KR102604252B1

KR102604252B1 - 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법

Info

Publication number: KR102604252B1
Application number: KR1020220141330A
Authority: KR
Inventors: 김주환; 유선철; 김태식; 송석용; 송영운; 김재선; 성민성
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2023-11-17

Abstract

수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법이 제공된다. 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법은 수중 로봇이 수중의 제 1 위치에 위치한 제 1 물체를 1차로 3차원 스캐닝하는 단계; 수중 로봇이 제 1 위치와 다른 n개(n은 1 이상의 정수)의 위치로 이동하여 n개의 위치에 위치한 n개의 물체를 3차원 스캐닝하는 단계; 수중 로봇이 n개의 위치 중 마지막으로 이동한 위치로부터 제 1 위치로 다시 이동하여 제 1 위치에 위한 제 1 물체를 2차로 3차원 스캐닝하는 단계; 및 제 1 물체를 2차로 3차원 스캐닝한 후 제 1 물체가 위치한 제 1 위치로부터 n개의 위치를 지나 다시 제 1 위치로 이동된 수중 로봇의 이동 경로에 대한 위치 정보를 보정하는 단계를 포함한다.

Description

수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법{A method for correcting position information of an underwater robot capable of 3D scanning of an object underwater}

본 발명은 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 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 비용 상승은 해저 탐사의 특성상 스캔 장치의 고장으로 인해 회수가 불가능 경우 큰 손실을 초래하기 때문에 해저 탐사 자체를 소극적으로 할 수 밖에 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 것 뿐 아니라 수중 로봇이 수중에서 이동하면서 수중 로봇의 위치 인식을 동시에 수행할 필요가 있다.

이와 같이 수중 로봇이 수중에서 이동하는 경우 수중 로봇의 위치 인식에 있어 오차가 발생할 가능성이 높기 때문에, 수중에서 이동하는 수중 로봇의 위치를 정확하게 보정하여 인식해야 할 필요성이 있다.

본 발명의 목적은 수중에 물체를 3차원 스캔할 수 있는 수중 로봇의 위치 정보를 보정하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수중에서 복수의 위치에 위치되는 복수의 물체를 3차원 스캐닝함과 동시에 수중에 위치되는 수중 로봇의 위치를 정확하게 파악하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 회전에 특화된 수중 로봇으로 수행한 물체의 3차원 스캐닝 형상 정보를 정확하게 보정하는 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 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법으로서, 상기 수중 로봇이 상기 수중의 제 1 위치에 위치한 제 1 물체를 1차로 3차원 스캐닝하는 단계; 상기 수중 로봇이 상기 제 1 위치와 다른 n개(n은 1 이상의 정수)의 위치로 이동하여 상기 n개의 위치에 위치한 n개의 물체를 3차원 스캐닝하는 단계; 상기 수중 로봇이 상기 n개의 위치 중 마지막으로 이동한 위치로부터 상기 제 1 위치로 다시 이동하여 상기 제 1 위치에 위한 제 1 물체를 2차로 3차원 스캐닝하는 단계; 및 상기 제 1 물체를 2차로 3차원 스캐닝한 후 상기 제 1 물체가 위치한 제 1 위치로부터 상기 n개의 위치를 지나 다시 상기 제 1 위치로 이동된 수중 로봇의 이동 경로에 대한 위치 정보를 보정하는 단계를 포함하는, 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법이 제공된다.

이 때, 상기 수중 로봇이 상기 물체를 3차원 스캐닝하는 단계는, 수중에서 카메라로 촬영된 영상을 통해 상기 물체를 인식하는 물체 인식 단계; 레이저 조사기를 통해 상기 물체 및 상기 물체가 놓인 주변 지면 위에 라인이 형성되도록 라인 레이저를 조사하는 레이저 조사 단계; 상기 수중 로봇의 중심축과 상기 라인 레이저가 만나는 지점을 상기 물체 위에 위치시키는, 촬영 준비 단계; 상기 카메라를 상기 중심축을 중심으로 회전시키고 상기 카메라가 회전하면서 상기 라인 레이저를 촬영하는 물체 촬영 단계; 및 상기 카메라로 촬영된 영상에서 상기 물체의 3차원 형상을 추출하는 물체 형상 추출 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 수중 로봇이 상기 물체를 3차원 스캐닝하는 단계 이후에, 상기 물체에 대하여 회전하면서 획득된 3차원 스캐닝 정보를 보정하는 단계를 더 포함하고, 상기 3차원 스캐닝 정보를 보정하는 단계에서는 상기 3차원 스캐닝 정보 중 회전 정보와 관련한 회전 정보 루프 클로저를 실행하여 상기 수중 로봇의 요 센서에 대하여 누적된 오차를 보정할 수 있다.

