KR20200030282A - 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수중에서 사용되는 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체는 하우징, 하우징의 외부에 복수 개로 배치되어 수중에서의 유체에 대한 유속을 측정하는 복수 개의 피토관, 하우징 내부에 배치되며 복수 개의 피토관에 작용되는 각각의 정압 및 동압을 감지하는 복수 개의 감지부 및 감지부로부터 감지된 감지 신호에 기초하여 피토관으로 유동되는 유체의 유속 값을 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 물고기의 옆줄과 같이 동체의 측면에 정압 및 동압을 측정할 수 있는 피토관의 원리를 이용한 복수 개의 피토관을 복수 개의 방향으로 배치하여 압력에 따른 각 방향의 유속 값을 산출하여 각 방향의 유속 값의 차이 값에 의해 유속 방향, 즉 조류 방향을 산출할 수 있으므로, 수중 이동체의 수중에서의 자율 이동을 보다 향상할 수 있다.

Description

수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체{SENSOR ASSEMBLY FOR MEASURING A CURRENT FOR AN UNDERWATER VEHICLE}
본 발명은 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수중에서 이동되는 수중 이동체의 선회력 향상과 함께 방향성을 향상하는 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체에 관한 것이다.
수중 이동체는 항만 구조물 또는 교량 등의 수중에 배치되는 일부 구조물의 안전 진단 등을 수행하기 위해 수중에서 사용된다. 대표적으로 수중 이동체는 해수의 환경에서 사용되나, 강, 호수와 같은 민물의 환경에서도 사용된다. 수중 이동체는 주로 인간이 접근하기 어려운 수중 환경이나 깊은 수심에서 사용된다.
여기서, 수중 이동체의 종류는 크랩(crap) 형상으로 복수 개의 다리를 갖는 크랩형 수중 로봇과 물고기와 같이 유선형을 갖는 물고기형 수중 로봇으로 크게 분류된다. 크랩형 수중 로봇의 경우 수중의 바닥면에서 다리를 이용하여 진행 또는 방향 전환하는 하는 방식이고, 물고기형 수중 로봇은 실질적으로 물고기의 지느러미와 같은 역할을 수행하는 방향타를 이용하여 방향 전환과 프로펠러와 같은 추진 장치로 진행하는 구조를 갖는다.
한편, 종래의 크랩형의 수중 로봇과 물고기형 수중 로봇의 이동 및 방향 전환은 사용자에 의해 이루어진다. 예를 들어, 수중 로봇에는 수중의 환경 또는 수중 로봇의 진행 및 방향 전환을 위해서 영상장치가 부착되어 있고, 이를 통해 입수되는 영상에 따라 사용자는 수중 로봇에 연결된 컨트롤러를 이용하여 수중 로봇의 작동을 제어한다.
그런데, 종래의 수중 로봇의 작동을 제어하는 방식은 수중의 환경 조건, 예를 들어 유속, 조류 방향의 고려 없이 수동으로 이루어질 뿐만 아니라 무선 방식을 채택하더라도 수중 환경을 고려하지 않음에 따라 수중 로봇의 이동 자율성을 저하하는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제1271191호; 모형선박의 반류 계측장치
본 발명의 목적은 수중에서 수중 이동체의 이동 자율성을 향상하기 위하여 수중 이동체의 작동을 제어할 수 있는 수중 환경 조건 중 유속 및 조류 방향에 대한 산출 값을 제공할 수 있는 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체를 제공하는 것이다.
상기 과제의 해결 수단은, 본 발명에 따라 하우징과, 상기 하우징의 외부에 복수 개로 배치되어 수중에서의 유체에 대한 유속을 측정하는 복수 개의 피토관과, 상기 하우징 내부에 배치되며 복수 개의 상기 피토관에 작용되는 각각의 정압 및 동압을 감지하는 복수 개의 감지부와, 상기 감지부로부터 감지된 감지 신호에 기초하여 상기 피토관으로 유동되는 유체의 유속 값을 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체에 의해 이루어진다.
