KR101543642B1 - 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치 및 이를 사용하는 영상계측 모듈 시스템 - Google Patents

다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치 및 이를 사용하는 영상계측 모듈 시스템 Download PDF

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이연호
이우형
이재헌
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치 및 이를 사용하는 영상계측 모듈 시스템에 관한 것으로, 직육면체의 지지 프레임; 상기 지지 프레임에 삽입되어 고정되는 투명한 원통형 바디 케이스; 상기 바디 케이스와 연장되는 반구형 헤드 케이스; 수중에서 상기 바디 케이스의 자세제어 및 이동을 위한 것으로, 상기 지지 프레임 측면 4곳에 설치 고정되는 프로펠러부; 상기 바디 케이스 내부에 장착되는 것으로, 바디 배터리와, 상기 프로펠러부에 구동 제어신호를 보내는 프로펠러 제어부와, 상기 프로펠러 제어부에서 신호를 받아 상기 프로펠러부의 구동 속도를 변속하는 전자 변속기(ESC)로 구성되어 상기 바디 케이스의 자세를 제어하는 바디 모듈; 및 헤드 배터리와, 수중에서 촬영하는 카메라와, 상기 카메라를 지지하고 상기 카메라의 자세를 정밀제어하는 짐벌(gimbal)장치로 구성된 헤드 모듈을 포함한다.
이와 같이 본 발명은 바디 모듈에서 계측장치 전체 바디의 자세를 유지 및 확보하고, 헤드 모듈에서 카메라의 피치 방향 및 롤 방향의 회동을 통해 정밀하게 자세를 유지 및 확보하는 2단 자세제어 장치를 구비함으로써, 계측 단면의 안정적 확보가 가능할 뿐만 아니라, 필요에 따라 원격에서 자유롭게 계측장치를 이동 및 자세 제어가 가능하며 조작이 용이한 영상 계측장치를 제공한다.

Description

다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치 및 이를 사용하는 영상계측 모듈 시스템{underwater imaging device with multi-axes controlling and imaging module system using it}
본 발명은 영상 계측장치 및 모듈 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치 및 이를 사용하는 영상계측 모듈 시스템에 관한 것이다.
입자영상유속계(Paticle Image Velocimetry) 기법은 비접촉식 유체 계측기법으로, 유동 속에 분사한 추적입자들의 입자 영상을 화상 처리하여 주어진 유동의 속도장을 측정하는 기법이다.
이하 종래 기술에 따른 입자영상유속계에 대해서 상세하게 살펴보면 다음과 같다. 도 1은 종래 기술에 따른 입자영상유속계이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 입자영상유속계(PIV:Paticle Image Velocimetry) 시스템은 크게 펄스 레이저 발생장치(3)와, CCD카메라(5)와, 그리고 상기 CCD카메라(5)와 펄스레이저의 작동을 동기화시키는 동기화 장치(2)와, 획득된 입자영상을 디지털화시키는 프레임저장장치가 구비된 컴퓨터(1)로 구성된다.
상기 입자영상유속계의 측정원리는 다음과 같다. 속도장 측정을 위해서 먼저 유동을 잘 추종하는 작은 크기의 추적입자를 유동 속에 주입한다. 그리고 측정하고자 하는 유동단면을 펄스레이저(3)로부터 출력된 레이저 평면광으로 조사하게 되면, 이 빛에 조명되어진 유동입자들은 산란하게 된다. 상기 레이저 평면광은 원주형 렌즈와 구형렌즈와 같은 렌즈들에 지남으로서 만들어진다.
그리고 상기와 같이 산란된 입자영상의 시간간격을 체크하여 입자의 유속을 판단하게 된다. 즉, 레이저 평면광에 의해 산란된 입자영상 1장을 시간 t=t0 순간에 CCD카메라 등의 영상입력장치로 획득하고, 시간 간격(ΔT)이 지난 t=t0+ΔT 순간에 2번째 입자영상을 취득한다. 상기 시간간격(ΔT)은 유동의 속도에 따라 다르게 선정한다.
