KR102581442B1 - 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 제어 방법 - Google Patents

수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 제어 방법 Download PDF

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유선철
김태식
송석용
송영운
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 제어 방법이 제공된다. 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 제어 방법은 수중에서 상하 방향으로 이동가능하며 중력 방향 중심축을 중심으로 회전가능한 몸체, 상기 몸체에 설치되어 지면에 놓인 물체를 촬영할 수 있는 카메라 및 상기 카메라가 상기 물체를 촬영할 수 있도록 라인 레이저를 상기 물체에 대하여 경사진 방향으로 조사할 수 있는 레이저 조사기를 포함하여 상기 물체를 수중에서 3차원 스캐닝할 수 있는 수중 로봇의 제어 방법으로서, 상기 수중 로봇의 카메라가 상기 물체를 인식하는 단계; 상기 카메라가 상기 물체 전체를 촬영할 수 있는 최소한의 높이(H1) 이상으로 상기 수중 로봇을 이동시키는 단계; 상기 몸체의 중심축을 상기 물체의 일측에 일치시키는 단계; 상기 레이저 조사기에서 라인 레이저를 상기 물체 측으로 조사시키는 단계; 상기 카메라가 상기 물체 전체를 촬영할 수 있는 최소한의 높이(H1)보다 높은 소정의 높이(H2)에서 상기 라인 레이저가 상기 물체의 일측에 위치되는지 판단하는 단계; 상기 소정의 높이(H2)에서 상기 라인 레이저가 상기 물체의 일측에 위치된 경우, 상기 몸체를 회전시키면서 상기 물체에 조사된 라인 레이저를 상기 카메라를 이용하여 촬영하는 단계; 상기 카메라에서 촬영된 영상을 분석하여 상기 물체를 3차원 스캐닝하는 단계를 포함한다.

Description

수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 제어 방법{A method for controlling an underwater robot capable of 3D scanning of an object underwater}
본 발명은 수중 로봇의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇이 물체를 3차원 스캐닝하는 동안 수중 로봇의 위치를 제어하는 방법에 관한 것이다.
3D 스캔이란, 물체 또는 환경의 모양에 대한 데이터를 수집하여 수집한 데이터를 통해 물체 또는 환경의 디지털 3D 모델을 생성하는 절차를 말한다. 이러한 3D 스캔은 사람이 직접 측정할 수 없는 극한 환경 특히, 저온, 고압의 해저에서 자주 사용된다.
3D 스캔을 통해 물체의 3차원 형상을 추출하기 위해서는 결국 물체의 높이를 측정해야 하며, 높이를 측정하기 위해 다양한 기술을 기반으로 한 방식이 사용된다. 예를 들면 스테레오 비전 방식, 소나 방식이 가장 대표적인 방식이다.
스테레오 비전 방식은 두 대의 2D 카메라를 이용하여 수집한 영상을 조합함으로써 3D 모델을 추출하는 방식이다. 스테레오 비전 방식을 위해서는 일정한 조도를 유지하기 위한 조명이 필요하고, 또한 데이터 분석을 위해 고사양의 컴퓨터가 필요하다는 한계가 있다.
소나 방식은 초음파를 발사하고 반사된 초음파를 수신함으로써 초음파를 반사한 물체의 행태를 추출하는 방식이다. 이 때, 물체의 형태는 초음파를 발사하는 초음파 발사체의 위치에 따라 상대적으로 측정되므로 초음파 발사체의 위치를 파악할 수 있는 고가의 센서가 사용되어야 하는 한계가 있다.
또한 3D 스캔에 관한 수요가 증가함에 따라, 3D 스캔의 정확도를 높이기 위한 목적으로 다양한 방식이 3D 스캔 방식이 개발되어 왔고, 이에 따라 제조 비용도 함께 상승하였다.
이러한 비용상승은 해저 탐사의 특성상 스캔 장치의 고장으로 인해 회수가 불가능 경우 큰 손실을 초래하기 때문에 해저 탐사 자체를 소극적으로 할 수밖에 없는 환경을 조성하는 문제를 야기하여 왔다.
따라서 적정한 정확도를 가지면서도 간단한 계산으로 쉽게 물체의 높이를 측정할 수 있어서 제조 비용을 절감할 수 있는 스캔 장치에 대한 요구가 대두되고 있었다.
이에 따라, 본 발명의 발명자는 한국공개특허 제 10-2022-0059719호의 "수중 스캔 장치 및 이를 이용한 수중 스캔 방법"발명을 통하여 수중에서 물체를 3차원으로 스캔하는 수중 로봇을 제시한 바 있다.
그런데, 이와 같은 수중 로봇은 수중에서 3차원 물체를 스캔하는 경우 물체를 확인하기 위하여 물체를 촬영한 해상도가 높을 필요가 있고, 이와 같이 높은 해상도를 갖도록 하기 위하여 수중에서 위치 제어가 반드시 필요하다.
또한, 필요에 따라 물체의 중앙부보다 물체의 외측부에서의 해상도가 높은 영상을 촬영할 필요가 있는데 이와 같은 경우 수중 로봇의 수중에서의 위치 제어가 필요할 수 있다.
본 발명의 목적은 수중에 물체를 3차원 스캔할 수 있는 수중 로봇이 촬영한방법을 물체의 영상이 높은 해상도를 갖도록 수중 로봇의 위치를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 수중에서 수중 로봇이 물체를 3차원 스캐닝할 때 물체의 중앙으로부터 외측으로 갈수록 더 높은 해상도를 갖도록 촬영할 수 있는 수중 로봇의 위치 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 수중에서 상하 방향으로 이동가능하며 중력 방향 중심축을 중심으로 회전가능한 몸체, 상기 몸체에 설치되어 지면에 놓인 물체를 촬영할 수 있는 카메라 및 상기 카메라가 상기 물체를 촬영할 수 있도록 라인 레이저를 상기 물체에 대하여 경사진 방향으로 조사할 수 있는 레이저 조사기를 포함하여 상기 물체를 수중에서 3차원 스캐닝할 수 있는 수중 로봇의 제어 방법으로서, 상기 수중 로봇의 카메라가 상기 물체를 인식하는 단계; 상기 카메라가 상기 물체 전체를 촬영할 수 있는 최소한의 높이(H1) 이상으로 상기 수중 로봇을 이동시키는 단계; 상기 몸체의 중심축을 상기 물체의 일측에 일치시키는 단계; 상기 레이저 조사기에서 라인 레이저를 상기 물체 측으로 조사시키는 단계; 상기 카메라가 상기 물체 전체를 촬영할 수 있는 최소한의 높이(H2)보다 높은 소정의 높이에서 상기 라인 레이저가 상기 물체의 일측에 위치되는지 판단하는 단계; 상기 소정의 높이에서 상기 라인 레이저가 상기 물체의 일측에 위치된 경우, 상기 몸체를 회전시키면서 상기 물체에 조사된 라인 레이저를 상기 카메라를 이용하여 촬영하는 단계; 상기 카메라에서 촬영된 영상을 분석하여 상기 물체를 3차원 스캐닝하는 단계를 포함하는 수중 로봇의 제어 방법이 제공된다.
