KR101866202B1 - 압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법 - Google Patents

압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법을 공개한다. 이 방법은 (a) 신호 발생기가 복수개의 레이어 각각의 모서리에 위치한 복수개의 고정 노드에 소정의 세기의 전자기파 신호를 방사하는 단계; (b) 상기 복수개의 고정 노드가 소정의 할당된 주파수들에서 전자기파 신호를 연속적으로 송신하는 단계; (c) 이동 노드가 원격 작동 차량의 하부면에 설치되고 상기 복수개의 고정 노드 사이에 위치하여, 상기 송신된 전자기파 신호를 수신하는 단계; (d) 상기 수신된 신호의 신호 감쇠 데이터가 측정되어 상기 이동 노드의 평면 위치가 추정되는 단계; (e) 압력 센서가 상기 이동 노드에 부착되어 상기 이동 노드의 수압을 감지하여 상기 복수개의 레이어 중 최상의 레이어로부터 상기 이동 노드까지의 깊이 데이터를 출력하는 단계; (f) 신호 분석기가 케이블을 통해 상기 이동 노드에 연결되어 상기 평면 위치 및 상기 깊이 데이터를 이용하여 상기 이동 노드의 위치를 레이어 별로 지역화하는 단계; 및 (g) 상기 레이어 별로 지역화된 이동 노드의 위치를 통해 상기 원격 작동 차량의 3차원 수중 위치가 추정되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법{A 3-D underwater location estimating method using a pressure sensor and electromagnetic wave signal generation node array}
본 발명은 수중 위치 추정 방법에 관한 것으로서, 특히 압력 센서를 이용하여 감쇠 패턴 모델을 단순화하고, 동일 평면상 신호 감쇠 데이터를 통한 전자기파의 2차원 위치 추정 기술 및 계층 배열 센서 어레이를 이용하여 층별로 수중 위치 추정을 함으로써, 이동 노드와 고정 노드와의 직선 거리를 정확하게 추정하고, 고정 노드와의 앙각이 임계 값에 가까운 경우에도 높은 정밀도로 이동 노드의 위치를 추정할 수 있는 압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법에 관한 것이다.
최근에, 육상 자원의 감소 및 개발 가능한 공간의 감소로 인해 전 지구의 70 %를 차지하고 있는 수중 환경에 대한 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
그 중에서도 인류가 오랫동안 사용해 왔던 화석 연료의 고갈로 인해 해양 개발을 통한 화석 연료의 확보, 희소 가치가 높은 광물 채집 등의 자원 개발 용도와 현재까지 탐지가 어려운 수중 환경의 특성을 이용 군사적 용도 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
이들 수중 개발은 얕은 수심의 근해에서는 사람을 통해 정확한 작업이 가능하지만 50 m 수심만 넘어도 특수 장비에 의존하지 않는 한 사람을 통해 작업하는 것은 매우 어렵다.
특히, 수중 환경에서 사람이 작업하기 위해서는 작업 시간과 휴식 시간을 정해두고 여러 사람이 번갈아 가며 작업해야 수압에 대한 안정성이 확보되기 때문에 다수의 인력이 요구되어 비용 상승이 발생한다.
이를 해결하기 위해 1980년대 이후로 수중 작업용 로봇의 개발이 활발히 이루어진 바 있다.
이러한 수중 로봇을 운용하기 위해서는 사람이 직접 개입하는 원격 작동 차량(Remote Operate Vehicle, ROV) 방식과 임무를 가지고 로봇이 직접 작업하는 무인 자동 차량(Autonomous Unmanned Vehicle, AUV) 방식이 사용된다.
원격 작동 차량 방식의 경우 로봇의 판단 없이 사람의 판단으로 직관적인 움직임이 가능하나, 수중 환경에서 무선 통신 사용의 어려움으로 인해 케이블의 일종인 테더가 필수로 요구되며, 이는 수중에서 작업하는 로봇의 자유도를 떨어뜨린다.
반면, 무인 자동 차량 방식은 정해진 임무를 로봇의 판단 하에 처리하거나, 미리 입력된 정보로 임무를 수행한다.
