KR102133368B1 - 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 시스템, 이의 방법, 그리고 이 방법을 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 - Google Patents
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Abstract
정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 시스템(100) 및 이의 방법이 제공된다. 상기 무인 자율 부이 시스템(100)은, 선체(110), 상기 선체(110)의 일측에 설치되며 상기 선체(110)의 위치 정보 및 해류 정보를 생성하는 센서 박스(120), 상기 선체(110)의 내측에 설치되며, 상기 위치 정보 및 해류 정보를 이용하여 미리 설정되는 기준점 위치로부터 일정 거리 이내 상기 선체(110)가 있는지를 판단하여, 판단결과 상기 일정거리를 벗어나면 상기 기준점 위치를 추종하는 보정 이동 제어를 실행하는 컨트롤 박스(130), 및 상기 보정 이동 제어에 따라 구동하여 상기 선체(110)의 방향 전환 또는 주행을 실행하는 구동 박스(140)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 무인 자율 부이 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 선박형태의 부이에 다수의 추진기, 위치 확인을 위한 위치 센서, 위치 보정을 위한 제어기를 장착하여, 해상에서 정밀하게 위치를 유지하는 무인 자율 부이 시스템 및 이의 방법에 대한 것이다.
현재 기후 변화에 대한 인식이 전 지구적으로 증대되고 국가의 중요 정책의 일환으로 환경변화에 따른 수질오염 방지 및 청정 수질의 보전이 가장 선도적으로 수행되어야 한다. 이를 위해서는 해양, 하천, 강, 호소 등의 지속적인 수질을 계측하고 검측하므로써 수질의 정화를 위한 개선하고 유지할 필요가 있다.
이를 위하여 해양, 하천 등에서의 수질 관측방법으로는 관측 센서를 구비한 부이장치를 이용하고 있다. 이와 같은 수질 측정 부이장치는 해양, 강, 하천 등에서 지속적으로 수질을 측정할 뿐만 아니라, 이를 통하여 얻어진 데이타를 활용하여 환경학, 생물학, 자원공학 등 학술적 자료로서 광범위하게 이용되고 있다.
부이 장치의 고정은 고정식이 주로 사용되는데, 이와 같은 고정식 방식은 각 댐 또는 하구언 상류 및 하류 등에 각종 수질 센서들을 설치하고 수질을 측정하는 것이 필요하나, 필요한 장소마다 일정한 구조물, 예를 들면 교각 또는 계측 타워 등에 수질 측정 센서를 각각 부착하여 측정하기에는 여러 가지 준비해야 할 사항들이 많다. 또한, 이와 같이 수직 측정작업 개소가 많아지게 되면, 전체적인 수질 측정작업이 매우 어렵고, 그에 따른 많은 예산이 필요하게 된다.
특히, 기존 해상 계측을 위한 침추식 계측용 부이는, 해저에 고정형 침추를 투하하고, 침추와 부이사이를 끈으로 고정하여 설치하는 방식으로 설치한다.
해상좌표로 사용하는 부표나 계류부이는 조류 및 바람, 파도 등에 대한 안전성을 고려하여 설치하는 지역의 수심의 1/2범위에서 표류하게 설치하는 것이 일반적이다.
깊은 수심에 기존 방식의 부이를 설치할 경우, 침주와 부이사이의 거리가 길어져 부이의 계류범위가 늘어남으로 오차 오차가 커진다. 설치과정에 지지용으로 사용하는 침추는 중량물 형태로 운반되며, 중량물 설치 및 추의 길이를 조정하는 과정에서 침추는 중량물 형태로 운반되며, 중량물 설치 및 추의 길이를 조정하는 과정에서 잠수부가 작업을 수행해야 한다. 이때 수중 및 선상에서 작업자의 안전문제가 대두된다. 이러한 오차 발생의 원인을 개선하고, 작업과정에서 발생 가능한 위험성을 개선할 수 있는 부이에 대한 개발이 필요하다.