여기서, 복수 개의 상기 피토관은 방사형으로 일정 간격을 두고 배치되며 상기 피토관의 일측은 유체가 유입되도록 개방되고 타측은 폐쇄될 수 있다.
상기 방사형으로 배치된 복수 개의 상기 피토관의 각각의 폐쇄 측은 상기 방사형의 중심 영역에 배치되고 각각의 개방 측은 원주 방향을 따라 일정 간격을 두고 배치될 수 있다.
상기 피토관의 개수를 n(자연수)이라고 할 때, 복수 개의 상기 감지부의 개수는 각각의 상기 피토관에 대응 배치 및 상기 방사형의 중심 영역에 배치되는 2n+1을 갖는 것이 바람직하다.
상기 제어부는 복수 개의 상기 감지부로부터 감지된 신호에 기초하여 각각의 상기 피토관으로 유입되는 유속 값을 산출하고, 각각의 산출된 유속 값의 차이 값에 따라 조류의 방향을 산출할 수 있다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체의 효과는 다음과 같다.
물고기의 옆줄과 같이 동체의 측면에 정압 및 동압을 측정할 수 있는 피토관의 원리를 이용한 복수 개의 피토관을 복수 개의 방향으로 배치하여 압력에 따른 각 방향의 유속 값을 산출하여 각 방향의 유속 값의 차이 값에 의해 유속 방향, 즉 조류 방향을 산출할 수 있으므로, 수중 이동체의 수중에서의 자율 이동을 보다 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체 및 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체가 배치된 수중 이동체의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 수중 이동체 및 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체의 제어 블록도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체의 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체의 분해 사시도,
도 5는 도 3에 도시된 Ⅴ-Ⅴ선의 단면도,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체의 피토관의 형상 단면도,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체를 이용한 분석 데이터 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
설명하기에 앞서, 본 발명의 실시 예에 따른 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체는 2개의 추진유닛을 가지며 방향타가 없는 구조를 갖는 수중 이동체에 적용되는 것으로 게재되어 있으나, 이에 한정되지 않고 단일의 추진유닛 및 방향타를 갖는 수중 이동체와 같이 다양한 형상과 구조를 갖는 수중 이동체에 적용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체 및 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체가 배치된 수중 이동체의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 수중 이동체 및 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체의 제어 블록도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 수중 이동체(10)는 동체(100), 덕트(300), 추진유닛(500) 및 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체(700)를 포함한다. 일 실시 예로서, 동체(100)는 물고기의 형상과 같이 유선형을 가지고 있으며 복수 개의 영역으로 분할되어 결합되어 있으나, 이에 한정되지 않고 동체(100)의 구성은 설계 변경 가능하다. 그리고, 덕트(300)는 2개의 추진유닛(500)에 대응되도록 동체에 2개로 관통 형성되어 있으나, 덕트(300)의 개수는 추진유닛(500)의 개수에 대응되어 변경될 수 있다. 추진유닛(500)은 2개의 덕트(300) 상에 배치되어 덕트(300)로 유입되는 유체를 동체(100)의 후방으로 배출하면서 동체(100)에 추진력을 제공한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체의 사시도, 도 4는 도 3에 도시된 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체의 분해 사시도, 도 5는 도 3에 도시된 Ⅴ-Ⅴ선의 단면도, 그리고 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체의 피토관의 형상 단면도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체(700)는 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 하우징(710), 피토관(730), 감지부(750) 및 제어부(770)를 포함한다. 본 발명의 실시 예에 따른 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체(700)는 동체(100)의 측면의 옆줄, 즉 수중에서 물고기가 유속 및 조류 방향을 감지하는 물고기의 옆줄과 같은 역할을 수행하기 위해서 동체(100)의 측면에 배치된다.
