KR102253128B1 - 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정을 공개한다. 이 장치는 몸체의 전반부 및 후반부에서 수평 및 수직 방향에 대한 추력을 발생시키는 자세 조절부; 상기 몸체의 후반부 말단에서 무인 잠수정의 전후 이동을 위한 주된 추력 및 추력 편향을 발생시키는 이동 조절부;를 구비하며, 빙 홀을 통과할 수 있는 직경과 형상을 가지고 광대역 탐사가 필요할 경우에는 자율 무인 잠수정 모드로 동작하고, 정밀 실시간 탐사가 필요할 경우에는 원격 무인 잠수정 모드로 동작하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 무인 잠수정이 모선과 거리가 멀어지는 경우에도 무인 잠수정과 모선 간의 무선 데이터 통신 장애를 방지할 수 있게 되고, 빙 홀을 통한 방식 및 빙붕 밖 외해의 모선에서도 무인 잠수정을 운용할 수 있으므로 빙저호 및 빙붕저의 넓은 영역을 탐사할 수 있게 되며, 무인 잠수정의 기능별 모듈화가 가능하게 된다.

Description

극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정{Hybrid unmanned underwater vehicle for under-ice surveying in the polar regions}

본 발명은 극지 빙저 탐사를 위한 무인 잠수정에 관한 것으로서, 특히 무인 잠수정의 진수, 해저 탐사 임무 수행 및 회수의 과정에서, 빙 홀을 활용하여 자율 무인 잠수정 모드 또는 원격 무인 잠수정 모드로 동작하고 기능별로 모듈화시킬 수 있는 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정에 관한 것이다.

지구는 온난화로 극지방 얼음이 녹으면서 해수면이 상승하고, 극지 생태 환경이 급격히 변하고 있으며, 지구 온난화 문제에 대해 전 지구적으로 관심이 고조되면서 해양 선진국들은 극지 연구에 집중하고 있다.

지구 온난화로 인해 남극 서쪽에 있는 스웨이츠 빙하(Thwaites Glacier)는 이미 붕괴가 되돌릴 수 없는 단계로, 이 현상이 계속될 경우 서남극 빙상 전체의 붕괴를 초래할 것으로 예상되고 있으며, 서남극 빙상이 붕괴할 경우 지구 전체에 걸쳐 해수면 상승의 가장 큰 원인이 될 수 있다는 우려가 제기되고 있다.

또한, 해수에 접한 스웨이츠 빙하 아래에 대형 공동이 발견되어, 이로 인해 해빙 속도가 가속될 것으로 예상되고 있으며, 현재 미국과 영국은 공동 연구팀을 구성하여 이 빙하 변화에 대한 연구를 진행하고 있다.

우리나라 극지 연구소도 이 연구에 참여해 공동 연구를 수행 중에 있으며, 이 연구는 극지 빙상 및 해수면의 변동 과정과 원인을 규명하는 동시에 해수면 상승 예측 체계 구축을 목표로 하고 있다.

이러한 연구의 일환으로 미국 등 해양 선진국들은 수중 로봇과 열수 시추 장비를 이용하여 남극 빙하 밑에 존재하는 빙저호 탐사 및 빙붕저 탐사를 주도적으로 수행하고 있으며, 우리나라 극지 연구소 또한 K-루트(Route) 프로젝트(2017~2026) 사업을 통해 남극의 코리안 루트 개척 및 심부 빙하, 빙저호 시추 및 운영 기술, 첨단 분석 기술 개발을 추진하고 있다.

극지 빙하 탐사에 있어 수중 로봇을 활용하는 연구는 미국 등의 선진국을 중심으로 꾸준히 지속되어 왔으며, 미국, 캐나다, 노르웨이, 영국 등에서 극지에서의 수중 로봇 활용성을 검증하는 차원에서 상용 무인 잠수정의 수중위치추적장비인 초단기선(USBL, Ultra-Short Base Line)과 항법 센서 등을 개조하여 적용한 연구와 비교적 얼음층이 얇은 지역에서 활용될 수 있는 대형 자율 무인 잠수정(Autonomous Underwater Vehicles, AUV) 개발에 대한 연구가 진행되었다.

한편, 자율 무인 잠수정에서 수중탐색 임무를 수행하기 위해서는 자동으로 수중탐색 장비 진수 및 회수를 할 수 있는 진회수 시스템(launch and recovery system, LARS)이 필수적이다.

일반적으로 해양환경 조사와 정보수집 등의 목적으로 활용되는 자율 무인 잠수정은 모선에서 수중으로 진수된 다음, 계획한 바의 목적 달성을 위한 일련의 작업을 수행한 후, 다시 모선으로 회수된다.

극지 연구소에서 수중 로봇을 활용하여 탐사하고자 하는 관심 대상의 첫 번째 지역은 남극 장보고 과학기지 인근 가장 큰 빙하인 데이비드 빙하(David Glacier)이며, 이 지역에는 얼음 표면으로부터 2.2 내지 2.4 km 깊이에 빙저호가 존재하는 것으로 확인되었으며, 빙저호 수심은 수 미터에서 수십 미터 이내로 추정되고 있다.

두 번째 관심 대상 지역은 남극 장보고 과학기지 인근의 대표적인 빙붕인 난센 빙붕(Ice shelf)이며, 이 지역의 얼음 두께는 작게는 100 m에서 크게는 1 km 이상에 이르는 것으로 알려져 있으며, 빙붕 아래의 수심은 1,000 m에 이르는 것으로 확인되고 있다.

그런데, 상기 관심 대상 지역들인 빙저호 및 빙붕저 탐사에 대하여 해양환경 조사와 정보수집 등의 목적으로 자율 무인 잠수정을 모선에서 수중으로 진수하고, 계획한 바의 임무 수행을 위한 일련의 작업을 수행한 후 다시 모선으로 회수하는데 있어서 자율 무인 잠수정과 모선의 거리가 너무 멀어지는(예를 들어, 50~100 km) 경우가 발생한다.

