KR20200070758A - 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템 및 그 방법 - Google Patents

적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템 및 그 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템은 GPS 위성으로부터 지리 정보 및 현재의 위치 정보를 수신하는 GPS 수신부; 수면을 향하도록 일정 각도로 배치되어 항로 전방 수면의 이미지를 획득하는 적외선 카메라; 획득된 이미지에서 배경과 화소값이 상이한 영역이 발생하는지의 여부를 판단하여 상이한 영역을 장애물로 인식하는 장애물 인식부; 획득된 이미지와 적외선 카메라의 특성 및 설정 정보를 기반으로 장애물에 대한 정보를 산출하는 장애물정보 산출부; 및 운항 속도 및 산출된 장애물의 정보에 따라 장애물을 우회하기 위한 우회 항로 및 기설정된 항로로 복귀하기 위한 복귀 항로를 연산하는 항로 연산부;를 포함한다.

Description

적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템 및 그 방법{System for sailing unmanned ship using infrared camera and method thereof}
본 발명은 무인 선박 운항 시스템에 관한 것으로, 특히, 항로상에 나타나는 장애물을 회피하도록 자동으로 항로를 변경하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 무인 선박은 GPS 정보를 이용하여 자동으로 항로가 설정된다. 그러나 특정 목적을 위해, 일시적으로 설치된 구조물이나 수면에서 표류중인 구조물은 GPS 정보만으로 식별할 수 없다. 따라서 레이저 또는 카메라를 이용한 영상을 획득하여 전방의 상황을 판단함으로써 자동 운항을 보완하고 있다.
한편, 적외선 카메라는 우천이나 안개 등과 같이 기상에 따라 양호한 시야가 확보되지 않은 경우에도 비교적 정확하게 이미지를 촬영할 수 있는 특성을 갖는다. 따라서 선박이나 항공기 등과 같이 기상의 영향을 많이 받는 경우에 적용된다.
그러나 적외선 카메라는 이미지의 식별력은 우수하지만, 촬영된 이미지만으로 거리를 식별하는 것은 용이하지 않다.
KR 2017-0111242 A
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 적외선 카메라를 이용하여 장애물을 용이하게 식별하고 장애물의 상황에 따라 안정적으로 우회할 수 있는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, GPS 위성으로부터 지리 정보 및 현재의 위치 정보를 수신하는 GPS 수신부; 수면을 향하도록 일정 각도로 배치되어 항로 전방 수면의 이미지를 획득하는 적외선 카메라; 상기 획득된 이미지에서 배경과 화소값이 상이한 영역이 발생하는지의 여부를 판단하여 상기 상이한 영역을 장애물로 인식하는 장애물 인식부; 상기 획득된 이미지와 상기 적외선 카메라의 특성 및 설정 정보를 기반으로 상기 장애물에 대한 정보를 산출하는 장애물정보 산출부; 및 운항 속도 및 상기 산출된 장애물의 정보에 따라 상기 장애물을 우회하기 위한 우회 항로 및 기설정된 항로로 복귀하기 위한 복귀 항로를 연산하는 항로 연산부;를 포함하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템은 상기 적외선 카메라의 상기 일정 각도를 산출하는 카메라 각도 산출부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 장애물정보 산출부는 상기 적외선 카메라의 화각, 상기 일정 각도 및 상기 수면으로부터 상기 적외선 카메라의 높이를 기초로 상기 이미지상의 상기 장애물까지의 거리를 산출하고, 상기 이미지상에서 상기 장애물이 차지하는 화소수를 기초로 상기 장애물의 크기를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 항로 연산부는 상기 지리 정보 및 상기 현재의 위치 정보를 기초로 육지로부터 멀어지는 방향으로 상기 우회 항로를 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 항로 연산부는 상기 연산된 우회 항로를 따라 운행 중 상기 장애물을 회피한 경우, 현재의 위치로부터 상기 기설정된 항로로 복귀하도록 상기 복귀 항로를 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 항로 연산부는 상기 장애물이 제1크기 이상이거나, 다른 장애물이 존재하거나, 상기 다른 장애물이 근접하거나, 상기 다른 장애물에 의해 추가 우회가 필요한 경우, 감속 후 상기 우회 항로를 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 항로 연산부는 상기 장애물이 제2크기 이상이거나, 상기 장애물이 이동 중이거나, 상기 장애물이 근접하는 경우, 일단 정지 후 상기 우회 항로를 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 항로 연산부는 상기 장애물이 다중 장애물이고, 상기 다중 장애물 사이의 거리가 일정 거리 이상인 경우, 상기 다중 장애물 사이를 통과하도록 통과 항로를 연산할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 적외선 카메라를 이용한 무인 선박의 운항 방법으로서, GPS 위성으로부터 지리 정보 및 현재의 위치 정보를 수신하는 단계; 수면을 향하도록 일정 각도로 배치되는 적외선 카메라로 항로 전방 수면의 이미지를 획득하는 단계; 상기 획득된 이미지에서 배경과 화소값이 상이한 영역이 발생하는지의 여부를 판단하여 상기 상이한 영역을 장애물로 인식하는 단계; 상기 획득된 이미지와 상기 적외선 카메라의 특성 및 설정 정보를 기반으로 상기 장애물에 대한 정보를 산출하는 단계; 및 운항 속도 및 상기 산출된 장애물의 정보에 따라 상기 장애물을 우회하기 위한 우회 