KR101987655B1 - 수중 지형 측정용 무인 보트 - Google Patents

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Abstract

수중 지형 측정용 무인 보트가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 무인 보트는 선체와, 선체의 수면상에 존재하는 주변 지형을 측정하는 측정 유닛과, 음파의 반사파를 이용하여 수중 지형을 측정하는 관측 유닛과, 선체를 전후방향으로 이동시키는 진행방향 추진체와, 선체를 좌우방향으로 이동시키거나 회전시키는 횡방향 추진체를 포함하는 추진 유닛 및 측정 유닛을 통해 선체의 수면상에 존재하는 주변 지형 정보를 측정하고, 측정된 주변 지형 정보를 근거로 선체의 위치와 자세를 계산하고, 계산된 선체의 위치와 자세가 목표 위치와 목표 자세에 일치하도록 추진 유닛의 진행방향 추진체와 횡방향 추진체를 작동시켜 선체의 자세 제어를 수행하는 제어 유닛을 포함한다.

Description

수중 지형 측정용 무인 보트{UNMANNED BOAT FOR MEASURING UNDERWATER GEOGRAPHICAL FEATURE}
본 발명은 무인 보트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수중 지형을 측정할 수 있는 무인 보트에 관한 것이다.
최근에는 수심, 퇴적물 관리, 수중 지형 측정, 온도 측정 등 수중 정보를 취득하기 위한 목적을 갖는 조사 장비는 고정형에서 무인으로 운용하는 보트를 이용하는 이동형으로 전환되고 있다.
무인 보트는 원거리의 조종자에 의해 유무선 통신을 통해서 원격 조종된다. 조종자의 시야가 닿지 않는 넓은 지역에서는 보트에 장착된 영상과 보트의 자기 위치 측정값을 이용한 위치 정보를 근거로 자동이나 수동으로 제어한다.
통상 자기 위치 측정법 즉, 항법은 위성으로부터 정보를 얻는 GPS(Global Position System)가 이용된다.
그러나 GPS는 위성 신호의 수신이 가능해야 이용 가능하기 때문에 수신 상태에 따라 정확도가 수 미터 이상으로 떨어져서 정밀한 위치 정보를 얻는데 적합하지 않다.
이로 인해, 발전소 도수로, 실내 수조, 하수도 등과 같이 위성 신호가 도달하지 못하는 곳에서의 수중 지형 측정과 GPS 신호가 수신되더라도 수중 구조물 점검 등 위치 정밀도가 요구되는 작업은 기존의 GPS 기반 항법 기술로는 한계가 있다.
또한, 기존에는 조사 관측용 선체에 마련된 2개의 주 추진체의 추력을 달리하여 진행하면서 방향을 전환하거나 추진체 뒤에 방향 키를 작동시켜 방향을 전환한다. 이러한 방법은 선체의 횡방향과 회전방향으로 움직이기 곤란하다. 정밀한 선체의 자세 제어를 위해서는 정밀한 위치 측정과 함께 선체의 운동을 전후/좌우/회전 방향으로 움직일 수 있는 추진 방법이 필요하다.
대한민국 등록특허공보 제10-1184590호
본 발명의 실시예는 GPS 대신에 주변 지형을 감지하는 레이저 스캐너를 이용하여 선체의 자기 위치를 보다 정밀하게 측정하고, 레이저 스캐너를 이용하여 선체의 자기 위치를 측정한 결과를 이용하여 선체의 자세 제어시 선체를 전후 좌우 회전이동시킬 수 있는 추진체를 이용하여 선체의 자세 제어를 보다 정밀하게 수행할 수 있는 무인 보트를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선체; 상기 선체의 수면상에 존재하는 주변 지형을 측정하는 측정 유닛; 음파의 반사파를 이용하여 수중 지형을 측정하는 관측 유닛; 상기 선체를 전후방향으로 이동시키는 진행방향 추진체와, 상기 선체를 좌우방향으로 이동시키거나 회전시키는 횡방향 추진체를 포함하는 추진 유닛; 및 상기 측정 유닛을 통해 상기 선체의 수면상에 존재하는 주변 지형 정보를 측정하고, 상기 측정된 주변 지형 정보를 근거로 상기 선체의 위치와 자세를 계산하고, 상기 계산된 선체의 위치와 자세가 목표 위치와 목표 자세에 일치하도록 상기 추진 유닛의 진행방향 추진체와 횡방향 추진체를 작동시켜 상기 선체의 자세 제어를 수행하는 제어 유닛을 포함하는 무인 보트가 제공될 수 있다.
