KR101986572B1 - 원격 무인잠수정 제어시스템 및 제어 방법 - Google Patents

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KR101986572B1
KR101986572B1 KR1020180036392A KR20180036392A KR101986572B1 KR 101986572 B1 KR101986572 B1 KR 101986572B1 KR 1020180036392 A KR1020180036392 A KR 1020180036392A KR 20180036392 A KR20180036392 A KR 20180036392A KR 101986572 B1 KR101986572 B1 KR 101986572B1
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Abstract

본 발명은 무인잠수정이 도킹 시 기준데이터를 기반으로 자세 보정값을 검출한 후 검출된 자세 보정값에 따라 자세를 보정하여 도킹을 수행함으로써 도킹이 신속하고 정확하게 이루어질 뿐만 아니라 부정확한 도킹으로 인한 장비파손 및 고장을 효율적으로 방지할 수 있고, 무인잠수정이 도킹 시 특정형상으로 빛을 출사하는 테더 관리장치의 조명수단을 촬영하여 획득된 이미지를 분석하여 테더 관리장치를 기준으로 X, Y Z축에 대한 무인잠수정상의 상대적인 자세를 검출하도록 구성됨으로써 간단한 연산을 통해 도킹의 정확성 및 신뢰도를 높일 수 있으며, 테더 관리장치 및 무인잠수정의 자세측정센서에 의해 측정된 roll, pitch, yaw의 자세정보들을 활용하여 roll, pitch, yaw의 자세 보정값을 검출하도록 구성됨으로써 연산처리가 간단할 뿐만 아니라 설치 및 운영이 용이하게 이루어지는 원격 무인잠수정 제어시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.

Description

원격 무인잠수정 제어시스템 및 제어 방법{Management system and method for remotely operated vehicle}
본 발명은 원격 무인잠수정 제어시스템 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게로는 테더 관리장치의 수용부로 도킹 시 테더 관리장치를 기준으로 무인잠수정의 상대적인 자세를 비교하여 자세 보정값을 검출한 후 검출된 자세 보정값에 따라 자세를 보정하도록 구성됨으로써 도킹이 신속하게 정확하게 이루어질 수 있는 원격 무인잠수정 제어시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.
최근 들어 연근해에서 주로 이루어졌던 각종 수중 탐사가 심해로 이동하고 있기 때문에 심해에서의 수중 탐사 및 생산 작업을 위한 수중 장비의 설치 및 유지보수를 수행하기 위해 무인잠수정(ROV, Remotely Operated Vehicle)이 널리 사용되고 있다.
이때 무인잠수정(ROV)은 심해에서의 활동을 위해 해상 선박과의 연결을 위한 테더(Tether) 케이블이 필요하기 때문에 테더 케이블을 제어하여 무인잠수정(ROV)이 테더 케이블로부터 받는 직접적인 영향을 감소시키도록 하는 테더 관리장치(TMS, Tether Management System)의 사용이 필수적이다.
이러한 테더 관리장치는 무인잠수정을 탑재한 상태로 운용하고자 하는 위치까지 내려간 후 탑재된 무인잠수정을 해제시켜 일정 반경(일반적으로 500m 이내)에서 무인잠수정(ROV)이 임무를 수행하도록 운영됨으로써 조류 등으로 인한 무인잠수정(ROV)의 영향을 최소화할 수 있게 된다.
도 1은 국내공개특허 제10-2016-0072308호(발명의 명칭 : 해저 작업 시스템)에 개시된 해저 작업 시스템을 나타내는 사시도이다.
도1 의 해저 작업 시스템(이하 종래기술이라고 함)(100)은 해저에 고정 설치되는 고정형 런처(110)와, 고정령 런처(110)에 도킹되는 수중 운동체(120)와, 런저와 연결되며 해수면까지 위치되는 엄빌리컬 케이블(130)과, 엄빌리컬 케이블의 상단에 제공되며 해상에 부유 가능한 부유체(140)와, 엄빌리컬 케이블(130)을 따라 해수면에서 해저까지 이동되는 작업툴 운송 버킷(150)으로 이루어진다.
또한 고정형 런처(110)는 수중 운동체(120)가 작업하지 않을 때, 도킹할 수 있는 공간(111)을 제공한다.
또한 수중 운동체(120)는 고정형 런처(110)와 테더 케이블(121)로 연결된다.
이와 같이 구성되는 종래기술(100)은 고정형 런처(110)의 공간(111)으로 수중 운동체(120)가 도킹됨과 동시에 고정형 런처(110) 및 수중 운동체(120)가 테더 케이블(121)로 연결됨으로써 고정형 런처(110)를 선박에 진수 및 회수하는 등의 과정을 생략할 수 있으며 ,작업 효율을 높일 수 있는 장점을 갖는다.
일반적으로, 고정형 런처(110)는 수중 운동체(120)에 대응하여 공간(111)의 형상 및 크기가 설계되기 때문에 수중 운동체(120)가 고정형 런처(110)의 공간(111)으로 복귀하기 위해서는, 기 설정된 자세를 유지한 상태로 복귀가 이루어져야 한다.
이때 만약 수중 운동체(120)가 기 설정된 자세를 유지하지 못한 상태로 복귀하는 경우, 복귀하려는 수중 운동체(120)가 고정형 런처(110)의 전면프레임 또는 내면과 충돌하게 되고, 이에 따라 장비손상 및 파손이 빈번하게 발생하는 문제점이 발생한다.
