KR102667310B1 - 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수중에서 유속과 유향을 동시에 측정 가능하도록 하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 유속의 측정만 가능하고 유체의 방향은 측정할 수 없거나, 유향 측정의 정확도가 낮고 구조상 수중 무인잠수체에 적용하는 목적의 센서로는 적합하지 않은 한계가 있었던 종래기술의 생체모방형 유속센서들의 문제점을 해결하기 위해, 형광체가 결합되어 선체의 측면에 배치되는 필러와 이미지 센서를 통해 획득한 형광 이미지를 이용하여 이미지 분석을 통해 유속과 유향을 모두 정확하게 측정할 수 있도록 구성됨으로써, 광원과 광검출기가 수중 무인잠수체 내부에 배치되어 외부의 빛에 의한 노이즈를 최소화하는 동시에, 광신호의 검출을 위해 이미지 센서를 적용하여 유체의 방향을 직관적으로 도출할 수 있도록 구성되는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법이 제공된다.
Description
본 발명은 수중에서 유속과 유향을 동시에 측정 가능하도록 하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 예를 들면, ROV(Remotely Operated Vehicles), RCV(Robotic Combat Vehicle) 및 AUV(Autonomous Underwater Vehicle) 등과 같이, 수중 무인잠수체의 운항시 정확한 항법과 수중동작을 위해서는 근접역의 유체의 유속과 유향을 정확하게 측정하는 것이 중요하나, 유속은 측정만 가능하고 유체의 방향은 측정할 수 없거나, 유향 측정의 정확도가 낮고 구조상 수중 무인잠수체에 적용하는 목적의 센서로는 적합하지 않은 한계가 있었던 종래기술의 생체모방형 유속센서들의 문제점을 해결하기 위해, 선체의 측면에 배치되는 광센서를 이용하여 이미지 분석을 통해 유체의 속도 및 방향을 모두 측정 가능하도록 구성되는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 유속은 측정만 가능하고 유체의 방향은 측정할 수 없거나, 유향 측정의 정확도가 낮고 구조상 수중 무인잠수체에 적용하는 목적의 센서로는 적합하지 않은 한계가 있었던 종래기술의 생체모방형 유속센서들의 문제점을 해결하기 위해, 형광체가 결합되어 선체의 측면에 배치되는 필러와 이미지 센서를 통해 획득된 형광 이미지를 이용하여 이미지 분석을 통해 유속과 유향을 모두 정확하게 측정할 수 있도록 구성됨으로써, 광원과 광검출기가 수중 무인잠수체 내부에 배치되어 외부의 빛에 의한 노이즈를 최소화하는 동시에, 광신호의 검출을 위해 이미지 센서를 적용하여 유체의 방향을 직관적으로 도출할 수 있도록 구성되는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법에 관한 것이다.
최근, 수중 무인잠수체가 개발되어 다양한 분야에 적용되고 있으며, 이러한 수중 무인잠수체들은 주변의 유체 흐름에 따라 선체에 저항을 받으므로 정확한 항법과 수중동작을 위해서는 근접역의 유체의 변화량, 즉, 유속과 유향을 정확하게 측정하는 것이 중요하다.
이를 위해, 종래, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1855746호의 "스트레인 게이지를 이용한 유속센서 및 유속의 측정방법" 및 한국 등록특허공보 제10-1329178호의 "광센서를 이용한 유량측정장치 및 방법" 등에 제시된 바와 같이, 해수와 같은 유체의 유동을 측정하기 위한 장치 및 방법에 대하여 다양한 기술내용들이 제시된 바 있다.
그러나 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은, 유체의 속도에 비례하여 움직이는 실리콘 막대(Silicone bar)의 변형 정도를 광센서(point detection)에서 감지되는 빛의 광량으로 환산하도록 구성되는 것이 대부분이며, 그로 인해, 유속은 측정 가능하나 유체의 방향은 측정할 수 없는 구조적 한계가 있는 것이었다.
또한, 음파를 이용한 기존의 수중 유속센서는 근접역 유속을 측정할 수 없는 한RP가 있으며, 이에, 최근에는, 어류의 신경소구를 모방하여 근접역의 유속을 측정할 수 있는 생체모방형 유속센서에 대한 연구 및 개발이 활발히 이루어지고 있다.
더 상세하게는, 일반적으로, 어류의 신경소구를 모방한 센서는 압저항(Pizoresistive), 압전(Piezoelectric), 정전용량(Capacitive), 광학(Optical) 등의 변환방식을 이용하여 구성되며, 이들 중 압저항, 압전, 정전용량 방식의 센서들은 주변의 온도 및 압력 변화가 센서의 잡음으로 작용하므로 가변적인 온도와 압력조건을 가지는 수중환경에 적용하기에는 한계가 있다.
반면, 수중의 환경조건을 고려하였을 때 광학 측정방식의 유속센서는 온도와 압력의 변화에 영향을 받지 않아 수중에 적용하기에 적합하므로, 최근에는 이러한 광학 측정방식에 기반한 유속센서에 대한 연구개발이 진행되고 있으며, 이는 대부분 어류의 신경소구 형태를 모방하여 필러(Pillar)나 바(Bar) 형상의 돌출부를 유체와 반응하는 구조로 사용하여 필러의 움직임에 따라 변화되는 광신호를 측정하는 방법으로 구현된다.
그러나 투명한 소재의 필러를 광 도파로로 이용하여 필러의 상단과 하단에 각각 광원과 광검출기를 배치하여 유체의 흐름에 따라 검출되는 광신호의 세기가 변화되는 양상을 측정원리로 하는 종래기술의 방법은 유체의 속도를 측정할 수 있으나 방향에 대한 정보는 얻을 수 없는 한계가 있었다.
이에, 광학 측정방식을 기반으로 유속과 유향을 측정하기 위해 필러 내부에 브래그 격자 광섬유를 삽입하여 유체의 흐름에 따라 반응하는 필러의 변형 정도를 광신호의 파장 변화량으로 측정하는 광섬유 격자센서 기반의 생체모방형 유속센서가 제시되었으나, 이는 전방향(Omnidirectional)의 유향측정 정확도가 낮고 광신호의 파장분석을 위해서 인터로게이터(Interrogator)가 필요하므로 전력공급이 제한적인 수중 무인잠수체에 적용하는 목적의 센서로는 적합하지 않은 한계가 있는 것이었다.