항로 및 기설정된 항로로 복귀하기 위한 복귀 항로를 연산하는 단계;를 포함하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 방법이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 정보를 산출하는 단계는 상기 적외선 카메라의 상기 일정 각도를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 산출하는 단계는 상기 적외선 카메라의 화각, 상기 일정 각도 및 상기 수면으로부터 상기 적외선 카메라의 높이를 기초로 상기 이미지상의 상기 장애물까지의 거리를 산출하고, 상기 이미지상에서 상기 장애물이 차지하는 화소수를 기초로 상기 장애물의 크기를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연산하는 단계는 상기 지리 정보 및 상기 현재의 위치 정보를 기초로 육지로부터 멀어지는 방향으로 상기 우회 항로를 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연산하는 단계는 상기 연산된 우회 항로를 따라 운행 중 상기 장애물을 회피한 경우, 현재의 위치로부터 상기 기설정된 항로로 복귀하도록 상기 복귀 항로를 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연산하는 단계는 상기 장애물이 제1크기 이상이거나, 다른 장애물이 존재하거나, 상기 다른 장애물이 근접하거나, 상기 다른 장애물에 의해 추가 우회가 필요한 경우, 감속 후 상기 우회 항로를 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연산하는 단계는 상기 장애물이 제2크기 이상이거나, 상기 장애물이 이동 중이거나, 상기 장애물이 근접하는 경우, 일단 정지 후 상기 우회 항로를 연산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연산하는 상기 장애물이 다중 장애물이고, 상기 다중 장애물 사이의 거리가 일정 거리 이상인 경우, 상기 다중 장애물 사이를 통과하도록 통과 항로를 연산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템 및 그 방법은 적외선 카메라를 이용하여 수면에 대한 이미지를 획득함으로써 안개나 우천 등과 같은 기상 악화 시에도 장애물을 정확하게 식별할 수 있는 동시에 장애물까지의 실제 거리를 정확하게 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템 및 그 방법은 식별된 장애물의 상태 및 상황에 따라 우회 경로를 산출함으로써, 장애물을 안정적으로 회피할 수 있어 안전 운항을 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템의 블록도,
도 2는 도 1의 적외선 카메라를 이용하여 장애물을 탐지하는 원리를 도시한 도면,
도 3은 도 2에서 관심 영역에 대응되는 실제 크기를 산출하는 원리를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템의 항로 변경 예를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 방법의 순서도,
도 6은 도 6에서 우회 항로 연산시 감속 운행이 요구되는 경우의 순서도,
도 7은 도 6에서 우회 항로 연산시 정지가 요구되는 경우의 순서도, 그리고,
도 8은 도 6에서 우회 항로 연산시 장애물을 통과하는 경우의 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템을 보다 상세히 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템의 블록도이고, 도 2는 도 1의 적외선 카메라를 이용하여 장애물을 탐지하는 원리를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템(100)은 GPS 수신부(110), 적외선 카메라(120), 및 운항 제어기(130)를 포함한다.
적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템(100)은 GPS 항법 기술을 이용하여 운항하는 무인 선박용 운항 시스템으로서, 여기서, 무인 선박은 낚시 배 등과 같이 소수의 인원과 물량을 적재할 수 있는 소형 선박이다. 이때, 무인 선박은 운항 속도가 비교적 느린 선박일 수 있다.
GPS 수신부(110)는 GPS 위성으로부터 정보를 수신한다. 여기서, GPS 위성으로부터 수신되는 정보는 지리 정보 및 현재의 위치 정보이다. 이때, 지리 정보는 항로와 관련된 지역 정보 또는 지형 정보일 수 있다.
적외선 카메라(120)는 항로 전방 수명의 이미지를 획득한다. 여기서, 적외선 카메라(120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 무인 선박(10)에서 수면을 향하도록 일정 각도로 배치된다. 즉, 적외선 카메라(120)를 정상으로 수평하게 무인 선박(10)에 설치하는 경우에는 기상 악화 시에도 획득된 이미지로부터 장애물을 인식할 수 있지만, 장애물과의 거리를 산출하기가 용이하지 않다.
따라서 본 발명에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 적외선 카메라(120)를 수면을 향하여 일정 각도로 기울어지게 무인 선박(10)에 배치하여 수면상에 관심 영역을 한정함으로써, 기하학적 원리를 이용하여 무인 선박(10)의 현재 위치로부터 장애물(20)까지의 거리를 산출할 수 있다.
이에 의해, 안개 등과 같이 전방 식별이 곤란한 경우에도, 장애물을 인식할 수 있는 동시에 장애물까지의 거리 및 장애물의 크기를 산출할 수 있다.
운항 제어기(130)는 적외선 카메라(120)로부터 획득된 이미지상에서 장애물(20)을 인식한다. 이때, 운항 제어기(130)는 무인 선박(10)의 현재 위치정보 및 GPS 수신부(110)로부터 수신된 지리 정보에 기초하여 장애물(20)을 회피하도록 우회하는 경로를 연산한다.
