KR102365084B1 - 수중구조물 진단용 수중드론 시스템 - Google Patents

수중구조물 진단용 수중드론 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수중드론을 이용하여 댐 등의 수중구조물에 흰색이나 유색의 시약을 분사하고, 수중카메라를 이용하여 촬영함으로써 수중구조물의 누수나 크랙 등을 확인하여 안전하고 정확하게 안전 진단을 할 수 있으며, 깊은 수심에서도 수중구조물의 안전을 진단할 수 있는 수중구조물 진단용 수중드론 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 수중구조물 진단용 수중드론 시스템은, 부력을 제공하는 부력재와, 수중에서 원하는 방향으로 이동시키는 추진력을 발생시키는 추진기를 구비하여, 수중에 잠겨지게 설치되는 수중드론; 상기 수중드론에 설치되어 수중구조물을 향해 진단용 시약을 분사하는 시약분사부; 상기 수중드론에 설치되어 수중구조물을 촬영하여 외부의 진단장치로 이미지정보를 전송하는 촬영부; 및, 상기 수중드론의 추진기와 시약분사부 및 촬영부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.

Description

수중구조물 진단용 수중드론 시스템{Underwater Drone System for Safety Diagnosis of Underwater Structure}
본 발명은 수중구조물의 안전 진단을 위한 시약을 주입하는 수중드론 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 댐 등의 수중구조물의 안전 진단을 위해 수중구조물에 흰색이나 유색의 시약을 무인 수중드론을 이용하여 주입할 수 있는 수중구조물 진단용 수중드론 시스템에 관한 것이다.
댐, 저수지, 보, 물탱크 등 대용량의 물을 저장하는 구조물은 손상, 누수 등의 안전 사고 발생 시 대형 피해를 야기할 수 있기 때문에 오래되고 노후화된 수중 시설물에 대한 효과적인 수중 점검의 필요성이 점차 증가하고 있다.
특히 국내 수중 시설물들 중에서 댐의 경우 20년 이상 노후화된 구조물이 다수 있기 때문에 재난안전의 예방을 위해 주기적인 점검 및 관리가 필요하다.
현재 국내 댐 등의 수중구조물에 대한 조사는 일부 Side Scan Sonar 등의 원격탐사용 소나 장비를 활용하기도 하지만 대부분 잠수사에 의해 수행되고 있으며, 이러한 잠수사에 의한 조사 방식은 운용 수심 및 체류시간의 제한, 데이터 관리, 실시간 점검 등 여러 가지 제한사항을 내포하고 있다.
또한 잠수사는 최대 약 30m 이내에서 조사가 가능하고 수심이 깊어질수록 수중체류시간이 20분 내외로 제한되므로 수심이 깊고 조사 범위가 넓은 대형 댐의 경우에는 일부 제한적인 조사가 수행될 수 밖에 없으며, 잠수사 투입 시 내재되어 있는 안전사고가 발생 가능성도 있다.
대한민국 등록특허 제10-1128032호 대한민국 등록특허 제10-1642493호
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 수중드론을 이용하여 댐 등의 수중구조물에 흰색이나 유색의 시약을 주입하고, 수중카메라를 이용하여 촬영함으로써 수중구조물의 누수나 크랙 등을 확인하여 안전하고 정확하게 안전 진단을 할 수 있으며, 깊은 수심에서도 수중구조물의 안전을 진단할 수 있는 수중구조물 진단용 수중드론 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수중구조물 진단용 수중드론 시스템은, 부력을 제공하는 부력재와, 수중에서 원하는 방향으로 이동시키는 추진력을 발생시키는 추진기를 구비하여, 수중에 잠겨지게 설치되는 수중드론; 상기 수중드론에 설치되어 수중구조물을 향해 진단용 시약을 분사하는 시약분사부; 상기 수중드론에 설치되어 수중구조물을 촬영하여 외부의 진단장치로 이미지정보를 전송하는 촬영부; 및, 상기 수중드론의 추진기와 시약분사부 및 촬영부의 작동을 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 시약분사부는, 시약을 저장하는 저장용기와, 상기 제어부로부터 제어신호를 인가받아 작동하는 모터를 구비하여 상기 모터의 작동에 의해 상기 저장용기에서 공급되는 시약을 일정한 압력으로 펌핑하는 분사펌프와, 일단이 상기 분사펌프에 연결되고 다른 일단이 수중드론의 전방에 배치되어 분사펌프에 의해 펌핑되는 시약을 수중구조물로 분사하는 노즐유닛을 포함할 수 있다.
