KR102580716B1 - 로봇 부이 - Google Patents

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강형주
이계홍
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한국로봇융합연구원
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Abstract

본 발명은 자율 무인 잠수정(autonomous underwater vehicle)의 위치를 주기적으로 보정하기 위한 로봇 부이에 관한 것이다.
본 발명은 하부에 부력체를 마련하고, 수상에서 부유하는 몸체부, 상기 몸체부의 하측에 위치하고, 위치를 측정하는 제1 위치 측정부 및 상기 몸체부에 마련되고, 상기 제1 위치 측정부에 연결되어 상기 제1 위치 측정부의 위치를 조정할 수 있는 수심 조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

로봇 부이{ROBOT BUOY}
본 발명은 로봇 부이에 관한 것이다. 특히 본 발명은 자율 무인 잠수정(autonomous underwater vehicle)의 위치를 주기적으로 보정하기 위한 로봇 부이에 관한 것이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1328842호에는 종래의 해양계측용 로봇 부이를 개시하고 있다.
이러한 종래의 로봇 부이는 수면의 움직에 따라 롤링 또는 피칭하는 것을 방지하는 수단이 마련되지 못하여 위치를 계측한 장치의 위치 정보에 오차가 발생되고, 이러한 오차는 데이터의 신뢰성을 떨어뜨리는 요인으로 작용한다.
특히 자율 무인잠수정(AUV:autonomous underwater vehicle) 등과 같은 장비는 수중 환경의 특성상 자기 위치 측정을 위한 GPS(global positioning system)를 이용하지 못하기 때문에, 관성센서(IMU, DVL)를 이용해 자기 위치를 추정하는데, 이는 시간이 지남에 따라 자기 위치 추정 오차가 발생하는 문제점이 있었다.
그래서 자율 무인잠수정은 로봇 부이를 활용하여 위치를 추적할 필요성이 있었다.
따라서 로봇 부이에 설치된 초단기선 초음파 위치추적시스템(USBL, ultra short base line)을 이용해 자율 무인잠수정의 위치를 주기적으로 보정할 필요성이 있다.
로봇 부이는 수중에서 임무를 수행하는 자율 무인잠수정의 위치를 초단기선 초음파 위치추적시스템을 이용해 보정하고, 수상에서는 GPS 신호 수신 및 관측 시스템으로의 정보전달 임무를 수행할 수 있다.
하지만 파도/조류 등을 포함한 해상 조건에 의해서 초단기선 초음파 위치추적시스템의 자세가 불안정해지면, 자율 무인잠수정의 추정 오차가 커지거나, 완전히 잘못된 위치를 추정함으로써, 자율 무인잠수정의 정상적인 임무수행을 불가능하게 하는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서 파도/조류 등을 포함한 해상환경(sea state 3 이하)에서 초단기선 초음파 위치추적시스템의 자세 안정성을 확보하고, 초단기선 초음파 위치추적시스템과의 전방 방향을 일치시킬 수 있는 로봇 부이를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 부이는 하부에 부력체를 마련하고, 수상에서 부유하는 몸체부, 상기 몸체부의 하측에 위치하고, 위치를 측정하는 제1 위치 측정부 및 상기 몸체부에 마련되고, 상기 제1 위치 측정부에 연결되어 상기 제1 위치 측정부의 위치를 조정할 수 있는 수심 조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 몸체부는 상부에 제2 위치 측정부를 형성할 수 있다.
상기 제1 위치 측정부는 수중에 위치하고, 상기 수심 조절부와 연결되는 고정부와, 상기 고정부의 하부에 형성되고, 위치를 측정할 수 있는 수중 위치 측정기와, 상기 고정부의 양측부에 각각 형성되고, 추진력을 발생시키는 추진기와, 상기 고정부의 상부에 형성되고, 무게를 조절할 수 있는 무게 조절부와 상기 고정부의 상부에 형성되고, 자세를 측정할 수 있는 제1 자세 측정 센서와, 상기 수중 위치 측정기와 상기 제1 자세 측정 센서로부터 전기 신호를 수신하고, 상기 추진기를 조종하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 몸체부는 상부에 제2 자세 측정 센서를 형성하고, 상기 제어부는 상기 제2 자세 측정 센서로부터 전기 신호를 수신하여 상기 몸체부의 전방부 위치를 파악하고, 상기 제1 자세 측정 센서로부터 수신한 전기 신호와 비교 계산하여 상기 제1 위치 측정부의 전방부의 방향이 상기 몸체부의 전방부의 방향과 일치할 수 있도록 상기 추진기를 조종하여 상기 제1 위치 측정부의 방향을 조정할 수 있다.