운항 제어기(130)는 장애물 인식부(132), 카메라 각도 산출부(134), 장애물 정보 산출부(136) 및 항로 연산부(138)를 포함할 수 있다. 여기서, 운항 제어기(130)는 카메라 제어기(도시되지 않음)와 별도로 구비될 수 있다. 즉, 카메라 제어기(도시되지 않음)는 장애물 인식부(132), 카메라 각도 산출부(134) 및 장애물 정보 산출부(136)를 포함할 수 있다. 이때, 운항 제어기(130)와 카메라 제어기(도시되지 않음)는 통신에 의해 정보를 공유할 수 있다.
장애물 인식부(132)는 적외선 카메라(120)로부터 획득된 이미지에서 배경과 화소값이 상이한 영역이 발생하는지의 여부를 판단한다. 여기서, 적외선 카메라(120)가 장애물(20)이 없는 수면만 촬영한 경우에 획득된 이미지는 배경이 동일 또는 유사한 화소값을 갖는다. 그러나 장애물(20)이 존재하는 경우, 장애물(20)은 이미지에서 배경과 상이한 화소값을 갖는다. 즉, 배경의 화소값과 장애물(20)에 대응하는 화소값이 일정 크기 이상 차이가 발생한다.
따라서 장애물 인식부(132)는 적외선 카메라(120)로부터 획득된 이미지의 배경과 화소값이 상이한 영역을 장애물(20)로 인식한다.
카메라 각도 산출부(134)는 무인 선박(10)에 설치된 적외선 카메라(120)의 설정 정보를 산출한다. 여기서, 적외선 카메라(120)의 설정 정보는 수면을 향하도록 기울어진 적외선 카메라(120)의 각도를 포함할 수 있다.
일례로, 카메라 각도 산출부(134)는 적외선 카메라(120)의 구동모터(도시되지 않음)의 회전각을 탐지하기 위한 각도 센서(도시되지 않음)로부터 적외선 카메라(120)의 기울어진 각도를 산출할 수 있다. 대안적으로, 카메라 각도 산출부(134)는 구동모터(도시되지 않음)의 설정값으로부터 설정 각도를 산출할 수 있다. 여기서, 상기 설정값은 운항 제어기(130)의 저장부(도시되지 않음)에 저장될 수 있다.
장애물 정보 산출부(136)는 적외선 카메라(120)로부터 획득된 이미지, 적외선 카메라(120)의 특성 정보 및 적외선 카메라(120)의 설정 정보를 기반으로 장애물(20)에 대한 정보를 산출한다.
여기서, 적외선 카메라(120)의 특성 정보는 적외선 카메라(120)의 종화각 및 횡화각 등의 화각일 수 있다. 또한, 적외선 카메라(120)의 설정 정보는 카메라 각도 산출부(134)에서 산출된 적외선 카메라(120)의 설정 각도 및 수면으로부터 적외선 카메라(120)의 높이를 포함할 수 있다.
또한, 장애물(20)에 대한 정보는 무인 선박(10)에서 장애물(20)까지의 거리 및 장애물(20)의 크기를 포함할 수 있다. 이때, 장애물(20)의 크기는 획득된 이미지상에 나타나는 폭일 수 있다.
도 3은 도 2에서 관심 영역에 대응되는 실제 크기를 산출하는 원리를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 적외선 카메라(120)로부터 획득된 이미지는 적외선 카메라(120)의 화각에 따라 실제 거리와 대응될 수 있다. 여기서, I는 적외선 카메라(120)에 의해 획득된 이미지, O는 이미지(I)의 원점, H는 수면으로부터 적외선 카메라(120)의 렌즈까지의 높이, L1은 이미지(I)의 최하단에 대응하는 무인 선박(10)으로부터의 실제 거리(최단거리), L2는 이미지(I)의 최상단에 대응하는 무인 선박(10)으로부터 실제 거리(최장거리), A1은 이미지(I)의 최하단의 폭에 대응하는 수면상의 실제 폭(최단거리에서 관심 영역의 실제 폭), A2는 이미지(I)의 최상단의 폭에 대응하는 수면상의 실제 폭(최장거리에서 관심 영역의 실제 폭), Lx는 무인 선박(10)으로부터 장애물(20)까지의 실제 거리, By는 장애물(20)의 위치에 대응하는 수면상의 실제 폭(장애물 위치에서 관심 영역의 실제 폭), W는 이미지(I)의 높이에 대응하는 실제 거리(최단거리와 최장거리 차이), θCL는 적외선 카메라(120)의 구동각(중심각), θHL은 적외선 카메라(120)의 종화각, θHH은 적외선 카메라(120)의 횡화각이다.
이때, 이미지(I)는 화소수가 α×β인 크기이고, 원점(O)을 좌측 상단으로 가정한다. 또한, 장애물(20)이 이미지(I)의 (a,b) 화소에 위치하며, Δa, Δb 만큼씩 차지한다고 가정한다. 여기서, Δa, Δb 는 장애물(20)의 크기를 의미한다.
먼저, 이미지(I)에 대응하는 실제 정보는 아래의 수학식과 같이 정의된다.