이렇게 얻어진 2장의 입자영상을 2차원 화상데이터로 컴퓨터에 저장한 후 디지털 화상처리기법을 이용하여 분석함으로써 시간간격(ΔT)동안 움직인 유동입자들의 변위정보(ΔS)를 계측한다. 여기서 입자들의 변위(ΔS)는 시간과 공간의 함수로
ΔS=ΔS(x,y,t)로 표현되어 진다. 속도벡터 U(x,y)는 변위(ΔS)를 시간간격 (Δt)으로 나누어 줌으로써 구할 수 있다.
그리고 추출한 속도장 결과를 나타내는 후처리(post processing)과정에서는 순간속도장 결과로부터 와도(vorticity)나 왜곡률(rate of strain)을 구하거나 수많은 순간 속도장 결과들을 전체적으로(ensemble) 평균하여 난류강도, Reynolds shear stress 난류 운동에너지와 같은 다양한 물리량 형태로 표현한다. 이밖에도 유체운동에 관한 지배방정식들을 활용하여 분해율(dissipation rate) 압력의 공간분포 등을 구할 수 있다.
그러나 종래에는 입자영상유속계를 통한 입자영상 속도기법이 유체 계측 분야에서 중요한 측정기법으로 자리잡고 있음에도 불구하고 시스템의 특성상 산업분야 등 필수적인 부분에서 적용되지 못하고 있는 실정이다. 그 이유는 다음과 같다.
먼저 시스템의 필수 구성요소인 펄스 레이저 발생장치, CCD카메라와 동기화 장치 등 대부분의 장치가 수입에 의존하고 있으며 산업용으로 사용하기에는 가격이 고가이다. 그러므로 연구기관이나 대학 등에서 연구용으로 사용될 뿐 산업적 응용
은 힘든 실정이다.
그리고 실험과정에 있어서 고도의 숙련도가 요구되기 때문에 설사 시스템이 구비된다고 하더라도 전문지식 없이는 실험하기가 곤란한 문제점이 있었다. 또한 시스템의 크기가 대형이므로 산업현장에서 실제 유동이 발생하는 지점을 측정할 수 없으며 모형을 제작하여 실험을 해야 한다는 단점이 있다.
그리고 종래의 입자영상유속계(PIV)에서 사용되는 펄스레이저는, 출력이 강한 레이저 장치를 사용함으로 인해서, 레이저 광이 눈에 노출되는 경우 치명적인 해를 줄 수 있는 문제점이 있었다.
이처럼 종래의 입자영상유속계(PIV)는 레이저와 같은 단면 조명장치를 사용하여 추적입자 산란광을 취득하게 되므로 다단계의 광학장치의 배열이 필요하게 되고 유동의 다양한 구조의 측정 및 관찰이 필요할 경우에는 대상 단면의 변화가 발생하게 되므로 이미지 취득을 위한 광경로 전체가 수정 설계 및 배치되어야 하는 문제점이 있다.
그리고, 최근의 유동장 측정 분야에 있어서 자가 이송형 계측시스템이 많이 개발되어지고 있다. 이러한 경우 계측의 기법의 활용 및 방법도 중요하지만 시스템의 자세 안정성의 확보는 시스템 활용 이전에 반드시 필수적으로 확보되어져야 하는 전제 조건이 된다.
특히, 이러한 측정시스템이 유동장, 즉 공기 및 유체 내부에 부유되는 상태일 때에는 부력(buoyancy) 등의 외력의 영향으로 비안정성(unstable)이 유발될 경우 근본적인 목적인 계측 작업의 수행이 불가능해지게 되는 단점이 발생되게 된다.
또한, 현재까지 많은 장비들이 외부 부유체의 자세를 직접 피드백 제어하여 자세의 유지를 하는 것이 상대적으로 간단하여 많이 활용되어지고 있으나, 속도장의 계측 및 이미징 시스템으로의 응용에서는 측정단면이 주로 평면의 2차원 유동장을 정밀 계측하게 되므로 부유체 자체의 유지뿐만 아니라, 내부에 탑재되는 이미징 시스템의 측정단면에 대한 안정적 자세 확보가 절실히 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1222924호(등록일: 2013년01월10일)
상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 과제는 수중에서 영상 계측 단면의 안정적 확보가 가능하고, 원격에서 자유롭게 계측장치를 이동 및 자세 제어가 가능하며 조작이 용이한 영상 계측장치를 제공하고자 함이다.