또한, 상기 횡방향 추진체는 복수의 추진체를 포함하고, 상기 복수의 추진체는 상기 선체의 중심축을 기준으로 서로 대칭되게 마련될 수 있다.
또한, 상기 제어 유닛은 상기 측정 유닛을 통해 상기 주변 지형이 감지될 경우, 상기 주변 지형까지의 거리에 따라 상기 선체의 길이방향 위치를 계산하고, 상기 주변 지형이 감지되지 않을 경우, 특정 지형의 고정된 점에 실에 의해 연결된 거리측정장치를 이용하여 상기 선체의 길이방향위치를 계산할 수 있다.
또한, 상기 거리측정장치는 상기 고정된 점에 연결된 실이 감긴 실감개와, 상기 실감개를 회전시켜 상기 실감개에 감긴 실을 풀거나 감는 모터와, 상기 모터의 회전수에 따라 상기 실감개의 회전수를 감지하는 엔코더를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어 유닛은 상기 측정 유닛을 통해 상기 선체의 진행방향의 수면상에 위치한 주변 지형인 벽면을 측정하고, 상기 선체의 로컬 좌표를 기준으로 상기 측정된 벽면에 해당하는 직선을 계산하고, 상기 로컬 좌표의 원점과 상기 계산된 직선간의 거리와 각도를 계산하여 상기 측정된 벽면과의 거리와 상기 측정된 벽면에 대한 상기 선체의 자세를 계산할 수 있다.
또한, 상기 선체의 롤과 피치를 포함하는 자세 변화 정보를 측정하는 관성측정장치를 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 수중 지형 측정시 상기 측정 유닛을 통해 측정된 주변 지형 정보를 이용하여 계산된 상기 선체의 위치 및 자세 정보와, 상기 관성측정장치를 통해 측정된 상기 선체의 자세 변화 정보를 근거로 하여 상기 관측 유닛을 통해 측정된 수중 지형 측정값의 위치를 보정하고 상기 측정된 수중 지형을 맵핑할 수 있다.
또한, 상기 측정 유닛은 레이저 스캔을 통해 상기 선체의 수면상에 존재하는 주변 지형을 측정하는 2D 레이저 스캐너를 포함하고, 상기 2D 레이저 스캐너는 상기 선체가 기울어지더라도 자중에 의해 레이저 스캔면과 수면을 평행하게 유지시키도록 마련된 지지부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 2D 레이저 스캐너(LiDAR)와 2개의 주 추진체와 4개의 횡 추진체를 장착하고 2D 레이저 스캐너를 이용하여 주변 지형 특히 벽면을 인식하여 벽면과의 거리와 각도를 계산하고 주 추진체와 횡 추진체를 이용하여 선체의 자세 제어를 수행함으로써 선체의 위치 측정 및 자세 제어가 GPS 신호가 수신되지 않는 곳에서도 가능하고 GPS가 수신되더라도 더 높은 정확도의 위치 측정 및 자세 제어가 가능하기 때문에 밀폐 공간의 도수로, 수조 등의 퇴적물 맵 작성과 수중 구조물 진단이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트의 상부 투시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트의 하부 투시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 다른 방식의 횡방향 추진체를 갖는 무인 보트의 상부 투시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 다른 방식의 횡방향 추진체를 갖는 무인 보트의 하부 투시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 다른 방식의 횡방향 추진체를 갖는 무인 보트의 정면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 다른 방식의 횡방향 추진체를 갖는 무인 보트의 측면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 2D 레이저 스캐너(LiDAR)를 이용하여 벽면을 인식하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 선체 로컬 좌표를 기준으로 벽면 거리와 각도를 계산하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 2D 레이저 스캐너(LiDAR)를 이용하여 진행방향 거리를 측정하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 실을 이용하여 진행방향 거리를 측정하는 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 2D 레이저 스캐너(LiDAR)의 수평을 유지하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 선체의 추진체에 대한 구성도이다.
