KR20150037347A

KR20150037347A - 수중 로봇 통신장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20150037347A
Application number: KR20130116870A
Authority: KR
Inventors: 옥진성; 오형순; 김상준
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-08

Abstract

수중에서 신호의 왜곡 없이 가시광을 통해 로봇 간의 무선통신이 가능하도록 한 수중 로봇 통신장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 통신 케이블을 통해 입력된 데이터를 가시광 통신용 프로토콜에 맞게 신호 처리하고, 신호 처리된 송신 신호를 가시광 신호로 변환하여 수중에서 송출하는 메인 로봇; 상기 메인 로봇으로부터 송출된 가시광 신호를 수신하여 전기적인 신호로 변환을 하고, 변환한 전기적인 신호의 왜곡을 보상한 후, 원래의 데이터로 복원하는 서브 로봇을 구비하고, 가시광 통신에 사용할 파장 길이와 수중 통신할 수심 깊이와 염분 농도와 물의 온도와 물의 탁도 및 가시광 통신할 상대 로봇의 위치정보와 물의 산란계수를 기초로 수중 가시광 신호의 감쇄 및 왜곡을 보상하여 정확한 수중 통신을 구현하게 된다.

Description

수중 로봇 통신장치 및 그 방법{Underwater robot communication device and method thereof}

본 발명은 수중 로봇 통신에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수중에서 신호의 왜곡 없이 가시광을 통해 로봇 간의 무선통신이 가능하도록 한 수중 로봇 통신장치 및 그 방법에 관한 것이다.

심해에서 사용되고 있는 수중 로봇통신은 케이블을 이용하는 유선 통신과 케이블을 사용하지 않은 무선통신으로 대별된다. 그 중 현재는 유선 통신을 주로 이용한다. 여기서 통신 대상을 수중로봇으로 설명하였으나, 이것에 한정되는 것은 아니고 수중에서 통신하는 모든 대상 체를 의미하며, 설명의 편의를 위해 수중 로봇에만 국한하여 설명하기로 한다.

유선 통신일 경우 로봇 하나당 제어하는 케이블의 길이가 2000m이상 소요된다. 이 경우 케이블을 제어하는 기구도 상당이 많이 필요해진다. 무선 통신의 경우, 장거리에서 사용할 수 있는 음향(acoustic) 기술을 주로 이용한다.

수중 통신에 대한 종래의 기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 등록특허 등록번호 10-1296744호(2013.08.20. 공고) 및 <특허문헌 2> 대한민국 등록특허 등록번호 10-1141663호(2012.05.15. 공고)에 개시된다.

개시된 <특허문헌 1>은 외부 장치로 송신할 제1 데이터를 제1전류로 변조하는 전류 제어부; 변조된 제1 전류에 대응하는 450 내지 500nm의 파장의 광을 외부 장치로 송신하는 광 송신부를 구비하고, 수중에서 외부 장치와 광통신을 수행하게 된다.

아울러 <특허문헌 2>는 수중에서 외부로부터 수신한 데이터 신호를 전기 신호로 변환하는 입력수단; 전기 신호를 가시광 신호로 변환하여 수중으로 방출하는 송신수단; 수중에서 상기 가시광 신호를 인식하여 상기 전기 신호로 변환하는 수신수단; 수중에서 상기 전기 신호를 데이터 신호로 변환하여 출력하는 출력수단을 구비함으로써, 저가의 비용으로 수중 통신 장치를 구현하게 된다.

대한민국 등록특허 등록번호 10-1296744호(2013.08.20. 공고) 대한민국 등록특허 등록번호 10-1141663호(2012.05.15. 공고)

그러나 상기와 같은 종래의 수중 통신 장치는 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째로, 유선 통신일 경우, 다량의 케이블이 소요되고, 케이블을 제어하는 기구가 상당히 필요하여, 케이블 관리가 힘들다는 문제점이 있었다.

둘째로, 음향 신호를 이용한 무선 통신일 경우, 대역폭이 낮아서 데이터 전송량이 적어 대용량 데이터 전송이 불가능하고, 장거리용 무선 통신 기술이므로 단거리인 경우 음파가 쉽게 퍼져 정확성이 떨어지는 문제점이 있었다.

