부터, 선박(20)의 선체면 곡부에서의 수중작업로봇(10)의 위치를 인식할 수 있다. 위치인식부(130)는 이동거리에 대한 심도의 변화량의 비율을 삼각함수에 적용하여 수중작업로봇(10)이 위치한 선체면의 경사도를 산출하고, 산출한 경사도를 선박(20)의 설계데이터와 비교하여 현재의 작업영역을 인식할 수 있다.
또한, 위치인식부( 130)는 수중작업로봇(10)의 위치 및 작업영역뿐만 아니라, 장애물의 위치를 정확하게 인식할 수 있다. 즉, 위치인식부(130)는 선박(20)의 설계데이터에 장애물이 위치한 선체 영역의 경사면 각도 정보를 위치인식부(130)에서 인식한 경사도와 비교하여, 현재 수중작업로봇(10)이 장애물이 존재하는 작업영역에 위치하는지 여부나, 수중작업로봇(10)과 장애물 간의 거리정보와 같은 정보를 인식할 수도 있다.
초음파센서부(140)는 수중작업로봇(10)의 전방 측에 설치되어 초음파를 발생하고, 빌지킬(30)과 같은 장애물로부터 반사되어 돌아온 초음파의 위상, 세기 등의 정보에 근거하여 장애물을 탐지한다. 일 실시 예에 있어서, 초음파센서부(140)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 초음파센서(141)와, 제2 초음파센서(142)를 포함할 수 있다.
제1 초음파센서(141)는 수중작업로봇(10)의 전방을 향해 제1 방향으로 초음파를 발생하여 빌지킬(bilge keel)(30)을 탐지한다. 빌지킬(30) 부근의 곡률이 상대적으로 큰 선체면의 특성을 고려하여, 제2 초음파센서(142)는 제1 초음파센서(141)의 상부 측에 설치되고, 선체면 곡부에서 빌지킬(30)을 조기에 탐지할 수 있도록, 제1 방향보다 하향 경사진 제2 방향으로 초음파를 발생하여 빌지킬(30)을 탐지한다.
수중작업로봇(10)은 제2 초음파센서(142)에서 빌지킬(30)을 탐지시 주행 속도를 줄일 수 있다. 이후 제1 초음파센서(141)에서도 빌지킬(30)을 탐지하게 되면, 수중작업로봇(10)은 주행을 정지하거나 주행 방향을 전환할 수 있다. 선박(20)의 선저면 주행시, 곡률진 부분에서 상부 측의 제2 초음파센서(142)가 제1 초음파센서(141)보다 먼저 빌지킬(30)을 감지하며, 이에 따라 수중작업로봇(10)의 속도가 미리 감속되므로, 수중작업로봇(10)이 빌지킬(30)에 충돌하는 것을 방지할 수 있다.
빌지킬(30)이 탐지되는 경우, 위치인식부(130)는 수중작업로봇(10)이 빌지킬(30)이 존재하는 제1 작업영역에 위치한 것으로 인식할 수 있다. 빌지킬(30)이 탐지되지 않으면서 수중작업로봇(10)의 심도가 설정된 기준값 이하인 경우, 위치인식부(130)는 수중작업로봇(10)이 빌지킬(30)이 존재하지 않는 제2 작업영역에 위치한 것으로 인식할 수 있다.
수중작업로봇(10)은 빌지킬(30)이 존재하는 제1 작업영역에서는 빌지킬(30)의 탐지 위치에 따라 작업 경로를 결정하고, 빌지킬(30)이 존재하지 않는 제2 작업영역에서는 선박(20)의 선체면에서의 수중작업로봇(10)의 위치에 따라 작업 경로를 결정할 수 있다. 이에 따라, 청소작업 영역을 극대화하여 선저청소 작업을 효과적으로 수행할 수 있다.