이에 따라, 자율 무인 잠수정의 수중 진수 및 회수를 위해 선 유도(Wire Guide) 방식의 별도 장비를 구축해야 하므로, 극지 고유의 육상 온도, 수온, 유속, 염분도 등의 열악한 환경에서 자율 무인 잠수정의 활용 범위에 제한이 있었고, 얼음 두께 및 빙붕 아래의 수심과 모선 간 거리에 따라 무선 신호의 감쇄 현상으로 자율 무인 잠수정과 모선 간 무선 데이터 통신에 장애가 발생하는 문제점이 있었다.

이러한 제한과 문제점을 극복하기 위하여 거대한 빙붕을 시추한 관통홀인 빙 홀(ice-hole)을 활용하여, 자율 무인 잠수정 또는 원격 무인 잠수정을 통과시켜 빙붕 아래에 위치하는 빙저호 및 빙붕저를 탐사할 필요가 있다.

또한, 무인 잠수정이 작은 직경의 빙 홀을 통과할 수 있을 정도의 직경과 형상을 구비해야 하며, 빙저호 및 빙붕저의 넓은 영역을 탐사하기 위해 빙 홀을 통한 운용뿐 아니라 빙붕 밖 외해의 모선에서도 운용될 필요가 있다.

US 2010-0153050 A1

본 발명의 목적은 모선에서 무인 잠수정을 수중으로 진수하고, 해저 탐사에 대한 임무를 수행한 후에 무인 잠수정을 회수하는 일련의 과정에서, 광대역 탐사 또는 정밀 실시간 탐사가 필요한 경우에 따라 자율 무인 잠수정 모드 또는 원격 무인 잠수정 모드로 동작하고 기능별로 모듈화되는 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정은 몸체의 전반부 및 후반부에서 수평 및 수직 방향에 대한 추력을 발생시키는 자세 조절부; 상기 몸체의 후반부 말단에서 무인 잠수정의 전후 이동을 위한 주된 추력 및 추력 편향을 발생시키는 이동 조절부;를 구비하며, 빙 홀을 통과할 수 있는 직경과 형상을 가지고 광대역 탐사가 필요할 경우에는 자율 무인 잠수정 모드로 동작하고, 정밀 실시간 탐사가 필요할 경우에는 원격 무인 잠수정 모드로 동작하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 상기 자세 조절부는 상기 몸체의 전반부에서 수평 방향에 대한 제1 추력을 발생시키는 제1 무축 추력기; 상기 제1 무축 추력기의 측부에 위치하고, 상기 몸체의 전반부에서 수직 방향에 대한 제1 추력을 발생시키는 제1 추진부; 상기 몸체의 후반부에서 수평 방향에 대한 제2 추력을 발생시키는 제2 무축 추력기; 및 상기 제2 무축 추력기의 측부에 위치하고, 상기 몸체의 후반부에서 수직 방향에 대한 제2 추력을 발생시키는 제2 추진부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 상기 이동 조절부는 상기 몸체의 후반부 말단에서 상기 주된 추력을 발생시키는 주 추력기; 및 상기 제2 추진부와 상기 주 추력기 사이에 위치하고, 상기 주 추력기의 상기 추력 편향을 발생시키는 선형 구동기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 상기 주 추력기는 극지 환경에서의 결빙과 수심, 잠수정의 상기 형상 및 길이에 따른 유체 저항, 잠수정의 상기 직경의 제한을 고려하여 상기 주된 추력을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정은 극지에서의 분해 및 조립, 내압 및 수밀 설계, 수중 커넥터 직결 구조의 연결부 설계, 확장시 전원 및 통신의 공유 및 여분의 스페어 라인 설계를 고려하여 기능별 모듈로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 상기 기능별 모듈은 상기 몸체의 전반부 말단에 위치하여 무인 잠수정의 빙 홀로의 복귀 동작시 수중 음향 위치를 추적하고, 수중 음향을 방사하여 해저 지형을 감지 및 탐사하는 전방 센서 모듈; 상기 전방 센서 모듈의 측부에 위치하여 수중에서 5 방향으로 영상을 촬영하여 광학 영상을 취득하고, 수중 음향 통신을 통해 모선으로부터 자율 탐사 미션 명령을 수신하는 탐사 및 통신 모듈; 상기 탐사 및 통신 모듈의 측부에 위치하여 빙 홀 진입 및 통과시 무인 잠수정의 자세를 변환할 때와 해저 탐사시에 전반부에서 상기 수평 방향에 대한 제1 추력 및 상기 수직 방향에 대한 제1 추력을 발생시키는 제1 추진기 모듈; 및 상기 제1 추진기 모듈의 측부에 위치하여 복수개의 실린더를 구비하고 해저의 수질 분석용 해수 및 생물을 샘플링하고, 잠수정의 현재 위치 및 고도를 측정하는 샘플링 모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 상기 전방 센서 모듈은 상기 빙 홀로의 복귀 동작인 호밍(homing) 시 상기 수중 음향 위치를 추적하는 자기 수중 위치 추적 장치; 및 상기 자기 수중 위치 추적 장치의 측부에 위치하여 상기 수중 음향을 멀티 빔 형태로 방사하여, 해저의 전방 장애물을 감지하고 상기 해저 지형의 환경을 탐사하는 멀티빔 소나;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 상기 탐사 및 통신 모듈은 상기 5 방향인 전방, 좌방, 우방, 상방 및 하방으로 영상을 촬영하여 상기 광학 영상을 취득하는 카메라; 및 상기 카메라의 측부에 위치하여 원격지의 해수면에 위치해 있는 상기 모선으로부터 수중 음향 통신을 통해 상기 자율 탐사 미션 명령 및 무선 데이터를 송수신하는 수중 음향 통신 모뎀;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 상기 제1 추진기 모듈은 빙 홀에 진입시 수직 자세로 하향 이동하였다가 상기 빙 홀을 통과한 후에 수평 