상기 수심 조절부는 상기 제1 위치 측정부와 연결되는 와이어와, 상기 와이어를 권취 및 권출할 수 있는 윈치부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 부이는 파도/조류 등을 포함한 해상환경(sea state 3 이하)에서 초단기선 초음파 위치추적시스템의 자세안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 부이는 초단기선 초음파 위치추적시스템과 전방 방향을 일치시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 부이는 자율 무인잠수정의 위치정보를 안정적으로 보정함으로써, 자율 무인잠수정의 운용성능을 극대화하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 부이의 사시도이다.
도 2는 도 1을 정면에서 도시한 정면도이다.
도 3은 도 2에서 제1 위치 측정부의 위치를 이동하는 것을 도시한 사용상태도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 부이의 제1 위치 측정부만을 확대하여 무게추를 분리한 것을 정면에서 도시한 부분 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 부이의 무게추만을 평면에서 도시한 평면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 부이의 사시도이고, 도 2는 도 1을 정면에서 도시한 정면도이고, 도 3은 도 2에서 제1 위치 측정부의 위치를 이동하는 것을 도시한 사용상태도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 부이의 제1 위치 측정부만을 확대하여 무게추를 분리한 것을 정면에서 도시한 부분 확대도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 부이의 무게추만을 평면에서 도시한 평면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 부이는 몸체부(100), 제1 위치 측정부(200) 및 수심 조절부(300)를 포함한다.
몸체부(100)는 수상에 부유할 수 있다.
몸체부(100)는 하부에 부력체(110)를 형성할 수 있다.
부력체(110)는 몸체부(100)의 중앙을 중심으로 몸체부(100)의 하부 양측에 서로 대칭되게 형성될 수 있다.
부력체(110)는 내부에 공기 등과 같은 기체를 채워 넣은 플라스틱 등과 같은 물에 뜨는 수지 소재이거나 나무, 스티로폼(Styrofoam), 합성섬유 등 중 어느 하나 이상일 수 있으나, 물에 뜰 수 있는 부력을 갖을 수 있다면 그 소재는 한정되지 않는다.
몸체부(100)는 상부에 제2 위치 측정부(120)를 포함할 수 있다.
제2 위치 측정부(120)는 GPS(global positioning system) 등을 포함하고, GPS 위성에서 보내는 위치 신호를 수신할 수 있다.
제2 위치 측정부(120)는 기둥부(121)와 GPS 수신기(123)를 형성할 수 있다.
기둥부(121)는 몸체부(100)의 상부에 기립하고, 상부가 양측으로 갈라지게 형성될 수 있다.
GPS 수신기(123)는 기둥부(121)의 양측으로 갈라진 상부의 단부에 각각 설치될 수 있다.
몸체부(100)는 상부에 제2 자세 측정 센서(130)를 형성할 수 있다.
제2 자세 측정 센서(130)는 몸체부(100)의 자세를 측정할 수 있는 자세 센서(attitude sensor), 자이로 센서(gyro sensor), 관성 센서(inertial measurement unit), 도플러 속도 센서(doppler velocity log) 등 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
자세 센서는 몸체의 무게 중심을 지나 서로 직교하는 피치(pitch)축, 요(yaw)축, 롤(roll)축에 대한 변동을 검출하는 센서일 수 있다.
자이로 센서는 지구의 회전과 관계없이 높은 정확도로 항상 처음에 설정한 방향을 유지하는 성질을 이용하여 물체의 방위 변화를 측정하는 센서일 수 있다.
관성 센서는 가속도계, 각속도계, 지자기계 및 고도계를 이용하여 이동 물체의 속도와 방향, 중력 가속도를 측정할 수 있다.
도플러 속도 센서는 마이크로파의 송신 후 수신할 때의 주파수의 변화량을 이용해 움직임을 측정할 수 있다.
몸체(100)는 상부에 제1 제어부(150)와 제1 전원부(140)를 형성할 수 있다.
제1 제어부(150)는 수심 조절부(300)를 조작하고, 제2 위치 측정부(120) 와 제2 자세 측정 센서(130)로부터 전기 신호를 수신 받아 산출하는 중앙처리장치 및 다른 통신 단말기와 전기 신호를 송수신하는 통신모듈을 포함할 수 있다.
제1 전원부(140)는 전기 배터리 등으로 형성될 수 있고, 수심 조절부(300), 제2 위치 측정부(120), 제2 자세 측정 센서(130) 및 제1 제어부(150)로 전원을 공급할 수 있다.
수심 조절부(300)는 제1 위치 측정부(200)의 수중에서의 위치를 조정할 수 있다.
