KR20160043409A

KR20160043409A - 수중 글라이더

Info

Publication number: KR20160043409A
Application number: KR1020140137761A
Authority: KR
Inventors: 최형식; 하지훈; 전지혜; 강현승
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2016-04-21
Also published as: KR101620884B1

Abstract

본 발명은, 바디의 전후방에 배치되는 한 쌍의 부력 발생용 실린더에서는 서로 동일한 부력이 유지되도록 하여 수중 글라이더의 자세 제어에 영향을 미치지 않으면서 그 부력이 변화되며, 별도로 마련된 자세 제어기에 의하여 수중 글라이더의 피칭이 제어되는 수중 글라이더를 제공하게 된다.

Description

수중 글라이더{UNDERWATER GLIDER}

본 발명은 수중 글라이더에 관한 것으로서, 특히 한 쌍의 부력 발생용 실린더에서는 서로 동일한 부력이 유지되면서 그 부력이 변화되어 수중 글라이더의 자세 변화가 발생되지 않으며 자세 제어기에 의하여 수중 글라이더의 피칭이 제어되는 수중 글라이더에 관한 것이다.

일반적으로, 수중 글라이더는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 깊은 수심의 수압을 견딜 수 있도록 제작된 바디(10)와, 상기 바디(10)의 양측에 구비된 고정날개(20)와, 상기 바디(10)의 후단에 구비된 방향타(30)와, 상기 바디(10)의 내부에 구비된 부력탱크(40)와, 상기 부력탱크(40)에 연결된 펌프(50)와, 상기 방향타(30)와 펌프(50)를 제어하는 제어부(60)와, 상기 제어부(60)에 연결된 배터리(70)가 구비된다.

따라서, 상기 수중 글라이더를 잠수시킨 상태에서, 상기 부력탱크(40)에 물을 주입하거나 배출하면, 도 3에 도시한 바와 같이, 수중 글라이더의 비중이 달라지면서 발생되는 부력의 변화에 의해 수중에서 승강되며, 이때, 상기 고정날개(20)에 작용되는 추진력에 의해 수장탐사용 글라이더가 대략 전방 45°각도로 승강되면서 전진된다.

이와 같은 수중 글라이더는 원하는 위치로 이동할 수 있으며, 장시간, 장거리 동작이 가능하며, 깊은 수심에서 관측 활동을 할 수 있다는 점에서 장점이 있다.

한편, 수중 글라이더와 구분되는 기술로서, 자율수중로봇과 수직관측 뜰개가 있다.

수중탐사에 사용되어 왔던 자율수중로봇(AUV, autonomous underwater vehicle)은 고속 이동과 정밀한 위치 제어가 가능하다는 장점이 있지만, 동작 시간이 짧다는 문제가 있다.

수직관측 뜰개(Profile Argo Float)는 자율적으로 부력을 조절하여 수중에 뜨고 가라앉으며, 수집한 정보를 위성통신을 이용하여 전송한다는 점에서 전력 소모가 매우 작다는 장점이 있지만 스스로 원하는 장소로 이동하는 것이 불가능하다는 점에서 문제가 있다.

상기와 같이 수중 글라이더는 부력과 피치각을 조절하여 얻어지는 날개에 작용하는 양력 성분을 추진력으로 이용하여 상승/하강 운동을 반복하며 전진하는 구조이다.

한편 수중 글라이더는 부력 엔진이 바디의 전방에 위치되며, 상하 운동시 일정 각도를 가지고 운동하게 되므로 수중 수평운동 상태에서 적용할 수 있는 센서들, 예컨데, 속도센서인 DVL(Doppler Velocity Logger)이나 수중 화면 촬영이 가능한 사이드 스캔 소나(Side Scan Sonar)를 활용할 수 없다는 문제가 있다.