즉 종래기술(100)은 수중 운동체(120)가 고정형 런처(110)의 공간(111)으로 도킹할 때, 고정형 런처(110)의 공간(111)의 자세를 검출하는 구성과, 고정형 런저(110)의 자세에 대응하여 수중 운동체(120)가 기 설정된 자세로 자세를 보정하는 구성이 전혀 기재되어 있지 않기 때문에 실제 심해 적용 시 복귀가 이루어지지 않는 문제점이 발생한다.
본 발명은 이러 한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 무인잠수정이 도킹 시 기준데이터를 기반으로 자세 보정값을 검출한 후 검출된 자세 보정값에 따라 자세를 보정하여 도킹을 수행함으로써 도킹이 신속하고 정확하게 이루어질 뿐만 아니라 부정확한 도킹으로 인한 장비파손 및 고장을 효율적으로 방지할 수 있는 원격 무인잠수정 제어시스템 및 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 다른 해결과제는 무인잠수정이 도킹 시 특정형상으로 빛을 출사하는 테더 관리장치의 조명수단을 촬영하여 획득된 이미지를 분석하여 테더 관리장치를 기준으로 X, Y Z축에 대한 무인잠수정상의 상대적인 자세를 검출하도록 구성됨으로써 간단한 연산을 통해 도킹의 정확성 및 신뢰도를 높일 수 있는 원격 무인잠수정 제어시스템 및 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 테더 관리장치 및 무인잠수정의 자세측정센서에 의해 측정된 roll, pitch, yaw의 자세정보들을 활용하여 roll, pitch, yaw의 자세 보정값을 검출하도록 구성됨으로써 연산처리가 간단할 뿐만 아니라 설치 및 운영이 용이한 원격 무인잠수정 제어시스템 및 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 테더 관리장치가 자기장을 생성하고, 무인잠수정이 측정된 자기장을 이용하여 yaw의 자세보정값을 검출하도록 구성됨으로써 도킹의 정확성 및 신뢰도를 더욱 높일 수 있는 원격 무인잠수정 제어시스템 및 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 탐사가 완료된 무인잠수정(ROV, Remotely Operated Vehicle)을 테더 관리장치(TMS, Tether Management System)의 수용부로 도킹시키기 위한 무인잠수정 제어방법에 있어서: 상기 무인잠수정이 상기 테더 관리장치와 근접한 위치로 이동하는 무인잠수정 이동단계; 상기 테더 관리장치가 수용부의 테두리를 따라 코일 방식으로 권취된 전선으로 전류를 공급하여 자기장을 생성하는 테더 관리장치의 자기장 생성단계; 상기 테더 관리장치가 상기 테더 관리장치의 roll, pitch를 측정하여 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00001
)를 검출하는 테더 관리장치의 자세정보 검출단계; 상기 무인잠수정이 상기 무인잠수정의 roll, pitch를 측정하여 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00002
)를 검출하며, 탑재된 자기장센서를 이용하여 자기장을 측정하여 yaw에 대한 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00003
)를 검출하는 무인잠수정의 자세정보 검출단계; 상기 테더 관리장치의 자세정보 검출단계에 의해 검출된 상기 테더 관리장치의 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00004
) 및 상기 무인잠수정의 자세정보 검출단계에 의해 검출된 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00005
)를 다음의 수학식 5에 대입시켜 roll, pitch에 대한 자세 차이값(
Figure 112019043235090-pat00006
)을 검출하며, 상기 무인잠수정의 자세정보 검출단계에 의해 검출된 자기장 측정값(
Figure 112019043235090-pat00007
)에 기 설정된 설정값을 차감하여 yaw에 대한 자세 차이값(
Figure 112019043235090-pat00008
)을 검출하며, 검출된 roll, pitch, yaw의 자세차이값(
Figure 112019043235090-pat00009
,
Figure 112019043235090-pat00010
)에 반대 방향을 갖는 roll, pitch, yaw의 자세보정값(
Figure 112019043235090-pat00011
,
Figure 112019043235090-pat00012
,
Figure 112019043235090-pat00013
)을 검출하는 무인잠수정의 자세보정값 검출단계; 상기 무인잠수정의 자세보정값 검출단계에 의해 검출된 자세보정값에 따라 상기 무인잠수정이 자세를 보정하는 자세보정단계; 상기 무인잠수정이 상기 자세보정단계에 의해 자세가 보정되면, 상기 테더 관리장치의 수용부로 도킹되는 도킹단계를 포함하고, 상기 테더 관리장치의 자기장 생성단계는 자기장 생성 시, 도킹이 이루어지는 방향과 평행한 중심축의 자기장을 생성하고, 상기 무인잠수정의 자세정보 검출단계는 적어도 3개 이상의 자기장 센서들을 이용하여 자기장값들을 검출한 후 검출된 자기장 측정값들의 평균값을 산출한 후, 산출된 자기장 평균값에 상기 설정값을 차감하여 yaw에 대한 자세 차이값(
Figure 112019043235090-pat00014
)을 검출하는 것이다.
[수학식 5]
Figure 112019043235090-pat00015
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상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면 무인잠수정이 도킹 시 기준데이터를 기반으로 자세 보정값을 검출한 후 검출된 자세 보정값에 따라 자세를 보정하여 도킹을 수행함으로써 도킹이 신속하고 정확하게 이루어질 뿐만 아니라 부정확한 도킹으로 인한 장비파손 및 고장을 효율적으로 방지할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 무인잠수정이 도킹 시 특정형상으로 빛을 출사하는 테더 관리장치의 조명수단을 촬영하여 획득된 이미지를 분석하여 테더 관리장치를 기준으로 X, Y Z축에 대한 무인잠수정상의 상대적인 자세를 검출하도록 구성됨으로써 간단한 연산을 통해 도킹의 정확성 및 신뢰도를 높일 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 테더 관리장치 및 무인잠수정의 자세측정센서에 의해 측정된 roll, pitch, yaw의 자세정보들을 활용하여 roll, pitch, yaw의 자세 보정값을 검출하도록 구성됨으로써 연산처리가 간단할 뿐만 아니라 설치 및 운영이 용이하게 이루어지게 된다.