이 때, 상기 물체의 일측은 상기 물체의 중심부일 수 있다.
이 때, 상기 라인 레이저가 상기 물체의 일측에 위치되는지 판단하는 단계 이후에, 상기 라인레이저가 상기 물체의 일측에 위치되지 않은 경우 상기 몸체를 상기 라인레이저가 상기 물체의 일측에 위치될 수 있는 최대 높이(H1)까지 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 카메라를 이용하여 촬영하는 단계에서, 상기 몸체는 상기 물체가 놓인 지면으로부터 동일한 높이만큼 이격된 높이를 유지하면서 회전될 수 있다.
이 때, 상기 카메라를 이용하여 촬영하는 단계에서, 상기 몸체가 상기 카메라가 상기 물체 전체를 촬영할 수 있는 최소 높이(H2)보다 높고, 상기 몸체를 상기 라인레이저가 상기 물체의 일측에 위치될 수 있는 최대 높이(H1)에 위치되는 경우, 상기 수중 로봇을 상기 최대 높이(H1)로부터 상기 최소 높이(H2)까지 하측 방향으로 이동시키면서 상기 물체를 촬영할 수 있다.
이 때, 상기 수중 로봇이 상기 최대 높이(H1)로부터 상기 최소 높이(H2)까지 하측 방향으로 이동하는 동안, 상기 수중 로봇은 연속적으로 회전하도록 구동될 수 있다.
이 때, 상기 상기 수중 로봇이 상기 최대 높이(H1)로부터 상기 최소 높이(H2)까지 하측 방향으로 이동하는 동안, 상기 수중 로봇은 하측 방향으로의 이동 및 멈춤을 반복하고, 상기 수중 로봇이 하측 방향으로 이동이 멈춘 상태에서만 상기 수중 로봇의 회전하면서 상기 물체를 촬영할 수 있다.
이 때, 상기 수중 로봇이 촬영한 상기 물체의 해상도는 상기 물체의 일측으로부터 상기 물체의 외측 방향으로 갈수록 높아질 수 있다.
이 때, 상기 레이저가 조사되어 상기 물체를 향하는 방향은 항상 일정한 기울기를 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 제어 방법을 이용함으로써 수중에서 3차원 스캐닝 가능한 수중 로봇이 수중에서 물체를 보다 해상도가 높게 촬영할 수 있다.
또한, 수중에서 3차원 스캐닝 가능한 수중 로봇이 수중에 위치된 물체를 촬영할 때 물체의 중앙부보다 외측부에서 보다 높은 해상도를 갖는 영상을 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 사시도이다.
도 2는 도 1의 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇을 다른 방향에서 바라본 사시도 이다.
도 3(a), 도 3(b) 및 도 3(c)는 각각 도 1의 수중 로봇의 레이저 조사기에서 물체를 향해 라인 레이저가 조사된 상태를 나타내는 측면도, 사시도, 상면도이고, 도 3(d)는 도 1의 수중 로봇이 촬영한 영상의 한 프레임에서 추출한 물체의 형상을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇이 수중에서 물체를 스캔하도록 제어하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중로봇이 수중에서 물체를 스캔하도록 촬영을 준비하는 단계를 보다 상세히 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇이 수중에서 물체를 스캔하는 과정에서 물체의 형상을 추출하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 7(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 라인 레이저가 물체의 중심을 조사하는 상태에서 카메라가 물체의 중심에 위치될 수 있는 최대 높이(H1)에 위치된 상태를 나타낸 도면이며, 도 7(b)는 도 7(a) 상태에서 물체에 조사된 라인 레이저를 보여주기 위한 물체의 평면도이다.
도 8(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 카메라가 물체 전체를 화면 프레임 내에서 촬영할 수 있는 가장 가까운 높이(H2)에서 라인 레이저가 물체를 조사하는 상태를 나타낸 도면이며, 도8(b)는 도 8(a) 상태에서 물체에 조사된 라인 레이저를 보여주기 위한 물체의 평면도이다.
도 9(a)는 수중 로봇이 H1 높이에 위치된 상태에서 H2 높이에 위치된 상태까지 연속적으로 이동하는 동안 몸체를 회전시키면서 물체를 카메라로 촬영하는 동안 라인 레이저의 이동 경로를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 9(b)는 도9(a)의 라인레이저의 이동 경로를 따라 라인 레이저가 이동하는 동안 카메라가 물체를 촬영한 상태에서 물체를 촬영한 카메라의 해상도의 연속적인 변화를 나타낸 도면이다.
도 10(a)는 수중 로봇이 H1 높이에 위치된 상태에서 H2 높이에 위치된 상태까지 불연속적으로 이동과 멈춤을 반복하여 이동하되, 상하방향으로 이동하는 동안에는 회전하지 않고, 높이 방향 이동을 멈춘 동일 높이에서는 한바퀴 회전하면서 회전하면서 라인 레이저를 촬영하는 방식으로, 3바퀴를 회전하면서 물체를 카메라로 촬영하는 동안 라인 레이저의 이동 경로를 나타낸 도면이고, 도 10(b)는 도 10(a)의 라인 레이저의 이동 경로를 따라 라인 레이저가 이동하는 동안 카메라가 물체를 촬영한 상태에서 물체를 촬영한 카메라의 해상도를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
'제 1', '제 2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제 1 구성요소'는 '제 2 구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제 2 구성요소'도 '제 1 구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
본 발명은 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법에 대한 것이다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법이 적용될 수 있는 수중 로봇에 대하여 먼저 설명한 후, 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법을 적용할 수 있는 수중 로봇의 사시도이고, 도 2는 도 1의 수중 로봇을 다른 방향에서 바라본 사시도 이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법을 적용할 수 있는 수중 로봇(1)는 몸체(10), 카메라(40), 레이저 조사기(30), 추진 부재(20), 제어부, 계산부를 구비한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법을 적용할 수 있는 수중 로봇(1)의 몸체(10)는 도 1에서 볼 때 상하 방향으로 연장 형성된다. 예를 들어, 몸체(10)는 기둥의 형상으로 형성될 수 있다.