자세센서부(150)는 수중작업로봇(10)의 자세 정보, 예를 들어, 롤(roll)각, 피치(pitch)각 및 요(yaw)각을 측정한다. 롤각은 수중작업로봇(10)의 전후방향을 중심축으로 하는 회동각도이고, 피치각은 수중작업로봇(10)의 좌우방향을 중심축으로 하는 회동각도이고, 요각은 수중작업로봇(10)의 상하방향을 중심축으로 하는 회동각도이다.
자세센서부(150)에 의해 산출된 자세 정보는 수중작업로봇(10)의 위치를 보다 정확하게 산출할 수 있도록 위치인식부(130)로 제공될 수 있다. 위치인식부(130)는 수중작업로봇(10)의 심도의 변화량, 선체면에서의 이동거리 및 요각으로부터, 삼각함수에 따라 선박(20)의 선체면에서의 수중작업로봇(10)의 위치를 인식할 수 있다. 자세센서부(150)에 의해 산출된 자세 정보는 보다 정확한 자세 정보를 산출할 수 있도록 자세센서를 보정하기 위해, 자세센서 보정부(160)로 제공된다.
자세센서 보정부(160)는 선박(20)의 선체에 구비된 빌지킬(30)의 방향 또는 요각에 대한 누적오차 분석정보에 따라 요각을 보정한다. 빌지킬(30)은 선박(20)의 전후 방향으로 형성되어 있기 때문에, 빌지킬(30)의 방향 정보에 근거하여, 자세센서부(150)의 요각을 보정함으로써, 누적 오차로 인한 자세 정보의 오차를 줄일 수 있다.
통신인터페이스부(170)는 유/무선 통신을 통해 선박 또는 지상측의 통제실과 통신을 수행하기 위해 제공될 수 있다. 메모리(180)는 수중작업로봇(10)의 위치 및 작업영역을 인식하고 청소작업을 실행하기 위해 필요한 프로그램, 선박(20)의 설계데이터 등의 각종 정보를 저장한다. 제어부(190)는 수중작업로봇(10)의 동작을 위한 프로그램을 실행하고, 수중작업로봇(10)의 각종 구성을 제어하는 하나 이상의 프로세서(processor)로 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 수중작업로봇의 위치 인식 장치는 수중 부유물, 공기방울, 햇빛(광량) 등의 외란에 영향을 받지 않는 심도센서부와, 이동거리 측정부를 이용하여 선체면의 곡부를 인식함으로써 수중작업로봇의 위치를 판별하며, 미리 위치를 알고 있는 빌지킬과 같은 장애물을 회피하면서 청소작업을 효과적으로 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중작업로봇의 위치 인식 장치(100)를 구성하는 위치인식부(130)의 구성도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 위치인식부(130)는 경사도 산출부(131) 및 위치결정부(132)를 포함한다. 경사도 산출부(131)는 심도센서부(110)로부터 심도 정보를 제공받고, 이동거리 측정부(120)로부터 수중작업로봇(10)의 이동거리를 제공받는다. 위치결정부(132)는 자세센서부(150)로부터 요각 정보를 제공받는다.
경사도 산출부(131)는 수중작업로봇(10)의 이동거리에 대한 심도의 변화량의 비율을 산출하고, 이로부터 삼각함수에 따라 수중작업로봇(10)이 위치한 작업영역의 경사도를 산출한다. 수중작업로봇(10)이 상대적으로 경사도가 큰 작업영역에서 주행하는 경우 수중작업로봇(10)의 이동거리에 대한 심도의 변화량의 비율이 증가하고, 수중작업로봇(10)이 상대적으로 경사도가 작은 작업영역에서 주행하는 경우 수중작업로봇(10)의 이동거리에 대한 심도의 변화량의 비율이 감소한다.