따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 생체모방형 유속센서들의 한계를 해결하기 위하여는, 수중환경(온도, 압력) 변화에 강인하면서도 유속과 유향의 동시측정이 가능하도록 구성되는 새로운 구성의 무인잠수체에 적용을 위한 유속 및 유향 동시측정 장치 및 방법을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 수중 무인잠수체의 운항시 정확한 항법과 수중동작을 위해서는 근접역의 유체의 유속과 유향을 정확하게 측정하는 것이 중요하나, 유속의 측정만 가능하고 유체의 방향은 측정할 수 없거나, 유속과 유향의 측정이 가능하나 유향 측정의 정확도가 낮고 구조상 수중 무인잠수체에 적용하는 목적의 센서로는 적합하지 않은 한계가 있었던 종래기술의 생체모방형 유속센서들의 문제점을 해결하기 위해, 선체의 측면에 배치되는 광센서를 이용하여 이미지 분석을 통해 유체의 속도 및 방향을 모두 측정 가능하도록 구성되는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법을 제시하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 유속 측정만 가능하고 유체의 방향은 측정할 수 없거나, 유속과 유향의 측정이 가능하나 유향 측정의 정확도가 낮고 구조상 수중 무인잠수체에 적용하는 목적의 센서로는 적합하지 않은 한계가 있었던 종래기술의 생체모방형 유속센서들의 문제점을 해결하기 위해, 형광체가 결합되어 선체의 측면에 배치되는 필러와 이미지 센서를 통해 획득한 형광 이미지를 이용하여 이미지 분석을 통해 유속과 유향을 모두 정확하게 측정할 수 있도록 구성됨으로써, 광원과 광검출기가 수중 무인잠수체 내부에 배치되어 외부의 빛에 의한 노이즈를 최소화하는 동시에, 광신호의 검출을 위해 이미지 센서를 적용하여 유체의 방향을 직관적으로 도출할 수 있도록 구성되는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법을 제시하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법에 있어서, 생체모방형 유속센서와 이미지 센서를 포함하여 이루어지는 유속 및 유향 동시측정장치를 이용하여, 수중에서 유속 및 유향에 따라 변화되는 생체모방형 유속센서의 이미지를 수신하는 처리가 수행되는 데이터 수집단계; 상기 데이터 수집단계를 통해 수집된 생체모방형 유속센서의 이미지로부터 이미지 분석을 통해 유속 및 유향을 추정하는 처리가 수행되는 유속 및 유향 분석단계; 및 미리 정해진 설정에 따라 상기 데이터 수집단계를 통해 수집되는 이미지와 상기 유속 및 유향 분석단계의 처리결과를 포함하는 각종 데이터를 출력하는 처리가 수행되는 출력단계를 포함하여 구성되고, 상기 데이터 수집단계, 상기 유속 및 유향 분석단계 및 상기 출력단계의 처리가 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법이 제공된다.
여기서, 상기 유속 및 유향 동시측정장치는, 적어도 하나 이상의 생체모방형 유속센서를 포함하여 이루어지는 측정센서부; 상기 측정센서부의 각각의 생체모방형 유속센서의 이미지를 촬영하기 위한 이미지센서부; 유선 또는 무선 통신 중 적어도 하나의 방식으로 통신을 수행하여 각각의 이미지 및 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 외부 기기로 전송하기 위한 통신부; 및 상기 측정장치의 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 생체모방형 유속센서는, 탄성 재질을 이용하여 속이 빈 기둥 형태로 형성되고 외부에 돌출되도록 설치되는 필러; 및 상기 필러의 끝부분에 설치되는 형광체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 필러는, PDMS(Polydimethylsiloxane), 실리콘, 플라스틱, 고무를 포함하는 유연성을 가지는 재질을 이용하여 원뿔, 원기둥, 다각뿔, 다각기둥을 포함하는 형태로 형성되어 선체 외부의 옆면에 돌출되도록 설치됨으로써, 수중 무인잠수체의 운항시 유동 속도 및 방향에 비례하여 유연하게 휘어질 수 있도록(flexible) 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 형광체는, 미리 정해진 설정에 따라 특정 파장의 광을 발산하도록 형광물질이 코팅 또는 염색된 유리 구체로 형성되어 상기 필러의 끝 부분에 부착되는 것에 의해 형광체-필러 결합구조를 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 형광체는, 수중환경에서 외부 광간섭을 최소화 하기 위해 UV(ultra violet), 녹색(green), 청색(blue), 노란색(yellow), 적색(red) 계열을 포함하는 파장 중 하나의 파장에서 여기(Excitation)되어 해당 형광체의 특성에 따른 형광 방출광(Emission)을 발산하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 이미지센서부는, 상기 필러에 집적된 형광체에 빛을 조사하기 위한 LED 라이트를 포함하여 이루어지는 광원; 상기 광원을 통하여 상기 형광체로부터 방출된 방출광(Emission)을 검출하기 위해 미리 정해진 대역을 가지는 형광 대역통과필터(Band Pass Filter ; BPF); 및 상기 필러의 내부를 통해 상기 형광체의 형광 이미지를 얻기 위한 카메라를 포함하는 이미지 센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 유속 및 유향 분석단계는, 유속 및 유향의 크기에 비례하여 휘어지는 상기 필러의 움직임에 따라 변화되는 상기 형광체의 밝기 및 크기(위치)를 상기 필러의 내부를 통해 상기 이미지 센서로 촬영하여 얻어지는 형광 이미지에 근거하여, 미리 정해진 기준에 따라 상기 형광 이미지에서 관측되는 형광체의 밝기를 분석하는 것에 의해 유동의 속도를 추정하는 처리가 수행되는 유속 추정단계; 및 미리 정해진 기준에 따라 상기 형광 이미지에서 관측되는 형광체의 위치를 분석하는 것에 의해 유동의 방향을 추정하는 처리가 수행되는 유향 추정단계를 포함하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 유속 추정단계는, 촬영된 전체 이미지 중 형광체 이미지에 해당하는 영역을 사각형 영역으로 선택하는 단계; 및 선택된 사각형 내부의 픽셀값의 밝기에 대한 평균을 산출하여 미리 정해진 일정 영역의 밝기와 외력 사이의 관계(Mean-Force analysis)를 수치화하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유향 추정단계는, 외력 인가가 없는 상태에서 촬영된 형광체 이미지를 기준 이미지로 하고 상기 기준 이미지의 중심점 좌표값을 (0, 0)으로 하여 기준점을 설정하여, 상기 기준 이미지에서의 형광체의 중심점과 외력 인가에 따라 변화된 형광체 이미지의 중심점(X, Y) 사이의 픽셀 거리를 산출하는 단계; 