한편, 상기 이동 경로에 대한 위치 정보를 보정하는 단계에서는, 상기 수중 로봇의 이동 경로를 따라 이동 경로 루프 클로저를 수행하고, 상기 수행된 이동 경로 루프 클로저를 기초로 상기 제 1 위치로부터 상기 n개의 위치를 지나 다시 상기 제 1 위치로 이동되는 동안 상기 수중 로봇이 측정한 위치 정보를 보정할 수 있다.

상기 수중 로봇이 측정한 위치 정보는 도플러 속도계에 의하여 계측될 수 있다.

한편, 상기 수중 로봇은 상기 제 1 위치에 위치한 제 1 물체로부터 상기 n개의 물체가 위치한 n개의 위치로 순차적으로 이동하며, n번째 물체는 (n-2)번째 물체보다 (n-1)번째 물체와 가까이 배치될 수 있다.

한편, 상기 제 1 물체를 2차로 3차원 스캐닝하는 단계에서는, 상기 3차원 스캐닝된 물체가 상기 1차로 스캐닝된 제 1 물체와 동일한 물체인지를 비교하고, 상기 3차원 스캐닝된 물체가 상기 1차로 스캐닝된 제 1 물체와 동일하면 상기 제 1 물체가 2차로 스캐닝된 것으로 판단할 수 있다.

한편, 상기 물체를 3차원 스캐닝하는 단계 이후에 상기 물체의 3차원 스캐닝 정보를 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법을 이용함으로써 수중에서 3차원 스캐닝 가능한 수중 로봇이 수중에서 위치 정보를 정확하게 보정할 수 있다.

또한, 수중에서 3차원 스캐닝 가능한 수중 로봇이 수중에서 복수의 위치에 위치된 물체를 스캐닝함과 동시에 수중에 위치되는 수중 로봇의 위치 정보를 정확하게 확인할 수 있다.

또한, 수중에서 3차원 스캐팅이 가능한 수중 로봇의 상대적 위치를 모르는 상태에서 수중에 위치되는 물체의 3차원 스캐닝이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법을 적용할 수 있는 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 로봇의 위치 정보 보정 방법을 적용할 수 있는 수중 로봇이 수중에서 물체를 스캔하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법을 적용할 수 있는 수중 로봇이 수중에서 물체를 스캔하는 과정에서 물체의 형상을 추출하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 6은 도 1의 수중 로봇이 수중에서 스캐닝하는 복수의 물체 및 복수의 물체를 따라 이동하는 경로를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법의 순서도이다.

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 사시도이다.

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. 일 예로, 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 무게 중심이 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 일단부에는 카메라(40)가 구비된다. 카메라(40)는 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.

이 때, 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 있다.

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 있다.

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 부재에 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 라인(L1)이 카메라(40)가 촬영하는 범위 내에 위치하도록 다양한 각도로 조절될 수 있다.

또한, 광학 카메라(40)를 이용하여 레이저에 의해 형성된 라인을 촬영할 수 있다면 레이저 조사기(30)가 조사하는 레이저의 종류에 제한이 있는 것도 아니다.

한편, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 조사기(30)는 중심축(C)의 방향과 레이저 조사기(30)가 라인 레이저를 조사하는 방향이 소정의 각도(θ)를 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. 본 실시예에서, 레이저 조사기의 각도(θ)는 수중 로봇이 수중으로 입수하기 전에 수동으로 조절될 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.