또한, 방수형 수중 부유체로서 영상 계측장치의 자세 유지뿐만 아니라, 영상 계측 단면의 안정적 확보가 가능하고, 정밀한 제어를 통해 양질의 계측 영상을 획득할 수 있는 수중 영상계측 모듈시스템을 제공하고자 함이다.
상술한 문제를 해결하는 본 발명의 제1 특징은 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치로서, 직육면체의 지지 프레임; 상기 지지 프레임에 삽입되어 고정되는 투명한 원통형 바디 케이스; 상기 바디 케이스와 연장되는 반구형 헤드 케이스; 수중에서 상기 바디 케이스의 자세제어 및 이동을 위한 것으로, 상기 지지 프레임 측면 4곳에 설치 고정되는 프로펠러부; 상기 바디 케이스 내부에 장착되는 것으로, 바디 배터리와, 상기 프로펠러부에 구동 제어신호를 보내는 프로펠러 제어부와, 상기 프로펠러 제어부에서 신호를 받아 상기 프로펠러부의 구동 속도를 변속하는 전자 변속기(ESC)로 구성되어 상기 바디 케이스의 자세를 제어하는 바디 모듈; 및 헤드 배터리와, 수중에서 촬영하는 카메라와, 상기 카메라를 지지하고 상기 카메라의 자세를 정밀제어하는 짐벌(gimbal)장치로 구성된 헤드 모듈을 포함한다.
여기서, 상기 바디케이스 내부에 상기 프로펠러 제어부와 연결되는 무선 통신모듈을 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 프로펠러 제어부는 상기 바디 케이스의 자세가 기울어진 정도를 측정하는 기울기 센서, 가속도 센서 및 자이로 센서 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는 상기 프로펠러부는, 상기 프로펠러 제어부와 유선으로 연결되어, 상기 지지 프레임의 측면 4곳에 설치되는 서보모터와, 상기 각 모터 상부에 연결되어 상기 각 모터의 샤프트 축을 중심으로 회동하는 프로펠러로 구성된 것일 수 있고, 상기 짐벌장치는, 카메라를 지지하는 지지판과, 상기 지지판 양쪽에서 상기 지지판을 피치(PITCH) 방향으로 회동하는 2개의 서보모터와, 상기 서보모터의 지지부와 연결되어 상기 카메라를 롤(ROLL) 방향으로 회동하는 하나의 서보모터로 구성되는 것일 수 있다.
그리고, 본 발명의 제2 특징은 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상계측 모듈 시스템으로, 수조; 상기 수조내부에서 부유하는 것으로, 직육면체의 지지 프레임과; 상기 지지 프레임에 삽입되어 고정되는 투명한 원통형 바디 케이스와; 상기 바디 케이스와 연장되는 반구형 헤드 케이스와; 수중에서 상기 바디 케이스의 자세제어 및 이동을 위한 것으로, 상기 지지 프레임 측면 4곳에 설치 고정되는 프로펠러부와; 상기 바디 케이스 내부에 장착되는 것으로, 바디 배터리와, 상기 프로펠러부에 구동 제어신호를 보내는 프로펠러 제어부와, 상기 프로펠러 제어부에서 신호를 받아 상기 프로펠러부의 구동 속도를 변속하여 전자 변속기(ESC)로 구성되어, 상기 바디 케이스의 자세를 제어하는 바디 모듈; 및 헤드 배터리와, 수중에서 촬영하는 카메라와, 상기 카메라를 지지하고 상기 카메라의 자세를 정밀제어하는 짐벌(gimbal)장치로 구성된 헤드 모듈을 포함하여 구성된 수중이동 영상 계측장치; 상기 수조 내부로 유속 생성을 위한 점성유체를 이송하는 이송관; 및 상기 이송관 사이에 설치되는 것으로, 상기 점성유체의 이송을 펌프하는 이송펌프를 포함한다.