또한 추진을 위하여 바디의 전방에 위치된 부력 엔진에 물을 유입하면 물의 유동으로 인하여 중량의 변화가 발생하여 수중 글라이더의 피칭 자세 제어에 간섭력을 미치게 되어, 수중 글라이더의 자세 제어가 어려워진다는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1066894호 "수중탐사용 글라이더"(2011.9.16. 등록) 대한민국 등록특허 제10-1175235호 "압력 평형 장치를 가지는 부력 조절 장치와 이를 이용한 수중 글라이더 및 압력 평형을 이용한 부력 제어 방법"(2012. 8.13. 등록)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 바디의 전후방에 배치되는 한 쌍의 부력 발생용 실린더에서는 서로 동일한 부력이 유지되도록 하여 수중 글라이더의 자세 제어에 영향을 미치지 않으면서 그 부력이 변화되며, 별도로 마련된 자세 제어기에 의하여 수중 글라이더의 피칭이 제어되는 수중 글라이더를 제공하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 전후방향으로 길게 형성되는 바디와, 상기 바디의 양측에 고정날개가 마련되는 수중 글라이더에 있어서 : 상기 수중 글라이더의 전후방향 무게중심에 대하여 전후방향으로 대칭되게 위치되는 한 쌍의 부력 발생용 실린더 ; 상기 부력 발생용 실린더마다 마련되되, 상기 부력 발생용 실린더 내부에 위치되어 상기 부력 발생용 실린더와 함께 부력실을 형성하는 피스톤과, 상기 피스톤으로부터 상기 바디의 전후방향 중앙부를 향하여 연장되어 상기 부력 발생용 실린더의 외부로 돌출되는 피스톤 로드를 포함하여 이루어지는 피스톤 부재 ; 상기 바디의 전후방향 중앙부에 마련되는 구동모터 ; 상기 바디의 전후방향을 따라 길게 형성되되, 제자리에서 회전 가능하게 마련되며, 길이방향 일측부에는 오른나사부가 형성되며 길이방향 타측부에는 왼나사부가 형성되는 피스톤 구동용 나사봉 ; 상기 구동모터의 회전력을 상기 피스톤 구동용 나사봉에 전달하는 제1회전력 전달수단 ; 상기 한 쌍의 피스톤 로드 중 어느 하나의 피스톤 로드와 상기 피스톤 구동용 나사봉의 오른나사부를 연결하되, 상기 오른나사부의 회전운동을 이에 연결된 피스톤 로드의 직선상 운동으로 변환하는 제1운동 전환수단 ; 상기 한 쌍의 피스톤 로드 중 다른 하나의 피스톤 로드와 상기 피스톤 구동용 나사봉의 왼나사부를 연결하되, 상기 왼나사부의 회전운동을 이에 연결된 피스톤 로드의 직선상 운동으로 변환하는 제2운동 전환수단 ; 상기 바디의 전후방향을 따라 길게 마련되는 가이드 부재와 상기 가이드 부재를 따라 이동가능하게 마련되는 웨이트 부재와 상기 웨이트 부재가 상기 가이드 부재를 따라 이동하도록 구동 제어하는 웨이트부재 이동 구동원을 포함하여 이루어지며, 상기 수중 글라이더의 피칭을 제어하는 자세 제어기 ; 를 포함하여 이루어지며, 상기 구동모터의 회전 구동에 의하여 상기 피스톤 구동용 나사봉이 회전되면 제1,2운동 전환수단에 의하여 상기 한 쌍의 피스톤 부재가 서로 반대방향으로 이동하여 상기 한 쌍의 부력 발생용 실린더에 형성된 부력실이 서로 동일한 부피를 유지하면서 그 부피가 변화되며, 상기 자세 제어기에 의하여 상기 수중 글라이더의 피칭이 제어되는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 제1운동 전환수단은, 상기 피스톤 로드에 고정되어 상기 피스톤 로드의 직선상 이동을 안내하는 보조판과, 상기 보조판에 마련되어 상기 피스톤 구동용 나사봉과 볼스크류 결합되는 볼스크류용 너트 부재를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 바디의 후방부에 추진체가 마련되며, 상기 바디의 후방부에 방향타와 상기 방향타를 제어하기 위한 방향타 제어기가 마련되며, 상기 바디에 DVL 또는 사이드 스캔 소너가 부착될 수 있다.

상기와 같이 본 발명은, 바디의 전후방에 배치되는 한 쌍의 부력 발생용 실린더에서는 서로 동일한 부력이 유지되도록 하여 수중 글라이더의 자세 제어에 영향을 미치지 않으면서 그 부력이 변화되며, 별도로 마련된 자세 제어기에 의하여 수중 글라이더의 피칭이 제어되는 수중 글라이더를 제공하게 된다.