한편, 레이저 조사기(30)와 거치대(12)를 연결하는 연결 부재(32)에 액추에이터를 구비하여 후술하는 제어부로 레이저 조사기(30)의 각도(θ)를 조절할 수도 있다.

한편, 수중 로봇(1)은 추진 부재(20), 부력 부재(50), 집게팔(60) 및 제어부를 구비한다.

도 1 내지 에 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)에 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)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 구비하는 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 다수의 추진 부재(20)로서, 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 중심축(C)을 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)를 제어하도록 형성된다.

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 제어할 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 위치를 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 전체 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 로봇의 위치 정보 보정 방법을 적용할 수 있는 수중 로봇이 수중에서 물체를 스캔하는 과정을 나타낸 순서도이고, 도 5는 수중 로봇이 수중에서 물체를 스캔하는 과정에서 물체의 형상을 추출하는 단계를 나타내는 순서도이다.

이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법을 적용할 수 있는 수중 로봇(1)이 수중에서 물체를 스캔하는 방법에 대하여 설명한다. 이 때, 앞서 수중 로봇(1)에 대하여 설명한 내용과 중복된 내용에 대한 설명은 생략한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 수중 로봇(1)이 수중에서 물체를 스캔하는 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)는 수중에서 카메라로 촬영된 영상을 통해 스캔 대상인 물체(3)를 인식하는 단계이다. 이 때, 촬영된 영상을 통해 물체(3)를 인식하는 방법은 공지된 다양한 알고리즘이 사용될 수 있으며 실시예에 제한이 있는 것은 아니다.

도 4를 참조하면, 물체 인식 단계(S10)를 통해 물체(3)를 인식한 뒤 카메라 조절 단계(S20)에서는 제어부가 추진 부재(20)를 제어하여 카메라(40)의 촬영 범위(S1) 내에 물체(3)가 위치하도록 몸체(10)를 이동시켜 카메라(40)의 방향을 조절한다.

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 중심축(C)과 라인 레이저가 만나는 지점을 물체(3) 위에 위치시킨다. 이 때, 물체(3)의 중심이 중심축(C)과 만나도록 몸체(10)를 위치시키는 것이 바람직하다.

촬영 준비 단계(S40)는 제어부가 추진 부재(20)를 제어하여 중심축(C)과 라인 레이저가 만나는 지점을 물체 위에 위치시킬 수 있다.

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 상기 제 2 라인(L₃)을 촬영한다.

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.

이상에서 설명한 바와 같이 수중에서 물체를 3차원 스캐닝할 수 있는 수중 로봇은 수중에서 물체를 3차원 스캐닝할 뿐 아니라 수중을 이동하면서 수중 위치를 인식할 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법을 적용함으로써 수중에서 이동하는 수중 로봇의 위치 정보 오차를 정확하게 보정하여 정밀한 물체 스캐닝 및 위치 인식이 가능하다.

이하, 수중에서 이동하는 로봇의 물체 스캐닝 및 위치 정보 오차를 보정하는 방법에 대하여 도면을 달리하여 보다 상세히 설명한다.

도 6은 도 1의 수중 로봇이 수중에서 스캐닝하는 복수의 물체 및 복수의 물체를 따라 이동하는 경로를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 예를 들어, 수중 로봇(1)은 수중에서 제 1 위치(I)에 위치된 제 1 물체(101)를 3차원 스캐닝하고, 제 2 위치(II)로 이동한 후 제 2 위치(Ⅱ)에 위치된 제 2 물체(102)를 3차원 스캐닝할 수 있다. 그리고, 제 2 위치(Ⅱ)에서 제 3 위치(Ⅲ)로 이동하여 제 3 위치(Ⅲ)에 위치된 제 3 물체(103)를 스캐닝하고, 제 4 위치(IV)로 이동하여 제 4 위치(IV)에 위치된 제 4 물체(104)를 스캐닝할 수 있다. 그 후, 수중 로봇은 제 4 위치(IV)로부터 다시 제 1 위치(I)로 이동하여 제 1 위치(I)에 위치된 제 1 물체(101)를 다시 스캐닝할 수 있다.

