KR20040089825A - Method and equipment for the position measurement of under water reactor inspection robot - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 원자로 검사용 수중 로봇의 3차원 위치 인식장치에 관한 것으로, 자세하게는 레이저 포인터와 감지기, 레이저를 두 축을 중심으로 회전시키는 모터와 각 모터에 부착된 엔코더, 그리고 수심계를 이용하여 수중로봇의 3차원 위치를 인식하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional position recognition device for the underwater robot for nuclear reactor inspection, and in detail, a laser pointer and a sensor, a motor for rotating the laser about two axes, an encoder attached to each motor, and a depth gauge using a depth gauge. A device for recognizing a three-dimensional position.
종래의 원자로 검사용 수중 로봇에는 원자로 내 절대 위치를 확인할 수 있는 장치로 주로 초음파 센서를 이용하여 구현되었다.Underwater robots for conventional nuclear inspections have been implemented using ultrasonic sensors as a device that can determine the absolute position in the reactor.
초음파 센서 고유의 특성에 의해 일정한 각을 가지는 빔 형태로 발생된 초음파 신호는 수신부에서 직접 또는 반사 신호를 탐지될 때 발생과 수신간의 시간 지연을 측정함으로써 두 물체간의 거리를 측정할 수 있고, 복수의 수신부를 사용하면 상호 위치도 찾을 수 있다.Ultrasonic signals generated in the form of beams having a certain angle due to the inherent characteristics of the ultrasonic sensors can measure the distance between two objects by measuring the time delay between the generation and the reception when the receiving unit detects a direct or reflected signal. The receiver can also find mutual locations.
현재 해양관련 측정 장비의 거리 및 위치탐지용 센서로 광범위하게 사용되고 있는 초음파 센서는 두 물체 사이에 방해물이 없는 넓은 수중지역에서는 초음파의 지향성과 감지 용이성으로 인해 다른 센서에 비해 많은 장점을 보여준다.Ultrasonic sensors, which are widely used as distance and position sensors for marine measuring equipment, show many advantages over other sensors due to their directivity and ease of detection in large underwater areas where there are no obstacles between two objects.
그러나 완만한 원뿔 형태의 폐쇠된 공간으로 이루어진 원자로 내부를 유영하는 수중 로봇의 위치를 탐지하기 위해 초음파 장치를 적용한 위치 인식장치는 로봇이 원자로의 벽면에 접근하거나 꼭지점 방향으로 이동할수록 위치탐지가 쉽지 않다.However, the position sensor that uses ultrasonic waves to detect the position of the underwater robot that floats inside the reactor, which is composed of a closed cone-shaped space, is not as easy as the robot approaches the reactor wall or moves toward the vertex. .
원자로 밑면 중심 위치에 설치된 초음파 발생장치에서 발사된 초음파 신호가 수중 로봇의 수신부에 도달될 때 직접 수신되는 신호와 더불어 원자로 면에서 반사된 신호가 서로 간섭을 일으켜 정확한 위치측정에 어려움을 초래한다.When the ultrasonic signals emitted from the ultrasonic generator installed at the bottom of the reactor reach the receiver of the underwater robot, the signals reflected directly from the reactor surface interfere with each other and cause difficulty in accurate positioning.
또한 수중 로봇의 구동부에서 발생되는 정전기적 잡음 신호가 초음파 수신신호에 영향을 미쳐 초음파 신호 감지 및 분석에 오류를 발생시키는 등 초음파를 이용한 원자로 검사 로봇 위치 인식장치는 정확성 및 신뢰도 측면에서 많은 문제점을 가지고 있다.In addition, there is a lot of problems in terms of accuracy and reliability of the reactor inspection robot using ultrasonic waves, such as an electrostatic noise signal generated from a driving part of an underwater robot affects an ultrasonic wave receiving signal, thereby causing an error in ultrasonic signal detection and analysis. have.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 레이저 포인터, 레이저 포인트를 고정한 구조로서 엔코더를 부착한 2 축 회전 모터장치, PSD, 수심계, 그리고 레이저 포인터 및 회전 장치의 구동과 센서에서의 정보를 수신하여 수중 로봇의 위치계산 알고리즘을 수행하는 주 PC를 이용하여 수중 로봇의 원자로 내부에서의 정확한 위치를 추출하는 장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is a structure in which a laser pointer, a laser point is fixed, and a two-axis rotary motor device with an encoder attached, an PSD, a depth gauge, and information about driving and sensors of the laser pointer and the rotating device. It is to provide an apparatus for extracting the exact position in the reactor of the underwater robot using a main PC that receives and performs the position calculation algorithm of the underwater robot.
