KR20170075930A

KR20170075930A - 케이블로 연결된 복수개의 수중로봇의 위치 추정 방법 및 그 시스템

Info

Publication number: KR20170075930A
Application number: KR1020150185487A
Authority: KR
Inventors: 유선철; 김주환; 조현우; 표주현; 조한길
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2017-07-04
Also published as: KR101812027B1

Abstract

수중에서 작동하는 수중 로봇의 위치 추정 방법이 제공된다. 수중 로봇의 위치 추정 방법은 수중 또는 수면 상에 위치되는 제1 몸체 및 상기 제1 몸체에 케이블에 의하여 연결된 상태로 목표 물체로 이동 가능한 제2 몸체의 상대적인 위치 추정 방법으로서, 제1 몸체 및 제2 몸체를 정렬시키는 단계, 제2 몸체가 목표 물체에 근접할 수 있도록 케이블의 길이를 조절하는 단계, 케이블의 길이를 고려하여 제2 몸체의 위치를 파악하기 위해 탐색 영역을 설정하는 단계, 탐색 영역 내에서 제2 몸체의 크기 이상의 대상물을 선정하는 단계, 제2 몸체의 움직임과 비교하여 선정된 대상물 중 제2 몸체를 파악하는 단계 및 파악된 제2 몸체의 위치를 추정하는 단계를 포함한다.

Description

케이블로 연결된 복수개의 수중로봇의 위치 추정 방법 및 그 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR ESTIMATING LOCATION OF A PLURALITY OF UNDERWATER ROBOT CONNERCTED BY CABLE}

본 발명은 케이블로 연결된 복수개의 수중로봇의 위치 추정 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

최근, 해양에 대한 관심이 증가함에 따라 해양의 수중 탐사 등과 같은 활동이 함께 증가하고 있다. 이런 활동이 증가하게 되면서 수중 탐사에 주로 사용되고 있는 수중 로봇과 같은 탐지기기도 다양하게 개발되고 있다.

이와 같은 수중 로봇은 현재의 위치를 파악하는 것이 중요한데, 수중 환경에서는 전파를 사용할 수 없기 때문에 현재의 위치를 파악하기 위해 GPS와 같은 항법 장치를 사용할 수 없다.

또한, 수중에서 하나의 수중 로봇을 사용해서 해결하기 어려운 임무의 경우 복수 개의 수중 로봇을 사용하여 수중 로봇 간의 상호협력을 통해 해결할 수 있는 경우가 있다.

다만, 복수개의 수중 로봇의 크기에 따라 관성모멘트와 추진기 추력의 데드존이 다르기 때문에 작업 반경 및 제어 정밀도가 달라서 복수개의 수중 로봇의 위치 및 자세를 추정하기 어렵다.

본 발명의 일 실시예는 수중에서 물체 조사를 수행할 때 수중 로봇의 3차원적인 위치 및 자세를 실시간 추정할 수 있는 위치 추정 방법 및 그 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면 수중 또는 수면 상에 위치되는 제1 몸체 및 상기 제1 몸체에 케이블에 의하여 연결된 상태로 목표 물체로 이동 가능한 제2 몸체의 상대적인 위치 추정 방법으로서, 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체를 정렬시키는 단계; 상기 제2 몸체가 목표 물체에 근접할 수 있도록 상기 케이블의 길이를 조절하는 단계; 상기 케이블의 길이를 고려하여 상기 제2 몸체의 위치를 파악하기 위해 탐색 영역을 설정하는 단계; 상기 탐색 영역 내에서 일정크기 이상의 대상물들을 선정하는 단계; 상기 제2 몸체의 속도와 비교하여 상기 선정된 대상물들 중 상기 제2 몸체를 파악하는 단계 및 상기 파악된 상기 제2 몸체의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 위치 추정 방법이 제공된다.

이때, 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체를 정렬시키는 단계는 상기 제1 몸체를 상기 목표 물체로 이동시키는 단계; 상기 제1 몸체의 일 측에 결합된 이미징 소나를 통해 상기 제1 몸체가 이동한 지점에서 상기 목표 물체까지의 거리를 측정하는 단계 및 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체의 요(yaw) 값을 일치시키는 단계를 포함할 수 있다.

이때, 상기 제2 몸체가 목표 물체에 근접할 수 있도록 상기 케이블의 길이를 조절하는 단계에서는 상기 제1 몸체에 설치된 윈치를 통해 상기 케이블을 풀어주거나 감아줄 수 있다.