위치결정부(132)는 경사도 산출부(131)에 의해 산출된 경사도, 자세센서부(150)에 의해 산출된 요각에 따라, 선박(20)의 선체면 곡부에서의 수중작업로봇(10)의 위치를 결정한다. 위치결정부(132)는 수중작업로봇(10)의 요각에 기초하여, 경사도 산출부(131)에 의해 산출된 경사도를 보정함으로써, 수중작업로봇(10)이 주행하는 작업영역에 대한 정확한 경사면 각도를 산출할 수 있다.
위치결정부(132)는 산출한 작업영역에 대한 경사면 각도를 선박(20)의 설계데이터와 비교하여, 현재 수중작업로봇(10)의 작업영역을 인식할 수 있다. 이에 따라, 수중작업로봇(10)이 선박(20)의 선체에서 어느 높이에 위치하는지를 정확하게 위치할 수 있고, 이에 따라 선체의 상하 청소작업 종료점을 정확하게 판단하여 청소작업을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중작업로봇의 위치 인식 장치(100)를 구성하는 자세센서 보정부(160)의 구성도이다. 도 1 및 도 5를 참조하면, 자세센서 보정부(160)는 제1 자세센서 보정부(161), 누적오차 분석부(162) 및 제2 자세센서 보정부(163)를 포함한다.
제1 자세센서 보정부(161)는 선박(20)의 빌지킬(30)의 방향에 따라 수중작업로봇(10)의 요각을 보정한다. 누적오차 분석부(162)는 제1 자세센서 보정부(161)의 보정 값에 따라, 수중작업로봇(10)의 요각에 대한 누적오차 분석정보를 획득한다. 제2 자세센서 보정부(161)는 누적오차 분석정보를 이용하여, 빌지킬(30)이 없는 선체 영역에서 수중작업로봇(10)의 요각을 보정한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중작업로봇의 위치 인식 방법의 흐름도이다. 도 1 내지 도 3 및 도 6을 참조하면, 수중작업로봇(10)은 선박(20)의 선체면에 부착되고, 장애물을 회피하여 이동하면서 선저면에 부착된 해양 생물 및 이물질(fouling)을 제거하는 청소 작업을 수행한다. 빌지킬(30)과 같은 장애물의 탐지를 위해, 수중작업로봇(10)은 초음파를 발생하고, 장애물로부터 반사되어 되돌아온 초음파 신호의 위상, 세기 등의 정보에 기초하여 장애물을 탐지한다(S10).
도 7 및 도 8은 도 6의 단계 S10을 설명하기 위한 도면으로서, 선박(20)의 선체 일부를 보여주는 정면도이다. 도 1 내지 도 3, 도 6 내지 도 8을 참조하면, 제1 초음파센서(141)는 수중작업로봇(10)의 전방을 향해 초음파를 발생하여 빌지킬(30)을 탐지하고, 제2 초음파센서(142)는 제1 초음파센서(141)보다 하향 경사진 방향으로 초음파를 발생하여 빌지킬(30)을 탐지한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 선박(20)의 곡부에서 제2 초음파센서(142)는 제1 초음파센서(141)보다 먼저 빌지킬(30)을 탐지할 수 있다. 수중작업로봇(10)은 제2 초음파센서(142)에서 빌지킬(30)을 탐지한 순간부터 제1 초음파센서(141)에서 빌지킬(30)을 탐지할 때까지 주행 속도를 줄일 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 초음파센서(141)에서도 빌지킬(30)을 탐지하게 되면, 수중작업로봇(10)은 정지하거나 주행 방향을 전환할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 제2 초음파센서(142)에 의해 빌지킬(30)이 1차적으로 탐지되면, 수중작업로봇(10)의 속도가 미리 감속되므로, 수중작업로봇(10)이 빌지킬(30)에 충돌하는 것을 방지할 수 있다. 이후 수중작업로봇(10)이 빌지킬(30) 측으로 좀 더 진행하여 제1 초음파센서(141)까지 빌지킬(30)을 감지하게 되면, 빌지킬(30)을 회피하는 작업경로를 따라 청소작업을 수행할 수 있다.