및 산출된 픽셀 거리에 근거하여, 상기 기준점으로부터 형광체 이미지의 중심점이 이동된 길이를 아크탄젠트로 계산하여 라디안 단위의 각도값을 산출하고, 산출된 라디안 각도값을 실제 각도로 변환하여 외력이 인가되는 방향으로 결정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 유속 및 유향 분석단계는, 다양한 형광체의 밝기 및 크기(위치)에 따른 유동의 유속과 방향의 관계에 대한 데이터를 수집하여 유동측정을 위한 데이터베이스를 미리 구축하여 두고, 상기 데이터베이스의 내용에 근거하여 실시간으로 수신되는 이미지로부터 이미지 분석을 통해 유속과 방향을 추정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 유속 및 유향 분석단계는, 딥러닝(Deep Learning)이나 머신러닝(Machine Learning), 또는, 인공신경망(Artificial Neural Network ; ANN)이나 컨벌루션 신경망(합성곱 신경망)(Convolutional Neural Network ; CNN) 기반의 영상인식 및 분석 알고리즘을 이용하여, 다양한 형광체의 밝기 및 크기(위치)에 따른 유동의 유속과 방향의 관계에 대한 데이터를 수집하여 구축된 데이터베이스에 대한 학습을 수행하고, 학습결과에 근거하여 실시간으로 수신되는 형광체의 형광 이미지로부터 유속과 방향을 추정하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법을 컴퓨터에 실행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체가 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 형광체가 결합되어 선체의 측면에 배치되는 필러와 이미지 센서를 통해 획득한 형광 이미지를 이용하여 이미지 분석을 통해 유속과 유향을 모두 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법이 제공됨으로써, 광원과 광검출기가 수중 무인잠수체 내부에 배치되어 외부의 빛에 의한 노이즈를 최소화하는 동시에, 광신호의 검출을 위해 이미지 센서를 적용하여 유체의 방향을 직관적으로 도출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 형광체가 결합되어 선체의 측면에 배치되는 필러와 이미지 센서를 통해 획득한 형광 이미지를 이용하여 이미지 분석을 통해 유속과 유향을 모두 정확하게 측정할 수 있도록 구성되는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법이 제공됨으로써, 수중 무인잠수체의 운항시 정확한 항법과 수중동작을 위해서는 근접역의 유체의 유속과 유향을 정확하게 측정하는 것이 중요하나, 유속의 측정만 가능하고 유체의 방향은 측정할 수 없거나, 유속과 유향의 측정이 가능하나 유향 측정의 정확도가 낮고 구조상 수중 무인잠수체에 적용하는 목적의 센서로는 적합하지 않은 한계가 있었던 종래기술의 생체모방형 유속센서들의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 수중 유속 및 유향 동시측정 시스템의 측정센서부에 적용되는 생체모방형 유속센서의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법의 실제 성능을 시험하기 위해 구현된 유속 및 유향 동시측정장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 필러에 인가되는 힘에 따라 관측된 형광체의 형광 이미지를 각각 나타내는 도면이다.
도 6은 이미지 센서로 촬영된 형광 이미지를 분석하여 이미지 변화량과 외력의 관계를 도출하기 위한 이미지 분석방법으로 밝기변화를 통해 유속을 검출하는 처리과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 7은 이미지 센서로 촬영된 형광 이미지를 분석하여 이미지 변화량과 외력의 관계를 도출하기 위한 이미지 분석방법으로 중심점 이동을 통해 유속을 검출하는 처리과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 8은 외력 변화에 따른 형광체의 휘도 변화를 분석한 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 9는 외력 변화에 따른 중심점의 거리변화를 분석한 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 10은 인가된 힘의 방향을 분석하는 처리과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 11은 다양한 방향에서 필러에 외력이 인가될 때 촬영된 형광체 이미지를 각각 나타내는 도면이다.
도 12는 도 10에 나타낸 각도분석 방법을 이용하여 다양한 방향으로 힘을 받는 형광체의 이미지를 통해 외력 변화에 따른 유체 방향을 분석한 결과를 나타내는 도면으로, 형광 이미지의 중심점에 대한 2차원 분석결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 13은 도 10에 나타낸 각도분석 방법을 이용하여 다양한 방향으로 힘을 받는 형광체의 이미지를 통해 외력 변화에 따른 유체 방향을 분석한 결과를 나타내는 도면으로, 형광 이미지의 중심점을 각도로 변환한 결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 수중 유속 및 유향 동시측정 시스템의 측정센서부에 적용되는 생체모방형 유속센서의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법의 실제 성능을 시험하기 위해 구현된 유속 및 유향 동시측정장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 필러에 인가되는 힘에 따라 관측된 형광체의 형광 이미지를 각각 나타내는 도면이다.
도 6은 이미지 센서로 촬영된 형광 이미지를 분석하여 이미지 변화량과 외력의 관계를 도출하기 위한 이미지 분석방법으로 밝기변화를 통해 유속을 검출하는 처리과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 7은 이미지 센서로 촬영된 형광 이미지를 분석하여 이미지 변화량과 외력의 관계를 도출하기 위한 이미지 분석방법으로 중심점 이동을 통해 유속을 검출하는 처리과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 8은 외력 변화에 따른 형광체의 휘도 변화를 분석한 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 9는 외력 변화에 따른 중심점의 거리변화를 분석한 결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 10은 인가된 힘의 방향을 분석하는 처리과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 11은 다양한 방향에서 필러에 외력이 인가될 때 촬영된 형광체 이미지를 각각 나타내는 도면이다.