하우징(710)은 복수 개의 감지부(750)를 수용한다. 본 발명의 일 실시 예로서, 하우징(710)은 제 1하우징(711) 및 제 2하우징(713)을 포함한다. 제 1하우징(711)은 동체(100)의 외부에 부착되며 복수 개의 감지부(750)를 수용한다. 제 2하우징(713)은 제 1하우징(711)을 커버한다. 그리고, 제 2하우징(713)의 외부에는 피토관(730)이 배치된다. 여기서, 제 2하우징(713)은 피토관(730)과 일체로 제작될 수 있다.
피토관(730)은 하우징(710)의 외부에 배치된다. 상술한 바와 같이, 피토관(730)은 제 2하우징(713)의 외부에 배치된다. 그러나, 피토관(730)은 제 2하우징(713)과 일체형으로 제작될 수 있다. 피토관(730)은 복수 개로 배치되어 각각에 작용되는 정압 및 동압을 측정한다. 피토관(730)의 일측은 유체가 유입되도록 개방되고 타측은 폐쇄된다. 그리고, 피토관(730)은 도 6에 도시된 바와 같이 유체의 유효 받음각이 넓은 첨두아치(ogive) 형상으로 설계된다.
피토관(730)은 본 발명의 일 실시 예로서, 피토관 몸체(731), 제 1피토관(733), 제 2피토관(735), 제 3피토관(737) 및 제 4피토관(739)을 포함한다. 피토관 몸체(731)는 제 2하우징(713)의 외부에 배치되며, 제 1 피토관(730), 제 2피토관(735), 제 3피토관(737) 및 제 4피토관(739)이 방사형으로 배치될 때 제 1피토관(733), 제 2피토관(735), 제 3피토관(737) 및 제 4피토관(739)이 인접되는 영역, 즉 제 1피토관(733), 제 2피토관(735), 제 3피토관(737) 및 제 4피토관(739)의 폐쇄 측의 영역이다. 제 1피토관(733), 제 2피토관(735), 제 3피토관(737) 및 제 4피토관(739)은 4개의 방향에서의 유속을 측정하기 위해 피토관 몸체(731)를 중심으로 일정 간격을 두고 방사형으로 배치된다.
본 발명의 일 실시 예로서, 피토관(730)은 제 1피토관(733), 제 2피토관(735), 제 3피토관(737) 및 제 4피토관(739)의 4개로 구성되어 4개의 방향으로부터 유속을 측정하기 위해 배치되나, 이에 한정되지 않고 4개를 초과하여 방사형으로 배치될 수 있다. 제 1피토관(733), 제 2피토관(735), 제 3피토관(737) 및 제 4피토관(739)은 각 방향으로부터 유속을 측정하기 위해 피토관의 원리를 이용한다.
감지부(750)는 하우징(710) 내부에 배치되어 복수 개의 피토관(730)에 작용되는 각각의 정압 및 동압을 감지한다. 본 발명의 일 실시 예로서, 감지부(750)는 제 1피토관(733), 제 2피토관(735), 제 3피토관(737) 및 제 4피토관(739)에 대응되는 제 1감지부(751), 제 2감지부(753), 제 3감지부(755) 및 제 4감지부(757)를 포함함과 함께 피토관 몸체(731)에 배치되는 피토관(730)으로 작용되는 유체의 수직 압력을 측정하는 제 5감지부(759)를 포함한다. 여기서, 감지부(750)는 수중에서 침수 등을 방지하기 위해 방수 처리된다. 한편, 감지부(750)의 개수는 피토관(730)의 개수를 n(자연수)이라고 할 때, 각각의 피토관(730)에 대응 배치 및 방사형의 중심 영역에 배치되는 2n+1을 갖는다.