이 때, 몸체(10)는 길이 방향의 중심축(C)을 중심으로 회전할 수 있도록 형성된다. 이에 따라, 중심축(C)을 중심으로 회전 시 몸체(10)의 관성모멘트를 최소화하기 위해 몸체(10)의 무게중심이 중심축(C)에 배치될 수 있도록 형성될 수 있다.
이 때, 일 실시예로서, 몸체(10)가 수중에서 중심축(C)을 중심으로 회전 시 물의 저항을 줄임으로써 몸체(10)가 용이하게 회전할 수 있도록 몸체(10)의 중심축(C)에 수직한 단면의 형상이 정다각형 또는 원형으로 형성될 수 있다. 다만, 몸체(10)가 반드시 정다각형 또는 원형 단면을 구비하여야 하는 것은 아니며 몸체(10)는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법을 적용할 수 있는 수중 로봇(1)의 몸체(10)의 길이 방향의 일단면에는 카메라가 구비된다. 카메라는 몸체(10)에 고정된 상태에서 몸체(10)와 함께 움직이면서 물체(3)와 물체(3)가 놓인 주변 지면을 촬영할 수 있다.
카메라(40)가 물체(3)와 물체(3)의 주변 지면을 촬영한 뒤 촬영한 영상을 데이터로 변환하여 저장할 수 있으면 카메라(40)의 종류에는 제한이 없다. 이 때 카메라(40)의 작동 원리나 카메라(40)가 영상을 데이터화하는 방식은 공지된 것으로 상세한 설명은 생략한다.
일 예로서, 카메라(40)는 카메라(40)가 촬영하는 방향의 중심 방향이 몸체(10)의 길이방향의 중심축(C)과 평행하도록 배치된다. 나아가, 카메라(40)는 카메라(40)의 촬영 방향의 중심 방향이 중심축(C)과 일치하도록 배치될 수 있다. 이와 같은 경우, 몸체(10)가 중심축(C)을 중심으로 회전 시 카메라(40)의 렌즈가 중심축(C)을 중심으로 제자리에서 회전하면서 물체(3)를 촬영할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 수중 로봇(1)의 몸체(10)에는 스캔 대상이 되는 물체(3)와 물체(3)가 놓인 주변 지면 위에 레이저를 조사하는 레이저 조사기(30)가 구비된다.
레이저 조사기(30)는 몸체(10)의 측면부에 장착될 수 있다. 이 때, 레이저 조사기(30)는 몸체(10)로부터 탈착이 가능하고 탈착 위치가 변경될 수 있도록 장착될 수 있다.
이는 스캔 대상 물체(3)가 놓여있는 환경에 따라 조사할 레이저의 세기나 조사할 범위가 바뀔 수 있으므로 이에 맞추어 다양한 레이저 조사기(30)를 장착할 수 있도록 하기 위함이다.
또한, 레이저 조사기(30)의 위치에 따라서 수중 로봇(1)의 무게 중심이 달라질 수 있으므로 수중 로봇(1)의 무게 중심이 몸체(10)의 중심축(C) 상에 배치될 수 있도록 레이저 조사기(30)의 위치를 변경할 수 있도록 하기 위함이다.
이 때, 레이저 조사기(30)가 탈착되는 방식은 공지된 다양한 방식을 이용할 수 있으며 실시예에 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들면 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 몸체(10)의 둘레에 일정한 간격으로 이격 배치된 다수의 거치대(12)가 배치되고 거치대(12)에 레이저 조사기(30)가 연결 부재(32)에 고정된 채로 끼움결합하는 방식일 수 있다.
한편 도 1에 도시된 바와 같이, 수중 로봇(1)의 레이저 조사기(30)는 조사된 라인 레이저가 도달한 곳에 라인을 형성하도록 레이저 광을 방사한다. 레이저 광이 방사되어 조사된 장소에 라인을 형성하는 방식에는 제한이 없으며, 이를 위한 다양한 방식은 공지되어 있으므로 레이저 조사기(30)의 조사 방식에 대한 상세한 설명을 생략한다.
이 때, 도 1에 도시된 바와 같이, 라인 형성을 위한 레이저 광을 방사하는 방사각(α)은 라인 레이저에 의하여 형성된 라인이 카메라(40)가 촬영하는 범위 내에 위치하도록 다양한 각도로 조절될 수 있다.
또한, 광학 카메라를 이용하여 레이저에 의해 형성된 라인을 촬영할 수 있다면 레이저 조사기(30)가 조사하는 레이저의 종류에 제한이 있는 것도 아니다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 조사기(30)는 중심축(C)의 방향과 레이저 조사기(30)가 라인 레이저를 조사하는 방향이 소정의 각도를 갖도록 배치된다. 이에 따라, 물체(3)와 주변 지면의 높이 차이에 따라 물체(3)에 형성된 라인과 주변 지면에 형성된 라인을 연장한 선이 서로 이격되어 배치된다.
설명의 편의를 위하여 이하에서는 주변 지면에 형성된 라인을 제 1 라인(L1)이라 규정하고, 물체(3)에 형성된 라인을 제 2 라인(L3)이라 규정하여 설명한다. 이 때, 제 1 라인(L1)과 달리 제 2 라인(L3)은 물체(3)의 형태에 따라서 수 개의 불연속적인 라인으로 형성될 수 있다.
이 때, 레이저 조사기(30)는 필요에 따라 중심축(C)의 방향과 레이저 조사기(30)가 라인 레이저를 조사하는 방향 사이의 각도를 조절할 수 있다. 각도(θ)를 조절함으로써 제 1 라인(L1)과 제 2 라인(L3) 사이의 간격을 조절할 수 있으므로 스캔 대상 물체(3)의 크기가 작은 경우에는 각도(θ)를 줄여서 물체(3)를 스캔할 수 있다.
중심축(C)의 방향과 레이저 조사기(30)가 라인 레이저를 조사하는 방향 사이의 각도(θ)는 수중 로봇(1)를 물 속으로 입수시키기 전 수동으로 조절할 수 있다.
한편, 수중 로봇(1)은 추진 부재(20), 부력 부재(50), 집게팔(60) 및 제어부를 구비한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 수중 로봇(1)의 몸체(10)에는 몸체(10)의 움직임을 제어하기 위하여 추진 부재(20)가 장착된다. 추진 부재(20)는 물 속에서 물체(3)에 추진력을 제공한다.