도 12는 도 10에 나타낸 각도분석 방법을 이용하여 다양한 방향으로 힘을 받는 형광체의 이미지를 통해 외력 변화에 따른 유체 방향을 분석한 결과를 나타내는 도면으로, 형광 이미지의 중심점에 대한 2차원 분석결과를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 13은 도 10에 나타낸 각도분석 방법을 이용하여 다양한 방향으로 힘을 받는 형광체의 이미지를 통해 외력 변화에 따른 유체 방향을 분석한 결과를 나타내는 도면으로, 형광 이미지의 중심점을 각도로 변환한 결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
더 상세하게는, 먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법은, 크게 나누어, 생체모방형 유속센서와 이미지 센서를 포함하여 이루어지는 유속 및 유향 동시측정장치를 이용하여, 수중에서 유속 및 유향에 따라 변화되는 생체모방형 유속센서의 이미지를 수신하는 처리가 수행되는 데이터 수집단계(S10)와, 데이터 수집단계(S10)를 통해 수집된 생체모방형 유속센서의 이미지로부터 이미지 분석을 통해 유속 및 유향을 추정하는 처리가 수행되는 유속 및 유향 분석단계(S20) 및 미리 정해진 설정에 따라 데이터 수집단계(S10)를 통해 수집되는 이미지 및 유속 및 유향 분석단계(S20)의 처리결과를 포함하는 각종 데이터를 출력하는 처리가 수행되는 출력단계(S30)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 데이터 수집단계(S10), 유속 및 유향 분석단계(S20) 및 출력단계(S30)의 처리는 컴퓨터와 같은 정보처리장치를 통해 수행되도록 구성될 수 있으며, 그것에 의해, 별도의 하드웨어를 구성할 필요 없이 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 유속 및 유향의 측정이 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법은, 후술하는 바와 같이, 예를 들면, 어류의 옆줄(측선기관)과 같이, 신경소구(neuromast)를 모사하여, 광원과 광소자를 포함하여 유연성을 가지는 재질로 형성되고 끝부분에는 형광체가 집적된 필러가 선체 밖으로 돌출되도록 이루어지는 광센서 기반의 생체모방형 유동측정장치를 선체의 측면에 각각 설치하고, 광원이 형광체와 필러의 결합구조체에 조사되어 형광체가 발광하는 빛을 카메라로 촬영하여 필러의 형광 이미지를 얻은 다음(S10), 촬영된 이미지에 대하여 외력에 따른 이미지의 밝기 및 중심위치의 변화를 분석하는 것에 의해 유동의 속도와 방향을 추정하며(S20), 미리 정해진 설정에 따라 각각의 처리과정 및 결과를 출력하는(S30) 처리가 수행되도록 구성됨으로써, 비교적 간단한 구성으로 단일의 측정장치를 통하여 유동의 속도와 방향을 모두 측정 가능하도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법을 이용하여 수중에서 유속 및 유향을 동시에 측정하도록 구성되는 수중 유속 및 유향 동시측정 시스템(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법이 수행되도록 구성되는 수중 유속 및 유향 동시측정 시스템(10)은, 크게 나누어, 유속 및 유향을 측정하기 위해, 예를 들면, 어류의 옆줄(측선기관)과 같은 신경소구(neuromast)를 모사하여 이루어지는 적어도 하나 이상의 생체모방형 유속센서를 포함하여 이루어지는 측정센서부(11)와, 측정센서부(11)의 각각의 생체모방형 유속센서의 움직임을 관측하여 유속 및 유향을 측정하기 위해 각각의 생체모방형 유속센서의 이미지를 촬영하기 위한 이미지센서부(12)와, 이미지센서부(12)를 통해 얻어진 이미지를 분석하여 미리 정해진 기준에 따라 유속과 방향을 추정하는 처리가 수행되도록 이루어지는 유속 및 유향 분석부(13)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 시스템(10)은, 이미지센서부(12)를 통해 얻어지는 이미지와 유속 및 유향 분석부(13)의 처리결과를 통해 얻어지는 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 미리 정해진 설정에 따라 출력하고 디스플레이 등을 통해 표시하는 처리가 수행되도록 이루어지는 출력부(14)와, 유선 또는 무선 통신 중 적어도 하나의 방식으로 통신을 수행하여 각각의 이미지 및 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 서버 등의 외부 기기로 전송하기 위한 통신부(15) 및 상기한 각 부와 시스템(10)의 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어부(16)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 상기한 데이터 수집단계(S10)는 도 2에 나타낸 수중 유속 및 유향 동시측정 시스템(10)의 측정센서부(11)와 이미지센서부(12)를 통해 수행될 수 있고, 상기한 유속 및 유향 분석단계(S20) 및 출력단계(S30)는 상기한 시스템의 유속 및 유향 분석부(13)와 출력부(14)를 통해 각각 수행될 수 있다.
아울러, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정 시스템(10)의 측정센서부(11)에 적용되는 생체모방형 유속센서(20)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정 시스템(10)의 측정센서부(11)에 적용되는 생체모방형 유속센서(20)는, 예를 들면, 어류의 옆줄과 같은 표면 신경소구(neuromast)를 모방하여, 탄성 재질을 이용하여 속이 빈 기둥 형태로 형성되고 외부에 돌출되도록 이루어지는 필러(21)와, 필러(21)의 끝부분에 설치되는 구 형태의 형광체(22)를 포함하여 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 먼저, 상기한 필러(21)는, 예를 들면, PDMS(Polydimethylsiloxane), 실리콘, 플라스틱, 고무 등과 같이 유연성을 가지는 재질을 이용하여 원뿔, 원기둥, 다각뿔, 다각기둥 등과 같이 필요에 따라 다양한 형태로 형성되어 선체 외부의 옆면에 돌출되도록 설치될 수 있으며, 그것에 의해, 수중 무인잠수체의 운항시 유동 속도 및 방향에 비례하여 유연하게 휘어질 수 있도록(flexible) 구성될 수 있다.
또한, 상기한 형광체(22)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 미리 정해진 설정에 따라 특정 파장의 광을 발산하도록 형광물질이 코팅 또는 염색된 유리 구체로 형성되어 형광체-필러 결합구조를 형성하도록 구성될 수 있다.
여기서, 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에서는, 마이크로 파이펫에 활용되는 플라스틱 사출팁과 레드 형광이 염색된 유리구체를 집적하여 형광체-필러 결합 구조체가 구성되는 경우를 예로 나타내었으나, 본 발명은 반드시 본 발명의 실시예에 제시된 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 실시예에 제시된 구성 이외에, 본 발명의 취지 및 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 필요에 따라 다양하게 수정 및 변경하여 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
즉, 상기한 형광체(22)는, 수중환경에서 외부 광간섭을 최소화 하기 위해 UV(ultra violet), 녹색(green), 청색(blue), 노란색(yellow), 적색(red) 계열을 포함하는 파장 중 하나의 파장에서 여기(Excitation)되어 해당 형광체의 특성에 따른 형광 방출광(Emission)을 발산하도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 상기한 형광체(22)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 미리 정해진 크기의 유리 구체에 형광물질이 반구형으로 코팅되어 있는 형태로 구성될 수 있고, 이때, 외부 광간섭을 최소화 하기 위한 청색(blue) 계열의 형광 여기광(Excitation) 광원이나, 또는, 외부광 간섭을 최소화 하기 위한 적색(red) 계열의 형광 방출광(Emission) 광원으로 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 형광체(22)의 크기는, 예를 들면, 200㎛ ~ 2mm 까지의 크기로 다양하게 구성될 수 있고, 상기한 청색(blue) 형광 여기광(Excitation)은, 바람직하게는, 수중환경을 고려하여 흡수율이 가장 낮은 470nm 파장(블루)의 광원을 이용할 수 있으며, 상기한 적색(red) 형광 방출광(Emission)은, 바람직하게는, 수중환경을 고려하여 흡수율이 가장 높은 607nm 파장(레드)의 광원을 이용하도록 구성될 수 있다.
이에, 본 발명의 실시예에서는, 광 신호원의 형광을 선택적으로 획득하기 위해 607㎚±21㎚의 대역을 가지는 형광 대역필터(Band Pass Filter ; BPF)를 사용하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 필요에 따라 다양한 형태의 형광체 및 다양한 파장의 광원을 선택 또는 조합하여 구성될 수 있으며, 광원과 형광체의 조합에 따라 필터의 파장이 적절하게 변경될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
또한, 상기한 형광체(22)는, 도 3에 나타낸 구성 이외에, 예를 들면, 반사판이나 형광도료 등과 같이, 수중환경에 따라 미리 정해진 설정에 근거하여 조사광에 의해 발산되는 형광이나 발광 또는 반사광을 이미지센서부(12)에 전달 가능하도록 이루어지는 구조물로 형성되어 특정 형태 및 특정 파장의 광을 발산하도록 구성될 수 있으며, 또는, 도 3에 나타낸 바와 같은 필러-형광체 결합구조를 다수 개 집적하여 구성될 수도 있는 등, 상기한 측정센서부(11)는 여기광(Excitation) 또는 여기광에 의해 방출된 방출광(Emission) 등을 광센서를 통해 검출할 수 있는 것이면 특별히 제한은 없는 것임에 유념해야 한다.