또한 본 발명에 의하면 테더 관리장치가 자기장을 생성하고, 무인잠수정이 측정된 자기장을 이용하여 yaw의 자세보정값을 검출하도록 구성됨으로써 도킹의 정확성 및 신뢰도를 더욱 높일 수 있다.
도 1은 국내등록특허 제10-1637218호(발명의 명칭 : 상호 분리 가능한 구조를 갖는 작업등 하우징 구조)에 개시된 작업등 하우징 구조를 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명이 일실시예인 원격 무인잠수정 제어시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 도 2의 테더 관리장치 및 무인잠수정을 나타내는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예인 무인잠수정 도킹 방법의 일실시예를 나타내는 플로차트이다.
도 5는 도 4의 테더 관리장치의 LED 출력단계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 도 4의 무인잠수정의 이미지 분석 및 자세보정값 검출단계를 나타내는 플로차트이다.
도 7은 도 6의 좌표축 설정단계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 도 6의 소실점 결정단계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 9는 도 6의 각 축의 회전각도 검출단계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 10은 본 발명의 무인잠수정 도킹 방법의 제2 실시예를 나타내는 플로차트이다.
도 11은 도 10의 좌표축을 설명하기 위한 예시도이다.
도 12는 본 발명의 무인잠수정 도킹 방법의 제3 실시예를 나타내는 플로차트이다.
도 13은 도 12의 테더 관리장치의 자기장을 나타내는 예시도이다.
도 14는 도 13의 자기장 센서들의 중심 위치와 코일의 중심축이 일치하는 경우를 나타내는 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명에 적용되는 원격 무인잠수정 제어시스템을 설명하기 위한 구성도이고, 도 3은 도 2의 테더 관리장치 및 무인잠수정을 나타내는 예시도이다.
본 발명의 원격 무인잠수정 제어시스템(1)은 무인잠수정(ROV)이 테더 관리장치(TMS, Tether Management System)(3)의 수용부(311)로 도킹될 때, 후술되는 도 4 내지 13의 방법으로 테더 관리장치(3)에 대한 무인잠수정(ROV, Remotely Operated Vehicle)의 상대적 자세를 검출한 후 검출된 상대적 자세에 따른 자세 보정값을 검출하여 이에 따라 자세를 보정하도록 구성됨으로써 조류 등의 외란으로 인한 영향을 최소화하여 도킹의 신속성 및 정확성을 높이기 위한 것이다.
또한 원격 무인잠수정 제어시스템(1)은 도 2와 3에 도시된 바와 같이, 해상 선박(9)과, 테더 관리장치(3), 무인잠수정(5), 엄비리컬 케이블(6), 테더 케이블(7)로 이루어진다.
해상 선박(9)은 해상에 부유하고 있는 물체이며, 테더 관리장치(TMS)(3) 및 무인잠수정(ROV)(5)을 관리 및 제어한다. 이때 본 발명에서는 해상에 부유한 상태로 테더 관리장치(3) 및 무인잠수정(5)을 제어하는 부유체가 선박인 것으로 한정하여 설명하였으나, 해상 부유체는 해상에 부유하나 상태의 구조물로 구성될 수 있음은 당연하다.
또한 해상 선박(9)은 엄비리컬 케이블(6)을 통해 테더 관리장치(3)로 전력 공급 및 데이터 통신을 수행함과 동시에 테더 관리장치(5) 및 무인잠수정(5)의 제어신호를 전송하며, 테더 관리장치(3)로부터 무인잠수정(ROV)(5)에 의해 획득된 수집데이터를 전송받음으로써 테더 관리장치(3) 및 무인잠수정(ROV)(5)을 제어 및 모니터링 한다. 이때 수집데이터는 탐사 목적에 따른 각종 측정값, 영상, 음향, 자세 등으로 이루어질 수 있다.
엄비리컬 케이블(Umbilical cable)(6)은 전력 및 통신케이블을 포함하며, 일단부가 해상 선박(9)에 연결되되, 타단부가 테더 관리장치(3)의 상단부에 연결됨으로써 해상 선박(9) 및 테더 관리장치(3) 사이의 전력공급 및 데이터 통신을 수행하게 된다.
테더 케이블(Tether cable)(5)은 전력 및 통신케이블을 포함하며, 일단부가 테더 관리장치(3)의 윈치(33)에 연결되되, 타단부가 무인잠수정(5)에 연결됨으로써 테더 관리장치(3) 및 무인잠수정(5) 사이의 전력공급 및 데이터 통신을 수행하게 된다.
테더 관리장치(3)는 해상 선박(9)으로부터 진수 및 회수 가능하도록 구성된다.
또한 테더 관리장치(3)는 무인잠수정(ROV)(5)을 탑재 및 수용하기 위한 수용부(311)가 형성된다.
또한 테더 관리장치(3)는 엄비리컬 케이블(6)과 연결되어 수중 투입 시 해상 선박(9)으로부터 전력을 공급받으며, 무인잠수정(ROV)(5)과 테더 케이블(7)로 연결되어 테더 케이블(7)을 통해 탐사 중인 무인잠수정(ROV)(5)으로 전력을 공급한다.