주로 배터리를 이용한 무선 형태로 구동되기에 테더에 의한 제약을 받지 않지만, 사람의 판단 없이 독자적으로 움직이며 원격 작동 차량 방식만큼 정확한 임무를 수행해야 하기에 센서를 통한 위치 정보 획득이 필수적으로 요구된다.
한편, 현재 널리 알려진 수중 위치 추정 기법으로는 초음파를 사용한다. 이들 초음파는 높은 신뢰도로 넓은 영역에 대한 위치 추정 솔루션이 제공되어 있으며, 대부분의 수중 이동체(로봇, 잠수함, 선박)들은 이를 이용하여 위치 정보를 얻는다.
또한, 실험적인 접근을 통한 위치 추정 기법으로 영상을 통한 기법, 자기장을 통한 기법, 전자기파를 이용한 기법 등이 소개되어 있다.
여러 기법 중 전자기파를 이용한 수중 위치 추정 기법은 초근거리에서 수 cm 단위로 위치 추정을 구조화된 환경 내에서 구현된 바 있다.
하지만, 전자기파만을 이용하여 위치 추정을 하기 위해서는 방사 패턴의 한계로 인해 추정이 어려운 지역이 발생한다는 문제점이 있었다.
이에 본 발명자들은 압력 센서의 수중 실험을 통해 센서 데이터의 안정성을 확인하고, 이를 3차원 전자기파 신호 감쇠 패턴 모델의 z 값에 적용하여 낮은 위치 추정 오차를 확인하며, 실험 수조에 수중 무선 센서 네트워크를 구축하고 ROV 위치를 정확하게 추정할 수 있는 3차원 수중 위치 추정 방법을 고안하기에 이르렀다.
(특허문헌 1) JP 2013-141923 A
본 발명의 목적은 수중에서 깊이 정보를 정확하게 취득하는 압력 센서를 이용하여 감쇠 패턴 모델을 단순화하여 보다 정밀한 위치 추정을 진행하고, 동일 평면상 신호 감쇠 데이터를 통한 전자기파의 2차원 위치 추정 기술 및 계층 배열 센서 어레이를 이용하여 층별로 위치 추정을 진행할 수 있는 압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법은 (a) 신호 발생기가 복수개의 레이어 각각의 모서리에 위치한 복수개의 고정 노드에 소정의 세기의 전자기파 신호를 방사하는 단계; (b) 상기 복수개의 고정 노드가 소정의 할당된 주파수들에서 전자기파 신호를 연속적으로 송신하는 단계; (c) 이동 노드가 원격 작동 차량의 하부면에 설치되고 상기 복수개의 고정 노드 사이에 위치하여, 상기 송신된 전자기파 신호를 수신하는 단계; (d) 상기 수신된 신호의 신호 감쇠 데이터가 측정되어 상기 이동 노드의 평면 위치가 추정되는 단계; (e) 압력 센서가 상기 이동 노드에 부착되어 상기 이동 노드의 수압을 감지하여 상기 복수개의 레이어 중 최상의 레이어로부터 상기 이동 노드까지의 깊이 데이터를 출력하는 단계; (f) 신호 분석기가 케이블을 통해 상기 이동 노드에 연결되어 상기 평면 위치 및 상기 깊이 데이터를 이용하여 상기 이동 노드의 위치를 레이어 별로 지역화하는 단계; 및 (g) 상기 레이어 별로 지역화된 이동 노드의 위치를 통해 상기 원격 작동 차량의 3차원 수중 위치가 추정되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법의 상기 (d) 단계는 상기 측정된 신호 감쇠 데이터의 수신 신호 세기 정보가 범위 센서 모델을 통해 범위 정보로 변경되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법의 상기 (e) 단계는 상기 감지된 수압의 출력 전압이 상기 깊이 데이터로 변환되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법의 상기 깊이 데이터는 다음과 같은 수학식에 의해 산출되고,
Figure 112016073277917-pat00001
상기 xvolt 는 상기 압력 센서의 출력 전압이고, Zdepth 는 상기 깊이 데이터인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법의 상기 (f) 단계는 상기 이동 노드가 상기 깊이 데이터를 인가받아 상기 고정 노드와의 앙각을 계산하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
본 발명에 의할 경우, 수중에서 전자기파 에너지가 많이 흡수되더라도 이동 노드에서 전자기파의 상대적인 감쇠 경향을 고려하여 고정 노드와의 직선 거리를 정확하게 추정할 수 있고, 압력 센서로부터의 깊이 데이터를 이용하여 이동 노드의 실제 3차원 수중 위치를 정확하게 추정할 수 있다.