셋째로, <특허문헌 1> 및 <특허문헌 2>는 수중의 환경을 전혀 고려하지 않았기 때문에, 데이터 통신에 정확성이 결여되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수중에서 신호의 왜곡 없이 가시광을 통해 로봇 간의 무선통신이 가능하도록 한 수중 로봇 통신장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가시광 발광다이오드(LED)를 이용하여 근거리에서 고속(수백MHz 통신 속도)으로 통신할 수 있는 수중 로봇 통신장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 수중에서 환경 정보를 기반으로 신호의 왜곡 및 감쇄를 보상하여 통신에 정확성을 도모할 수 있도록 한 수중 로봇 통신장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 수중에서 주 로봇은 케이블을 사용하고, 주 로봇과 다른 서브 로봇 간에는 가시광 통신을 통해 데이터를 송수신할 수 있도록 한 수중 로봇 통신장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 수중 로봇 통신장치는 케이블을 통해 입력된 데이터를 가시광 통신용 프로토콜에 맞게 신호 처리하고, 신호 처리된 송신 신호를 가시광 신호로 변환하여 수중에서 송출하는 메인 로봇; 상기 메인 로봇으로부터 송출된 가시광 신호를 수신하여 전기적인 신호로 변환을 하고, 변환한 전기적인 신호의 왜곡을 보상한 후, 원래의 데이터로 복원하는 서브 로봇을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 메인 로봇은 상기 서브 로봇과 1:1 통신 또는 복수의 서브 로봇과 1:N(N=2 이상) 통신을 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 메인 로봇은 케이블을 통해 외부 장치로부터 전송된 데이터를 입력받는 데이터 입력부; 상기 데이터 입력부에서 입력된 데이터를 가시광 프로토콜에 대응하는 송신 신호로 변환하는 데이터 처리부; 상기 데이터 처리부에서 변환된 송신 신호를 소정 레벨로 증폭하는 증폭부; 상기 증폭부에서 증폭된 송신 신호를 가시광신호로 출력하는 발광다이오드(LED)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 서브 로봇은 상기 메인 로봇으로부터 송출된 가시광 신호를 수신하여 전기적인 수신 신호로 변환하는 포토 다이오드; 상기 포토 다이오드에서 변환한 수신 신호를 소정 레벨로 증폭하는 증폭부; 상기 증폭부에서 증폭한 수신 신호의 왜곡을 보상하는 신호 보상기; 상기 신호 보상기에서 보상된 수신 신호를 원래의 데이터로 복원하는 데이터 처리부; 상기 데이터 처리부에서 복원된 데이터를 수신 데이터로 출력하는 데이터 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 신호 보상기는 가시광 통신에 사용할 파장 길이를 설정하는 파장 길이 설정부; 수중 통신할 수심 깊이를 설정하는 수심 깊이 설정부; 염분 농도를 검출하는 염분 농도 검출부; 물의 온도를 검출하는 물 온도 검출부; 상기 물의 탁도를 검출하는 탁도 검출부; 가시광 통신할 상대 로봇의 위치를 인식하는 상대로봇 위치 인식부; 상기 상대로봇 위치 인식부로부터 출력된 로봇 위치 정보를 기초로 상대로봇과 최적의 위치에 존재하면, 파장 길이와 수심 깊이와 염분 농도와 물의 온도와 탁도 및 상대 로봇 위치 정보를 기초로 빛 흡수 계수를 계산하는 빛 흡수계수 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 신호 보상기는 상기 상대 로봇 위치 인식부로부터 출력된 로봇 위치 정보를 기초로 물의 산란 계수를 계산하는 물 산란 계수 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 신호 보상기는 상기 빛 흡수계수 계산부에서 산출한 빛 흡수계수와 상기 물 산란계수 계산부에서 계산한 물 산란계수를 연산하여 신호 왜곡을 발생하는 감쇠 계수를 산출하는 감쇠 계수 산출부; 상기 감쇠 계수 산출부에서 산출한 감쇠 계수를 이용하여 수신 신호의 왜곡을 보상하는 신호 보상부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 상대로봇 위치 인식부는 통신신호가 입력되면 주의 영상을 획득하는 주위 영상 획득부; 상기 주위 영상 획득부에서 획득한 영상을 처리하는 영상 처리부; 상기 영상 처리부에서 처리된 영상을 기반으로 로봇 위치를 파악하는 로봇 위치 파악부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 로봇 위치 파악부는 통신 상태이면 상대 위치를 계산하고, 계산한 상대위치를 거리 및 각도 정보로 분리한 후, 그 분리한 거리 및 각도 정보를 검색하여 최적 위치로 로봇을 이동시키는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 수중 로봇 통신방법은 (a) 메인 로봇에서 케이블을 통해 입력된 데이터를 가시광 통신용 프로토콜에 맞게 신호 처리하고, 신호 처리된 송신 신호를 가시광 신호로 변환하여 수중에서 송출하는 단계; (b) 상기 메인 로봇과 가시광 통신을 하는 서브 로봇에서 상기 메인 로봇으로부터 송출된 가시광 신호를 수신하여 전기적인 수신신호로 변환을 하고, 변환한 수신신호의 왜곡을 보상한 후, 원래의 데이터로 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수중 로봇 통신 방법은 (c) 상기 메인 로봇에서 통신 종료 신호를 송출하고, 통신을 종료하는 단계; (d) 상기 서브 로봇에서 상기 통신 종료 신호를 수신하면 통신을 종료하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 수중에서 신호의 왜곡 없이 가시광을 통해 로봇 간의 무선통신을 할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 가시광 발광다이오드(LED)를 이용하여 수중 근거리에서 고속(수백MHz 통신 속도)으로 통신할 수 있으며, 이로 인해 다른 기기의 상태 확인을 신속하게 수행할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 수중에서 환경 정보를 기반으로 신호의 왜곡 및 감쇄를 보상함으로써, 통신에 정확성을 도모할 수 있는 장점도 있다.

