KR101777594B1 - 자이로 효과 이용한 ffl의 자세조절 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자유낙하 방식의 구명정(10)이 입수되는 자세를 조절하는 장치에 있어서: 상기 구명정(10)에 탑재되어 반력을 작용하도록 프레임(21) 상에 케이스(22)와 로터(23)를 지니는 자이로구조체(20); 및 상기 구명정(10)의 자세 변동에 대응하여 자이로구조체(20)의 반력을 유발하는 제어기(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 해양구조물 등에 설치된 FFL의 자세가 틀어졌을 경우에도 구명정의 낙하, 입수, 부상에 이르기까지 자세를 안정적으로 유지하여 충격에 의한 부상자 발생과 선체 파손을 방지하는 효과가 있다.

Description

자이로 효과 이용한 FFL의 자세조절 장치{Apparatus for controlling posture of FFL using gyro effect}

본 발명은 구명정의 자세조절에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 해양 구조물에 설치되는 구명정의 입수 자세를 안정적으로 유지하기 위한 자이로 효과 이용한 FFL의 자세조절 장치에 관한 것이다.

FFL(Free Falling Lifebaoat)은 해양 구조물에서 거주하는 사람들이 위급상항 시 외부 에너지원 없이 자유낙하 방식으로 빠르게 탈출하기 위한 구명정을 의미한다. 다만 FFL의 자유낙하로 탈출 시 자칫 자세가 틀어질 수 있는데, 종래의 방식에 의하면 이에 대한 대비가 없는 실정이다.

이와 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 공개특허공보 제2010-0082565호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1476104호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 선박의 선체에 고정되는 베이스블록과, 상기 베이스블록에 고정되며 짐벌축을 구비한 짐벌모터와, 상기 짐벌모터의 짐벌축에 결합되어 피치축을 중심으로 회전하는 스핀모터와, 상기 스핀축에 결합되어 모멘트를 발생시키는 휠 등으로 구성되어, 선박의 롤축에 대한 동요를 억제하는 롤축 제진용 자이로스코프와; 상기 롤축 제진용 자이로스코프의 작동을 제어하는 제어기를 포함한다. 이에 따라, 전체 크기를 대폭 줄이면서 동요 제진 성능의 향상을 기대한다.

선행문헌 2는 부력에 의해 해상에 뜨는 선체; 선체의 네 모서리에 각각 설치되며, 선체의 요동에 대응하여 요동 억제 모멘트를 발생시키는 수평유지장치; 수평유지장치의 일측에 각각 설치되며, 선체의 기울기를 측정하는 기울기 검출부; 및 기울기 검출부에서 검출된 값에 대응하여 수평유지장치의 작동을 각각 제어하는 제어부를 포함한다. 이에 따라, 해상에 계류중만 아니라 이동시에도 선체의 균형을 유지할 수 있는 효과를 기대한다.

그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 긴급 상황에서 자유낙하하는 구명정이 진수되는 과정에서 자세를 설정된 범위로 안정적으로 유지하여 충격을 완화하기 위한 제어 기술로 활용하기에 한계성을 보인다.