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 선체의 여러 방향 이동을 위한 추진체 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 제어 유닛의 개략적인 제어블록도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 수중 지형을 맵핑하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 18a 내지 도 18d는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트가 직선, 곡선, 직선으로 된 넓은 지역, 곡선으로 된 넓은 지역 등 다양한 지형을 이동하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트를 이용하여 밀폐된 수로의 퇴적물 측정하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 수로 퇴적물 측정 후 맵핑한 결과를 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달할 수 있도록 하기 위해 예로서 제공하는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정하지 않고 다른 형태로 구체화할 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장하여 표현할 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트의 상부 투시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트의 하부 투시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트의 정면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트의 측면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 무인 보트는 원격으로 조종 가능한 무인으로 운항하는 보트이다.
무인 보트의 선체(10)는 좌우 대칭으로 부유체(11)가 마련된 쌍동선 형태일 수 있다. 선체(10)는 쌍동선 형태로 마련되는 것에 의해 수면에서 롤(roll)과 피치(pitch)가 적어 상대적으로 안정적이다. 또한, 선체(10)는 선체(10)가 물속에 모두 잠기는 잠수 형태 또는 일부만 잠기는 반잠수 형태일 수 있다.
무인 보트의 선체(10)에는 측정 유닛(20), 관측 유닛(30), 추진 유닛(40), 통신 유닛(50) 및 제어 유닛(60) 등 각종 유닛들이 설치되어 있다.
제어 유닛(60)에는 측정 유닛(20), 관측 유닛(30), 추진 유닛(40) 및 통신 유닛(50)이 전기적으로 연결되어 있다.
측정 유닛(20), 통신 유닛(50) 및 제어 유닛(60)은 물이 침투하지 않도록 케이싱(12)의 내부에 밀폐 수용된다.
측정 유닛(20)은 2D 레이저 스캐너(Light Detection And Ranging, LiDAR)(21), 관성측정장치(Inertial Measurement Unit, IMU)(22), 그리고 실을 이용한 거리 측정 장치(23)를 포함할 수 있다.
2D 레이저 스캐너(LiDAR)(21)는 선체 전방의 수면상에 존재하는 벽면, 지형물 등의 주변 지형 정보를 검출한다.
관성측정장치(IMU)(22)는 선체(10)의 피치(pitch), 롤(roll) 및 요우(yaw) 등과 같은 자세 변화 정보를 측정할 수 있다. 관성측정장치(IMU)(22)는 3축 각속도, 3축 가속도 및 3축 지자기 센서를 기반으로 선체의 위치, 자세, 속도 등의 자세 정보를 제공할 수 있다.
실을 이용한 거리 측정 장치(23)는 고정 위치로부터 선체(10)까지 실로 연결하고 실의 길이를 이용하여 고정된 위치로부터 선체(10)까지의 거리를 측정한다.
관측 유닛(30)은 수중 지형을 측정하는 장치인 소나(Sound Navigation And Ranging, SONAR)(31)를 포함할 수 있다. 소나(SONAR)(31)는 음파를 사용하여 해저의 지형을 측정한다. 예를 들면, 소나(SONAR)(31)는 음파를 짧은 단속음으로 발사하고 이것이 해저의 지형에 부딪혀 반사하여 되돌아오는 데 걸리는 시간을 재어 그 해저 지형까지의 거리를 측정하며, 송파기를 회전시켜 그 방향을 탐지한다.
추진 유닛(40)은 주 추진체인 진행방향 추진체(41)와 보조 추진체인 횡방향 추진체(42)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 추진 유닛(40)은 2개의 진행방향 추진체(41)와 4개의 횡방향 추진체(42)로 이루어질 수 있다. 진행방향 추진체(41)와 횡방향 추진체(42)의 개수는 필요에 따라 변경될 수 있다.