상기와 같은 본 발명의 목적은 다이오드 레이저 포인터 (Laser Pointer), PSD(Position Sensitive Detector), 엔코더(Encoder)가 부착된 두 대의 회전 모터장치, 수심계(Water Level Detector), 제어 및 신호처리용 PC를 사용한 원자로 검사용 수중 로봇의 3차원 위치 인식장치를 제공함으로써 달성된다.An object of the present invention as described above is a diode laser pointer (Laser Pointer), PSD (Position Sensitive Detector), an encoder (encoder) is attached to two rotary motor device, water level detector (Water Level Detector), control and signal processing PC It is achieved by providing a three-dimensional position recognition device of a used underwater robot for reactor inspection.
도 1은 본 발명의 구현을 위한 구동 및 신호처리 및 탐지 과정을 보인 예시도Figure 1 is an exemplary view showing a driving and signal processing and detection process for the implementation of the present invention
도 2는 도 1에서 예시한 수중 로봇 3차원 위치 탐지 장치의 메인 PC에서의 처리 알고리즘 순서도를 설명한 예시도이다.FIG. 2 is an exemplary view illustrating a flowchart of a processing algorithm in a main PC of the underwater robot 3D position detecting apparatus illustrated in FIG. 1.
도 3은 도 1에서 예시한 수중 로봇 3차원 위치 탐지 장치의 과정에서의 원자로 구성 및 위치 측정 원리를 수식적으로 설명한 예시도FIG. 3 is an exemplary diagram for describing the reactor configuration and position measurement principle in the process of the underwater robot three-dimensional position detection apparatus illustrated in FIG.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 구성은 수중 유영 로봇의 원자로 내 3차원 위치를 인식함에 있어서, PSD에 광정보를 제공하는 레이저 포인트와; 레이저 포인트를 고정하고 엔코더부착한 상태에서 2축 회전 기능의 모터장치와; 수중로봇 윗변 중심에 수평상태로 고정된 PSD센서를 갖는 PSD센서 모듈과; 수중 로봇의 무게중심에 부착되어 원자로 내에서의 수중로봇 깊이 정보를 실시간 제공하는 수심계와; 각 센서로부터의 정보를 계산하여 수중 로봇의 위치를 계산하는 컴퓨터 장치로 구성되어 각 센서로부터 정보를 수신하여 수중로봇의 위치를 추출하는 것을 특징으로 한다.The configuration of the present invention to achieve the object as described above and to solve the conventional drawbacks is to recognize the three-dimensional position in the reactor of the underwater swimming robot, laser point for providing optical information to the PSD; A motor device having a two-axis rotation function in a state in which the laser point is fixed and the encoder is attached; A PSD sensor module having a PSD sensor fixed in a horizontal state at the center of the upper side of the underwater robot; A depth gauge attached to the center of gravity of the underwater robot to provide underwater robot depth information in a nuclear reactor in real time; Comprising a computer device for calculating the position of the underwater robot by calculating the information from each sensor is characterized in that to extract the position of the underwater robot by receiving information from each sensor.