도 1은 종래의 수중 글라이더의 측면도,
도 2는 종래의 수중 글라이더의 측단면 구성도,
도 3은 종래의 수중 글라이더의 작용을 도시한 참고도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 수중 글라이더의 사시도,
도 5는 도 4의 주요 부분 개념 단면도,
도 6은 도 5의 부력 발생부의 사시도,
도 7a 및 도 7b는 부력 발생부에서 부력이 변화되는 상태를 도시한 개념 단면도,
도 8은 도 4를 기준으로 한 자세 제어기의 개념 단면도.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 수중 글라이더의 사시도이며, 도 5는 도 4의 주요 부분 개념 단면도이며, 도 6은 도 5의 부력 발생부의 사시도이며, 도 7a 및 도 7b는 부력 발생부에서 부력이 변화되는 상태를 도시한 개념 단면도이며, 도 8은 도 4를 기준으로 한 자세 제어기의 개념 단면도이다.

본 실시예의 수중 글라이더(100)는, 도 4에서 확인되는 바와 같이, 전후방향으로 길게 형성되는 바디(110)와, 바디(110)의 후방 양측에 마련되는 고정날개(120)와, 바디(110)의 후방에 마련되는 방향타(130) 등을 포함하여 이루어진다.

수중 글라이더(100)의 내부에는, 도 5에서 확인되는 수중 글라이더(100)의 부력을 조절하기 위한 부력 발생부와, 도 8에서 확인되는 수중 글라이더(100)의 피치를 제어하는 자세 제어기가 서로 독립적으로 마련된다.

즉 바디(110)의 내부에 부력 발생부와 자세 제어기가 별도로 마련되며, 부력 발생부의 구동모터(230)가 위치한 부위와 인접하여 자세 제어기가 마련된다.

먼저 부력 발생부를 설명한다.

부력 발생부는 한 쌍의 부력 발생용 실린더(210), 한 쌍의 피스톤 부재(220), 구동모터(230), 피스톤 구동용 나사봉(240) 등으로 이루어진다.

수중 글라이더(100)의 전후방향 무게중심에 대하여 전후방향으로 대칭되게 한 쌍의 부력 발생용 실린더(210)가 마련된다.

전방에 위치한 부력 발생용 실린더(210)는, 전방이 개구되며 후방이 막힌 실린더 형태이며, 후방에 위치한 부력 발생용 실린더(210)는 후방이 개구되며 전방이 막힌 실린더 형태이다.

부력 발생용 실린더(210) 각각에는 피스톤 부재(220)가 마련된다.

피스톤 부재(220)는, 부력 발생용 실린더(210) 내부에 위치되어 부력 발생용 실린더(210)와 함께 부력실(211)을 형성하는 피스톤(221)과, 피스톤(221)으로부터 바디(110)의 전후방향 중앙부를 향하여 연장되어 부력 발생용 실린더(210)의 외부로 돌출되는 피스톤 로드(222)를 포함하여 이루어진다.

즉 부력실(211)은 부력 발생용 실린더(210)와 피스톤(221)에 의하여 밀폐된 공간이 되며, 부력실(211)은 피스톤 부재(220)가 부력 발생용 실린더(210)를 따라 이동함으로써 그 부피가 확장되거나 축소되어 그 부력이 변화될 수 있다.

한편 피스톤 로드(222)는 피스톤(221)과 일체로 마련되되 바디(110)의 중앙부를 향하여 연장된다. 이는 후술하는 피스톤 구동용 나사봉(240)과의 연결을 위해서이다.

상기와 같이 한 쌍의 부력 발생용 실린더(210)와 한 쌍의 피스톤 부재(220)가 바디(110)의 전후방향에 서로 대칭되게 마련된다.

한편, 바디(110)의 전후방향 중앙부에 구동모터(230)가 마련되며, 바디(110)의 전후방향을 따라 길게 형성되며 제자리에서 회전 가능하도록 배치되는 피스톤 구동용 나사봉(240)이 마련된다.

피스톤 구동용 나사봉(240)은 벨트 결합 등의 제1회전력 전달 수단(231)에 의하여 구동모터(230)의 회전력을 전달받아 제자리에서 회전하게 된다.

한편 피스톤 구동용 나사봉(240)의 길이방향 일측부에는 오른나사부가 형성되며 타측부에는 길이방향 왼나사부가 형성된다.

한편, 피스톤 로드(222)의 돌출된 단부에는 보조판(222a)이 고정되는 한편, 보조판(222a)에는 볼스크류 결합을 위한 볼스크류용 너트 부재(222b)가 마련된다.

