KR102018089B1 - 수중에서 드론 간 탈착이 가능한 임무 수행 시스템 - Google Patents
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Abstract
수중에서 드론 간 탈착이 가능한 임무 수행 시스템이 개시된다. 일 실시 예에 따른 임무 수행 시스템은, 수상에 표류하며 도킹장치를 가지는 수상드론과, 수상드론으로부터 분리되어 수중에서 임무를 수행하고 도킹을 통해 수상드론의 도킹장치에 결합하는 수중드론을 포함한다. 실내 및 실외 위치 추적을 통해 임무수행에 공간 제약을 받지 않으며, 또한 수행 임무에 따른 주요 장비 교체가 가능하여 다양한 활용처를 가진다.
Description
본 발명은 드론 기술에 관한 것이다.
무인 이동체는 활용 지역에 따라 육상에서는 무인 자동차, 하늘에서는 무인기, 해상에서는 무인선박으로 분류되며, 기존 산업(ICT, 소재 산업 등)과 실생활의 패러다임을 전격적으로 바꾸면서 미래 새로운 성장동력으로 주목받고 있다. 선박 및 잠수정의 지능화를 통해 충돌 및 돌발 사고를 미리 예측, 방지하며, 수중 무인 작업을 위한 무인선박 및 잠수정은 수중드론으로 분류되고 있으며, 원격수중잠수정(ROV, Remote Operated Vehicles)과 무인 자율 잠수정(AUV, Autonomous Underwater Vehicles)으로 구분된다.
수중드론 기술은 무인항공기(UAV)와 마찬가지로 ①구조물, 동력원 등 잠수정 구현 및 성능효율 관련 제조기술, ②유무선 통신, 항법, 탐지·회피, 제어, 소프트웨어 등과 같은 운용기술 및 ③수행 임무 및 서비스 구현을 위해 필요한 활용기술로 구분된다.
드론 관련 세부기술은 탐지 및 인식(Sensing & Perception), 통신(Connectivity), 동력원 및 운동(Power & Manipulation), 자율지능(Autonomy), HMI(Human Machine Interface) 및 시스템 통합기술로 구분되며, 수중 GPS를 포함한 수중통신 기술이 급부상 중이다.
일 실시 예에 따라, 해양에서 다수의 작업자들을 이용하지 않고 드론 간 결합 및 분리를 이용하여 임무를 정밀하고 효율적으로 수행할 수 있는 드론 기반 임무 수행 시스템을 제안한다.
일 실시 예에 따른 드론 기반 임무 수행 시스템은, 수상에 표류하며 도킹장치를 가지는 수상드론과, 수상드론으로부터 분리되어 수중에서 임무를 수행하고 도킹을 통해 수상드론의 도킹장치에 결합하는 수중드론을 포함한다.
각 드론은 해수를 냉각수로 사용하는 발전소의 냉각 순환 계통 시설물에 유입되는 이물질 검사, 발전소 주변환경에 대한 모니터링 및 소정의 특수임무 중 적어도 하나를 수행할 수 있다.
수상드론은, 몸체와, 몸체에 장착되어 수상드론에 수중드론을 결합하기 위한 도킹장치와, 몸체에 연결되어 수상드론을 표류 및 이동시키는 추진 모터와, 수상드론의 실내 위치 측정을 위해 몸체에 장착되어 수상드론을 추적하도록 하는 영상 마커와, 수상드론의 실내 위치 측정을 위해 몸체에 장착되어 실내 측위 노드와 정보를 송수신하는 실내 측위 앵커와, 수상드론의 실내 위치 측정을 위해 몸체에 장착되어 실내 공간에 대한 2차원 또는 3차원의 거리 데이터를 획득하는 거리 측정부와, GPS 위성으로부터 수신되는 데이터를 수신하여 수상드론의 실외 위치정보를 획득하는 GPS와, 수중드론으로부터 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부와, 수상드론의 표류 및 자세를 제어하는 표류 제어부와, 수상드론의 임무를 수행하고 수중드론의 임무 수행을 제어하며 수상드론 및 수중드론의 위치를 측정하는 수상드론 제어부와, 수중드론에 전원을 제공하는 전원 제어부를 포함할 수 있다.
수상드론 제어부는, 수중드론으로부터 수신되는 초음파 신호의 전송속도 및 수중드론의 깊이정보를 이용하여 수상드론에 대한 수중드론의 상대위치를 측정할 수 있다.
수중드론은, 수중드론의 잠항 깊이를 측정하는 압력센서와, 수중드론의 주변환경 및 전방을 촬영하는 카메라와, 초음파 신호를 수상드론에 송신하는 초음파 송신부와, 수중의 이물질 탐지나 표정을 위한 음향 표정부와, 수중드론의 잠항을 제어하는 잠항 제어부와, 수상드론으로부터 수신된 제어명령에 따라 임무를 수행하는 수중드론 제어부와, 수상드론으로부터 공급받은 전원을 제어하는 전원 제어부를 포함할 수 있다.
드론 기반 임무 수행 시스템은, 각 드론 간을 유선 연결하여 수상드론의 전력을 수중드론에 제공하고 각 드론 간 통신신호를 송수신하는 전력 및 통신선을 더 포함할 수 있다.