또한 테더 관리장치(3)는 해상 선박(9)으로부터 진수될 때, 해저 지면까지 하강한 후, 탑재된 무인잠수정(ROV)(5)의 도킹을 해제시킴으로써 무인잠수정(5)의 수중 탐사가 이루어지도록 한다.
또한 테더 관리장치(3)는 무인잠수정(ROV)(5)이 복귀할 때, 무인잠수정(5)이 수용부(5)로 도킹이 이루어지면, 해상까지 상승하여 해상 선박(9)으로 회수되게 된다.
또한 테더 관리장치(3)는 테더 케이블(7)을 풀림 및 권취하기 위한 윈치(33)를 포함하고, 윈치(33)는 해상 선박(9)의 제어에 따라 테더 케이블(7)의 권취 및 풀림 동작을 수행, 즉 윈치(33)는 테더 관리장치(3)를 기준으로 무인잠수정(ROV)(5)의 탐사거리에 맞춰 테더 케이블(7)을 유동적으로 풀어주거나 또는 권취하는 기능을 수행하고, 이러한 윈치(33)의 형상 및 구성은 공지된 다양한 형상 및 구성이 적용될 수 있음은 당연하다.
또한 테더 관리장치(3)의 윈치(33)에 결합된 테더 케이블(7)은 단부가 무인잠수정(ROV)(5)과 연결됨으로써 테더 관리장치(3)는 테더 케이블(7)을 통해 무인잠수정(ROV)(5)으로 전력을 공급함과 동시에 데이터를 송수신한다.
또한 테더 관리장치(3)는 3방향으로 이동 가능하도록 구현됨으로써 심해 내에서 이동 방향을 상하, 전후 및 좌우 방향으로 제어할 수 있도록 구성된다.
또한 테더 관리장치(3)는 무인잠수정(ROV)(5)의 테더 관리장치(3)와의 상대적 자세값 검출 시, 활용될 수 있는 정보인 기준데이터를 표출 또는 검출하는 기준데이터 제공부를 포함한다. 이때 기준데이터 제공부는 1)특정 형상으로 점등되는 복수개의 LED 모듈들로 이루어질 수 있으며, 2)roll, pitch, yaw의 3축에 대한 위치값을 검출하는 자세감지센서들로 이루어질 수 있으며, 3)자기장을 발생시키는 코일로 이루어질 수 있다.
또한 테더 관리장치(3)는 테더 케이블(7)을 통해 무인잠수정(ROV)(5)으로부터 수집데이터를 전송받으면, 전송받은 수집데이터를 엄비리컬 케이블(6)을 통해 해상 선박(9)으로 전송한다. 이때 수집데이터는 탐사 목적에 따른 각종 측정값, 영상, 음향, 자세 등으로 이루어질 수 있다.
또한 테더 관리장치(3)는 엄비리컬 케이블(6)을 통해 해상 선박(9)으로부터 제어데이터를 전송받으면, 전송받은 제어데이터를 테더 케이블(7)을 통해 무인잠수정(ROV)(5)으로 전송한다. 이때 무인잠수정(ROV)(5)은 테더 관리장치(3)를 통해 해상 선박(9)으로부터 전송받은 제어데이터에 따라 동작을 수행한다.
무인잠수정(ROV)(5)은 테더 관리장치(3)의 수용부(311)에 탑재된 상태로, 해상 선박으로부터 진수 및 회수된다.
또한 무인잠수정(ROV)(5)은 테더 관리장치(3)가 해저 지면에 안착되면, 수용부(311)와 도킹이 해제되어 수용부(311)로부터 이탈하여 기 설정된 탐사를 수행하여 기 설정된 탐지대상을 측정하여 수집데이터를 획득하며, 획득된 수집데이터를 테더 케이블(7)을 통해 테더 관리장치(3)로 전송한다.
이때 무인잠수정(5)은 3방향으로 이동 가능하도록 구현됨으로써 심해 내에서 상하, 전후 및 좌우 방향으로 이동할 수 있음은 당연하다.
또한 무인잠수정(ROV)(5)은 탐사가 완료되면 테더 관리장치(3)의 위치로 복귀한 후 수용부(311)로의 도킹을 수행하게 되는데, 도킹 시 테더 관리장치(3)로부터 출력되는 기준데이터를 검출한다.
이때 기준데이터 검출수단은 1)만약 테더 관리장치(3)의 기준데이터 제공부가 복수개의 LED 모듈들인 경우, 카메라로 구성될 수 있으며, 2)만약 테더 관리장치(3)의 기준데이터 제공부가 자세감지센서인 경우, 마찬가지로 3축 자세감지센서로 구성될 수 있으며, 3)만약 테더 관리장치(3)의 기준데이터 제공부가 자기장을 발생시키는 코일인 경우, 자기장센서로 구성될 수 있다.
또한 무인잠수정(ROV)(5)은 기준데이터 검출수단에 의해 기준데이터가 검출되면, 검출된 기준데이터를 분석하여 테더 관리장치(3)의 자세를 기준으로 무인잠수정(5)의 상대적인 자세인 자세 보정값을 검출한다.
또한 무인잠수정(ROV)은 검출된 자세 보정값에 따라 자세를 보정한 후, 테더 관리장치(3)의 수용부(311)로 도킹을 수행함으로써 도킹이 정확하고 신속하게 이루어질 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예인 무인잠수정 도킹 방법의 일실시예를 나타내는 플로차트이고, 도 5는 도 4의 테더 관리장치의 LED 출력단계를 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명의 일실시예인 무인잠수정 도킹 방법(S1)은 탐사가 완료된 무인잠수정(5)이 테더 관리장치(3)로 도킹하는 과정을 나타내며, 상세하게로는 가시광원 및 원근법을 이용하여 무인잠수정의 도킹의 정확성 및 신속성을 높이도록 하였다.