Figure pat00001
이때, 이미지(I)에 의한 화소수당 x축의 크기는
Figure pat00002
로 정의되며, 화소 크기당 y축의 크기는
Figure pat00003
의 비례식에 의해
Figure pat00004
로 정의된다. 따라서 이미지(I)상에서 장애물의 위치에 대한 실제 거리 Lx, Ly 및 크기 ΔLx, ΔLy는 아래의 수학식과 같이 정의된다. 여기서, Ly, ΔLy는 이미지(I)의 수직 방향(y축)에 대한 실제 크기로서, Ly는 장애물 위치에서 관심 영역의 실제 폭 내에서 기준점으로부터 장애물까지의 거리이고, ΔLy는 Ly의 선상에서 장애물이 차지하는 실제 폭을 의미한다.
Figure pat00005
위와 같은 수학식에서, 적외선 카메라(120) 렌즈의 높이(H) 및 구동각(θCL)이외에는 적외선 카메라(120)의 고유 특성이므로, 적외선 카메라(120) 렌즈의 높이(H) 및 구동각(θCL)과 이미지(I) 정보로부터 실제 거리 정보를 산출할 수 있다.
이와 같이, 장애물 정보 산출부(136)는 적외선 카메라(120)의 화각 및 설정각도, 및 수면으로부터의 적외선 카메라(120) 렌즈의 높이를 기초로 이미지상의 장애물(20)까지의 거리를 산출할 수 있다. 또한, 장애물 정보 산출부(136)는 적외선 카메라(120)로부터 획득된 이미지상에서 장애물(20)이 차지하는 화소수를 기초로 장애물(20)의 크기를 산출할 수 있다.
항로 연산부(138)는 무인 선박(10)의 현재 운항 속도 및 장애물 정보 산출부(136)에서 산출된 장애물(20)의 정보에 따라 장애물(20)을 회피하여 우회하기 위한 우회 항로 및 기설정된 항로로 복귀하기 위한 복귀 항로를 연산한다. 즉, 항로 연산부(138)는 항로상에 탐지되는 장애물(20)의 상태 및 상황에 따라 우회 항로를 연산할 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템의 항로 변경 예를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 항로 연산부(138)는 무인 선박(10)이 기설정된 항로(S)를 따라 운항하는 중에 설정 항로(S)상에 나타나는 장애물(21~26)의 상태 및 상황에 따라 장애물(21~26)을 회피하도록 우회 항로를 연산할 수 있다.
여기서, 항로 연산부(138)는 GPS 수신부(110)로부터 수신된 지리 정보 및 무인 선박(10)의 현재 위치 정보를 기초로 육지(30)로부터 멀어지는 방향으로 우회 항로를 연산할 수 있다. 즉, 도 4에서, 무인 선박(10)이 장애물(21~26)을 감지하면, 항로 연산부(138)는 현재 위치(P1, P4, P7, P11)에서 설정 항로(S)에 대하여 우측에 위치하는 육지(30)의 반대편인 좌측으로 우회하는 우회 항로(B1, B2, B3, B4, B4')를 연산할 수 있다.
이때, 항로 연산부(138)는 무인 선박(10)이 우회 항로(B1, B2, B3, B4, B4')를 따라 운행 중 장애물(21~26)을 회피한 경우, 무인 선박(10)의 현재 위치로부터 설정 항로(S)로 복귀하도록 복귀 항로를 연산할 수 있다. 즉, 도 4에서, 항로 연산부(138)는 설정 항로(S)의 좌측으로 우회 중에 장애물(21~26)을 통과하면, 현재 위치(P2, P5, P9, P13)로부터 우측의 설정 항로(S)상의 위치(P3, P6, P10, P14)로 복귀하는 복귀 항로(R1, R2, R3, R4)를 연산할 수 있다.
또한, 항로 연산부(138)는 장애물(22)이 제1크기 이상이거나, 다른 장애물(23,24)이 존재하거나, 다른 장애물(24)이 근접하거나, 다른 장애물(26)에 의해 추가 우회가 필요한 경우, 감속 후 우회 항로를 연산할 수 있다. 즉, 도 4에서, 장애물(22)을 인식한 위치(P4), 장애물(23,24)을 인식한 위치(P7) 및 장애물(25,26)을 인식한 위치(P11)에서와 같이, 무인 선박(10)의 현재 운항 속도로 장애물을 회피하기 곤란한 경우, 항로 연산부(138)는 무인 선박(10)의 운항 속도를 감속한 후 그에 따른 우회 항로(B2, B3, B4)를 연산할 수 있다.
이때, 장애물(25,26)을 인식한 위치(P12)에서와 같이, 연속하는 장애물을 인식하는 동시에 무인 선박(10)이 장애물(25,26) 사이를 통과하기에 충분한 거리로 이격되지 않은 경우, 항로 연산부(138)는 무인 선박(10)의 운항 속도를 감속한 후 현재의 위치(P12)로부터 한 번 더 육지(30)의 반대 측으로 추가로 우회하는 추가 우회 항로(B4')를 연산할 수 있다.