따라서 상기한 바와 같은 필러-형광체 결합구조를 통하여, 도 3의 저면도(Bottom view)에 나타낸 바와 같이, 속이 탄성 재질로 속이 빈 기둥 형태로 형성되는 필러(21)와 필러(21)의 끝부분에 구 형태의 형광체(22)가 일체로 집적되어 선체 외부에 돌츨되도록 설치됨으로써, 유속의 흐름과 동일한 방향으로 필러(21)가 휘어지는 동시에 필러(21)에 가해지는 힘, 즉, 유속의 크기에 따라 휘어짐의 정도가 커지게 되며, 필러(21)의 휘어짐에 따라 필러(21)의 끝에 고정된 형광체(22)의 위치도 함께 변화되므로, 유속 및 유향의 변화에 따른 형광체(22)의 위치를 필러(21)의 내부를 통해 반대측, 즉, 선체 내부에서 관측 가능하도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기한 이미지센서부(12)는, 예를 들면, LED 라이트 등과 같이, 필러(21)에 집적된 형광체(22)에 빛을 조사하기 위한 광원과, 광원을 통하여 형광체(22)로부터 방출된 방출광(Emission)을 검출하기 위해 미리 정해진 대역을 가지는 형광 대역통과필터(Band Pass Filter ; BPF) 및 필러(21)의 내부를 통해 형광체(22)의 형광 이미지를 얻기 위한 카메라 등의 이미지 센서를 포함하여 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같은 구성으로부터, 유속 및 유향의 크기에 비례하여 휘어지는 필러(21)의 움직임에 따라 변화되는 형광체(22)의 위치를 카메라 등의 이미지 센서를 이용하여 필러(21)의 내부를 통해 촬영하고, 촬영된 형광 이미지를 분석하는 것에 의해 유속 및 유향을 동시에 측정할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 수중 유속 및 유향 동시측정 방법 및 이를 이용한 유속 및 유향 동시측정 시스템(10)은, 형광체(22)가 집적된 필러(21)로 이루어지는 다수의 생체모방형 유속센서(20)가 ROV나 AUV, 수중드론 등과 같은 수중 무인잠수체의 외부 표면에 돌출되도록 설치되고, 내부에는 이미지센서부(12)와 유속 및 유향 분석부(13)가 각각 설치되어, 수중 무인잠수체의 내부에서 필러(21)를 통해 촬영된 형광체(22)의 형광 이미지를 분석하는 것에 의해 유속 및 유향을 동시에 측정할 수 있도록 구성될 수 있다.
또는, 상기한 시스템(10)은, 상기한 각 부(11 ~ 16)가 단일의 하우징에 일체로 형성되어 독립적인 센서로서 활용될 수 있도록 구성될 수도 있는 등, 본 발명은 반드시 본 발명의 실시예에 제시된 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 본 발명의 취지 및 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 필요에 따라 다양하게 수정 및 변경하여 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
아울러, 상기한 이미지센서부(12)는, 상기한 바와 같이 광원으로 여기된 형광체의 방출광을 측정하기 위한 측정센서를 포함하여 구성될 수 있고, 본 발명에서는 CCD 및 CMOS 등의 이미지 센서를 사용하였으나, 반드시 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 상기한 측정센서는, 예를 들면, 사진이나 동영상의 촬영이 가능한 카메라 센서 이외에, 형광, 발광, 반사광을 인지할 수 있는 광소자라면 특별히 제한되는 것은 아님에 유념해야 한다.
더욱이, 상기한 유속 및 유향 분석부(13)(유속 및 유향 분석단계(S20))는, 상기한 바와 같이 필러-형광체 결합구조의 하부에 배치된 카메라를 이용하여 필러(21)의 내부를 통해 형광체(22)를 촬영하고, 미리 정해진 기준에 따라 이미지상에서 관측되는 형광체(22)의 밝기 및 크기(위치)를 분석하는 것에 의해 유동의 속도와 방향을 추정하는 처리가 수행되도록 구성됨으로써, 유동의 속도와 방향을 동시에 측정 가능하도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 도 4를 참조하면, 도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법의 실제 성능을 시험하기 위해 구현된 유속 및 유향 동시측정장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명자들은, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법을 수행하기 위한 측정장치를 실제로 구현하여 유속 및 유향의 동시측정을 수행하고 실제 성능을 검증하였다.
이를 위해, 필러는 Axygen사의 10ml 파이펫 팁(T-300)을 사용하였고, 길이는 24mm, 내부직경은 4mm, 외부직경은 6mm 이며, 내부가 비어있는 구조로 형성되었으며, 형광체는 Cospheric사의 유리비드(HCMS-P-SLGS-FMR 2mm)를 사용하였다.
이때, 유리비드의 재질은 소다석회이며, 반구 영역에 빨간색 형광이 코팅되어 있고, 형광체의 여기 파장은 575nm, 방출 파장은 607nm 이다며, 형광체와 필러는 Edmund optics사의 UV 에폭시(Norland Optical Adhesive NOA 68)를 사용하여 접합하였고 에폭시를 경화하기 위해 380nm의 UV LED를 사용하였다.
또한, 이와 같이 하여 제작된 형광체 집적 필러를 형광 이미지 측정을 위해 기판에 UV 에폭시를 이용해 고정하였고, 기판을 통해 필러 끝에 결합된 형광체를 관찰하여 필러의 움직임을 분석하였다.
아울러, 빛의 간섭을 최소화하기 위하여 탁상용 암실 내부에 측정장치를 위치시켰으며, 측정장치의 가장 아래에는 형광체가 부착된 필러가 위치하고, 광원은 470nm 파장을 갖는 링 형태의 LED 광원을 사용하였으며, 해당 광원의 중앙 쪽의 빈 공간에 이미지 센서를 배치하여 측정부의 부피를 최소화하였다.
더욱이, 이미지 센서에는 텔레센트릭 렌즈와 607nm 대역 광학필터가 장착되어 있으며, 텔레센트릭 렌즈는 형광체의 심도변화로 인해 발생하는 관심영역의 초점 분산도를 최소화하기 위해 사용되었고, 광학필터는 LED 광원의 빛을 배제하고 형광체가 방출하는 607nm 파장의 빛만을 선택적으로 카메라에 전달하기 위해 사용되었다.