이때, 상기 제2 몸체가 목표 물체에 근접할 수 있도록 상기 케이블의 길이를 조절하는 단계는 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 사이의 케이블이 팽팽하도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 사이의 케이블이 팽팽하도록 하는 단계는 상기 케이블 단부에 설치된 장력 센서를 통해 상기 케이블이 팽팽한지 여부를 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 케이블의 길이(r)를 고려하여 상기 제2 몸체의 위치를 파악하기 위해 탐색 영역을 설정하는 단계에서는 상기 케이블의 길이(r)를 고려하여 상기 제2 몸체의 탐색 영역의 거리(L)는 r-α<L<r+α이고, 조사 각도(θ)는 θmin<θ<θmax일 수 있다.

이때, 상기 α는 상기 제2 몸체의 장축 길이이고, 상기 조사 각도(θ)는 θmax - θmin는 90도 이내일 수 있다.

이때, 상기 탐색 영역 내에서 일정크기 크기보다 큰 대상물을 선정하는 단계에서는 상기 설정된 탐색 영역 내에서의 영상을 이진화하는 단계 및 상기 이진화된 영상에서 일정크기 보다 큰 영역들을 대상물로 선정하는 단계를 포함할 수 있다.

이때, 상기 일정크기(v)는 상기 케이블 길이(r)의 오차 및 상기 영상에서의 오차를 고려하여 산정된 픽셀영역의 크기(A)를 기반으로 A*0.9<V<A*1.1일 수 있다.

이때, 상기 설정된 탐색 영역 내에서의 영상을 이진화하는 단계에서는 소정의 임계 값 보다 밝은 픽셀은 모두 흰색으로 바꾸고, 소정의 임계 값보다 어두운 픽셀은 모두 검은색으로 바꿀 수 있다.

이때, 상기 소정의 임계 값은 상기 영상에서 가장 어두운 픽셀 값을 0이고, 가장 밝은 픽셀 값이 1일 때 0.5일 수 있다.

이때, 상기 제2 몸체의 움직임과 비교하여 상기 선정된 대상물 중 상기 제2 몸체를 선택하는 단계에서는 상기 선정된 대상물들을 추적하여 이동거리와 영상의 프레임 간 시간차를 이용하여 상기 대상물들의 속도 벡터를 구하여 상기 제2 몸체의 속도와 대응하는 상기 대상물을 선택할 수 있다.

이때, 상기 파악된 상기 제2 몸체의 위치를 추정하는 단계에서는 상기 선정된 제2 몸체의 방향각(θ), 상기 제1 몸체의 수심(D) 및 상기 제2 몸체의 수심(d)일 때 상기 제2 몸체의 위치의 좌표는 하기 식과 같을 수 있다.

이때, 상기 목표 물체는 수중 바닥에 위치하는 물체들 중 적어도 하나이고, 상기 제1 몸체의 크기는 상기 제2 몸체의 크기보다 클 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면 전술한 위치 추정 방법에 의해서 위치를 추정하는 위치 추정 시스템으로서, 수중 또는 수면 상에 위치되는 제1 몸체, 상기 제1 몸체와 케이블로 연결되고, 상기 제1 몸체에 상기 케이블에 의하여 연결된 상태로 목표 물체로 이동가능 한 제2 몸체 및 상기 제1 몸체의 일측에 결합되어 상기 목표 물체를 인식하고, 상기 제2 몸체의 방향각을 측정할 수 있는 이미징 소나를 포함하는 위치 추정 시스템이 제공된다.

이때, 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체의 일측에 설치되어 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체의 일측에 가해지는 압력을 측정함으로써 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체의 수심을 파악하는 압력 센서를 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체에 설치되어 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체의 회전각을 측정함으로써 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체의 요 각을 파악하는 자이로 센서를 포함할 수 있다.

이때, 상기 케이블의 단부에 설치되어 상기 케이블에 인가되는 장력을 측정하는 장력 센서 및 상기 제2 몸체에 설치되어 상기 케이블이 팽팽해지도록 하는 추진기를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1 몸체의 일측에 설치되어 상기 케이블이 감기거나 풀릴 수 있도록 하는 윈치를 더 포함하되, 상기 제1 몸체는 상기 케이블을 통해 상기 제2 몸체에 전력을 공급하거나 제어 신호를 전달할 수 있다.

