KR20220051529A

KR20220051529A - 수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템

Info

Publication number: KR20220051529A
Application number: KR1020200135043A
Authority: KR
Inventors: 김기주; 김수용
Original assignee: 동명대학교산학협력단
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2022-04-26

Abstract

본 발명은 수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 모니터링하려는 구역 내의 수중표면 정보를 측정하고 측정데이터를 생성하는 소나와 상기 모니터링하려는 구간을 운행할 경우에, 운행상태를 감지하는 센서를 적어도 하나 이상 포함하며, GPS를 이용하여 측정된 상기 수중드론의 위치 정보에 의거하여 파악할수 있는 조류의 방향, 속도, 수위정보를 감지하는 센서부와 상기 센서부에 의해 감지된 운행상태 결과를 조합하여 운행상태를 추정하는 센서 융합기와 상기 수중드론의 좌표정보를 생성하는 GPS와 상기 소나에서 측정된 수중표면 영상정보를 등록된 정보처리장치에 제공하고, 상기 센서융합기에 의해 추정된 운행상태에 따라 운행동작을 제어하는 PLC컨트롤러와 상기 소나의 정보와 상기 센서부의 측정데이터를 통신하는 방식으로 기지국에 전송하는 전송부와 상기 PLC 컨트롤러의 제어에 의해 상기 운행동작을 구동하는 구동부를 포함하여 이루어지는 수중드론 및 상기 수중드론이 운행하는 동안 조사구역 전체를 촬영하여 실시간으로 영상정보를 획득하는 영상촬영장치와 상기 소나에서 측정된 수중표면 영상정보를 수신하는 수신부와 상기 수신부를 통한 수신정보를 저장하는 저장부와 상기 저장부에 저장된 정보를 가공하여 관리자에게 모니터링을 제공하도록 하기 위한 해양 모니터링 제공서버를 포함하며, 상기 센서부의 상기 측정데이터를 전송받는 정보처리장치와 상기 정보처리장치로부터 정보를 수신하는 기지국과 상기 기지국에서 수신받은 상기 정보를 전송통신부를 통하여 전송받는 중계국을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템{Ocean monitoring system using underwater drone and sonar}

본 발명은 수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 수중표면을 측정하는 수중드론과 운행구역을 촬영하는 영상촬영장치를 이용하여 수중의 정보를 모니터링할 수 있는 수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템에 관한 것이다.

근래들어 수직과 승강작용이 가능한 드론에 관한 연구가 활발하게 진행되어 육지상공에서 항공촬영을 하거나 촬영한 영상을 무선통신을 통하여 육상의 사용자에게 전송하는 임무를 수행하는 등 활발한 활동을 하고 있다.

최근의 드론은 육지에서 뿐만아니고 수중속에서도 동작하도록 할수 있는 수중드론이 개발되고 있다. 상기 수중드론은 수중에 있는 물체나 수중의 지형을 탐색하는데 사용되도록 개발되고 있을 뿐 아니라 수중 내의 오염정도를 감소시키고자 수중 오염물질을 탐지하는 수중드론도 아주 활발하게 개발되고 있는 실정이다. 이러한 수중드론을 이용한 통신에는 전자파 대신에 초음파를 사용하는 것이 일반적인데. 이것은 주로 소나를 이용한다.

상기 소나(Sound Navigation and Ranging, SONAR)는 통상적으로 수중물체의 탐지나 표정에 사용되는 음향표정장치로서, 수중청음기나 음향탐지기 등을 말한다.

수중청음기는 잠수함 탐지를 위해 제1차 세계대전 이래 개발되어, 특히 제2차 세계대전 중과 전후에 급속히 발달하였다. 가시광선 등의 전자파와 레이더파는 물속에는 전달되지 않으므로 초음파를 써서 표정한다. 물속에 전달되는 소리의 빠르기는 바다의 상황에 따라 다르나 대략 1,500m/s이며, 물체에 닿으면 반사하여 되돌아오는 성질이 있어 각종 소나는 이러한 성질을 이용하여 물체가 있다는 사실을 인식하게 된다.

이러한 소나에는 음향 탐신기형과 같이 스스로 소리를 내어 물체를 탐지하는 능동형 소나와, 수중 청음기형과 같이 음원으로부터의 소리를 측정하여 그 물체를 탐지하는 수동형 소나의 두 종류가 있다. 능동형 소자는 일반적으로 음파를 짧은 단속음으로 발사하고 이것이 물체에 부딪혀 반사하여 되돌아오는 데 걸리는 시간을 재어 물체까지의 거리를 측정하며, 송파기를 회전시켜 그 방향을 탐지하기도 한다. 수동형 소나는 지향성이 높은 청음기를 여러 개 조합하여 물체가 발신하는 음이 도달하는 시간차, 세기 등을 측정함으로써 물체의 방향, 거리, 크기 등을 측정할 수 있다

이러한 특징을 가지는 수중드론과 소나를 이용한 해양 구조물을 탐사하는 기술의 개발에 대한 연구는 현재까지도 활발하게 이루어지고 있는 실정이다.