이하에서는, 도 6과 같은 이동 경로를 거치면서 수중 로봇이 제 1 물체 내지 제 4 물체를 3차원 스캐닝하고 다시 제 1 물체가 위치된 제 1 위치로 이동하는 경우를 참조하여, 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법을 도 7을 참조하여 설명하도록 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법의 순서도이다.

도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 수중 로봇(1)의 이동시 수중 로봇(1)은 스캐닝해야 하는 물체를 특정하지 않고 미리 설정된 바에 따라 스캐닝 해야 하는 제 1 물체가 인식되면 제 1 물체를 3차원 스캐닝한다.(S100)

이 때, 본 발명의 일 실시예에서, 수중 로봇(1)은 물체를 스캐닝하는 동안 회전하면서 특정 회전 각도에서의 물체의 높이 정보를 얻은 후 이와 같은 정보를 통합하여 물체의 형상 정보를 얻는데, 물체를 중심으로 360도 회전하는 동안 수중 로봇의 회전 각도를 측정하는 센서, 예를 들어, 요(yaw) 센서에서는 오차가 누적될 수 있다.

이와 같이 수중 로봇(1)이 회전하는 동안 요 센서에서 누적된 오차를 보정한다. 즉, 3차원 스캐닝 정보 오차를 보정한다.(S200) 본 발명의 일 실시예에서는 수중 로봇(1)의 회전시 발생되는 오차를 보정하기 위하여 수중 로봇(1)의 회전 정보에 대한 회전 정보 루프 클로저(Loop closure)를 실시한다.

이와 같은 회전 정보 루프 클로저는 본 명세서에서 수중 로봇(1)에서 행해지는 '1차 루프 클로저'로 명명될 수 있다.

수중 로봇(1)이 수중에서 회전하는 동안 발생된 오차를 보정하기 위한 루프 클로저는 다음과 같이 수행될 수 있다.

일 예로, 수중 로봇(1)의 IMU 자세 센서는 수중 로봇(1)이 회전하는 동안 방위값을 출력하게 되는데, 수중 로봇(1)이 360도 한바퀴를 돌며 A,B,C,D,…, J 순차적으로 10개의 각도값을 가진다고 하면,

[식 3]

각A * 상수1 = 각B

각B * 상수2 = 각C

…

각I * 상수9 = 각J

가 되며, 실제 수중 로봇(1)은 3차원 스캔 결과의 라인 형태가 일치하면 같은 방위인 것을 확인함으로써 수중 로봇(1)이 한바퀴를 돌았다고 인식하게 된다.

그런데, 수중의 환경, 혹은 다른 요인에 따른 오차에 의하여, 예를 들어, 실제로 각A는 0도, 각J는 5도로 나타난다면, 수중 로봇(1)이 한바퀴를 도는 동안 각도센서에서 5도의 에러가 발생된 것일 수 있다. 이와 같은 오차를 보정하기 위하여

[식 4]

각A * 상수1 * 미지수 = 각B

각B * 상수2 * 미지수 = 각C

…

각I * 상수9 * 미지수 = 각J == 각A

[식 4]와 같은 연립방정식을 세우고 각 J와 각A가 같아지는 최적의 미지수를 찾게되면 각 각도값 A ~ J를 보정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇(1)의 위치 정보 보정 방법에서는 수중 로봇(1)이 물체를 3차원 스캐닝하는 동안 회전을 하면서 이동하므로, 수중 로봇(1)이 회전하는 동안 발생되는 오차를 루프 클로저를 통하여 1차로 보정하여 수중 로봇(1)이 회전하는 동안 오차가 발생되지 않도록 할 수 있다.

이와 같은 회전 정보 루프 클로저는 수중 로봇(1)이 물체를 3차원 스캐닝 하는 경우마다 각각 수행될 수 있다.