여기서, 상기 바디케이스 내부에 상기 프로펠러 제어부와 연결되는 무선 통신모듈을 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 프로펠러 제어부는 상기 바디 케이스의 자세가 기울어진 정도를 측정하는 기울기 센서, 가속도 센서 및 자이로 센서 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는 상기 프로펠러부는, 상기 프로펠러 제어부와 유선으로 연결되어, 상기 지지 프레임의 측면 4곳에 설치되는 서보모터와, 상기 각 모터 상부에 연결되어 상기 각 모터의 샤프트 축을 중심으로 회동하는 프로펠러로 구성된 것일 수 있고, 상기 짐벌장치는, 카메라를 지지하는 지지판과, 상기 지지판 양쪽에서 상기 지지판을 피치(PITCH) 방향으로 회동으로 회동하는 2개의 서보모터와, 상기 서보모터의 지지부와 연결되어 상기 카메라를 롤(ROLL) 방향으로 회동하는 하나의 서보모터로 구성되는 것일 수 있다.
이와 같이 본 발명은 바디 모듈에서 계측장치 전체 바디의 자세를 유지 및 확보하고, 헤드 모듈에서 카메라의 피치 방향 및 롤 방향의 회동을 통해 정밀하게 자세를 유지 및 확보하는 2단 자세제어 장치를 구비함으로써, 계측 단면의 안정적 확보가 가능할 뿐만 아니라, 필요에 따라 원격에서 자유롭게 계측장치를 이동 및 자세 제어가 가능하며 조작이 용이한 영상 계측장치를 제공한다.
또한, 방수형 수중 부유체로서 영상 계측장치의 자세 유지뿐만 아니라, 카메라 등의 영상취득 장치를 장착하여 계측 단면의 안정적 확보가 가능하고, 정밀한 제어를 통해 양질의 계측 영상을 획득할 수 있는 수중 영상계측 모듈시스템을 제공한다.
도 1은 종래 기술에 따른 입자영상유속계를 나타낸 도면이고,
도 2는 보 발명의 실시예에 따른 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치의 구성을 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치에서 바디 모듈의 구성을 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치에서 헤드 모듈의 구성을 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치의 실제 사진을 나타내고,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상계측 모듈 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 명세서에서 "및/또는"이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.
이하에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 보 발명의 실시예에 따른 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수중이동 영상 계측장치는, 직육면체의 지지 프레임(210); 상기 지지 프레임에 삽입되어 고정되는 투명한 원통형 바디 케이스(220); 상기 바디 케이스(220)와 연장되는 반구형 헤드 케이스(230); 수중에서 상기 바디 케이스(220)의 자세제어 및 이동을 위한 것으로, 상기 지지 프레임 측면 4곳에 설치 고정되는 프로펠러부(240); 상기 바디 케이스(220) 내부에 장착되는 것으로, 바디 배터리(251)와, 상기 프로펠러부(240)에 구동 제어신호를 보내는 프로펠러 제어부(253)와, 상기 프로펠러 제어부(253)에서 신호를 받아 상기 프로펠러부(240)의 구동 속도를 변속하는 전자 변속기(257)(ESC)로 구성되어 상기 바디 케이스(220)의 자세를 제어하는 바디 모듈(250); 및 헤드 배터리(261)와, 수중에서 촬영하는 카메라(265)와, 상기 카메라(265)를 지지하고 상기 카메라(265)의 자세를 정밀제어하는 짐벌(gimbal)장치로 구성된 헤드 모듈(260)을 포함하여 구성된다.
이와 같은 본 발명은 바디 케이스(220) 내부에 측면에 연결된 4개의 프로펠러 구동을 제어하여, 바디의 자세 균형을 유지하는 제1 제어모듈인 바디모듈을 구비하고, 헤드 케이스(230) 내부에 카메라(265)가 수중에서 촬영영역을 촬영하고 계측하기 위한 정밀한 자세유지 또는 확보를 위한 짐벌장치로 구성되어 정밀제어하는 제2 제어모듈인 헤드 모듈(260)로 구성된다. 즉 이와 같은 구성으로, 수중이동 영상 계측장치가 수중에서 자세를 유지하고 확보하기 위해, 바디 모듈(250)에서 계측장치 전체 바디의 자세를 유지하고 확보하고, 헤드 모듈(260)에서 카메라(265)의 피치 방향 및 롤 방향의 회동을 통해 정밀하게 자세를 유지 또는 확보하는 2단 자세제어 장치를 구비함으로써, 계측 단면의 안정적 확보가 가능할 뿐만 아니라, 필요에 따라 원격에서 자유롭게 계측장치를 이동 및 자세 제어가 가능하며 조작이 용이한 영상 계측장치를 제공한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 영상 계측장치는 투명한 원통형의 바디 케이스(220)와, 반구형의 헤드 케이스(230)가 결합되고, 그 외측에 직육면체 형상의 지지 프레임(210)이 지지하며, 지지 프레임(210) 측면 4곳에 프로펠러가 장착된 구조로 이루어 진다.
