KR102185898B1 - 해상 파고 계측 시스템 및 방법 - Google Patents

해상 파고 계측 시스템 및 방법 Download PDF

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KR102185898B1
KR102185898B1 KR1020190118082A KR20190118082A KR102185898B1 KR 102185898 B1 KR102185898 B1 KR 102185898B1 KR 1020190118082 A KR1020190118082 A KR 1020190118082A KR 20190118082 A KR20190118082 A KR 20190118082A KR 102185898 B1 KR102185898 B1 KR 102185898B1
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이재훈
황승현
이영연
김명수
이준형
안해성
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한국해양과학기술원
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Abstract

해상 파고 계측 시스템 및 방법이 개시된다. 해상 파고 계측 시스템은, 무인 항공기 및 무인 항공기의 비행을 제어하며, 무인 항공기로부터 수신되는 측정데이터를 이용하여 파고를 산출하는 제어기를 포함하되, 무인 항공기는, 글로벌항법위성시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System)을 이용하여 무인 항공기의 절대위치를 측정하는 위치 계측부, 무인 항공기의 자세를 측정하는 자세 계측부 및 수표면의 위치를 측정하는 TOF(Time of Flight) 카메라를 포함하고, 제어기는, 무인 항공기의 절대위치 및 자세와 수표면의 위치를 측정하도록 제어하고, 상대 좌표계 변환을 통해 수표면 측정위치로부터 수표면의 절대위치를 산출하고, 수표면의 절대위치에서 교란이 없는 수표면 측정위치를 감하여 파고 변위량을 산출한다.