한편, 이와 같이 수중 로봇(1)이 수중의 물체를 인식하면서 스캐닝하고 회전시 발생되는 오차를 보정한 후 보정된 정보는 정확한 제 1 물체의 3차원 스캐닝 정보로 저장된다.(S300)

그 후, 제 1 물체에 대한 3차원 스캐닝 및 보정된 정보의 저장이 완료되면 미리 설정된 바에 따라 다시 수중 로봇(1)은 수중을 이동한다. (S400)

그리고, 수중 로봇(1)이 수중을 이동하는 동안 수중 로봇(1)이 스캐닝 해야 하는 또 다른 제 2 물체(n번째 물체)를 인식하게 되면, 제 2 물체(n번째 물체, n은 1 이상의 정수)를 3차원 스캐닝하고, 보정한 후 제 2 물체(n번째 물체)의 3차원 스캐닝 정보를 저장하는 과정을 반복하게 된다.(S500)

이 때, 일 예로, 수중 로봇(1)은 제 1 위치에 위치한 제 1 물체로부터 n번째 물체가 위치한 n번째 위치로 순차적으로 이동하며, n번째 물체는 (n-2)번째 물체보다 (n-1)번째 물체와 가까이 배치될 수 있다.

즉, 수중 로봇(1)은 이동 경로 동안 물체를 3차원 스캐닝한 후 스캐닝한 물체와 가까이에 있는 다른 물체로 이동하면서 3차원 스캐닝을 수행할 수 있다. 이와 같이 수중 로봇(1)이 제 1 물체를 스캐닝한 후 이동하면서, 이동 경로 동안 가까이에 위치되는 물체를 순차적으로 3차원 스캐닝하면서 이동하고, 다시 제 1 물체를 스캐닝하게 되면, 수중 로봇(1)의 이동 경로는 도 6에 도시된 바와 같이 폐쇄된 루프 형태를 이룰 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 3차원 스캐닝하는 n번째 물체를 인식하고 n번째 물체를 3차원 스캐닝한 후, n번째 물체의 3차원 스캐닝 정보의 오차를 보정(S600)하고, 이와 같이 보정된 n번째 물체의 3차원 스캐닝 정보를 저장한다.(S700)

그 후, 수중 로봇(1)에서는 n번째 물체가 제 1 물체와 동일한 물체인지를 확인한다. (S800) 이와 같이 수중 로봇(1)이 n번째 물체가 제 1 물체와 동일한 물체인지 확인하는 이유는 n번째 물체가 제 1 물체와 동일하다고 판단한 경우 수중 로봇(1)의 이동 경로에 대한 위치 정보를 보정하기 위함이다.

보다 상세히, 수중 로봇(1)은 이동하는 과정을 수행하는 동안, 수중 로봇(1)에 탑재된 센서, 예를 들어, 도플러 속도계(Doppler Velocity Log)를 이용하여 지면에 대한 수종 로봇()의 속도값을 측정하여 수중 로봇의 현재 위치를 추정할 수 있다.

그런데 이와 같은 도플러 속도계를 이용하여 수중 로봇(1)의 현재 위치를 추정할 경우, 예를 들어 제 1 위치에서 제 1 물체를 3차원 스캐닝한 상태(1차로 제 1 물체를 스캐닝한 상태 정보)에서의 제 1 물체의 위치 정보는, 수중 로봇(1)이 수중에서 이동하다가 제 2 위치, 제 3 위치 … 제 n번째 위치를 경유한 후, 다시 제 1 물체가 위치된 제 1 위치에 와서 제 1 물체를 3차원 스캐닝한 경우의 제 1 물체의 위치 정보(2차로 제 1 물체를 스캐닝한 상태 정보)와 동일해야 한다.

그러나, 수중 로봇(1)의 도플러 속도계를 이용하여 측정된 위치 값은, 수중 로봇(1)이 이동되는 동안, 예를 들어, 롤과 피치에서의 측정값의 오차가 누적되기 때문에, 1차로 제 1 물체를 스캐닝한 상태 정보와 2차로 제 1 물체를 스캐닝한 상태 정보에 오차가 발생될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법에서는, 이와 같이 수중 로봇(1)이 제 1 위치에서 다른 위치로 이동되었다가, 다시 제 1 위치로 이동된 경우라고 판단되면, 수중 로봇(1)의 이동 경로에 대한 위치 정보 보정을 수행한다.(S900)

이와 같은 위치 정보 보정은 제 1 위치에서 제 2 위치 … 제 n 위치를 거쳐 다시 제 1 위치로 수중 로봇(1)이 이동된 상태에서 수중 로봇(1)의 이동 경로를 따라 이동 경로 루프 클로저를 수행함으로써 달성된다. 본 명세서에서, 이와 같이 수중 로봇이 이동하는 경로에 대한 이동 경로 루프 클로저는 '2차 루프 클로저'로 명명될 수 있다.

