KR100386089B1 - 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에사용되는 광반사체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동체의 위치변화에 무관하게 일정한 반사광을 반사하는 재귀반사체와 수면에서의 반사에 따른 문제를 예방하는 난반사체를 구비함으로써, 수중에서 수직벽면을 주행하는 이동체의 정확한 위치를 인식하기 위한, 수중 위치 인식장치에 사용되는 광반사체를 제공하는 데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 이동체의 지향각을 검출하는 경사각 센서와, 수직 평면에 설치된 광반사체와, 이동체에 설치되어 회전하는 레이저광을 출력하고 각각의 광반사체로부터 반사되는 반사광을 입력받는 레이저 스캐너 및, 이동체의 절대위치를 계산하는 연산 처리부로 구성된 위치 인식장치에서, 레이저 스캐너에서 출력되는 레이저광을 반사하여 이동체의 위치를 알리는 광반사체에 있어서, 상기 광반사체는 이동체의 위치변동에 따른 입사방향의 변화에 무관하게 일정한 세기의 반사광을 레이저 스캐너에 반사하도록, 변화하는 입사방향과 무관하게 표면법선이 항상 일치하는 원기둥 형상의 재귀반사체와, 레이저광이 수면에서 반사되어 재귀반사체로 입사되는 광을 분산시키도록 재귀반사체의 상부와 수면보다 낮은 위치의 사이에 설치되는 난반사체로 구성되어 있다.

Description

수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 광반사체{Light reflector for underwater robot localization system}

본 발명은 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 광반사체에 관한 것이며, 특히, 수중(해안) 구조물의 상태 진단과 수중 원자력 발전설비나 수중 저장설비의 진단검사에 응용될 수 있도록 이동체의 위치변동과 수면에서의 반사에 따른 위치인식 오차문제를 해결할 수 있는 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 광반사체에 관한 것이다.

대한민국 특허출원 제99-2527호에는 경사각 센서를 이용하여 이동체의 지향각을 검출하고 이 지향각을 기준으로 재귀반사체의 방향각을 검출하며, 이를 이용하여 자신의 절대위치를 알아냄으로써, 수직 벽면을 자율적으로 주행할 수 있도록 한 수직 주행 이동체의 위치 인식장치가 기술되어 있다.

그 구성요소들을 간략하게 살펴보면 다음과 같다. 상기 위치 인식장치는 이동체에 장착된 경사각 센서(tilt angle sensor)와, 이동체에 장착된 레이저 스캐너(laser scanner)와, 이동체가 주행하는 수직 평면에 설치된 2개의 재귀반사체(retro-reflector)와, 반사광 검출부 및, 연산 처리부로 구성되어 있다.

상기 경사각 센서는 수평면에 대한 이동체의 지향각을 측정하고, 레이저 스캐너는 회전하는 레이저광을 출력하여 재귀반사체로부터 반사되는 반사광을 검출한다. 그리고, 반사광 검출부는 레이저 스캐너에서 검출된 반사광을 전기적인 신호로 변환시켜 재귀반사체의 상대적 방향각을 검출하며, 연산 처리부는 측정된 이동체의 지향각과 재귀반사체의 상대적 방향각으로부터 이동체의 절대위치를 계산한다. 즉, 위와 같이 구성된 종래기술의 위치 인식장치는 재귀반사체에서 반사되는 반사광을 레이저 스캐너에서 검출한 후 반사광 검출부 및 연산 처리부를 통해 이동체의 절대위치를 인식할 수 있는 것이다.

그러나, 위와 같이 구성된 종래기술의 위치 인식장치를 수중의 수직 벽면을 주행하는 이동체에 적용할 경우에는 두가지 문제점이 발생한다. 첫째는 수직 벽면에서 이동체의 위치가 변화할 때, 재귀반사체의 형상에 따라 재귀반사체에서 반사되어 돌아오는 광량이 변화한다는 것이고, 둘째는 광원인 레이저의 광로가 광이 전파되는 매질이 변화함에 따라 크게 굴절 또는 반사된다는 것이다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이동체의 위치변화에 무관하게 일정한 반사광을 반사하는 재귀반사체와 수면에서의 반사에 따른 문제를 예방하는 난반사체를 구비함으로써, 수중에서 수직벽면을 주행하는 이동체의 정확한 위치를 인식하기 위한, 수중 위치 인식장치에 사용되는 광반사체를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1a 및 도 1b는 재귀반사체의 배치각도에 따른 입사광의 반사현상을 도시한 도면이고,