1. 한국 공개특허공보 제2010-0082565호 "선박 안정화장치" (공개일자 : 2010. 7. 19.) 2. 한국 등록특허공보 제1476104호 "수평유지장치를 구비한 바지선 및 그 제어방법" (공개일자 : 2014. 12. 23.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 해양구조물의 기울어짐, 바람, 폭발 등의 이유로 FFL의 자세가 틀어진 경우에도 자유낙하 구명정의 진수 자세를 안정적으로 유지하여 충격을 최소화하는 자이로 효과 이용한 FFL의 자세조절 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 자유낙하 방식의 구명정(10)이 입수되는 자세를 조절하는 장치에 있어서: 상기 구명정(10)에 탑재되어 반력을 작용하도록 프레임(21) 상에 케이스(22)와 로터(23)를 지니는 자이로구조체(20); 및 상기 구명정(10)의 자세 변동에 대응하여 자이로구조체(20)의 반력을 유발하는 제어기(40)를 포함하며, 상기 자이로구조체(20)는 프레임(21)을 Z축(26) 상으로 회동시키는 Z축구동기(36), 케이스(22)를 X축(24) 상으로 회동시키는 X축구동기(34)를 구비하며, 상기 제어기(40)는 구명정(10)의 자세를 검출하는 센서부(42), 기설정된 제어 알고리즘을 탑재하고 실행하는 제어부(44), 자이로구조체(20)에 제어부(44)의 출력을 인가하는 구동부(46)를 구비하고, 상기 Z축구동기(36)와 상기 로터(23)의 사이에 배치되어, 상기 로터(23)를 회전시키는 메인구동기(33)를 더 포함하며, 상기 프레임(21)은 구명정(10)에 Z축(26)을 개재하여 회동 가능하게 장착되며, 상기 제어기(40)는 상기 센서부(42)에 의해 상기 구명정(10)의 자세를 검출하여, 상기 구동부(46)에 의해 상기 자이로구조체(20)를 구동하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제1실시예로서, 상기 자이로구조체는 프레임을 Z축 상으로 회동시키는 Z축구동기, 케이스를 X축 상으로 회동시키는 X축구동기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 Z축구동기는 구명정의 롤링자세 보상시 직각으로 회동하여 X축구동기를 Y축구동기로 작용시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2실시예로서, 상기 자이로구조체는 프레임과 케이스 사이에 회동 가능하게 설치되는 짐벌, 짐벌을 X축 상으로 회동시키는 X축구동기, 케이스를 Y축 상으로 회동시키는 Y축구동기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 구명정의 자세를 검출하는 센서부, 기설정된 제어 알고리즘을 탑재하고 실행하는 제어부, 자이로구조체에 제어부의 출력을 인가하는 구동부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 해양구조물 등에 설치된 FFL의 자세가 틀어졌을 경우에도 구명정의 낙하, 입수, 부상에 이르기까지 자세를 안정적으로 유지하여 충격에 의한 부상자 발생과 선체 파손을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 장치를 개략적으로 나타내는 모식도
도 2는 도 1의 장치에 의한 피칭자세 변동을 나타내는 모식도
도 3은 도 1의 장치에 의한 롤링자세 변동을 나타내는 모식도
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 장치를 개략적으로 나타내는 모식도
도 5는 도 4의 장치에 의한 롤링 및 피칭 자세 변동을 나타내는 모식도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 자유낙하 방식의 구명정(10)이 입수되는 자세를 조절하는 장치에 관하여 제안한다. 보편적으로 자유낙하 방식의 구명정(FFL)은 해양구조물에 설치되어 화재 등의 비상시 인원의 신속하고 안전한 대피를 유도한다. 다만 해양구조물이 파손되어 기울어지는 경우 구명정의 진수시 입수하는 자세(각도)가 틀어지면 인명과 선체의 손상을 초래할 우려가 크다.

본 발명에 따르면 자이로구조체(20)가 상기 구명정(10)에 탑재되어 반력을 작용하도록 프레임(21) 상에 케이스(22)와 로터(23)를 지니는 구조이다. 자이로구조체(20)는 인공위성 등의 자세제어에 사용하는 플라이휠 로터(23)의 자이로 효과를 기반으로 한다. 자이로구조체(20)의 프레임(21)은 구명정(10)의 선수 등에 장착되고, 로터(23)를 회전 가능하게 지지하는 케이스(22)는 프레임(21)에 회동 가능하게 수용된다. 여기서 '회동'은 '회전'에 비하여 작은 각도 범위로 회전되는 상태를 의미하지만 명확한 구분을 요하지는 않는다. 이와 같은 방식으로 자이로구조체(20)는 메인구동기(33)에 연결되어 고속으로 회전하는 플라이휠 로터(23)의 세차운동을 유발한다.

이때, FFL의 낙하와 더불어 수중과 수면에서 자세를 제어하는 방식은 후술하는 것처럼 도 1 및 도 4의 두 가지 실시예로 구현된다.

