KR20130067650A - 초기화재 진압로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반 스프링쿨러를 사용하기 힘든 도서관이나 전기장치가 집약되어 있는 서버실 등의 건물 내에서의 화재를 큰 화재로 확장되는 것을 대비하기 위한 화제 초기진압 로봇에 관한 것이다. 또한 이 시스템을 확장하면 화재 초기진압이 힘든 단독주택 밀집 주거지역, 혹은 소방차가 빠르게 도달하기 힘든 지역에서도 활용할 수 있다.
이를 위하여 본 발명은 4륜구동 로봇의 GPS센서를 이용한 자율주행, 웹캠을 이용한 화재정보 전송, 온도센서를 이용한 화재위치 감지, 모터를 이용한 소화기 분사의 단계로 이루어진다.

Description

초기화재 진압로봇 {ExtinguisherRobot}

본 발명은 일반 스프링쿨러를 사용하기 힘든 도서관이나 전기장치가 집약되어 있는 서버실 등의 건물 내에서의 화재를 큰 화재로 확장되는 것을 대비하기 위한 화제 초기진압 로봇에 관한 것이다. 또한 이 시스템을 확장하면 화재 초기진압이 힘든 단독주택 밀집 주거지역, 혹은 소방차가 빠르게 도달하기 힘든 지역에서도 활용할 수 있다.

이를 위하여 본 발명은 4륜구동 로봇의 GPS센서를 이용한 자율주행, 웹캠을 이용한 화재정보 전송, 온도센서를 이용한 화재위치 감지, 모터를 이용한 소화기 분사의 단계로 이루어진다.

로봇은 GPS 정보 기반으로 구성한 지도 안에서 GPS 정보를 받아 현재 위치를 인식한다. 이 구성된 지도 안의 위치를 사용자가 지정해 주면 로봇은 최적의 루트를 선택하여 안전하게 지정 위치까지 이동해야 한다. 이 기능을 위해서는 기본적으로 정확한 모터 제어를 통해 원하는 방향으로 이동할 수 있는 주행 기술이 요구된다. 다음은 체계적인 정보를 가진 지도 제작이 중요하며 이 지도 정보를 가지고 최적의 루트를 알아내는 알고리즘의 개발도 중요하다. 그리고 로봇이 선택한 루트로 이동할 시에 초음파 센서를 이용한 장애물 회피 기술이 필요하다. 위에서 제시한 기술을 개발하고 이용하여 자율주행 시스템을 구축한다.

로봇은 지정된 위치에 도착했을 경우에 불이 난 위치를 파악해야 한다. 이를 위해서 세 가지 방법을 사용한다. 첫 번째로 불이 난 위치를 대략적으로 알 수 있는 센서를 만들어 사용한다. 이 센서는 적외선 센서를 원 모양으로 바깥쪽을 보게 달아 광량이 많은 쪽을 우선적으로 탐색하게 하는 목적이다. 두 번째로 온도 센서를 활용한다. 온도 센서를 2개를 차의 앞면 좌, 우에 달아 온도가 높은 쪽을 탐색하게 한다. 세 번째로 캠으로 들어오는 영상 정보를 이용한다. 영상처리를 통하여 불이 난 위치를 파악한다. 이 위치는 캠의 좌, 우, 상, 하의 이동 값을 통해 알아낼 수 있으며 이는 소방 호스의 목표 지점에 활용된다. 정리하면 적외선 센서와 온도 센서로 대략적인 방향을 파악하며 불의 정확한 위치는 캠을 이용하여 찾는다.

로봇은 소방 호스를 불에 조준하여 소화기를 작동 시킨다. 이는 서보 모터 2개를 연결하여 상, 하의 회전과 좌, 우의 회전을 가능하게 하여 구현할 수 있다. 모터의 목표 값은 캠을 이용한다. 불을 캠의 영상의 중심에 맞추어 그 때의 캠의 이동 값(좌, 우, 상, 하)을 얻는다. 그 값을 이용하여 목표 값을 계산하여 모터를 제어한다. 호수가 조준된 방향과 실제 불의 위치의 오차를 해결하고 모터의 정확한 제어 알고리즘을 구현하여 소화 시스템을 구축한다.