도 2a 내지 도 2c는 입사광의 입사각과 임계각의 관계에 따른 반사광의 반사현상을 도시한 도면이고,

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 광반사체의 배치관계를 설명하기 위한 개략도이고,

도 4는 도 3에 도시된 광반사체의 재귀반사체의 형상에 따른 입사광의 반사형태를 도시한 도면이고,

도 5는 도 4에 도시된 재귀반사체의 수면에서의 반사에 따른 신호파형의 형태를 도시한 도면이며,

도 6a 및 도 6b는 도 3에 도시된 광반사체의 난반사체의 난반사면에 따른 반사형태를 도시한 도면.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

10 : 재귀반사체 20 : 난반사체

21 : 상부면 22 : 하부면

30 : 레이저 스캐너

본 발명에 사용되는 위치 인식장치는, 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치를 인식할 수 있도록, 상기 이동체에 장착되어 수평면에 대한 이동체의 지향각을 검출하는 경사각 센서와, 상기 수직 벽면에 설치되어 입사하는 레이저광을 반사하는 광반사체와, 상기 이동체에 설치되어 회전하는 레이저광을 출력하고 상기 광반사체로부터 반사되는 반사광을 입력받는 레이저 스캐너와, 상기 레이저 스캐너에서 입력받은 반사광을 전기적인 신호로 변환하여 상기 광반사체의 방향각을 검출하는 반사광 검출부 및, 상기 이동체의 지향각과 상기 광반사체의 방향각으로부터 상기 이동체의 절대위치를 계산하는 연산 처리부로 구성된다. 그리고, 본 발명의 광반사체는 상기 레이저 스캐너에서 출력되는 레이저광을 반사하여 상기 이동체의 위치를 알리는 것으로서, 상기 이동체의 위치변동에 따른 입사방향의 변화에 무관하게 일정한 세기의 반사광을 상기 레이저 스캐너에 반사하도록, 변화하는 입사방향과 무관하게 표면법선이 항상 일치하는 원기둥 형상의 재귀반사체와; 수면에서 반사되어 상기 재귀반사체로 입사되는 레이저광을 분산시키도록, 상기 재귀반사체의 상부와 상기 수면보다 낮은 위치의 사이에 설치되는 난반사체를 포함한다.

도면에서, 도 1a 및 도 1b는 재귀반사체의 배치각도에 따른 입사광의 반사현상을 도시한 도면이고, 도 2a 내지 도 2c는 입사광의 입사각과 임계각의 관계에 따른 반사광의 반사현상을 도시한 도면이다.

수직 벽면을 주행하는 이동체의 경우, 일반적으로 이동체의 위치가 바뀔 때마다 레이저광이 재귀반사체에 입사하는 각도가 변하게 된다. 이런 재귀반사체의 광학적 특징은 입사광이 반사체에 입사하는 동일한 방향으로 반사광을 보내준다는 것이다. 하지만, 이러한 특성을 갖는 재귀반사체라도 반사체의 표면처리에 기인하여, 입사광이 반사체 표면에 수직으로 입사하는 경우 재귀반사광이 가장 강한 빛을 반사하게 되며, 이외의 경우 입사각의 크기와 재귀반사광의 세기가 서로 반비례하는 특성을 갖는다.

즉, 도 1a에 도시된 바와 같이 입사광이 재귀반사체의 표면법선과 평행한 경우 가장 강한 재귀반사광을 반사하고, 도 1b에 도시된 바와 같이 입사광이 재귀반사체의 표면법선과 기울어진 경우 약한 재귀반사광과 일반반사광을 각각 반사한다. 이렇게 레이저광이 입사면에 수직하게 입사하지 않으면, 재귀반사광의 세기가 약화되어 레이저 스캐너의 수광부가 이를 인식할 시에 오차를 야기하게 되고, 결국 반사된 레이저광을 인식하지 못하는 경우가 발생하게 된다.