Description

해상 파고 계측 시스템 및 방법{System and method for measuring wave height of ocean}
본 발명은 해상 파고 계측 시스템 및 방법에 관한 것이다.
해양에서 파랑(波浪, ocean wave)은 풍속의 영향을 받아 액체 상태인 바다 표면에 생기는 표면 장력파와 안정을 찾고자 하는 중력파의 상호작용으로 일어나는 일종의 물결이다. 이러한 파랑은 바람의 세기에 따라 그 높낮이가 달라지게 되는데, 이러한 파랑의 높이를 파고(波高, wave height)라 한다. 보다 구체적으로, 파고는 물결의 골에서 마루까지의 높이를 일컫는다. 이러한 파고는 일반적으로 선박 및 해양 구조물 등에 있어서 안정성을 좌우하는 핵심적인 요소이다.
그래서, 다양한 방법으로 파고 계측이 이루어지고 있는데, 기존에는, 부이, 인공위성, 초음파 파고계, 레이더식 파고계, 스테레오 비전 카메라 등을 이용하여 계측이 이루어졌다. 여기서, 부이는 망실의 위험성과 설치, 유지 및 보수 비용이 높은 단점이 있고, 인공위성은 부이에 비해 경제적 장점과 광범위한 영역의 실시간 계측이 가능하다는 장점이 있으나 부이에 비해 정확성이 다소 떨어진다는 단점이 있다.
이와 같이, 기존의 파고 계측 방법은, 계측기의 설치 위치와 계측 범위가 제한되고, 계측 정밀도가 떨어지거나 소요 비용이 증가하는 등의 다양한 문제가 존재하였다.
한국공개특허공보 제10-2019-0063139호 (2019.06.07)
본 발명은 TOF(Time of Flight) 카메라를 구비한 무인 비행체를 이용하여 계측 위치의 자유도를 확보하고 광범위한 수표면에 대하여 실시간으로 파고 계측을 하는 해상 파고 계측 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 구비되는 해상 파고 계측 시스템이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 해상 파고 계측 시스템은, 무인 항공기 및 상기 무인 항공기의 비행을 제어하며, 상기 무인 항공기로부터 수신되는 측정데이터를 이용하여 파고를 산출하는 제어기를 포함하되, 상기 무인 항공기는, 글로벌항법위성시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System)을 이용하여 상기 무인 항공기의 절대위치를 측정하는 위치 계측부, 상기 무인 항공기의 자세를 측정하는 자세 계측부 및 상기 수표면의 위치를 측정하는 TOF(Time of Flight) 카메라를 포함하고, 상기 제어기는, 상기 무인 항공기의 절대위치 및 자세와 상기 수표면의 위치를 측정하도록 제어하고, 상대 좌표계 변환을 통해 수표면 측정위치로부터 수표면의 절대위치를 산출하고, 상기 수표면의 절대위치에서 교란이 없는 수표면 측정위치를 감하여 파고 변위량을 산출한다.
상기 위치 계측부는 상기 선박에 대한 상기 무인 항공기의 상대위치를 측정하는 상대위치 측정기를 포함하되, 상기 제어기는 상기 선박에 대한 상기 무인 항공기의 상대위치를 측정하도록 제어하고, 상기 측정된 상대위치와 상기 선박의 절대위치를 이용하여 상기 무인 항공기의 절대위치를 산출한다.
상기 측정된 상대위치(p1)와 상기 선박의 절대위치(P2)를 이용하여 산출되는 상기 무인 항공기의 절대위치(P1)는 하기의 수학식을 이용하여 산출된다.
Figure 112019098044964-pat00001
여기서,
Figure 112019098044964-pat00002
상기 자세 계측부는 자이로 센서 또는 가속도 센서를 이용하여 자세를 산출하거나, 상기 무인 항공기 상의 2점이상의 위치를 측정하여 자세를 산출하되, 상기 자세는 롤각(roll angle), 피치각(pitch angle) 및 요각(yaw angle)으로 산출된다.
상기 수표면의 절대위치(H)는 상기 자세(A), 상기 수표면 측정위치(S) 및 상기 무인 항공기의 절대위치(P1)로부터 산출되되, 하기의 수학식을 이용하여 산출된다.
Figure 112019098044964-pat00003
여기서,
Figure 112019098044964-pat00004
상기 파고 변위량(η)은 상기 수표면의 절대위치(H) 및 상기 교란이 없는 수표면 측정위치(S0)로부터 산출되되, 하기의 수학식을 이용하여 산출된다.
Figure 112019098044964-pat00005
여기서,
Figure 112019098044964-pat00006
본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박에 구비되며, TOF(Time of Flight) 카메라가 장착된 무인 항공기를 포함하는 해상 파고 계측 시스템이 수행하는 해상 파고 계측 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 해상 파고 계측 방법은, 글로벌항법위성시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System)을 이용하여 상기 무인 항공기의 절대위치를 산출하는 단계, 상기 무인 항공기의 자세를 산출하는 단계, 상기 TOF 카메라를 이용하여 수표면의 위치를 측정하고, 상대 좌표계 변환을 통해 수표면 측정위치로부터 수표면의 절대위치를 산출하는 단계 및 상기 수표면의 절대위치에서 교란이 없는 수표면의 측정위치를 감하여 파고 