또한, 본 발명에 따르면 수중에서 주 로봇은 케이블을 사용하고, 주 로봇과 다른 서브 로봇 간에는 가시광 통신을 통해 데이터를 송수신함으로써, 소량의 케이블 사용으로 경제성이 뛰어나고 유지 보수가 간편하다는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 수중에서의 빛 파장의 흡수율 그래프,
도 2는 가시광선 내에서 색에 따른 흡수율과 파장이 도달할 수 있는 거리 관계도,
도 3은 탁도와 소멸 계수와의 관계도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수중 로봇 통신장치의 구성도,
도 5는 도 4의 신호 보상기의 실시 예 구성도,
도 6은 본 발명에서 메인 로봇과 서브 로봇 간의 1:1 통신시 로봇 이동 설명도,
도 7은 본 발명에서 메인 로봇과 다수 로봇과의 1: N 통신 개념도,
도 8은 본 발명에서 상대로봇 위치 인식부의 실시 예 구성도,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수중 로봇 통신방법을 보인 흐름도,
도 10은 본 발명에서 로봇 이동 과정을 보인 흐름도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수중 로봇 통신장치 및 그 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수중 로봇 통신장치의 구성도로서, 메인 로봇(10) 및 서브 로봇(20)을 포함한다.

도 4에서는 하나의 메인 로봇(10)과 하나의 서브 로봇(20)이 1:1 가시광 통신하는 것만을 도시한 것이며, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며 도 7에 도시한 바와 같이, 하나의 메인 로봇(10)과 복수의 서브 로봇(20)(40)(50)(60) 간에 무선 통신(가시광 통신)이 가능하다.

상기 메인 로봇(10)은 케이블을 통해 입력된 데이터를 가시광 통신용 프로토콜에 맞게 신호 처리하고, 신호 처리된 송신 신호를 가시광 신호로 변환하여 수중에서 송출하는 역할을 한다. 아울러 메인 로봇(10)은 상기 서브 로봇(20)으로부터 가시광 통신을 통해 송출된 데이터를 수신하는 것도 가능하다.

여기서 메인 로봇(10)은 케이블을 통해 외부 장치로부터 전송된 데이터를 입력받는 데이터 입력부(11); 상기 데이터 입력부(11)에서 입력된 데이터를 가시광 프로토콜에 대응하는 송신 신호로 변환하는 데이터 처리부(12); 상기 데이터 처리부(12)에서 변환된 송신 신호를 소정 레벨로 증폭하는 증폭부(13); 상기 증폭부(13)에서 증폭된 송신 신호를 가시광신호로 출력하는 발광다이오드(LED)(14)를 포함한다.

상기 서브 로봇(20)은 상기 메인 로봇(10)으로부터 송출된 가시광 신호를 수신하여 전기적인 신호로 변환을 하고, 변환한 전기적인 신호의 왜곡을 보상한 후, 원래의 데이터로 복원하는 역할을 한다. 물론, 서브 로봇(20)에서도 가시광 통신을 통해 메인 로봇(10)으로 데이터를 전송하는 것도 가능하다.

여기서 서브 로봇(20)은 상기 메인 로봇(10)으로부터 송출된 가시광 신호를 수신하여 전기적인 수신 신호로 변환하는 포토 다이오드(21); 상기 포토 다이오드(21)에서 변환한 수신 신호를 소정 레벨로 증폭하는 증폭부(22); 상기 증폭부(22)에서 증폭한 수신 신호의 왜곡을 보상하는 신호 보상기(23); 상기 신호 보상기(23)에서 보상된 수신 신호를 원래의 데이터로 복원하는 데이터 처리부(24); 상기 데이터 처리부(24)에서 복원된 데이터를 수신 데이터로 출력하는 데이터 출력부(25)를 포함한다.