또한, 이동 노드의 깊이가 수평층 부근뿐 아니라, 고정 노드와의 앙각이 임계 값에 가까운 경우에도 큰 발산 없이 높은 정밀도로 이동 노드의 위치가 추정될 수 있다.
도 1은 깊이 정보를 이용하여 수중 물체의 위치를 추정하는 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 장치 내 압력 센서의 깊이에 따른 출력 전압 데이터에 대한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 3차원 수중 위치 추정 방법을 구현하기 위해 다이폴 안테나의 방사 패턴을 결정하기 위한 실험 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 실험 장치를 통해 나타난 다이폴 안테나의 앙각 대비 수신 신호 전력 세기의 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 3차원 수중 위치 추정 방법을 구현하기 위해 다이폴 안테나의 깊이의 변화에 따른 범위 추정 실험 장치의 개략적인 구성도이다.
도 7은 도 6에 도시된 실험 장치를 통해 나타난 다이폴 안테나의 깊이의 변화 대비 거리 추정 결과의 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 3차원 수중 위치 추정 방법을 구현하기 위해 수중 무선 센서 네트워크 기반 3D 지역화 방식에 따른 모델의 개략적인 구성도이다.
도 9는 본 발명에 따른 3차원 수중 위치 추정 방법을 구현하기 위해 고정 위치 설정을 위한 수중 무선 센서 네트워크 장치의 구성도이다.
도 10은 도 9에 도시된 장치를 통해 할당된 주파수 대비 이동 노드(MN)에서 수신된 신호의 전력 크기의 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 3차원 수중 위치 추정 방법을 구현하기 위해 원격 작동 차량의 위치 추적을 위한 수중 무선 센서 네트워크 장치의 구성도이다.
도 12는 도 9에 도시된 실험 장치를 통해 이동 노드(MN)의 위치에 따라 위치 설정되는 현지화 결과의 3차원 그래프이다.
도 13은 도 9에 도시된 실험 장치를 통해 이동 노드(MN)의 위치에 따라 위치 설정되는 현지화 조건 및 결과에 대한 표이다.
도 14는 도 11에 도시된 실험 장치를 통해 원격 작동 차량의 위치를 추적한 결과의 3차원 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
위치 추정 정보의 취득 및 추정 시스템
도 1은 깊이 정보를 이용하여 수중 물체의 위치를 추정하는 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 장치 내 압력 센서의 깊이에 따른 출력 전압 데이터에 대한 그래프이다.
도 1 내지 도 2를 참조하여 압력 센서의 깊이 정보를 이용하여 수중 물체의 위치를 추정하는 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 1에서 보는 바와 같이, 수중 물체의 위치를 보다 정밀하게 추정하기 위하여 깊이 정보를 취득할 수 있는 압력 센서를 이용하여 수중 물체의 3차원 수중 위치를 추정한다.
먼저, 도 1에서 보는 바와 같이, NI5670 신호 발생기(Signal generator, 100)가 일정한 세기(10 dBm)로 전자기파 신호를 방사하면(S110), 복수개의 고정 노드(Fixed node)는 소정의 할당된 주파수들에서 전자기파 신호를 송신한다(S120).
이동 노드(Mobile node)는 NI5660 신호 분석기(Signal analyzer, 300)를 이용하여 각 채널 (4개의 개별 노드) 별로 들어온 데이터를 수신하여 위치를 추정한다.
즉, 수중 물체의 위치 정보 획득을 위해서 압력 센서(200)를 이동 노드의 안테나 위치와 동일하게 위치시키고, 임의의 측정점에 이동 노드를 위치시켜 4개 고정 노드로부터 방사되는 전자기파의 신호 감쇠 데이터를 측정한다(S140).