진행방향 추진체(41)는 선체 바닥면에 마련되어 선체(10)를 전진 방향 또는 후진 방향으로 이동시킨다. 진행방향 추진체(41)는 회전방향을 변경하는 것에 의해 선체(10)를 전진시키거나 후진시킨다.
횡방향 추진체(42)는 부유체(11)의 상부측에 각각 한 쌍씩 마련된다. 각 쌍은 서로 대칭되게 배치된다. 즉, 각 쌍은 선체(10)의 중심축을 기준으로 서로 대칭되게 마련된다. 횡방향 추진체(42)는 각 추진체의 송풍방향이 각각 선체 바깥방향을 향하도록 마련된다.
횡방향 추진체(42)는 수면 위에서 공기 압력차를 발생하는 선풍기 형태의 추진체일 수 있다.
한편, 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 횡방향 추진체(42)는 수면에 잠기는 형태인 수중 추진체 형태도 가능하다.
통신 유닛(50)은 무인 보트의 원격 조작을 위한 무선 또는 유선 통신장치이다. 이 통신 유닛(50)은 원격지의 외부 제어기와의 통신을 수행한다.
제어 유닛(60)은 측정 유닛(20)의 2D 레이저 스캐너(LiDAR)(21)를 통해 선체의 주변 지형의 정보를 측정하고, 측정된 주변 지형 정보를 근거로 선체의 위치와 자세를 계산하고, 계산된 선체의 위치와 자세가 목표로 하는 위치와 자세에 일치하도록 추진 유닛(40)의 진행방향 추진체(41)와 횡방향 추진체(42)의 작동을 제어하여 선체(10)의 자세 제어를 수행한다.
또한, 제어 유닛(60)은 관측 유닛(30)의 소나(SONAR)(31)를 이용하여 수중 지형 측정시 2D 레이저 스캐너(LiDAR)(21)를 통해 측정된 주변 지형 정보를 이용하여 계산된 선체의 위치와 자세 정보, 그리고, 관성측정장치(IMU)(22)를 통해 측정된 선체(10)의 롤 정보와 피치 등의 자세 변화 정보를 이용하여 소나 측정값의 위치를 보정하여 수중 지형을 맵핑한다. 제어 유닛(60)은 선체(10)를 이동시키며 실시간으로 맵핑 데이터를 축적하여 전체 지형 맵을 완성한다.
따라서, 상기한 구성을 갖춘 무인 보트는 선체의 위치 측정 및 자세 제어가 GPS 신호가 수신되지 않는 곳에서도 가능하고 GPS가 수신되더라도 더 높은 정확도의 위치 측정 및 자세 제어가 가능하기 때문에 밀폐 공간의 도수로, 수조 등의 퇴적물 맵 작성과 수중 구조물 진단이 가능한 장점이 있다.
이하에서는 상기한 구성을 갖춘 무인 보트가 수면에서 위치를 측정하는 방법 즉 항법의 구체적인 방법을 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 무인 보트의 항법은 무인 보트가 주변의 벽면과 같은 주변 지형을 따라 이동하기 위한 방법이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 2D 레이저 스캐너(LiDAR)를 이용하여 벽면을 인식하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 무인 보트는 선체(10)에 위치한 2D 레이저 스캐너(21)를 이용하여 벽면과 같은 주변 지형을 인식하여 벽면의 직선 부분을 추출한다.
2D 레이저 스캐너(21)로부터 출사된 점선의 레이저는 주변 지형의 벽면에 반사되어 2D 레이저 스캐너(21)로 되돌아온다. 이와 같은 레이저가 주변 지형의 벽면에 반사되는 점인 LiDAR 인식점들을 이용하여 벽면의 직선 부분을 추출한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 선체 로컬 좌표를 기준으로 벽면 거리와 각도를 계산하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 무인 보트는 선체(10)의 로컬 좌표를 기준으로 원점에서 추출한 직선까지의 수직 거리(d)와 직선의 각도(θfbk)를 계산한다. 수직 거리(d)는 벽면을 따라 이동할 때 폭(yfbk)이 되고 직선의 각도는 진행방향에 대한 선체(10)의 자세로 환산된다.
