KR20200031251A - 천장 레일형 IoT 기반 감시 로봇 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천장 레일형 IoT 기반 감시 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인력의 출입이 제한되거나 협소한 환경에서 천장에 설치된 레일을 따라 이동하는 로봇을 이용하여 IoT 기술과 영상분석을 통해 시설물을 실시간 감시할 수 있는 인프라 구성과 운영 기술에 관한 것이다.
이를 위하며 본 발명은 시설물의 구간마다 부착된 센서노드, 시설물의 천장에 천장레일과 이에 따라 이동하는 이동 로봇 장치, 상기 이동 로봇 장치에 설치된 실화상, 열화상, 적외선화상을 촬영하는 카메라로 구비하고, 정보를 취득하는 취득부, 취득부의 정보를 전송하는 통신부, 전송된 정보를 분석하는 분석부, 분석결과에 따라 결과값을 표시하고, 이동 로봇 장치를 제어하며, 경보알람을 보내는 처리부를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따르면, 각종 센서와 감시 카메라의 영상 정보를 디지털화 하여 사전에 정의한 규칙에 따라 사물의 위치 및 패턴을 분석하고 물체를 정확히 인식하는 지능적인 실시간 분석 작업이 이루어져 침입 및 사고가 발생할 경우 보안담당자에게 경보알림과 같은 행동을 수행하여 사람의 관리로 인해 발생하는 취약점을 대체/보완할 수 있다.

Description

천장 레일형 IoT 기반 감시 로봇 장치 {Ceiling rail type IoT based surveillance robot device}

본 발명은 천장 레일형 IoT 기반 감시 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인력의 출입이 제한되거나 협소한 환경에서 천장에 설치된 레일을 따라 이동하는 로봇을 이용하여 IoT 기술과 영상분석을 통해 시설물을 실시간 감시할 수 있는 인프라 구성과 운영 기술에 관한 것이다.

사물인터넷은 사람, 사물, 공간 등 모든 것들이 인터넷으로 서로 연결되어 상호작용하며 데이터와 정보를 교환하는 네트워크 인프라로 볼 수 있다. 사물인터넷은 세 가지 큰 범주로써 디바이스(단말 센서) 영역, 네트워크(유선 무선) 영역, 서비스 인터페이스(플랫폼 애플리케이션) 영역으로 구분한다. 디바이스 영역은 사물에 내장된 통신 기능을 이용하여 특정 사물에서 수집 및 추출한 데이터를 다른 사물로 전송한다. 네트워크 영역은 사용자 대 사물, 사물 대 사물 간 전송되는 데이터를 송수신하는 유·무선 통로이다. 서비스 인터페이스 영역은 데이터를 처리하여 정보를 생성하며, 다양한 디바이스를 제어 및 관리한다.

지능형 영상분석 기술은 영상의 정보를 분석하여 자동으로 이상 행위, 물체를 탐지하고 관리자에게 경보를 전송하는 기술로써, 사고를 사전에 예방하고 사고가 발생한 경우에는 신속하게 대응하여 피해를 줄일 수 있다. 영상분석을 통하여 사전 정의된 이벤트가 발생될 때 감시자에게 경보를 생성하여 알려주기 때문에, 모든 영상을 24시간 365일 쉼 없이 감시하지 않고, 경보가 발생할 때 해당 화면을 보고 실시간으로 상황을 판단하고 대처하면 된다. 따라서 지능형 영상분석 기술을 사용하면 한 사람이 다수의 CCTV를 감시할 수 있으며, 사고를 사전에 예방하고 사고가 발생할 경우에는 신속하게 인지하여 대응함으로써 피해를 줄일 수 있도록 해준다.