또한, 해양과 같이 수위 변화가 심한 곳에서는 이와 같은 계측 부이를 이용한 관측은 매우 까다로운 계류 기술을 요구하게 된다. 즉, 이러한 물 흐름이나 수위가 변화하는 환경에서 물 흐름이나 수위 변화에 대하여 최소의 저항을 갖고, 스스로 주위 환경에 적응하면서 본체부를 항상 물 흐름에 대해 수직으로 유지하면서 필요한 수질요소의 측정과 전송기능을 할 수 있는 구조와 기능이 요구된다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 침추식 해상 계측부이의 정밀 위치 유지 단점을 극복하여, 해상에서 정밀하게 위치를 유지하는 무인 자율 부이 시스템 및 이의 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기존 침추 부이의 수심과 설치 과정에 따라 발생되는 위치 오차를 개선하고, 운영과정에서 발생되는 위험요소를 사전에 배제하여 해상 계측의 정확도를 향상할 뿐만 아니라 작업의 안전성을 개선할 수 있는 무인 자율 부이 시스템 및 이의 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 침추식 해상 계측부이의 정밀 위치 유지 단점을 극복하여, 해상에서 정밀하게 위치를 유지하는 무인 자율 부이 시스템을 제공한다.
상기 무인 자율 부이 시스템은,
선체;
상기 선체의 일측에 설치되며 상기 선체의 위치 정보 및 해류 정보를 생성하는 센서 박스;
상기 선체의 내측에 설치되며, 상기 위치 정보 및 해류 정보를 이용하여 미리 설정되는 기준점 위치로부터 일정 거리 이내 상기 선체가 있는지를 판단하여, 판단결과 상기 일정거리를 벗어나면 상기 기준점 위치를 추종하는 보정 이동 제어를 실행하는 컨트롤 박스; 및
상기 보정 이동 제어에 따라 구동하여 상기 선체의 방향 전환 또는 주행을 실행하는 구동 박스;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 구동 박스는, 상기 선체의 방향 전환을 수행하는 방향 전환 추진기; 및 상기 선체의 주행을 실행하는 주행 수중 추진기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주행 수중 추진기는 상기 선체의 하부 후미에 일정 간격으로 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방향 전환 추진기는 상기 선체의 하부 선수부 또는 중앙부에 설치되며, 추력의 방향이 상기 주행 수중 추진기와 수직인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주행은 정주행 또는 역주행이고, 상기 방향전환은 시계 방향 또는 반시계 방향으로 전환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센서 박스는, 상기 위치 정보를 생성하는 2개 이상의 GPS(Global Positioning System) 모듈; 및
또한, 상기 해류 정보를 생성하는 IMU(Inertial Measurement Unit) 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨트롤 박스는, 원격 리셋을 위한 원격 스위치 회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보정 이동 제어는 상기 선체의 방향을 전환하는 헤딩이후 상기 기준점 위치로 상기 선체를 이동시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 판단은 상기 기준점 위치의 좌표 정보와 상기 선체의 현재 좌표 정보를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨트롤 박스와 센서 박스간의 통신은 SCI(Science Citation Index) 통신인 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 센서 박스가 선체의 일측에 설치되며 상기 선체의 위치 정보 및 해류 정보를 생성하는 단계; (b) 컨트롤 박스가 상기 선체의 내측에 설치되며, 상기 위치 정보 및 해류 정보를 이용하여 미리 설정되는 기준점 위치로부터 일정 거리 이내 상기 선체가 있는지를 판단하는 단계; (c) 판단결과 상기 일정거리를 벗어나면, 상기 컨트롤 박스가 상기 기준점 위치를 추종하는 보정 이동 제어를 실행하는 단계; 및 (d) 상기 컨트롤 박스가 상기 보정 이동 제어에 따라 구동 박스를 구동하여 상기 선체의 방향 전환 또는 주행을 실행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 방법을 제공한다.
다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, 위에서 기술된 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 방법을 실행하는 프로그램 코드를 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 제공한다.