이 때, 도 1에 도시된 바와 같이, 수중 로봇(1)의 추진 부재(20)는 프로펠러를 구비하여 프로펠러를 회전시킴으로써 몸체(10)에 추진력을 제공할 수 있다. 추진 부재(20)가 추진력을 제공하는 방식은 반드시 프로펠러에 의한 방식이어야 하는 것은 아니며 공지된 다양한 방식을 이용할 수 있다.
추진 부재(20)는 몸체(10)의 측면부에 구비될 수 있다. 또한 추진 부재(20)를 몸체(10)의 측면부에 구비된 거치대(12)에 탈착 가능하도록 장착될 수 있다. 이에 따라 사용자는 추진 부재(20)의 위치를 다양하게 바꿀 수 있으며, 필요에 따라 다수의 추진 부재(20)를 몸체(10)에 장착할 수 있다. 이 때, 추진 부재(20)가 거치대(12)에 탈착되는 방식은 공지된 다양한 방식을 이용할 수 있으며, 실시예에 제한이 있는 것은 아니다.
추진 부재(20)는 하나 이상이 몸체(10)에 구비될 수 있다. 이를 통해 단일 방향으로만 추진력을 제공하는 추진 부재(20)를 사용하더라도 몸체(10)를 다양한 방향으로 이동시키거나 회전시킬 수 있다.
이 때, 다수의 추진 부재(20)는 쌍으로 구비되는 것이 바람직하다. 이는 추진 부재(20)의 몸체(10)의 한쪽에만 배치하는 경우 수중 로봇(1)의 무게 중심이 중심 축에서 벗어날 수 있기 때문이다.
이에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법이 적용될 수 있는 수중 로봇(1)에는 한 쌍의 제 1 추진기(22), 한 쌍의 제 2 추진기(24) 및 한 쌍의 제 3 추진기(26)가 구비될 수 있다. 이와 같은 3쌍의 추진기를 이용하여 수중 로봇은 도 1에서 볼 때, 상하 방향, 좌우 방향, 전후 방향 등으로 이동할 수 있고 중심축을 중심으로 회전할 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 수중 로봇(1)의 몸체(10)에는 몸체(10)가 수중에서 자중 방향의 반대 방향으로 외력, 즉 부력을 받도록 부력 부재(50)가 구비될 수 있다.
부력 부재(50)를 구비하는 것은 별도의 추진력을 제공하는 추진 부재(20)를 배치하지 않더라도 수중 로봇(1)가 물 위로 떠오르게 할 수 있다는 점에서 수중 로봇(1)의 제조 비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다.
한편, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 수중 로봇(1)의 몸체(10)에는 물체(3)의 방향을 바꾸어 다양한 방향에서 물체(3)를 스캔할 수 있도록 물체(3)를 이동시킬 수 있는 집게팔(60)이 구비될 수 있다.
집게팔(60)은 후술하는 제어부에 의하여 제어되며, 집게팔(60)이 작동하는 방식은 집게팔(60)을 이용하여 물체(3)를 옮기거나, 물체(3)가 지면에 놓인 방향을 바꿀 수 있다면 공지된 다양한 방식을 이용할 수 있다. 예를 들면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 두 개의 집게를 이용하여 물체를 들어올리는 방식을 이용할 수 있다.
이 때, 집게팔(60)은 수중 로봇(1)의 무게 중심이 중심축 상에 위치할 수 있도록 레이저 조사기(30)와 대향되도록 몸체(10)의 측면부에 배치될 수 있다. 또한, 무게 중심을 중심축 상에 위치시키기 위해, 한 쌍의 제 3 추진기(26)와 집게팔(60) 및 레이저 조사기(30)가 몸체(10)의 둘레에 동일한 간격으로 교호하여 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서, 수중 로봇(1)의 제어부는 몸체(10)의 내부에 배치되고, 추진 부재(20), 카메라(40), 집게팔(60) 및 레이저 조사기(30)에 연결된다.
제어부는 추진 부재(20)를 제어하여 물체(3)가 카메라(40)의 촬영 범위(S1) 내에 위치하도록 몸체(10)를 물체(3)의 근처로 이동시킨다. 카메라(40)의 촬영 범위(S1) 내에 물체(3)가 위치하면 중심축(C)을 중심으로 몸체(10)를 회전시키면서 카메라(40)를 통해 물체(3)와 물체(3)의 주변 지면을 촬영한다.
이 때, 제어부는 카메라(40)로 물체(3)를 촬영하기 전에 중심축(C)과 레이저 조사기(30)로부터 조사된 라인 레이저가 만나는 지점이 물체(3) 위에 위치되도록 몸체(10)의 위치를 제어하거나, 레이저 조사기(30)의 각도(θ)를 제어함으로써 스캔의 정확도를 높일 수 있다.
이를 보다 상세히 설명하면, 카메라(40)가 중심축(C)을 중심으로 회전하면서 물체를 촬영할 때, 레이저 조사기(30)에 의하여 형성된 제 2 라인(L3)이 중심축(C)과 물체(3)가 만나는 지점을 지나도록 제어부가 몸체(10)의 위치나, 레이저 조사기(30)의 각도(θ)를 조절한다. 이에 따라, 제 2 라인(L3)이 중심축(C)과 물체(3)가 만나는 지점을 지나지 않을 때와 달리, 한 번의 촬영으로 물체(3)의 전제 형상을 추출할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에서, 수중 로봇(1)의 제어부는 물 밖의 사용자로부터 신호를 수신하여 추진 부재(20), 카메라(40) 및 레이저 조사기(30)를 제어할 수 있다. 이 때, 물 밖의 사용자로부터 신호를 수신하는 방식은 공지된 다양한 방식을 이용할 수 있다. 예를 들면, 물리적인 전선을 이용하여 신호를 직접 수신하거나, 통신 장비를 구비하여 전파를 통해 신호를 수신할 수 있다.
한편 제어부는 사용자의 신호를 수신하지 않더라도, 제어부에 입력된 프로그램에 따라 물체(3)를 감지하고 물체(3)의 형상을 추출하여 수집한 뒤 사용자에게 복귀하도록 수중 로봇(1)를 제어할 수 있다.
도 3(a), 3(b) 및 3(c)는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 스캔 장치의 레이저 조사기에서 물체를 향해 라인 레이저가 조사된 상태를 나타내는 측면도, 사시도, 상면도이고, 도 3(d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 스캔 장치가 촬영한 영상의 한 프레임에서 추출한 물체의 형상을 나타내는 도면이다.