상기 노즐유닛은 일단부가 상기 분사펌프에 연결되는 노즐관과, 상기 노즐관의 다른 일단부에 연결되어 시약을 분사하는 노즐헤드와, 상기 노즐헤드의 위치를 분사위치조정기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 한 형태에 따른 수중구조물 진단용 수중드론 시스템은, 상기 시약분사부를 통해 시약을 분사할 때 상기 수중드론을 상기 수중구조물에 대해 밀착시키기 위한 위치유지수단을 더 포함할 수 있다.
상기 위치유지수단은 상기 수중드론에 탈부착이 가능하게 설치되는 보조프레임과, 상기 보조프레임의 전단부에 설치되어 수중구조물의 면에 탄력적으로 밀착되면서 구름 운동하는 롤러를 포함할 수 있다.
또한 상기 위치유지수단은, 상기 롤러를 보조프레임에 대해 탄력적으로 지탱하는 서스펜션유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 수중드론에 설치된 시약분사부의 분사펌프를 작동시켜 시약을 분사하면서 수중드론을 수중구조물에 대해 이동시켜 수중구조물의 누수 여부를 정확하고 안전하게 진단할 수 있으며, 특히 수중드론의 잠수 깊이와 범위에 거의 제한이 없으므로 수중구조물 전체에 대한 누수 진단을 수행할 수 있다.
또한 수중드론에 보조프레임을 설치하여, 시약 분사 시 보조프레임의 롤러를 수중구조물의 면에 탄력적으로 밀착시켜 시약 분사 및 진단을 수행하게 되면, 수중에서 시약을 분사하는 과정에서 물의 유동 등에 의해 의도치 않게 수중드론의 위치가 이동하는 것을 방지할 수 있고, 정확하게 안정적인 시약 분사 및 진단을 수행할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중구조물 진단용 수중드론 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중드론 시스템의 일부 구성을 분해하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 수중드론 시스템의 수중드론을 분해하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시한 수중드론 시스템의 사시도이다.
도 5는 도 2에 도시한 수중드론 시스템의 정면도이다.
도 6은 도 2에 도시한 수중드론 시스템의 측면도이다.
도 7은 도 2에 도시한 수중드론 시스템의 배면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중드론 시스템의 일부 구성을 나타낸 평면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수중드론 시스템의 일부 구성을 나타낸 측면도이다.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 수중구조물 진단용 수중드론 시스템에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1 내지 도 7은 본 발명에 따른 수중구조물 진단용 수중드론 시스템을 나타낸 것으로, 수중드론 시스템은 수중에 잠겨지게 설치되는 수중드론(100), 상기 수중드론(100)에 설치되어 수중구조물(S)을 향해 진단용 시약을 분사하는 시약분사부, 상기 수중드론(100)에 설치되어 수중구조물(S)을 촬영하여 외부의 진단장치로 이미지정보를 전송하는 촬영부, 및 상기 추진기(151, 152)와 시약분사부 및 촬영부의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.
수중드론(100)은 공지의 수중 무인로봇이나 무인잠수정과 같은 수중드론을 적용하여 구성할 수 있는데, 이 실시예에서 수중드론(100)은 메인프레임(110)의 양측에 수중에서의 밸러스트 조정을 위한 부력을 제공하는 복수의 부력재(120)가 배치되고, 그 사이에 상기 제어부를 구성하는 모터 드라이버와 GPS, 통신모듈, 전원공급기, 누수센서, 온도센서, 수심 센서 등의 전기부품과 회로기판이 밀폐되게 내설되는 압력용기(130)가 설치된다. 상기 압력용기(130)의 후단부에는 지상 또는 선상의 통제기(1)와 제어부 간에 전기신호를 수신하거나 송신할 수 있는 수중케이블(2)이 연결되는 컨넥터(131)가 구비될 수 있다. 그리고 상기 부력재(120)의 하측에 압력용기 내부에 배터리가 내장된 2개의 배터리팩(160)이 배치된다. 상기 부력재(120)와 압력용기(130)는 보호커버(140)에 의해 은폐된다.