대한민국 특허등록 제10-1988963호 대한민국 특허공개 제2017-0065653호 대한민국 특허공개 제2019-0057720호

따라서, 본 발명은 수중이라는 특수한 환경에 따른 데이터 통신 장애를 극복하고 해양 모니터링의 범위를 더욱 확장시킬 수 있는 수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링시스템을 제공할 수 있는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 수집된 해양 정보를 정보처리장치로 전송하여 육상에서 관리자가 모니터링이 가능하도록 하는 수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템을 제공할 수 있는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 관계자의 모니터로 해양정보를 전송받을 수 있도록 중계하는 역할을 하는 여러 중계국들 자체에 대한 모니터링도 가능한 수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템을 제공할 수 있는 것을 목적으로 한다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템에 있어서, 모니터링하려는 구역 내의 수중표면 정보를 측정하고 측정데이터를 생성하는 소나와 상기 모니터링하려는 구간을 운행할 경우에, 운행상태를 감지하는 센서를 적어도 하나 이상 포함하며, GPS를 이용하여 측정된 상기 수중드론의 위치 정보에 의거하여 파악할수 있는 조류의 방향, 속도, 수위정보를 감지하는 센서부와 상기 센서부에 의해 감지된 운행상태 결과를 조합하여 운행상태를 추정하는 센서 융합기와 상기 수중드론의 좌표정보를 생성하는 GPS와 상기 소나에서 측정된 수중표면 영상정보를 등록된 정보처리장치에 제공하고, 상기 센서융합기에 의해 추정된 운행상태에 따라 운행동작을 제어하는 PLC컨트롤러와 상기 소나의 정보와 상기 센서부의 측정데이터를 통신하는 방식으로 기지국에 전송하는 전송부와 상기 PLC 컨트롤러의 제어에 의해 상기 운행동작을 구동하는 구동부를 포함하여 이루어지는 수중드론 및 상기 수중드론이 운행하는 동안 조사구역 전체를 촬영하여 실시간으로 영상정보를 획득하는 영상촬영장치와 상기 소나에서 측정된 수중표면 영상정보를 수신하는 수신부와 상기 수신부를 통한 수신정보를 저장하는 저장부와 상기 저장부에 저장된 정보를 가공하여 관리자에게 모니터링을 제공하도록 하기 위한 해양 모니터링 제공서버를 포함하며, 상기 센서부의 상기 측정데이터를 전송받는 정보처리장치와 상기 정보처리장치로부터 정보를 수신하는 기지국과 상기 기지국에서 수신받은 상기 정보를 전송통신부를 통하여 전송받는 중계국을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 상기 PLC 컨트롤러는 상기 수중드론에 전원을 공급하는 전원모듈과 상기 소나(아날로그 소나)에 의한 아날로그 측정결과와 상기 센서 융합기에 의한 아날로그 운행상태 감지 결과를 포함한 아날로그 정보를 통합적으로 입력받는 A/I 모듈과 아날로그 제어정보를 포함한 아날로그 정보를 통합적으로 출력하는 A/O모듈과 상기 소나(아날로그 소나)에 의한 아날로그 측정결과와 상기 센서 융합기에 의한 아날로그 운행상태 감지 결과를 포함한 아날로그 정보를 통합적으로 디지털 변환하는 A/D모듈과 디지털 유닛에 의한 디지털 정보를 아날로그 변환하는 D/A모듈과 상기 소나(디지털 소나)에 의한 디지털 측정결과와 상기 센서 융합기에 의한 디지털 운행상태 감지 결과를 포함한 디지털 정보를 통합적으로 입력받는 D/I모듈과 상기 정보처리장치에 의한 제어신호에 따른 디지털 제어정보를 포함한 디지털 정보를 통합적으로 출력하는 D/O모듈과 상기 GPS의 위치로부터 도출된 상기 수중드론의 좌표정보 및 상기 소나에서 측정된 수중표면정보에 대해서 상기 정보처리장치와 IOT데이터로서 통신하는 IOT모듈 및 상기 각각의 모듈을 제어하며, 상기 센서 융합기에 의해 추정된 상기 수중드론의 운행상태가 미리 설정된 위험운행상태에 해당하는 경우, 상기 IOT 모듈에 의해 상기 정보처리장치로 알람을 수행하는 CPU 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 수중드론이 해양 환경을 측정해서 측정 데이터를 생성하고, 지상 중계국과 전파 통신 방식을 통해 측정한 모니터링 데이터를 송신하는 방식을 이용함으로써, 수중환경에 의한 데이터 교환의 애로와 통신장애를 극복할 수 있는 것을 특징으로 하는 수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있는 것이다.

또한, 기지국으로부터 수신한 해양정보를 중계하는 중계국을 원거리에서 모니터링할 수 있도록 함으로서 중계시스템의 운용 능력을 증대시킬수 있는 효과도 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 수중드론의 구성을 예로 들어 도시한 블록도
도 3은 수중드론에 적용된 PLC 컨트롤러의 구성을 도시한 블록도
도 4는 정보처리장치의 블록도.
도 5는 중계국의 블록도.
도 6은 상기에서 설명한 중계국(R)을 원격으로 모니터링하는 시스템의 구성을 도시한 개략도.
도 7은 중계국의 원격 모니터링 시스템의 흐름도.