이하에서는 도 3(a) 내지 3(d)를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇(1)에서 촬영된 영상으로부터 물체(3)의 3차원 형상을 추출하는 과정에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇(1)는 계산부를 구비한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇(1)의 계산부는 제어부와 함께 몸체(10)의 내부에 배치되고, 카메라(40) 및 제어부와 연결되어 카메라(40)에서 촬영한 영상으로부터 물체(3)의 3차원 형상 데이터를 추출하고 제어부를 통해 사용자에게 3차원 형상 데이터를 송신한다.
계산부는 카메라(40)를 통하여 촬영한 영상의 프레임마다 물체(3)에 형성된 제 2 라인(L3)을 물체(3)의 주변 지면에 형성된 제 1 라인(L1)으로부터 구분한 뒤 물체(3) 위의 제 2 라인(L3)의 길이를 통해 물체(3)의 실제 크기를 산출한다. 이 때 물체(3)의 실제 크기란 물체(3) 위에 형성된 제 2 라인(L3)의 실제 길이로 규정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇(1)은 물체(3)의 실체 크기를 하기 식 1로 산출한다.
[식 1]
는 제 2 라인(L3)이 형성된 곳의 물체(3)의 실제 크기이고, 는 영상에서 제 2 라인(L3)의 길이이며, 는 중심축(C)과 라인 레이저가 만나는 지점의 높이에 위치한 물체(3)의 실제 크기와 카메라로 촬영된 영상 내 물체의 크기와의 비이다.
, 즉 영상에서 제 2 라인(L3)의 길이는 공지된 다양한 기준으로 측정할 수 있으며 물체(3)를 스캔할 때 동일한 기준을 가지고 길이를 측정하면 실시예에 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들면, 영상의 픽셀 개수를 통해 계산할 수 있다.
, 즉 중심축(C)과 라인 레이저가 만나는 지점의 높이에 위치한 물체(3)의 실제 크기와 카메라로 촬영된 영상 내 물체의 크기와의 비는 1회 이상의 사전 측정을 통해 산출한다.
이를 보다 상세하게 설명하면, 도 3(a) 내지 3(d)에 도시된 바와 같이 측정되는 면이 주변 지면과 평행하고 실제 크기를 알고 있는 기준 물체(3)를 물 속에 배치한다. 배치된 물체(3)의 상부면에 중심축(C)과 라인 레이저가 만나는 지점이 위치하도록 배치한 뒤 카메라(40)를 통해 촬영한다. 촬영된 영상 중 하나의 프레임으로부터 을 구하고 기준 물체(3) 실제 크기와 비교하여 값을 산출한다. 이 때 산출한 값은 레이저 조사기(30)의 각도(θ)가 변경되지 않으면 이 후 스캔 절차에 계속 사용될 수 있다.
한편, 계산부는 제 1 라인(L1) 및 제 2 라인(L3)을 통해 물체(3)의 높이를 산출한다. 이 때, 촬영된 영상의 하나의 프레임마다 물체(3) 위에 제 2 라인(L3)이 형성된 지점의 높이를 측정한 뒤 조합하여 물체의 전체적인 형상을 추출한다.
이를 보다 상세하게 설명하면, 도 3(a) 및 3(b)에 도시된 바와 같이, 물체(3)와 지면이 맞닿는 면의 반대면인 상부면에 중심축(C)과 라인 레이저가 만나는 지점이 배치되도록 추진 부재(20)를 통해 몸체(10)를 이동시킨다. 이 때, 중심축(C)이 물체(3)의 상부면과 만나는 지점이 물체(3)의 중심에 배치되는 것이 바람직하다.
상술한 상태에서 카메라(40)를 통해 물체(3)와 지면에 형성된 제 1 라인(L1) 및 제 2 라인(L3)을 몸체(10)가 회전하면서 촬영하면 도 3(c)에 도시된 바와 같은 이미지를 하나의 프레임에 담으며 연속적으로 물체(3)를 촬영하게 된다.
이 때, 계산부는 연속 촬영된 영상의 하나의 프레임마다 제 1 라인(L1)을 연장한 선(L2)과 제 2 라인(L3) 사이의 간격(d1)을 추출하여, 지면으로부터 물체(3)의 제 2 라인(L3)이 형성된 지점까지의 높이(h1)를 산출한다.
이 때, 수중 로봇(1)은 지면으로부터 물체(3)의 제 2 라인(L3)이 형성된 지점까지의 높이(h1)를 하기 식 2로 산출한다.
[식 2]
는 지면으로부터 물체(3)의 제 2 라인(L3)이 형성된 지점까지의 높이이고, 는 제 2 라인(L3)과 제 1 라인(L1)을 연장한 선(L2) 사이의 거리이며, 는 중심축(C)과 라인 레이저가 이루는 각도이고, 는 물체(3)의 실제 크기와 카메라(40)로 촬영된 영상 내 물체의 크기와의 비이다.
계산부는 촬영된 영상의 하나의 프레임에서 제 2 라인(L3)이 형성된 지점의 높이 정보를 취합하여 도 3(d)에 도시된 바와 같은 물체(3)의 일부분의 형상을 추출해 낸다. 또한, 계산부는 각 프레임마다 산출된 크기 정보 및 높이 정보를 취합하여 물체(3)의 3차원 형상을 추출하고 제어부를 통해 사용자에게 물체(3)의 형상 데이터를 송신하거나 몸체(10) 내부에 별도로 구비된 저장 매체에 저장한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇이 수중에서 물체를 스캔하도록 제어하는 과정을 나타낸 순서도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇이 수중에서 물체를 스캔하도록 촬영을 준비하는 단계를 보다 상세히 나타낸 순서도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇이 수중에서 물체를 스캔하는 과정에서 물체의 형상을 추출하는 단계를 나타내는 순서도이다. 도 7(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 라인 레이저가 물체의 중심을 조사하는 상태에서 카메라가 물체의 중심에 위치될 수 있는 최대 높이(H1)에 위치된 상태를 나타낸 도면이며, 도 7(b)는 도 7(a) 상태에서 물체에 조사된 라인 레이저를 보여주기 위한 물체의 평면도이다.