또한 보조판(222a)은 한 쌍의 가이드봉(223)에 의하여 그 직선상 이동이 안내된다. 즉 보조판(222a)이 한 쌍의 가이드봉(223)에 의하여 직선상 이동이 안내되면서, 보조판(222a)에 고정된 피스톤 부재(220)의 직선상 이동이 안내된다.

상기와 같이 볼스크류용 너트 부재(222b)는 한 쌍의 가이드봉(223)에 의하여 그 직선상 이동이 안내되는 한편, 피스톤 구동용 나사봉(240)의 오른나사부 또는 왼나사부와 볼스크류 결합되어 오른나사부 또는 왼나사부의 회전운동을 피스톤 로드(222)의 직선상 운동으로 변환하게 된다.

한편 피스톤 구동용 나사봉(240)의 전방에 오른나사부가 배치된다면 전방에 위치한 볼스크류용 너트 부재(222b)는 오른나사부와 볼스크류 결합되는 한편, 후방에 위치한 볼스크류용 너트 부재(222b)는 왼나사부와 볼스크류 결합하게 된다.

이와 같이 피스톤 구동용 나사봉(240)의 회전운동을 양 피스톤 로드(222)의 직선상 운동으로 변환시키기 위한 장치를 제1,2운동 전환수단이라 칭할 수 있다.

따라서 구동모터(230)의 회전 구동에 의하여 피스톤 구동용 나사봉(240)이 회전되면, 제1,2운동 전환수단에 의하여 한 쌍의 피스톤 부재(220)가 서로 반대방향으로 이동하게 되며, 한 쌍의 피스톤 부재(220)가 서로 가까워지는 방향으로 이동하게 되면 부력실(211)의 부피가 감소되면서 부력이 감소되며, 한 쌍의 피스톤 부재(220)가 서로 멀어지는 방향으로 이동하게 되면 부력실(211)의 부피가 증가되면서 부력이 증가하게 된다.

이와 같은 부력의 증가 및 감소에도 불구하고, 한 쌍의 부력 발생용 실린더(210)에 형성된 부력실은 서로 동일한 부피를 유지하므로 수중 글라이더의 자세는 변화되지 않는다.

상기와 같이 본 발명은 수중 글라이더의 부력을 변화시키면서도 부력 발생부에 의하여는 수중 글라이더의 자세가 변화되지 않도록 하고, 수중 글라이더의 자세는 후술하는 자세 제어기에 의해서만 변화된다.

이하에서는 자세 제어기에 대하여 설명한다.

도 8에 도시된 바와 같이 바디(110)의 전후방향을 따라 길게 마련되는 가이드 부재(310)가 마련되며, 상기 가이드 부재(310)를 따라 이동가능하게 마련되는 웨이트(weight) 부재(320)가 마련된다. 아울러 웨이트 부재(320)가 가이드 부재(310)를 따라 이동하도록 구동 제어하는 웨이트부재 이동 구동원(미도시)이 마련된다.

웨이트부재 이동 구동원은 웨이트 부재(320)를 이동 구동하기 위한 것으로서, 모터의 회전 동력을 이용하여 웨이트 부재(320)의 직선상 이동을 구현하면 충분한 것으로, 이와 같은 기술은 매우 일반적이므로 그 상세한 설명을 생략한다. 아울러 본 실시예의 부력 발생부에 채택된 볼스크류 결합이 웨이트부재 이동 구동원에도 적용될 수 있을 것이다.

상기와 같이 본 실시예는 자세 제어기에 의하여 웨이트 부재(320)가 전방 또는 후방으로 이동함으로써 웨이트 부재(320)의 무게 중심의 변화에 의하여 수중 글라이더의 자세(피칭)가 제어된다.

이와 같은 자세 제어 방식은 부력 발생부와 자세 제어기가 독립적으로 제어되어, 수중 글라이더의 피칭 제어가 매우 간편하게 된다. 즉 수중 글라이더의 피칭 제어시에 부력 발생부에 발생된 부력(즉 변화되는 부력)을 고려할 필요가 없게 된다.

한편 본 실시예에는 바디(110)의 후방에 추진체(140)가 마련되어, 경우에 따라서는 부력 발생부의 부력과 자세 제어기의 피칭 제어에 의한 추진력 외에 추진체(140)에 의한 별도의 추진력을 얻을 수 있도록 하였다.

아울러 바디(110)의 후방에 마련되는 방향타(130)에는 방향타 제어기(131)가 마련되어 방향타(130)를 구동 제어할 수 있도록 하였다.