이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and the operation of the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 구현을 위한 구동 및 신호처리 및 탐지 과정을 보인 예시도를 도시하고 있는데, 신뢰도 높은 원자로 내 수중 로봇의 3차원 위치 인식 장치를 구성함에 있어서,Figure 1 shows an exemplary view showing the driving and signal processing and detection process for the implementation of the present invention, in the construction of a three-dimensional position recognition apparatus of the underwater robot with high reliability,
PSD의 광원으로 작용하는 레이저 포인터(4)와;A laser pointer 4 serving as a light source of the PSD;
상기 레이저 포인트로부터 출력되는 광을 원자로 내부 수중 로봇에 부착된 PSD에 일치시킬 수 있도록, 2대의 180도 회전이 가능한 모터 및 각 모터의 위치정보를 추출하기 위해 모터에 부착된 엔코더로 구성되어, 원자로 상부면의 중심(0,0,0) 위치에 원자로 내부를 향하여 설치된 펜/틸트(Pan /Tilt)장치(3)와;The reactor consists of two 180-degree rotating motors and an encoder attached to the motor to extract the position information of each motor so that the light output from the laser point can be matched to the PSD attached to the reactor robot inside the reactor. A pen / tilt device 3 installed toward the inside of the reactor at the center (0,0,0) of the upper surface;
상기 펜/틸트의 2축 회전을 조절하기 위한 펜/틸트 컨트롤러(Controller, 2)와;A pen / tilt controller (Controller) 2 for controlling biaxial rotation of the pen / tilt;
수중로봇에 장치된, 상기 레이저 포인터로부터의 광(光)을 인식하기 위해 수중 유영 로봇 상부에 수평상태로 고정된 PSD(Position Sensitive Detector)센서(6)와;A Position Sensitive Detector (PSD) sensor (6) mounted horizontally on an underwater swimming robot for recognizing light from the laser pointer, installed in the underwater robot;
PSD센서로부터 출력되는 전류를 전압 신호로 변환하는 전압전류회로(7), 전압을 증폭하는 증폭회로, 증폭된 전압의 아날로그 신호를 디지털화로 변환시키는 아날로그/디지털 컨버터(8)로 이루어진 PSD 센서모듈과;PSD sensor module consisting of a voltage current circuit (7) for converting the current output from the PSD sensor into a voltage signal, an amplifier circuit for amplifying the voltage, an analog / digital converter (8) for converting the analog signal of the amplified voltage into digitization; ;
수중 로봇의 무게중심에 부착된 수중 깊이정보를 PC에 전달하는 수심계(Water Level Detector, 9)와;A water level detector (9) for transmitting the depth information attached to the center of gravity of the underwater robot to the PC;
상기 펜/틸트 모듈의 엔코더, PSD 센서모듈, 수심계(Water Level Detector)로부터의 신호입력을 담당하는 신호입력보드(10)와;A signal input board 10 for inputting signals from the encoder of the pen / tilt module, a PSD sensor module, and a water level detector;
상기 구성 장치의 제어와 정보의 수신 및 수중 로봇의 위치 인식계산 과정을 수행하는 컴퓨터(1)로 구성된다.It is composed of a computer (1) for controlling the configuration device, receiving information and calculating the position recognition of the underwater robot.
도 2는 본 발명 도 1에서 예시한 수중 로봇 3차원 위치 탐지 장치의 컴퓨터에서 수행되는 프로그램의 알고리즘을 도시하고 있는데, 이를 설명하면 다음과 같다.FIG. 2 illustrates an algorithm of a program executed in a computer of the underwater robot 3D position detecting apparatus illustrated in FIG. 1.
PC 프로그램은 레이저를 장착한 펜/틸트 모듈의 두 모터에 대한 초기화로 시작한다. 원자로 상부면의 중심(0,0,0)에서 원자로 내부로 향하여 설치된 펜/틸트 모듈은 부착된 레이저 포인트에서 발생되는 빛이 PSD를 비출 때까지 탐색을 반복하게 된다.The PC program starts with the initialization of two motors of a pen / tilt module equipped with a laser. The pen / tilt module installed from the center (0,0,0) of the top of the reactor into the reactor repeats the search until the light from the attached laser point shines through the PSD.
이를 위해 먼저 틸트 모터를 고정시킨 다음 펜 모터를 1도씩 180도까지 증가시키면서 PSD에서 광 출력이 나타나는지를 검색하고, 다시 틸트 각을 1도 증가시킨 다음 상기의 과정을 반복하도록 제어하여 펜/틸트가 각각 0도에서 180도를 검색함으로써 반구 형태의 원자로 내부 전체를 검색하게 된다.To do this, first fix the tilt motor, then search the PSD for light output by increasing the pen motor up to 180 degrees by 1 degree, then increase the tilt angle by 1 degree and then control to repeat the above process. Searching from 0 degrees to 180 degrees each searches the entire inside of the hemispherical reactor.
상기의 검색과정에서 레이저 포인터의 광이 PSD에 일치되면 PSD 센서의 출력전류가 발생되고, 발생된 전류는 전류 전압 변환기와 증폭기, 그리고 A/D 변환기를거쳐 PC로 입력되어 레이저 포이터의 PSD에 대한 일치를 알려준다.If the light of the laser pointer is matched with the PSD in the above search process, the output current of the PSD sensor is generated, and the generated current is input to the PC through the current voltage converter, the amplifier, and the A / D converter and is input to the PSD of the laser pointer. Gives a match.