이하에서는 본 발명의 양호한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시가 되더라도 가능한 한 동일 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위하여 사용된 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현도 의미하는 것임을 미리 밝혀두고자 한다.

먼저, 본 발명에 의한 수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템의 구성은 모니터링하려는 구역 내의 수중표면 정보를 측정하고 측정데이터를 생성하는 소나와 상기 모니터링하려는 구간을 운행할 경우에, 운행상태를 감지하는 센서를 적어도 하나 이상 포함한 센서부와 상기 센서부에 의해 감지된 운행상태 결과를 조합하여 운행상태를 추정하는 센서 융합기와 상기 수중드론의 좌표정보를 생성하는 GPS와 상기 소나에서 측정된 수중표면 영상정보를 등록된 정보처리장치에 제공하고, 상기 센서융합기에 의해 추정된 운행상태에 따라 운행동작을 제어하는 PLC컨트롤러와 상기 소나의 정보와 상기 센서부의 측정데이터를 통신하는 방식으로 기지국에 전송하는 전송부와 상기 PLC 컨트롤러의 제어에 의해 상기 운행동작을 구동하는 구동부를 포함하여 이루어지는 수중드론 및 상기 수중드론이 운행하는 동안 조사구역 전체를 촬영하여 실시간으로 영상정보를 획득하는 영상촬영장치와 상기 소나의 정보와 상기 센서부의 측정데이터를 전송받는 정보처리장치와 상기 정보처리장치로부터 정보를 수신하는 기지국으로 이루어진다. 참고로, 본 명세서 상에서 등장하는 정보처리장치는 pc, 스마트폰, 태블랫, 서버 등과 같이 정보를 주고 받을수 있으며 입력시킬수 있는 수단을 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 수중드론의 블록도이고, 도 3은 수중드론에 적용된 PLC 컨트롤러의 구성을 도시한 도면이고. 도 4는 정보처리장치의 블록도이고, 도 5는 중계국의 블록도이고, 도 6은 상기에서 설명한 중계국을 원격으로 모니터링하는 시스템의 구성을 도시한 개략도이고, 7은 중계국의 원격 모니터링 시스템의 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 상기 도면은 본 발명에 의한 해양 모니터링 시스템(500)의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 실시예에 따른 해양 모니터링 시스템(500)은 크게 수중드론(100)과 영상촬영장치(200) 및 정보처리장치(300) 및 기지국(400), 중계국(R)으로 크게 구성된다.

상기 수중드론(100)은 수면 또는 수중에서 부양한 상태로 원격 운행될 수 있는 장치이다. 상기 수중드론(100)에는 수중 음파탐지기의 일종인 소나(110)와 발열체(L)가 구비된다.

여기서, 상기 소나(110)는 초음파를 수중표면으로 방사하고 수신하여 수중표면의 3차원적인 형상을 측정한다. 이를 위해 상기 소나(110)는 보통 초음파를 생성 및 발사하는 발신모듈(미도시)과 반사된 초음파를 수신하는 수신모듈(미도시) 및 수신된 정보를 데이터화하여 상기 정보처리장치(300)로 전송하는 전송모듈(미도시)로 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 소나(110)는 상기 수중드론(100)의 하부면에 설치된다. 참고로, 도 1에 도시된 직육면체의 형태는 해양의 임의의 일정구역을 사면체 형태로 표현한 것이다.

그리고, 상기 발열체(L)는 상기 영상촬영장치(200)에서 인식이 용이하도록 상기 수중드론(100) 또는 물과 같은 주변의 온도보다 상대적으로 온도가 높아야 한다. 그러므로, 상기 발열체(L)는 방수 처리된 LED 램프를 사용하는 것이 바람직할 것이다. 또한, 상기 발열체(L)는 상기 영상촬영장치(200)에서 인식이 용이하도록 도시된 바와 같이, 수중드론(100)의 상부면에 부착되는 것이 좋다.

그리고, 상기 수중드론(100)에는 관성측정센서(미도시)가 구비된다. 상기 관성측정센서(IMU, Inertial Measurement Unit)는 3축 가속도센서와 3축 자이로센서, 3축 지자기센서와 같은 것으로서, 상기 수중드론의 속도, 가속도, 방향, 중력 등을 측정하기 위한 것이다. 상기 관성측정센서에서 측정된 정보도 상기 정보처리장치(300)로 전송될 수 있다.

상기 영상촬영장치(200)는 조사하고자 하는 수중표면의 면적에 해당하는 구역 전체를 촬영하여 상기 수중드론(100)을 추적할 수 있는 열화상 영상을 생성하는 것이다.

일반적으로 적외선 카메라는 적외선 야간투시 카메라와 적외선 열화상 카메라로 구분할 수 있는데, 적외선 열화상 카메라는 비접촉식으로 대상물체의 열을 추적, 탐지하여 온도분포를 화면으로 보여주는 장치이다.

또한, 적외선으로부터 감지되는 주파수 반응을 전기적 신호로 변환하여 화상 시스템으로 구현하여 주는 장비이다. 일반 카메라는 사람의 눈과 같은 구조를 하므로 우리 눈이 보는 것과 유사한 모습을 담아내지만 열화상 카메라는 오직 열을 이용해서 촬영하는 특수 장비인 것이다.