이하에서는 도 4 내지 도 7를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 물체를 스캔하기 위한 제어 방법에 대하여 설명한다. 다만, 상술한 수중 로봇(1)와 중복된 내용은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에서, 수중 로봇(1)이 수중에서 물체를 스캔하기 위한 제어 방법은 물체 인식 단계(S10), 카메라 조절 단계(S20), 레이저 조사 단계(S30), 촬영 준비 단계(S40), 물체 촬영 단계(S50) 및 물체 형상 추출 단계(S60)를 포함할 수 있다.
물체 인식 단계(S10)에서는 수중에서 카메라(40)로 촬영된 영상을 통해 스캔 대상인 물체(도 7의 3′)를 인식한다. 일 예로, 카메라(40)에서 촬영된 프레임 내에 주변 지형과는 상이한 형상 혹은 촬영된 경우 인식하도록 미리 저장된 물체와 동일하거나 유사한 형상의 물체가 있는 것을 확인한 경우, 수중 로봇은 물체(3')가 프레임 내에 포착되었음을 인식할 수 있다.
이 때, 촬영된 영상을 통해 물체(3')를 인식하는 방법은 공지된 다양한 알고리즘이 사용될 수 있으며 실시예에 제한이 있는 것은 아니다.
그 후, 물체 인식 단계(S10)에서 물체(3')를 인식한 뒤 카메라 조절 단계(S20)에서는 제어부가 추진 부재(20)를 제어하여 카메라(40)의 촬영 범위 내 물체(3')가 위치하도록 몸체(10)를 이동시키고 물체를 향해 카메라(40)의 방향을 조절한다.
이 때, 몸체는 일 예로, 도 7(a)에 도시된 바와 같이 수중 로봇의 라인 레이저가 물체(3')의 중심을 조사하는 상태에서 카메라(40)가 물체(3')의 중심에 위치될 수 있는 최대 높이(H1)에 위치될 수 있다.
그 후, 레이저 조사 단계(S30)에서는 레이저 조사기(30)를 통해 물체(3') 및 물체(3')가 놓인 주변 지면 위에 라인이 형성되도록 라인 레이저를 조사한다. 즉, 제 1 라인(L1)과 제 2 라인(L3)이 형성되도록 레이저 조사기(30)를 통해 라인 레이저를 조사한다.
촬영 준비 단계(S40)에서는 도 7(a) 및 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 몸체의 중심축(C)과 라인 레이저가 만나는 지점을 물체(3') 위에 위치시킨다. 이 때, 물체(3')의 중심이 중심축(C)과 만나도록 몸체(10)를 위치시킨다.
이 때, 촬영 준비 단계(S40)는 보다 상세히 도 5를 참조하면, 다음과 같은 단계를 거친다.
먼저 몸체의 중심축을 물체(3')의 중심에 일치시킨다. (S41)
이 때, 라인 레이저가 물체(3')의 중심에 위치되는지를 판단한다. (S42)
이 때, 라인 레이저가 물체(3')의 중심에 위치되지 않는 경우, 라인 레이저가 물체(3')의 중심에 위치될 수 있는 최대 높이(H1)까지 이동한다. (S43)
만일, 라인 레이저가 물체(3')의 중심에 위치된 것으로 판단하면 물체(3')를 촬영하는 단계(S50)를 수행한다.
물체 촬영 단계(S50)에서는 제어부가 추진 부재(20)를 제어하여 카메라(40)를 중심축(C)을 중심으로 회전시키고 카메라(40)가 회전하면서 제 1 라인(L1) 및 제 2 라인(L3)을 촬영한다.
이 때, 물체 촬영 단계에서는 라인 레이저가 물체(3')의 중심에 위치될 수 있는 최대 높이(H1)에서 1회 회전하면서 카메라가 라인레이저의 라인을 촬영하여 물체의 3차원 스캐닝을 수행할 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 라인레이저가 물체(3')의 중심에 위치될 수 있는 최대 높이(H1)에서 1회 회전하면서 카메라가 라인레이저의 라인을 촬영하는 경우와 비교할 때, 물체(3')의 중심보다 물체(3')의 외측으로 갈수록 더 높은 해상도를 갖도록 촬영할 수 있다.
이와 같이 물체(3')의 중심보다 물체(3')의 외측으로 갈수록 더 높은 해상도를 갖도록 촬영하기 위하여 다음과 같은 제어 방법을 수행할 수 있다.
보다 상세히, 수중 로봇의 라인 레이저가 물체(3')의 중심을 조사하는 상태에서 카메라가 물체(3')의 중심에 위치될 수 있는 최대 높이(H1)에 위치된 상태에서, 수중 로봇의 카메라(40)가 물체(3') 전체를 화면 프레임 내에서 촬영할 수 있는 가장 가까운 높이(H2)에서 라인 레이저가 물체(3')를 조사하는 상태까지 몸체의 높이를 변화시키면서 카메라(40)로 물체를 촬영하는 것이다.
도 8(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 카메라가 물체 전체를 화면 프레임 내에서 촬영할 수 있는 가장 가까운 높이(H2)에서 라인 레이저가 물체를 조사하는 상태를 나타낸 도면이며, 도8(b)는 도 8(a) 상태에서 물체에 조사된 라인 레이저를 보여주기 위한 물체의 평면도이다.
도 8(a) 및 도 8(b)를 참조하면, 몸체가 물체(3')의 중심에 위치된 상태에서 카메라(40)가 물체(3')를 촬영한 경우 카메라(40)의 화면 즉 프레임(W) 내에 물체(3') 전체가 보여지는 상태에서 몸체가 위치될 수 있는 높이는 H2 높이일 수 있다.
이 때, 몸체는 물체(3')의 중심에 위치될 수 있으나, 라인 레이저는 물체(3')의 중심에 조사되지 않고 물체(3')의 중심으로부터 벗어난 물체의 둘레부에 조사된다.
이와 같이 라인 레이저가 물체(3')의 중심에 조사되지 않고 물체(3')의 둘레부를 조사하고 있는 상태에서 몸체를 회전시켜 물체(3')를 촬영하면 물체(3')에 가까운 상태에서 카메라(40)가 물체(3')를 촬영하므로 라인 레이저가 조사된 물체(3')의 둘레부는 해상도가 높은 영상으로 촬영될 수 있다.