자세로 변환시와, 상기 빙 홀을 통과하여 해저 탐사시 및 무인 잠수정의 호버링(hovering) 동작시 상기 전반부에서 상기 수평 방향에 대한 제1 추력을 발생시키는 상기 제1 무축 추력기; 및 상기 제1 무축 추력기와 1 세트로 하여 배치되고, 상기 전반부에서 상기 수직 방향에 대한 제1 추력을 발생하여, 무인 잠수정의 수평 자세를 유지시키는 상기 제1 추진부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 상기 샘플링 모듈은 잠수정의 길이 방향 축을 중심으로 회전하는 상기 복수개의 실린더를 구비하고, 해저의 상기 수질 분석용 해수 및 생물을 지역별로 다른 실린더에 샘플링하는 해수 샘플러; 상기 해수 샘플러의 측부에 위치하고, 해저에서 잠수정의 6축 속도, 가속도 및 각 가속도를 감지하여 잠수정의 상기 현재 위치를 측정하는 도플러 속도 센서; 및 상기 도플러 속도 센서의 측부에 위치하고, 해저에서 해수의 유속을 감지하여 해저면에서 잠수정의 상기 고도를 측정하는 음향 도플러 유속계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 상기 기능별 모듈은 상기 샘플링 모듈의 측부에 위치하여 잠수정의 수중 자기 항법을 위한 관성을 측정하고, 해저에서의 수중 환경 데이터를 감지하는 항법 및 환경 센서 모듈; 상기 항법 및 환경 센서 모듈의 측부에 위치하여 잠수정의 동작 전원을 공급 및 관리하고, 상기 주 추력기의 제어시 발생되는 역 기전력을 이용하여 에너지를 회생시켜 잠수정의 동작을 제어하고, 수중 음향을 이용하여 실시간 해저 지형을 측정하는 메인 회로 및 전원 모듈; 상기 메인 회로 및 전원 모듈의 측부에 위치하여 빙 홀 진입 및 통과시 무인 잠수정의 자세를 변환할 때와 해저 탐사시에 후반부에서 상기 수평 방향에 대한 제2 추력 및 상기 수직 방향에 대한 제2 추력을 발생시키는 제2 추진기 모듈; 및 상기 몸체의 후반부 말단에 위치하고 잠수정의 전후 이동을 위한 상기 주된 추력을 발생시키고, 한 쌍의 구동축을 통해 상기 주된 추력에 상기 추력 편향을 발생시켜 무인 잠수정을 조향하는 메인 추진기 모듈; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 상기 항법 및 환경 센서 모듈은 해저면과의 음향 도플러 신호를 이용하여 상기 수중 자기 항법을 위한 관성을 측정하는 관성 측정부; 및 상기 관성 측정부의 측부에 위치하여, 해저에서의 수온, 전도도, 용존 산소량, 탁도, 착색 유기물, 형광 유기물, 엽록소, 염도, 수소 이온 농도 및 산화 환원 전위에 대한 상기 수중 환경 데이터를 감지하는 환경 센서부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 상기 메인 회로 및 전원 모듈은 상기 동작 전원을 조정, 분배 및 모니터링하며, 모선과의 무선 통신을 연계하고, 상기 에너지를 회생시켜 잠수정의 동작을 제어하는 주 처리부; 상기 주 처리부의 측부에 위치하고, 잠수정의 측면으로 주사되는 상기 수중 음향을 이용하여 상기 실시간 해저 지형을 측정하여 지도화하는 측면 주사 음향 측심기; 및 상기 주 처리부와 상기 측면 주사 음향 측심기 사이에 위치하여 충방전이 가능하고, 잠수정의 동작에 필요한 전원을 공급하는 배터리;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 상기 주 처리부는 잠수정의 이동 경로, 위치 유지, 회수시 호밍 동작 및 각종 센싱 동작을 제어하는 온보드 컴퓨터; 무인 잠수정의 상기 동작 전원을 관리하고 모니터링하는 전원 관리부; 상기 동작 전원의 DC 전압을 조정 및 분배하는 직류 전원 분배부; 모선과 잠수정 간의 상기 무선 통신을 연계하는 통신 인터페이스; 및 상기 역 기전력을 이용하여 상기 에너지를 회생시키는 모터 드라이버; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 상기 제2 추진기 모듈은 빙 홀에 진입시 수직 자세로 하향 이동하였다가 상기 빙 홀을 통과한 후에 수평 자세로 변환시와, 상기 빙 홀을 통과하여 해저 탐사시 및 무인 잠수정의 호버링(hovering) 동작시 상기 후반부에서 상기 수평 방향에 대한 제2 추력을 발생시키는 상기 제2 무축 추력기; 및 상기 제2 무축 추력기와 1 세트로 하여 배치되고, 상기 후반부에서 상기 수직 방향에 대한 제2 추력을 발생하여, 무인 잠수정의 수평 자세를 유지시키는 상기 제2 추진부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 상기 메인 추진기 모듈은 상기 몸체의 후반부 말단에 위치하고 프로펠러를 통해 상기 주된 추력을 발생시키는 상기 주 추력기; 및 무인 잠수정의 길이 방향으로 연장되는 상기 한 쌍의 구동축을 구비하고, 상기 주 추력기의 상기 추력 방향을 편향되게 바꾸며 무인 잠수정을 조향하는 상기 선형 구동기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정은 몸체의 전반부 및 후반부에서 수평 및 수직 방향에 대한 추력을 발생시키는 자세 조절부; 상기 몸체의 후반부 말단에서 무인 잠수정의 전후 이동을 위한 주된 추력 및 추력 편향을 발생시키는 이동 조절부;를 구비하며, 빙 홀을 통과할 수 있는 직경과 형상을 가지고 빙 홀을 통해 운용되고, 빙붕 밖 외해의 모선에서도 운용되는 것을 특징으로 한다.

기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.