이때, 상기 제1 몸체의 일측에 설치되어 상기 목표 지점 및 상기 제2 몸체에 대한 수중 영상을 획득할 수 있도록 하는 이미징 소나를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 위치 추정 방법 및 그 시스템은 수중 로봇의 위치 오차가 누적되지 않고 조사대상 물체의 주변을 이동할 수 있도록 하여 수중로봇의 3차원적인 위치 및 자세를 실시간 추정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 추정 방법 및 그 시스템은 장시간 물체 조사를 수행하더라도 수중 로봇을 지정된 경로를 벗어나지 않고 물체 주변에 머무를 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 사용되는 제1 몸체에 제2 몸체가 부착된 상태를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 사용되는 제2 몸체가 목표 물체를 향해 이동하는 것을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 사용되는 제1 몸체를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 사용되는 제2 몸체를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 사용되는 이미징 소나를 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 사용되는 제1 몸체에 제2 몸체가 부착된 상태에서 이미징 소나를 통해 획득한 목표 물체의 영상을 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 사용되는 제2 몸체가 목표 물체를 향해 이동하는 상태에서 이미지 소나를 통해 획득한 제2 몸체 및 목표 물체의 영상을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법의 탐색 영역을 나타내는 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법의 위치 추정 계산하는 것을 도시한 개략도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법 및 그 시스템을 보다 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법을 도시한 순서도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법은 제1 몸체 및 제2 몸체를 정렬시키는 단계(S10), 제2 몸체가 목표 물체에 근접할 수 있도록 케이블의 길이를 조절하는 단계(S20), 케이블의 길이를 고려하여 제2 몸체의 위치를 파악하기 위해 탐색 영역을 설정하는 단계(S30), 탐색 영역 내에서 제2 몸체의 크기 이상의 대상물들을 선정하는 단계(S40), 제2 몸체의 속도를 비교하여 선정된 대상물들 중 제2 몸체를 파악하는 단계(S50) 및 파악된 제2 몸체의 위치를 추정하는 단계(S60)를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 위치 추정 방법은 제1 몸체(10)를 기준으로 제2 몸체(30)의 상대적 위치 및 자세를 실시간으로 추정하여 목표 물체(3)로 신속하고, 정확하게 이동할 수 있도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 사용되는 제1 몸체에 제2 몸체가 부착된 상태를 도시한 개략도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 사용되는 제2 몸체가 목표 물체를 향해 이동하는 것을 도시한 개략도이다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 의하여 위치를 추정하는 위치 추정 시스템(1)은 제1 몸체(10), 이미징 소나(20) 및 제2 몸체(30)를 포함할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 제2 몸체(30)는 제1 몸체(10)와 케이블(15a)로 연결되고 제1 몸체에 케이블로 연결된 상태로 목표 물체(3)로 이동하여 도킹 및 샘플 채집 등과 같은 정밀수중 작업이 필요한 경우 사용될 수 있다

한편, 본 발명의 일 실시예에서 제1 몸체(10) 및 제2 몸체(30)는 수중 또는 수면 상에 위치되는 수중 로봇일 수 있으나 이에 한정되지 않고, 필요에 따라 수중 로봇 대신 AUV(Autonomous Underwater vehicles) 및 잠수함 등일 수 있다.

이때, 제1 몸체(10) 및 제2 몸체(30)는 해저 자원 탐사, 침몰된 선박의 인양작업, 기름제거작업, 해저케이블 설치, 수중 구조물의 수리 등에 이용될 수 있다.

또한, 제1 몸체(10) 및 제2 몸체(30)는 3차원인 수중에서 자유롭게 이동해야 하며 이를 위해 자세를 조정하기 위한 자세 제어 장치 및 3차원 각 방향으로의 이동을 제어하기 위한 이동 제어 장치를 포함한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 사용되는 제1 몸체를 도시한 개략도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 사용되는 제2 몸체를 도시한 개략도이다.

도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 제1 몸체(10) 는 제1 센서부(11), 제1 제어부(13), 연결부(15), 영상부(17) 및 제1 추진기(19)를 포함할 수 있다.

이때, 제1 센서부(11)는 제1 몸체(10)의 제1 제어부(13)와 연결되어 제1 몸체의 자세, 이동방향 및 이동속도와 관련된 위치 정보를 획득한다. 또한, 제1 센서부(11)에서 획득하는 제1 몸체(10)의 자세에 대한 정보는 제1 몸체의 롤(roll) 각속도, 피치(pitch) 각속도 및 요(yaw) 각속도에 대한 정보를 포함한다.