여기서 바디 케이스(220) 및 헤드 케이스(230)는 외부에서 카메라(265) 등의 움직임 또는 동작을 모니터하고 필요에 따라 리모트 콘트롤러를 이용하여 계측장치 전체나 카메라(265)의 동작을 제어할 수 있도록 투명한 유리 또는 플라스틱 재질인 것이 바람직하다. 그리고, 반구형과 원통형 케이스 형상을 갖는 것은 수조내에서 유체의 저항을 최소화하고, 안정적인 촬영 또는 계측을 위한 자세 확보를 용이하게 하기 위함이다.
그리고, 이와 같은 바디 케이스(220) 및 헤드 케이스(230)는 직육면체 형상의 지지 프레임(210) 내부에 삽입되어 고정시킴으로써, 계측장치의 안정성을 높이고, 지지 프레임(210)에 프로펠러부(240)를 설치하는 것을 용이하게 하는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 영상 계측장치 전체의 자세와 균형을 유지 확보하기 위한 장치는 지지 프레임(210) 측면에 설치된 4개의 프로펠러를 이용한다. 프로펠러는 계측장치를 수조내에서 부유시키는 역할을 수행하기도 하지만, 계측장치의 4개의 지점에서 각각의 프로펠러 회동속도를 제어함으로써, 자세를 제어하고 안정적이 촬영 또는 계측을 위한 자세확보를 유도할 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치에서 바디 모듈(250)의 구성을 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 바디 모듈(250)은 계측장치의 전체적 자세확보를 위한 제1 제어 모듈로서, 상기 바디 케이스(220) 내부에 장착되는 것으로, 배터리와, 상기 프로펠러부(240)에 구동 제어신호를 보내는 프로펠러 제어부(253)와, 상기 프로펠러 제어부(253)에서 신호를 받아 상기 프로펠러부(240)의 구동 속도를 변속하는 전자 변속기(257)(ESC) 및 상기 제어부와 연결되어 외부와 무선 통신할 수 있는 무선 통신모듈(255)로 구성되어 상기 바디 케이스(220)의 자세를 제어하는 것을 특징으로 한다.
여기서 바디 배터리(251)는 계측장치의 전원으로서, 상기 프로펠러부(240), 프로펠러 제어부(253), 무선 통신모듈(255) 등의 각 구성요소에 전원을 공급하는 장치이다. 바디 배터리(251)는 일반적인 일회용 배터리도 가능할 뿐만 아니라, 필요에 따라 충전 가능한 2차전지를 사용하는 것도 가능하다.
프로펠러 제어부(253)는 프로펠러부(240)의 구동을 제어하는 것으로, 프로펠러부의 모터구동을 제어한다. 프로펠러 제어부(253)는 마이크로 콘트롤러(MCU)와 상기 바디 케이스(220)의 자세가 기울어진 정도를 측정하는 기울기 센서, 가속도 센서 및 자이로 센서 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 바람직한데, 이는 계측장치가 특정 방향으로 기울어진 정도를 상기 자이로 센서 등을 통해 측정하고, 이에 따라 마이크로 콘트롤러를 통해 수중에서 촬영 계측을 위한 자세 제어 명령신호를 산출할 수 있기 때문이다.