또, 본 발명에 따르면 제어기(40)가 상기 구명정(10)의 자세 변동에 대응하여 자이로구조체(20)의 반력을 유발하는 구조를 특징으로 한다. 제어기(40)는 낙하되는 구명정(10)의 피칭과 롤링을 제어함에 있어 자이로구조체(20)의 세차운동에 기인한 반력(모멘트)를 유발한다. 도 1을 참조하면 피칭은 Y축을 중심으로 하는 회동을 의미하고, 롤링은 X축을 중심으로 하는 회동을 의미한다. 제어기(40)의 세부적인 구성과 작용은 하기의 설명을 참조한다.

본 발명의 제1실시예로서, 상기 자이로구조체(20)는 프레임(21)을 Z축(26) 상으로 회동시키는 Z축구동기(36), 케이스(22)를 X축(24) 상으로 회동시키는 X축구동기(34)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 1에서 프레임(21)은 구명정(10)에 Z축(26)을 개재하여 회동 가능하게 장착된다. Z축(26)의 하단에는 프레임(21)의 회동을 유발하는 Z축구동기(36)가 설치된다. 케이스(22)는 프레임(21)에 X축(24)을 개재하여 회동 가능하게 장착된다. X축(24)의 일단에는 케이스(22)의 회동을 유발하는 X축구동기(34)가 설치된다. X축구동기(34)와 Z축구동기(36)는 회동 제어에 있어 높은 정밀도를 요하지 않으므로 감속모터를 사용할 수 있다.

도 2에서, 구명정의 길이(X축) 방향 선체가 해수면과 이루는 정상적 입수각도가 θ이고 해양구조물의 기울어짐에 의하여 φ만큼의 피치자세 보상이 필요한 경우 X축구동기(34)로 케이스(22)를 회동시키는 모멘트(Mx)를 발생하면 로터(23)의 세차운동에 의하여 이와 직교하는 Y축(25) 방향의 반동 모멘트(My)가 유발되어 반력을 작용한다. 즉, 이때의 반력은 구명정의 선수를 낮추거나 높여 적절한 피치자세를 유지한다.

도 3에서, 동일한 취지로 구명정의 폭(Y축) 방향 선체가 해수면과 이루는 정상적인 입수각도가 수직선을 기준으로 O˚이지만 α만큼 롤링자세 보상이 필요한 경우 Y축 방향의 회동 모멘트(My)를 발생하여 X축 방향의 반동 모멘트(Mx)가 유발되어 반력을 작용한다. 즉, 이때의 반력은 구명정의 좌현(또는 우현)을 낮추거나 높여 적절한 롤링자세를 유지한다. 다만, 본 발명의 제1실시예에서 X축구동기(34)와 Z축구동기(36)만 구비하고 Y축구동기(35)를 배제하므로 후술하는 방식으로 제어를 수행한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 Z축구동기(36)는 구명정의 롤링자세 보상시 직각으로 회동하여 X축구동기(34)를 Y축구동기(35)로 작용시키는 것을 특징으로 한다. 도 3처럼 Z축구동기(36)로 프레임(21)을 90˚ 회동시키면 X축(24)과 X축구동기(34)는 Y축(25)과 Y축구동기(35)로 변환된다. 이는 하드웨어의 구성을 변동하지 않고 제어기(40)에 의한 소프트웨어 제어로 구현된다.

이와 같이 본 발명의 제1실시예에 의하면 해양구조물의 기울어진 상태를 미리 파악하여 구명정(10)의 피칭자세 또는 롤링자세 중 어느 하나를 선택하여 도 2 또는 도 3의 보상을 수행한다.

본 발명의 제2실시예로서, 상기 자이로구조체(20)는 프레임(21)과 케이스(22) 사이에 회동 가능하게 설치되는 짐벌(31), 짐벌(31)을 X축(24) 상으로 회동시키는 X축구동기(34), 케이스(22)를 Y축(25) 상으로 회동시키는 Y축구동기(35)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이는 해양구조물의 기울어진 상태가 복잡하여 구명정(10)의 피칭자세 또는 롤링자세를 동시에 보상하는 경우를 고려한다. 플라이휠 로터(23)의 세차운동은 Z축(26), 케이스(22), Y축(25)짐벌(31), X축(24)을 통하여 프레임(21)에 전달된다. 제2실시예의 X축구동기(34)와 Y축구동기(35)는 동시에 정밀하게 제어되어야 하므로 서보모터가 바람직하다. 반면 제2실시예는 제1실시예의 Z축구동기(36)를 배제할 수 있다.