본 발명에 따르면, 침추 대신 수중 추진기를 사용함으로써, 기존 계류식 부이에 비해 월등하게 위치 정확도를 증대시킬 수 있으며, 이를 통해 정밀 위치 유지를 요하는 해상 계측에 무인자율부이를 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는, 침추 설치가 필요 없어, 수심에 무관하게 설치 운영가능하며, 침추설치 경비 감소와 설치 및 회수에 필요한 시간을 절감할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 시스템(100)의 구조도이다.
도 2는 도 1에 도시된 무인 자율 부이 시스템(100)의 배면 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 회로 블럭도이다.
도 4는 도 3에 도시된 컨트롤 박스(130)의 구성 블럭도이다.
도 5는 도 3에 도시된 센서 박스(160)의 구성 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수중 추진기의 배치에서 최적의 위치 추종성을 구현하는 알고리즘의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 위치 유지 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시된 무인 자율 부이 시스템(100)의 배면 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 회로 블럭도이다.
도 4는 도 3에 도시된 컨트롤 박스(130)의 구성 블럭도이다.
도 5는 도 3에 도시된 센서 박스(160)의 구성 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수중 추진기의 배치에서 최적의 위치 추종성을 구현하는 알고리즘의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 위치 유지 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 무인 자율 부이 시스템 및 이의 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 시스템(100)의 구조도이다. 도 1을 참조하면, 무인 자율 부이 시스템(100)은, 선체(110), 상기 선체(110)의 일측에 설치되며 상기 선체(110)의 위치 정보 및 해류 정보를 생성하는 센서 박스(120), 상기 선체(110)의 내측에 설치되며, 상기 위치 정보 및 해류 정보를 이용하여 미리 설정되는 기준점 위치로부터 일정 거리 이내 상기 선체(110)가 있는지를 판단하여 상기 기준점 위치를 추종하는 보정 이동 제어를 실행하는 컨트롤 박스(130), 상기 보정 이동 제어에 따라 구동하여 상기 선체(110)의 방향 전환 및/또는 주행을 실행하는 구동 박스(140) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
선체(110)의 재질로는 FRP(fiberglass reinforced plastic), ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 등이 사용될 수 있다.
센서 박스(120)는 선체(110)의 선미 상단에 설치되며, 선체(110)의 현재 위치 정보, 해류 정보 등을 생성한다.
컨트롤 박스(130)는 선체(110)에 구성되는 다른 구성요소들과 통신을 통해 제어 신호, 정보 등을 주고받는다. 부연하면, 센서 박스(120)를 통해 생성된 위치 정보, 해류 정보 등을 이용하여 선체(110)가 초기 고정 위치인 기준점 위치로부터 일정 범위를 벗어나는 지를 모니터링한다. 이 모니터링의 결과에 따라 일정 범위를 벗어나는 경우, 기준점 위치로 회귀하기 위한 보정 이동 제어를 실행하는 기능을 수행한다.
물론, 컨트롤 박스(130)는 계측 센서(미도시)를 통해 해양에서 지속적으로 계측된 계측 데이터를 데이터 송수신용 안테나(150)를 통해 외부 통신 장치(미도시)로 전송하거나, 외부 통신 장치로부터 제어 데이터 등을 수신한다. 외부 통신 장치로는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player) 등이 될 수 있다.
물론, 외부 통신 장치는 무선 통신망을 통해 컨트롤 박스(130)와 연결될 수 있다. 무선 통신망으로는 CDMA(Code Division Multiple Access), WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), Wibro(Wireless Broadband), WiFi(Wireless Fidelity), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access) 망 , 블루투쓰(bluetooth) 등을 들 수 있다.
배터리 박스(160)는 전원을 다른 구성요소들(120,130,140)에 제공하는 기능을 수행한다.
구동 박스(140)는 컨트롤 박스(130)의 보정 이동 제어에 따라 구동하여 상기 선체(110)의 방향 전환 및/또는 주행을 실행하는 기능을 수행한다.
도 1에서는 선체(110)가 보트로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다른 형태의 선박도 가능하다.