본 발명에 의할 경우, 모선에서 무인 잠수정을 수중으로 진수하고, 임무 수행을 위한 일련의 작업을 수행한 후에 무인 잠수정이 모선과 거리가 멀어지는 경우에도, 빙붕을 시추한 빙 홀을 활용하여 무인 잠수정을 통과시켜 빙저호 및 빙붕저를 탐사시킴으로써, 무선 신호의 감쇄 현상으로 인한 무인 잠수정과 모선 간의 무선 데이터 통신 장애를 방지할 수 있게 된다.

또한, 무인 잠수정의 운용을 빙 홀을 통한 방식뿐 아니라 빙붕 밖 외해의 모선에서도 운용할 수 있으므로, 빙저호 및 빙붕저의 넓은 영역을 탐사할 수 있게 된다.

또한, 무인 잠수정의 기능별 모듈화를 통해 극지에서의 분해 및 조립이 용이해지고, 모듈 별 내압 및 수밀 설계가 가능하며, 수중 커넥터 직결 구조 설계와 전원 및 통신의 공유를 통해 모듈의 확장을 대비할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합형 무인 잠수정을 이용한 자율 무인 잠수정 모드 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합형 무인 잠수정을 이용한 원격 무인 잠수정 모드 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 극지 연구소에서 극지 빙저 탐사를 위해 요구되는 각종 사양을 정리한 표이다.
도 4는 도 3에 도시된 극지 빙저 탐사를 위한 요구 사양을 만족시키기 위한 무인 잠수정의 각종 사양을 정리한 표이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합형 무인 잠수정을 모듈 별로 분해한 내부 사진이다.
도 6은 도 5에 도시된 혼합형 무인 잠수정의 모듈을 조립한 내부 사진이다.
도 7은 도 6에 도시된 혼합형 무인 잠수정 내 제1 무축 추력기(231) 및 제1 추진부(232)의 부분 확대 사진이다.
도 8은 도 6에 도시된 혼합형 무인 잠수정 내 주 추력기(291) 및 선형 구동기(292)의 부분 확대 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 전반적인 동작을 나타내는 흐름도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.

더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합형 무인 잠수정을 이용한 자율 무인 잠수정 모드 시스템의 개략적인 구성도로서, 모선(100) 및 자율 무인 잠수정(200)을 포함한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합형 무인 잠수정을 이용한 원격 무인 잠수정 모드 시스템의 개략적인 구성도로서, 모선(100), 원격 무인 잠수정(200') 및 광 케이블(300)을 포함한다.

도 3은 극지 연구소에서 극지 빙저 탐사를 위해 요구되는 각종 사양을 정리한 표이다.

도 4는 도 3에 도시된 극지 빙저 탐사를 위한 요구 사양을 만족시키기 위한 무인 잠수정의 각종 사양을 정리한 표이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합형 무인 잠수정을 모듈 별로 분해한 내부 사진으로서, 전방 센서 모듈(210), 탐사 및 통신 모듈(220), 제1 추진기 모듈(230), 샘플링 모듈(240), 항법 및 환경 센서 모듈(250), 메인 회로 및 전원 모듈(260), 제2 추진기 모듈(280) 및 메인 추진기 모듈(290)을 포함한다.

도 6은 도 5에 도시된 혼합형 무인 잠수정의 모듈을 조립한 내부 사진으로서, 전방 센서 모듈(210)은 자기 수중 위치 추적 장치(211), 멀티빔 소나(212)를 포함하고, 탐사 및 통신 모듈(220)은 카메라(221), 수중 음향 통신 모뎀(222)을 포함한다.

또한, 제1 추진기 모듈(230)은 제1 무축 추력기(231), 제1 추진부(232)를 포함하고, 샘플링 모듈(240)은 해수 샘플러(241), 도플러 속도 센서(242), 음향 도플러 유속계(243)를 포함한다.

또한, 항법 및 환경 센서 모듈(250)은 환경 센서부(251), 관성 측정부(252)를 포함하고, 메인 회로 및 전원 모듈(260)은 주 처리부(261), 측면 주사 음향 측심기(262), 배터리(263)를 포함한다.

또한, 제2 추진기 모듈(280)은 제2 무축 추력기(281), 제2 추진부(282)를 포함하고, 메인 추진기 모듈(290)은 주 추력기(291) 및 선형 구동기(292)를 포함한다.

도 7은 도 6에 도시된 혼합형 무인 잠수정 내 제1 무축 추력기(231) 및 제1 추진부(232)의 부분 확대 사진이다.

도 8은 도 6에 도시된 혼합형 무인 잠수정 내 주 추력기(291) 및 선형 구동기(292)의 부분 확대 사진이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 전반적인 동작을 나타내는 흐름도로서, A는 주 처리부(261)의 기능, B 는 잠수정의 전반부 구성요소들의 동작, C는 주 처리부(261)의 세부 동작, D는 후반부 구성요소들의 동작이다.

도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합형 무인 잠수정의 전반적인 구성 및 동작을 설명하면 다음과 같다.

자세 조절부는 무인 잠수정 몸체의 전반부 및 후반부에서 수평 및 수직 방향에 대한 추력을 발생시킨다.

이동 조절부는 무인 잠수정 몸체의 후반부 말단에서 무인 잠수정의 전후 이동을 위한 주된 추력 및 추력 편향을 발생시킨다.

이때, 무인 잠수정은 빙 홀을 통과할 수 있는 직경과 형상을 가지고 광대역 탐사가 필요할 경우에는 자율 무인 잠수정 모드로 동작하고, 정밀 실시간 탐사가 필요할 경우에는 원격 무인 잠수정 모드로 동작한다.

자세 조절부는 무인 잠수정 몸체의 전반부에서 수평 방향에 대한 제1 추력을 발생시키는 제1 무축 추력기(231); 상기 제1 무축 추력기(231)의 측부에 위치하고, 무인 잠수정 몸체의 전반부에서 수직 방향에 대한 제1 추력을 발생시키는 제1 추진부(232); 무인 잠수정 몸체의 후반부에서 수평 방향에 대한 제2 추력을 발생시키는 제2 무축 추력기(281); 및 상기 제2 무축 추력기(281)의 측부에 위치하고, 무인 잠수정 몸체의 후반부에서 수직 방향에 대한 제2 추력을 발생시키는 제2 추진부(282);를 포함한다.