드론 기반 임무 수행 시스템은, 수상드론의 도킹장치에 구비되는 브라켓과, 수상드론의 브라켓에 장착되도록 수중드론에 구비되는 장착기구를 더 포함하며, 수중드론의 장착기구가 수상드론의 브라켓의 대응되는 위치에 회전을 통해 장착될 수 있다.
드론 기반 임무 수행 시스템은, 각 드론에서 측정된 위치를 확인하거나 각 드론으로부터 수신된 정보를 이용하여 각 드론의 위치를 측정하고, 확인 또는 측정된 각 드론의 위치를 기반으로 각 드론의 임무를 제어 및 모니터링하는 관제 시스템을 더 포함할 수 있다.
관제 시스템은, 수상드론과 무선통신하여 수상드론으로부터 수중드론 데이터를 수신하고 수상드론의 임무 수행을 위한 제어 데이터 및 수중드론을 제어하기 위한 데이터를 수중드론에 전송하는 무선 송수신부와, 수상드론의 영상 마커를 실시간으로 추적하여 촬영하는 네트워크 카메라와, 네트워크 카메라를 통해 촬영된 영상을 저장하는 영상 저장부와, 각 드론의 위치를 측정하거나 확인하면서 각 드론의 임무 수행을 모니터링하는 관제 서버와, 각 드론의 임무 수행 시 획득되는 데이터를 표시하는 제1 출력부와, 영상 저장부에 저장되는 영상을 포함한 데이터를 표시하는 제2 출력부를 포함할 수 있다.
관제 서버는, 네트워크 카메라부터 획득된 영상 마커 추적정보를 이용하여 수상드론의 실내 위치를 측정할 수 있다. 관제 서버는, 실내 측위 노드와 수상드론의 실내 측위 앵커 간에 송수신 되는 신호 및 신호의 세기를 이용하여 수상드론의 실내 위치를 측정할 수 있다.
관제 서버는, 수상드론으로부터 수신된 실내공간에 대한 2차원 또는 3차원의 거리 데이터를 기반으로 실시간 맵을 작성하고 표시하며, 실시간 맵을 이용하여 수상드론의 실내 위치추적 및 장애물 회피 기능을 수행할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 해양에서 작업자들을 이용하지 않고 드론 간 결합 및 분리가 가능한 탈착형 드론을 이용하여 임무를 정밀하고 효율적으로 수행할 수 있다. 특히, 해수를 냉각수로 사용하는 발전소의 냉각 순환 계통 시설물에 유입되는 이물질을 검사하는 데 사용될 수 있으며, 발전소 주변환경에 대한 모니터링 및 특수 임무를 수행할 수 있다. 드론 간 결합 및 분리가 자유로워, 수행 임무에 맞게 주요 장비 교체가 가능하여 다양한 활용처를 가진다.
또한, 임무 수행을 위한 수상드론의 실내 및 실외 위치 추적이 가능하고, 수중에서 수중드론 자신의 위치 확인, 수상드론에 대한 수중드론의 상대위치 확인 등이 가능하다. 실내 및 실외 위치 추적 및 확인을 통해 임무수행에 공간 제약을 받지 않으며, 추적 및 확인이 이루어진 위치에 기반하여 주어진 임무를 원활하게 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론 기반 임무 수행 시스템의 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중드론이 수상드론에 결합한 모습을 도시한 참조도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론의 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 관제 시스템의 구성도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중드론의 구성도,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론의 실내 측위 방법을 설명하기 위한 작업환경을 도시한 참조도,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론과 수중드론이 합체하여 이동하는 모습을 도시한 참조도,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론의 실외 위치를 측정하고 수중드론의 위치를 확인하는 방법을 설명하기 위한 작업환경을 도시한 참조도,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론 및 수중드론이 합체하기 위한 구조를 도시한 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중드론이 수상드론에 결합한 모습을 도시한 참조도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론의 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 관제 시스템의 구성도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중드론의 구성도,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론의 실내 측위 방법을 설명하기 위한 작업환경을 도시한 참조도,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론과 수중드론이 합체하여 이동하는 모습을 도시한 참조도,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론의 실외 위치를 측정하고 수중드론의 위치를 확인하는 방법을 설명하기 위한 작업환경을 도시한 참조도,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론 및 수중드론이 합체하기 위한 구조를 도시한 구조도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램인스트럭션들(실행 엔진)에 의해 수행될 수도 있으며, 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.
이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.
그리고 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명되는 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능들을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있으며, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하며, 또한 그 블록들 또는 단계들이 필요에 따라 해당하는 기능의 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론 기반 임무 수행 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 드론 기반 임무 수행 시스템은 수상드론(10) 및 수중드론(30)을 포함하며, 관제 시스템(80)을 더 포함할 수 있다.
수상드론(10)은 수상에 표류하면서 수중드론(30)을 제어하고, 수중드론(30)은 수중에서 임무를 수행한다. 수상드론(10)과 수중드론(30)은 결합 및 분리 가능하다. 예를 들어, 수중드론(30)이 수상드론(10)으로부터 분리되어 수중에서 임무를 수행하다가, 임무 수행 후 복귀 또는 임무 수행을 위한 다른 장소로의 이동을 위해 수상드론(10)에 합체된다. 수중드론(30)이 수상드론(10)으로부터 분리된 후 전력 및 통신선(50a)을 통해 전력을 공급받으면서 임무를 수행하다 임무가 완료되면 복귀하여 수상드론(10)에 장착 가능하다는 점에서, 수상드론(10)을 베이스 드론으로, 수중드론(30)을 임무 드론으로 각각 칭할 수 있다.