다시 도 1 내지 도 3 및 도 6을 참조하면, 수중작업로봇(10)의 위치 및 위치 인식을 위해, 수중작업로봇(10)은 수중작업로봇(10)의 심도(depth) 및 일정 시간 동안의 선체면에서의 이동거리를 측정하고, 요(yaw)각과 같은 자세 정보를 측정한다(S20). 위치인식부(130)는 수중작업로봇(10)의 일정 시간 동안의 심도의 변화량 및 선체면에서의 이동거리로부터, 선박(20)의 선체면 곡부에서의 수중작업로봇(10)의 위치를 인식할 수 있다(S30).
도 9 및 도 10은 도 6의 단계 S30을 설명하기 위한 도면으로서, 도 9는 선박(20)의 선체 일부를 보여주는 정면도이고, 도 10은 선박(20)의 선체 일부를 보여주는 사시도이다. 도 9를 참조하면, 위치인식부(130)는 수중작업로봇(10)의 일정 시간 동안의 선체면에서의 이동거리(L)에 대한 심도의 변화량(D)의 비율(D/L)을 산출하고, 이를 삼각함수에 적용하여 수중작업로봇(10)이 위치한 선체면(현재 작업영역)의 경사도를 산출할 수 있다. 예를 들어, 수중작업로봇(10)이 위치한 작업영역의 경사도 θ는 아래의 수식 1에 따라 산출될 수 있다.
[수식 1]
θ = sin-1(D/L)
도 10을 참조하면, 위치인식부(130)는 경사도(θ), 자세센서부(150)에 의해 산출된 요각(Y)에 따라, 선박(20)의 선체면 곡부에서의 수중작업로봇(10)의 위치를 결정할 수 있다. 위치인식부(130)는 수중작업로봇(10)의 요각(Y)에 기초하여, 경사도 산출부(131)에 의해 산출된 경사도(θ)를 보정함으로써, 수중작업로봇(10)이 현재 주행하는 작업영역에 대한 정확한 경사면 각도(Φ)를 산출할 수 있다.
수중작업로봇(10)이 제1 위치(P1)에서 제2 위치(P2)로 이동한 경우와,제3 위치(P3)로 이동한 경우를 비교해보면, 수심의 변화량은 같지만 제3 위치(P3)로 이동한 경우가 제2 위치(P2)로 이동한 경우보다 수중작업로봇(10)의 이동거리가 더 길기 때문에, 경사도(θ)는 실제 제3 위치(P3)의 작업영역에서의 경사면 각도(Φ)보다 작게 나타난다. 위치인식부(130)는 예를 들어, 아래의 수식 2에 따라 수중작업로봇(10)의 요각(Y)을 이용하여 경사면 각도(Φ)를 산출할 수 있다.
[수식 2]
Φ = sin-1{D/(L×sinY}
다시 도 1 내지 도 3 및 도 6을 참조하면, 위치인식부(130)는 수중작업로봇(10)이 현재 위치한 선체면의 경사면 각도(Φ)를 선박(20)의 설계데이터와 비교하여, 현재 수중작업로봇(10)의 작업영역을 인식할 수 있다(S40). 이에 따라, 수중작업로봇(10)이 선박(20)의 선체에서 어느 높이(드래프트 값)에 위치하는지를 정확하게 인식할 수 있고, 이에 따라 선체의 상하 작업 종료점을 정확하게 판단하여 청소작업을 수행할 수 있다.
도 11은 도 6의 단계 S50 및 S70을 설명하기 위한 도면으로서, 선박(20)의 저면을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 1 내지 도 3, 도 6 및 도 11을 참조하면, 수중작업로봇(10)은 선박(20)의 바닥면을 'ㄹ'자 형태로 반복적으로 주행하면서 선저 청소작업을 수행할 수 있다. 수중작업로봇(10)의 청소영역은 작업영역(A1,A2,A3)에 따라 변화될 수 있다.