변위량을 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 해상 파고 계측 시스템 및 방법은, TOF(Time of Flight) 카메라를 구비한 무인 비행체를 이용하여 계측 위치의 자유도를 확보하고 광범위한 수표면에 대하여 실시간으로 파고 계측을 함으로써, 계측 위치, 계측 범위, 계측 정밀도 등의 제약을 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해상 파고 계측 시스템의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 해상 파고 계측 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 해상 파고 계측 방법을 나타낸 흐름도.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해상 파고 계측 시스템의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 해상 파고 계측 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 1을 중심으로 본 발명의 실시예에 따른 해상 파고 계측 시스템을 설명하되, 도 2를 참조하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 해상 파고 계측 시스템은 무인 비행체(10) 및 제어기(20)를 포함하여 구성될 수 있다.
무인 항공기(10)는 조종사없이 무선전파의 유도에 의하여 비행 및 조종 가능한 비행기나 헬리콥터 모양의 항공기로서, 일반적으로, 드론(drone)을 의미한다. 예를 들어, 해상 파고 계측 시스템은 파고 정보를 제공받아 안전 운항을 할 수 있도록 선박에 구비될 수 있다. 즉, 센싱 장치를 장착한 드론을 운용하기 위한 드론 스테이션이 선박에 구축되며, 드론 스테이션은 드론 비행 제어와 파고를 계측하여 출력하는 장치를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 무인 항공기(10)는 해상의 파고 계측을 위하여 위치 계측부(11), 자세 계측부(12) 및 TOF(Time of Flight) 카메라(13)를 포함한다.
위치 계측부(11)는 무인 항공기(10)의 절대위치를 측정하는 글로벌항법위성시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System) 및 선박에 대한 무인 항공기(10)의 상대위치를 측정하는 상대위치 계측기를 포함한다. 예를 들어, 상대위치 계측기는 도플러(doppler) 변위계, 광학(optical) 센서, 레이저 트래커, 전파 수신을 통한 삼각측량기 등일 수 있다.
자세 계측부(12)는 무인 항공기(10)에 장착되는 TOF 카메라부(13)의 자세를 측정하는 구성이다. 예를 들어, 자세 계측부(12)는 자세 측정을 위하여 자이로 센서, 가속도 센서 등을 포함할 수 있으며, 무인 항공기(10) 상의 2점이상의 위치를 측정하여 자세를 계산할 수도 있다.
TOF 카메라(13)는 수표면에서 반사되는 광을 이용하여 수표면의 위치를 측정한다.
제어기(20)는 무인 항공기(10)와 통신을 수행하며, 무인 항공기(10)의 비행을 제어하기 위한 비행제어신호를 무인 항공기(10)로 전송하며, 무인 항공기(10)에 탑재된 각종 계측장치가 생성한 측정데이터를 무인 항공기(10)로부터 수신하여 파고를 산출한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제어기(20)는 비행 제어부(21) 및 파고 산출부(22)를 포함한다.
비행 제어부(21)는 사용자에게 무인 항공기(10)의 조종을 위한 조종 인터페이스를 제공하며, 사용자의 조종에 따라 비행제어신호를 생성하여 무인 항공기(10)로 전송한다.
파고 산출부(22)는 무인 항공기(10)의 위치 계측부(11), 자세 계측부(12) 및 TOF 카메라(13)가 무인 항공기(10)의 위치, 자세 및 수표면의 위치를 측정하도록 제어하고, 측정값을 이용하여 해상의 파고를 측정한다.
우선, 파고 산출부(22)는 글로벌항법위성시스템이 절대위치를 측정하도록 제어할 수 있다. 또는, 파고 산출부(22)는 상대위치 측정기가 선박에 대한 무인 항공기(10)의 상대위치를 측정하도록 제어하고, 측정된 상대위치와 선박의 절대위치를 이용하여 무인 항공기(10)의 절대위치를 산출한다. 여기서, 선박의 절대위치는 선박의 항법 시스템으로부터 전달받거나 사용자로부터 입력받을 수도 있다.
예를 들어, 도 2를 참조하면, Option 1은 글로벌항법위성시스템이 무인 항공기(10)의 절대위치(P1)를 바로 획득한 경우이다. 그리고, Option 2는 선박으로부터 선박의 절대위치(P2)를 획득하고, 선박에 대한 무인 항공기(10)의 상대위치(p1)를 측정한 후, 선박의 절대위치(P2)를 기준으로 무인 항공기(10)의 상대위치(p1)로부터 절대위치(P1)를 산출한 경우이다.
무인 항공기(10)의 상대위치(p1)로부터 산출되는 절대위치(P1)는 하기의 수학식을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure 112019098044964-pat00007
여기서,
Figure 112019098044964-pat00008