또한 수중드론(100)의 양측부와 전·후방부에는 수중드론(100)을 수중에서 원하는 방향으로 이동시키는 추진력을 제공하는 복수의 추진기(151, 152)가 설치된다. 상기 추진기(151, 152)는 공지의 수중드론에 구성되는 프로펠러와 모터를 적용하여 구성할 수 있다. 이 실시예에서는 수직방향으로의 이동을 위한 4개의 수직 추진기(151)와 전후 및 좌우의 수평 방향으로의 이동을 위한 4개의 수평 추진기(152)를 포함한다.
수중드론(100)의 전방에는 촬영부를 구성하는 고화질 해상도의 수중카메라(310)와, 촬영을 위한 조명을 제공하기 위한 LED 등의 광원이 구비된 복수의 조명유닛(320)이 설치된다. 상기 수중카메라(310)는 수중구조물(S)을 촬영하여 촬영된 이미지정보를 지상 또는 선상의 통제기(1)로 전송한다. 도면에 도시하지는 않았으나, 수중카메라(310)는 수중카메라 틸트유닛에 의해 상하 및/또는 좌우로 회전이 가능하게 구성될 수 있다.
상기 시약분사부는, 시약을 저장하는 저장용기(210)와, 상기 제어부로부터 제어신호를 인가받아 작동하는 모터를 구비하여 상기 모터의 작동에 의해 상기 저장용기(210)에서 공급되는 시약을 일정한 압력으로 펌핑하는 분사펌프(220)와, 일단이 상기 분사펌프(220)에 연결되고 다른 일단이 수중드론(100)의 전방에 배치되어 분사펌프(220)에 의해 펌핑되는 시약을 수중구조물(S)로 분사하는 노즐유닛을 포함한다.
저장용기(210)는 수중구조물(S)의 누수를 확인할 수 있도록 하기 위한 흰색 또는 유색의 시약을 저장하는 용기로서, 수압에 견딜 수 있는 유연한 재질로 이루어지거나, 혹은 압력용기로 이루어질 수 있다.
상기 노즐유닛은 일단부가 상기 분사펌프(220)에 연결되고 다른 일단부가 수중드론(100)의 전방부 상단에 설치되는 노즐관(230)을 포함할 수 있다. 상기 노즐관(230)은 유연한 호스를 적용하여 구성할 수 있으나, 이와 다르게 내식성이 우수한 금속이나 플라스틱, 세라믹 등 다양한 재질의 파이프나 호스를 적용하여 구성할 수 있다.
또한 노즐관(230)의 선단부 위치가 고정될 경우 분사 위치를 변경하고자 할 경우 수중드론(100) 자체의 위치를 이동시켜야 하지만, 노즐관(230)의 선단부의 위치를 이동 가능하게 구성할 경우 수중드론(100)의 위치를 이동시키지 않고 노즐관(230)의 선단부 위치만 일정 정도 가변시켜 분사 위치를 가변시킬 수 있다.
이를 위해 도 8에 도시한 것과 같이, 상기 노즐관(230)의 선단부에 시약을 분사하는 노즐헤드(235)를 설치하고, 상기 수중드론(100)의 전방에 노즐헤드(235)의 위치를 이동시키는 분사위치조정기를 설치할 수 있다.