수심 조절부(300)는 몸체부(100)의 상부 중앙부에 설치될 수 있다.
수심 조절부(300)는 와이어(310)와 윈치부(320)를 형성할 수 있다.
와이어(310)는 몸체부(100)의 중앙부에 관통된 관통홀(101)을 통해 제1 위치 측정부(200)와 연결될 수 있다.
와이어(310)는 높은 인장 강도를 갖으며 바닷물 등에 산화하지 않는 스테인리스 소재 등을 사용할 수 있다.
윈치부(320)는 와이어(310)를 권취 및 권출을 할 수 있고, 권취된 와이어(310)를 권출하거나 권출된 와이어(310)를 권취함에 따라 와이어(310)에 연결된 제2 위치 측정부(200)의 위치를 조정할 수 있다.
윈치부(320)는 몸체부(100)의 상부 중앙부에 형성되어 몸체부(100)의 무게 중심이 일측으로 치우치지 않게 할 수 있다.
윈치부(320)는 전동윈치 또는 유압윈치 등으로 형성될 수 있다.
윈치부(320)는 전동기 등과 같은 동력부(321)와 동력부(321)와 연결되어 동력부(321)의 동력에 의해 회전하는 드럼부(323)를 형성할 수 있다.
드럼부(323)는 일측 또는 타측으로 회전함에 따라 와이어(310)를 드럼부(323)의 둘레부에 권취하거나 드럼부(323)의 둘레부에 권취된 와이어(310)를 권출할 수 있다.
제1 위치 측정부(200)는 초단기선 초음파 위치추적시스템(USBL, ultra-short baseline) 등을 이용하여 수중에서 위치를 측정할 수 있다.
초단기선 초음파 위치추적시스템은 여러 개의 수신센서를 하나의 트랜시버로 집적하고 각 센서에서 수신된 신호의 위상 차이를 이용해 원격 트랜스폰더의 위치를 추적할 수 있다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 위치 측정부(200)는 몸체부의 하측에 위치하되, 수심 조절부(300)의 와이어(310)에 연결되어 수중에서 위치(수심) 조정 가능하게 형성될 수 있다.
제1 위치 측정부(200)는 고정부(210), 수중 위치 측정기(220), 추진기(230), 무게 조절부(240), 제1 자세 측정 센서(250), 제2 제어부(미도시) 및 제2 전원부(미도시)를 형성할 수 있다.
고정부(210)는 제1 위치 측정부(200)의 몸체를 형성하고, 수심 조절부(300)의 와이어(310)와 연결될 수 있다.
수중 위치 측정기(220)는 고정부(210)의 하부에 연결되게 형성될 수 있다.
수중 위치 측정기(220)는 초단기선 초음파 위치추적시스템 등으로 형성되어 위치를 측정할 수 있다.
추진기(230)는 고정부(210)의 양측부에 각각 형성되고, 제1 위치 측정부(200)가 수중에서 유영할 수 있도록 추진력을 발생시킬 수 있다.
고정부(210)의 양측부에 각각 형성된 추진기(230)는 고정부(210)의 중앙부를 양측으로 수직하게 가로지르는 가상의 수직선상에 위치할 수 있다.
추진기(230)에 의해 제1 위치 측정부(200)가 수중에서 유영하면 제1 위치 측정부(200)와 연결된 몸체부(100)는 제1 위치 측정부(200)와 함께 추진기(230)의 추진력에 의해 수상에서 유영할 수 있다.
추진기(230)는 제어부에 의해 조작되고, 추진 방향을 전환함에 따라 제1 위치 측정부(200) 및 몸체부(100)의 유영 방향을 전환할 수 있다.
무게 조절부(240)는 제1 위치 측정부(200)의 무게를 조절하여 복원력을 극대화함으로써 자중으로 자세를 유지하게 할 수 있다.
무게 조절부(240)는 고정부(210)의 상부에 기립된 지지부(241)와 지지부(241)에 끼움 고정되는 무게추(243)를 형성할 수 있다.
지지부(241)는 고정부(210)의 상부에 수직하게 형성되는 봉 또는 바 형상을 이루고, 고정부(210)의 중앙부를 기준으로 서로 대각선 방향에 위치하게 한 쌍을 이루어 무게 중심을 유지하게 할 수 있다.
무게추(243)는 복수 개를 형성하고, 중앙을 관통하게 천공되어 지지부(241)에 천공된 중앙부를 끼움 결합할 수 있다.
복수 개의 무게추(243)는 서로 크기 및 무게를 다르게 형성하고, 지지부(241)에 결합하는 무게추(243)를 조절하여 제1 위치 측정부(200)의 무게를 조절할 수 있다.