즉, 자이로 센서 등으로 계측장치의 기울어진 정도 또는 수중에서의 자세를 측정하고, 측정된 데이터에 따라 가장 적정한 촬영 계측을 위한 자세로 복귀할 수 있는 각 프로펠러의 구동속도를 결정하여 구동 명령신호를 프로펠러부(240) 각각에 전달하고, 각각의 프로펠러부(240)는 상기 구동 명령신호에 따라 구동함으로써, 안정적이고 최적의 촬영 계측을 위한 자세확보 및 균형을 유지할 수 있게 된다. 또한, 이와 같은 구동명령 신호에 따라 프로펠러의 구동속도를 변속하기 위해, 전자 변속기(257)(ESC)를 상기 프로펠러 제어부(253)와 프로펠러부(240) 사이에 설치한다. 여기서 전자 변속기(257)(ESC) 무선 통신모듈(255)에서 제공되는 PWM 신호를 가지고 모터를 제어할 수 있을 만큼의 정밀성과 전류제어로 변환하여 서보모터 등을 제어한다. 그리고, PWM 출력이 나오면 전자 변속기(257)에 연결된 배터리 전원이 상기 전자 변속기(257)를 지나 무선 통신모듈(255)에 공급된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치에서 헤드 모듈(260)의 구성을 나타낸 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 카메라(265)의 촬영 계측 영역의 안정된 자세 확보를 위한 상기 계측장치의 제2 제어 모듈로서, 헤드 모듈(260)은 수중에서 촬영영역을 안정적인 촬영계측을 위한 카메라(265)의 자세확보를 위한 장치이다. 헤드 모듈(260)은 헤드 배터리(261)와, 수중에서 촬영하는 카메라(265)와, 상기 카메라(265)를 지지하고 상기 카메라(265)의 자세를 정밀제어하는 짐벌(gimbal)장치로 구성된다.
여기서, 짐벌(gimbal) 장치는 수중에서 부유한 구조물의 동요에 관계없이 기기나 장비가 수평 및 연직으로 놓일 수 있도록 전후 좌우 방향축에 대하여 회전을 허용하는 회전 허용 지지틀이다. 즉, 카메라(265)가 상기 짐벌장치에 장착되어, 계측장치 전체의 자세가 틀어진다 하더라도, 상기 짐벌장치로 인해 안정적이고 정확한 촬영계측을 위한 자세 또는 위치를 확보할 수 있게 된다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 헤드 모듈(260)은 헤드 후방에 헤드 배터리(261)를 설치하고, 카메라(265)의 후방에 자이로 센서를 설치하여 안정적 촬영계측 영역을 벗어나도록 카메라(265)의 자세가 흐트러진 경우, 그 기울어진 정도를 측정하고, 측정된 신호에 따라 짐벌장치를 구동시켜 카메라(265)의 자세를 회복 또는 복귀시키게 된다.
짐벌장치는 도 4에 나타낸 바와 같이, 지지판 중심 상부에 고정 설치되고, 상기 지지판 양측으로 피치(PITCH)방향으로 회동 가능하도록 서보모터(265)가 설치되어 있다. 그리고, 상기 서보모터와 후방으로 연장되어 상기 서보모터를 지지하는 양쪽 지지부가 하나의 짐벌 프레임에 고정되고, 상기 짐벌 프레임 중심 후면에 서보모터(267)를 연결함으로써 롤(ROLL)방향으로 회동 가능하도록 한다.
이처럼 측면 서보모터(263)에 의해 피치방향으로 회동하고, 짐벌 프레임 후면 서보모터(267)에 의해 롤방향으로 회동 가능하도록 함으로써, 카메라(265)의 안정적이고 정확한 촬영계측을 위한 자세 확보가 가능하게 된다. 이와 같은 헤드 모듈(260)은 영상 계측장치 전체의 자세 제어를 위한 제1 제어모듈로서 바디 모듈(250)과 카메라(265)의 자세를 제어함으로써 더욱 정밀하고 안정된 촬영계측을 위한 제2 제어모듈을 제공하는 기능을 수행하게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치의 실제 사진을 나타낸다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 영상 계측장치는 바디 모듈(250)이 삽입 장착된 투명한 원통형의 바디 케이스(220)와, 바디 케이스(220)와 연장된 투명한 반구형 헤드 케이스(230)에 헤드 모듈(260)의 장착되어 육면체의 지지 프레임(210)으로 지지된 구조로서, 바디 모듈(250)과 헤드 모듈(260)에 의한 2단의 자세 제어를 구현하여 안정적으로 촬영계측을 위한 자세를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 그 조작이 용이하고 정밀한 촬영계측이 가능한 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치를 나타내고 