또한 무인잠수정 도킹 방법(S1)은 무인잠수정 이동단계(S10)와, 테더 관리장치의 LED 출력단계(S20), 무인잠수정의 촬영 및 이미지 획득단계(S30), 무인잠수정의 이미지 분석 및 자세 보정값 검출단계(S40), 자세보정단계(S50), 도킹단계(S60)으로 이루어진다.
무인잠수정 이동단계(S10)는 탐사가 완료된 무인잠수정(5)이 테더 관리장치(3)와 근접한 위치로 복귀하는 단계이다.
테더 관리장치의 LED 출력단계(S20)는 테더 관리장치(3)에서 LED 모듈들이 점등되는 단계이다.
이때 LED 모듈들은 기 설정된 특정형상으로 빛을 출사하고, 특정형상은 회전 대상성이 없는 형상이 바람직하다. 만약 LED 모듈에서 회전 대칭성이 있는 특정형상을 점등하게 되면, 무인잠수정(5)이 회전했을 때 특정형상이 동일한 모양으로 보이기 때문에 무인잠수정(5)의 회전여부 인식이 정확하게 이루어지지 않는 문제점이 발생한다.
일반적으로 회전 대칭성이 없는 형상으로는 화살표가 있고, 이러한 회전대칭성이 없는 형상의 경우 무인잠수정(5)의 회전 여부를 인식하기에는 유리하나, 기울어짐을 검출하기에는 오차가 많은 단점을 갖는다. 이때 기울어짐 여부를 파악하기에는 기울어짐에 따른 변의 길이 변화가 용이하게 검출되는 사각형 형상이 유리하다.
따라서 본 발명의 테더 관리장치의 LED 출력단계(S20)는 LED 모듈들이 사격형의 테두리 내부에 화살표가 들어 있는 특정형상으로 빛을 출사하도록 함으로써 무인잠수정(5)의 회전 및 기울어짐을 정확하게 검출하도록 하였다.
통상적으로 눈에 보이는 모든 대상은 원금감에 의해 거리 및 위치에 따라 형상 및 크기가 다르게 보이게 된다.
도 5의 ‘1점 투시도법(200)’ 및 ‘2점 투시도법(300)’을 참조하여 살펴보면, 정사각형(210), (310)은 관측자와의 상대적 위치 차이에 따라서 모양이 다르게 보이게 된다.
즉 본 발명의 무인잠수정 도킹 방법(S1)은 이러한 원근감 원리를 이용하여 무인잠수정(5) 및 테더 관리장치(3)의 상대적인 자세를 측정하도록 하였고, 이러한 상대적 자세를 검출하기 위한 방안으로 테더 관리장치의 LED 출력단계(S20)를 통해 테더 관리장치(3)가 특정형상의 광원을 출사하도록 하였다.
다시 말하면, 테더 관리장치의 LED 출력단계(S20)의 LED모듈들로부터 출사되는 특정형상은 무인잠수정(5) 및 테더 관리장치(3)의 상대적인 자세에 따라 다른 모양으로 인식되게 된다.
무인잠수정의 촬영 및 이미지 획득단계(S30)는 무인잠수정(5)이 탑재된 카메라를 이용하여 단계20(S20)에 의해 LED 모듈들을 촬영하여 특정형상이 포함된 이미지를 획득하는 단계이다.
이때 무인잠수정의 촬영 및 이미지 획득단계(S30)에 의해 획득된 이미지에는 특정형상이 촬영되는데, 이러한 특정형상은 전술하였던 바와 같이, 무인잠수정(5) 및 테더 관리장치(3)의 상대적인 자세에 따라 다른 형상을 형성하게 된다.
도 6은 도 4의 무인잠수정의 이미지 분석 및 자세보정값 검출단계를 나타내는 플로차트이고, 도 7은 도 6의 좌표축 설정단계를 설명하기 위한 예시도이고, 도 8은 도 6의 소실점 결정단계를 설명하기 위한 예시도이고, 도 9는 도 6의 각 축의 회전각도 검출단계를 설명하기 위한 예시도이다.
무인잠수정의 이미지 분석 및 자세보정값 검출단계(S40)는 무인잠수정의 촬영 및 이미지 획득단계(S30)에 의해 획득된 이미지를 분석하여 테더 관리장치(3)를 기준으로 하였을 때 무인잠수정(5)의 자세 차이값을 검출한 후 이에 따른 자세 보정값을 검출하는 단계이다.
또한 무인잠수정의 이미지 분석 및 자세보정값 검출단계(S40)는 도 6에 도시된 바와 같이, 좌표축 설정단계(S41)와, 각 축의 소실점 결정단계(S42), 각 축의 회전각도 검출단계(S43)로 이루어진다.
좌표축 설정단계(S41)는 도 7에 도시된 바와 같이, 카메라(59)의 기준좌표축을 axis H, O, V의 좌표축으로, 측정대상(피사체, LED모듈들의 특정형상)(400)의 기준좌표축을 axis A, D, G의 좌표축으로 설정하여 자세 보정값을 산출한다.