이하에서는 선체(10)가 진행방향으로 이동하는 위치를 측정하는 방법을 설명한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 2D 레이저 스캐너(LiDAR)를 이용하여 진행방향 거리를 측정하는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 12a 및 도 12b는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 실을 이용하여 진행방향 거리를 측정하는 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 무인 보트는 2D 레이저 스캐너(21)를 이용하여 선체(10)의 진행방향을 감지한 결과 진행 방향에 지형이 감지될 경우 지형까지의 거리(l)에 따라 선체(10)의 진행방향인 선체 길이방향의 위치(xfbk)를 계산한다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 무인 보트는 2D 레이저 스캐너(21)를 이용하여 선체(10)의 진행방향을 감지한 결과 진행 방향에 지형이 감지되지 않을 경우 실을 이용한 거리 측정 장치(23)를 이용하여 선체(10)의 길이방향의 위치(xfbk)를 계산한다.
실을 이용한 거리 측정 장치(23)는 지형에 고정된 점에 연결된 실이 감긴 실감개(23A)와, 이 실감개(23A)를 회전시켜 실감개(23A)에 감긴 실을 풀거나 감는 모터(23B)와, 이 모터(23B)의 회전수에 따라 실감개(23A)의 회전수를 감지하는 엔코더(23C)를 포함한다.
따라서, 지형에 고정된 점과 모터(23B)에 인가한 장력으로 실의 직선을 유지하며 실의 길이를 엔코더(23C)를 통해 실감개(23A)의 회전수를 측정함으로써 선체(10)와 지형의 고정점까지의 거리를 알 수 있어 선체(10)의 이동 방향 위치(xfbk)를 계산할 수 있다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 2D 레이저 스캐너(LiDAR)의 수평을 유지하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 13a 내지 도 13c을 참조하면, 2D 레이저 스캐너(21)는 피봇이나 힌지 등의 지지부재(H)에 의해 연결되어 있다.
지지부재(H)는 2D 레이저 스캐너(21)의 레이저 스캔면과 수면을 평행하게 유지시킨다.
2D 레이저 스캐너(21)는 지지부재(H)로 인해 선체(10)가 기울어지더라도 자중에 의해 항상 수평을 유지할 수 있다. 따라서, 선체의 기울임을 보상할 수 있다.
이하에서는 선체(10)의 위치 측정 결과를 근거로 하여 선체(10)의 위치 및 자세를 제어하기 위한 선체 추진 방법을 설명한다.
진행방향 추진체(41)는 1개 또는 2개일 수 있다. 진행방향 추진체(41)는 일반적으로 무인 보트에 사용되는 추진체를 사용할 수 있다.
횡방향 추진체(42)는 4개일 수 있다. 횡방향 추진체(42)는 선체(10)를 주변 지형인 벽면으로부터 일정한 거리를 두고 일정한 방향을 향하게 하기 위하여 선체(10)를 수면에서 횡방향으로 이동시키거나 회전시킬 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 선체의 추진체에 대한 구성도이다.
도 14를 참조하면, 2개의 진행방향 추진체(41L,41R)와 4개의 횡방향 추진체(42LF,42LB,42RF,42RB)를 작동시켜 선체(10)를 전후진시키거나, 좌우이동시키거나 회전시킨다.
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 선체의 여러 방향 이동을 위한 추진체 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 15a를 참조하면, 선체(10)를 좌측방향으로 횡 이동시킬 경우, 2개의 진행방향 추진체(41L,41R)를 정지시킴과 함께 4개의 횡방향 추진체(42LF,42LB,42RF,42RB) 중 우측 2개의 횡방향 추진체(42RF,42RB)를 작동시킨다.
도 15b을 참조하면, 선체(10)를 시계방향으로 회전시킬 경우, 2개의 진행방향 추진체(41L,41R)를 정지시킴과 함께 4개의 횡방향 추진체(42LF,42LB,42RF,42RB) 중 대각선으로 대향된 2개의 횡방향 추진체(42LF,42RB)를 작동시킨다.
이와 같이, 횡방향 이동시 한쪽 2개의 횡방향 추진체를 작동시키고, 회전 이동시에는 대각선 2개의 횡방향 추진체를 작동시킨다.