드론 기반 임무 수행 시스템은 해수(seawater)를 냉각수(coolant)로 사용하는 발전소에서 임무를 수행하며, 이때 임무는 발전소의 냉각 순환 계통 시설물을 점검하는 것일 수 있다. 발전소는 예를 들어, 원자력 발전소, 화력 발전소 등이 될 수 있다. 그러나 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시 예일 뿐, 드론 간(10, 30) 간 결합 및 분리 가능한 구조라면 다른 분야에 응용될 수 있다.
수상드론(10)은 수중드론(30)을 제어하면서, 자신의 위치와 수중드론(30)의 위치를 파악할 수 있다. 이때, 수상드론(10)의 실내 및 실외 위치를 파악할 수 있다. 수상드론(10)의 실내 위치 측정 예를 들면, 발전소의 취수조(또는 취수구), 발전소의 재장전 수조와 같은 실내 시설물에서, 관제 시스템(80)의 네트워크 카메라를 통해 수상드론(10)의 상부에 부착된 영상 마커(marker)를 인식하여 수상드론(10)의 실내 위치를 측정한다. 다른 예로, 수상드론(10)의 상부에 탑재된 실내 측위 앵커(anchor)와 실내 구조물에 설치된 실내 측위 노드 간의 정보 송수신 및 송수신 되는 신호의 세기를 이용하여 수상드론(10)의 실내 위치정보를 측정한다. 두 가지 방법은 별도로 사용할 수 있고, 병행하여 사용할 수도 있다. 수상드론(10)은 연안의 취수로와 같은 개활 지역(open section area)에 표류할 수 있는데, 위성항법시스템(GPS)을 이용하여 수상드론(10)의 실외 위치를 측정할 수 있다.
수상드론(10)은 수중드론(30)으로부터 송신되는 초음파 신호(70)를 수신하여 수상드론(10)에 대한 수중드론(30)의 상대위치를 측정할 수 있다. 수중드론(30)은 해안가에 위치한 취수로에 유입된 해파리, 이토 등과 같은 이물질을 검사한다. 수중드론(30)은 수상드론(10)에 초음파 신호(70)를 송신하여 수상드론(10)에 대한 수중드론(30)의 상대위치를 측정할 수 있다. 초음파 신호의 주파수는 1~30mHz일 수 있다. 초음파 신호(70)를 이용한 상대위치 계산 프로세스에 대해서는 도 3을 참조로 하여 후술한다.
관제 시스템(80)은 각 드론(10, 30)에서 측정된 위치를 확인하거나 각 드론(10, 30)으로부터 수신된 정보를 이용하여 각 드론(10, 30)의 위치를 측정한다. 그리고 확인 또는 측정된 각 드론(10, 30)의 위치를 기반으로 각 드론(10, 30)의 임무를 제어 및 모니터링한다. 예를 들어, 관제 시스템(80)은 수상드론(10)의 영상 마커 추적을 통해 수상드론(10)의 실내 위치를 측정하고 측정된 위치를 해도(nautical chart) 상에 표시할 수 있다. 관제 시스템(80)은 드론 간(10, 30)의 초음파 송수신에 따라 측정된 수중드론(30)의 위치를 확인하고 확인된 위치를 해도 상에 표시할 수 있다.
수상드론(10)은 도킹장치(60)가 수상드론(10) 몸체의 하부에 장착되고, 전력 및 통신선(50a)을 통해 수중드론(30)에 전력을 공급하며, 수중드론(30)과의 데이터 송수신을 위한 통신을 수행한다. 전력 및 통신선(50a)은 케이블일 수 있다. 수상드론(10)은 수중드론(30)으로부터 수신된 데이터를 관제 시스템(80)으로 전달할 수 있다. 이때, 통신방식은 유무선 통신이 가능하다. 무선 통신의 경우, 무선 랜(와이파이, WiFi), 이동통신망(LTE) 등을 이용할 수 있다. 수상드론(10)은 관제 시스템(80)으로부터 수중드론(30) 제어를 위해 필요한 제어 데이터 등을 수신하여 이를 수중드론(30)에 전달할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중드론이 수상드론에 결합한 모습을 도시한 참조도이다.
도 2를 참조하면, 수상드론(10)은 도킹장치(60)에 수중드론(30)이 장착된 형태로 합체한 후 이동할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 수상드론(10)은 표류(floating) 제어부(12)와 수상드론 제어부(11)를 중심으로 각각의 주변장치가 연결된다. 표류 제어부(12)는 수상드론 제어부(11)와 분리되어 표시되어 있으나, 수상드론 제어부(11)와 일부 기능을 공유할 수 있고 필요에 따라 수상드론 제어부(11)에 포함될 수도 있다.
표류 제어부(12)는 수상드론(10)의 표류 및 자세를 제어한다. 이를 위해, 표류 제어부(12)는 관성 측정장치(Inertial Measurement Unit: IMU)를 포함할 수 있다. 수상드론(10)의 몸체에는 수상드론(10)의 표류 및 이동을 위한 다수의 추진 모터(13a, 13b)가 장착된다. 추진 모터(13a, 13b)는 수상드론(10)의 움직임에 따라 단순 표류만을 위해 4개로 구성될 수 있고, 표류와 전·후진을 위해 6개 이상으로 구성될 수도 있다. 표류 제어부(12)에는 수상드론(10)의 동작 상태를 외부에 알려주는 부저(14)와, 전방 또는 하방(수중)을 비추는 LED 조명(15)이 추가로 연결될 수 있다.