또한 본 실시예에서는 부력 발생부와 자세 제어기의 제어에 의하여 수평 운동이 매우 쉽게 이루어지므로, 바디(110)에 속도 센서인 DVL(Doppler Velocity Logger)(150)이나 수중 화면 촬영이 가능한 사이드 스캔 소나(Side Scan Sonar)를 장착할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 수중 글라이더
110 : 바디
120 : 고정날개
130 : 방향타 131 : 방향타 제어기
140 : 추진체 150 : DVL
210 : 부력 발생용 실린더 211 : 부력실
220 : 피스톤 부재 221 : 피스톤
222 : 피스톤 로드 222a : 보조판
222b : 볼스크류용 너트 부재 223 : 가이드봉
230 : 구동모터 231 : 제1회전력 전달 수단
240 : 피스톤 구동용 나사봉
310 : 가이드 부재
320 : 웨이트 부재

Claims

전후방향으로 길게 형성되는 바디와, 상기 바디의 양측에 고정날개가 마련되는 수중 글라이더에 있어서 :
상기 수중 글라이더의 전후방향 무게중심에 대하여 전후방향으로 대칭되게 위치되는 한 쌍의 부력 발생용 실린더 ;
상기 부력 발생용 실린더마다 마련되되, 상기 부력 발생용 실린더 내부에 위치되어 상기 부력 발생용 실린더와 함께 부력실을 형성하는 피스톤과, 상기 피스톤으로부터 상기 바디의 전후방향 중앙부를 향하여 연장되어 상기 부력 발생용 실린더의 외부로 돌출되는 피스톤 로드를 포함하여 이루어지는 피스톤 부재 ;
상기 바디의 전후방향 중앙부에 마련되는 구동모터 ;
상기 바디의 전후방향을 따라 길게 형성되되, 제자리에서 회전 가능하게 마련되며, 길이방향 일측부에는 오른나사부가 형성되며 길이방향 타측부에는 왼나사부가 형성되는 피스톤 구동용 나사봉 ;
상기 구동모터의 회전력을 상기 피스톤 구동용 나사봉에 전달하는 제1회전력 전달수단 ;
상기 한 쌍의 피스톤 로드 중 어느 하나의 피스톤 로드와 상기 피스톤 구동용 나사봉의 오른나사부를 연결하되, 상기 오른나사부의 회전운동을 이에 연결된 피스톤 로드의 직선상 운동으로 변환하는 제1운동 전환수단 ;
상기 한 쌍의 피스톤 로드 중 다른 하나의 피스톤 로드와 상기 피스톤 구동용 나사봉의 왼나사부를 연결하되, 상기 왼나사부의 회전운동을 이에 연결된 피스톤 로드의 직선상 운동으로 변환하는 제2운동 전환수단 ;
상기 바디의 전후방향을 따라 길게 마련되는 가이드 부재와 상기 가이드 부재를 따라 이동가능하게 마련되는 웨이트 부재와 상기 웨이트 부재가 상기 가이드 부재를 따라 이동하도록 구동 제어하는 웨이트부재 이동 구동원을 포함하여 이루어지며, 상기 수중 글라이더의 피칭을 제어하는 자세 제어기 ;
를 포함하여 이루어지며,
상기 구동모터의 회전 구동에 의하여 상기 피스톤 구동용 나사봉이 회전되면 제1,2운동 전환수단에 의하여 상기 한 쌍의 피스톤 부재가 서로 반대방향으로 이동하여 상기 한 쌍의 부력 발생용 실린더에 형성된 부력실이 서로 동일한 부피를 유지하면서 그 부피가 변화되며, 상기 자세 제어기에 의하여 상기 수중 글라이더의 피칭이 제어되는 것을 특징으로 하는 수중 글라이더.
제 1 항에 있어서,
상기 제1운동 전환수단은, 상기 피스톤 로드에 고정되어 상기 피스톤 로드의 직선상 이동을 안내하는 보조판과, 상기 보조판에 마련되어 상기 피스톤 구동용 나사봉과 볼스크류 결합되는 볼스크류용 너트 부재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수중 글라이더.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 바디의 후방부에 추진체가 마련되며, 상기 바디의 후방부에 방향타와 상기 방향타를 제어하기 위한 방향타 제어기가 마련되며, 상기 바디에 DVL 또는 사이드 스캔 소너가 부착되는 것을 특징으로 하는 수중 글라이더.