그리고, 레이저광이 수면에 입사됨에 있어서, 도 2a에 도시된 바와 같이 입사각이 임계각(입사되는 빛이 모두 반사되는 입사각)보다 작은 경우에는 수면의 상부로 광의 일부분이 투과하고(투과광) 수면의 하부로 광의 일부분이 반사되며(반사광), 도 2b에 도시된 바와 같이 입사각이 임계각과 같은 경우에는 수면을 따라 광이 전부 반사되고(반사광), 도 2c에 도시된 바와 같이 입사각이 임계각보다 큰 경우에는 수면의 하부로 광이 전부 반사된다(반사광).

그리고, 레이저 스캐닝의 기법을 이용함에 있어서, 지상 이동체의 위치인식과는 달리 수중 벽면을 주행하는 이동체의 위치인식에서 고려해야 할 중요한 문제는, 특정한 입사각의 범위에서 수면으로 입사하는 레이저광이 수면에서 정반사하기 때문에 발생하는 문제이다. 즉, 수면은 유리나 기타 투과성 물질처럼, 경계 표면에서 일부의 빛이 매질을 투과되는 동시에 일부 반사가 일어난다. 이러한 현상은 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 레이저 스캐너에서 나오는 빛이 수면에 입사될 경우, 입사각이 임계각 이상이 될 때 두드러지게 나타난다. 이런 임계각을 나타내는 식은 스넬의 법칙에 의해 수학식 1과 같이 표현된다.

여기서, n₁은 입사광이 지나는 물의 굴절율이고, n₂는 투과광이 지나는 대기의 굴절율이다.

위와 같은 특성을 갖는 레이저광의 원리에 따라, 아래에서는 본 발명에 따른 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 광반사체의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 광반사체의 배치관계를 설명하기 위한 개략도이고, 도 4는 도 3에 도시된 광반사체의 재귀반사체의 형상에 따른 입사광의 반사형태를 도시한 도면이다. 그리고, 도 5는 도 4에 도시된 재귀반사체의 수면에서의 반사에 따른 신호파형의 형태를 도시한 도면이고, 도 6a 및 도 6b는 도 3에 도시된 광반사체의 난반사체의 난반사면에 따른 반사형태를 도시한 도면이다.

도 3 내지 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 광반사체는 재귀반사체(10)와 이런 재귀반사체(10)의 상부에 위치하는 난반사체(20)로 구성되어 있다.

상기 재귀반사체(10)를 설계함에 있어서, 재귀반사체(10)에서 반사된 레이저광의 세기가 이동체의 이동으로 인한 레이저광의 입사각의 변화에 무관하도록 해야 한다. 즉, 반사광의 세기는 입사각이 직각일 때 가장 세므로 입사광이 입사면에 언제나 수직으로 입사하도록 재귀반사체(10)를 설계해야 한다. 그래서, 본 발명에서는 재귀반사체(10)를 원기둥 형상으로 설계하였다.

즉, 원기둥의 표면에 입사되는 레이저광의 입사방향과 원기둥의 표면법선이 항상 일치하기 때문이다. 즉, 원기둥 형상의 재귀반사체(10)를 이용할 경우에는 수중 벽면을 주행하는 이동체의 현 위치에 무관하게 강한 재귀반사광을 얻을 수 있다. 이 때, 재귀반사광은 단지 레이저 스캐너와 재귀반사체간의 거리의 함수가 된다.

이렇게 형성된 재귀반사체(10)에 도 5에 도시된 바와 같이 레이저광이 입사 및 반사됨에 있어서, 레이저광이 재귀반사체(10)에서 정반사되어 레이저 스캐너(30)의 수광부에 감지되면 이상적인 신호파형(θ₁)을 형성하지만, 수면에서 반사된 레이저광이 수중에 설치된 재귀반사체(10)에서 반사되어 레이저 스캐너(30)의 수광부에 감지되면 수면반사에 의한 신호파형(θ₁, θ₂)을 형성한다. 이렇게 신호가 이중으로 검출되는 문제를 해결하기 위하여, 도 3, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 재귀반사체(10)의 상부에 수면보다 낮은 위치에 난반사체(20)를 설치함으로써 수면 반사광에 의해 재귀반사체(10)로 입사되는 광을 분산시킬 수 있다. 이러한 난반사체(20)를 설치함으로써 수면에서 반사되는 빛에 의해 생기는 위치인식의 잘못된 신호를 제거할 수 있다.