수상드론 제어부(11)는 수상드론(10)의 임무를 수행하고 수중드론(30)의 임무 수행을 제어하며 수상드론(10) 및 수중드론(30)의 위치를 측정한다. 수상드론 제어부(11)에는 주변장치들이 연결되는데, 주변장치는 전원 제어부(16), 데이터 변환부(17), 무선 송수신부(18), PoE(Power over Ethernet) 허브(Hub)(19), 영상 마커(20), GPS(21), 거리 측정부(22), 비디오 인코더(23), 전방 카메라(24), 실내 측위 앵커(25) 및 초음파 수신부(27)를 포함할 수 있다.
무선 송수신부(18)는 관제 시스템(80)과 무선으로 데이터를 송수신한다. 임무 지역의 전방을 촬영하는 전방 카메라(24)가 비디오 인코더(23) 및 PoE 허브(19)를 통해 수상드론 제어부(11)와 연결될 수 있다. 전방 카메라(24)는 어안 카메라일 수 있다. 전방 카메라(24)를 통해 촬영된 영상은 무선 송수신부(18)를 통해 관제 시스템(80)으로 무선 송신될 수 있다.
수상드론(10)은 실내 및 실외 측위 기능을 제공한다. 실내 또는 실외의 구분은 수상드론(10)이 발전소의 실내 구조물 내에 위치하는지 실내 구조물의 외부에 위치하는지에 따라 결정될 수 있다. 일 실시 예에 따른 수상드론(10)은 실내 측위를 위해 영상 마커(20) 및 실내 측위 앵커(25) 중 적어도 하나를 이용한다.
영상 마커(20)를 이용한 실내 측위 방법에 따르면, 관제 시스템(80)의 네트워크 카메라(84)가 수상드론(10)의 영상 마커(20)를 추적하는 방식을 통해 수상드론(10)의 실내 위치를 계산한다. 영상 마커(20)는 수상드론(10)의 몸체 상부에 부착될 수 있으나, 위치는 이에 한정되지는 않는다.
실내 측위 앵커(25)를 이용한 실내 측위 방법은 초광대역(Ultra-wideband: UWB) 방식에 기반하여 수상드론(10)의 실내 위치를 계산하는 방식이다. 예를 들어, 실내 구조물에 설치된 다수의 실내 측위 노드(26)가 실내 측위 앵커(25)와 무선으로 위치 데이터를 송수신함에 따라 수상드론(10)의 실내 측위를 계산한다. 위치를 알고 있는 각 실내 측위 노드(26)와, 위치를 모르는 실내 측위 앵커(25) 간에 송수신되는 신호 및 신호의 세기를 이용하여 수상드론(10)의 실내 측위를 계산할 수 있다. 실내 측위 앵커(25)는 수상드론(10)의 몸체 상부에 부착될 수 있다.
수상드론(10)이 실외에 위치하는 경우, 수상드론(10)은 실외 측위를 위해 GPS를 이용할 수 있다. 예를 들어, 수상드론 제어부(11)와 연결된 GPS(21)가 GPS 위성으로부터 수신되는 데이터를 이용하여 수상드론(10)의 실외 위치를 측정한다.
거리 측정부(22)는 수상드론(10)이 실내 구조물에서 임무 수행 시 장애물과의 충돌방지 및 보조 측위를 위해 실내공간에 대한 2차원 또는 3차원의 거리 데이터를 획득한다. 예를 들어, 거리 측정부(22)는 실내 구조물과의 거리를 계산하여 이를 수상드론 제어부(11)로 전송하며, 수상드론 제어부(11)는 실내 구조물과의 거리 계산 결과를 이용하여 수상드론(10)의 실내 위치를 측정할 수 있다. 거리 측정부(22)는 라이더(Light Detection and Ranging: LiDAR)일 수 있다. 거리 측정부(22)는 2차원 또는 3차원 거리측정센서일 수 있다. 수상드론 제어부(11)는 거리 측정부(22)의 거리 측정결과를 이용하여 실내 구조물과의 충돌 발생 위험을 판단하고, 충돌 발생이 있으면 경보신호를 생성하여 이를 부저(14)를 통해 외부에 알리거나 무선 송수신부(18)를 통해 관제 시스템(80)에 전송할 수 있다.
초음파 수신부(27)는 수중드론(30)으로부터 송신되는 초음파 신호(70)를 수신한다. 수상드론 제어부(11)는 초음파 수신부(27)를 통해 수신된 초음파 신호를 이용하여 수상드론(10)에 대한 수중드론(30)의 상대위치를 측정한다. 예를 들어, 수중드론(30)의 초음파 송신부(30)로부터 수상드론(10)의 초음파 수신부(27)로 전송되는 초음파 신호의 전송시간을 이용하여 드론 간(10, 30) 거리를 측정하고, 측정된 거리정보에 수중드론(30)의 깊이정보를 취합하여 수상드론(10)에 대한 수중드론(30)의 상대위치를 측정한다. 위치정보는 상대적인 위치좌표일 수 있다. 드론 간(10, 30) 초음파 신호의 전송속도를 측정하기 위해 두 드론(10, 30)은 시간 동기화를 수행할 수 있다. 수상드론(10)은 중앙 위치를 포함해 최소 4개 이상의 초음파 수신부(27)를 장착하고, 각 초음파 수신부(27)를 통해 수신되는 초음파 신호를 이용하여 정확하게 거리를 측정할 수 있다. 필요에 따라 사전 테스트를 통해 취득한 전송시간 대비 위치 정보 데이터베이스에 대한 기계학습(머신 러닝) 방법을 통해 드론 간(10, 30)의 거리를 예측할 수 있다.