대한민국 특허 출원 제 10-2011-0065365 호

본 발명은 천장 레일형 이동체와 IoT, 영상분석 기술을 연계하여 실시간 진단, 자동 검출과 사전 고장예지, 이상 유무 진단용 데이터베이스 구축과 더불어 실시간 온도 확인으로 시설물 관리 체계 구축 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 시설물의 구간마다 부착된 센서 노드에서 온도, 습도, 진동, 음향 데이터 값을 측정하는 단계; 및 천장에 설치된 레일을 따라 이동하는 이동체의 움직임을 조작하는 단계; 및 이동체에 탑재된 카메라에서 영상을 촬영하는 단계; 및 센서 노드, 영상 정보를 취합하는 단계; 및 취합된 정보를 분석하는 단계; 및 분석된 정보에 의하여 설비를 관리하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 감시 로봇 장치는 경량 IoT 국제표준 규격인 LWM2M(Light Weight Machine to Machine) 표준에 의거하여 구성될 수 있다. LWM2M은 CoAP의 RESTful 인터페이스를 활용하고 있으며, 세부적으로는 Bootstrap, Registration, Object/Resource Access, Reporting 인터페이스를 정의하고 있다. LWM2M에 의해 기기 설정, 소프트웨어 및 펌웨어 관리, 원격제어, 진단 및 모니터링 등의 기능을 수행할 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 감시 로봇 장치는 Wi-Fi, LTE, LTE-M, NB-IoT, Zigbee, BLE 등의 근 장거리 통신 모듈을 포함할 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 실화상, 열화상, 적외선 카메라의 영상을 머신러닝 기법 중의 하나인 합성곱 신경망(Convolution Neural Network)에 의해 원래의 영상을 필터를 거쳐 변형된 영상으로 만들고(Convolution), 필터링된 영상을 일정 규칙에 따라 해상도를 낮추며(Max Pooling), 해상도가 낮은 영상들의 데이터에 가중치를 곱하는 과정을 반복함으로써 영상 전체를 대표할 수 있는 특징을 얻을 수 있고 영상들의 비교를 통해 정상, 비정상 상태에 대한 분류를 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 각종 센서와 감시 카메라의 영상 정보를 디지털화 하여 사전에 정의한 규칙에 따라 시설물의 위치 및 패턴을 분석하고 물체를 정확히 인식하는 지능적인 실시간 분석 작업이 이루어져 침입 및 사고가 발생할 경우 보안담당자에게 경보 알림과 같은 행동을 수행하여 사람의 관리로 인해 발생하는 취약점을 대체/보완할 수 있다. 전력, 가스, 수도 등의 주요 사회기반 시설과 공장, 보안시설, 축사 등에 적용이 가능하다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다라는 것은 명백하다. 따라서, 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명의 구성에 따른 동작의 흐름을 개략적으로 도시한 흐름도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명에 따라 이동 로봇 장치를 개략적으로 도시한 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명의 개략적인 동작 순서도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 본 발명의 분석부가 대상을 분석하는 것을 개략적으로 도시한 개략도.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 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. 또한, 명세서에 기재된 “..부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따르면 천장 레일형 IoT 기반 감시 로봇 장치의 블록도이다. 감시 로봇 장치는 센서(100), 카메라(200), 이동 로봇 장치(300), 게이트웨이(400), 인공지능 서버(500), 사물인터넷 플랫폼(600), 관제 시스템(700)을 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 사물인터넷 플랫폼은 경량 국제표준 규격인 LWM2M(Light Weight Machine to Machine) 표준에 의해 동작된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따르면 감시 로봇 장치의 순서도이다.

도 2를 참조하면, 감시 로봇 장치는 센서 노드로부터 환경 정보에 대한 데이터 값과 카메라의 영상 정보, 이동체 로봇의 운영 정보를 취득하는 취득부(1000); 및 센싱 디바이스와 서버 간 통신을 담당하는 통신부(2000); 및 환경 정보, 영상 정보, 이동체 운영 정보를 분석하는 분석부(3000); 및 분석된 결과를 바탕으로 정보 표시와 제어를 지시하는 처리부(4000)를 포함할 수 있다.