이때, 열을 어느 정도 내는지에 따라 식별 가능하므로 장애물의 유무나 빛의 유무와 상관없이 물체를 확인할 수 있다. 기존에 협소한 공간 또는 폐쇄된 공간에서는 수중드론의 위치를 GPS로 측정할 경우 오차가 크게 발생하는 문제를 해결하고자 일실시예에서 상기 적외선 열화상 카메라를 사용함으로써 위치 오차를 크게 줄일 수 있었다. 구체적으로 상기 적외선 열화상 카메라인 영상촬영장치(200)는 미리 설정한 조사구역을 충분히 포함하는 수면 면적을 촬영할 수 있도록 설치된다.

이를 위해 조사구역 일측에 지지대를 세우고 상기 지지대의 상단에 상기 영상촬영장치(200)를 설치할 수 있다. 그러나, 해양의 조사구역을 모두 촬영할 수 있다면 다른 방법도 무방하다. 이러한 상태에서 상기 수중드론(100)을 조사구역 내에서 운행하면서 상기 영상촬영장치(200)로 촬영하면 실제 상기 수중드론(100)의 열화상이 나타나는데, 상기 발열체(L)는 상대적으로 고온이므로 분명하게 인식되는 컬러로 나타나기 때문에 상기 수중드론(100)의 위치가 정확하게 추적, 인식될 수 있다.

또한, 상기 영상촬영장치(200)에는 촬영된 열화상 영상정보를 실시간으로 획득하고 데이터화시켜 상기 정보처리장치(300)로 전송하는 전송모듈(미도시)이 포함된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수중드론(100)은 소나(110)와, 운행상태를 감지하는 센서부(120), 상기 운행상태의 감지결과로 운행상태를 추정하는 센서 융합기(130), 각 부를 제어하는 PLC 컨트롤러(140) 및, 수중드론(100)의 구동부(150)를 포함한다.

이러한 경우, 상기 PLC 컨트롤러(140)는 GPS(미도시)에 의한 위치를 나타내는 좌표와, 상기 소나(110)에 의한 수중표면 정보를 IOT(사물인터넷) 데이터로서 정보처리장치(300)와 통신하는 IOT모듈(148: 도 3 참조)을 포함한다.

상기 소나(110)는 운행시에 조사구역을 예를 들어, 관리자가 원하는 지역의 수중표면의 정보를 측정한다.

상기 센서부(120)는 수중드론(100)이 운행될 경우, 운행상태를 감지하는 센서를 적어도 하나 이상 포함한다. 이러한 경우, 상기 센서부(120)는 도 2에 도시된 대로, 압력센서(미도시)와 3축 가속도 센서(121), 3축 자이로 센서(122) 및 3축 지자기 센서(123)들 중에서 어느 하나 이상을 포함하여 수중드론(100)의 운행과 임무 수행에 필요한 데이터를 측정한다. 상기 센서부(120)는 온도센서, 수압센서, 방사능 센서의 기능도 할수 있다.

또한, 상기 센서부(120)는 GPS를 이용하여 측정된 상기 수중드론(100)의 위치 정보에 의거하여 파악할 수 있는 조류의 방향, 속도, 수위정보를 감지할 수 있는 것이다. 이러한 센서부(120)를 통하여 수집된 해양정보는 정보처리장치(300)로 이송되고, 상기 정보처리장치(300)의 저장부(320)로 역시 저장되는 것이다.

상기 센서 융합기(150)는 상기 센서부(120)에 의해 감지된 운행상태 결과를 조합하여 운행상태를 추정하는 것이다. 예를 들어, 운행시의 압력과, 가속도 등을 조합하여 연산해서 비행 상태를 추정한다.

상기 PLC 컨트롤러(140)는 상기 GPS의 위치로부터 도출된 상기 수중드론(100)의 좌표정보와 상기 소나(110)에서 측정된 수중표면정보를 미리 등록된 정보처리장치(300)에 제공하고, 상기 센서 융합기(130)에 의해 추정된 운행상태에 따라 운행동작을 제어하는 것이다.

상기 구동부(150)는 상기 PLC 컨트롤러(140)의 제어에 의해 예를 들어, 상기

PLC 컨트롤러(140)의 PWM제어에 의해 상기 운행동작을 구동한다.

이때, 상기 구동부(150)는 변속기, 모터, 프로펠러 등을 포함하여 이루어져서, 상기 추정된 비행 상태에 따라 상이하게 회전속도와 회전방향 등을 달리하여 운행 동작을 구동한다.

도 3은 도 2의 수중드론(100)에 적용된 PLC 컨트롤러(140)의 구성을 도시

한 블록도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 수중드론(100)에 적용된 PLC 컨트롤러(140)는 상기 소나(110)와 센서부(120) 등의 신호 입출력을 위한 부분과 신호 처리를 위한 부분, 정보처리장치(300)와의 통신을 위한 부분이 모두 통합적으로 포함하도록 이루어진다.