또한, 항로 연산부(138)는 장애물(21)이 제2크기 이상이거나, 장애물이 이동 중이거나, 장애물이 근접하는 경우, 일단 정지 후 우회 항로를 연산할 수 있다. 여기서, 제2크기는 상기 제1크기보다 크다. 즉, 도 4에서, 장애물(21)을 인식한 위치(P1)에서와 같이, 무인 선박(10)의 현재 운항 속도로 장애물(21)을 회피하기 곤란할 뿐만 아니라, 장애물(21)과 충돌할 가능성이 있는 경우, 항로 연산부(138)는 무인 선박(10)을 일단 정지시킨 후 그에 따른 우회 항로(B1)를 연산할 수 있다.
또한, 항로 연산부(138)는 장애물(23,24)이 다중 장애물이고, 다중 장애물(23,24) 사이의 거리가 일정 거리 이상인 경우, 장애물(23,24) 사이를 통과하도록 통과 항로를 연산할 수 있다. 즉, 도 4에서, 장애물(23,24)을 인식한 위치(P5)에서와 같이, 장애물(23,24) 사이의 거리가 무인 선박(10)이 통과하기에 충분한 거리로 이격된 경우, 항로 연산부(138)는 무인 선박(10)이 장애물(23,24)을 통과하도록 통과 항로(F1)를 연산할 수 있다.
이와 같은 구성에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템(100)은 설정 항로(S)상에서 탐지한 장애물(21~26)의 상태 및 상황에 따라 우회 항로를 연산하여 장애물(21~26)을 회피하도록 항로를 변경함으로써, 안개 등과 같이 시야 확보가 곤란한 상황에서도 안전하게 선박을 운항할 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 방법을 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 방법의 순서도이다.
무인 선박 운항 방법(200)은 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템(100)이 탑재된 무인 선박(10)의 운항 방법으로서, GPS 정보 수신 단계(S201), 적외선 카메라를 이용하여 이미지를 획득하는 단계(S202), 장애물을 인식하는 단계(S203), 장애물 정보를 산출하는 단계(S204), 및 우회 항로를 연산하는 단계(S205 내지 S209)를 포함한다.
보다 상세히 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 먼저, 무인 선박(10)은 GPS 위성으로부터 GPS 정보를 수신한다(단계 S201). 여기서, GPS 정보는 지리 정보 및 현재의 위치 정보이다. 이때, 지리 정보는 항로와 관련된 지역 정보 또는 지형 정보일 수 있다.
다음으로, 무인 선박(10)은 적외선 카메라를 이용하여 항로 전방 수면의 이미지를 획득한다(단계 S202). 여기서, 적외선 카메라는 무인 선박(10)에서 수면을 향하도록 일정 각도로 배치된다.
다음으로, 무인 선박(10)은 항로상에 장애물을 인식하는지의 여부를 판단한다(단계 S203). 이때, 적외선 카메라로부터 획득된 이미지에서 배경과 화소값이 사이한 영역이 발생하는지의 여부에 따라 장애물을 인식할 수 있다.
단계 S203의 판단 결과, 이미지의 배경과 화소값이 상이한 영역이 존재하는 경우, 무인 선박(10)은 해당 영역을 장애물로 인식하여 장애물에 대한 정보를 산출한다(단계 S204). 이때, 무인 선박(10)은 장애물 정보를 산출하기 이전에 적외선 카메라의 설정 정보를 산출할 수 있다. 여기서, 적외선 카메라의 설정 정보는 수면을 향하도록 기울어진 적외선 카메라의 각도를 포함할 수 있다.
다음으로, 무인 선박(10)은 적외선 카메라로부터 획득된 이미지, 적외선 카메라의 특성 정보 및 적외선 카메라의 설정 정보를 기반으로 장애물에 대한 정보를 산출한다. 여기서, 적외선 카메라의 특성 정보는 적외선 카메라의 종화각 및 횡화각 등의 화각일 수 있다. 또한, 적외선 카메라의 설정 정보는 적외선 카메라의 설정 각도 및 수면으로부터 적외선 카메라의 높이(구체적으로, 적외선 카메라 렌즈의 높이)를 포함할 수 있다.
이때, 무인 선박(10)은 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 이미지상의 장애물까지의 거리 및 장애물의 크기를 산출할 수 있다. 여기서, 장애물의 크기는 획득된 이미지상에 장애물이 차지하는 화소수를 기초로 산출될 수 있다.
다음으로, 무인 선박(10)은 현재 운항 속도 및 산출된 장애물의 정보에 따라 장애물을 회피하여 우회하기 위한 우회 항로를 연산한다(단계 S206). 이때, GPS 위성으로부터 수신된 지리 정보 및 무인 선박(10)의 현재 위치 정보를 기초로 육지로부터 멀어지는 방향으로 우회 항로를 연산할 수 있다.
여기서, 무인 선박(10)은 장애물의 상태 및 상황에 따라 운항 속도를 조정하거나 장애물을 통과하도록 우회 항로를 연산할 수 있는데, 구체적인 설명은 도 6 내지 도 8을 참조하여 후술한다.
다음으로, 무인 선박(10)은 연산된 우회 항로를 따라 장애물을 우회하여 운항한다(S206).
다음으로, 무인 선박(10)이 우회 항로를 따라 장애물을 통과하였는지를 판단하여(단계 S207), 장애물을 통과하지 않았다고 판단한 경우, 단계 S205로 복귀하여 무인 선박(10)이 장애물을 통과할 때까지 우회 항로 연산 및 우회 운항을 반복적으로 수행할 수 있다.