이와 같은 이동 경로 루프 클로저를 수행하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

수중 로봇(1)의 이동 경로라고 표현되어 연결되는 선은, 실제로는 위치 정보를 연속적으로 이어놓은 것이며, 수중 로봇(1)의 위치정보는, 3차원 공간에서, 예를 들어, x,y,z,roll,pitch,yaw의 위치(pose)값을 갖는다. 이 때 '위치와 위치 사이는 변환 행렬(transformation matrix)을 통해 움직였다.'라고 표현될 수 있다.

일 예로, poseA -> poseB 로 이동할 때, poseA * matrix = poseB 라는 관계가 성립될 수 있다.

따라서 수중 로봇이, 일 예로, 100개의 일정한 간격의 pose로 궤적(trajectory) 또는 이동 경로를 구성한다면, 그 사이에는 99개의 변환 행렬(transformation matrix)이 있을 수 있다.

이때 첫번째 위치(pose)와 마지막 위치(pose)가 값이 다르지만, 실제로 관찰하면 같은 위치에 있다고 한다면, 루프 클로저를 수행하게 되는데, 이때 솔버(solver)를 활용할 수 있다.

일 예로,

[식 5]

poseA * matrix1 -> poseB

poseB * matrix2 -> poseC

poseC * matrix3 -> poseD

위 [식 5]와 같은 4가지 pose, 3개의 변환 행렬(transformation matrix)이 있을 때, 만약 poseA가 poseD와 실제로는 같은 위치에 있다고 한다면,

[식 6]

poseA * matrix1 * 미지수-> poseB

poseB * matrix2 * 미지수 -> poseC

poseC * matrix3 * 미지수 -> poseD == poseA

라고 할 수 있고, poseD와 poseA가 같아지기 위한 미지수를 연립 방정식 등을 통해서 풀어낼 수 있다.

이 때, 생성된 연립 방정식은 완전한 해를 구할 수 없기 때문에 최대한 해를 근사해야 하며, 이를 위한 알고리즘을 솔버(solver)라고 칭할 수 있다. 이와 같은 솔버(solver)는 공지된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

한편, 상기 연립 방정식에서 미지수를 구하여 poseA와 poseD를 일치시켜 주면 자연스럽게 poseB와 poseC도 적절한 위치로 옮겨질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법에서는 이상에서 설명한 바와 같은 수중 로봇이 회전하면서 발생되는 오차에 대한 회전 정보 루프 클로저를 수행하여 3차원 스캐닝 정보를 올바르게 보정하고, 수중 로봇이 n개의 위치를 이동하는 경우 발생되는 오차에 대한 이동 경로 루프 클로저를 수행하여 위치 정보를 보정함으로써 n개의 물체에 대한 정확한 3차원 스캐닝 정보와 수중 로봇의 정확한 위치 정보를 획득할 수 있다.(S1000)

이상에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법을 설명하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법을 적용할 수 있는 수중 로봇의 구성이 상기에서 도면을 참조하여 설명한 구성에 한정되는 것은 아니며, 수중에서 회전하면서 물체에 대한 3차원 스캐닝을 수행할 수 있으며, 이동하면서 수중의 위치를 확인할 수 있는 센서 등의 구성을 포함하는 수중 로봇이라면 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법을 적용할 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 로봇
3 물체
10 몸체
20 추진 부재
30 레이저조사기
40 카메라
50 부력 부재