상기 취득부(1000)는 온도, 습도, 진동, 음향(S110) 센서의 정보와 이동 로봇에 탑재된 카메라로부터 실화상, 열화상, 적외선(S210) 영상 정보, 이동 로봇의 위치(S370) 정보를 취득한다.

상기 통신부(2000)는 게이트웨이(400)를 포함할 수 있으며, 게이트웨이(400)는 Wi-Fi, LTE, LTE-M, NB-IoT, Zigbee, BLE 통신 모듈을 포함할 수 있다.

상기 분석부(3000)는 인공지능 서버(500)와 사물인터넷 플랫폼(600)으로 구성될 수 있으며 인공지능 서버(500)는 각각의 실화상, 열화상, 적외선(S210) 카메라 영상을 3차원 배열(가로(Width) × 세로(Height) × 색깔(Depth))의 픽셀 이미지를 입력으로 하여 2개(정상, 비정상)의 출력을 갖는 합성곱 신경망(CNN)에 의한 객체 인식으로 분석한다. 이미지 중에서 시설물의 파손이나 과열, 화재 등의 식별을 위해 입력 이미지의 부분 영역과 검출 대상의 사례 이미지를 유사 이미지 검색의 특징량 기준으로 일치하는 객체 영역을 검출하여 문제 발생 여부를 판단한다.

사물인터넷 플랫폼(600)은 온도, 습도, 진동, 음향(S110) 센서 정보와 이동체 로봇의 위치(S370) 정보를 분석한다. 각각의 센서값에 대한 임계치를 정하고 임계치를 벗어나면 문제가 발생한 것으로 설정한다. 로봇의 실시간 위치는 이동체 로봇 장치에 구비된 위치인식장치를 이용하여 현위치를 추정하며, 위치인식장치는 바퀴의 회전수와 관성센서를 이용한 추측항법, GPS와 Wi-Fi와 Bluetooth같은 통신을 이용한 통신측위법, 카메라의 영상을 분석하여 영상분석측위법 등을 복합 조합하여 정확한 위치를 측위한다.

상기 처리부(4000)는 분석부(3000)에서 분석한 결과를 표시하고 상시 감시를 수행하도록 명령을 내린다. 이상이 감지되면 관제 화면에 경보를 일으켜 감시자에게 이상 발생 상황을 알릴 수 있다. 평상시 이동 로봇을 일정한 주기에 의하여 자동으로 제어하지만 감시자 선택에 의하여 원격주행로 변경 가능하고 원하는 위치로 이동시킬 수 있다.

구체적으로, 이동 로봇 장치를 레일이 설치된 구간을 왕복시키며 상시 감시 상태를 유지하다가 분석부에서 이상 상황, 발열 등을 감지하면 처리부의 명령에 의해 상황 파악이 용이하도록 문제 발생 지점으로 이동시켜 더욱 자세히 관찰할 수 있다.

특히 이동 로봇의 주행은 구간 내 다수의 이동경로 분기점을 이용하여 자유로운 구간별이동이 가능하며 주행에 있어서 감시자에 의한 수동주행 또는 상기 분석부에 의한 자율주행이 선택적으로 이루어질 수 있다.

더욱이 자율주행은 센서노드의 측정정보, 카메라의 영상정보, 이동 로봇 장치의 위치정보 를 분석하여 분석부에 의해 유기적은 자율주행모드를 선택하여 이루어지며. 구체적으로 자율주행모드는 이상 발생을 인식하고 이상발생 시설물로 최단시간으로 이동하는 최단이동 모드, 이동 로봇 장치의 파손을 예방하기 위하여 이상 발생의 시설물의 구간으로 이동을 회비하거나 제한하는 위험회피 모드, 이상 발생빈도를 분석하여 시설물 감시의 우선순위를 정하여 이동하는 효율이동 모드로 구성할 수 있다. 특히 분석부에 인공지능 서버에 인공지능 학습시스템을 구비하여 감시구간의 시설물의 정보들을 수집하고 이를 분석하고 스스로 학습하여 자율주행의 효율성이 점차적으로 향상시킬 수 있다.