도 15c을 참조하면, 선체(10)를 진행방향으로 이동시킬 경우, 4개의 횡방향 추진체(42LF,42LB,42RF,42RB)를 정지시킴과 함께 2개의 진행방향 추진체(41L,41R)를 작동시킨다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 제어 유닛의 개략적인 제어블록도이다.
도 16을 참조하면, 제어 유닛(60)은 2D 레이저 스캐너(LiDAR)(21)로부터 선체(10)의 주변 지형의 정보를 수신한다.
제어 유닛(60)의 길이방향제어기는 주변 지형의 정보를 바탕으로 선체(10)의 진행방향에 있는 지형까지의 거리인 길이방향거리값(xfbk)과 목표 길이방향거리값(xref)의 거리 차이값을 입력받고 그 거리차이값에 대응하는 값을 출력한다.
제어 유닛(60)의 폭방향제어기는 주변 지형의 정보를 바탕으로 주변 지형과의 폭방향거리값(yfbk)과 목표 폭방향거리값(yref)의 거리차이값을 입력받고 그 거리차이값에 대응하는 값을 출력한다.
제어 유닛(60)의 자세제어기는 주변 지형의 정보를 바탕으로 주변 지형과 이루는 각도값(θfbk)과 목표 각도값(θref)의 각도차이값을 입력받고 그 각도차이값에 대응하는 값을 출력한다.
제어 유닛(60)의 출력분배기는 길이방향제어기, 폭방향제어기 및 자세제어기로부터 출력된 각 출력값을 이용하여 각 거리차이와 각도차이를 줄이도록 진행방향 추진체(41)와 횡방향 추진체(42)를 작동시킴으로써 선체(10)의 현재 위치와 현재 자세를 목표 위치와 목표 자세에 일치하도록 진행방향 추진체(41)와 횡방향 추진체(42)의 작동을 제어하여 선체(10)의 자세 제어를 수행한다.
수면에서 선체(10)의 위치 및 자세가 제어되고, 선체(10)의 위치 및 자세 정보가 실시간으로 저장되는 무인 보트에서 수행할 수 있는 적합한 수중 조사 종류로는 수중 지형이나 퇴적물 측정 또는 수중 구조물 점검이다. 수중 지형 측정을 위하여 거리 측정이 가능한 소니(SONAR)를 이용하는데 일반적으로 스캐닝이나 멀티빔 등 1열에 대한 정보를 측정한다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 수중 지형을 맵핑하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 17을 참조하면, 앞서 설명한 선체(10)의 위치 정보 측정과 자세 제어방법, 그리고, 선체(10)에 장착된 소나(SONAR) 측정 정보를 이용하여 수중 지형을 맵핑한다.
앞서 설명한 방법으로 선체(10)의 현재 위치와 각도를 특정하고 스캐닝 또는 멀티빔 소나(SONAR)에 의해 측정된 1열 수중 거리 측정값을 관성측정장치(IMU)에 의해 측정된 현재의 롤과 피치 각도값으로 보정하여 맵핑한다. 선체를 이동시키며 실시간으로 맵핑 데이터를 축적하여 전체 지형 맵을 완성한다.
도 18a 내지 도 18d는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트가 직선, 곡선, 직선으로 된 넓은 지역, 곡선으로 된 넓은 지역 등 다양한 지형을 이동하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 18a 내지 도 18d를 참조하면, 무인 보트의 위치 측정과 자세 제어, 그리고, 지형 맵핑에 활용 가능한 지형은 GPS가 되지 않아도 되며 주변 지형의 형상이 사각형상이거나 곡선 지형도 가능하다. 또한, 직선으로 된 넓은 지역의 지형과 곡선으로 된 넓은 지역의 지형도 가능하다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트를 이용하여 밀폐된 수로의 퇴적물 측정하는 것을 나타낸다. 도 20은 본 발명의 실시예에 따른 무인 보트에서 수로 퇴적물 측정 후 맵핑한 결과를 나타낸다.