이 실시예에서 상기 분사위치조정기는 수중드론(100)의 메인프레임(110) 전방에 측방향으로 연장되게 설치되는 가이드레일(241)과, 상기 메인프레임(110)에 측방향으로 연장되게 설치되는 볼스크류(242)와, 상기 볼스크류(242)의 회전에 의해 볼스크류(242)의 축방향으로 이동하며 상기 노즐헤드(235)가 결합되는 너트부(243)와, 상기 볼스크류(242)를 회전시키는 서보모터(244)를 포함할 수 있다. 상기 볼스크류(242)와 너트부(243) 및 서보모터(244)는 밀폐커버(미도시)에 의해 수밀하게 설치될 수 있다.
또한 분사위치조정기로서 링크 구조로 연결되어 모터에 의해 원하는 임의의 방향으로 운동하는 작업 로봇과 같은 매니퓰레이터를 적용하여 구성할 수도 있을 것이다.
그리고 상기 시약분사부를 통해 시약을 분사할 때, 수중드론(100)이 시약의 분사 압력이나 물의 흐름에 의해 유동하지 않고 그 위치를 유지할 수 있도록 하기 위하여 수중드론(100)을 수중구조물(S)의 면에 대해 밀착시키기 위한 위치유지수단을 더 포함할 수 있다.
이 실시예에서 위치유지수단은, 상기 수중드론(100)에 탈부착이 가능하게 설치되는 보조프레임(410)과, 상기 보조프레임(410)의 전단부에 설치되어 수중구조물의 면에 탄력적으로 밀착되면서 구름 운동하는 롤러(420)를 포함한다.
이러한 위치유지수단의 롤러(420)는 수평 추진기(152)에 의해 수중구조물(S)의 면에 탄력적으로 밀착됨으로써 시약분사부를 통해 시약을 분사할 때 수중드론(100)이 수중구조물(S)에 대해 일정한 거리를 유지할 수 있게 하며, 따라서 시약 분사과정에서 시약이 정확한 압력으로 정확한 위치에 분사될 수 있도록 한다.
상기 롤러(420)가 수중구조물(S)의 굴곡에 대응하여 유동하면서 수중구조물(S)에 대해 탄력적으로 밀착될 수 있도록 하기 위하여 위치유지수단으로서 상기 롤러(420)를 보조프레임(410)에 대해 탄력적으로 지탱하는 서스펜션유닛이 추가로 설치될 수 있다. 상기 서스펜션유닛은 보조프레임(410)에 대해 수평방향으로 슬라이딩 가능하게 설치되며, 전단부에 상기 롤러(420)가 회전이 자유롭게 결합되는 서스펜션샤프트(431)와, 상기 서스펜션샤프트(431)를 보조프레임(410)에 대해 탄력적으로 지탱하는 압축코일스프링(432)을 포함한다. 그리고, 상기 서스펜션샤프트(431)의 전단부에는 상기 롤러(420)가 서스펜션샤프트(431)에 대해 회전이 자유롭게 설치될 수 있도록 캐스터휠 브라켓(433)이 설치된다.
이러한 구성으로 이루어진 수중드론 시스템은 다음과 같이 작동한다.
저장용기(210)에 시약을 채운 상태에서 수중드론(100)을 수중에 잠수하고, 지상 또는 선상에서 작업자가 수중드론의 핸드컨트롤러를 조작하여 추진기(151, 152)를 제어하여 수중드론(100)을 수중구조물(S)의 진단 위치 전방에 위치시키고, 시약분사부의 노즐관(230)의 선단부를 수중구조물(S)의 진단 위치에 정렬한다. 이 때 수중드론(100)의 위치 정보가 전방에 설치된 수중카메라(310)를 통해 획득되어 지상 또는 선상에서 작업자가 수중드론(100)의 위치를 육안으로 확인하면서 수중드론(100)의 위치를 조정할 수 있다.
그리고 시약분사부의 분사펌프(220)를 작동시키면, 저장용기(210)에 저장되어 있던 흰색 또는 유색의 시약이 노즐관(230)을 통해 수중구조물(S)로 분사된다. 이 때 수중카메라(310)를 통해 시약이 분사된 위치를 촬영하고, 촬영된 이미지 정보를 수중케이블(2)을 통해 실시간으로 지상 또는 선상의 통제기(1)로 전송하여 누수 여부를 확인할 수 있다. 만약 수중구조물(S)에 크랙이 발생하여 누수가 있을 경우 시약이 크랙 내측으로 흡인되면서 급격히 빠져나가게 되므로, 검사자가 지상 또는 선상에서 통제기(1)의 화면을 통해 분사 상태를 육안으로 확인할 수 있다.