상기 신호 보상기(23)는 도 5에 도시한 바와 같이, 가시광 통신에 사용할 파장 길이를 설정하는 파장 길이 설정부(23a); 수중 통신할 수심 깊이를 설정하는 수심 깊이 설정부(23b); 염분 농도를 검출하는 염분 농도 검출부(23c); 물의 온도를 검출하는 물 온도 검출부(23d); 상기 물의 탁도를 검출하는 탁도 검출부(23e); 가시광 통신할 상대 로봇의 위치를 인식하는 상대로봇 위치 인식부(23g); 상기 상대로봇 위치 인식부(23g)로부터 출력된 로봇 위치 정보를 기초로 상대로봇과 최적의 위치에 존재하면, 파장 길이와 수심 깊이와 염분 농도와 물의 온도와 탁도 및 상대 로봇 위치 정보를 기초로 빛 흡수 계수를 계산하는 빛 흡수계수 계산부(23f); 상기 상대로봇 위치 인식부(23g)로부터 출력된 로봇 위치 정보를 기초로 물의 산란 계수를 계산하는 물 산란 계수 계산부(23h); 상기 빛 흡수계수 계산부(23f)에서 산출한 빛 흡수계수와 상기 물 산란계수 계산부(23h)에서 계산한 물 산란 계수를 연산하여 신호 왜곡을 발생하는 감쇠 계수를 산출하는 감쇠 계수 산출부(23i); 상기 감쇠 계수 산출부(23i)에서 산출한 감쇠 계수를 이용하여 수신 신호의 왜곡을 보상하는 신호 보상부(23j)를 포함한다.

또한, 상기에서 상대로봇 위치 인식부(23g)는 도 8에 도시한 바와 같이, 통신신호를 입력받는 통신신호 입력부(31); 통신신호가 입력되면 주위 영상을 획득하는 주위 영상 획득부(32); 상기 주위 영상 획득부(32)에서 획득한 영상을 처리하는 영상 처리부(33); 상기 영상 처리부(33)에서 처리된 영상을 기반으로 로봇 위치를 파악하는 로봇 위치 파악부(34)를 포함한다.

여기서 로봇 위치 파악부(34)는 통신 상태이면 상대 위치를 계산하고, 계산한 상대위치를 거리 및 각도 정보로 분리한 후, 그 분리한 거리 및 각도 정보를 검색하여 최적 위치로 로봇을 이동시키는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 수중 로봇 통신장치의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 육상 등에 위치한 외부 장치와 수중에 있는 메인 로봇(10)과 통신 케이블을 통해 연결된 상태에서, 외부 장치로부터 특정의 명령 데이터를 전송하면, 상기 통신 케이블을 통해 메인 로봇(10)의 데이터 입력부(11)에서 명령 데이터를 입력받는다.

그리고 상기 메인 로봇(10)의 데이터 처리부(12)에서 상기 입력받은 명령 데이터를 가시광 통신 프로토콜에 맞게 처리하여 송신 신호로 변환을 한다. 즉, 명령 데이터를 가시광 통신 프로토콜의 포맷에 맞는 송신 데이터로 변환을 하고, 이를 다시 펄스 형태의 송신 신호로 변환을 한다.

이렇게 변환된 펄스 송신 신호는 증폭부(13)를 통해 소정 레벨로 증폭된 후, 발광 다이오드(14)를 통해 가시광 통신신호로 변환이 되어 송출된다. 여기서 발광다이오드(14)는 통상 수백MHz 대역의 가시광신호를 발생할 수 있다. 가시광 통신시 실제 인간의 눈으로는 단순히 발광다이오드(14)가 점등된 것으로만 보이지만, 수백MHz주파수 성분이 출력된다. 그리고 데이터를 위해 아주 짧은 순간에 데이터에 따라 온/오프를 반복하여 가시광을 출력한다.

일반적으로, LED는 반도체 기술의 발전으로 인해 기존의 조명시설을 대체할 수 있는 친환경 기술로 주목받고 있다. LED는 저 전력으로 스위칭되는 디지털 소자이며 수백 kHz이상의 빠른 응답특성을 보인다. 이것을 이용하여서 통신용 광원으로 활용할 수 있다는 것은 이미 잘 알려져 있다. LED를 이용하는 경우 다음과 같은 다양한 장점이 있다. 넓은 대역(파장 영역)을 사용할 수 있으며, 전파 사용시 전파 관리국의 허가가 불필요하고, 소비전력이 적고 소형 시스템으로 구동 가능하며, 전파 방해에 강하다는 장점이 있다.