또한 제1 센서부(11)에서 획득하는 제1 몸체(10)의 이동방향 및 이동속도에 대한 정보는 제1 몸체의 서지(surge) 선속도, 스웨이(sway) 선속도 및 히브(heave) 선속도에 대한 정보를 포함한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서 제1 센서부(11)는 압력 센서(미도시) 및 자이로 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 압력 센서는 제1 몸체(10)의 일측 또는 내부에 설치되어 제1 몸체에 가해지는 압력을 측정함으로써 제1 몸체가 수중에서 위치하는 수심(D)을 측정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 자이로 센서는 제1 몸체(10) 일측 또는 내부에 설치되어 제1 몸체의 회전각을 측정함으로써 제1 몸체의 요(yaw)각을 파악할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서 DVL(Doppler velocity log)센서(미도시)는 제1 몸체(10) 일측 또는 내부에 설치되어 제1 몸체의 바닥면에 대한 서지(surge) 및 스웨이(sway) 방향의 상대 선속도를 측정함으로써 제1 몸체의 위치를 파악할 수 있다.

도 4를 참고하면, 제1 제어부(13)는 제1 센서부(11)에서 획득한 정보를 통해 제1 몸체(10)의 현재 위치를 계산하고 결정할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서 연결부(15)는 케이블(15a) 및 윈치(15b)를 포함할 수 있다. 이때, 도 3을 참고하면, 케이블(15a)의 일단은 제1 몸체(10)와 연결되고 타단은 제2 몸체(30)와 연결되어 제2 몸체는 제1 몸체에 케이블로 연결된 상태로 이동할 수 있다.

이때, 케이블(15a)은 부력에 영향을 최소화할 수 있도록 중성 부력을 가지는 특수 케이블일 수 있다. 또한, 케이블(15a)의 단부에는 케이블에 인가되는 장력을 측정하기 위해 장력 센서(미도시)가 설치되어 케이블이 팽팽하게 유지되도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서 제1 몸체(10)는 케이블(15a)을 통해 제2 몸체(30)에 전력을 공급하거나 제1 제어부(13)의 제어 신호를 제2 몸체의 제2 제어부(33)로 전달할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 윈치(15b)는 제1 몸체(10)의 일측 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 몸체의 하단부에 설치되어 케이블(15a)이 감기거나 풀리도록 할 수 있다.

이때, 윈치(15b)의 내부에는 엔코더(미도시)를 포함하고 있어 윈치(15b)의 회전량을 측정하여 제1 몸체(10) 및 제2 몸체(30) 사이의 거리를 정확히 측정할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서 제1 추진기(19)는 제1 몸체(10)의 일측에 설치되어 제1 몸체(10)와 제2 몸체(30)를 목표지점(3) 근방 즉, 40 미터 이내까지 이동하도록 한 후, 제2 몸체(30)가 목표지점(3)에 근접하는 동안 제1 몸체(10)의 위치 및 자세를 유지한다.

한편, 도 3을 참고하면, 제2 몸체(30)는 제1 몸체(10)와 케이블(15a)로 연결되고 제1 몸체에 케이블에 연결된 상태로 목표 물체(3)로 이동할 수 있다. 이때, 제2 몸체(30)는 이동 가능한 수중 로봇일 수 있으나 이에 한정되지 않고, 필요에 따라 수중 로봇 대신 AUV 및 원격조정잠수정 등일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 제2 몸체(30)는 제1 몸체(10)보다 크기가 작아 제1 몸체(10)에 부착되어 장거리를 이동하며, 도킹 및 샘플 채집 등과 같은 정밀수중 작업이 필요한 경우 사용될 수 있다.

도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 제2 몸체(30)는 제2 센서부(31), 제2 제어부(33) 및 제2 추진기(35)를 포함할 수 있다.

이때, 제2 센서부(31)는 제2 몸체(30)의 제2 제어부(33)와 연결되어 제2 몸체의 자세, 이동방향 및 이동속도와 관련된 속도 정보를 획득한다. 또한, 제2 센서부(31)에서 획득하는 제2 몸체(30)의 자세에 대한 정보는 제2 몸체의 롤(roll) 각속도, 피치(pitch) 각속도 및 요(yaw) 각속도에 대한 정보를 포함한다.

또한 제2 센서부(31)에서 획득하는 제2 몸체(30)의 이동방향 및 이동속도에 대한 정보는 제2 몸체의 서지(surge) 선속도, 스웨이(sway) 선속도 및 히브(heave) 선속도에 대한 정보를 포함한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서 제2 센서부(31)는 압력 센서(미도시) 및 자이로 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 압력 센서는 제2 몸체(30)의 일측 또는 내부에 설치되어 제2 몸체에 가해지는 압력을 측정함으로써 제2 몸체가 수중에서 위치하는 수심(d)을 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서 자이로 센서는 제2 몸체(30) 일측 또는 내부에 설치되어 제2 몸체의 회전각을 측정함으로써 제2 몸체의 요(yaw)각을 파악할 수 있다.