이때, 기본적으로 구명정의 피칭자세 및 롤링자세 보상은 전술한 도 2 및 도 3과 동일한 원리로 수행된다. 피칭자세 보정시 X축구동기(34)로 짐벌(31)을 회동시켜 X축 방향 모멘트(Mx)를 발생하면 Y축 방향의 모멘트(My)가 유발되어 선체의 길이(전후) 방향으로 반력을 작용한다. 롤링자세 보상시 Y축구동기(35)로 케이스(22)를 회동시켜 Y축 방향 모멘트(My)를 발생하면 X축 방향의 모멘트(Mx)가 유발되어 선체의 폭(좌우) 방향으로 반력을 작용한다. 도 5는 각도 φ의 피치자세 보상과 각도 α의 롤링자세 보상을 동시에 수행함을 나타낸다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(40)는 구명정(10)의 자세를 검출하는 센서부(42), 기설정된 제어 알고리즘을 탑재하고 실행하는 제어부(44), 자이로구조체(20)에 제어부(44)의 출력을 인가하는 구동부(46)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 센서부(42)는 자이로센서를 사용하여 구명정의 기울어짐에 대응한 신호를 생성한다. 제어부(44)는 마이크로프로세서, 메모리, I/O인터페이스를 탑재한 마이컴 회로로 구성한다. 구동부(46)는 X축구동기(34), Y축구동기(35), Z축구동기(36)의 작동을 위한 전원을 인가한다.

작동에 있어서, 제어기(40)는 구명정이 낙하된 이후 입수하고 수중에서 부상하는 과정에 센서부(42)의 신호를 입력하고 이에 대응하여 설정된 알고리즘으로 X축구동기(34), Y축구동기(35), Z축구동기(36) 중 적어도 하나의 정역회동을 유도한다. 이에 구명정이 정상적인 자세로 진수되므로 내부에 탑승한 인원은 물론 선체의 손상 우려도 크게 경감된다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 구명정 20: 자이로구조체
21: 프레임 22: 케이스
23: 로터 24: X축
25: Y축 26: Z축
31: 짐벌 33: 메인구동기
34: X축구동기 35: Y축구동기
36: Z축구동기 40: 제어기
42: 센서부 44: 제어부
46: 구동부

Claims (5)

1. 자유낙하 방식의 구명정(10)이 입수되는 자세를 조절하는 장치에 있어서:
   상기 구명정(10)에 탑재되어 반력을 작용하도록 프레임(21) 상에 케이스(22)와 로터(23)를 지니는 자이로구조체(20); 및
   상기 구명정(10)의 자세 변동에 대응하여 자이로구조체(20)의 반력을 유발하는 제어기(40)를 포함하며,
   상기 자이로구조체(20)는 프레임(21)을 Z축(26) 상으로 회동시키는 Z축구동기(36), 케이스(22)를 X축(24) 상으로 회동시키는 X축구동기(34)를 구비하며,
   상기 제어기(40)는 구명정(10)의 자세를 검출하는 센서부(42), 기설정된 제어 알고리즘을 탑재하고 실행하는 제어부(44), 자이로구조체(20)에 제어부(44)의 출력을 인가하는 구동부(46)를 구비하고,
   상기 Z축구동기(36)와 상기 로터(23)의 사이에 배치되어, 상기 로터(23)를 회전시키는 메인구동기(33)를 더 포함하며,
   상기 프레임(21)은 구명정(10)에 Z축(26)을 개재하여 회동 가능하게 장착되며,
   상기 제어기(40)는 상기 센서부(42)에 의해 상기 구명정(10)의 자세를 검출하여, 상기 구동부(46)에 의해 상기 자이로구조체(20)를 구동하는 자이로 효과 이용한 FFL의 자세조절 장치.
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