이를 위해, 실시예에 따른 PLC 컨트롤러(140)는 전원모듈(141)과 소나(110)와 센서부(120)의 신호 입출력과 신호 처리를 위한 A/I 모듈(미도시)과, A/O 모듈(미도시), A/D모듈(144), D/A모듈(145), D/I모듈, D/O모듈, 정보처리장치(300)와의 통신을 위한 IOT(사물인터넷) 모듈(148) 및 상기 각각의 모듈을 제어하는 CPU 모듈(142)을 모두 포함한다.

상기 전원모듈(141)은 수중드론(100) 자체에 전원을 공급하기 위해 형성되는 것이다.

상기 A/I 모듈은 상기 소나(아날로그 소나)에 의한 아날로그 측정결과와 상기 센서 융합기(130)에 의한 아날로그 운행상태 감지 결과를 포함한 아날로그 정보를 통합적으로 입력받는 것이다.

상기 A/O 모듈은 아날로그 제어정보를 포함한 아날로그 정보를 해당 구동장치 등에 통합적으로 출력한다.

상기 A/D모듈(144)은 상기 소나(110: 아날로그 소나)에 의한 아날로그 측정결과와 상기 센서 융합기(130)에 의한 가속도와 지자기 등의 아날로그 운행상태 등을 감지한 결과를 포함한 아날로그 정보를 통합적으로 디지털 변환하는 것이다.

상기 D/A모듈(145)은 디지털 유닛에 의한 디지털 정보를 아날로그 변환시키는 것이다.

상기 D/I모듈(146)은 상기 소나(110: 디지털 소나)에 의한 디지털 측정결과와 상기 센서 융합기(130)에 의한 디지털 비행상태 감지결과를 포함한 디지털 정보를 통합적으로 입력받는다.

상기 D/O 모듈(147)은 상기 정보처리장치(300)의 제어신호에 따른 디지털 제어정보를 포함한 디지털 정보를 통합적으로 구동부(150)등에 출력하는 것이다.

상기 IOT(사물인터넷) 모듈(148)은 상기 GPS의 위치로부터 도출된 상기 수중드론(100)의 좌표정보 및 상기 소나(110)에서 측정된 수중표면정보에 대해서 상기 정보처리장치(300)와 IOT(사물인터넷) 데이터로서 통신하는 것이다.

이러한 경우, 상기 IOT 모듈(148)은 자체 유/무선 통신모듈을 예를 들어, LoRa 모듈(미도시)을 구비하여 지상의 정보처리장치(300)로 측정결과 등을 제공한다.

상기 CPU모듈(142)은 PLC 컨트롤러(140)의 기본적인 CPU(Central Process Unit)장치의 모듈로서, 상기 각각의 상기에서 서술한 모든 모듈들을 제어한다. 또한, 상기 CPU 모듈(142)은 상기 센서 융합기(130)에 의해 추정된 수중드론(100)의 운행상태가 미리 설정된 위험운행상태에 해당하는 경우, 상기 IOT 모듈(148)에 의해 상기 정보처리장치(300)로 경고 알람을 수행하는 것이다.

부가적으로, 이와 관련하여 부연설명을 하면 다양한 환경에서 사용되는 기존의 PLC 시스템에 대해서는 여러 기능을 가진 모듈이 필요하며, 이에 따라서 PLC 제조 업체는 사용자의 요구사항을 만족하는 다양한 모듈을 제공한다.

예를 들어, 디지털 입출력 모듈, 아날로그 입출력모듈, 통신 모듈 등 여러 기능을 가진 모듈이 PLC 시스템에 사용되고, 이러한 다양한 모듈을 통해서 사용자가 원하는 시스템이 구축된다. 예를 들어, 특허문헌 KR101778333 Y1의 기술은 이러한 기술로서 등록받은 발명이며, 구체적으로는 PLC의 출력모듈의 동작상 결함 여부를 진단하기 위한 진단모듈을 구비하는 PLC 시스템에 관한 것이다.

본 실시예에 따른 전술한 IOT 모듈(148)은 이러한 점들을 이용해서, 전술한 IOT 모듈(148)로부터 IOT 기능을 제공하는 PLC를 제공하고, 이를 통해 더 나아가 장치측면에서 쉽게 최적화된 감시와 제어 등이 이루어지도록 한 것이다.

이에 따라, 본 실시예에 의한 상기 PLC 컨트롤러(140)는 기본적으로 각종 디지털과 아날로그 등의 센서부로부터 신호를 모두 입력받는 입력모듈(미도시)과 중앙제어부인 CPU 모듈(142), 제어대상으로 제어신호를 출력하는 출력모듈(미도시)을 포함한다.

그리고, 상기 PLC 컨트롤러(140)는 이때 추가적으로 PLC 자체에서 사물인터넷 기능을 수행하는 IOT 모듈(148)을 구비해서, 상기 CPU 모듈(142)이 이러한 IOT 모듈(148)에 의해 상기 입/출력 모듈과 연동하여 해당되는 제어로직(Control Logic)으로부터 IOT(사물인터넷) 기능을 수행하도록 함으로써, 지상의 정보처리장치(300)와 통신한다.

추가적으로, 이러한 PLC 컨트롤러(140)는 전술한 바에 덧붙여, 상기 CPU 모듈(142)이 상기 센서 융합기(130)에 의해 추정된 운행상태가 미리 설정된 위험 운행상태에 해당하는 경우, 상기 IOT 모듈(148)에 의해 상기 정보처리장치(300)로 알람을 수행하는 역할도 하는 것이다.