각 축의 소실점 결정단계(S42)는 수직축인 V축 및 수평축인 O축의 소실점을 결정하는 단계이며, 상세하게로는 1)수직축인 V축을 기준으로 하였을 때, 측정대상(400)의 윗변 및 아랫변을 직선상으로 연장하였을 때 만나는 지점을 소실점으로 결정하고, 2)수평축인 O축을 기준으로 하였을 때, 측정대상(400)의 좌변 및 우변을 직선상으로 연장하였을 때 만나는 지점을 소실점으로 결정한다.
예를 들어 도 8에 도시된 바와 같이, 측정대상(400)이 V축에 대해 ‘β’만큼 회전했을 때, 각 축의 소실점 결정단계(S42)는 측정대상(400)의 윗변(401) 및 아랫변(402)의 직선을 연결하여 소실점(410)을 검출할 수 있다.
다른 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 측정대상(400)이 O축에 대해 ‘γ’만큼 회전했을 때, 각 축의 소실점 결정단계(S420)는 측정대상(400)의 좌변(403) 및 우변(404)의 직선을 연결하여 소실점(410‘)을 검출할 수 있다.
각 축의 회전각도 검출단계(S43)는 각 축의 소실점 결정단계(S42)에 의해 검출된 소실점(410)을 이용하여 수직상 회전각도(β) 및 수평상 회전각도(γ)를 검출하는 단계이다.
또한 각 축의 회전각도 검출단계(S43)는 각 축의 소실점 결정단계(S42)에 의해 소실점(410)이 결정되면, 측정대상(400)의 중심으로 소실점(410)까지의 거리(r)를 산출한다.
또한 각 축의 회전각도 검출단계(S43)는 다음의 수학식 1을 통해 수직상 회전각도인 기울임 각도(β)를 산출할 수 있다.
Figure 112019043235090-pat00016
이때, ‘k’는 카메라의 구조에 의해 설정되는 상수이다.
또한 각 축의 회전각도 검출단계(S43)는 다음의 수학식 2를 통해 수평상 회전각도(γ)를 산출할 수 있다.
Figure 112019043235090-pat00017
이때, ‘k’는 카메라의 구조에 의해 설정되는 상수이다.
자세보정값 검출단계(S44)는 각 축의 회전각도 검출단계(S43)에 의해 검출된 수직상 회전각도(β) 및 수평상 회전각도(γ)에 대응되는 무인잠수정(5)의 자세보정값을 검출하는 단계이다. 이때 자세보정값은 검출된 수직상 회전각도(β) 및 수평상 회전각도(γ)와 동일한 크기의 반대방향의 회전각도로 결정된다.
자세보정단계(S50)는 자세보정값 검출단계(S44)에 의해 검출된 자세보정값에 따라 무인잠수정(5)이 자세를 보정하는 단계이다.
도킹단계(S60)는 무인잠수정(5)이 자세보정단계(S50)에 의해 보정된 자세로 테더 관리장치(3)의 수용부(31)로 도킹하는 단계이다.
도 10은 본 발명의 무인잠수정 도킹 방법의 제2 실시예를 나타내는 플로차트이고, 도 11은 도 10의 좌표축을 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명의 제2 실시예인 무인잠수정 도킹 방법(S100)은 도 10에 도시된 바와 같이, 무인잠수정 이동단계(S110)와, 테더 관리장치의 자세정보 검출단계(S120), 무인잠수정의 자세정보 검출단계(S130), 무인잠수정의 자세보정값 검출단계(S140), 자세보정단계(S150), 도킹단계(S160)로 이루어진다.
무인잠수정 이동단계(S110)는 탐사가 완료된 무인잠수정(5)이 테더 관리장치(3)와 근접한 위치로 복귀하는 단계이다.
테더 관리장치의 자세정보 검출단계(S120)는 무인잠수정 이동단계(S110)에 의해 무인잠수정(5)이 테더 관리장치(3)와 근접한 위치로 복귀하면, 테더 관리장치(3)가 탑재된 자세측정센서를 이용하여 테더 관리장치(3)의 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00018
)를 검출한다.
이때 자세측정센서는 도 11에 도시된 바와 같이, ‘roll’, ‘pitch’, ‘yaw’를 축으로 하여 각 축에 대한 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00019
)를 검출한다.
또한 테더 관리장치의 자세정보 검출단계(S120)는 익스텐디드 칼만필터(extended Kalman filter)를 이용하여 검출된 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00020
)를 보정한다.
이때 익스텐디드 칼만필터(extended Kalman filter)는 이전 주기(k-1)의 물체의 자세
Figure 112019043235090-pat00021
및 운동속도를 이용하여 다음 주기(k)의 물체의 자세
Figure 112019043235090-pat00022
를 예측할 때 비선형 함수 f를 사용하여 예측하는 filter이며, 다음의 수학식 3으로 정의된다.
Figure 112019043235090-pat00023
이때,
Figure 112019043235090-pat00024
는 k주기에 측정한 자세값이고,
Figure 112019043235090-pat00025
는 k주기의 실제 자세값이고, h는 실제 자세로부터 측정값이 나오는 과정을 연결하는 비선형 함수이다.
무인잠수정의 자세정보 검출단계(S130)는 무인잠수정(5)이 탑재된 자세측정센서를 이용하여 무인잠수정(5)의 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00026
)를 검출한다. 이때 무인잠수정의 자세정보 검출단계(S130)는 단계120(S120)과 동일하게 익스텐디드 칼만필터(extended Kalman filter)를 적용하여 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00027
)를 보정하였다.
무인잠수정의 자세보정값 검출단계(S140)는 다음의 수학식 4를 이용하여 각 축의 자세 차이값(
Figure 112019043235090-pat00028
)을 검출한다.