다만 이와 같은 경우 라인 레이저가 물체(3')의 중심을 지나지 않기 때문에 이와 같은 영상만으로는 물체(3')의 중심의 높이는 확인이 되지 않는다. 이 때, 물체의 중심의 높이를 확인하기 위한 영상은 수중 로봇이 H1의 높이에서 물체(3')를 촬영한 영상을 이용해야 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 수중 로봇의 라인 레이저가 물체(3')의 중심을 조사하는 상태에서 카메라(40)가 물체(3')의 중심에 위치될 수 있는 최대 높이(H1)에 위치된 상태에서, 수중 로봇의 카메라(40)가 물체(3') 전체를 화면 프레임 내에서 촬영할 수 있는 가장 가까운 높이(H2)에서 라인 레이저가 물체를 조사하는 상태까지 몸체의 높이를 변화시키면서 카메라(40)로 물체(3')를 촬영함으로써 물체(3')의 중심보다 물체(3')의 둘레 혹은 외측부에서 해상도가 높은 영상을 획득할 수 있다.
이 때, 수중 로봇의 라인 레이저가 물체(3')의 중심을 조사하는 상태에서 카메라(40)가 물체(3')의 중심에 위치될 수 있는 최대 높이(H1)에 위치된 상태에서, 수중 로봇의 카메라(40)가 물체(3') 전체를 화면 프레임 내에서 촬영할 수 있는 가장 가까운 높이(H2)에서 라인 레이저가 물체(3')를 조사하는 상태까지, 몸체의 높이를 변화시키면서 카메라(40)로 물체를 촬영하는 방식은 예를 들어, 2가지 방식으로 수행될 수 있다.
첫번째 방식은, 수중 로봇이 H1 높이에 위치된 상태에서 H2 높이에 위치된 상태까지 연속적으로 이동하는 동안 몸체를 회전시키면서 물체(3')를 카메라(40)로 촬영하는 방식이다.
도 9(a)는 수중 로봇이 H1 높이에 위치된 상태에서 H2 높이에 위치된 상태까지 연속적으로 이동하는 동안 몸체를 회전시키면서 물체를 카메라로 촬영하는 동안 라인 레이저의 이동 경로를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 9(b)는 도9(a)의 라인레이저의 이동 경로를 따라 라인 레이저가 이동하는 동안 카메라가 물체를 촬영한 상태에서 물체를 촬영한 카메라의 해상도의 연속적인 변화를 나타낸 도면이다.
도 9(a) 및 도 9(b)를 참조하면, 첫번째 방식에서는 몸체가 H1 높이에서 H2 높이로 이동하는 동안 레이저 조사기의 레이저가 조사되는 위치가 나선형 궤적(I)을 그리면서 연속적으로 이동하고, 이와 같이 연속적으로 이동할 때 촬영된 영상의 해상도를 모두 합치면, 도 9(b)에서 알 수 있는 바와 같이 물체(3') 중앙의 해상도(R0)보다 물체(3') 주변부로 갈수록 연속적으로 높은 해상도(R2)를 갖는 물체의 영상이 획득될 수 있다.
두번째 방식은 수중 로봇이 H1 높이에 위치된 상태에서 H2 높이에 위치된 상태까지 불연속적으로 이동과 멈춤을 반복하여 이동하되, 하측방향으로 이동하는 동안에는 회전하지 않고, 높이 방향 이동을 멈춘 동일 높이에서는 한바퀴 회전하면서 회전하면서 라인 레이저를 촬영하는 방식이다.
도 10(a)는 수중 로봇이 H1 높이에 위치된 상태에서 H2 높이에 위치된 상태까지 불연속적으로 이동과 멈춤을 반복하여 이동하되, 하측방향으로 이동하는 동안에는 회전하지 않고, 높이 방향 이동을 멈춘 동일 높이에서는 한바퀴 회전하면서 회전하면서 라인 레이저를 촬영하는 방식으로, 3바퀴를 회전하면서 물체를 카메라로 촬영하는 동안 라인 레이저가 조사되는 위치의 이동 경로를 나타낸 도면이고, 도 10(b)는 도 10(a)의 라인 레이저가 조사되는 위치의 이동 경로를 따라 라인 레이저가 조사되는 위치가 이동하는 동안 카메라가 물체를 촬영한 상태에서 물체를 촬영한 카메라의 해상도를 나타낸 도면이다.
도 10(a) 및 도 10(b)를 참조하면, 두번째 방식에서는 수중 로봇의 몸체가 H1 높이에서 H2 높이로 이동하는 동안 동일한 높이에서는 몸체가 회전하는 동안 레이저 조사기에서 라인 레이저가 조사되는 위치가 원형 궤적(II-1, II-2, II-3)을 그리면서 연속적으로 이동하고, 높이 방향으로는 각각 H1, H3, H2 높이까지 불연속적으로 차례대로 이동한다.
이와 같이 높이 방향으로는 불연속적으로 이동하고, 동일 높이에서 원을 그리면서 촬영된 영상의 해상도를 모두 합치면, 도 10(b)에서 알 수 있는 바와 같이 물체(3') 중앙의 해상도(R0)보다 물체(3') 주변부로 갈수록 높은 해상도(R0<R1<R2)를 불연속적으로 갖는 물체의 영상이 획득될 수 있다.
이와 같은 두번째 방식으로 물체(3')를 촬영하면, 물체(3')의 중심으로부터 동일한 거리에 위치된 영역은 동일한 해상도를 갖도록 촬영될 수 있다.
이와 같은 두가지 방식으로 수중 로봇을 이동시키면서 라인 레이저를 촬영하면, 단순히 수중 로봇의 촬영 높이를 변화시키는 간단한 방식의 제어만으로도 물체 중앙부보다 주변부가 높은 해상도를 갖는 영상을 얻을 수 있다.
만일 중앙부까지 높은 해상도를 갖는 영상을 획득하고자 하는 경우에는 단순히 수중 로봇의 몸체(10)만 상하 방향 높이를 바꾸지 않고, 수중 로봇의 수평 방향 이동을 함께 수행하면서 물체(3')를 촬영하거나 수중 로봇의 위치를 변경시키지 않고 라인 레이저의 각도를 조절할 필요가 있는데, 이와 같은 경우 물체(3')의 중심으로부터 수중 로봇이 벗어나야 하므로 제어가 보다 어렵거나, 라인 레이저의 각도를 제어하기 위한 수중 로봇의 구조가 보다 복잡해질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 수중 로봇의 구조를 복잡하게 구성하거나 수중로봇 촬영시의 제어를 복잡하게 하지 않고도 물체의 일부 영역의 해상도를 향상시킬 수 있다.
한편, 물체 형상 추출 단계(S60)에서는 물체 촬영 단계(S50)에서 계산부가 카메라(40)로 촬영한 영상에서 물체(3')의 3차원 형상을 추출한다.