이하에서는, 도 4를 참조하여 정보처리장치(300)에 대하여 설명하기로 한다.

상기 정보처리장치(300)는 도시된 바와 같이, 상기 소나(110)에서 측정된 수중표면 영상정보를 수신하는 수신부(310)와 상기 수신부(310)를 통한 수신정보를 저장하는 저장부(320)와 상기 저장부(320)에 저장된 정보를 가공하여 상기 기지국(400)에게 모니터링을 제공하도록 하기 위한 해양 모니터링 제공 서버(330)로 이루어진다.

상기와 같은 구성에서 상기 수신부(310)는 소나(110)와 센서부(120)로부터 수중표면 영상정보등과 같은 해양의 정보를 전송받게 되는 것이다.

그러면, 상기 저장부(320)는 상시 수신부(310)를 통하여 수신한 정보를 저장한다. 상기 수신부(310)는 상기 저장부(320)에서 전달받은 정보를 무선통신 방식에 의하여 데이터 변환을 수행하여 해양 모니터링 제공 서버(330)에 전달한다.

상기 해양 모니터링 제공 서버(330)는 기지국(400)으로 상기 수신한 정보를 전송하게 되는 것이다.

이러한 방식으로 상기 기지국(400)에서는 상기 정보처리장치(300)로부터 상기 소나(110)의 정보와 상기 센서부(120)의 측정데이터를 전송받아 전파통신 방식을 통하여 정보를 수신받게 되는 것이다.

상기 기지국(400)은 지상에 설치되며, 상기 정보처리장치(300)의 동작제어를 위한 제어신호를 전파통신 방식을 통하여 수신부(310)로부터 수신받아 상기 기지국(400)에 초음파 통신방식을 통하여 전송할 수 있다.

이러한 방식으로 정보를 수신하여 전송받은 상기 기지국(400)은 중계국(R: Relay Station)에 상기 정보를 내부의 전송통신부(미도시)를 통하여 모두 전송하는 것이다.

이하에서는, 도 5를 참조하여 상기 중계국(R)에 대하여 설명하기로 한다.

상기 중계국(R)은 도시한 바와 같이, 중계국(R)은 전파통신부(410), 제2 GPS(420), 수중통신부(430) 및 제어부(440)를 포함할 수 있다.

상기 전파통신부(410)는 기지국(400)을 통해 수중드론(100)의 동작 제어를 위한 제어신호를 전파통신 방식을 통해 수신할 수 있고, 상기 수중드론(100)에서 수신된 측정 데이터를 전파통신 방식을 통해 상기 기지국(400)으로 재전송도 가능하다.

제2 GPS(420)는 인공위성으로부터 신호를 수신하여 중계국(R)의 좌표를 생성할 수 있다.

수중통신부(40)는 수중드론(100)이 수중에 위치했을 때에, 측정 데이터를 초음파 통신 방식을 통해 수신할 수 있고, 수중드론(100)이 기지국(400)에서 수신된 수중드론(100)의 동작 제어를 위한 제어 신호를 초음파 통신 방식을 통해 중계국(R)으로 전송할 수 있다.

또한, 수중통신부(430)는 제2 GPS(420)에서 생성된 중계국(R)의 좌표도 초음파 통신 방식을 통해 수중드론(100)에 전송할 수 있다.

제어부(440)는 중계국(R)이 작동할 수 있도록 중계국(R)을 구성하는 각각의 구성요소를 제어할 수 있다.

한편, 중계국(R)에 탑재되는 각종 전기 및 기계 장치에 필요한 전력은 상기 중계국(R)에 탑재되는 배터리(미도시) 등에서 공급될 수 있다.

이러한 중계국(R)을 통하여 관리자에게 모니터링하려고 하는 해양의 정보를 중계하게 되어 해양 모니터링을 할 수 있는 것이다. 즉, 상기 제어부(440)로부터 처리된 모니터링할 해양의 수중표면 영상정보등을 기지국(400)으로부터 전달받아 실시간으로 관계자들에게 관련 영상을 중계시켜 제공할 수 있는 것이다.

도 6은 상기에서 설명한 중계국(R)을 원격으로 모니터링하는 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 중계국(R)은 단말기(미도시)등과 같은 수단을 통해 입력되는 음성 또는 문자메세지 등의 각종 데이터의 송수신을 제어하며, 후술되는 중계국 송수신 특성 감지장치(A)로 송수신되는 데이터를 출력한다. 이때, 중계국(R)을 상기 중계국 송수신 특성 감지장치(A)로 출력되는 송수신 데이터는 RF신호이다.

상기 중계국 송수신 특성 감지장치(A)는 상기 중계국(R)으로부터 인가되는 송수신 데이터인 RF 신호를 통해 상기 중계국(R)의 송수신 특성을 감지하고, 감지된 송수신 특성에 대한 데이터를 변조한 후, PSTN(Public Switched Telephone Network: 공중 회선 교환)망으로 통해 모니터링 장치(M)로 전송한다.