도 5를 참고하면, 제2 제어부(33)는 제2 센서부(31)에서 획득한 정보와 제1 몸체(10)의 연결부(15) 및 영상부(17)에서 획득한 정보를 통해 제2 몸체(30)의 현재 위치를 계산하고 결정할 수 있다. 또한 제2 제어부(33)는 제1 몸체(10)의 제1 제어부(13)로부터 전달받은 제어명령을 기반으로 제2 추진기(35)를 제어할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서 제2 추진기(35)는 제2 몸체(30)의 일측에 설치되어 케이블(15a)이 팽팽해지도록 하고 제2 몸체(30)의 위치 및 자세를 조절할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 목표 물체(3)는 수중 바닥에 위치하는 물체 중 적어도 하나일 수 있으나 이에 한정되지는 않고, 수중에서의 랜드 마크일 수 있다. 이때 랜드 마크란 수중에서 작동하는 수중 로봇의 위치를 파악하기 위해 수중에서 식별 가능한 목표물이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 사용되는 이미징 소나를 도시한 개략도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 사용되는 제1 몸체에 제2 몸체가 부착된 상태에서 이미징 소나를 통해 획득한 목표 물체의 영상을 도시한 개략도이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법에 사용되는 제2 몸체가 목표 물체를 향해 이동하는 상태에서 이미지 소나를 통해 획득한 제2 몸체 및 목표 물체의 영상을 도시한 개략도이다.

한편, 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 영상부(17)는 이미징 소나(20)를 포함할 수 있다. 이미징 소나(20)는 제1 몸체(10)의 일측 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 제1 몸체의 하단부에 설치되어 목표 물체(3)에 대한 수중 영상을 획득할 수 있다. 이때 제2 몸체(30)는 제1 몸체(10)에 부착된 상태로서 목표 물체(3)에 대한 영상은 흰색으로 표현될 수 있다.

도 8을 참고하면, 이미징 소나(20)는 목표 물체(3) 및 제2 몸체(30)에 대한 수중 영상을 획득할 수 있다. 이때 제2 몸체(30)는 목표 물체(3)를 향해 이동하는 상태로서 제2 몸체 및 목표 물체에 대한 영상은 흰색으로 표현될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 이미징 소나(20)는 제1 몸체(10)의 일 측면 또는 내부에 장착되어 초음파 영상을 획득할 수 있다. 이때, 이미징 소나(20)는 송신된 음파가 수중 물체에 반사되어 오는 신호를 수신하여 수중 영상을 획득할 수 있다

한편, 본 발명의 일 실시예에서 제1 몸체 및 상기 제2 몸체를 정렬시키는 단계(S10)는 제1 몸체를 목표 물체로 이동시키는 단계(S11), 제1 몸체의 일 측에 결합된 이미징 소나를 통해 제1 몸체가 이동한 지점에서 목표 물체까지의 거리를 측정하는 단계(S12) 및 제1 몸체 및 제2 몸체의 요(yaw)각 값을 일치시키는 단계(S13)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 제1 몸체 및 상기 제2 몸체를 정렬시키는 단계(S10)에서는 제1 몸체(10) 및 제2 몸체(30)의 거리를 정확히 측정하기 위해 수중에서 이동 가능한 제1 몸체 및 제2 몸체의 선수(heading)를 정렬시킨다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서 제1 몸체를 목표 물체로 이동시키는 단계(S10)에서는 제1 몸체(10) 내부에 설치된 항법센서를 이용하여 제1 몸체를 목표 물체 근처로 이동시킨다. 이때 제1 몸체(10)의 일측에는 제2 몸체(30)가 부착된 상태이다.

도 2를 참고하면, 제1 몸체의 일 측에 결합된 이미징 소나를 통해 제1 몸체가 이동한 지점에서 목표 물체까지의 거리를 측정하는 단계(S12)에서는 제2 몸체(30)를 목표 물체(3)까지 이동시키기 위해서 이미징 소나(20)를 이용하여 제1 몸체(10)에서 목표 물체까지의 거리를 측정한다. 이때, 제1 몸체(10)는 목표 물체(3) 근처에서 위치를 유지할 수 있다.

한편, 제1 몸체 및 제2 몸체의 요(yaw)각 값을 일치시키는 단계(S13)에서는 제1 몸체(10) 및 제2 몸체(30)의 거리를 정확히 측정하여 제1 몸체에 대한 제2 몸체의 상대적인 위치를 파악하기 위해서 제1 몸체 및 제2 몸체의 선수를 정렬시켜서 요 값을 일치시킨다.