이동 조절부는 무인 잠수정 몸체의 후반부 말단에서 상기 주된 추력을 발생시키는 주 추력기(291); 및 상기 제2 추진부(282)와 상기 주 추력기(291) 사이에 위치하고, 상기 주 추력기(291)의 상기 추력 편향을 발생시키는 선형 구동기(292);를 포함한다.

도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 구체적인 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 혼합형 무인 잠수정은 광대역 탐사가 필요할 경우에는 도 1에서 보는 바와 같이 자율 무인 잠수정 모드로 동작하고, 정밀 실시간 탐사가 필요할 경우에는 도 2에서 보는 바와 같이 원격 무인 잠수정 모드로 동작한다.

공통점은 두 경우 모두 빙저호 및 빙붕저의 넓은 영역을 탐사하기 위해 빙 홀을 통한 운용뿐 아니라 빙붕 밖 외해의 모선(100)에서도 운용된다는 점이다.

도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정의 설계를 위해, 극지 연구소의 요구사항에 기반한 혼합형 무인 잠수정의 설계 요구사양을 반영한다.

도 3은 극지 연구소로부터 도출된 탐사 대상으로 하는 빙저호 및 빙붕저의 환경적 특성과 혼합형 무인 잠수정을 이용해 계측하고자 하는 데이터를 종합하여 요구사항을 도출한 결과이다.

즉, 빙저호를 기준으로 탐사 영역은 반경 2.5 km 이상, 수심 1,000 m 이내, 계측하고자 하는 데이터는 수온, 유속, 염분도, 전도도, 수심, 탁도, 클로로필을 기본으로 하여 원격 무인 잠수정 모드 시 해수 및 생물 샘플링, 자율 무인 잠수정 모드 시 미세 난류 계측 등이 요구사항으로 분석된다.

따라서, 극지 연구소의 상기 요구사항을 만족시키기 위한 혼합형 무인 잠수정(Hybrid Autonomous Underwater Vehicles, HAUV)의 사양은 직경 0.28 m 이내의 크기, 탐사 반경을 고려한 1.5 m/s의 최대 속도, 6 시간의 운용 시간을 포함한다.

또한, 직경이 0.28 m 이내인 어뢰 형상, -10 ~ 80 ?인 운용 온도, -50 ~ 80 ?인 보관 온도, 자율 무인 잠수정(200)과 원격 무인 잠수정(200')을 혼용한 하이브리드(hybrid) 타입의 운용 방식, 기능별 모듈화, 자동 헤딩, 자동 깊이, 자동 6 자유도 자세 유지, 호버링(hovering) 등의 자동 제어를 포함한다.

특히, 기능별 모듈화는 극지에서의 분해 및 조립의 용이성뿐 아니라, 모듈 별 내압 및 수밀 설계를 위해 필요하고, 모듈 간 연결부는 수중 커넥터 직결 구조로 설계되고, 모듈의 확장을 대비하여 전원 및 통신을 공유하고 여분의 스페어 라인을 설계하는데 필요하다.

또한, 상시 동작 중인 5 방향(전방, 좌방, 우방, 상방, 하방)의 카메라(221), LED 조명 등의 광학 탐사, 멀티빔 소나(212), 사이드 스캔 소나 등의 음향 탐사, 수온, 전도도, 용존 산소량, 탁도, 착색/형광 유기물(CDOM/FDOM), 엽록소, 염도, 수소이온 농도(pH) 및 산화환원 전위(Oxidation-Reduction Potential, ORP) 등의 환경 센싱, 빙상 운용/선박 운용 등의 진수 조건을 포함한다.

특히, 혼합형 무인 잠수정이 빙 홀에 진입하기 위해서는 수직 자세로 하향 이동하였다가 빙 홀을 통과한 후에는 수평 자세로의 변환이 요구된다.

또한, 혼합형 무인 잠수정이 빙 홀을 완전히 통과하여 빙저호 및 빙붕저의 일정 지역을 탐사하기 위해서는, 해수를 상하 좌우로 동일한 힘으로 내뿜어 수평 자세를 유지하면서 일정 시간 수중에 정지해 부양되어 있는 상태인 호버링(hovering) 동작이 필요하다.

이를 위하여 본 발명의 혼합형 무인 잠수정은 도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이, 잠수정 몸체의 전반부 및 후반부에 배치되어 수평 및 수직 방향에 대한 추력을 발생시키는 제1 무축 추력기(Shaftless Thruster, 231) 및 제1 추진부(232)와 제2 무축 추력기(281) 및 제2 추진부(282)를 구비한다.

즉, 잠수정 몸체의 전반부에 수평 방향에 대한 제1 추력을 발생시키는 제1 무축 추력기(231)와 수직 방향에 대한 제1 추력을 발생시키는 제1 추진부(232)를 1 세트로 하여 배치하고, 잠수정 몸체의 후반부에 수평 방향에 대한 제2 추력을 발생시키는 제2 무축 추력기(281)와 수직 방향에 대한 제2 추력을 발생시키는 제2 추진부(282)를 1 세트로 하여 배치함으로써, 잠수정 몸체에 흐르는 전후류의 추력을 동일하게 한다.

또한, 본 발명의 혼합형 무인 잠수정은 직경이 작은 빙 홀을 통해 진수 및 회수되어야 하므로 혼합형 무인 잠수정의 조향에 지느러미 형상의 수직 안정판(fin)이나 방향타(rudder) 등을 사용하는 것이 적합하지 않다.