상기 중계국 송수신 특성 감지장치(A)는 데이터변환 및 제어부(490)의 제어에 따라 중계국(R)에서 출력되는 송신 RF신호를 스위칭하는 송신 RF 스위치부(450)와 데이터변환 및 제어부(490)의 제어에 따라 중계국(R)에서 출력되는 수신 RF신호를 스위칭하는 수신 RF 스위치부(460)와, 상기 수신 RF 스위치부(460)를 통해 입력되는 중계국(R)의 수신 RF신호의 수신감도를 테스트한 후, 테스트 결과를 후술하는 스펙트럼 분석부(480)로 출력하는 모빌 지그(mobile jig)부(470)와, 송신 RF스위치부(450)를 통해 입력되는 중계국(R)의 송신 RF신호를 특정한 입력 파라미터에 따라 가공하며 모빌 지그부(470)를 통해 입력되는 수신 RF 신호를 특정한 입력 파라미터에 따라서 가공하여 후술되는 데이터변환 및 제어부(490)로 출력하는 스펙트럼 분석부(480)와, 상술한 각 부분을 제어하며 스펙트럼 분석부(480)에서 출력되는 중계국(R)의 송수신 특성에 대한 데이터를 변조한 후 PSTN 망을 통해 모니터링 장치(M)로 변조된 데이터를 전송하는 데이터변환 및 제어부(490)로 구성된다.

모니터링 장치(M)는 PSTN 망을 통해 중계국 송수신 특성 감지장치(A)로부터 인가되는 중계국(R)의 송수신 특성에 대한 데이터를 복조하고, 자체 모니터링 프로그램에 따라 복조된 데이터를 처리한 후, 관리자가 중계국(R)의 상태를 모니터링할 수 있도록 디스플레이한다.

또한, 상기 모니터링 장치(M)는 원거리에 위치한 다수개의 중계국(R)의 상태를 동시에 모니터링할 수 있으며, 이 경우 각각의 중계국(R)을 구분하여 중계국 송수신 특성 감지장치(A)로부터 입력되는 중계국(R)의 송수신 특성에 대한 데이터를 동시에 처리하게 된다. 상기 중계국(R)은 기지국(400)을 통하여 입력되는 각종 데이터의 송수신을 제어한다.

상기와 같이 구성된 중계국(R)의 원격 모니터링 시스템의 작용에 대하여 도 9를 참조하여 설명한다.

우선, 중계국 송수신 특성 감지장치(A)로 송신 RF신호가 중계국(R)에 출력되는 경우, 상기 중계국 송수신특성 감지장치(A)는 상기 중계국(R)으로부터 인가되는 송신 RF신호를 통하여 상기 중계국(R)의 송신특성을 감지하게 된다(S 1).

즉, 송신 RF신호가 입력되면 상기 중계국 송수신 특성 감지장치(A)의 송신 RF스위치부(450)에서는 데이터변환 및 제어부(490)의 제어에 따라 중계국(R)에서 출력되는 송신 RF신호를 스위칭하여 스펙트럼 분석부(480)로 출력하고, 스펙트럼 분석부(480)에서는 송신 RF스위치부(450)를 통해 입력되는 중계국(R)의 송신 RF신호를 특정 입력 파라미터에 따라 가공한 후, 데이터변환 및 제어부(490)로 출력한다.

이후, 상기 데이터변환 및 제어부(490)에서는 상기 스펙트럼 분석부(480)로부터 인가되는 중계국(R)의 송신특성에 대한 데이터를 변조한 후 PSTN 망을 통해 모니터링 장치(M)로 전송한다(S 2).

이에 따라, 모니터링 장치(M)는 PSTN 망을 통해 입력된 신호를 복조한 후, 오프셋 보정기능 등이 포함된 자체 내의 프로그램에 따라 복조된 데이터를 처리한 후 작업자가 중계국(R)의 상태를 모니터링할 수 있도록 디스플레이한다.

한편, 중계국(R)에서 중계국 송수신 특성 감지장치(A)로 수신 RF신호가 출력되는 경우 중계국 송수신특성 감지장치(A)는 중계국(R)으로부터 인가되는 수신 RF 신호를 통해 중계국(R)의 수신 특성을 감지하게 된다.

즉, 중계국(R)에서 수신 RF신호가 입력되면 중계국 송수신 특성 감지장치(A)의 수신 RF스위치부(460)에서는 데이터변환 및 제어부(490)의 제어에 따라 중계국(R)에서 출력되는 수신 RF신호를 스위칭하여 모빌 지그부(470)로 출력하고, 상기 모빌 지그부(470)에서는 중계국(R)에서 입력된 수신 RF신호의 수신감도를 테스트한 후, 상기 수신특성이 반영된 테스트 결과를 스펙트럼 분석부(480)로 출력한다.

상기 스펙트럼 분석부(480)에서는 상기 모빌 지그부(470)를 통해 입력되는 중계국(R)의 수신 RF신호를 특정한 입력 파라미터에 따라 가공한 후 데이터변환 및 제어부(490)로 출력하고, 상기 데이터변환 및 제어부(490)에서는 스펙트럼 분석부(480)로부터 인가되는 중계국(R)의 송신특성에 대한 데이터를 변조한 후, PSTN망을 통해 모니터링 장치(M)로 전송한다(S 3).