본 발명의 일 실시예에서 제2 몸체가 목표 물체에 근접할 수 있도록 상기 케이블의 길이를 조절하는 단계(S20)에서는 제1 몸체(10)에 설치된 윈치(15b)를 통해 케이블(15a)을 풀어주거나 감아주어 제2 몸체(30)가 목표 물체(3)에 근접할 수 있도록 케이블의 길이를 조절하고, 내부의 엔코더를 사용하여 길이를 실시간으로 측정한다.

한편, 제2 몸체가 목표 물체에 근접할 수 있도록 상기 케이블의 길이를 조절하는 단계(S20)는 제1 몸체 및 제2 몸체 사이의 케이블이 팽팽하도록 하는 단계(S21)를 더 포함할 수 있다. 제1 몸체 및 제2 몸체 사이의 케이블이 팽팽하도록 하는 단계(S21)에서는 제1 몸체(10) 및 제2 몸체(30) 사이의 거리를 케이블(15a)을 통해 정확히 측정할 수 있도록 케이블을 팽팽하게 한다.

이때 제1 몸체 및 제2 몸체 사이의 케이블이 팽팽하도록 하는 단계(S21)는 케이블(15a) 단부에 설치된 장력 센서(미도시)를 통해 케이블이 팽팽한지 여부를 확인하는 단계(S22)를 더 포함할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법의 탐색 영역을 나타내는 개략도이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 로봇의 위치 추정 방법의 위치 추정 계산하는 것을 도시한 개략도이다.

도 9 및 도 10을 참고하면, 본 발명의 일 실시예어서 케이블의 길이를 고려하여 제2 몸체의 위치를 파악하기 위해 탐색 영역을 설정하는 단계(S30)에서는 제1 몸체(10) 및 제2 몸체(30) 사이의 거리인 케이블(15a)의 길이(r)를 고려하여 제2 몸체의 탐색 영역의 거리(L) 및 각도(θ)를 설정한다.

이때 탐색 영역에서 거리(L)는 케이블 길이(r)보다 α만큼 작고 α만큼 큰 범위일 수 있다. 즉, r-α<L<r+α일 수 있다. 또한, 탐색 영역에서 조사 각도(θ)는 θmin<θ<θmax일 수 있다.

이때, 풀린 케이블 길이(r)는 윈치(15b) 내부에 포함된 엔코더를 사용하여 윈치의 회전수를 측정하여 구할 수 있다. 이때 탐색 영역의 거리(L)은 r-α<L<r+α일 수 있으며, 이때 α는 제2 몸체(30)의 장축 길이에 해당하는 값일 수 있다.

또한, 이미징 소나(20)는 탐색 영역에서 일정한 조사 각도(θ)를 가질 수 있다. 이때 조사 각도(θ)의 조사각 영역은 θmin<θ<θmax일 수 있고, 조사각의 크기 θmax - θmin 는 90도 이내의 값을 가질 수 있다.

한편, 조사각의 크기인 θmax - θmin는 29도 일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 탐색영역의 목적 및 이미징 소나(20)에 따라 달라질 수 있다.

또한, 탐색 영역 내에서 상기 제2 몸체의 크기보다 큰 대상물을 선정하는 단계(S40)는 상기 설정된 탐색 영역 내에서의 영상을 이진화하는 단계(S41) 및 상기 이진화된 영상에서 상기 제2 몸체의 크기 보다 큰 영역들을 대상물로 선정하는 단계(S42)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 설정된 탐색 영역 내에서의 영상을 이진화하는 단계(S41)에서는 소정의 임계 값 보다 밝은 픽셀은 모두 흰색으로 바꾸고, 소정의 임계 값보다 어두운 픽셀은 모두 검은색으로 바꿀 수 있다.

도 9를 참고하면, 제2 몸체(30) 및 수중에 있는 물체도 소정의 임계 값 보다 밝은 픽셀로서 제2 몸체 및 수중에 있는 물체가 포함된 영역 내에서는 흰색으로 바뀔 수 있다. 또한, 제2 몸체(30) 및 수중 물체가 포함되지 않은 영역 내에서는 소정의 임계 값보다 어두운 픽셀로서 모두 검은색으로 바뀔 수 있다.

이때, 이진화를 위한 소정의 임계값은 환경에 따라 변화하게 되고 이 임계값을 산출하기 위한 방법에는 여러 가지가 있을 수 있다. 다만 본 발명의 일 실시예에서 이진화하는 기술을 단순화하면, 이미징 소나(20) 영상에서 가장 어두운 픽셀 값을 0으로 하고, 가장 밝은 픽셀의 값을 1로 하였을 때에 소정의 임계값은 중간값인 0.5일 수 있다.