전원 제어부(16)는 수상드론(10) 자체의 전원, 수중드론(30)으로 직류전원을 공급하기 위한 전원분배 회로 및 충전용 대용량 배터리 팩(Battery Pack)을 포함한다. 수상드론(10)은 임무 수행 시간의 길고 짧음에 따라 자체 배터리 전원을 구비하거나, 외부의 직류전원을 공급받아 운용될 수 있다. 데이터 변환부(17)는 수중드론(30)과의 미분(differential) 방식으로 송수신 되는 데이터를 변환하여 이를 PoE 허브(17)를 통해 수상드론 제어부(11)와 주고받는다. 미분 방식의 적용은 수중 드론(30)의 잠항에 영향을 주는 전력 및 통신선(50a)의 무게를 줄이기 위함이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 관제 시스템의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 관제 시스템(80)은 관제서버(81)를 중심으로 검사 임무 수행을 위한 주변장치들로 구성된다. 임무 수행을 위한 모든 데이터는 스위칭 허브(82)를 통해 관제 서버(81)와 송수신 된다.
스위칭 허브(82)의 주변장치는 무선 송수신부(83), 네트워크(IP) 카메라(84) 및 영상 저장부(85)(Network Video Recorder: NVR)를 포함하며, 전력 공급부(89) 및 데이터 변환부(91)를 더 포함할 수 있다.
무선 송수신부(83)는 무선망을 통해 무선으로 수상드론(10)과 데이터를 송수신한다. 예를 들어, 수상드론(10)과 무선통신하여 수상드론(10)으로부터 수중드론 데이터를 수신하고, 수상드론(10)의 임무 수행을 위한 제어 데이터 및 수상드론(10)이 수중드론(30)을 제어하기 위한 제어 데이터를 수중드론(30)에 전송한다.
네트워크(IP) 카메라(84)는 수상드론(10)의 영상 마커(20)를 추적하여 수상드론(10)의 실내 위치를 측정한다. 영상 저장부(85)는 네트워크(IP) 카메라(84)를 통해 촬영된 영상 등을 저장한다. 전력 공급부(89)와 데이터 변환부(91)는 수상드론(10)의 임무 수행 종류에 따라 선택적으로 구성될 수 있는데, 전력 및 통신선(50b)을 통해 수상드론(10)과 연결될 수 있다. 전력 공급부(89)는 외부로부터 상용 전원을 입력받으며 이를 직류 전원으로 변환한다.
관제서버(81)는 각 드론(10, 30)의 위치를 확인하며 확인된 위치를 기반으로 각 드론(10, 30)의 임무 수행을 모니터링한다. 일 실시 예에 따른 관제서버(81)의 주변장치는 제1 출력부(86a), 제2 출력부(86b), 수중드론 조정부(87) 및 수상드론 조정부(88)를 포함한다.
일 실시 예에 따른 관제 서버(81)는 수상드론(10)의 거리 측정부(22)로부터 수신된 실내공간에 대한 2차원 또는 3차원 거리 데이터를 기반으로 실시간 맵을 작성하고 표시하며, 실시간 맵을 이용하여 수상드론(10)의 실내 위치를 추적하고, 수상드론(10)이 장애물을 회피하도록 한다.
제1 출력부(86a)는 각 드론(10, 30)의 임무 수행 시에 수신되는 주요 데이터를 표시(display)한다. 제2 출력부(86b)는 영상 저장부(85)에 실시간으로 저장되는 영상과 영상 저장부(85) 제어를 위한 데이터를 표시한다. 각 드론(10, 30)의 임무 수행을 위해서는 각 드론(10, 30)에 대한 정밀 제어가 필요하다. 이를 위해, 수중드론 조정부(87)가 수중드론(30)을 대상으로 항공기 조정간과 같은 기능을 수행하고, 수상드론 제어부(88)가 수상드론(10)의 표류, 전·후진 및 회전을 제어한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수중드론의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 수중드론(30)은 수중드론 제어부(31)와 잠항 제어부(32)를 중심으로 주변장치들이 연결된다. 잠항 제어부(32)는 수중드론 제어부(31)와 분리되어 표시되어 있으나, 수중드론 제어부(31)와 일부 기능을 공유할 수 있고 필요에 따라 수중드론 제어부(31)에 포함될 수도 있다.
잠항 제어부(32)는 수중에서 수중드론(30)의 잠항을 제어한다. 일 실시 예에 따른 잠항 제어부(32)의 주변장치는 추진 모터(33), 부저(34), 압력센서(35) 및 LED 조명(37a, 37b)을 포함한다. 잠항 제어부(32)에는 수상드론(10)에서와 같이 관성 측정장치(Inertial Measurement Unit: IMU)가 내장될 수 있다. 수중드론(30)의 이동을 위한 추진 모터(33)의 수는 6개 또는 8개일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 압력센서(35)는 수중드론(30)의 잠항 깊이를 측정한다. 전방 및 하향을 비추는 LED 조명(37a, 37b)이 펄스폭변조(Pulse Width Modulation: PWM) 인터페이스를 통해 잠항 제어부(32)와 연결된다. 부저(34)는 수중드론(30)의 동작 상태를 외부에 통지한다.