즉, 광원의 470nm 파장의 빛은 필러 끝단의 형광체를 여기시키고, 여기된 형광체는 607nm 파장의 빛을 방출하며, 방출된 빛은 광학필터를 통과해 이미지 센서에 도달되고, 이미지 센서에서 측정된 형광 이미지를 분석하여 필러에 미치는 힘의 크기와 방향을 도출할 수 있다.
이때, 필러에 힘을 인가하기 위해 Simpo 사의 포스 게이지 센서(FGN-50)를 사용하였으며, 이미지 센서로 측정한 형광 이미지는 이미지 분석 프로그램인 Image J를 사용하여 분석하였고, 분석에 사용된 형광 이미지는 8비트 그레이 레벨(gray level)로 변환되어 0 ~ 255 범위의 픽셀 값을 가진다.
또한, 필러의 움직임에 따라 변화되는 형광 이미지를 측정하기 위해 포스 게이지 센서를 직접 필러에 접촉시켜 미는 힘을 증가시키면서 변화되는 형광 이미지를 촬영하였다.
더 상세하게는, 도 5를 참조하면, 도 5는 필러에 인가되는 힘에 따라 관측된 형광체의 형광 이미지를 각각 나타내는 도면이다.
여기서, 외력은 필러의 왼쪽에서 인가되었으며, 도 5에 나타낸 바와 같이, 외력이 인가되지 않은 상태(0 N)일 때는 형광체의 관측 이미지인 밝은 원형 이미지가 측정 관심영역의 가운데에 위치한 것을 확인할 수 있고, 외력이 증가됨에 따라서 관측되는 형광 이미지의 밝기는 줄어들고, 형광체 관측 이미지의 중심점은 외력이 인가되는 방향과 동일하게 움직이는 것을 학인할 수 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 형광체가 집적된 필러에 미치는 힘이 증가함에 따라 관측된 형광체의 이미지 밝기가 감소하고 형광체 관측 이미지의 중심점이 이동하는 양상을 통해 형광체 이미지의 밝기와 형광체 이미지 중심점의 이동거리를 변수로 설정하여 외력과의 관계를 도출하는 이미지 분석방법을 도출할 수 있다.
즉, 도 6 및 도 7을 참조하면, 도 6 및 도 7은 이미지 센서로 촬영된 형광 이미지를 분석하여 이미지 변화량과 외력의 관계를 도출하기 위한 이미지 분석방법을 각각 개략적으로 나타내는 개념도이다.
여기서, 도 6은 관찰 영상의 밝기변화를 통해 유속을 검출하는 처리과정을 나타내고, 도 7은 관찰 영상의 중심점 이동을 통해 유속을 검출하는 처리과정을 각각 나타내고 있다.
더 상세하게는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 형광체 관측 이미지의 밝기변화를 분석하는 방법은, 먼저, 촬영된 전체 이미지 중 형광체 이미지에 해당하는 영역을 사각형 영역으로 선택하고, 사각형 내부의 픽셀값의 밝기를 평균하여 일정 영역의 밝기와 외력 사이의 관계(Mean-Force analysis)를 수치화하는 과정으로 구성된다.
또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 형광체 이미지의 위치를 분석하는 방법은, 먼저 외력 인가가 없는 상태에서 촬영된 형광체 이미지의 중심점을 측정하고, 외력 인가에 따라 변화하는 형광체 이미지의 중심점을 측정하여 두 중심점 사이의 픽셀 거리를 도출하며, 이를 통해, 형광체 이미지의 중심점이 이동한 거리와 필러에 인가된 외력 사이의 관계(Length-Force analysis)를 수치화 하는 처리과정을 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 도 8 및 도 9를 참조하면, 도 8은 필러에 힘이 인가될 때 외력 변화에 따른 형광체의 휘도, 즉, 형광 이미지의 밝기 변화를 분석한 결과를 그래프로 나타낸 도면이고(Mean-Force 분석), 도 9는 필러에 힘이 인가될 때 외력 변화에 따른 형광 이미지의 중심점이 이동한 거리의 변화를 분석한 결과를 그래프로 나타낸 도면이다(Length-Force 분석).
여기서, 도 8에 있어서, 형광 이미지의 밝기 분석영역은 총 11,130 픽셀이며, 힘이 인가되지 않은 상태인 초기의 평균 밝기는 106 이고, 0.11 N의 힘이 필러에 인가될 때 평균 밝기는 99이며, 1.44 N의 힘이 필러에 인가될 때의 평균 밝기는 24로 나타났다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 필러에 인가된 힘이 증가함에 따라 평균 밝기가 감소되며, 측정된 12개의 데이터를 토대로 선형 그래프를 그렸을 때 R2은 0.8847의 값을 나타내었다.
또한, 도 9에 나타낸 바와 같이, 필러에 힘이 인가될 때 형광 이미지의 중심점이 이동한 거리를 분석한 결과, 힘이 인가되지 않은 상태인 초기의 중심점은 관측영역의 픽셀좌표 기준으로 (120, 111)이고, 0.11 N의 힘이 필러에 인가될 때 중심점은 (123, 111)이며, 이는 초기에서 Y축의 변화는 없고 X축으로 3 픽셀 이동한 것이다.
여기서, Y축의 변화가 없다는 것은 수평방향으로 힘이 인가되었다는 것을 의미하며, X축으로 이동한 거리는 필러에 인가되는 힘의 방향을 나타낸다.
또한, 0.4 N의 힘이 필러에 인가될 때 중심점은 (128, 110)이고, 1.44 N의 힘이 필러에 인가될 때는 (152, 110)로 분석되었으며, 측정된 12개의 데이터를 토대로 선형 그래프를 그렸을 때 R2은 0.9733의 값을 나타내었다.
아울러, 결정계수로 필러에 외력이 인가됨에 따라 변화하는 형광 이미지를 분석한 결과, 이미지의 밝기를 분석하는 Mean-Force analysis 결과에 비해 형광 이미지 중심점의 거리를 분석하는 Length-Force analysis 결과의 유용성이 더 높은 것으로 나타났으며, 이에, 힘의 변화량을 추정하기 위해서는 선형성이 높은 형광 이미지 중심점의 거리를 분석하는 방법이 더 적합하다고 할 수 있다.
더욱이, 이미지 센서로 촬영할 수 있는 형광체의 움직임은 2차원 평면에서 관측되므로, 따라서 중심점의 위치변화를 각도로 분석하면 필러에 가해지는 힘의 방향을 도출할 수 있다.
즉, 도 10을 참조하면, 도 10은 인가된 힘의 방향을 분석하는 처리과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
여기서, 도 10에 있어서, 촬영된 영상은 동일한 수평방향에서만 힘을 인가한 것이므로 도 9에서 분석한 것과 같이 중심점의 위치가 변할 때 X축 좌표값은 변화하지만 Y축 좌표값의 변화는 없다.