초음파센서부(140)에 의해 빌지킬(30)이 탐지되면, 위치인식부(130)는 수중작업로봇(10)이 빌지킬(30)이 존재하는 제1 작업영역(A1)에 위치한 것으로 인식할 수 있다. 이에 따라, 수중작업로봇(10)은 빌지킬(30)이 존재하는 제1 작업영역(A1)에서 빌지킬(30)의 탐지 위치에 따라 작업 경로를 결정한다(S50). 즉, 수중작업로봇(10)은 전방에 빌지킬(30)이 탐지되는지에 따라 작업 경로를 전환한다.
예를 들어, 제1 작업영역(A1)에서, 수중작업로봇(10)은 빌지킬(30)의 위치를 종료시점을 인식하고 180°회전한 뒤, 반대 방향으로 이동하고, 이를 반복하여 선박(20)의 전후 방향으로 나아가면서 청소작업을 수행할 수 있다. 이때, 제1 작업영역(A1)에서, 최대한 빌지킬(30)에 가깝게 이동하여 청소가능 영역을 극대화할 수 있다.
만약, 전방에 빌지킬(30)이 탐지되지 않으면서 수중작업로봇(10)의 심도가 설정된 기준값 이하인 경우, 위치인식부(130)는 수중작업로봇(10)이 빌지킬(30)이 존재하지 않는 제2 작업영역(A2,A3)에 위치한 것으로 인식할 수 있다(S70). 빌지킬(30)이 존재하지 않는 제2 작업영역(A2,A3)에서, 수중작업로봇(10)은 선박(20)의 선체면 곡부에서의 수중작업로봇(10)의 위치에 따라 작업 경로를 결정할 수 있다.
예를 들어, 제2 작업영역(A2,A3)에서, 수중작업로봇(10)은 위치인식부(130)에서 인식한 위치가 미리 설정된 작업영역의 종단점에 도달한 것으로 판단하면, 180°회전한 뒤 반대 방향으로 이동하고, 이를 반복하여 청소작업을 수행할 수 있다. 이에 따라, 제2 작업영역(A2,A3)에서는 빌지킬(30)보다 높은 위치의 영역에 대하여까지 청소영역을 더욱 확장할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 빌지킬(30)이 존재하는 영역(A1)에서는 빌지킬(30)에 의해 구획되는 작업영역 내에서 청소작업을 수행하고, 빌지킬(30)이 존재하지 않는 영역(A2,A3)에서는 빌지킬(30)보다 높은 선체 영역에 대하여까지 청소작업을 수행할 수 있으며, 이에 따라, 청소작업 영역을 극대화하여 선저청소 작업을 효과적으로 수행할 수 있다.
도 12는 도 6의 단계 S60을 설명하기 위한 도면으로서, 선박(20)의 선체 일부와 빌지킬(30)을 개략적으로 보여주는 사시도이다. 도 1 내지 도 3, 도 6, 도 11 및 도 12를 참조하면, 수중작업로봇(10)이 빌지킬(30)이 존재하는 선체면 구간(A1)에 위치한 경우, 자세센서 보정부(160)는 선박(20)의 선체면에 구비된 빌지킬(30)의 방향에 따라 요각을 보정한다(S60).
수중작업로봇(10)이 장시간에 걸쳐 선체 바닥면을 주행시, 누적 오차가 발생하여 직진 주행이 불가능하게 될 수 있다. 빌지킬(30)은 선박(20)의 전후 방향으로 형성되어 있기 때문에, 빌지킬(30)의 방향 정보에 근거하여, 자세센서부(150)의 요각을 보정함으로써, 자세센서부(150)의 누적 오차로 인한 자세 정보의 오차를 줄일 수 있다. 예를 들어, 자세센서부(150)는 빌지킬(30)의 방향각과 나란한 방향의 요각을 90° 혹은 -90° 값으로 초기화할 수 있다.