본 발명은 전자기파를 이용하므로 수중이란 매질에서 흡수되는 에너지가 많이 발생하여 되돌아오는 시간이나 각을 추정하기에 어려운 단점을 극복하기 위해 송신 노드에서 알려진 세기의 값을 송출하면 수신 노드에서 상대적인 감쇠 경향을 파악하여 직선 거리 등 평면 (X-Y) 위치를 파악한다(S150).
이와 같은 측정을 통해 얻은 신호감쇠 데이터와 압력 센서로부터 들어온 수압 정보를 이용하여(S160) 실제 깊이 데이터를 산출하여(S170) 수중 물체의 3차원 수중 위치를 추정한다(S190).
도 2에서 보는 바와 같이, 동일한 깊이에서는 압력 센서의 출력 전압이 거의 변하지 않는 결과를 통하여, 압력 센서를 이용한 깊이 위치 데이터가 매우 안정적이므로 다음 수학식과 같이 압력 센서의 출력 전압을 깊이 데이터로 변환하여 사용 가능하다.
Figure 112016073277917-pat00002
여기에서, xvolt 는 압력 센서의 출력 전압이고, Zdepth 는 깊이 데이터이다.
제한된 앙각에서의 거리 추정
도 3은 본 발명에 따른 압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 3차원 수중 위치 추정 방법을 구현하기 위해 다이폴 안테나의 방사 패턴을 결정하기 위한 실험 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 실험 장치를 통해 나타난 다이폴 안테나의 앙각 대비 수신 신호 전력 세기의 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 3차원 수중 위치 추정 방법을 구현하기 위해 다이폴 안테나의 깊이의 변화에 따른 범위 추정 실험 장치의 개략적인 구성도이다.
도 7은 도 6에 도시된 실험 장치를 통해 나타난 다이폴 안테나의 깊이의 변화 대비 거리 추정 결과의 그래프이다.
도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 다이폴 안테나의 방사 패턴 분석은 신뢰성 있는 앙각의 범위에서 전자기파의 감쇠를 고려하여 수중 물체의 3 차원 위치를 파악한다.
즉, 신뢰성 있는 앙각의 범위를 결정하기 위해 다이폴 안테나의 방사 패턴을 분석하고, 다이폴 안테나의 앙각을 변화시켜 거리 추정 및 3D 지역화 실험에서 입증한다.
위치 파악에 이용되는 상용 전방향 안테나의 방사 패턴은 상이한 앙각에서 분석되고, 송신 안테나 및 수신 안테나는 1 m 간격으로 분리되고, 신호 발생기는 433 MHz의 주파수에서 10 mW의 전력을 전송한다.
도 5에서 보는 바와 같이, 모든 다이폴 안테나의 수신 신호 세기(RSS)는 낮은 앙각에서 일치함을 알 수 있다.
도 6에서 보는 바와 같이, 두 개의 안테나들은 이동 가능한 가이드 레일에 위치하고, 이들의 범위는 센서 모델을 사용한 전자기파의 수신 신호 세기로부터 변경 및 추정되고, 그 깊이의 차이는 수신기 지지 빔의 길이를 조정하여 변경된다.
도 7에서 보는 바와 같이, 깊이 차이에 따른 센서의 정확성 범위는 앙각이 안테나들 사이의 거리의 감소에 따라 증가하고, 그래프의 각 각도는 0.45 m 깊이 차이에서의 앙각을 표시함을 알 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 3차원 수중 위치 추정 방법을 구현하기 위해 수중 무선 센서 네트워크 기반 3D 지역화 방식에 따른 모델의 개략적인 구성도이다.
도 8에서 보는 바와 같이, 3 개층의 제1 내지 제3 레이어 각각의 모서리에는 고정 노드(AN)가 위치하고, 제2 레이어와 제3 레이어 사이에는 이동 노드(MN)가 위치한다.
이동 노드(MN)의 위치로부터 제3 레이어까지의 깊이는 이동 노드에 부착되어 있는 압력 센서에 의해 측정된다.
또한, 고정 노드(AN)는 할당된 주파수에서 신호를 연속적으로 송신하고(S120), 이동 노드(MN)는 낮은 앙각에서 고정 노드(AN)들로부터 신호를 선택한다(S130).