이에 따라 모니터링 장치(M)는 상술한 바와 같은 방법으로 PSTN망을 통해 입력된 신호를 복조한 후, 오프셋 보정기능 등이 포함된 자체 내의 프로그램에 따라 복조된 데이터를 처리한 후 관리자가 중계국(R)의 상태를 모니터링할 수 있도록 디스플레이한다(S 4).

이상에서와 같은 내용의 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상기 기술한 실시 예는 예시된 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.

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

100 : 수중드론 110 : 소나
L : 발열체 120 : 센서부
121 : 3축 가속도센서
122 : 3축 자이로센서 123 : 3축 지자기센서
130 : 센서융합기 140 : PLC 컨트롤러
141 : 전원모듈 142 : CPU 모듈
143 : 시리얼통신 모듈 144 : A/D 모듈
145 : D/A모듈 146 : D/I 모듈
147 : D/O 모듈 148 : IOT 모듈
150 : 구동부 200 : 영상촬영장치
300 : 정보처리장치
310 : 수신부 320 : 저장부
330 : 해양 모니터링제공 서버 400 : 기지국
410 : 전파통신부 420 : 제2 GPS
430 : 수중통신부 440 : 제어부
450 : 송신 RF 스위치부 460 : 수신 RF 스위치부
470 : 모빌 지그부 480 : 스펙트럼 분석부
490 : 데이터 변환 및 제어부
M : 모니터링 장치 A : 중계국 송수신 특성 감지장치
R : 중계국 500 : 해양 모니터링 시스템

Claims

수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템에 있어서,
모니터링하려는 구역 내의 수중표면 정보를 측정하고 측정데이터를 생성하는 소나와 상기 모니터링하려는 구간을 운행할 경우에, 운행상태를 감지하는 센서를 적어도 하나 이상 포함하며, GPS를 이용하여 측정된 상기 수중드론의 위치 정보에 의거하여 파악할수 있는 조류의 방향, 속도, 수위정보를 감지하는 센서부와
상기 센서부에 의해 감지된 운행상태 결과를 조합하여 운행상태를 추정하는 센서 융합기와 상기 수중드론의 좌표정보를 생성하는 GPS와 상기 소나에서 측정된 수중표면 영상정보를 등록된 정보처리장치에 제공하고, 상기 센서융합기에 의해 추정된 운행상태에 따라 운행동작을 제어하는 PLC컨트롤러와 상기 소나의 정보와 상기 센서부의 측정데이터를 통신하는 방식으로 기지국에 전송하는 전송부와 상기 PLC 컨트롤러의 제어에 의해 상기 운행동작을 구동하는 구동부를 포함하여 이루어지는 수중드론; 및
상기 수중드론이 운행하는 동안 조사구역 전체를 촬영하여 실시간으로 영상정보를 획득하는 영상촬영장치;
상기 소나에서 측정된 수중표면 영상정보를 수신하는 수신부와 상기 수신부를 통한 수신정보를 저장하는 저장부와 상기 저장부에 저장된 정보를 가공하여 관리자에게 모니터링을 제공하도록 하기 위한 해양 모니터링 제공서버를 포함하며, 상기 센서부의 상기 측정데이터를 전송받는 정보처리장치;
상기 정보처리장치로부터 정보를 수신하는 기지국;
상기 기지국에서 수신받은 상기 정보를 전송통신부를 통하여 전송받는 중계국을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템.
제1항에 있어서,
상기 PLC 컨트롤러는
상기 수중드론에 전원을 공급하는 전원모듈;
상기 소나(아날로그 소나)에 의한 아날로그 측정결과와 상기 센서 융합기에 의한 아날로그 운행상태 감지 결과를 포함한 아날로그 정보를 통합적으로 입력받는 A/I 모듈;
아날로그 제어정보를 포함한 아날로그 정보를 통합적으로 출력하는 A/O모듈;
상기 소나(아날로그 소나)에 의한 아날로그 측정결과와 상기 센서 융합기에 의한 아날로그 운행상태 감지 결과를 포함한 아날로그 정보를 통합적으로 디지털 변환하는 A/D모듈;
디지털 유닛에 의한 디지털 정보를 아날로그 변환하는 D/A모듈;
상기 소나(디지털 소나)에 의한 디지털 측정결과와 상기 센서 융합기에 의한 디지털 운행상태 감지 결과를 포함한 디지털 정보를 통합적으로 입력받는 D/I모듈;
상기 정보처리장치에 의한 제어신호에 따른 디지털 제어정보를 포함한 디지털 정보를 통합적으로 출력하는 D/O모듈;
상기 GPS의 위치로부터 도출된 상기 수중드론의 좌표정보 및 상기 소나에서 측정된 수중표면정보에 대해서 상기 정보처리장치와 IOT데이터로서 통신하는 IOT모듈; 및
상기 각각의 모듈을 제어하며, 상기 센서 융합기에 의해 추정된 상기 수중드론의 운행상태가 미리 설정된 위험운행상태에 해당하는 경우, 상기 IOT 모듈에 의해 상기 정보처리장치로 알람을 수행하는 CPU 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중드론과 소나를 이용한 해양 모니터링 시스템.