수중드론 제어부(31)는 수상드론(10)으로부터 수신된 제어명령에 따라 임무를 수행한다. 일 실시 예에 따른 수중드론 제어부(31)의 주변장치는 전원 제어부(36), 데이터 변환부(38), PoE 허브(39), 음향 표정부(40), 신호 변환부(41), 전방 카메라(42), 비디오 인코더(43), 네트워크 카메라(44) 및 초음파 송신부(45)를 포함한다.
이토 등의 수중 이물질의 탐지나 표정에 사용되는 음향 표정부(40)가 신호 변환부(41)를 거쳐 수중드론 제어부(31)에 연결된다. 네트워크 카메라(44)가 PoE 허브(39)를 통해 수중드론 제어부(31)와 연결된다. 네트워크 카메라(44)는 수중드론(30)의 주변환경을 촬영한다. 이를 위해, 네트워크 카메라(44)는 4채널을 지원하고 전후좌우 촬영이 가능하며, 팬 틸트 줌(Pan-tilt-zoom: PTZ) 기능을 지원할 수 있다. 예를 들어, 줌 인/아웃 기능을 구비하여, 검사하고자 하는 대상을 확대하여 영상을 촬영 가능하다. 수상드론(10)과 송수신 되는 데이터를 변환하기 위한 데이터 변환부(38)도 PoE 허브(39)에 연결된다. 비디오 인코더(43)를 통해 PoE 허브(39)에 연결된 전방 카메라(42)는 수중드론(30)의 임무 수행에 따른 전방 구조물 등을 촬영한다.
초음파 송신부(45)는 수상드론(10)에 대한 수중드론(30)의 상대위치 확인을 위해 초음파를 사용한다. 예를 들어, 초음파 송신부(45)가 초음파를 송신하면 수상드론(10)이 이를 수신하여 드론 간(10, 30) 거리를 측정하고 측정 거리로부터 수상드론(10)에 대한 수중드론(30)의 상대위치를 측정할 수 있다.
전원 제어부(36)에서는 전력 및 통신선(50a)을 통해 공급받은 직류 전원을 직류 변환 회로 등을 통해 수중드론(30)에서 필요로 하는 각종 전원(+5/+12/+15Vdc 등)을 공급한다. 전원 제어부(36)에서는 수중드론(30)의 추진 모터(33a, 33b)의 안정적인 동작을 위해 이들이 사용하는 전원을 독립적인 회로로 구성하여 공급할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론의 실내 측위 방법을 설명하기 위한 작업환경을 도시한 참조도이다.
우선, 수상드론(10)과 수중드론(30)의 작업환경에 대해 설명하고자 한다. 해안에 설치된 발전소는 발전시설의 가동을 위해 필요한 각종 시스템 용수가 필요하고, 이러한 시스템 용수로 해수를 유입하여 사용하고 있다. 예를 들어, 원자력 발전소는 우라늄이 핵분열할 때 발생하는 열을 이용하여 물을 끊여 증기로 만든 다음, 증기의 힘으로 터빈을 회전시켜 전기를 발생시키게 되는 특성상, 터빈의 회전시 발생하는 열과, 원자로의 핵분열과정에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 수단으로 사용되는 물을 보다 안정적이고 연속적으로 공급받을 수 있도록 통상 해안가 주변에 설치되는 것이 일반적이다.
발전소로 공급되는 해수는 취수구를 통해 초당 수백 톤이 동시에 유입되는데, 이때 유입되는 해수 중에는 계절이나 일기 등에 따라 해조류나 해파리, 어류 등의 다양한 해양생물이나 이토들이 함께 유입됨에 따라 발전시설을 정지시키거나 각종 고장을 유발하는 원인이 된다. 특히, 발전소의 취수구, 취수로 및 이와 관련된 냉각수 순환 계통 시설물과 같은 수중시설에는 이물질이 물과 함께 유입되어 쌓이게 되므로 이를 주기적으로 제거해 주어야 하는바, 주로 정기적인 점검기간을 이용하여 제거해 주고 있다.
도 6을 참조하면, 수중시설물에 포함되는 이물질을 제거하기 위해, 이물질 제거장치(100)가 설치되며, 이물질 제거장치(100)는 하우징 내부에는 스크린(102)이 구비되며, 스크린(102) 내측에 이물질을 제거하기 위한 이물질 제거부와 세척부가 더 구비될 수 있다. 하우징은 해수를 유입하여 발전소 내부로 공급하기 위한 통로이면서, 해수에 포함되는 이물질을 제거할 수 있다. 스크린(102)은 도 6에 도시된 바와 같이 바(bar) 형태일 수 있다.
이러한 수중시설물의 이물질 점검을 위해서는 각 드론(10, 30)의 위치를 실시간으로 파악하는 것이 중요하다. 수상드론(10)의 실내 위치를 측정하는 방법 중 하나는 영상 마커(20)를 이용하는 것이다. 관제 시스템(80)에 연결된 네트워크 카메라(84)가 수상드론(10)의 영상 마커(20)를 추적하는 방식을 통해 수상드론(10)의 실내 위치를 계산할 수 있다. 영상 마커(20)는 수상드론(10)의 몸체 상부에 부착될 수 있으나, 위치는 이에 한정되지는 않는다.