이와 같이 수중드론(100)에 설치된 시약분사부의 분사펌프(220)를 작동시켜 시약을 분사하면서 수중드론(100)을 수중구조물(S)에 대해 이동시켜 수중구조물(S)의 누수 여부를 정확하고 안전하게 진단할 수 있다.
수중에서 시약을 분사하는 과정에서 물의 유동 등에 의해 의도치 않게 수중드론(100)의 위치가 이동하게 되면 분사 위치를 다시 조정해야 하며, 이 경우 진단 시간이 증가할 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 수중드론(100)에 보조프레임(410)을 설치하여, 시약 분사 시 보조프레임(410)의 롤러(420)를 수중구조물(S)의 면에 탄력적으로 밀착시켜 시약 분사 및 진단을 수행함으로써 수중드론(100)의 위치 이동을 방지하고, 정확하게 안정적인 시약 분사 및 진단을 수행할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 통제기 2 : 수중케이블
100 : 수중드론 110 : 메인프레임
120 : 부력재 130 : 압력용기
131 : 컨넥터 140 : 보호커버
151 : 수직 추진기 152 : 수평 추진기
160 : 배터리팩 210 : 저장용기
220 : 분사펌프 230 : 노즐관
235 : 노즐헤드 241 : 가이드레일
242 : 볼스크류 243 : 너트부
244 : 서보모터 310 : 수중카메라
320 : 조명유닛 410 : 보조프레임
420 : 롤러 431 : 서스펜션샤프트
432 : 압축코일스프링 433 : 브라켓

Claims (6)

  1. 부력을 제공하는 부력재와, 수중에서 원하는 방향으로 이동시키는 추진력을 발생시키는 추진기를 구비하여, 수중에 잠겨지게 설치되는 수중드론;
    상기 수중드론에 설치되어 수중구조물을 향해 진단용 시약을 분사하는 시약분사부;
    상기 수중드론에 설치되어 수중구조물을 촬영하여 외부의 진단장치로 이미지정보를 전송하는 촬영부; 및,
    상기 수중드론의 추진기와 시약분사부 및 촬영부의 작동을 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 시약분사부는, 시약을 저장하는 저장용기와, 상기 제어부로부터 제어신호를 인가받아 작동하는 모터를 구비하여 상기 모터의 작동에 의해 상기 저장용기에서 공급되는 시약을 일정한 압력으로 펌핑하는 분사펌프와, 일단이 상기 분사펌프에 연결되고 다른 일단이 수중드론의 전방에 배치되어 분사펌프에 의해 펌핑되는 시약을 수중구조물로 분사하는 노즐유닛을 포함하는 수중구조물 진단용 수중드론 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 노즐유닛은 일단부가 상기 분사펌프에 연결되는 노즐관과, 상기 노즐관의 다른 일단부에 연결되어 시약을 분사하는 노즐헤드와, 상기 노즐헤드의 위치를 분사위치조정기를 포함하는 수중구조물 진단용 수중드론 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 시약분사부를 통해 시약을 분사할 때 상기 수중드론을 상기 수중구조물에 대해 밀착시키기 위한 위치유지수단을 더 포함하는 수중구조물 진단용 수중드론 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 위치유지수단은 상기 수중드론에 탈부착이 가능하게 설치되는 보조프레임과, 상기 보조프레임의 전단부에 설치되어 수중구조물의 면에 탄력적으로 밀착되면서 구름 운동하는 롤러를 포함하는 수중구조물 진단용 수중드론 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 위치유지수단은, 상기 롤러를 보조프레임에 대해 탄력적으로 지탱하는 서스펜션유닛을 더 포함하는 수중구조물 진단용 수중드론 시스템.
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