Figure 112019043235090-pat00029
이때, 무인잠수정의 자세보정값 검출단계(S140)는 검출된 자세 차이값(
Figure 112019043235090-pat00030
)에 반대 방향을 갖는 자세보정값(
Figure 112019043235090-pat00031
,
Figure 112019043235090-pat00032
,
Figure 112019043235090-pat00033
)을 검출한다.
자세보정단계(S150)는 무인잠수정의 자세보정값 검출단계(S140)에 의해 검출된 자세보정값에 따라 무인잠수정(5)이 자세를 보정하는 단계이다.
도킹단계(S160)는 무인잠수정(5)이 자세보정단계(S150)에 의해 보정된 자세로 테더 관리장치(3)의 수용부(31)로 도킹하는 단계이다.
도 12는 본 발명의 무인잠수정 도킹 방법의 제3 실시예를 나타내는 플로차트이고, 도 13은 도 12의 테더 관리장치의 자기장을 나타내는 예시도이고, 도 14는 도 13의 자기장 센서들의 중심 위치와 코일의 중심축이 일치하는 경우를 나타내는 예시도이다.
본 발명의 제3 실시예인 무인잠수정 도킹 방법(S200)은 도 12에 도시된 바와 같이, 무인잠수정 이동단계(S210)와, 테더 관리장치의 자기장 생성단계(S220), 테더 관리장치의 자세정보 검출단계(S230), 무인잠수정의 자세정보 검출단계(S240), 무인잠수정의 자세보정값 검출단계(S250), 자세보정단계(S260), 도킹단계(S270)로 이루어진다.
무인잠수정 이동단계(S210)는 탐사가 완료된 무인잠수정(5)이 테더 관리장치(3)와 근접한 위치로 복귀하는 단계이다.
테더 관리장치의 자기장 생성단계(S220)는 테더 관리장치(3)가 수용부의 테두리를 따라 코일 방식으로 권취된 전선으로 전류를 공급하여 도 13의 자기장을 형성시키는 단계이다.
테더 관리장치의 자세정보 검출단계(S230)는 테더 관리장치의 자기장 생성단계(S220)에 의해 자기장이 형성되면, 테더 관리장치(3)가 탑재된 자세측정센서를 이용하여 테더 관리장치(3)의 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00034
)를 검출한다.
이때 자세측정센서는 ‘roll’, ‘pitch’의 축에 대한 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00035
)를 검출한다.
또한 테더 관리장치의 자세정보 검출단계(S230)는 전술하였던 바와 같이, 익스텐디드 칼만필터(extended Kalman filter)를 이용하여 검출된 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00036
)를 보정한다.
무인잠수정의 자세정보 검출단계(S240)는 무인잠수정(5)이 탑재된 자세측정센서를 이용하여 무인잠수정(5)의 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00037
)를 검출한다. 이때 무인잠수정의 자세정보 검출단계(S240)는 단계230(S230)과 동일하게 익스텐디드 칼만필터(extended Kalman filter)를 적용하여 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00038
)를 보정하였다. 이때 ‘roll’ 및 ‘pitch’는 지구 중력을 이용하여 자세를 측정하여 자기장의 영향을 받지 않기 때문에 자세측정센서를 이용하여 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00039
)를 검출한다.
또한 무인잠수정의 자세정보 검출단계(S240)는 무인잠수정(5)이 탑재된 복수개의 자기장 센서들을 이용하여 yaw값을 측정한다. 이때 자기장 센서에는 지구 자기장이 영향을 미치게 되나, 지구 자기장보다 테더 관리장치(3)의 자기장이 훨씬 크기 때문에 지구 자기장의 영향이 상쇄되게 된다.
일반적으로, 전자석을 이용한 자기장은 지구 자기장과 달리 균일하지가 않기 때문에 도 14에서와 같이 코일의 중심축에 대응되는 자기장만이 일정하게 균일한 세기의 자기장을 형성하게 된다. 따라서 코일 중심축과 나란한 방향을 찾기 위해서는 무인잠수정(5)에 복수개(최소 3개 이상)의 자기장센서(510)들을 설치하여야만 하고, 각 자기장센서(510)에서 측정된 자기장 측정값의 평균값을 이용하여 yaw값을 산출할 수 있다.
무인잠수정의 자세보정값 검출단계(S250)는 단계230(S230)에 의해 검출된 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00040
) 및 단계240(S240)에 의해 검출된 자세정보(
Figure 112019043235090-pat00041
)를 이용하여 roll, pitch 축에 대한 자세 차이값(
Figure 112019043235090-pat00042
)을 검출한 후, 검출된 자세 차이값(
Figure 112019043235090-pat00043
)에 반대 방향의 자세보정값(
Figure 112019043235090-pat00044
)을 검출한다.
또한 무인잠수정의 자세보정값 검출단계(S250)는 단계240(S240)에 의해 검출된 자기장 평균값을 기 설정된 설정값과 비교하여 자세차이값(
Figure 112019043235090-pat00045
)을 검출한 후, 검출된 자세 차이값(
Figure 112019043235090-pat00046
)에 반대 방향의 자세보정값(
Figure 112019043235090-pat00047
)을 검출한다.
즉 무인잠수정의 자세보정값 검출단계(S250)는 roll, pitch, yaw 축의 자세보정값(
Figure 112019043235090-pat00048
,
Figure 112019043235090-pat00049
,
Figure 112019043235090-pat00050
)을 검출한다.
자세보정단계(S150)는 무인잠수정의 자세보정값 검출단계(S140)에 의해 검출된 자세보정값에 따라 무인잠수정(5)이 자세를 보정하는 단계이다.