고정 노드(AN)들로부터 선택된 신호의 수신 신호 세기(RSS) 정보는 범위 센서(range sensor) 모델을 통해 범위(range) 정보를 변경하고, 이동 노드(MN)는 이 정보를 이용하여 신호 분석기를 통해 자신의 위치를 레이어 별로 지역화(localization)한다(S180).
이와 같이 레이어 별로 지역화된 이동 노드의 위치를 통해 원격 작동 차량의 3차원 수중 위치가 추정된다(S190).
도 9는 본 발명에 따른 3차원 수중 위치 추정 방법을 구현하기 위해 고정 위치 설정을 위한 수중 무선 센서 네트워크 장치의 구성도이다.
도 10은 도 9에 도시된 장치를 통해 할당된 주파수 대비 이동 노드(MN)에서 수신된 신호의 전력 크기의 그래프이다.
도 9에서 보는 바와 같이, 고정 위치 설정을 위한 수중 무선 센서 네트워크 장치의 대상 환경은 바닥에 설치되는 재킷 구조와 가깝고, 12개의 고정 노드(AN)들이 수평 층의 각 가장자리에 배치되고, 정확한 위치 설정과 정렬을 위해 지지 빔에 고정된다.
또한, 고정 노드(AN)들은 소정의 할당된 주파수들에서 150개의 신호를 송신한다(S120).
이동 노드(MN)는 소정의 위치에 배치되어, 12개의 각 고정 노드(AN)들로부터 송신되는 150개 신호를 수신한다(S130).
또한, 이동 노드(MN)는 신호 분석기에 연결되고, 안테나 및 its cable were waterproofed by a silicon hose.케이블은 실리콘 호스로 방수되며, 실제 위치는 가이드 레일에 부착된 테이프 측정에 의해 측정된다.
도 10에서 보는 바와 같이, 이동 노드(MN)는 동시에 12개의 신호를 수신하고, 센서 모델을 이용하여 수신 신호 세기(RSS) 값을 변경함으로써 범위 정보가 획득된다.
도 11은 본 발명에 따른 3차원 수중 위치 추정 방법을 구현하기 위해 원격 작동 차량의 위치 추적을 위한 수중 무선 센서 네트워크 장치의 구성도이다.
도 11에서 보는 바와 같이, 대상 환경 및 고정 노드(AN)의 구성은 도 9에 도시된 위해 고정 위치 설정을 위한 수중 무선 센서 네트워크 장치와 동일하나, 이동 노드(MN)는 원격 작동 차량의 하부면의 중앙에 설치되고, 안테나 동축 케이블은 테더 케이블로 연결된다.
이동 노드(MN)는 원격 작동 차량의 관성 깊이 센서로부터 깊이 정보를 수신하고, 앙각을 계산한다.
또한, 이동 노드(MN)의 위치는 원격 작동 차량 작동자에 의해 수중 무선 센서 네트워크 상에서 제어된다.
도 12는 도 9에 도시된 실험 장치를 통해 이동 노드(MN)의 위치에 따라 위치 설정되는 현지화 결과의 3차원 그래프이다.
도 13은 도 9에 도시된 실험 장치를 통해 이동 노드(MN)의 위치에 따라 위치 설정되는 현지화 조건 및 결과에 대한 표이다.
도 14는 도 11에 도시된 실험 장치를 통해 원격 작동 차량의 위치를 추적한 결과의 3차원 그래프이다.
도 12에서 보는 바와 같이, 이동 노드(MN) 위치의 깊이가 수평층 부근에 있을 때(예를 들어, (a) 및 (b))에서, 이동 노드(MN)는 높은 정밀도로 자신의 위치가 추정된다.
그러나, 임계 값에 가까운 앙각에서나 이동 노드(MN)가 바이어스 방향으로 고정 노드(AN)들에 연결되었을 때(예를 들어, (c) 및 (d)) 지역화 결과는 큰 편차로 치우치게(bias) 된다.