빌지킬(30)이 없는 곳에서는 빌지킬(30)을 이용한 각도 보정이 불가능하므로, 수중작업로봇(10)이 빌지킬(30)이 존재하지 않는 선체면 구간(A2,A3)에 위치할 때에도 자세센서부(150)의 요각을 보정할 수 있도록, 자세센서 보정부(160)는 빌지킬(30)이 있는 선체면 구간(A1)에서 수행된 요각의 보정 값에 따라 누적오차 분석정보를 획득한다(S60).
즉, 빌지킬(30)이 없는 선체면 구간(A2,A3)에서 수중작업로봇(10)의 요각을 보정할 수 있도록, 자세센서 보정부(160)는 수중작업로봇(10)이 빌지킬(30)이 존재하는 선체면 구간(A1)을 주행시에 주행시간, 주행거리 및 빌지킬(30)의 방향에 따라 보정된 요각 값을 데이터로 기록하여 누적 오차의 경향을 파악하고, 수중작업로봇(10)의 주행거리, 위치변화량, 주행시간 등의 정보와, 요각의 보정 값 간의 상관관계를 학습한다.
이후, 수중작업로봇(10)이 빌지킬(30)이 존재하지 않는 구간(A2,A3)에 위치하는 경우, 자세센서 보정부(160)는 학습된 누적오차 분석정보를 이용하여 수중작업로봇(10)의 요각을 보정할 수 있다(S80). 본 발명의 실시 예에 의하면, 빌지킬(30)을 이용하여 요각의 누적 오차를 보정하고, 수중작업로봇(10)과 요각의 보정 값 간의 관계로부터 누적오차 분석정보를 학습하여, 빌지킬(30)이 없는 선체 구간에서도 요각을 보정할 수 있다. 이에 따라 수중작업로봇(10)의 위치 및 자세를 보다 정확하게 인식하여 선저청소작업을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 수중작업로봇의 위치 인식 방법은 예를 들어 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 SRAM(Static RAM), DRAM(Dynamic RAM), SDRAM(Synchronous DRAM) 등과 같은 휘발성 메모리, ROM(Read Only Memory), PROM(Programmable ROM), EPROM(Electrically Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM), 플래시 메모리 장치, PRAM(Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM), RRAM(Resistive RAM), FRAM(Ferroelectric RAM)과 같은 불휘발성 메모리, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 광학적 판독 매체 예를 들어 시디롬, 디브이디 등과 같은 형태의 저장매체일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
10: 수중작업로봇 20: 선박
30: 빌지킬(bilge keel) 110: 심도센서부
120: 이동거리 측정부 130: 위치인식부
131: 경사도 산출부 132: 위치결정부
140: 초음파센서부 141: 제1 초음파센서
142: 제2 초음파센서 150: 자세센서부
160: 자세센서 보정부 161: 제1 자세센서 보정부
162: 누적오차 분석부 163: 제2 자세센서 보정부
170: 통신인터페이스부 180: 메모리
190: 제어부

Claims (9)

  1. 수중작업로봇의 심도를 측정하는 심도센서부;
    선박의 선체면에서의 상기 수중작업로봇의 이동거리를 측정하는 이동거리 측정부;
    상기 수중작업로봇의 요(yaw)각을 측정하는 자세센서부;
    상기 선체면에 구비된 빌지킬(bilge keel)의 방향에 따라 상기 요각을 보정하고, 상기 수중작업로봇의 요각에 대한 누적오차 분석정보를 이용하여 상기 빌지킬이 없는 선체 영역에서 상기 수중작업로봇의 요각을 보정하는 자세센서 보정부; 및