이로 인해 도 8에서 보는 바와 같이, 잠수정 몸체의 후반부 말단에 위치하고 프로펠러를 통해 잠수정의 전후 이동을 위한 주된 추력을 발생시키는 주 추력기(Main Thruster, 291)와, 한 쌍의 구동축을 구비하고 주 추력기(291)의 추력 방향을 편향되게 바꾸며 무인 잠수정을 조향하는 선형 구동기(Thrust vectoring module, 292)를 구비한다.

이때, 주 추력기(291)는 극지 환경에서의 결빙과 운용 수심, 혼합형 무인 잠수정의 전방 형상 및 길이에 따른 유체 저항, 빙 홀을 통과하기 위한 직경 제한 등의 요건을 고려하여 48 kgf의 추력을 내는 추진기를 사용한다.

도 6 및 도 9에서 보는 바와 같이, 자기 수중 위치 추적 장치(i Ultra Short Base Line, iUSBL)(211)가 혼합형 무인 잠수정의 빙 홀로의 복귀 동작인 호밍(homing) 시 수중 음향 위치 추적을 하고, 전방 소나(Forward Looking Sonar, FLS)인 멀티빔 소나(Multi-beam Sonar)(212)가 전방 장애물 감지 및 해저 지형 환경을 탐사하기 위하여 멀티 빔 형태의 수중 음향을 방사한다.

또한, 카메라(221)는 수중에서 5 방향(전방, 좌방, 우방, 상방, 하방)으로 영상을 촬영하여 잠수정에서의 전 방향과 좌우측 방향뿐 아니라, 상하방의 광학 영상을 취득하고, 수중 음향 통신 모뎀(Acoustic Telephone Modem, ATM)(222)이 원격지의 해수면에 위치해 있는 모선(100)으로부터 수중 음향 통신을 통해 자율 탐사 미션 명령을 수신한다.

해수 샘플러(water sampler)(241)는 잠수정의 길이 방향 축을 중심으로 회전하는 복수개의 실린더를 구비하고 빙저호 및 빙붕저의 수질 분석용 해수 및 생물을 지역별로 다른 실린더에 샘플링하는데, 원격 무인 잠수정 모드 시에는 모선(100)의 명령 데이터에 응답하여 샘플링한다.

도플러 속도 센서(Doppler Velocity Log, DVL)(242)는 빙저호 및 빙붕저에서 잠수정의 6축 속도, 가속도 및 각 가속도를 감지하여 잠수정의 현재 위치를 측정한다.

음향 도플러 유속계(Acoustic Doppler Current Profilers, ADCP)(243)는 빙저호 및 빙붕저에서 해수의 유속을 감지하여 빙붕의 하부 또는 해저면에서 잠수정의 고도를 측정한다.

관성 측정부(Inertial Measurement Unit, IMU)(252)는 해저면과의 음향 도플러 신호를 이용하여 수중 자기 항법을 위한 관성을 측정한다.

환경 센서부(Environmental Sensor Unit, ESU)(251)는 수온, 전도도, 용존 산소량, 탁도, 착색 유기물(CDOM), 형광 유기물(FDOM), 엽록소, 염도, 수소 이온 농도(pH) 및 산화 환원 전위(Oxidation-Reduction Potential, ORP) 등의 수중 환경 데이터를 감지한다.

측면 주사 음향 측심기(Side Scan Sonar, SSS)(262)는 잠수정의 측면으로 주사되는 수중 음향을 이용하여 빙저호 및 빙붕저의 실시간 해저 지형을 측정하여 지도화(mapping)한다.

수심 계측 센서(Depth Meter, DM)(미도시)는 모선(100)이 위치하는 해수면으로부터 잠수정이 위치하는 해저까지의 수심을 측정한다.

주 처리부(Main processor Unit)(261)는 잠수정의 상기 구성요소들의 동작을 통해 잠수정의 이동 경로, 위치 유지, 회수시 호밍 동작, 각종 센싱 동작을 제어하는 온보드 컴퓨터(Onboard Computer), 동작 전원을 관리하고 모니터링하는 전원 관리부, 상기 구성요소들의 동작에 필요한 동작 전원의 DC 전압을 조정 및 분배하는 직류 전원 분배부, 모선(100)과 잠수정 간의 무선 통신을 연계하는 통신 인터페이스 및 주 추력기 제어시 발생되는 역 기전력을 이용하여 에너지를 회생시키는 에너지 회생형 모터 드라이버를 포함한다.

배터리(263)는 충방전이 가능한 형태로서, 잠수정의 상기 구성요소들에 필요한 전원을 공급한다.

이와 같이, 본 발명은 모선에서 무인 잠수정을 수중으로 진수하고, 해저 탐사에 대한 임무를 수행한 후에 무인 잠수정을 회수하는 일련의 과정에서, 광대역 탐사 또는 정밀 실시간 탐사가 필요한 경우에 따라 자율 무인 잠수정 모드 또는 원격 무인 잠수정 모드로 동작하고 기능별로 모듈화되는 극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정을 제공한다.

이를 통하여, 모선에서 무인 잠수정을 수중으로 진수하고, 임무 수행을 위한 일련의 작업을 수행한 후에 무인 잠수정이 모선과 거리가 멀어지는 경우에도, 빙붕을 시추한 빙 홀을 활용하여 무인 잠수정을 통과시켜 빙저호 및 빙붕저를 탐사시킴으로써, 무선 신호의 감쇄 현상으로 인한 무인 잠수정과 모선 간의 무선 데이터 통신 장애를 방지할 수 있게 된다.

또한, 무인 잠수정의 운용을 빙 홀을 통한 방식뿐 아니라 빙붕 밖 외해의 모선에서도 운용할 수 있으므로, 빙저호 및 빙붕저의 넓은 영역을 탐사할 수 있게 된다.

또한, 무인 잠수정의 기능별 모듈화를 통해 극지에서의 분해 및 조립이 용이해지고, 모듈 별 내압 및 수밀 설계가 가능하며, 수중 커넥터 직결 구조 설계와 전원 및 통신의 공유를 통해 모듈의 확장을 대비할 수 있게 된다.

이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.