단계 S207의 판단결과, 무인 선박(10)이 장애물을 통과하여 회피하였다고 판단한 경우, 현재 위치로부터 설정 항로로 복귀하도록 복귀 항로를 연산할 수 있다. 따라서 무인 선박(10)은 복귀 항로를 따라 기설정된 원래의 항로로 복귀한다(단계 S208). 이때, 설정 항로로 복귀한 후 단계 S203으로 복귀하여 단계 S203 내지 단계 S209의 항로상의 장애물 탐지 및 우회 연산을 반복적으로 수행할 수 있다.
단계 S203의 판단결과, 이미지의 배경과 화소값이 상이한 영역이 존재하지 않는 경우, 즉, 장애물을 인식하지 못한 경우, 무인 선박(10)은 기설정된 항로를 운항한다(S209). 이때, 설정 항로를 운항하면서 단계 S203으로 복귀하여 단계 S203 내지 단계 S209의 항로상의 장애물 탐지 및 우회 연산을 반복적으로 수행할 수 있다.
한편, 도 4에서 장애물(25,26) 사이의 거리가 충분히 이격되지 않아 그 사이를 통과할 수 없거나, 현재의 운항 속도로 두 장애물을 안전하게 회피할 수 없는 경우, 감속 후 우회 항로를 연산할 수 있다. 도 6은 도 6에서 우회 항로 연산시 감속 운행이 요구되는 경우의 순서도이다.
감속 후 우회 항로 연산 방법(300)은 장애물을 인식하는 단계(S301), 장애물의 크기를 판단하는 단계(S302), 다른 장애물의 존재 및 근접 여부를 판단하는 단계(S303 및 S304), 추가 우회 여부를 판단하는 단계(S305), 및 감속 운항 후 우회 항로를 연산하는 단계(S306 및 S307)를 포함한다.
보다 상세하게 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 먼저, 무인 선박(10)은 설정 항로상의 장애물을 인식한다(단계 S301). 여기서, 장애물의 인식은 도 5의 단계 S203에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, 무인 선박(10)은 장애물이 제1크기 이상인지의 여부를 판단한다(S302). 여기서, 장애물의 크기의 산출은 도 5의 단계 S204에 의해 수행될 수 있다. 또한, 제1크기는 무인 선박(10)이 운항 중에 어느 정도 회피가 가능한 크기일 수 있다. 즉, 무인 선박(10)을 정지하지 않고, 장애물을 우회하는 항로가 장애물과 일정거리 이상을 유지할 수 있는 크기이다.
단계 S302의 판단 경과, 장애물이 제1크기보다 작다고 판단한 경우, 무인 선박(10)은 다른 장애물이 존재하는지를 판단한다(단계 S303). 이때, 무인 선박(10)은 인식된 장애물에 대하여 육지의 반대 측에서 장애물을 인식하는지를 판단한다.
단계 S303의 판단 결과, 다른 장애물이 존재한다고 판단한 경우, 무인 선박(10)은 다른 장애물이 근접하는지의 여부를 판단한다(S304). 즉, 무인 선박(10)에 대하여 다른 장애물과 단계 S301에서 인지한 장애물과의 위치 관계를 판단한다.
단계 S304의 판단결과, 다른 장애물이 근접하지 않다고 판단한 경우, 즉, 무인 선박(10)에 대하여 다른 장애물이 단계 S301에서 인지한 장애물보다 멀리 위치한 경우, 무인 선박(10)은 다른 장애물에 대한 추가 우회가 필요한지의 여부를 판단한다. 즉, 다른 장애물이 장애물을 회피하기 위한 우회 항로에 근접한지의 여부를 판단한다.
단계 S302의 판단결과, 장애물이 제1크기 이상인 경우, 단계 S304의 판단결과, 다른 장애물이 존재하거나, 다른 장애물이 근접한다고 판단한 경우, 및 단계 S305의 판단결과, 다른 장애물에 의해 추가 우회가 필요하다고 판단한 경우, 무인 선박(10)은 감속하여 운항한다(단계 S306).
단계 S305의 판단결과, 다른 장애물에 대한 추가 우회가 필요하지 않다고 판단한 경우, 또는 감속 운항하는 경우, 무인 선박(10)은 장애물을 회피하기 위한 우회 항로를 연산한다(단계 S307). 여기서, 우회 항로는 도 5의 단계 S205에 의해 연산할 수 있다. 이때, 추가 우회가 필요한 경우, 즉, 먼저 인식된 장애물에 대한 우회 항로 연산 후 나중에 인식된 다른 장애물에 대하여 추가적인 우회 항로를 연산할 수 있다.
한편, 도 4에서 장애물(21)이 현재의 운항 속도로 안전하게 회피할 수 없는 경우, 일시 정지 후 우회 항로를 연산할 수 있다. 도 7은 도 6에서 우회 항로 연산시 정지가 요구되는 경우의 순서도이다.
정지 후 우회 항로 연산 방법(400)은 장애물을 인식하는 단계(S401), 장애물의 크기를 판단하는 단계(S402), 장애물의 이동 또는 근접을 판단하는 단계(S403 및 S404), 및 일단 정지 후 우회 항로를 연산하는 단계(S405 및 S406)를 포함한다.