나아가 복수의 이동 로봇 장치를 구비할 경우 상기 분석부가 시설물의 감시를 일반적으로는 구역별 할당을 하여 감시를 하다가 이상 발생시에 복수의 이동 로봇 장치를 이용하여 집중감시 모드로 구성하며, 감시의 중요도가 높은 구역은 복수의 이동 로봇 장치의 이동 경로가 중복되도록 하여 중요감시 모드로 구성하여 시설물의 감시의 효율을 높일 수 있다.

또한, 카메라의 경우 복수의 렌즈를 구비하여 시설물을 전방향으로 촬영하여 전방향 영상을 만드는 360도카메라로 구성하여 실시할 수 있다.

더욱이 이동 로봇 장치는 일측에 시설물에 근접하여 시설물의 상태를 측정하는 이동센서를 구비하고, 상기 이동센서는 상기 센서노드에 있는 측정센서보다 더욱 정밀한 센서 또는 센서노드가 측정하지 않는 정보를 측정하도록 센서노드에 구비되지 않는 센서를 포함할 수 있다.

또한, 상기 이동 로봇 장치는 일측에 시설물에 도난, 침입, 화재, 파손 등과 같은 긴급상황 발생하면 이를 1차적으로 신속하게 대응하는 상황대처장치를 포함할수 있있다. 구체적으로 도난이나 침입에 대처하기 위한 경고장치나 조명장치, 화재나 장치과열 문제에 대처하기 위한 소화장치나 냉각장치 등을 포할할 수 있다.

상기 서술한 바와 같이 취득부(1000)에서 취득한 센서 정보(110)와 영상 정보(210), 로봇 위치 정보(370)는 통신부(2000)의 게이트웨이(400)로 보내어지고 게이트웨이(400)에서는 정보를 취합하여 분석부(3000)로 전달한다. 분석부(3000)는 인공지능 서버(500)에 의해 실화상, 열화상, 적외선(210) 영상 정보를 합성곱 신경망(CNN)을 이용하여 정상, 비정상 여부를 판별하고 사물인터넷 플랫폼(600)은 온도, 습도, 진동, 음향(S110) 센서 정보를 분석하며 인공지능 서버(500)나 사물인터넷 플랫폼(600) 중 하나라도 이상을 감시하면 즉시 처리부(4000)의 관제 시스템(700)으로 경보 알람(S610) 신호를 보낸다. 경보 알람(S610)을 받은 관제 시스템(700)은 화면에 알람을 띄워 감시자에게 알리고 감시 로봇을 문제가 발생한 지역으로 보내도록 명령을 내린다.

이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 천장 레일형 IoT 기반 감시 로봇 장치는 인력의 출입이 제한되거나 협소한 환경에서 실시간 진단, 자동 검출과 사전 고장예지, 이상 유무 진단용 데이터베이스 구축, 실시간 온도 확인으로 시설물의 파손, 화재, 이상 상황 등에 대한 즉각적인 대응이 가능한 시설물 관리 체계 구축 방법을 제공하고 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 센서 200: 카메라 300: 이동 로봇 장치
400: 게이트웨이 500: 인공지능 600: 사물인터넷 플랫폼
700: 관제 시스템
310: 통신 안테나 320: 제어보드 330: 모터
340: 실화상, 열화상, 적외선 카메라 350: 무선 충전 모듈
360: 무선 충전 패드
S110: 온도, 습도, 진동, 음향 S210: 실화상, 열화상, 적외선
S370: 로봇위치 S610: 정보알람
S710: 로봇 이동 명령
1000: 취득부 2000: 통신부` 3000: 분석부
4000: 처리부

Claims (4)