도킹단계(S160)는 무인잠수정(5)이 자세보정단계(S150)에 의해 보정된 자세로 테더 관리장치(3)의 수용부(31)로 도킹하는 단계이다.
이와 같이 본 발명의 일실시예인 무인잠수정 도킹 방법(S1)은 무인잠수정이 도킹 시 기준데이터를 기반으로 자세 보정값을 검출한 후 검출된 자세 보정값에 따라 자세를 보정하여 도킹을 수행함으로써 도킹이 신속하고 정확하게 이루어질 뿐만 아니라 부정확한 도킹으로 인한 장비파손 및 고장을 효율적으로 방지할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 무인잠수정 도킹 방법(S1)은 무인잠수정이 도킹 시 특정형상으로 빛을 출사하는 테더 관리장치의 조명수단을 촬영하여 획득된 이미지를 분석하여 테더 관리장치를 기준으로 X, Y Z축에 대한 무인잠수정상의 상대적인 자세를 검출하도록 구성됨으로써 간단한 연산을 통해 도킹의 정확성 및 신뢰도를 높일 수 있다.
또한 본 발명의 무인잠수정 도킹 방법(S1)은 테더 관리장치 및 무인잠수정의 자세측정센서에 의해 측정된 roll, pitch, yaw의 자세정보들을 활용하여 roll, pitch, yaw의 자세 보정값을 검출하도록 구성됨으로써 연산처리가 간단할 뿐만 아니라 설치 및 운영이 용이하게 이루어지게 된다.
또한 본 발명의 무인잠수정 도킹 방법(S1)은 테더 관리장치가 자기장을 생성하고, 무인잠수정이 측정된 자기장을 이용하여 yaw의 자세보정값을 검출하도록 구성됨으로써 도킹의 정확성 및 신뢰도를 더욱 높일 수 있다.
1:원격 무인잠수정 제어시스템 3:테더 관리장치
5:무인잠수정 6:엄비리컬 케이블 7:테더 케이블
9:해상 선박 31:하우징 33:윈치
311:수용부 400:측정대상 59:카메라
510:자기장센서

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 탐사가 완료된 무인잠수정(ROV, Remotely Operated Vehicle)을 테더 관리장치(TMS, Tether Management System)의 수용부로 도킹시키기 위한 무인잠수정 제어방법에 있어서:
    상기 무인잠수정이 상기 테더 관리장치와 근접한 위치로 이동하는 무인잠수정 이동단계;
    상기 테더 관리장치가 수용부의 테두리를 따라 코일 방식으로 권취된 전선으로 전류를 공급하여 자기장을 생성하는 테더 관리장치의 자기장 생성단계;
    상기 테더 관리장치가 상기 테더 관리장치의 roll, pitch를 측정하여 자세정보(
    Figure 112019043235090-pat00051
    )를 검출하는 테더 관리장치의 자세정보 검출단계;
    상기 무인잠수정이 상기 무인잠수정의 roll, pitch를 측정하여 자세정보(
    Figure 112019043235090-pat00052
    )를 검출하며, 탑재된 자기장센서를 이용하여 자기장을 측정하여 yaw에 대한 자세정보(
    Figure 112019043235090-pat00053
    )를 검출하는 무인잠수정의 자세정보 검출단계;
    상기 테더 관리장치의 자세정보 검출단계에 의해 검출된 상기 테더 관리장치의 자세정보(
    Figure 112019043235090-pat00054
    ) 및 상기 무인잠수정의 자세정보 검출단계에 의해 검출된 자세정보(
    Figure 112019043235090-pat00055
    )를 다음의 수학식 5에 대입시켜 roll, pitch에 대한 자세 차이값(
    Figure 112019043235090-pat00056
    )을 검출하며, 상기 무인잠수정의 자세정보 검출단계에 의해 검출된 자기장 측정값(
    Figure 112019043235090-pat00057
    )에 기 설정된 설정값을 차감하여 yaw에 대한 자세 차이값(
    Figure 112019043235090-pat00058
    )을 검출하며, 검출된 roll, pitch, yaw의 자세차이값(
    Figure 112019043235090-pat00059
    ,
    Figure 112019043235090-pat00060
    )에 반대 방향을 갖는 roll, pitch, yaw의 자세보정값(
    Figure 112019043235090-pat00061
    ,
    Figure 112019043235090-pat00062
    ,
    Figure 112019043235090-pat00063
    )을 검출하는 무인잠수정의 자세보정값 검출단계;
    상기 무인잠수정의 자세보정값 검출단계에 의해 검출된 자세보정값에 따라 상기 무인잠수정이 자세를 보정하는 자세보정단계;
    상기 무인잠수정이 상기 자세보정단계에 의해 자세가 보정되면, 상기 테더 관리장치의 수용부로 도킹되는 도킹단계를 포함하고,
    상기 테더 관리장치의 자기장 생성단계는 자기장 생성 시, 도킹이 이루어지는 방향과 평행한 중심축의 자기장을 생성하고,
    상기 무인잠수정의 자세정보 검출단계는
    적어도 3개 이상의 자기장 센서들을 이용하여 자기장값들을 검출한 후 검출된 자기장 측정값들의 평균값을 산출한 후, 산출된 자기장 평균값에 상기 설정값을 차감하여 yaw에 대한 자세 차이값(
    Figure 112019043235090-pat00064
    )을 검출하는 것을 특징으로 하는 무인잠수정 제어방법.
    [수학식 5]
    Figure 112019043235090-pat00065
  6. 삭제
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