도 2는 도 1에 도시된 무인 자율 부이 시스템(100)의 배면 사시도이다. 도 2를 참조하면, 구동 박스(140)는, 상기 선체(110)의 방향 전환을 수행하는 방향 전환 추진기(220), 상기 선체(110)의 주행을 실행하는 주행 수중 추진기(210-1,210-2) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
주행 수중 추진기(210-1,210-2)는 제 1 주행 수중 추진기(210-1) 및 제 2 주행 수중 추진기(210-2)로 구성된다. 제 1 주행 수중 추진기(210-1) 및 제 2 주행 수중 추진기(210-2)는 선체(110)의 하부 후미에 일정 간격으로 설치된다. 제 1 주행 수중 추진기(210-1) 및 제 2 주행 수중 추진기(210-2)는 스크류 프로펠러(미도시), 모터(미도시) 등으로 구성된다. 즉, 스크류 프로펠러는 회전 샤프트(미도시)와 연결되는 허브(미도시), 이 허브에 방사형으로 고정되는 블레이드를 구비하며, 회전 샤프트는 모터의 회전축과 연결된다. 회전 샤프트와 모터의 회전축은 베벨 기어(bevel gear) 등을 통해 간접 연결되거나 직접 연결될 수도 있다.
방향 전환 추진기(220)는 상기 선체(110)의 하부 선수부 또는 중앙부에 설치되며, 상기 주행 수중 추진기(210-1,210-2)와 수직 구조가 된다. 방향 전환 추진기(220)도 유사하게 스크류 프로펠러, 모터 등으로 구성된다. 물론, 방향 전환을 위해, 회전 기어 박스(미도시), 이러한 회전 기어 박스를 회전시키기 위한 보조 모터(미도시)가 더 구성된다. 즉, 모터를 통해 스크류 프로펠러를 회동시키면서도, 보조 모터를 통해 스크류 프로펠러의 방향을 전환시킨다.
주행 수중 추진기(210-1,210-2) 및 방향 전환 추진기(220)에 대한 구조는 널리 공지되어 있으므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
일반적으로, 기존 3축 수중 추진기는 120°간격으로 배치한 전방향 수중 추진기의 위치를 유지하기 위해 해류의 힘보다 전방향 수중 추진기가 강해야만 위치를 유지할 수 있어, 효율성이 낮다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는, 특정 방향으로 흐르는 해류의 특성을 이용하기 위해, 주행 수중 추진기(YT)와 방향 전환 추진기(XT)를 장착한다. 이를 통해 2개의 합력만큼 해류에 대한 선체(110)의 위치 유지성을 보장받을 수 있다.
일반적인 추력을 나타내면 다음식과 같다.
이와달리, 본 발명의 일실시예에 따른 추력을 나타내면 다음식과 같다.
여기서, XT: X축 추력, YT: Y축 추력, FT1: 방향 전환 추진기의 추력, FT2: 제 1 주행 수중 추진기의 추력 , FT3: 제 2 주행 수중 추진기, XTmax: X축 최대 추력, YTmax: Y축 최대 추력, FT: 추진기의 추력
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 회로 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 구동 박스(140)는 배터리 박스(160)로 전원을 공급받아 회전력을 생성하고, 이 회전력을 주행 수중 추진기(210-1,210-2) 및 방향 전환 추진기(220)에 전달한다. 이를 위해, 구동 박스(140)에는 제 1 내지 제 3 구동 모터(141,142,143)가 구성된다. 물론, 제 1 내지 제 3 구동 모터(141,142,143)에는 제어 회로가 포함되는 개념이다.
또한, 배터리 박스(160)에는 메인 배터리(310)가 구성된다. 메인 배터리(310)는 배터리 셀(미도시)이 직렬 및/또는 병렬로 구성되며, 이 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리 셀, 리튬 이온 배터리 셀, 리튬 폴리머 배터리 셀, 전고체 배터리 셀 등의 2차 전지용 배터리 셀이 될 수 있다. 메인 배터리(310)는 대용량으로, 20시간 이상 충전없이 운용가능하다. 물론, 도 3에서는 메인 배터리(310)에서 구동 박스(140)측으로 전원(약 14.8V)이 공급되는 것으로 도시하였으나, 메인 배터리(310) 또는 구동 박스(140) 측에 DC-DC(Direct Current-Direct Current) 컨버터(미도시) 회로가 구성될 수 있다. 즉, 메인 배터리(310)의 고전압 전원을 저전압 전원으로 변환하여 공급할 수 있다. 물론, 메인 배터리(310)를 저전압 배터리로 구성하는 것도 가능하다.