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상계측 모듈 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 영상계측 모듈 시스템은 수조(100); 상기 수조내부에서 부유하는 것으로, 직육면체의 지지 프레임(210)과; 상기 직육면체 프레임에 삽입되어 고정되는 투명한 원통형 바디 케이스(220)와; 상기 바디 케이스(220)와 연장되는 반구형 헤드 케이스(230)와; 수중에서 상기 바디 케이스(220)의 자세제어 및 이동을 위한 것으로, 상기 지지 프레임(210) 측면 4곳에 설치 고정되는 프로펠러부(240)와; 상기 바디 케이스(220) 내부에 장착되는 것으로, 배터리와, 상기 프로펠러부(240)에 구동 제어신호를 보내는 프로펠러 제어부(253)와, 상기 프로펠러 제어부(253)에서 신호를 받아 상기 프로펠러부(240)의 구동 속도를 변속하여 전자 변속기(257)(ESC)로 구성되어, 상기 바디 케이스(220)의 자세를 제어하는 바디 모듈(250); 및 배터리와, 수중에서 촬영하는 카메라(265)와, 상기 카메라(265)를 지지하고 상기 카메라(265)의 자세를 정밀제어하는 짐벌(gimbal)장치로 구성된 헤드 모듈(260)을 포함하여 구성된 수중이동 영상 계측장치(200); 상기 수조 내부로 유속 생성을 위한 점성유체를 이송하는 이송관(300); 및 상기 이송관 사이에 설치되는 것으로, 상기 점성유체의 이송을 펌프하는 이송펌프(400)를 포함하여 구성된다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 영상계측 모듈 시스템은 상술한 영상 계측장치를 이용해 수조(100) 내에서 점성유체의 다양한 정보를 측정하기 위한 시스템으로, 수조(100)와, 수조(100) 내에 부유하여 촬영계측을 위한 자세를 확보하는 영상 계측장치(200)와, 상기 수조내로 점송유체를 이송하는 이송관(300)과, 이송관(300) 사이에서 점성유체의 이송을 펌프하는 펌프(400)로 구성된다.
영상계측장치는 상술한 바와 같이, 수중에서 부유한 상태에서 점성유체가 유속을 생성하며 이동하는 경우에 유체를 촬영계측 하는 장치로서, 바디 모듈(250)의 제1 제어 모듈과, 카메라(265)의 자세를 제어하는 헤드 모듈(260)의 제2 제어모듈로 구성되어 안정적이고 정밀한 촬영계측을 위한 자세를 확보하고 균형을 유지할 수 있다.
그러므로 본 발명의 실시예에 따른 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상계측 모듈 시스템은 방수형 수중 부유체로서 영상 계측장치의 자세 유지뿐만 아니라, 카메라 등의 영상취득 장치를 장착하여 계측 단면의 안정정 확보가 가능하고, 정밀한 제어를 통해 양질의 계측 영상을 획득할 수 있는 영상계측 모듈시스템을 제공한다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
100: 수조, 200: 영상 계측장치, 210: 지지 프레임,
220: 바디 케이스, 230: 헤드 케이스, 240: 프로펠러부,
250: 바디 모듈, 251: 바디 배터리, 253: 프로펠러 제어부,
255: 무선 통신모듈, 257: 전자 변속기, 260: 헤드 모듈,
261: 헤드 배터리, 265: 카메라

Claims (10)

  1. 직육면체의 지지 프레임;
    상기 지지 프레임에 삽입되어 고정되는 투명한 원통형 바디 케이스;
    상기 바디 케이스와 연장되는 반구형 헤드 케이스;
    수중에서 상기 바디 케이스의 자세제어 및 이동을 위한 것으로, 상기 지지 프레임 측면 4곳에 설치 고정되는 프로펠러부;
    상기 바디 케이스 내부에 장착되는 것으로, 바디 배터리와, 상기 프로펠러부에 구동 제어신호를 보내는 프로펠러 제어부와, 상기 프로펠러 제어부에서 신호를 받아 상기 프로펠러부의 구동 속도를 변속하는 전자 변속기(ESC)로 구성되어 상기 바디 케이스의 자세를 제어하는 바디 모듈인 제1 제어 모듈; 및
    헤드 배터리와, 수중에서 촬영하는 카메라와, 상기 카메라를 지지하고 상기 카메라의 자세를 정밀제어하는 짐벌(gimbal)장치로 구성된 헤드 모듈인 제2 제어모듈을 포함하되,