도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이, 무인 보트의 위치 측정 및 자세 제어가 GPS 신호가 수신되지 않는 곳에서도 가능하고 GPS가 수신되더라도 더 높은 정확도의 위치 측정 및 자세 제어가 가능하기 때문에 밀폐 공간의 도수로, 수조 등의 퇴적물 맵 작성과 수중 구조물 진단이 가능함을 알 수 있다.무인 보트의 운용은 무선이나 유선 통신 방법에 의해서 원격에 둔 조작제어기를 통해 이루어지고 구체적인 통신 방법이나 제어기 구성 방법은 통상적인 수준을 따른다.
10 : 선체 11 : 부유체
12 : 케이싱 20 : 측정 유닛
21 : 2D 레이저 스캐너 22 : 관성측정장치
23 : 거리측정장치 30 : 관측 유닛
31 : 소나 40 : 추진 유닛
41 : 진행방향 추진체 42 : 횡방향 추진체
50 : 통신 유닛 60 : 제어 유닛

Claims (7)

  1. 선체;
    상기 선체의 수면상에 존재하는 주변 지형을 측정하는 측정 유닛;
    음파의 반사파를 이용하여 수중 지형을 측정하는 관측 유닛;
    상기 선체를 전후방향으로 이동시키는 진행방향 추진체와, 상기 선체를 좌우방향으로 이동시키거나 회전시키는 횡방향 추진체를 포함하는 추진 유닛; 및
    상기 측정 유닛을 통해 상기 선체의 수면상에 존재하는 주변 지형 정보를 측정하고, 상기 측정된 주변 지형 정보를 근거로 상기 선체의 위치와 자세를 계산하고, 상기 계산된 선체의 위치와 자세가 목표 위치와 목표 자세에 일치하도록 상기 추진 유닛의 진행방향 추진체와 횡방향 추진체를 작동시켜 상기 선체의 자세 제어를 수행하는 제어 유닛을 포함하고,
    상기 제어 유닛은 상기 측정 유닛을 통해 상기 선체의 진행방향의 수면상에 위치한 주변 지형인 벽면을 측정하고, 상기 선체의 로컬 좌표를 기준으로 상기 측정된 벽면에 해당하는 직선을 계산하고, 상기 로컬 좌표의 원점과 상기 계산된 직선간의 거리와 각도를 계산하여 상기 측정된 벽면과의 거리와 상기 측정된 벽면에 대한 상기 선체의 자세를 계산하는 무인 보트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 횡방향 추진체는 복수의 추진체를 포함하고, 상기 복수의 추진체는 상기 선체의 중심축을 기준으로 서로 대칭되게 마련되는 무인 보트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 측정 유닛을 통해 상기 주변 지형이 감지될 경우, 상기 주변 지형까지의 거리에 따라 상기 선체의 길이방향 위치를 계산하고, 상기 주변 지형이 감지되지 않을 경우, 특정 지형의 고정된 점에 실에 의해 연결된 거리측정장치를 이용하여 상기 선체의 길이방향위치를 계산하는 무인 보트.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 거리측정장치는 상기 고정된 점에 연결된 실이 감긴 실감개와, 상기 실감개를 회전시켜 상기 실감개에 감긴 실을 풀거나 감는 모터와, 상기 모터의 회전수에 따라 상기 실감개의 회전수를 감지하는 엔코더를 포함하는 무인 보트.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선체의 롤과 피치를 포함하는 자세 변화 정보를 측정하는 관성측정장치를 포함하고,
    상기 제어 유닛은 상기 수중 지형 측정시 상기 측정 유닛을 통해 측정된 주변 지형 정보를 이용하여 계산된 상기 선체의 위치 및 자세 정보와, 상기 관성측정장치를 통해 측정된 상기 선체의 자세 변화 정보를 근거로 하여 상기 관측 유닛을 통해 측정된 수중 지형 측정값의 위치를 보정하고 상기 측정된 수중 지형을 맵핑하는 무인 보트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 측정 유닛은 레이저 스캔을 통해 상기 선체의 수면상에 존재하는 주변 지형을 측정하는 2D 레이저 스캐너를 포함하고, 상기 2D 레이저 스캐너는 상기 선체가 기울어지더라도 자중에 의해 레이저 스캔면과 수면을 평행하게 유지시키도록 마련된 지지부재를 포함하는 무인 보트.
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