상기의 조건에서 프로그램은 펜/틸트의 반복 제어를 정지시킴과 동시에 수심계의 값(Ls)와 두 모터에 부착된 엔코더 값(θp, θt)을 읽어 아래에 제안된 수식((1), (2), (3))에 의해 원자로 로봇의 위치 P(Px, Py, Pz)를 추출한다.Under the above conditions, the program stops the repetitive control of the pen / tilt and at the same time reads the depth value (L s ) and the encoder values (θ p , θ t ) attached to the two motors. , (2), (3)) extract the position P (P x , P y , P z ) of the reactor robot.
도 3은 본 발명 도 1에서 예시한 수중 로봇 3차원 위치 탐지 장치의 원리를 수식적으로 설명한 예시도를 도시하고 있다.Figure 3 shows an exemplary diagram for explaining the principle of the underwater robot three-dimensional position detection apparatus illustrated in Figure 1 of the present invention.
도 3에서 O(0, 0, 0) 점은 원자로 상부에 부착한 펜/틸트의 위치를 표시하고 있으며 이 점은 원자로 수중 로봇의 현재 위치 P(PX, PY, PZ)의 기준 좌표로 설정된다.In FIG. 3, the point O (0, 0, 0) indicates the position of the pen / tilt attached to the upper part of the reactor, which is a reference coordinate of the current position P (P X , P Y , P Z ) of the reactor underwater robot. Is set to.
θp는 펜(pan)의 각도를, θt는 틸트(tilt)의 각도를 나타내고 원자로의 전체 깊이 L에 대한 수심계의 수심정보는 Ls로 표시한다.[theta] p denotes the angle of the pen, [theta] t denotes the angle of the tilt, and the depth information of the depth gauge for the total depth L of the reactor is denoted by L s .
도 1에서 설명한 바에 따라 원자로 검사용 수중 로봇의 원자로 내 위치, P(Px, Py, Pz)를 검출하기 위해서는 레이저 포인터의 광이 PSD 센서에 조준된 상태에서 펜/틸트 및 수심계의 출력정보인 θp, θt, Ls의 값만으로 다음 수식에 의해 정확히 구할 수 있다.As described with reference to FIG. 1, in order to detect the position (P (P x , P y , P z ), P (P x , P y , P z ) in the reactor of the underwater robot for inspecting the reactor, the output of the pen / tilt and the depth gauge while the light of the laser pointer is aimed at the PSD sensor Only the values of information θ p , θ t , and L s can be accurately obtained by the following equation.
또한 PSD 출력 신호를 통하여 PSD에 입사된 광의 중심 영역 위치정보를 확인할 수 있으므로 펜/틸트의 레이저 다이오드와 PSD가 중심으로 정확히 조준된 상태에서 펜 또는 틸트를 약간 회전시키면 이에 따른 PSD에 조준된 광 중심의 이동 방향을 알 수 있으므로 펜/틸트의 이동 방향에 대한 PSD 면에서의 광 이동방향으로부터 수중 로봇의 방향을 정확히 구할 수 있다.In addition, the location information of the central region of the light incident on the PSD can be confirmed through the PSD output signal. Therefore, if the pen or tilt is slightly rotated while the pen / tilt laser diode and the PSD are correctly aimed at the center, the optical center aimed at the PSD accordingly Since the direction of the movement can be known, the direction of the underwater robot can be accurately determined from the direction of the light movement on the PSD plane with respect to the movement direction of the pen / tilt.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
상기와 같은 본 발명은 원자력발전소의 원자로 내부 검사용 수중 로봇 위치 확인 장치로 직접 적용이 가능하여, 원자로 내부 검사시 이상 발견 위치를 신속하고 정확히 발견함으로써 원전의 안전성을 향상시킬 수 있고 작업시간의 단축으로 인한 효율성의 증대 또한 기대할 수 있다.As described above, the present invention can be directly applied to an underwater robot positioning device for inspecting a nuclear power plant in a nuclear power plant, thereby improving the safety of nuclear power plants by shortly and accurately detecting an abnormal detection position when inspecting the reactor. Increasing efficiency can also be expected.
또한 본 발명은 산업 전반에 걸쳐 대형 물 탱크나 유류 저장고 등의 무인 검사 장치에 활용할 경우 경제적 부가가치의 창출 또한 기대할 수 있는 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.In addition, the present invention is a useful invention that can be expected to create economic added value when used in unmanned inspection devices such as large water tanks or oil reservoirs throughout the industry is an invention that is expected to be greatly utilized in the industry.
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