즉, 레이저광이 임계각보다 크게 입사하는 범위에 대해 난반사체(20)를 설치함으로써 레이저 입사광을 분산시키는 효과를 거둘 수 있으며, 이렇게 분산된 광은 재귀반사체(10)에 의해 다시 레이저 스캐너(30)로 입사하는 광보다 신호의 크기가현저하게 줄어든다.

이런 난반사체(20)에는 도 6a에 도시된 바와 같이 상부면(21) 및 하부면(22)에 난반사면이 각각 형성되거나, 도 6b에 도시된 바와 같이 하부면(22)에는 난반사면이 형성되고 상부면(21)에는 경면 반사면이 형성되어 있다.

즉, 레이저 스캐너(30)로부터 도 6a와 같이 구성된 난반사체(20)와 재귀반사체(10)에 레이저광이 입사되면, ①번 레이저광과 ②번 레이저광이 난반사체(20)의 상부면(21) 및 하부면(22)에서 모두 난반사되어 레이저 스캐너(30)로 반사되는 광은 줄어들고, 단지 재귀반사체(10)에 입사되는 ③번 레이저광만이 레이저 스캐너(30)로 강하게 반사된다.

그리고, 레이저 스캐너(30)로부터 도 6b와 같이 구성된 난반사체(20)와 재귀반사체(10)에 레이저광이 입사되면, ①번 레이저광은 난반사체(20)의 상부면(21)에서 경면 반사되어 레이저 스캐너(30)와는 다른 방향으로 유도되고, ②번 레이저광은 난반사체(20)의 하부면(22)에서 모두 난반사되어 레이저 스캐너(30)로 반사되는 광은 줄어들며, 단지 재귀반사체(10)에 입사되는 ③번 레이저광만이 레이저 스캐너(30)로 강하게 반사된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 광반사체는 이동체의 위치변화에 무관하게 일정한 반사광을 반사하는 재귀반사체와 수면에서의 반사에 따른 문제를 예방하는 난반사체를 구비함으로써, 이동체의 정확한 위치를 인식하는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 광반사체에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (4)

1. 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치를 인식할 수 있도록, 상기 이동체에 장착되어 수평면에 대한 이동체의 지향각을 검출하는 경사각 센서(tilt angle sensor)와, 상기 수직 벽면에 설치되어 입사하는 레이저광을 반사하는 광반사체와, 상기 이동체에 설치되어 회전하는 레이저광을 출력하고 상기 광반사체로부터 반사되는 반사광을 입력받는 레이저 스캐너(laser scanner)와, 상기 레이저 스캐너에서 입력받은 반사광을 전기적인 신호로 변환하여 상기 광반사체의 방향각을 검출하는 반사광 검출부 및, 상기 이동체의 지향각과 상기 광반사체의 방향각으로부터 상기 이동체의 절대위치를 계산하는 연산 처리부로 구성된 위치 인식장치에서, 상기 레이저 스캐너에서 출력되는 레이저광을 반사하여 상기 이동체의 위치를 알리는 광반사체에 있어서,

   상기 광반사체는 상기 이동체의 위치변동에 따른 입사방향의 변화에 무관하게 일정한 세기의 반사광을 상기 레이저 스캐너에 반사하도록, 변화하는 입사방향과 무관하게 표면법선이 항상 일치하는 원기둥 형상의 재귀반사체(retro-reflector)와; 수면에서 반사되어 상기 재귀반사체로 입사되는 레이저광을 분산시키도록, 상기 재귀반사체의 상부와 상기 수면보다 낮은 위치의 사이에 설치되는 난반사체를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 광반사체.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 난반사체의 상부면 및 하부면에 난반사면이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 광반사체.
4. 제1항에 있어서, 상기 난반사체의 하부면에는 난반사면이 형성되고 상부면에는 경면 반사면이 형성되는 것을 특징으로 하는 수중에서 수직 벽면을 주행하는 이동체의 위치 인식장치에 사용되는 광반사체.