도 2에서는. 선박이 회전(rotation)하지 않고, 평행이동(translation)만 한 것으로 가정한 것으로, 실제 적용 시, 선박의 회전이 발생한 경우, 회전 변환이 고려될 수 있다.
다음으로, 파고 산출부(22)는 자세 계측부(12)가 무인 항공기(10)의 자세를 측정하도록 제어한다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 무인 항공기(10)의 자세(A)는 롤각(roll angle), 피치각(pitch angle) 및 요각(yaw angle)으로 측정될 수 있다. 이는, 무인 항공기(10)에 장착된 TOF 카메라(13)의 자세를 측정하기 위한 것이다.
이를 통해, 무인 항공기(10)가 이동 중 자세가 변경되더라도 상대 변위를 계산하여 실시간으로 무인 항공기(10)의 절대위치의 좌표를 추출할 수 있다.
다음으로, 파고 산출부(22)는 TOF 카메라(13)가 수표면의 위치를 측정하도록 제어한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 수표면 측정위치(S)가 측정될 수 있다.
다음으로, 파고 산출부(22)는 상대 좌표계 변환을 통해 수표면 측정위치로부터 수표면의 절대위치를 산출한다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 수표면의 절대위치(H)가 나타내어질 수 있으며, 하기의 수학식을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure 112019098044964-pat00009
여기서,
Figure 112019098044964-pat00010
즉, 수표면의 절대위치(H)는 무인 항공기의 자세(A), 수표면 측정위치(S) 및 무인 항공기의 절대위치(P1)로부터 산출된다.
다음으로, 파고 산출부(22)는 수표면의 절대위치에서 교란이 없는 수표면의 측정위치를 감하여 파고 변위량을 산출한다. 여기서, 교란이 없는 수표면의 측정위치는 사전에 해상이 잔잔하다고 판단된 경우에 측정될 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 파고 변위량(η), 수표면의 절대위치(H) 및 잔잔한 해상의 수표면 측정위치(S0)가 나타내어질 수 있으며, 하기의 수학식을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure 112019098044964-pat00011
여기서,
Figure 112019098044964-pat00012
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 해상 파고 계측 시스템은 선박에 구비되어 운항 모니터링에 사용될 경우, 드론의 자동 충전 및 자동 운항이 가능하도록 선박에 드론 스테이션으로 설치될 수 있으며, 정해진 시각에 정해진 시간동안 정해진 영역에 대하여 자동으로 파고를 계측하도록 설정될 수 있다. 이를 통해 산출되는 정보는 선박의 최적 항로 설정이나 안전 운항을 위한 정보로 활용될 수 있다. 그리고, 계측 시간의 단축이나 계측의 정확성을 높이기 위하여 다수의 드론이 활용될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 해상 파고 계측 방법을 나타낸 흐름도이다.
S310 단계에서, 해상 파고 계측 시스템은 무인 항공기(10)의 절대위치를 산출한다. 예를 들어, 무인 항공기(10)의 절대위치는 무인 항공기(10)에 장착된 글로벌항법위성시스템으로 바로 측정될 수 있다. 또는, 선박에 대한 무인 항공기(10)의 상대위치와 선박의 절대위치를 이용하여 무인 항공기(10)의 절대위치를 산출할 수도 있다.
S320 단계에서, 해상 파고 계측 시스템은 무인 항공기(10)의 자세를 산출한다. 예를 들어, 해상 파고 계측 시스템은 무인 항공기(10)에 장착된 자이로 센서, 가속도 센서 등을 이용하여 측정되는 롤각(roll angle), 피치각(pitch angle) 및 요각(yaw angle)으로 자세를 산출할 수 있다.
S330 단계에서, 해상 파고 계측 시스템은 TOF 카메라(13)를 이용하여 수표면의 위치를 측정하고, 상대 좌표계 변환을 통해 수표면 측정위치로부터 수표면의 절대위치를 산출한다.
S340 단계에서, 해상 파고 계측 시스템은 수표면의 절대위치에서 교란이 없는 수표면의 측정위치를 감하여 파고 변위량을 산출한다. 여기서, 교란이 없는 수표면의 측정위치는 사전에 해상이 잔잔하다고 판단된 경우에 측정될 수 있다.
한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.
또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 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, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 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 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 무인 항공기
11: 위치 계측부
12: 자세 계측부
13: TOF(Time of Flight) 카메라
20: 제어기
21: 비행 제어부
22: 파고 산출부