    상기 제1 제어모듈을 통해 계측장치의 전체 바디의 수중 자세를 제어하고, 상기 제2 제어모듈을 통해 계측 단면의 안정적 확보를 위해 상기 헤드 모듈에 내장된 카메라의 내부 자세를 제어하여 2단 자세 제어하는 것을 특징으로 하는 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바디케이스 내부에 상기 프로펠러 제어부와 연결되는 무선 통신모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 프로펠러 제어부는 상기 바디 케이스의 자세가 기울어진 정도를 측정하는 기울기 센서, 가속도 센서 및 자이로 센서 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프로펠러부는,
    상기 프로펠러 제어부와 유선으로 연결되어, 상기 지지 프레임의 측면 4곳에 설치되는 서보모터와,
    상기 각 모터 상부에 연결되어 상기 각 모터의 샤프트 축을 중심으로 회동하는 프로펠러로 구성된 것을 특징으로 하는 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 짐벌장치는,
    카메라를 지지하는 지지판과,
    상기 지지판 양쪽에서 상기 지지판을 피치(PITCH) 방향으로 회동하는 2개의 서보모터와,
    상기 서보모터의 지지부와 연결되어 상기 카메라를 롤(ROLL) 방향으로 회동하는 하나의 서보모터로 구성되는 것을 특징으로 하는 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상 계측장치.
  6. 수조;
    상기 수조내부에서 부유하는 것으로, 직육면체의 지지 프레임과; 상기 지지 프레임에 삽입되어 고정되는 투명한 원통형 바디 케이스와; 상기 바디 케이스와 연장되는 반구형 헤드 케이스와; 수중에서 상기 바디 케이스의 자세제어 및 이동을 위한 것으로, 상기 지지 프레임 측면 4곳에 설치 고정되는 프로펠러부와; 상기 바디 케이스 내부에 장착되는 것으로, 바디 배터리와, 상기 프로펠러부에 구동 제어신호를 보내는 프로펠러 제어부와, 상기 프로펠러 제어부에서 신호를 받아 상기 프로펠러부의 구동 속도를 변속하여 전자 변속기(ESC)로 구성되어, 상기 바디 케이스의 자세를 제어하는 바디 모듈인 제1 제어모듈; 및 헤드 배터리와, 수중에서 촬영하는 카메라와, 상기 카메라를 지지하고 상기 카메라의 자세를 정밀제어하는 짐벌(gimbal)장치로 구성된 헤드 모듈인 제2 제어모듈을 포함하여 구성된 수중이동 영상 계측장치;
    상기 수조 내부로 유속 생성을 위한 점성유체를 이송하는 이송관; 및
    상기 이송관 사이에 설치되는 것으로, 상기 점성유체의 이송을 펌프하는 이송펌프를 포함하되,
    상기 제1 제어모듈을 통해 계측장치의 전체 바디의 수중 자세를 제어하고, 상기 제2 제어모듈을 통해 계측 단면의 안정적 확보를 위해 상기 헤드 모듈에 내장된 카메라의 내부 자세를 제어하여 2단 자세 제어하는 것을 특징으로 하는 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상계측 모듈 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바디케이스 내부에 상기 프로펠러 제어부와 연결되는 무선 통신모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상계측 모듈 시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 프로펠러 제어부는 상기 바디 케이스의 자세가 기울어진 정도를 측정하는 기울기 센서, 가속도 센서 및 자이로 센서 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상계측 모듈 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 프로펠러부는,
    상기 프로펠러 제어부와 유선으로 연결되어, 상기 지지 프레임의 측면 4곳에 설치되는 서보모터와,
    상기 각 모터 상부에 연결되어 상기 각 모터의 샤프트 축을 중심으로 회동하는 프로펠러로 구성된 것을 특징으로 하는 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상계측 모듈 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 짐벌장치는,
    카메라를 지지하는 지지판과,
    상기 지지판 양쪽에서 상기 지지판을 피치(PITCH) 방향으로 회동으로 회동하는 2개의 서보모터와,
    상기 서보모터의 지지부와 연결되어 상기 카메라를 롤(ROLL) 방향으로 회동하는 하나의 서보모터로 구성되는 것을 특징으로 하는 다축으로 제어 가능한 수중이동 영상계측 모듈 시스템.








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