Claims

수중에서 3차원 스캐닝이 가능한 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법으로서,
상기 수중 로봇이 상기 수중의 제 1 위치에 위치한 제 1 물체를 1차로 3차원 스캐닝을 통해 제 1 물체의 3차원 형상을 추출하는 단계;
상기 수중 로봇이 상기 제 1 위치와 다른 n개(n은 1 이상의 정수)의 위치로 이동하여 상기 n개의 위치에 위치한 n개의 물체를 3차원 스캐닝하여 n개의 물체의 3차원 형상을 추출하는 단계;
상기 수중 로봇이 상기 n개의 위치 중 마지막으로 이동한 위치로부터 상기 제 1 위치로 다시 이동하여 상기 제 1 위치에 위한 제 1 물체를 2차로 3차원 스캐닝하는 단계; 및
상기 제 1 물체를 2차로 3차원 스캐닝한 후 상기 제 1 물체가 위치한 제 1 위치로부터 상기 n개의 위치를 지나 다시 상기 제 1 위치로 이동된 수중 로봇의 이동 경로에 대한 위치 정보를 보정하는 단계를 포함하는,
수중 로봇의 위치 정보 보정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 수중 로봇이 상기 물체를 3차원 스캐닝하는 단계는,
수중에서 카메라로 촬영된 영상을 통해 상기 물체를 인식하는 물체 인식 단계;
레이저 조사기를 통해 상기 물체 및 상기 물체가 놓인 주변 지면 위에 라인이 형성되도록 라인 레이저를 조사하는 레이저 조사 단계;
상기 수중 로봇의 중심축과 상기 라인 레이저가 만나는 지점을 상기 물체 위에 위치시키는, 촬영 준비 단계;
상기 카메라를 상기 중심축을 중심으로 회전시키고 상기 카메라가 회전하면서 상기 라인 레이저를 촬영하는 물체 촬영 단계; 및
상기 카메라로 촬영된 영상에서 상기 물체의 3차원 형상을 추출하는 물체 형상 추출 단계를 포함하는,
수중 로봇의 위치 정보 보정 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 수중 로봇이 상기 물체를 3차원 스캐닝하는 단계 이후에,
상기 물체에 대하여 회전하면서 획득된 3차원 스캐닝 정보를 보정하는 단계를 더 포함하고,
상기 3차원 스캐닝 정보를 보정하는 단계에서는 상기 3차원 스캐닝 정보 중 회전 정보와 관련한 회전 정보 루프 클로저를 실행하여 상기 수중 로봇의 요 센서에 대하여 누적된 오차를 보정하는,
수중 로봇의 위치 정보 보정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 이동 경로에 대한 위치 정보를 보정하는 단계에서는,
상기 수중 로봇의 이동 경로를 따라 이동 경로 루프 클로저를 수행하고,
상기 수행된 이동 경로 루프 클로저를 기초로 상기 제 1 위치로부터 상기 n개의 위치를 지나 다시 상기 제 1 위치로 이동되는 동안 상기 수중 로봇이 측정한 위치 정보를 보정하는,
수중 로봇의 위치 정보 보정 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 로봇이 측정한 위치 정보는 도플러 속도계에 의하여 계측되는, 수중 로봇의 위치 정보 보정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 수중 로봇은 상기 제 1 위치에 위치한 제 1 물체로부터 상기 n개의 물체가 위치한 n개의 위치로 순차적으로 이동하며, n번째 물체는 (n-2)번째 물체보다 (n-1)번째 물체와 가까이 배치되는,
수중 로봇의 위치 정보 보정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 물체를 2차로 3차원 스캐닝하는 단계에서는,
상기 3차원 스캐닝된 물체가 상기 1차로 스캐닝된 제 1 물체와 동일한 물체인지를 비교하고, 상기 3차원 스캐닝된 물체가 상기 1차로 스캐닝된 제 1 물체와 동일하면 상기 제 1 물체가 2차로 스캐닝된 것으로 판단하는,
수중 로봇의 위치 정보 보정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 물체를 3차원 스캐닝하는 단계 이후에 상기 물체의 3차원 스캐닝 정보를 저장하는 단계를 더 포함하는,
수중 로봇의 위치 정보 보정 방법.