개발 로봇의 최종 목표는 주어진 맵 안에서 불이 났다고 가정한 위치까지 이동하여 화재를 진압하고 다시 초기 위치까지 되돌아오는 것이다. 최종 목표까지 구현하기 위해서는 몇 가지의 기술이 필요하다. 먼저 현재 위치에서 정해진 위치까지 안전하게 이동하는 자율주행 기술 구현되어야 한다. 두 번째로 정해진 구역 안에서 불이 난 위치를 검출해내는 기술이 구현되어야 한다. 마지막으로 불이 난 위치에 물을 분사할 수 있는 기술이 필요할 것이다.

과제를 해결하기 위해 무인로봇 플랫폼을 사용하여 화재 위치까지 GPS센서를 이용해 자율주행을 수행한다. 자율주행 중 만나는 장애물들은 초음파 센서를 이용해 회피한다. 로봇은 정보처리 및 알고리즘 수행을 위한 랩탑 컴퓨터를 장착하고 있으며 랩뷰 프로그램을 통해 제어된다.

화재위치에 도착 후 로봇은 온도센서를 이용해

본 발명을 통해서 만들어진 완성품의 최대효과는 인명구조이다. 초기화재 진압로봇은 지시된 위치로 사람보다 먼저 이동하여 초기에 화재를 진압하고 구조할 수 있는 환경을 구성하게 된다. 이 제품이 상용화 될 시에는 재산손실 및 인명피해를 최소화 할 수 있게 될 것이다.

도1은 사용자 pc에서 화재위치를 GPS로 입력받는 과정이다. AP 통신을 이용하여 소방로봇에 GPS 정보를 송신하고 로봇은 GPS 정보를 이용하여 화재지점으로 이동할 수 있다. 화재의 거리가 정해진 범위안에 도착하면 자율 주행 종료하고 소화모드를 시작한다.
도2는 자율주행 중 장애물과 만났을 때, 장애물 회피 모드로 전환하여 주행하는 것을 설명한다. 초음파센서를 이용하여 전방의 장애물과의 거리를 앞, 왼쪽, 오른쪽 센서를 이용하여 3곳에서 측정한다. 측정된 값을 이용하여 장애물을 회피하고 회피한 후 자율주행 모드로 전환한다.
도3은 자율주행과 장애물회피를 할 수 있는 중계기를 설명한다. 중계기에 의해 로봇은 자율주행을 하다가 장애물회피모드로 전환한뒤 장애물 회피가 끝나면 다시 자율주행으로 전환한다.
도4는 소화모드에서의 소화모듈을 설명한다. 온도센서2개를 이용하여 화재방향을 감지하고 DC모터와 스텝모터를 이용하여 화재를 진화한다.

High Level Controller는 Operator Control Unit로부터 목표지점(화재지점)에 대한 GPS정보를 획득하면 연산을 통하여 Global 루트를 연산하고 앞에 장애물이 있는지 없는지 초음파 센서값으로 판단한다. 만약 장애물이 없을 경우 현재 GPS정보와 목표지점 GPS정보를 이용해 북을 기준으로 한 방위각을 계산하고 이를 GPS 모듈의 Heading값과 비교하여 차이각과 경, 위도 차이값을 0으로 만드는 서보모터 제어값을 High Level Controller의 연산을 통하여 얻는다. 장애물이 있다면 초음파 센서의 값을 바탕으로 회피 방향과 이에 따른 모터 제어값을 얻는다. 목표지점 GPS정보와 현재 GPS정보가 일치하면 도착한 것으로 판단하고 소화모드로 전환하기 위해 Low Level Controller2에 신호를 보낸다.

알고리즘은 Labview를 이용하여 구현하며 High Level Controller에서 Labview를 이용해 프로그램을 실행하며 Labview를 이용하여 Low Level Controller1와 RS232통신을 통해 서보모터의 조향 각과 DC모터의 출력을 전송한다. Low Level Controller2와도 RS232통신으로 소화모드의 플러그를 전송한다.