1. 천장 레일형 IoT 기반 감시 로봇 장치에 있어서,
   시설물의 구간마다 부착된 온도, 습도, 진동, 음향을 측정하는 센서노드, 시설물의 천장에 감시 로봇의 이동경로가 되는 천장 레일, 상기 천장레일을 따라 이동하는 이동 로봇 장치, 상기 이동 로봇 장치에 설치된 실화상, 열화상, 적외선화상을 촬영하는 카메라로 구비하고,
   
   상기 센서노드의 측정값과 카메라의 촬영영상과 이동 로봇 장치의 이동 위치 정보를 취득하는 취득부, 상기 취득부의 정보를 분석부로 전송하는 통신부, 전송된 정보를 바탕으로 시설물의 상황을 분석하는 분석부, 분석부의 분석결과에 따라 결과값을 표시하고, 이동 로봇 장치를 제어하며, 이상이 감지되면 감시자에게 경보알람을 보내는 처리부로 구비하고,
   
   상기 분석부는 인공지능 서버와 IOT 플랫폼으로 구성하고, 상기 인공지능 서버는 카메라의 실화상, 열화상, 적외선화상의 이미지를 3차원 배열의 출력을 갖는 합성곱 신경망에 의한 객체 인식으로 분석하고, 상기 IoT 플랫폼은 센서노드의 온도, 습도, 진동, 음향 센서 정보와 이동체 로봇의 위치 정보를 실시간으로 분석한 것을 특징으로 하는 천장 레일형 IoT 기반 감시 로봇 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   시설물의 구간마다 부착된 센서 노드에서 온도, 습도, 진동, 음향에 대한 데이터 값을 측정하는 단계; 및 천장에 설치된 이동체의 움직임을 조작하는 단계; 및 이동체에 탑재된 카메라에서 영상을 촬영하는 단계; 및 센서 노드 데이터, 영상 정보를 취합하는 단계; 및 취합된 정보를 분석하는 단계; 및 분석된 정보에 의하여 시설물를 관리하는 단계를 포함하는 천장 레일형 IoT 기반 감시 로봇 장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 천장 레일은 분기점을 이동 로봇 장치의 구간별 이동의 자유도를 높이도록 구간 내 다수의 이동경로 분기점을 구비하고,
   
   상기 이동 로봇 장치는 상기 분기점을 이용하여 감시자에 의한 원격주행 또는 상기 분석부에 의한 자율주행이 선택적으로 이루어지며,
   
   상기 자율주행은 센서노드의 측정정보, 카메라의 영상정보, 이동 로봇 장치의 위치정보를 분석하여 자율주행모드를 선택하며,
   
   상기 자율주행모드는 이상 발생을 인식하고 이상발생 시설물로 최단시간으로 이동하는 최단이동 모드, 이동 로봇 장치의 파손을 예방하기 위하여 이상 발생의 시설물의 구간으로 이동을 회비하거나 제한하는 위험회피 모드, 이상 발생빈도를 분석하여 시설물 감시의 우선순위를 정하여 이동하는 효율이동 모드를 구비하 것을 특징으로 하는 천장 레일형 IoT 기반 감시 로봇 장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 카메라는 복수의 렌즈를 구비하여 시설물을 전방향으로 촬영하여 전방향 영상을 만드는 360도카메라로 구비하고,
   
   상기 이동 로봇 장치는 일측에 시설물에 근접하여 시설물의 상태를 측정하는 이동센서를 구비하고,
   
   상기 이동센서는 상기 센서노드에 있는 측정센서보다 더욱 정밀한 센서 또는 센서노드가 측정하지 않는 정보를 측정하도록 센서노드에 구비되지 않는 센서를 구비하고,
   
   상기 이동 로봇 장치는 일측에 시설물에 긴급상황 발생하면 이를 1차적으로 신속하게 대응하는 상황대처장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 천장 레일형 IoT 기반 감시 로봇 장치.
   

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