도 4는 도 3에 도시된 컨트롤 박스(130)의 구성 블럭도이다. 도 4를 참조하면, 컨트롤 박스(130)는, 구동 박스(140)를 제어하는 제 1 신호 처리기(410), 센서 박스(120)로부터 데이터를 수신하여 처리하는 제 2 신호 처리기(420), 외부 통신 장치(미도시)와의 무선 통신으로 연결되어 데이터를 송수신하는 송수신기(430), 배터리 박스(160)로부터 전원을 변환하여 공급하는 전력 변환기(440), 원격 리셋을 위한 원격 스위치 회로(450) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
제 1 및 제 2 신호 처리기(410,420)는 프로세서, 메모리 등을 포함하여 구성될 수 있다. 프로세서는 DSP(Digital Signal Processor) 등을 들 수 있으며, 메모리는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(ReadOnly Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ReadOnly Memory), PROM(Programmable ReadOnly Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 또한, 인터넷(internet)상에서 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage), 클라우드 서버와 관련되어 동작할 수도 있다. 물론, 메모리는 프로세서에 통합되어 구성될 수도 있다.
제 1 및 제 2 신호 처리기(410,420)와 송수신기(430, 제 1 및 제 2 신호 처리기(410,420)와 센서 박스(120)간 통신은 SCI(Science Citation Index) 통신이 될 수 있다. 제 1 신호 처리기(410) 및 제 2 신호 처리기(420)간 통신은 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신이 될 수 있다.
또한, 제 1 신호 처리기(410)는 DAC(Digital to Analog Convert) 포트를 통해 구동 박스(140)와 통신을 수행한다.
연결 스위치 회로(450)는 이상이 생길 경우 원격제어를 통해 원격 리셋을 수행한다. 부연하면, 이상이 발생하는 경우, 외부 통신 장치를 통해 원격 지령이 송수신기(430)에 수신되면, 원격 스위치 회로(450)가 신호 처리기(410,420), 센서 박스(120) 등을 리셋한다. 이상 신호의 검출은 지정한 위치 범위 동심원에서 지정범위 이상을 벗어나있거나, 구동기 동작이 원활하지 않거나, 자체 점검 결과 자세제어가 원활하지 않다고 판단될때 제어기 상태를 초기화하는 것을 의미한다.
전력 변환기(440)는 배터리 박스(160)로부터의 전원을 변환하여(강압,승압 등을 들 수 있음), 구성요소들(410,420,430,450,120)에 전원을 공급하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 전력 변환기(440)는 DC-DC 컨버터 등이 구성될 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 센서 박스(160)의 구성 블럭도이다. 도 5를 참조하면, 위치 정보를 생성하는 다수의 GPS(Global Positioning System) 모듈(510,530-1 내지 530-3), 해류 정보를 생성하는 IMU(Inertial Measurement Unit) 모듈(520) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 메인 GPS 모듈(510) 및 제 1 내지 제 3 보조 GPS 모듈(530-1 내지 530-3)을 통해 다수의 GPS 신호를 수신하여 GPS 정보를 생성한다.
메인 GPS, GPS v.1-v.3는 각각의 GPS 신호를 받아 각자의 값을 표시하고, 이동평균필터를 이용하여 노이즈 오차를 제거한 뒤, 칼만 필터를 이용하여, 다중 항법 신호에서 위치 추정치와 오차 공분산을 구하는 방법을 사용하여 위치 정보를 생성한다.
해상에서 조류에 의해 생기는 GPS 위치 변화값은 매우 제한적이므로, 이동평균필터와 같은 적절한 필터링 기법의 칼만 필터를 적용할 경우, 위치 정확도를 훨씬 높일 수 있다.