보다 상세하게 설명하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 먼저, 무인 선박(10)은 설정 항로상의 장애물을 인식한다(단계 S401). 여기서, 장애물의 인식은 도 5의 단계 S203에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, 무인 선박(10)은 장애물이 제2크기 이상인지의 여부를 판단한다(S402). 여기서, 장애물의 크기의 산출은 도 5의 단계 S204에 의해 수행될 수 있다. 또한, 제2크기는 무인 선박(10)이 운항 중에 회피가 가능하지 않은 크기일 수 있다. 즉, 무인 선박(10)을 장애물을 우회하는 항로가 장애물과 일정거리 이내로 충돌이 예상되는 크기이다.
단계 S402의 판단 경과, 장애물이 제2크기보다 작다고 판단한 경우, 무인 선박(10)은 해당 장애물이 이동 중인지를 판단한다(단계 S403). 이때, 무인 선박(10)은 장애물의 근접 속도가 운항 속도보다 빠르거나 장애물의 위치가 항로에 대하여 빠른지의 여부를 판단할 수 있다.
단계 S403의 판단결과, 장애물이 이동 중이 아니라고 판단한 경우, 무인 선박(10)은 장애물이 근접하는지의 여부를 판단한다(단계 S404). 즉, 무인 선박(10)과 장애물 사이의 거리를 판단한다.
단계 S402의 판단결과, 장애물이 제1크기 이상인 경우, 단계 S403의 판단결과, 장애물이 이동 중라고 판단한 경우, 및 단계 S404의 판단결과, 장애물이 근접한다고 판단한 경우, 무인 선박(10)은 일단 정지한다(단계 S405).
단계 S404의 판단결과, 장애물이 근접하지 않는다고 판단한 경우, 또는 일단 정지한 경우, 무인 선박(10)은 장애물을 회피하기 위한 우회 항로를 연산한다(단계 S406). 여기서, 우회 항로는 도 5의 단계 S205에 의해 연산할 수 있다.
한편, 도 4에서 장애물(23,24) 사이의 거리가 충분히 이격되어 그 사이를 통과할 수 있는 경우, 장애물 통과 항로를 연산할 수 있다. 도 8은 도 6에서 우회 항로 연산시 장애물을 통과하는 경우의 순서도이다.
장애물 통과 항로 연산 방법(500)은 장애물을 인식하는 단계(S501), 다중 장애물 여부를 판단하는 단계(S502), 다중 장애물 사이의 통과 가능성을 판단하는 단계(S503), 및 통과 항로 및 우회 항로를 연산하는 단계(S504 및 S505)를 포함한다.
보다 상세하게 설명하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 먼저, 무인 선박(10)은 설정 항로상의 장애물을 인식한다(단계 S501). 여기서, 장애물의 인식은 도 5의 단계 S203에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, 무인 선박(10)은 인식된 장애물이 다중 장애물인지를 판단한다(단계 S502). 여기서, 항로 전방에 장애물이 다수 존재하는지를 판단할 수 있다.
단계 S502의 판단결과, 다중 장애물이라고 판단한 경우, 무인 선박(10)은 다중 장애물 사이를 통과 가능한지를 판단한다(단계 S503). 이때, 다중 장애물 사이의 거리가 무인 선박(10)의 폭보다 일정 크기 이상 큰지를 판단할 수 있다.
단계 S503의 판단결과, 다중 장애물 사이를 통과 가능하다고 판단한 경우, 무인 선박(10)은 다중 장애물 사이를 통과하도록 통과 항로를 연산한다(단계 S504).
단계 S502의 판단결과, 다중 장애물이 아니라고 판단한 경우, 및 단계 S503의 판단결과, 다중 장애물 사이를 통과 가능하지 않다고 판단한 경우, 무인 선박(10)은 장애물을 회피하기 위한 우회 항로를 연산한다(단계 S505). 여기서, 우회 항로는 도 5의 단계 S205에 의해 연산할 수 있다. 이때, 다중 장애물에 의해 추가 우회가 필요한 경우, 추가적인 우회 항로를 연산할 수 있다.
이와 같은 방법에 의해 안개나 우천 등과 같은 기상 악화 시에도 장애물을 정확하게 식별할 수 있는 동시에 장애물까지의 실제 거리를 정확하게 산출할 수 있고, 따라서 장애물을 안정적으로 회피할 수 있어 안전 운항을 보장할 수 있다.
상기와 같은 방법들은 도 1에 도시된 바와 같은 적외선 카메라를 이용한 무인 선박(10)에 탑재된 무인 선박 운항 시스템(100)에 의해 구현될 수 있고, 특히, 이러한 단계들을 수행하는 소프트웨어 프로그램으로 구현될 수 있으며, 이 경우, 이러한 프로그램들은 컴퓨터 판독가능한 기록 매체에 저장되거나 전송 매체 또는 통신망에서 반송파와 결합된 컴퓨터 데이터 신호에 의하여 전송될 수 있다.