특히, 가시광 영역의 파장(400~700nm)을 가지는 백색 LED를 이용하는 경우에는 다음과 같은 장점을 가진다. 가시거리 구간에서만 직접 전송이 가능하여 보안성이 우수하고, 인체에 무해한 친환경적이며, 가시광선을 통한 통신 여부 확인이 가능하다는 장점이 있다.

이러한 LED를 수중에서 무선 통신으로 사용할 경우, 수중/지상에서의 광케이블을 이용한 통신의 발달로 인해서 광통신을 효율적으로 할 수 있으며, 물속에서의 발산이 적어 정보 전송에 정확성을 도모할 수 있다. 특히, 근래에 많이 사용하고 있는 RF통신의 경우 수중에서 26dB/Km/100MHz의 전력 손실이 일어나므로 수중 통신에서는 적합하지 않다. 이와는 달리 발광다이오드를 이용한 가시광 통신일 경우, 상대적으로 저전력으로 통신이 가능하고 일정거리의 출력이 가능하여 근거리 통신에서는 효과적이다.

수중에서의 가시광선의 빛 파장의 흡수율은 도 1과 같다. 가시광선의 파장이 적외선, 자외선에 비해서 흡수율이 적다. 따라서 수중 통신에서 적합한 파장은 가시광선임을 알 수 있다.

가시광선 내에서 색에 따른 흡수율과 파장이 도달할 수 있는 거리를 도 2에 도시하였다. 도 2에 도시한 바와 같이, 가시광 중에서도 블루(Blue)/그린(Green)의 파장이 신호 거리가 길다는 것을 알 수 있다. 상기와 같은 블루/그린의 파장을 이용하여 통신을 할 경우 약 100m정도까지는 통신이 가능하다.

상기와 같은 파장의 흡수율 결과는 깨끗한 바다에서 테스트한 결과이다. 수중에서 빛의 감쇠 정도를 나타내는 소멸계수는 물의 특성마다 다른데, 보통 크게 빛의 흡수계수와 산란계수의 합으로 나타낸다. 물의 특성에 따른 소멸계수는 도 3과 같다. 도 3은 청색 파장에서의 소멸 계수를 물의 특성에 따라서 나타낸 것으로서, 이러한 소멸 계수를 보면 깨끗한 물과 탁한 물에서의 소멸계수의 차이를 알 수 있다.

따라서 가시광 수신 단에서는 이러한 환경 변화에 따른 신호 손실이나 왜곡 등이 발생하므로, 이를 보상해야한다.

즉, 서브 로봇(20)의 포토 다이오드(21)는 상기 메인 로봇(10)으로부터 송출된 가시광 신호를 수신하여 전기적인 수신 신호로 변환을 한다. 증폭부(22)는 변환된 수신 신호를 소정 레벨(미리 설정된 이득 레벨)로 증폭하여 신호 보상기(23)에 입력한다.

신호 보상기(23)는 입력되는 수신 신호가 물의 특성에 따라서 발생하는 감쇠, 왜곡 등을 보상하게 된다.

예컨대, 가시광의 거리에 따른 파워는 아래의 <수식 1>과 같다.

여기서

= 최종 전달되는 파워,

= 최초 전달장치에서 출력된 파워,

= 전체 감쇠 계수,

= 파장 길이,

= 가시광이 움직인 거리를 나타낸다.

신호 보상기(23)는 도 5에 도시한 바와 같이, 파장 길이 설정부(23a)에서 가시광 통신에 사용할 파장 길이를 설정하고, 수심 깊이 설정부(23b)는 현재 가시광 통신이 이루어지는 수심 깊이를 설정한다. 여기서 파장 길이는 미리 사용자가 세팅하는 것이 바람직하고, 수심 깊이는 미리 사용자가 설정하거나 자동으로 수심 깊이를 측정하여 실시간으로 가변하여 설정하는 것이 바람직하다.

염분 농도 검출부(23c)는 물의 염분 농도를 검출하여 빛 흡수계수 계산부(23f)에 전달하게 되고, 물 온도 검출부(23d)는 수온을 검출하여 상기 빛 흡수계수 계산부(23f)에 전달한다. 아울러 탁도 검출부(23e)는 물의 탁도를 검출하여 상기 빛 흡수 계수 계산부(23f)에 전달한다. 아울러 상대 로봇 위치 인식부(23g)는 상대 로봇의 위치를 인식하고, 그 상대 로봇 인식 정보를 상기 빛 흡수계수 계산부(23f)에 전달한다.