    상기 수중작업로봇의 심도의 변화량, 상기 이동거리, 및 상기 자세센서 보정부에 의해 보정된 요각을 이용하여, 상기 선체면에서의 상기 수중작업로봇의 위치를 인식하는 위치인식부를 포함하는 수중작업로봇의 위치 인식 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 위치인식부는,
    상기 이동거리에 대한 상기 심도의 변화량의 비율로부터 상기 수중작업로봇이 위치한 선체면의 경사도를 산출하는 경사도 산출부; 및
    산출된 경사도에 따라 상기 선체면에서의 상기 수중작업로봇의 위치를 결정하는 위치 결정부를 포함하는 수중작업로봇의 위치 인식 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 위치 결정부는 상기 경사도 및 상기 보정된 요각에 따라 상기 선체면에서의 상기 수중작업로봇의 위치를 결정하는 수중작업로봇의 위치 인식 장치.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 자세센서 보정부는,
    상기 선박의 빌지킬의 방향에 따라 상기 자세센서부에 의해 측정된 요각을 보정하는 제1 자세센서 보정부;
    상기 제1 자세센서 보정부의 보정 값에 따라 상기 수중작업로봇의 요각에 대한 누적오차 분석정보를 획득하는 누적오차 분석부; 및
    상기 누적오차 분석정보를 이용하여 상기 빌지킬이 없는 선체 영역에서 상기 수중작업로봇의 요각을 보정하는 제2 자세센서 보정부를 포함하는 수중작업로봇의 위치 인식 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    초음파를 발생하여 장애물을 탐지하는 초음파센서부를 더 포함하고,
    상기 위치인식부는, 상기 장애물이 탐지되는 경우 상기 수중작업로봇이 제1 작업영역에 위치한 것으로 인식하고, 상기 장애물이 탐지되지 않으면서 상기 심도가 설정된 기준값 이하인 경우 상기 수중작업로봇이 제2 작업영역에 위치한 것으로 인식하는 수중작업로봇의 위치 인식 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 초음파센서부는,
    전방을 향해 제1 방향으로 초음파를 발생하여 상기 장애물을 탐지하는 제1 초음파센서; 및
    상기 제1 초음파센서의 상부 측에 설치되고, 상기 제1 방향보다 하향 경사진 제2 방향으로 초음파를 발생하여 상기 장애물을 탐지하는 제2 초음파센서를 포함하고,
    상기 수중작업로봇은, 상기 제2 초음파센서에서 상기 장애물을 탐지시 주행 속도를 줄이고, 상기 제1 초음파센서에서 상기 장애물을 탐지하면 정지하거나 주행 방향을 전환하는 수중작업로봇의 위치 인식 장치.
  8. 수중작업로봇의 심도를 측정하는 단계;
    선박의 선체면에서의 상기 수중작업로봇의 이동거리를 측정하는 단계;
    상기 수중작업로봇의 요(yaw)각을 측정하는 단계;
    상기 선체면에 구비된 빌지킬(bilge keel)의 방향에 따라 상기 요각을 보정하는 단계;
    상기 빌지킬의 방향을 이용한 요각의 보정 값에 따라 상기 수중작업로봇의 요각에 대한 누적오차 분석정보를 획득하는 단계;
    상기 수중작업로봇의 요각에 대한 누적오차 분석정보를 이용하여 상기 빌지킬이 없는 선체 영역에서 상기 수중작업로봇의 요각을 보정하는 단계; 및
    상기 수중작업로봇의 심도의 변화량, 상기 이동거리, 및 보정된 요각을 이용하여, 상기 선체면에서의 상기 수중작업로봇의 위치를 인식하는 단계를 포함하는 수중작업로봇의 위치 인식 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 수중작업로봇의 위치를 인식하는 단계는,
    상기 이동거리에 대한 상기 심도의 변화량의 비율로부터 상기 수중작업로봇이 위치한 작업영역의 경사도를 산출하는 단계; 및
    상기 경사도 및 상기 보정된 요각에 따라, 상기 선체면에서의 상기 수중작업로봇의 위치를 결정하는 단계를 포함하는 수중작업로봇의 위치 인식 방법.
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