물론, 필러에 인가되는 힘의 방향이 변화하면 Y축 좌표값이 변화할 것이며, X축 좌표값과 Y축 좌표값의 변화 정도를 계산하면 힘의 방향을 도출할 수 있고, 이러한 방법을 유속센서에 적용하였을 경우에는 유체의 이동방향을 분석할 수 있다.
즉, 도 10에 나타낸 바와 같이, 기준 이미지에서 필러에 힘이 인가되면 형광체 이미지 중심점의 X축 좌표값과 Y축 좌표값이 변화하며, 기준점을 중심으로 하여 이들 두 좌표의 변화를 아크탄젠트로 계산하면 라디안 단위의 값으로 도출할 수 있고, 이 값을 각도로 환산할 수 있으며, 이와 같이 하여 도출된 각도는 외력이 인가되는 방향을 표현하게 된다(Degree analysis).
또한, 도 11을 참조하면, 도 11은 다양한 방향에서 필러에 외력이 인가될 때의 촬영된 형광체 이미지를 각각 나타내는 도면이다.
여기서, 도 11에 있어서, 각 이미지 상의 픽셀 위치는 왼쪽 상단을 (0, 0)으로 기준한다.
아울러, 도 12 및 도 13을 참조하면, 도 12 및 도 13은 도 10에 나타낸 각도분석(Degree analysis) 방법을 이용하여 다양한 방향으로 힘을 받는 형광체의 이미지를 통해 외력 변화에 따른 유체 방향을 분석한 결과를 각각 나타내는 도면으로, 도 12는 형광 이미지의 중심점에 대한 2차원 분석결과를 그래프로 나타낸 도면이고, 도 13은 도 12에 나타낸 분석결과에서 형광 이미지의 중심점 좌표를 각도로 변환한 결과를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
여기서, 도 12 및 도 13에 나타낸 분석결과에 있어서, 분석에 사용된 형광 이미지는 도 11에 나타낸 이미지들이며, 괄호 안의 숫자로 각 이미지의 번호를 매칭시켰다.
더 상세하게는, 먼저, (1)은 초기 형광 이미지로써 X축과 Y축의 좌표값 (122, 108) 이고, (2)에서 (7)까지 해당하는 6개 이미지의 X축과 Y축의 좌표값은 각각 (137, 102), (92, 125), (133, 131), (114, 93), (96, 100), (103, 137) 이다.
또한, 초기 형광 이미지의 중심점 좌표값을 (0, 0)으로 하여 기준점을 잡으면, 기준점으로부터 떨어진 X축과 Y축의 길이변화를 계산할 수 있으며, 변환된 길이를 이용하여 라디안 값으로 계산하면 각각 0.38, 0.52, -1.12, -1.07, -0.31, 0.97이다.
아울러, 이를 각도로 변경하면 각각 21.8°, 209.5°, 295.6°, 118.7°, 162.2°, 235.6°이며, 따라서 이러한 상기한 바와 같은 내용으로부터, 2차원 평면에서 필러에 인가되는 힘의 방향을 360° 전방향으로 분석이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
즉, 상기한 유속 및 유향 분석부(13)(유속 및 유향 분석단계(S20))는, 상기한 바와 같이 형광 이미지로부터 형광체(22)의 밝기 변화를 분석하는 Mean-Force analysis를 통해 유속을 추정하고, 상기한 바와 같은 Length-Force analysis를 통해 중심점의 좌표값 변화에 근거하여 각도분석 방법을 이용하여 유향을 계산하는 처리가 각각 수행되도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기한 유속 및 유향 분석부(13)(유속 및 유향 분석단계(S20))는, 다양한 형광체(22)의 밝기 및 크기(위치)에 따른 유동의 유속과 방향의 관계에 대한 데이터를 수집하여 유동측정을 위한 데이터베이스를 미리 구축하여 두고, 데이터베이스의 내용에 근거하여 실시간으로 수신되는 이미지로부터 이미지 분석을 통해 유속과 방향을 추정하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기한 유속 및 유향 분석부(13)(유속 및 유향 분석단계(S20))는, 예를 들면, 딥러닝(Deep Learning)이나 머신러닝(Machine Learning), 또는, 인공신경망(Artificial Neural Network ; ANN)이나 컨벌루션 신경망(합성곱 신경망)(Convolutional Neural Network ; CNN) 기반의 영상인식 및 분석 알고리즘을 이용하여, 다양한 형광체(22)의 밝기 및 크기(위치)에 따른 유동의 유속과 방향의 관계에 대한 데이터를 수집하여 구축된 데이터베이스에 대한 학습을 수행하고, 학습결과에 근거하여 실시간으로 수신되는 형광체(22)의 형광 이미지로부터 유속과 방향을 추정하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성될 수도 있는 등, 본 발명은 본 발명의 취지 및 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 필요에 따라 다양하게 수정 및 변경하여 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
여기서, 상기한 바와 같이 이미지 분석을 통해 미리 정해진 기준에 따라 유속을 추정하거나 인공지능 알고리즘을 이용하여 이미지 분석을 수행하는 처리에 대한 보다 구체적인 내용에 대하여는 종래기술의 딥러닝 등의 인공지능 기술 및 이미지 분석방법 등을 참조하여 당업자가 적절히 구성할 수 있는 사항이므로, 이에, 본 발명에서는, 상기한 바와 같이 종래기술의 내용 등을 통해 당업자에게 자명하거나 또는 종래기술의 문헌 등을 참고하여 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있는 내용에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법을 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 본 발명에 따르면, 이미지 분석을 이용하여 단일의 장치로 유동의 속도와 방향을 동시에 측정 가능한 데 더하여, 측정시 외부 환경의 영향을 최소화하여 굴절율 및 탁도 변화 등에 영향받지 않고, 조사광 및 방출광에 대한 외부 간섭이 없으며, 전체적인 센서의 구성을 단순화하고 센서의 캘리브레이션이 용이하게 이루어질 수 있는 장점을 가지는 것이다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 수중 유속 및 유향 동시측정 시스템
11. 측정센서부
12. 이미지센서부
13. 유속 및 유향 분석부
14. 출력부
15. 통신부
16. 제어부
20. 생체모방형 유속센서
21. 필러
22. 형광체
11. 측정센서부
12. 이미지센서부
13. 유속 및 유향 분석부
14. 출력부
15. 통신부
16. 제어부
20. 생체모방형 유속센서
21. 필러
22. 형광체
Claims (13)
- 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법에 있어서,
생체모방형 유속센서와 이미지 센서를 포함하여 이루어지는 유속 및 유향 동시측정장치를 이용하여, 수중에서 유속 및 유향에 따라 변화되는 생체모방형 유속센서의 이미지를 수신하는 처리가 수행되는 데이터 수집단계;
상기 데이터 수집단계를 통해 수집된 생체모방형 유속센서의 이미지로부터 이미지 분석을 통해 유속 및 유향을 추정하는 처리가 수행되는 유속 및 유향 분석단계; 및
미리 정해진 설정에 따라 상기 데이터 수집단계를 통해 수집되는 이미지와 상기 유속 및 유향 분석단계의 처리결과를 포함하는 각종 데이터를 출력하는 처리가 수행되는 출력단계를 포함하여 구성되고,
상기 데이터 수집단계, 상기 유속 및 유향 분석단계 및 상기 출력단계의 처리가 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 수행되도록 구성되며,
상기 생체모방형 유속센서는,
탄성 재질을 이용하여 속이 빈 기둥 형태로 형성되고 외부에 돌출되도록 설치되는 필러; 및