가시광 LED 통신을 하려면 발광부와 수광부가 일직선에 놓이면 출력이 같은 경우 통신 거리가 가장 길다. 하지만, 로봇이 수중에서 정지하기 힘들므로 LVS, 비전, 소나 등을 이용하여서 상대 로봇의 위치를 지속적으로 파악하여서 상호 로봇이 일진선이 유지되도록 해야, 통신에 정확성을 도모할 수 있다.

즉, 도 8에 도시한 바와 같이, 상대로봇 위치인식부(23g)는 통신신호 입력부(31)에서 통신 신호가 입력되면 주위 영상 획득부(32)에서 카메라 등을 이용하여 주위 영상을 획득한다. 그리고 영상 처리부(33)에서 통상의 영상 처리 과정을 통해 영상을 처리하고, 로봇 위치 파악부(34)는 처리된 영상으로부터 로봇 영상만을 추출한 후, 거리 및 각도를 측정하여 로봇 위치를 파악하게 된다. 여기서 처리 영상으로부터 로봇 영상만을 추출하는 방법은, 미리 로봇 영상에 대한 형상 정보를 설정하고, 해당 로봇 형상 정보를 처리한 영상 정보와 비교하여 로봇 영상을 추출한다. 이러한 방식 이외에 특정 영상으로부터 임의의 영상을 추출하는 공지의 영상 추출 방법을 이용할 수 있다.

한편, 로봇을 제어하는 경우 두 로봇이 동시에 제어가 들어가면 위치 보상이 힘들게 되므로, 하나의 로봇(예를 들어, 메인 로봇)은 정지하고, 상대 로봇(예를 들어, 서브 로봇)이 지속적으로 움직이면서 도 6과 같이 이동을 하여 상호 로봇이 일직선(서로 마주 보게)에 놓이도록 한다.

도 10은 이동하는 로봇의 제어 과정을 보인 것으로서, 단계 S11에서 상대 로봇과의 통신이 이루어지면, 단계 S12에서 상대 로봇의 위치를 계산한다. 여기서 상대 위치는 거리 정보와 각도 정보를 포함한다. 그리고 단계 S13에서 거리 정보와 각도 정보를 검색하여 최적 위치인지를 확인한다. 여기서 최적 위치란 상대 로봇과의 각도가 0°이고, 거리가 통신 가능한 거리일 경우를 의미한다. 최적 위치가 아닐 경우에는 단계 S14로 이동하여 지속적으로 이동하면서 최적 위치를 찾게 되고, 최적 위치를 찾게 되면 단계 S15로 이동하여 통신이 종료되었는지를 확인한다. 여기서 로봇이 최적 위치일 경우, 상대 로봇 위치 인식부(23g)는 로봇 위치 인식 정보를 빛 흡수 계수 계산부(23f) 및 물 산란계수 계산부(23h)에 각각 전달한다.

따라서 빛 흡수계수 계산부(23f)는 상대 로봇 위치 인식부(23g)로부터 최적의 상대 로봇 위치 인식 정보가 전달되면, 빛 흡수계수(a(λ))를 계산한다. 여기서 상기와 같이 최적의 상대 로봇 위치 인식 정보를 이용하는 방식은 메인 로봇과 서브 로봇이 1:1 가시광 통신을 하는 경우이다. 만약, 도 7과 같이 하나의 메인 로봇이 다수의 서브 로봇과 1: 다 가시광 통신을 하는 경우에는 상대 로봇 위치 인식부(23g)에서 상대로봇과의 거리 및 각도 정보를 상대 로봇의 위치 정보로 빛 흡수계수 계산부(23f)에 전달하는 것이 바람직하다.

1:1 가시광 통신을 하는 것으로 가정을 하면, 빛 흡수계수 계산부(23f)는 입력되는 파장 길이, 수심 깊이, 염분 농도, 수온, 탁도를 빛 흡수계수(a(λ)) 계산을 위한 하기의 빛 흡수계수 계산식인 <수식 2>를 이용하여 계산한다.

여기서

= 탁도 계수,

= 염도 계수,

= 수심 계수,

= 물의 온도 계수를 나타낸다.

이렇게 계산한 빛 흡수계수는 감쇠 계수 산출부(23i)에 전달된다.

아울러 상대 로봇 위치 정보가 인식되면 물 산란계수 계산부(23h)는 하기의 <수식 3>인 산란계수 계산 공식을 이용하여 물의 산란계수(b(λ))를 계산하여, 상기 감쇠 계수 산출부(23i)에 전달한다.

여기서,

= 작은 물방울에 따른 산란계수,

= 큰 물방울에 따른 산란계수,

= 파장에 따른 산란계수를 나타낸다.