수상드론(10)의 실내 위치를 측정하는 방법 중 다른 하나는 실내 측위 앵커(25)를 이용하는 것이다. 이는 초광대역(Ultra-wideband: UWB) 방식에 기반하여 수상드론(10)의 실내 위치를 계산하는 방식으로, 실내 구조물에 설치된 다수의 실내 측위 노드(26)가 수상드론(10)의 실내 측위 앵커(25)와 무선을 통해 위치 데이터를 송수신하여 수상드론(10)의 실내 측위를 계산할 수 있다. 위치를 알고 있는 각 실내 측위 노드(26)와, 위치를 모르는 실내 측위 앵커(25) 간에 송수신 되는 신호 및 신호의 세기를 이용하여 수상드론(10)의 실내 측위를 계산할 수 있다. 실내 측위 앵커(25)는 수상드론(10)의 몸체 상부에 부착될 수 있다.
도 6에서 영상 마커(20), 거리 측정부(22) 및 실내 측위 앵커(25)의 위치를 중앙에 표시하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시 예일 뿐, 그 위치는 설계에 따라 변경 또는 추가될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론과 수중드론이 합체하여 이동하는 모습을 도시한 참조도이다.
도 7을 참조하면, 수상드론(10)에 수중드론(30)이 합체하여 이동 가능하다. 수상드론(10)이 실외에 위치하는 경우, 수상드론(10)은 실외 측위를 위해 GPS를 이용할 수 있다. 예를 들어, 수상드론(10)은 GPS 위성으로부터 수신되는 데이터를 이용하여 수상드론(10)의 실외 위치를 측정한다. 수상드론(10)은 관제 서버(81)에 무선으로 데이터를 송수신한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론의 실외 위치를 측정하고 수중드론의 위치를 확인하는 방법을 설명하기 위한 작업환경을 도시한 참조도이다.
도 8을 참조하면, 수중드론(30)이 수상드론(10)으로부터 분리되어 이동 가능하며, 각 드론(10, 30)은 자신의 위치를 측정하고 측정된 위치를 기반으로 각자의 임무를 수행한다. 수상드론(10)이 실외에 위치하는 경우, 수상드론(10)은 실외 측위를 위해 GPS를 이용할 수 있다. 예를 들어, 수상드론(10)은 GPS가 GPS 위성으로부터 수신되는 데이터를 이용하여 수상드론(10)의 실외 위치를 측정한다.
일 실시 예에 따른 수중드론(30)의 위치 확인은 초음파 신호(70)를 이용한다. 예를 들어, 수상드론(10)이 수중드론(30)으로부터 송신되는 초음파 신호(70)를 수신하면, 수중드론(30)으로부터 수상드론(10)으로 전송되는 초음파 신호의 전송시간을 이용하여 드론 간(10, 30) 거리를 측정하고, 측정된 거리정보에 수중드론(30)의 깊이정보를 취합하여 수상드론(10)에 대한 수중드론(30)의 상대위치를 측정한다. 위치정보는 상대적인 위치좌표일 수 있다. 드론 간(10, 30) 초음파 신호의 전송속도를 측정하기 위해 두 드론(10, 30)은 시간 동기화를 수행할 수 있다. 필요에 따라 사전 테스트를 통해 취득한 전송시간 대비 위치 정보 데이터베이스에 대한 기계학습(머신 러닝) 방법을 통해 드론 간(10, 30)의 거리를 예측할 수 있다.
수중드론(30)은 수중드론(30)의 위치 정보를 전력 및 통신선(50a)을 통해 수상드론(10)에 전송하고, 수상드론(10)은 이를 관제 서버(81)에 무선으로 전달하며, 관제 서버(81)는 전달받은 수중드론(30)의 위치를 해도에 표시할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수상드론 및 수중드론이 합체하기 위한 구조를 도시한 구조도이다.