현재의 GPS값과 목표위치의 GPS값을 이용하면 현재 위치와 목표 위치의 방위각을 계산할 수 있다. 그리고 GPS 모듈로부터 로봇이 어느 방향을 향하고 있는지에 대한 방위각(헤딩값)을 얻을 수 있다. 이 두 방위각의 차이를 오차로 하여 이 오차를 0으로 만들도록 조향 각과 방향을 결정하며 PID제어를 이용하여 제어량을 얻는다.

현재의 GPS값과 목표위치의 GPS값을 이용하면 목표위치까지의 거리를 계산할 수 있다. 이 거리를 이용하여 목표위치에 도달하였는지를 결정하고 도착하였으면 Low Level Controller2에 RS232통신을 이용하여 소화모드의 시작을 알린다.

나. 장애물 회피

초음파 센서의 테스트 결과 실제로 먼 거리를 Sensing하지 못했기 때문에 장애물을 알아차리고 한 번에 장애물을 회피하지 못했다. 그렇기 때문에 장애물 회피 알고리즘에 후진을 고려하게 되었다. 3개의 센서에서 하나라도 정해진 거리보다 작아지면 앞에 장애물이 있다고 판단한다. 좌, 우의 센서에서 더 큰 거리를 가진 쪽으로 조향을 하게 된다. 조향 중에 3개의 센서 중에서 하나라도 후진 결정 거리에 도달하게 되면 조향을 하던 반대 방향으로 조향하여 후진한다. 일정거리 후진 후 다시 초음파 센서를 확인하여 장애물이 있는지 없는지 판단한다.

다. 중계기

자율주행 중에 장애물을 조우할 시에 장애물과 일정 거리에 도달하게 되면 장애물 회피 모드로 진입하게 되며 일정 거리보다 멀어지게 되면 다시 자율주행 모드로 진입하게 된다.

(2) 소화모드

주행완료 후 High Level Controller는 Low Level Controller1에 RS232통신으로 도착신호를 준다. 신호를 받은 Low Level Controller1은 소화모드에 진입한다. 수평방향 적외선 온도센서 2개를 이용해 화재의 위치를 검출하고 DC 모터를 이용해 노즐을 조준한다. 조준 완료 후 스탭모터를 이용하여 소화기의 레버를 당겨 소화기를 분사한다. 분사 후 적외선 온도센서를 통해 측정된 온도가 기준 온도보다 낮아지면 소화완료 신호를 High Level Controller에 보내준다.

본 기술은 고형의 형태적인 것이 아니라 기술에 의존한 것이다. 본 기술은 한 분야에 접목시키기 위하여 사용했지만 기술을 이용하는 이용자의 의도에 따라서 달라질 수도 있다.

100 : ATmega128(주행용) 101 : ATmega128(소화용)
102 : 온도센서 103 : 스텝모터(화재감지용)
104 : 스텝모터(소화기 발사용) 105 : 초음파센서
200 : 라우터 201 : OCU(Odering Control Unit)
202 : HLC(High Level Contoler) 203 : GPS module
300 : 하론 청정소화기

Claims (3)

1. 글로벌 자율주행 알고리즘
   GPS값 차이를 이용하여 방위각을 계산하고 현재 로봇의 방향 값을 취득하여 두 개의 차이와 경도, 위도의 차이로 목적지로 도달하는 프로그램.
   
2. 로컬 자율주행 알고리즘
   3개의 초음파 센서를 사용하여 장애물과 차량의 거리를 계산한 후, 가장 가까운 센서의 방향으로 차량의 방향을 조절하는 프로그램.
   
3. 소화기 모듈
   2개의 온도센서를 사용하여 더 큰 값을 갖는 방향으로 회전하는 소화모듈;
   5초간 센싱 후 화재 여부를 판단;
   스테핑 모터와 스크류 기어를 이용해 소화기 노즐을 발사하는 모듈;

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