제어부(770)는 감지부(750)로부터 감지된 감지 신호에 기초하여 피토관(730)으로 유동되는 유체의 유속 값을 산출한다. 또한, 제어부(770)는 복수 개의 감지부(750)로부터 감지된 신호에 기초하여 각각의 피토관(730)으로 유입되는 유속 값을 산출하고, 각각의 산출된 유속 값의 차이 값에 따라 조류의 방향을 산출한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체를 이용한 분석 데이터 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체(700)에서 제 1감지부(751), 제 2감지부(753), 제 3감지부(755), 제 4감지부(757) 및 제 5감지부(759)에서 감지된 감지 신호에 따른 압력차의 변화를 확인할 수 있다.
실제 유속(S) m/s로 변화하는 그래프에 대하여, 제 1감지부(751)와 제 3감지부(755)의 압력 차이에 해당되는 제 1압력차(P1), 제 2감지부(753)와 제 4감지부(757)의 압력 차이에 해당되는 제 2압력차(P2), 제 1감지부(751)와 제 5감지부(759)의 압력 차이에 해당되는 제 3압력차(P3), 제 4감지부(757)와 제 5감지부(759)의 압력 차이에 해당되는 제 4압력차(P4) 및 제 2감지부(753)와 제 5감지부(759)의 압력 차이에 해당되는 제 5압력차(P5)의 그래프가 출력된다.
이러한 제 1 내지 제 5압력차(P1, P2, P3, P4, P5)의 값에 따라 다음의 수식을 이용하여 다양한 각도에서 유속을 측정할 수 있다.
<수식 1>
Figure pat00001
상기한 <수식 1>을 이용하여 4개의 방향에서의 유속을 측정할 수 있고, 측정된 4개의 방향의 유속 값을 속도를 비교하여 유속 방향, 즉 다음과 같은 <수식 2>의 관계식으로 조류 방향을 산출할 수 있다.
<수식 2>
Figure pat00002
상기의 <수식 2>는 각도 값으로 산출되고, 이를 조류 방향으로 산출할 수 있다.
이에, 물고기의 옆줄과 같이 동체의 측면에 정압 및 동압을 측정할 수 있는 피토관의 원리를 이용한 복수 개의 피토관을 복수 개의 방향으로 배치하여 압력에 따른 각 방향의 유속 값을 산출하여 각 방향의 유속 값의 차이 값에 의해 유속 방향, 즉 조류 방향을 산출할 수 있으므로, 수중 이동체의 수중에서의 자율 이동을 보다 향상할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
700: 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체
710: 하우징 730: 피토관
750: 감지부 770: 제어부

Claims (5)

  1. 하우징과;
    상기 하우징의 외부에 복수 개로 배치되어, 수중에서의 유체에 대한 유속을 측정하는 복수 개의 피토관과;
    상기 하우징 내부에 배치되며, 복수 개의 상기 피토관에 작용되는 각각의 정압 및 동압을 감지하는 복수 개의 감지부와;
    상기 감지부로부터 감지된 감지 신호에 기초하여, 상기 피토관으로 유동되는 유체의 유속 값을 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    복수 개의 상기 피토관은 방사형으로 일정 간격을 두고 배치되며, 상기 피토관의 일측은 유체가 유입되도록 개방되고 타측은 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 방사형으로 배치된 복수 개의 상기 피토관의 각각의 폐쇄 측은 상기 방사형의 중심 영역에 배치되고 각각의 개방 측은 원주 방향을 따라 일정 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 피토관의 개수를 n(자연수)이라고 할 때, 복수 개의 상기 감지부의 개수는 각각의 상기 피토관에 대응 배치 및 상기 방사형의 중심 영역에 배치되는 2n+1을 갖는 것을 특징으로 하는 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제어부는 복수 개의 상기 감지부로부터 감지된 신호에 기초하여 각각의 상기 피토관으로 유입되는 유속 값을 산출하고, 각각의 산출된 유속 값의 차이 값에 따라 조류의 방향을 산출하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체용 조류 측정 센서 조립체.
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