100: 모선
200: 자율 무인 잠수정
200': 원격 무인 잠수정
210: 전방 센서 모듈
220: 탐사 및 통신 모듈
230: 제1 추진기 모듈
240: 샘플링 모듈
250: 항법 및 환경 센서 모듈
260: 메인 회로 및 전원 모듈
280: 제2 추진기 모듈
290: 메인 추진기 모듈
300: 광 케이블

Claims (17)

1. 몸체의 전반부 및 후반부에서 수평 및 수직 방향에 대한 추력을 발생시키는 자세 조절부;
   상기 몸체의 후반부 말단에서 무인 잠수정의 전후 이동을 위한 주된 추력 및 추력 편향을 발생시키는 이동 조절부; 및
   상기 주된 추력을 발생시키는 주 추력기의 제어시 발생되는 역 기전력을 이용하여 에너지를 회생시키는 모터 드라이버를 구비하며,
   빙 홀을 통과할 수 있는 직경과 형상을 가지고 광대역 탐사가 필요할 경우에는 자율 무인 잠수정 모드로 동작하고, 정밀 실시간 탐사가 필요할 경우에는 원격 무인 잠수정 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는,
   극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 자세 조절부는
   상기 몸체의 전반부에서 수평 방향에 대한 제1 추력을 발생시키는 제1 무축 추력기;
   상기 제1 무축 추력기의 측부에 위치하고, 상기 몸체의 전반부에서 수직 방향에 대한 제1 추력을 발생시키는 제1 추진부;
   상기 몸체의 후반부에서 수평 방향에 대한 제2 추력을 발생시키는 제2 무축 추력기; 및
   상기 제2 무축 추력기의 측부에 위치하고, 상기 몸체의 후반부에서 수직 방향에 대한 제2 추력을 발생시키는 제2 추진부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 이동 조절부는
   상기 몸체의 후반부 말단에서 상기 주된 추력을 발생시키는 주 추력기; 및
   상기 제2 추진부와 상기 주 추력기 사이에 위치하고, 상기 주 추력기의 상기 추력 편향을 발생시키는 선형 구동기;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 주 추력기는
   극지 환경에서의 결빙과 수심, 잠수정의 상기 형상 및 길이에 따른 유체 저항, 잠수정의 상기 직경의 제한을 고려하여 상기 주된 추력을 발생시키는 것을 특징으로 하는,
   극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 무인 잠수정은
   극지에서의 분해 및 조립, 내압 및 수밀 설계, 수중 커넥터 직결 구조의 연결부 설계, 확장시 전원 및 통신의 공유 및 여분의 스페어 라인 설계를 고려하여 기능별 모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는,
   극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 기능별 모듈은
   상기 몸체의 전반부 말단에 위치하여 무인 잠수정의 빙 홀로의 복귀 동작시 수중 음향 위치를 추적하고, 수중 음향을 방사하여 해저 지형을 감지 및 탐사하는 전방 센서 모듈;
   상기 전방 센서 모듈의 측부에 위치하여 수중에서 5 방향으로 영상을 촬영하여 광학 영상을 취득하고, 수중 음향 통신을 통해 모선으로부터 자율 탐사 미션 명령을 수신하는 탐사 및 통신 모듈;
   상기 탐사 및 통신 모듈의 측부에 위치하여 빙 홀 진입 및 통과시 무인 잠수정의 자세를 변환할 때와 해저 탐사시에 전반부에서 상기 수평 방향에 대한 제1 추력 및 상기 수직 방향에 대한 제1 추력을 발생시키는 제1 추진기 모듈; 및
   상기 제1 추진기 모듈의 측부에 위치하여 복수개의 실린더를 구비하고 해저의 수질 분석용 해수 및 생물을 샘플링하고, 잠수정의 현재 위치 및 고도를 측정하는 샘플링 모듈;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 전방 센서 모듈은
   상기 빙 홀로의 복귀 동작인 호밍(homing) 시 상기 수중 음향 위치를 추적하는 자기 수중 위치 추적 장치; 및
   상기 자기 수중 위치 추적 장치의 측부에 위치하여 상기 수중 음향을 멀티 빔 형태로 방사하여, 해저의 전방 장애물을 감지하고 상기 해저 지형의 환경을 탐사하는 멀티빔 소나;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
   
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 탐사 및 통신 모듈은
   상기 5 방향인 전방, 좌방, 우방, 상방 및 하방으로 영상을 촬영하여 상기 광학 영상을 취득하는 카메라; 및
   상기 카메라의 측부에 위치하여 원격지의 해수면에 위치해 있는 상기 모선으로부터 수중 음향 통신을 통해 상기 자율 탐사 미션 명령 및 무선 데이터를 송수신하는 수중 음향 통신 모뎀;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
   
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 제1 추진기 모듈은
   빙 홀에 진입시 수직 자세로 하향 이동하였다가 상기 빙 홀을 통과한 후에 수평 자세로 변환시와, 상기 빙 홀을 통과하여 해저 탐사시 및 무인 잠수정의 호버링(hovering) 동작시 상기 전반부에서 상기 수평 방향에 대한 제1 추력을 발생시키는 상기 제1 무축 추력기; 및
   상기 제1 무축 추력기와 1 세트로 하여 배치되고, 상기 전반부에서 상기 수직 방향에 대한 제1 추력을 발생하여, 무인 잠수정의 수평 자세를 유지시키는 상기 제1 추진부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
   
10. 제 6 항에 있어서,
    상기 샘플링 모듈은
    잠수정의 길이 방향 축을 중심으로 회전하는 상기 복수개의 실린더를 구비하고, 해저의 상기 수질 분석용 해수 및 생물을 지역별로 다른 실린더에 샘플링하는 해수 샘플러;
    상기 해수 샘플러의 측부에 위치하고, 해저에서 잠수정의 6축 속도, 가속도 및 각 가속도를 감지하여 잠수정의 상기 현재 위치를 측정하는 도플러 속도 센서; 및
    상기 도플러 속도 센서의 측부에 위치하고, 해저에서 해수의 유속을 감지하여 해저면에서 잠수정의 상기 고도를 측정하는 음향 도플러 유속계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
    