한편, 이진화된 영상에서 일정크기(v)의 크기 보다 큰 영역들을 대상물로 선정하는 단계(S42)에서는 제2 몸체(30) 및 수중 물체가 흰색으로 바뀐 영역 내에서 일정크기 이상의 영역들을 모두 대상물로 선정한다.

이때, 이미징 소나(20)의 영상에서 매칭되는 제2 몸체(30) 단면의 크기를 미리 측정하여 제2 몸체의 크기를 알 수 있다. 또한, 제1 몸체(10) 및 제2 몸체(30) 사이 거리 즉, 케이블 거리(r)에 따라 이미징 소나(20) 영상에서 변하는 제2 몸체(30) 단면의 픽셀영역의 크기를 계산할 수 있다.

이때, 일정크기(V)란 케이블 길이(r)의 오차와 영상에서의 오차를 고려하여 산정된 픽셀영역의 크기(A)를 기반으로 ±10% 이내의 크기 즉, A*0.9<V<A*1.1에 해당하는 픽셀영역 크기일 수 있다. 이때 일정크기(V) 이상인 영역만을 제2 몸체의 후보인 대상물로 선정할 수 있다.

한편, 제2 몸체의 속도와 비교하여 선정된 대상물 중 제2 몸체를 파악하는 단계(S50)에서는 선정된 대상물들을 추적하여 이동거리와 영상의 프레임 간 시간차를 이용하여 대상물들의 속도 벡터를 구하여 제2 몸체(30)의 속도와 대응하는 대상물을 파악한다.

도 10을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 파악된 제2 몸체의 위치를 추정하는 단계(S60)에서는 선정된 제2 몸체(30)의 방향각(θ), 제1 몸체의 수심(D) 및 제2 몸체의 수심(d)을 고려하여 제2 몸체의 위치의 좌표를 계산하여 제1 몸체를 기준으로 상대적인 제2 몸체의 위치를 구한다.

이때, x_제2 _몸체, y_제2 _몸체 및 z_제2 _몸체의 좌표는 하기 식과 같다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 추정 방법은 제1 몸체(10)를 기준으로 제2 몸체(30)의 상대적인 위치를 정확히 추정하여 제어 정밀도를 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 추정 방법은 제1 몸체(10)로부터 상대적인 제2 몸체(30)의 현재 위치를 실시간으로 추정하여 목표 물체(3)로 신속하고, 정확하게 이동할 수 있도록 한다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

1 : 위치 추정 시스템 3 : 목표 물체
10 : 제1 몸체 11 : 제1 센서부
13 : 제1 제어부 15 : 연결부
15a : 케이블 15b : 윈치
17 : 영상부 19 : 제1 추진기
20 : 이미징 소나 30 : 제2 몸체
31 : 제2 센서부 33 : 제2 제어부
35 : 제2 추진기