IMU 모듈(520)은 선체(110)의 속도, 방향, 중력, 가속도를 측정하며, 센서기반 방식이다. IMU 기반의 위치추정은 가속도계, 각속도계, 지자기계 및 고도계를 이용하여 이동물체인 선체(110)의 움직임 상황을 인식하는 방식이다.
다수의 GPS에 의해 생성되는 GPS 신호 및 IMU 모듈(520)에 의해 생성되는 IMU 센서 신호는 제 2 신호 처리기(420)에 전송되며, 이 제 2 신호 처리기(420)가 현재의 위치를 파악하여 이를 좌표 정보로 변환할 수 있다. GPS 정보에서 WGS(World Geodetic System)84 기준의 좌표 정보를 제공받고, IMU 센서값은 위치제어를 실행하는데 보조정보로 사용하게 된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수중 추진기의 배치에서 최적의 위치 추종성을 구현하는 알고리즘의 개념도이다. 도 6을 참조하면, 선체(110)가 해류(조류, 너울 등)의 외란에 의해 위치가 이동된다(610). 이 경우, 지정 좌표인 기준점(601)으로부터 미리 설정되어 있는 일정 거리 이내의 목표 반경을 벗어나는 지를 모니터링한다(620). 목표 반경을 벗어나는 경우, 목표 방향으로 방향 전환 추진기(도 2의 220)를 구동하여 선체(110)를 헤딩(Heading)한다(630). 도 6에서는 반시계 방향으로 전환하는 것으로 도시 하였으나 시계 방향으로 전환하는 것도 가능하다. 이후, 주행 수중 추진기(도 2의 210-1,210-2)를 구동하여 목표 방향으로 선체(110)를 이동시켜 목표지점인 기준점(601)에 위치시킨다(640,650). 부연하면, IMU 정보를 이용하여 선체의 방향을 결정하게 되고, 사전에 설정된 위치값과 GPS에서 계측된 값의 차이와 IMU의 방향 정보를 이용하여 벗어난 위치(방향과 이동 거리)를 파악하고, 설정위치로 가도록 제어한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 위치 유지 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 7을 참조하면, 컨트롤 박스(130)는 센서 박스(120)를 통해 선체(110)의 위치 및 해류를 실시간 모니터링하여 위치 정보 및 해류 정보를 센싱한다(단계 S710,S720).
이후, 컨트롤 박스(130)는 위치 정보 및 해류 정보를 이용하여 미리 설정되는 기준점 위치로부터 일정 거리 이내 상기 선체(110)가 있는지를 판단하여, 판단결과 상기 일정거리를 벗어나면 위치오차를 산출한다(단계 S730).
위치 오차가 산출되면, 컨트롤 박스(130)는 위치 오차에 해당하는 만큼의 거리를 이동하여 기준점 위치로 귀환하도록 보정 이동 제어를 수행한다(단계 S740).
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
100: 무인 자율 부이 시스템
110: 선체
120: 센서 박스
130: 컨트롤 박스
140: 구동 박스
150: 데이터 송수신용 안테나
160: 배터리 박스
220: 방향 전환 추진기
210-1,210-2: 제 1 및 제 2 주행 수중 추진기
110: 선체
120: 센서 박스
130: 컨트롤 박스
140: 구동 박스
150: 데이터 송수신용 안테나
160: 배터리 박스
220: 방향 전환 추진기
210-1,210-2: 제 1 및 제 2 주행 수중 추진기
Claims (14)
- 선체(110);
상기 선체(110)의 일측에 설치되며 상기 선체(110)의 위치 정보 및 해류 정보를 생성하는 센서 박스(120);
상기 선체(110)의 내측에 설치되며, 상기 위치 정보 및 해류 정보를 이용하여 미리 설정되는 기준점 위치로부터 일정 거리 이내 상기 선체(110)가 있는지를 판단하여, 판단결과 상기 일정거리를 벗어나면 상기 기준점 위치를 추종하는 보정 이동 제어를 실행하는 컨트롤 박스(130); 및
상기 보정 이동 제어에 따라 구동하여 상기 선체(110)의 방향 전환 또는 주행을 실행하는 구동 박스(140);를 포함하며,
상기 구동 박스(140)는,
상기 선체(110)의 주행을 실행하는 2개의 주행 수중 추진기(210-1,210-2); 및
상기 2개의 주행 수중 추진기의 합력만큼 해류에 대한 상기 선체(110)의 위치 유지성을 보장받기 위해, 상기 선체(110)의 방향 전환을 수행하는 방향 전환 추진기(220);를 포함하고,
상기 2개의 주행 수중 추진기(210-1,210-2)는 상기 선체(110)의 하부 후미에 일정 간격으로 설치되며,
상기 방향 전환 추진기(220)는 상기 선체(110)의 하부 선수부 또는 중앙부에 설치되며, 추력의 방향이 상기 주행 수중 추진기(210-1,210-2)와 수직인 것을 특징으로 하는 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 시스템(100).