제1 자세 측정 센서(250)는 제1 위치 측정부(200)의 자세를 측정할 수 있는 자세 센서(attitude sensor), 자이로 센서(gyro sensor), 관성 센서(inertial measurement unit), 도플러 속도 센서(doppler velocity log) 등 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
제1 자세 측정 센서(250)는 고정부(210)의 상부에 형성될 수 있다.
제2 제어부는 고정부(210)의 내부에 형성되고, 제1 자세 측정 센서(250)로부터 측정된 제1 위치 측정부(200)의 위치 정보와 제2 자세 측정 센서(130)로부터 측정된 몸체부(100)의 위치 정보를 비교하여 제1 위치 측정부(200)의 전방(유영 방향)부를 몸체부(100)의 전방(유영 방향)부와 일치하도록 추진기(230)를 조작할 수 있다.
제2 제어부는 제1 자세 측정 센서(250)와 제2 자세 측정 센서(130)로부터 전기 신호를 수신 받아 산출하는 중앙처리장치 및 다른 통신 단말기와 전기 신호를 송수신하는 통신모듈을 포함할 수 있다.
제2 전원부는 추진기(230), 제1 자세 측정 센서(250) 및 제2 제어부에 전원을 공급할 수 있다.
제2 전원부는 전기 배터리 등으로 형성될 수 있고, 고정부(210)의 내부에 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 부이는 파도/조류 등을 포함한 해상환경(sea state 3 이하)에서 초단기선 초음파 위치추적시스템의 자세안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 부이는 초단기선 초음파 위치추적시스템과 전방 방향을 일치시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 부이는 자율 무인잠수정의 위치정보를 안정적으로 보정함으로써, 자율 무인잠수정의 운용성능을 극대화하는 효과가 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 몸체부
101: 관통홀
110: 부력체
120: 제2 위치 측정부
121: 기둥부
123: GPS 수신기
130: 제2 자세 측정 센서
140: 제1 전원부
150: 제1 제어부
200: 제1 위치 측정부
210: 고정부
220: 수중 위치 측정기
230: 추진기
240: 무게 조절부
241: 지지부
243: 무게추
250: 제1 자세 측정 센서
300: 수심 조절부
310: 와이어
320: 윈치부
321: 동력부
323: 드럼부

Claims (5)

  1. 하부에 부력체(110)를 마련하고, 수상에서 부유하는 몸체부(100);
    상기 몸체부(100)의 하측에 위치하고, 위치를 측정하는 제1 위치 측정부(200); 및
    상기 몸체부(100)에 마련되고, 상기 제1 위치 측정부(200)에 연결되어 상기 제1 위치 측정부(200)의 위치를 조정할 수 있는 수심 조절부(300);
    를 포함하고,
    상기 제1 위치 측정부(200)는 수중에 위치하고,
    상기 수심 조절부(300)와 연결되는 고정부(210)와,
    상기 고정부(210)의 하부에 형성되고, 위치를 측정할 수 있는 수중 위치 측정기(220)와,
    상기 고정부(210)의 양측부에 각각 형성되고, 추진력을 발생시키는 추진기(230)와,
    상기 고정부(210)의 상부에 형성되고, 무게를 조절할 수 있는 무게 조절부(240)와,
    상기 고정부(210)의 상부에 형성되고, 자세를 측정할 수 있는 제1 자세 측정 센서(250)와,
    상기 수중 위치 측정기(220)와 상기 제1 자세 측정 센서(250)로부터 전기 신호를 수신하고, 상기 추진기(230)를 조종하는 제어부를 포함하며,
    상기 몸체부(100)는 상부에 제2 자세 측정 센서(130)를 형성하고,
    상기 제어부는 상기 제2 자세 측정 센서(130)로부터 전기 신호를 수신하여 상기 몸체부(100)의 전방부 위치를 파악하고, 상기 제1 자세 측정 센서(250)로부터 수신한 전기 신호와 비교 계산하여 상기 제1 위치 측정부(200)의 전방부의 방향이 상기 몸체부(100)의 전방부의 방향과 일치할 수 있도록 상기 추진기(230)를 조종하여 상기 제1 위치 측정부(200)의 방향을 조정하는 것을 특징으로 하는 로봇 부이.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 몸체부(100)는 상부에 제2 위치 측정부(120)를 형성하는 것을 특징으로 하는 로봇 부이.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 수심 조절부(300)는,
    상기 제1 위치 측정부(200)와 연결되는 와이어(310)와,
    상기 와이어(310)를 권취 및 권출할 수 있는 윈치부(320)를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 부이.
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