감쇠 계수 산출부(23i)는 전달되는 빛 흡수계수(a(λ))와 물 산란계수(b(λ))를 가산하고, 그 가산 결과치를 감쇠 계수로 설정하여 신호 보상부(23j)에 전달한다.

상기 신호 보상부(23j)는 증폭부(22)를 통해 증폭된 수신 신호에 감쇠 계수에 따른 보상 치를 부가하여, 신호 손실 및 왜곡을 보상하게 된다. 여기서 감쇠 계수에 따른 보상 치는 미리 설정하여 테이블 형태로 저장해 놓고 사용하는 것이 바람직하다.

신호 손실 및 왜곡이 보상된 수신 신호는 데이터 처리부(24)에서 통신 프로토콜에 맞는 데이터로 복원이 이루어지고, 데이터 출력부(25)를 통해 메인 제어장치에 전달이 된다.

그리고 서브 로봇(20)에서 출력되는 송신 데이터는 메인 로봇(10)과 동일한 구조의 데이터 송신 장치를 통해 가시광 신호로 송신 데이터가 출력되고, 메인 로봇(10)은 서브 로봇(20)과 동일한 구조의 데이터 수신 장치를 통해 상기 서브 로봇(20)으로부터 송출된 송신 데이터를 수신하여 처리한다.

그리고 메인 로봇(10)은 통신 케이블을 통해 각각의 서브 로봇으로부터 수집한 감시 정보나 기타 수신 데이터를 육상에 위치한 외부 장치로 전송하게 된다.

도 9는 본 발명에 따른 수중 로봇 통신방법을 보인 흐름도로서, (a) 메인 로봇(10)에서 케이블을 통해 입력된 데이터를 가시광 통신용 프로토콜에 맞게 신호 처리하고, 신호 처리된 송신 신호를 가시광 신호로 변환하여 수중에서 송출하는 단계(S21 ~ S23); (b) 상기 메인 로봇(10)과 가시광 통신을 하는 서브 로봇(20)에서 상기 메인 로봇(10)으로부터 송출된 가시광 신호를 수신하여 전기적인 수신신호로 변환을 하고, 변환한 수신신호의 왜곡을 보상한 후, 원래의 데이터로 복원하는 단계(S24 ~ S28); (c) 상기 메인 로봇(10)에서 통신 종료 신호를 송출하고, 통신을 종료하는 단계(S30); (d) 상기 서브 로봇(20)에서 상기 통신 종료 신호를 수신하면 통신을 종료하는 단계(S31)를 포함한다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 수중 로봇 통신방법은, 먼저 단계 S21에서 메인 로봇(10)은 통신 케이블을 통해 외부 장치로부터 전송된 명령 데이터를 입력받고, 단계 S22에서 입력받은 명령 데이터를 가시광 통신 프로토콜에 맞게 데이터 변환을 하여 송신 신호로 변환을 한다. 이후 단계 S23에서 수중에서 가시광 통신을 통해 가시광 신호로 송신 데이터를 송출한다.

단계 S24에서 상기 메인 로봇(10)과 가시광 통신을 하는 서브 로봇(20)은 가시광 신호를 수신하게 되고, 단계 S25에서 수신한 가시광 신호를 전기적인 수신 신호로 변환을 한다. 아울러 단계 S26에서는 전술한 도 5와 같은 신호 보상기를 이용하여 수신 신호의 감쇄, 왜곡을 보상한다. 그리고 단계 S27에서는 신호 감쇄 및 왜곡이 보상된 수신 신호를 해당 프로토콜에 맞게 변환을 하여 원래의 데이터로 복원을 한다. 데이터 복원이 완료된 데이터는 메인 제어 장치로 전달이 되고, 단계 S28에서 메인 제어 장치는 수신한 데이터에 따라 그에 상응하는 동작을 수행하게 된다.

아울러 메인 로봇(10)은 서브 로봇(20)과의 통신이 완료되면 단계 S29에서 통신 종료 신호를 가시광 신호로 송출하고, 단계 S30에서 통신을 종료하게 된다.

그리고 서브 로봇(20)은 단계 S31에서 통신 종료 신호가 수신되면 통신을 종료하게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 수중 통신 기술에 적용된다. 특히, 수중에서 로봇 간에 가시광 통신을 이용하여 데이터를 통신하는 기술에 효과적으로 적용된다.