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 주행은 정주행 또는 역주행이고, 상기 방향전환은 시계 방향 또는 반시계 방향으로 전환하는 것을 특징으로 하는 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 센서 박스(120)는, 상기 위치 정보를 생성하는 2개 이상의 GPS(Global Positioning System) 모듈(510,530-1 내지 530-3); 및
상기 해류 정보를 생성하는 IMU(Inertial Measurement Unit) 모듈(520);을 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 컨트롤 박스(130)는, 원격 리셋을 위한 원격 스위치 회로(450);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 보정 이동 제어는 상기 선체(110)의 방향을 전환하는 헤딩이후 상기 기준점 위치로 상기 선체(110)를 이동시키는 것을 특징으로 하는 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 판단은 상기 기준점 위치의 좌표 정보와 상기 선체(110)의 현재 좌표 정보를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 컨트롤 박스(130)와 센서 박스(120)간의 통신은 SCI(Science Citation Index) 통신인 것을 특징으로 하는 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 시스템.
- (a) 센서 박스(120)가 선체(110)의 일측에 설치되며 상기 선체(110)의 위치 정보 및 해류 정보를 생성하는 단계;
(b) 컨트롤 박스(130)가 상기 선체(110)의 내측에 설치되며, 상기 위치 정보 및 해류 정보를 이용하여 미리 설정되는 기준점 위치로부터 일정 거리 이내 상기 선체(110)가 있는지를 판단하는 단계;
(c) 판단결과 상기 일정거리를 벗어나면, 상기 컨트롤 박스(130)가 상기 기준점 위치를 추종하는 보정 이동 제어를 실행하는 단계; 및
(d) 상기 컨트롤 박스(130)가 상기 보정 이동 제어에 따라 구동 박스(140)를 구동하여 상기 선체(110)의 방향 전환 또는 주행을 실행하는 단계;를 포함하며,
상기 구동 박스(140)는,
상기 선체(110)의 주행을 실행하는 2개의 주행 수중 추진기(210-1,210-2); 및
상기 2개의 주행 수중 추진기의 합력만큼 해류에 대한 상기 선체(110)의 위치 유지성을 보장받기 위해, 상기 선체(110)의 방향 전환을 수행하는 방향 전환 추진기(220);를 포함하고,
상기 2개의 주행 수중 추진기(210-1,210-2)는 상기 선체(110)의 하부 후미에 일정 간격으로 설치되며,
상기 방향 전환 추진기(220)는 상기 선체(110)의 하부 선수부 또는 중앙부에 설치되며, 추력의 방향이 상기 주행 수중 추진기(210-1,210-2)와 수직인 것을 특징으로 하는 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 보정 이동 제어는 상기 선체(110)의 방향을 전환하는 헤딩이후 상기 기준점 위치로 상기 선체(110)를 이동시키는 것을 특징으로 하는 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 판단은 상기 기준점 위치의 좌표 정보와 상기 선체(110)의 현재 좌표 정보를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 방법.
- 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 정밀 위치 해상 계측을 위한 무인 자율 부이 방법을 실행하는 프로그램 코드를 저장한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
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