Claims

수중 또는 수면 상에 위치되는 제1 몸체 및 상기 제1 몸체에 케이블에 의하여 연결된 상태로 목표 물체로 이동 가능한 제2 몸체의 상대적인 위치 추정 방법으로서,
상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체를 정렬시키는 단계;
상기 제2 몸체가 목표 물체에 근접할 수 있도록 상기 케이블의 길이를 조절하는 단계;
상기 케이블의 길이를 고려하여 상기 제2 몸체의 위치를 파악하기 위해 탐색 영역을 설정하는 단계;
상기 탐색 영역 내에서 일정크기 이상의 대상물들을 선정하는 단계;
상기 제2 몸체의 속도와 비교하여 상기 선정된 대상물들 중 상기 제2 몸체를 파악하는 단계 및
상기 파악된 상기 제2 몸체의 위치를 추정하는 단계를 포함하는 위치 추정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체를 정렬시키는 단계는
상기 제1 몸체를 상기 목표 물체로 이동시키는 단계;
상기 제1 몸체의 일 측에 결합된 이미징 소나를 통해 상기 제1 몸체가 이동한 지점에서 상기 목표 물체까지의 거리를 측정하는 단계 및
상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체의 요(yaw) 값을 일치시키는 단계를 포함하는 위치 추정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제2 몸체가 목표 물체에 근접할 수 있도록 상기 케이블의 길이를 조절하는 단계에서는 상기 제1 몸체에 설치된 윈치를 통해 상기 케이블을 풀어주거나 감아주는 위치 추정 방법.
제3 항에 있어서,
상기 제2 몸체가 목표 물체에 근접할 수 있도록 상기 케이블의 길이를 조절하는 단계는 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 사이의 케이블이 팽팽하도록 하는 단계를 더 포함하는 위치 추정 방법.
제4 항에 있어서,
상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체 사이의 케이블이 팽팽하도록 하는 단계는 상기 케이블 단부에 설치된 장력 센서를 통해 상기 케이블이 팽팽한지 여부를 확인하는 단계를 더 포함하는 위치 추정 방법.
제2 항에 있어서,
상기 케이블의 길이(r)를 고려하여 상기 제2 몸체의 위치를 파악하기 위해 탐색 영역을 설정하는 단계에서는 상기 케이블의 길이(r)를 고려하여 상기 제2 몸체의 탐색 영역의 거리(L)는 r-α<L<r+α이고, 조사 각도(θ)는 θmin<θ<θmax 인 위치 추정 방법.
제6 항에 있어서,
상기 α는 상기 제2 몸체의 장축 길이이고, 상기 조사 각도(θ)는 θmax - θmin는 90도 이내인 위치 추정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 탐색 영역 내에서 일정크기 크기보다 큰 대상물을 선정하는 단계에서는 상기 설정된 탐색 영역 내에서의 영상을 이진화하는 단계 및 상기 이진화된 영상에서 일정크기 보다 큰 영역들을 대상물로 선정하는 단계를 포함하는 위치 추정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 일정크기(v)는 상기 케이블 길이(r)의 오차 및 상기 영상에서의 오차를 고려하여 산정된 픽셀영역의 크기(A)를 기반으로 A*0.9<V<A*1.1인 위치 추정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 설정된 탐색 영역 내에서의 영상을 이진화하는 단계에서는 소정의 임계 값 보다 밝은 픽셀은 모두 흰색으로 바꾸고, 소정의 임계 값보다 어두운 픽셀은 모두 검은색으로 바꾸는 위치 추정 방법.
제10 항에 있어서,
상기 소정의 임계값은 상기 영상에서 가장 어두운 픽셀 값을 0이고, 가장 밝은 픽셀 값이 1일 때 0.5인 위치 추정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제2 몸체의 움직임과 비교하여 상기 선정된 대상물 중 상기 제2 몸체를 선택하는 단계에서는 상기 선정된 대상물들을 추적하여 이동거리와 영상의 프레임 간 시간차를 이용하여 상기 대상물들의 속도 벡터를 구하여 상기 제2 몸체의 속도와 대응하는 상기 대상물을 선택하는 위치 추정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 선택된 상기 제2 몸체의 위치를 추정하는 단계에서는 상기 선정된 제2 몸체의 방향각(θ), 상기 제1 몸체의 수심(D) 및 상기 제2 몸체의 수심(d)일 때 상기 제2 몸체의 위치의 좌표는 하기 식과 같은 위치 추정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 목표 물체는 수중 바닥에 위치하는 물체들 중 적어도 하나이고, 상기 제1 몸체의 크기는 상기 제2 몸체의 크기보다 큰 위치 추정 방법.
제1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 위치 추정 방법에 의해서 위치를 추정하는 위치 추정 시스템으로서,
수중 또는 수면 상에 위치되는 제1 몸체;
상기 제1 몸체와 케이블로 연결되고, 상기 제1 몸체에 상기 케이블에 의하여 연결된 상태로 목표 물체로 이동가능 한 제2 몸체 및
상기 제1 몸체의 일측에 결합되어 상기 목표 물체를 인식하고, 상기 제2 몸체의 방향각을 측정할 수 있는 이미징 소나를 포함하는 위치 추정 시스템.
제15 항에 있어서,
상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체의 일측에 설치되어 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체의 일측에 가해지는 압력을 측정함으로써 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체의 수심을 파악하는 압력 센서를 포함하는 위치 추정 시스템.
제15 항에 있어서,
상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체에 설치되어 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체의 회전각을 측정함으로써 상기 제1 몸체 및 상기 제2 몸체의 요 각을 파악하는 자이로 센서를 포함하는 위치 추정 시스템.
제15 항에 있어서,
상기 케이블의 단부에 설치되어 상기 케이블에 인가되는 장력을 측정하는 장력 센서 및
상기 제2 몸체에 설치되어 상기 케이블이 팽팽해지도록 하는 추진기를 더 포함하는 위치 추정 시스템.
제15 항에 있어서,
상기 제1 몸체의 일측에 설치되어 상기 케이블이 감기거나 풀릴 수 있도록 하는 윈치를 더 포함하되, 상기 제1 몸체는 상기 케이블을 통해 상기 제2 몸체에 전력을 공급하거나 제어 신호를 전달하는 위치 추정 시스템.
제15 항에 있어서,
상기 제1 몸체의 일측에 설치되어 상기 목표 지점 및 상기 제2 몸체에 대한 수중 영상을 획득할 수 있도록 하는 이미징 소나를 포함하는 위치 추정 시스템.