10: 메인 로봇
11: 데이터 입력부
12: 데이터 처리부
13: 증폭부
14: 발광다이오드(LED)
20: 서브 로봇
21: 포토 다이오드
22: 증폭부
23: 신호 보상기
24: 데이터 처리부
25: 데이터 출력부

Claims

통신 케이블을 통해 입력된 데이터를 가시광 통신용 프로토콜에 맞게 신호 처리하고, 신호 처리된 송신 신호를 가시광 신호로 변환하여 수중에서 송출하는 메인 로봇;
상기 메인 로봇으로부터 송출된 가시광 신호를 수신하여 전기적인 신호로 변환을 하고, 변환한 전기적인 신호의 왜곡을 보상한 후, 원래의 데이터로 복원하는 서브 로봇을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 로봇 통신장치.
청구항 1에 있어서, 상기 메인 로봇은 상기 서브 로봇과 1:1 통신 또는 복수의 서브 로봇과 1:N(N=2 이상) 통신을 수행하는 것을 특징으로 하는 수중 로봇 통신장치.
청구항 1에 있어서, 상기 메인 로봇은 통신 케이블을 통해 입력된 데이터를 가시광 프로토콜에 대응하는 송신 신호로 변환하는 데이터 처리부; 상기 데이터 처리부에서 변환된 송신 신호를 가시광신호로 출력하는 발광다이오드(LED)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 로봇 통신장치.
청구항 1에 있어서, 상기 서브 로봇은 상기 메인 로봇으로부터 송출된 가시광 신호를 수신하여 전기적인 수신 신호로 변환하는 포토 다이오드; 상기 수신 신호의 왜곡을 보상하는 신호 보상기; 상기 신호 보상기에서 보상된 수신 신호를 원래의 데이터로 복원하는 데이터 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 로봇 통신장치.
청구항 4에 있어서, 상기 신호 보상기는 가시광 통신에 사용할 파장 길이를 설정하는 파장 길이 설정부; 수중 통신할 수심 깊이를 설정하는 수심 깊이 설정부; 염분 농도를 검출하는 염분 농도 검출부; 물의 온도를 검출하는 물 온도 검출부; 상기 물의 탁도를 검출하는 탁도 검출부; 가시광 통신할 상대 로봇의 위치를 인식하는 상대로봇 위치 인식부; 상기 상대로봇 위치 인식부로부터 출력된 로봇 위치 정보와 파장 길이와 수심 깊이와 염분 농도와 물의 온도와 탁도 정보를 기초로 빛 흡수 계수를 계산하는 빛 흡수계수 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 로봇 통신장치.
청구항 5에 있어서, 상기 신호 보상기는 상기 상대 로봇 위치 인식부로부터 출력된 로봇 위치 정보를 기초로 물의 산란 계수를 계산하는 물 산란 계수 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 로봇 통신장치.
청구항 5에 있어서, 상기 신호 보상기는 상기 빛 흡수계수 계산부에서 산출한 빛 흡수계수와 상기 물 산란계수 계산부에서 계산한 물 산란계수를 연산하여 신호 왜곡을 발생하는 감쇠 계수를 산출하는 감쇠 계수 산출부; 상기 감쇠 계수 산출부에서 산출한 감쇠 계수를 이용하여 수신 신호의 왜곡을 보상하는 신호 보상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 로봇 통신장치.
청구항 5에 있어서, 상기 상대로봇 위치 인식부는 통신신호가 입력되면 주변 영상을 획득하는 주위 영상 획득부; 상기 주위 영상 획득부에서 획득한 영상을 처리하는 영상 처리부; 상기 영상 처리부에서 처리된 영상을 기반으로 로봇 위치를 파악하는 로봇 위치 파악부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 로봇 통신장치.
청구항 8에 있어서, 상기 로봇 위치 파악부는 통신 상태이면 상대 위치를 계산하고, 계산한 상대위치를 거리 및 각도 정보로 분리한 후, 그 분리한 거리 및 각도 정보를 검색하여 최적 위치로 로봇을 이동시키는 것을 특징으로 하는 수중 로봇 통신장치.
(a) 메인 로봇에서 케이블을 통해 입력된 데이터를 가시광 통신용 프로토콜에 맞게 신호 처리하고, 신호 처리된 송신 신호를 가시광 신호로 변환하여 수중에서 송출하는 단계;
(b) 상기 메인 로봇과 가시광 통신을 하는 서브 로봇에서 상기 메인 로봇으로부터 송출된 가시광 신호를 수신하여 전기적인 수신신호로 변환을 하고, 변환한 수신신호의 왜곡을 보상한 후, 원래의 데이터로 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 로봇 통신방법.
청구항 10에 있어서, (c) 상기 메인 로봇에서 통신 종료 신호를 송출하고, 통신을 종료하는 단계; (d) 상기 서브 로봇에서 상기 통신 종료 신호를 수신하면 통신을 종료하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 로봇 통신방법.