상기 필러의 끝부분에 설치되는 형광체를 포함하여 구성되고,
상기 유속 및 유향 분석단계는,
유속 및 유향의 크기에 비례하여 휘어지는 상기 필러의 움직임에 따라 변화되는 상기 형광체의 밝기 및 크기(위치)를 상기 필러의 내부를 통해 상기 이미지 센서로 촬영하여 얻어지는 형광 이미지에 근거하여, 미리 정해진 기준에 따라 상기 형광 이미지에서 관측되는 형광체의 밝기를 분석하는 것에 의해 유동의 속도를 추정하는 처리가 수행되는 유속 추정단계; 및
미리 정해진 기준에 따라 상기 형광 이미지에서 관측되는 형광체의 위치를 분석하는 것에 의해 유동의 방향을 추정하는 처리가 수행되는 유향 추정단계를 포함하는 처리가 수행되도록 구성되며,
상기 유향 추정단계는,
외력 인가가 없는 상태에서 촬영된 형광체 이미지를 기준 이미지로 하고 상기 기준 이미지의 중심점 좌표값을 (0, 0)으로 하여 기준점을 설정하여, 상기 기준 이미지에서의 형광체의 중심점과 외력 인가에 따라 변화된 형광체 이미지의 중심점(X, Y) 사이의 픽셀 거리를 산출하는 단계; 및
산출된 픽셀 거리에 근거하여, 상기 기준점으로부터 형광체 이미지의 중심점이 이동된 길이를 아크탄젠트로 계산하여 라디안 단위의 각도값을 산출하고, 산출된 라디안 각도값을 실제 각도로 변환하여 외력이 인가되는 방향으로 결정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 유속 및 유향 동시측정장치는,
적어도 하나 이상의 생체모방형 유속센서를 포함하여 이루어지는 측정센서부;
상기 측정센서부의 각각의 생체모방형 유속센서의 이미지를 촬영하기 위한 이미지센서부;
유선 또는 무선 통신 중 적어도 하나의 방식으로 통신을 수행하여 각각의 이미지 및 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 외부 기기로 전송하기 위한 통신부; 및
상기 측정장치의 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 필러는,
PDMS(Polydimethylsiloxane), 실리콘, 플라스틱, 고무를 포함하는 유연성을 가지는 재질을 이용하여 원뿔, 원기둥, 다각뿔, 다각기둥을 포함하는 형태로 형성되어 선체 외부의 옆면에 돌출되도록 설치됨으로써, 수중 무인잠수체의 운항시 유동 속도 및 방향에 비례하여 유연하게 휘어질 수 있도록(flexible) 구성되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 형광체는,
미리 정해진 설정에 따라 특정 파장의 광을 발산하도록 형광물질이 코팅 또는 염색된 유리 구체로 형성되어 상기 필러의 끝 부분에 부착되는 것에 의해 형광체-필러 결합구조를 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 형광체는,
수중환경에서 외부 광간섭을 최소화 하기 위해 UV(ultra violet), 녹색(green), 청색(blue), 노란색(yellow), 적색(red) 계열을 포함하는 파장 중 하나의 파장에서 여기(Excitation)되어 해당 형광체의 특성에 따른 형광 방출광(Emission)을 발산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법.
- 제 2항에 있어서,
상기 이미지센서부는,
상기 필러에 집적된 형광체에 빛을 조사하기 위한 LED 라이트를 포함하여 이루어지는 광원;
상기 광원을 통하여 상기 형광체로부터 방출된 방출광(Emission)을 검출하기 위해 미리 정해진 대역을 가지는 형광 대역통과필터(Band Pass Filter ; BPF); 및
상기 필러의 내부를 통해 상기 형광체의 형광 이미지를 얻기 위한 카메라를 포함하는 이미지 센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 유속 추정단계는,
촬영된 전체 이미지 중 형광체 이미지에 해당하는 영역을 사각형 영역으로 선택하는 단계; 및
선택된 사각형 내부의 픽셀값의 밝기에 대한 평균을 산출하여 미리 정해진 일정 영역의 밝기와 외력 사이의 관계(Mean-Force analysis)를 수치화하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 유속 및 유향 분석단계는,
다양한 형광체의 밝기 및 크기(위치)에 따른 유동의 유속과 방향의 관계에 대한 데이터를 수집하여 유동측정을 위한 데이터베이스를 미리 구축하여 두고, 상기 데이터베이스의 내용에 근거하여 실시간으로 수신되는 이미지로부터 이미지 분석을 통해 유속과 방향을 추정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 유속 및 유향 분석단계는,
딥러닝(Deep Learning)이나 머신러닝(Machine Learning), 또는, 인공신경망(Artificial Neural Network ; ANN)이나 컨벌루션 신경망(합성곱 신경망)(Convolutional Neural Network ; CNN) 기반의 영상인식 및 분석 알고리즘을 이용하여, 다양한 형광체의 밝기 및 크기(위치)에 따른 유동의 유속과 방향의 관계에 대한 데이터를 수집하여 구축된 데이터베이스에 대한 학습을 수행하고, 학습결과에 근거하여 실시간으로 수신되는 형광체의 형광 이미지로부터 유속과 방향을 추정하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법.
- 청구항 1항, 청구항 2항, 청구항 4항 내지 청구항 7항, 청구항 9항, 청구항 11항 및 청구항 12항 중 어느 한 항에 기재된 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법을 컴퓨터에 실행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230158495A KR102667310B1 (ko) | 2023-11-15 | 2023-11-15 | 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020230158495A KR102667310B1 (ko) | 2023-11-15 | 2023-11-15 | 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법 |
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|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230158495A KR102667310B1 (ko) | 2023-11-15 | 2023-11-15 | 생체모방형 유속센서와 이미지 분석을 이용한 수중 유속 및 유향 동시측정방법 |
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Citations (4)
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| KR101329178B1 (ko) | 2012-02-03 | 2014-03-19 | 옴니시스템 주식회사 | 광센서를 이용한 유량측정장치 및 방법 |
| KR20140084206A (ko) * | 2011-10-18 | 2014-07-04 | 루미넥스 코포레이션 | 이미지 데이터를 처리하기 위한 방법 및 시스템 |
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-
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- 2023-11-15 KR KR1020230158495A patent/KR102667310B1/ko active IP Right Grant
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