이 때 도 5를 참조하면, 수중 로봇(1)이 수중에서 물체를 스캔하는 과정 중 물체 형상 추출 단계(S60)는 라인 추출 단계(S61), 물체 크기 추출 단계(S62), 라인 비교 단계(S63), 물체 높이 추출 단계(S64) 및 물체 높이 취합 단계(S65)를 포함할 수 있다.
라인 추출 단계(S61)에서는 계산부가 촬영된 영상의 프레임마다 제 1 라인(L1) 및 제 2 라인(L3)을 추출한다.
물체 크기 추출 단계(S62)에서는 상술한 식 1을 통하여 물체(3') 위에 제 2 라인(L3)이 형성된 지점의 실제 크기를 산출한다.
라인 비교 단계(S63)에서는 제 1 라인(L1)을 연장한 선(L2) 및 제 2 라인(L3) 사이의 거리를 측정한다.
물체 높이 추출 단계(S64)에서는 라인 비교 단계(S63)에서 측정된 제 1 라인(L1)을 연장한 선(L2) 및 제 2 라인(L3) 사이의 거리를 통해 제 2 라인(L3)이 형성된 지점까지의 높이를 상술하여 설명한 식 2로 산출한다.
물체 높이 취합 단계(S65)에서는 계산부를 통해 프레임마다 산출한 지면으로부터 물체(3')의 제 2 라인(L3)이 형성된 지점까지의 높이 정보를 취합하여 물체(3')의 3차원 형상을 추출한다.
이 때, 도 5에 도시된 바와 같이, 수중에서 물체를 스캔하는 과정 중 물체 형상 추출 단계(S60)는 에러 영상 삭제 단계(S66)를 더 포함할 수 있다.
에러 영상 삭제 단계(S66)는 라인 추출 단계(S61) 전 촬영된 영상에서 물체(3')가 카메라(40)의 촬영범위를 벗어난 구간을 추출하여 제거함으로써 스캔의 정확도를 높일 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 수중 로봇(1)은 수중에서 물체를 스캔하는 과정에서 물체 방향 전환 단계(S70)를 더 포함할 수 있다.
물체 방향 전환 단계(S70)에서는 몸체(10)에 형성된 집게팔(60)을 이용하여 물체(3')의 다른 면이 카메라(40) 측을 향하도록 물체(3')를 배치한다.
이를 통해, 물체(3')의 방향을 전환한 뒤 상술한 과정을 반복하면서 물체(3')를 다양한 방향에서 스캔하여 물체(3')의 정확한 3차원 형상을 추출할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술한 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
1 수중 스캔 장치 30 레이저조사기
3 3'물체 32 연결부재
10 몸체 40 카메라
12 거치대 50 부력 부재
20 추진 부재

Claims (9)

  1. 수중에서 상하 방향으로 이동가능하며 중력 방향 중심축을 중심으로 회전가능한 몸체, 상기 몸체에 설치되어 지면에 놓인 물체를 촬영할 수 있는 카메라 및 상기 카메라가 상기 물체를 촬영할 수 있도록 라인 레이저를 상기 물체에 대하여 경사진 방향으로 조사할 수 있는 레이저 조사기를 포함하여 상기 물체를 수중에서 3차원 스캐닝할 수 있는 수중 로봇의 제어 방법으로서,
    상기 수중 로봇의 카메라가 상기 물체를 인식하는 단계;
    상기 카메라가 상기 물체 전체를 촬영할 수 있는 최소한의 높이(H2) 이상으로 상기 수중 로봇을 이동시키는 단계;
    상기 몸체의 중심축을 상기 물체의 일측에 일치시키는 단계;
    상기 레이저 조사기에서 라인 레이저를 상기 물체 측으로 조사시키는 단계;
    상기 카메라가 상기 물체 전체를 촬영할 수 있는 최소한의 높이(H2)보다 높은 소정의 높이(H1)에서 상기 라인 레이저가 상기 물체의 일측에 위치되는지 판단하는 단계;
    상기 소정의 높이(H1)에서 상기 라인 레이저가 상기 물체의 일측에 위치된 경우, 상기 몸체를 회전시키면서 상기 물체에 조사된 라인 레이저를 상기 카메라를 이용하여 촬영하는 단계;
    상기 카메라에서 촬영된 영상을 분석하여 상기 물체를 3차원 스캐닝하는 단계를 포함하고,
    상기 레이저가 조사되어 상기 물체를 향하는 방향은 항상 일정한 기울기를 유지하는, 수중 로봇의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체의 일측은 상기 물체의 중심부인, 수중 로봇의 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 라인 레이저가 상기 물체의 일측에 위치되는지 판단하는 단계 이후에, 상기 라인레이저가 상기 물체의 일측에 위치되지 않은 경우 상기 몸체를 상기 라인레이저가 상기 물체의 일측에 위치될 수 있는 최대 높이(H1)까지 이동시키는 단계를 더 포함하는, 수중 로봇의 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 카메라를 이용하여 촬영하는 단계에서, 상기 몸체는 상기 물체가 놓인 지면으로부터 동일한 높이만큼 이격된 높이를 유지하면서 회전되는, 수중 로봇의 제어 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 카메라를 이용하여 촬영하는 단계에서, 상기 몸체가 상기 카메라가 상기 물체 전체를 촬영할 수 있는 최소 높이(H2)보다 높고, 상기 몸체를 상기 라인레이저가 상기 물체의 일측에 위치될 수 있는 최대 높이(H1)에 위치되는 경우, 상기 수중 로봇을 상기 최대 높이(H1)로부터 상기 최소 높이(H2)까지 하측 방향으로 이동시키면서 상기 물체를 촬영하는, 수중 로봇 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 수중 로봇이 상기 최대 높이(H1)로부터 상기 최소 높이(H2)까지 하측 방향으로 이동하는 동안, 상기 수중 로봇은 연속적으로 회전하도록 구동되는, 수중 로봇의 제어 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 상기 수중 로봇이 상기 최대 높이(H1)로부터 상기 최소 높이(H2)까지 하측 방향으로 이동하는 동안, 상기 수중 로봇은 하측 방향으로의 이동 및 멈춤을 반복하고, 상기 수중 로봇이 하측 방향으로 이동이 멈춘 상태에서만 상기 수중 로봇의 회전하면서 상기 물체를 촬영하는, 수중 로봇의 제어 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 수중 로봇이 촬영한 상기 물체의 해상도는 상기 물체의 일측으로부터 상기 물체의 외측 방향으로 갈수록 높아지는, 수중 로봇의 제어 방법.
  9. 삭제
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