도 9를 참조하면, 수중드론(30)에는 수상드론(10)과의 합체를 위한 장착기구(62a, 62b)가 구비되며, 수상드론(10)의 도킹장치(60)에는 브라켓(61a, 61b)이 좌우로 구비된다. 드론 간(10, 30) 합체를 위해서 ①수중드론(30)이 상향으로 이동하며, 서로 간(10, 30)의 위치를 확인한 이후 ②수중드론(30)이 시계방향 또는 반시계 방향으로 회전하여, 수중드론(30)의 장착기구(62a, 62b)가 수상드론(10)의 브라켓(61a, 61b)에 장착된다. 도 9에서는 수중드론(30)의 장착기구(62a, 62b)가 시계 방향으로 회전하는 예를 도시하고 있다. 드론 간(10, 30) 합체는 수중드론(30)의 임무 수행 이후 복귀 또는 임무 수행을 위한 다른 장소로의 편리한 이동을 위함이다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (12)
- 수상에 표류하며 도킹장치를 가지는 수상드론; 및
상기 수상드론으로부터 분리되어 수중에서 임무를 수행하고 도킹을 통해 상기 수상드론의 도킹장치에 결합하는 수중드론; 을 포함하며,
상기 수상드론은
몸체;
몸체에 장착되어 수상드론에 수중드론을 결합하기 위한 도킹장치;
몸체에 연결되어 수상드론을 표류 및 이동시키는 추진 모터;
수상드론의 실내 위치 측정을 위해 몸체에 장착되어 수상드론을 추적하도록 하는 영상 마커;
수상드론의 실내 위치 측정을 위해 몸체에 장착되어 실내 측위 노드와 정보를 송수신하는 실내 측위 앵커;
수상드론의 실내 위치 측정을 위해 몸체에 장착되어 실내 공간에 대한 2차원 또는 3차원의 거리 데이터를 획득하는 거리 측정부;
GPS 위성으로부터 수신되는 데이터를 수신하여 수상드론의 실외 위치정보를 획득하는 GPS;
수중드론으로부터 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부;
수상드론의 표류 및 자세를 제어하는 표류 제어부;
수상드론의 임무를 수행하고 수중드론의 임무 수행을 제어하며 수상드론 및 수중드론의 위치를 측정하는 수상드론 제어부; 및
수중드론에 전원을 제공하는 전원 제어부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론 기반 임무 수행 시스템. - 제 1 항에 있어서,
각 드론은 해수를 냉각수로 사용하는 발전소의 냉각 순환 계통 시설물에 유입되는 이물질 검사, 발전소 주변환경에 대한 모니터링 및 소정의 특수임무 중 적어도 하나를 수행하는 것을 특징으로 하는 드론 기반 임무 수행 시스템. - 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 수상드론 제어부는
수중드론으로부터 수신되는 초음파 신호의 전송속도 및 수중드론의 깊이정보를 이용하여 수상드론에 대한 수중드론의 상대위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 드론 기반 임무 수행 시스템. - 제 1 항에 있어서, 상기 수중드론은
수중드론의 잠항 깊이를 측정하는 압력센서;
수중드론의 주변환경 및 전방을 촬영하는 카메라;
초음파 신호를 수상드론에 송신하는 초음파 송신부;
수중의 이물질 탐지나 표정을 위한 음향 표정부;
수중드론의 잠항을 제어하는 잠항 제어부;
수상드론으로부터 수신된 제어명령에 따라 임무를 수행하는 수중드론 제어부; 및
수상드론으로부터 공급받은 전원을 제어하는 전원 제어부;
를 포함하는 것을 드론 기반 임무 수행 시스템. - 제 1 항에 있어서, 상기 드론 기반 임무 수행 시스템은
각 드론 간을 유선 연결하여 수상드론의 전력을 수중드론에 제공하고 각 드론 간 통신신호를 송수신하는 전력 및 통신선;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드론 기반 임무 수행 시스템. - 제 1 항에 있어서, 상기 드론 기반 임무 수행 시스템은
수상드론의 도킹장치에 구비되는 브라켓; 및
수상드론의 브라켓에 장착되도록 수중드론에 구비되는 장착기구; 를 더 포함하며,
수중드론의 장착기구가 수상드론의 브라켓의 대응되는 위치에 회전을 통해 장착되는 것을 특징으로 하는 드론 기반 임무 수행 시스템. - 삭제
- 수상에 표류하며 도킹장치를 가지는 수상드론;
상기 수상드론으로부터 분리되어 수중에서 임무를 수행하고 도킹을 통해 상기 수상드론의 도킹장치에 결합하는 수중드론; 및
각 드론에서 측정된 위치를 확인하거나 각 드론으로부터 수신된 정보를 이용하여 각 드론의 위치를 측정하고, 확인 또는 측정된 각 드론의 위치를 기반으로 각 드론의 임무를 제어 및 모니터링하는 관제 시스템; 을 포함하고,
상기 관제 시스템은
수상드론과 무선통신하여 수상드론으로부터 수중드론 데이터를 수신하고, 수상드론의 임무 수행을 위한 제어 데이터 및 수중드론을 제어하기 위한 데이터를 수중드론에 전송하는 무선 송수신부;
수상드론의 영상 마커를 실시간으로 추적하여 촬영하는 네트워크 카메라;
네트워크 카메라를 통해 촬영된 영상을 저장하는 영상 저장부;
각 드론의 위치를 측정하거나 확인하면서 각 드론의 임무 수행을 모니터링하는 관제 서버;
각 드론의 임무 수행 시 획득되는 데이터를 표시하는 제1 출력부; 및
영상 저장부에 저장되는 영상을 포함한 데이터를 표시하는 제2 출력부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론 기반 임무 수행 시스템. - 제 9 항에 있어서, 상기 관제 서버는
네트워크 카메라부터 획득된 영상 마커 추적정보를 이용하여 수상드론의 실내 위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 드론 기반 임무 수행 시스템. - 제 9 항에 있어서, 상기 관제 서버는
실내 측위 노드와 수상드론의 실내 측위 앵커 간에 송수신 되는 신호 및 신호의 세기를 이용하여 수상드론의 실내 위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 드론 기반 임무 수행 시스템. - 제 9 항에 있어서, 상기 관제 서버는
수상드론으로부터 수신된 실내공간에 대한 2차원 또는 3차원의 거리 데이터를 기반으로 실시간 맵을 작성하고 표시하며, 실시간 맵을 이용하여 수상드론의 실내 위치추적 및 장애물 회피 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 드론 기반 임무 수행 시스템.
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Applications Claiming Priority (1)
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