이러한 오류에도 불구하고, 본 발명은 도 13에서 보는 바와 같이, 전체 추정된 위치가 큰 발산(divergence) 없이 비교 기준이 되는 실제 위치(ground-truth position)에 근접한 결과를 나타내었다.
도 14에서 보는 바와 같이, 원격 작동 차량 작동자는 3 내지 5 분 동안 수중 무선 센서 네트워크를 통해 자유롭게 항해한 후에 시작 위치로 돌아왔는데, 원격 작동 차량이 때때로 수중 무선 센서 네트워크에서 이탈했지만, 그 위치가 양호하게 추적됨을 알 수 있었다.
이와 같이, 본 발명의 압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법은 수중에서 깊이 정보를 정확하게 취득하는 압력 센서를 이용하여 감쇠 패턴 모델을 단순화하여 보다 정밀한 위치 추정을 진행하고, 동일 평면상 신호 감쇠 데이터를 통한 전자기파의 2차원 위치 추정 기술 및 계층 배열 센서 어레이를 이용하여 층별로 위치 추정을 진행할 수 있다.
이를 통하여, 수중에서 전자기파 에너지가 많이 흡수되더라도 이동 노드에서 전자기파의 상대적인 감쇠 경향을 고려하여 고정 노드와의 직선 거리를 정확하게 추정할 수 있고, 압력 센서로부터의 깊이 데이터를 이용하여 이동 노드의 실제 3차원 수중 위치를 정확하게 추정할 수 있다.
또한, 이동 노드의 깊이가 수평층 부근뿐 아니라, 고정 노드와의 앙각이 임계 값에 가까운 경우에도 큰 발산 없이 높은 정밀도로 이동 노드의 위치가 추정될 수 있다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
100: 신호 발생기
200: 압력 센서
300: 신호 분석기
400: 원격 작동 차량
AN: 고정 노드
MN: 이동 노드

Claims (5)

  1. (a) 신호 발생기가 복수개의 레이어 각각의 모서리에 위치한 복수개의 고정 노드에 소정의 세기의 전자기파 신호를 방사하는 단계;
    (b) 상기 복수개의 고정 노드가 소정의 할당된 주파수들에서 전자기파 신호를 연속적으로 송신하는 단계;
    (c) 이동 노드가 원격 작동 차량의 하부면에 설치되고 상기 복수개의 고정 노드 사이에 위치하여, 상기 송신된 전자기파 신호를 수신하는 단계;
    (d) 상기 수신된 신호의 신호 감쇠 데이터가 측정되어 상기 이동 노드의 평면 위치가 추정되는 단계;
    (e) 압력 센서가 상기 이동 노드에 부착되어 상기 이동 노드의 수압을 감지하여 상기 복수개의 레이어 중 최상의 레이어로부터 상기 이동 노드까지의 깊이 데이터를 출력하는 단계;
    (f) 신호 분석기가 케이블을 통해 상기 이동 노드에 연결되어 상기 평면 위치 및 상기 깊이 데이터를 이용하여 상기 이동 노드의 위치를 레이어 별로 지역화하는 단계; 및
    (g) 상기 레이어 별로 지역화된 이동 노드의 위치를 통해 상기 원격 작동 차량의 3차원 수중 위치가 추정되는 단계;
    를 포함하고,
    상기 (e) 단계는
    상기 감지된 수압의 출력 전압이 상기 깊이 데이터로 변환되는 단계
    를 더 포함하며,
    상기 깊이 데이터는
    다음과 같은 수학식에 의해 산출되되,
    Figure 112018040298242-pat00018

    상기 xvolt 는 상기 압력 센서의 출력 전압이고, Zdepth 는 상기 깊이 데이터인 것을 특징으로 하는,
    압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는
    상기 측정된 신호 감쇠 데이터의 수신 신호 세기 정보가 범위 센서 모델을 통해 범위 정보로 변경되는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (f) 단계는
    상기 이동 노드가 상기 깊이 데이터를 인가받아 상기 고정 노드와의 앙각을 계산하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법.
KR1020160095746A 2016-07-27 2016-07-27 압력 센서 및 전자기파 신호 발생 노드 어레이를 통한 3차원 수중 위치 추정 방법 KR101866202B1 (ko)

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