이때, 컴퓨터 판독가능한 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의해 판독가능한 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함하며, 예를 들면, ROM, RAM, CD-ROM, DVD-ROM, DVD-RAM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광 데이터 저장장치 등일 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 무인 선박 운항 시스템 110 : GPS 수신부
120 : 적외선 카메라 130 : 운항 제어기
132 : 장애물 인식부 134 : 카메라 각도 산출부
136 : 장애물 정보 산출부 138 : 항로 연산부

Claims (16)

  1. GPS 위성으로부터 지리 정보 및 현재의 위치 정보를 수신하는 GPS 수신부;
    수면을 향하도록 일정 각도로 배치되어 항로 전방 수면의 이미지를 획득하는 적외선 카메라;
    상기 획득된 이미지에서 배경과 화소값이 상이한 영역이 발생하는지의 여부를 판단하여 상기 상이한 영역을 장애물로 인식하는 장애물 인식부;
    상기 획득된 이미지와 상기 적외선 카메라의 특성 및 설정 정보를 기반으로 상기 장애물에 대한 정보를 산출하는 장애물정보 산출부; 및
    운항 속도 및 상기 산출된 장애물의 정보에 따라 상기 장애물을 우회하기 위한 우회 항로 및 기설정된 항로로 복귀하기 위한 복귀 항로를 연산하는 항로 연산부;를 포함하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 카메라의 상기 일정 각도를 산출하는 카메라 각도 산출부를 더 포함하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 장애물정보 산출부는 상기 적외선 카메라의 화각, 상기 일정 각도 및 상기 수면으로부터 상기 적외선 카메라의 높이를 기초로 상기 이미지상의 상기 장애물까지의 거리를 산출하고, 상기 이미지상에서 상기 장애물이 차지하는 화소수를 기초로 상기 장애물의 크기를 산출하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 항로 연산부는 상기 지리 정보 및 상기 현재의 위치 정보를 기초로 육지로부터 멀어지는 방향으로 상기 우회 항로를 연산하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 항로 연산부는 상기 연산된 우회 항로를 따라 운행 중 상기 장애물을 회피한 경우, 현재의 위치로부터 상기 기설정된 항로로 복귀하도록 상기 복귀 항로를 연산하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 항로 연산부는 상기 장애물이 제1크기 이상이거나, 다른 장애물이 존재하거나, 상기 다른 장애물이 근접하거나, 상기 다른 장애물에 의해 추가 우회가 필요한 경우, 감속 후 상기 우회 항로를 연산하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 항로 연산부는 상기 장애물이 제2크기 이상이거나, 상기 장애물이 이동 중이거나, 상기 장애물이 근접하는 경우, 일단 정지 후 상기 우회 항로를 연산하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 항로 연산부는 상기 장애물이 다중 장애물이고, 상기 다중 장애물 사이의 거리가 일정 거리 이상인 경우, 상기 다중 장애물 사이를 통과하도록 통과 항로를 연산하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 시스템.
  9. 적외선 카메라를 이용한 무인 선박의 운항 방법으로서,
    GPS 위성으로부터 지리 정보 및 현재의 위치 정보를 수신하는 단계;
    수면을 향하도록 일정 각도로 배치되는 적외선 카메라로 항로 전방 수면의 이미지를 획득하는 단계;
    상기 획득된 이미지에서 배경과 화소값이 상이한 영역이 발생하는지의 여부를 판단하여 상기 상이한 영역을 장애물로 인식하는 단계;
    상기 획득된 이미지와 상기 적외선 카메라의 특성 및 설정 정보를 기반으로 상기 장애물에 대한 정보를 산출하는 단계; 및
    운항 속도 및 상기 산출된 장애물의 정보에 따라 상기 장애물을 우회하기 위한 우회 항로 및 기설정된 항로로 복귀하기 위한 복귀 항로를 연산하는 단계;를 포함하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 정보를 산출하는 단계는 상기 적외선 카메라의 상기 일정 각도를 산출하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는 상기 적외선 카메라의 화각, 상기 일정 각도 및 상기 수면으로부터 상기 적외선 카메라의 높이를 기초로 상기 이미지상의 상기 장애물까지의 거리를 산출하고, 상기 이미지상에서 상기 장애물이 차지하는 화소수를 기초로 상기 장애물의 크기를 산출하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 연산하는 단계는 상기 지리 정보 및 상기 현재의 위치 정보를 기초로 육지로부터 멀어지는 방향으로 상기 우회 항로를 연산하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연산하는 단계는 상기 연산된 우회 항로를 따라 운행 중 상기 장애물을 회피한 경우, 현재의 위치로부터 상기 기설정된 항로로 복귀하도록 상기 복귀 항로를 연산하는 적외선 카메라를 이용한 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 연산하는 단계는 상기 장애물이 제1크기 이상이거나, 다른 장애물이 존재하거나, 상기 다른 장애물이 근접하거나, 상기 다른 장애물에 의해 추가 우회가 필요한 경우, 감속 후 상기 우회 항로를 연산하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 연산하는 단계는 상기 장애물이 제2크기 이상이거나, 상기 장애물이 이동 중이거나, 상기 장애물이 근접하는 경우, 일단 정지 후 상기 우회 항로를 연산하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 연산하는 상기 장애물이 다중 장애물이고, 상기 다중 장애물 사이의 거리가 일정 거리 이상인 경우, 상기 다중 장애물 사이를 통과하도록 통과 항로를 연산하는 적외선 카메라를 이용한 무인 선박 운항 방법.
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