Claims (7)

  1. 선박에 구비되는 해상 파고 계측 시스템에 있어서,
    무인 항공기; 및
    상기 무인 항공기의 비행을 제어하며, 상기 무인 항공기로부터 수신되는 측정데이터를 이용하여 파고를 산출하는 제어기를 포함하되,
    상기 무인 항공기는,
    글로벌항법위성시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System)을 이용하여 상기 무인 항공기의 절대위치를 측정하는 위치 계측부;
    상기 무인 항공기의 자세를 측정하는 자세 계측부; 및
    수표면의 위치를 측정하는 TOF(Time of Flight) 카메라를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 무인 항공기의 절대위치 및 자세와 상기 수표면의 위치를 측정하도록 제어하고, 상대 좌표계 변환을 통해 수표면 측정위치로부터 수표면의 절대위치를 산출하고, 상기 수표면의 절대위치에서 교란이 없는 수표면 측정위치를 감하여 파고 변위량을 산출하고,
    상기 위치 계측부는 상기 선박에 대한 상기 무인 항공기의 상대위치를 측정하는 상대위치 측정기를 포함하되,
    상기 제어기는 상기 선박에 대한 상기 무인 항공기의 상대위치를 측정하도록 제어하고, 상기 측정된 상대위치와 상기 선박의 절대위치를 이용하여 상기 무인 항공기의 절대위치를 산출하고,
    상기 측정된 상대위치(p1)와 상기 선박의 절대위치(P2)를 이용하여 산출되는 상기 무인 항공기의 절대위치(P1)는 하기의 수학식을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 해상 파고 계측 시스템.
    Figure 112020073711702-pat00022

    여기서,
    Figure 112020073711702-pat00023

  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자세 계측부는 자이로 센서 또는 가속도 센서를 이용하여 자세를 산출하거나, 상기 무인 항공기 상의 2점이상의 위치를 측정하여 자세를 산출하되,
    상기 자세는 롤각(roll angle), 피치각(pitch angle) 및 요각(yaw angle)으로 산출되는 것을 특징으로 하는 해상 파고 계측 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수표면의 절대위치(H)는 상기 자세(A), 상기 수표면 측정위치(S) 및 상기 무인 항공기의 절대위치(P1)로부터 산출되되, 하기의 수학식을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 해상 파고 계측 시스템.
    Figure 112019098044964-pat00015

    여기서,
    Figure 112019098044964-pat00016

  6. 제5항에 있어서,
    상기 파고 변위량(η)은 상기 수표면의 절대위치(H) 및 상기 교란이 없는 수표면 측정위치(S0)로부터 산출되되, 하기의 수학식을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 해상 파고 계측 시스템.
    Figure 112019098044964-pat00017

    여기서,
    Figure 112019098044964-pat00018

  7. 선박에 구비되며, TOF(Time of Flight) 카메라가 장착된 무인 항공기를 포함하는 해상 파고 계측 시스템이 수행하는 해상 파고 계측 방법에 있어서,
    글로벌항법위성시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System)을 이용하여 상기 무인 항공기의 절대위치를 산출하는 단계;
    상기 무인 항공기의 자세를 산출하는 단계;
    상기 TOF 카메라를 이용하여 수표면의 위치를 측정하고, 상대 좌표계 변환을 통해 수표면 측정위치로부터 수표면의 절대위치를 산출하는 단계; 및
    상기 수표면의 절대위치에서 교란이 없는 수표면의 측정위치를 감하여 파고 변위량을 산출하는 단계를 포함하되,
    상기 무인 항공기의 절대위치를 산출하는 단계는,
    상대위치 측정기를 이용하여 상기 선박에 대한 상기 무인 항공기의 상대위치를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 상대위치와 상기 선박의 절대위치를 이용하여 상기 무인 항공기의 절대위치를 산출하는 단계를 포함하며,
    상기 측정된 상대위치(p1)와 상기 선박의 절대위치(P2)를 이용하여 산출되는 상기 무인 항공기의 절대위치(P1)는 하기의 수학식을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 해상 파고 계측 방법.
    Figure 112020073711702-pat00024

    여기서,
    Figure 112020073711702-pat00025

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