11. 제 6 항에 있어서,
    상기 기능별 모듈은
    상기 샘플링 모듈의 측부에 위치하여 잠수정의 수중 자기 항법을 위한 관성을 측정하고, 해저에서의 수중 환경 데이터를 감지하는 항법 및 환경 센서 모듈;
    상기 항법 및 환경 센서 모듈의 측부에 위치하여 잠수정의 동작 전원을 공급 및 관리하고, 상기 주 추력기의 제어시 발생되는 역 기전력을 이용하여 에너지를 회생시켜 잠수정의 동작을 제어하고, 수중 음향을 이용하여 실시간 해저 지형을 측정하는 메인 회로 및 전원 모듈;
    상기 메인 회로 및 전원 모듈의 측부에 위치하여 빙 홀 진입 및 통과시 무인 잠수정의 자세를 변환할 때와 해저 탐사시에 후반부에서 상기 수평 방향에 대한 제2 추력 및 상기 수직 방향에 대한 제2 추력을 발생시키는 제2 추진기 모듈; 및
    상기 몸체의 후반부 말단에 위치하고 잠수정의 전후 이동을 위한 상기 주된 추력을 발생시키고, 한 쌍의 구동축을 통해 상기 주된 추력에 상기 추력 편향을 발생시켜 무인 잠수정을 조향하는 메인 추진기 모듈;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 항법 및 환경 센서 모듈은
    해저면과의 음향 도플러 신호를 이용하여 상기 수중 자기 항법을 위한 관성을 측정하는 관성 측정부; 및
    상기 관성 측정부의 측부에 위치하여, 해저에서의 수온, 전도도, 용존 산소량, 탁도, 착색 유기물, 형광 유기물, 엽록소, 염도, 수소 이온 농도 및 산화 환원 전위에 대한 상기 수중 환경 데이터를 감지하는 환경 센서부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
    
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 메인 회로 및 전원 모듈은
    상기 동작 전원을 조정, 분배 및 모니터링하며, 모선과의 무선 통신을 연계하고, 상기 에너지를 회생시켜 잠수정의 동작을 제어하는 주 처리부;
    상기 주 처리부의 측부에 위치하고, 잠수정의 측면으로 주사되는 상기 수중 음향을 이용하여 상기 실시간 해저 지형을 측정하여 지도화하는 측면 주사 음향 측심기; 및
    상기 주 처리부와 상기 측면 주사 음향 측심기 사이에 위치하여 충방전이 가능하고, 잠수정의 동작에 필요한 전원을 공급하는 배터리;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
    
14. 몸체의 전반부 및 후반부에서 수평 및 수직 방향에 대한 추력을 발생시키는 자세 조절부;
    상기 몸체의 후반부 말단에서 무인 잠수정의 전후 이동을 위한 주된 추력 및 추력 편향을 발생시키는 이동 조절부; 및
    상기 주된 추력 관련 역기전력을 이용하여 에너지를 회생시키는 메인회로 및 전원 모듈을 구비하며,
    빙 홀을 통과할 수 있는 직경과 형상을 가지고 광대역 탐사가 필요할 경우에는 자율 무인 잠수정 모드로 동작하고, 정밀 실시간 탐사가 필요할 경우에는 원격 무인 잠수정 모드로 동작하되,
    상기 메인회로 및 전원 모듈은,
    주 처리부로서,
    잠수정의 이동 경로, 위치 유지, 회수시 호밍 동작 및 각종 센싱 동작을 제어하는 온보드 컴퓨터;
    무인 잠수정의 상기 동작 전원을 관리하고 모니터링하는 전원 관리부;
    상기 동작 전원의 DC 전압을 조정 및 분배하는 직류 전원 분배부;
    모선과 잠수정 간의 상기 무선 통신을 연계하는 통신 인터페이스; 및
    상기 역 기전력을 이용하여 상기 에너지를 회생시키는 모터 드라이버;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
    
15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 추진기 모듈은
    빙 홀에 진입시 수직 자세로 하향 이동하였다가 상기 빙 홀을 통과한 후에 수평 자세로 변환시와, 상기 빙 홀을 통과하여 해저 탐사시 및 무인 잠수정의 호버링(hovering) 동작시 상기 후반부에서 상기 수평 방향에 대한 제2 추력을 발생시키는 상기 제2 무축 추력기; 및
    상기 제2 무축 추력기와 1 세트로 하여 배치되고, 상기 후반부에서 상기 수직 방향에 대한 제2 추력을 발생하여, 무인 잠수정의 수평 자세를 유지시키는 상기 제2 추진부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
    
16. 제 11 항에 있어서,
    상기 메인 추진기 모듈은
    상기 몸체의 후반부 말단에 위치하고 프로펠러를 통해 상기 주된 추력을 발생시키는 상기 주 추력기; 및
    무인 잠수정의 길이 방향으로 연장되는 상기 한 쌍의 구동축을 구비하고, 상기 주 추력기의 상기 추력 방향을 편향되게 바꾸며 무인 잠수정을 조향하는 상기 선형 구동기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
    
17. 몸체의 전반부 및 후반부에서 수평 및 수직 방향에 대한 추력을 발생시키는 자세 조절부;
    상기 몸체의 후반부 말단에서 무인 잠수정의 전후 이동을 위한 주된 추력 및 추력 편향을 발생시키는 이동 조절부; 및
    상기 주된 추력을 발생시키는 주 추력기의 제어시 발생되는 역기전력을 이용하여 에너지를 회생시키는 모터 드라이버를 구비하며,
    빙 홀을 통과할 수 있는 직경과 형상을 가지고 빙 홀을 통해 운용되고, 빙붕 밖 외해의 모선에서도 운용되는 것을 특징으로 하는,
    극지 빙저 탐사를 위한 혼합형 무인 잠수정.
    

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