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KR101794198B1 - 철도 화재현장 출동을 위한 자율비행 방식의 무인비행체 - Google Patents

철도 화재현장 출동을 위한 자율비행 방식의 무인비행체 Download PDF

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KR101794198B1
KR101794198B1 KR1020160140022A KR20160140022A KR101794198B1 KR 101794198 B1 KR101794198 B1 KR 101794198B1 KR 1020160140022 A KR1020160140022 A KR 1020160140022A KR 20160140022 A KR20160140022 A KR 20160140022A KR 101794198 B1 KR101794198 B1 KR 101794198B1
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KR
South Korea
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flight
flying
line
main body
fire
Prior art date
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Active
Application number
KR1020160140022A
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English (en)
Inventor
권삼영
조용현
이기원
박영
박철민
Original Assignee
한국철도기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 비행을 위한 회전날개(2)를 구비한 비행 본체(1)와, 철도터널 내에 배치된 전차선(200)에 닿을 수 있는 팬헤드 부재(3)와, 무인비행체(100)의 자율비행 작동을 제어하는 자율비행 제어기(4)를 포함하여 구성되어, 철도터널 등과 같이 GPS에 의한 무인비행체의 위치 파악이 불가능한 "GPS 음영 지역"에서 발생한 화재 현장에 구난활동(救難活動)을 위하여 신속하게 출동하여 투입될 수 있는 자율비행 방식의 무인비행체에 관한 것이다.

Description

철도 화재현장 출동을 위한 자율비행 방식의 무인비행체{Autonomous driving railway drone for mobilization to the scene of the fire}
본 발명은 철도 화재현장 출동을 위한 자율비행 방식의 무인비행체에 관한 것으로서, 구체적으로는 철도터널 등과 같이 GPS에 의한 무인비행체의 위치 파악이 불가능한 "GPS 음영 지역"에서 발생한 화재 현장에 구난활동(救難活動)을 위하여 신속하게 출동하여 투입될 수 있는 자율비행 방식의 무인비행체에 관한 것이다.
열차가 주행하게 되는 철도터널 내에 화재가 발생할 경우, 신속하게 화재 현장의 상황과 위치를 파악하고, 방연마스크, 소화장비 등의 구난에 필요한 구난장비를 투입할 필요가 있다. 무인비행체를 재난 현장으로 출동시킨다는 아이디어가 대한민국 등록특허 제10-1437323호에 개시되어 있는 바, 철도터널 내에 발생한 화재 현장에도 무인비행체를 재난 현장에 투입하는 것이 바람직하며, 특히 무인비행체를 자율적인 비행 즉, 자율비행에 의해 화재 현장으로 출동시키는 것이 바람직하다.
그런데 철도터널은, GPS(Global Positioning System/ 위성 위치 확인 시스템)에 의한 위치파악이 가능한 일반 야지(野地)가 아닌 "GPS 음영지역"이다. 따라서 GPS를 통해서 자신의 위치를 파악하여 자율비행하게 되는 종래기술에 의한 자율비행 무인비행체는 철도터널에 이용할 수 없다. 특히, 위에서 언급한 등록특허 제10-1437323호에서는 작업자가 무선조정기에 의해 무인비행체의 비행을 조정하게 되는데, 철도터널 내 화재 현장의 경우, 작업자가 직접 접근하기가 매우 어려운 상황이므로, 작업자가 무인비행체의 비행을 직접 조정하는 종래 기술은 적용이 불가능하다.
또한 무인비행체가 자율비행하기 위해서는 항공로(air way)를 확보할만한 공간이 존재하여야 하는데, 철도터널의 경우 열차 주행을 위한 각종 부대시설물들이 열차 위쪽의 공간에 설치되어 철도터널 내의 공간을 점유하고 있고, 무엇보다도 특고압의 전기가 흐르는 전차선이 존재하므로, 종래 기술을 이용하여 무인비행체가 자율비행하여 철도터널 내의 화재 현장으로 신속히 접근하는 것은 물론이고 유인비행체가 비행하여 투입되는 것도 사실상 불가능하다.
대한민국 등록특허공보 제10-1437323호(2014. 09. 02.공고).
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, GPS에 의한 위치파악이 이루어지지 않는 GPS 음영 지역에 해당하는 철도터널 내에서도, 신속하게 자율비행에 의해 철도터널 내의 화재 현장에 출동할 수 있는 무인비행체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명에서는 철도터널 내에 설치된 열차 주행을 위한 부대시설물로서, 열차에 전력을 공급하는 전차선을 무인비행체의 자율주행에 이용함으로써, 부대시설물로 인하여 매우 좁은 항공로 공간만이 존재하는 철도터널 내에서도 신속하고 정확하게 화재 현장으로 출동하여 화재구난 물품의 공급, 화재 현장의 촬영, 탈출로 또는 탈출방향의 안내 등의 구난작업을 수행할 수 있는 무인비행체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 비행을 위한 회전날개(2)를 구비하고 있고 화재구난을 위한 구난장비를 탑재한 비행 본체(1); 및 상기 비행 본체(1)에 탑재되어 비행 본체(1)가 선로중심축선을 따라 추종하여 자율비행할 수 있도록 제어하는 자율비행 제어기(4)를 포함하는데; 자율비행 제어기(4)는, 비행 본체(1)의 속도, 원심력, 및 자세에 대한 정보를 취득하는 관성항법장치(41)와, 비행 본체(1)가 추종하게 될 선로중심축선의 위치를 파악하여 비행 본체(1)가 선로중심축선을 따라 추종하여 비행할 수 있게 하는 비행 본체(1)의 헤딩(heading) 각도 정보를 취득하는 선로중심축선 추종장치(42)와, 화재발생위치를 검지하여 인식하는 화재발생위치 검지장치(43)와, 상기 관성항법장치(41)로부터의 정보, 선로중심축선 추종장치(42)로부터의 정보 및 화재발생위치 검지장치(43)로부터의 정보에 의해 비행 본체(1)가 선로중심축선을 따라 비행하도록 회전날개(2)를 제어하고 화재 현장에 도착하게 되면 비행 본체(1)에 탑재된 구난장비를 작동시키는 비행 동작 제어장치(44)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자율비행 방식의 무인비행체가 제공된다.
이러한 본 발명의 무인비행체(100)에는 상기 비행 본체(1)에 설치되어 있으며 철도터널 내에 배치된 전차선(200)에 닿을 수 있는 팬헤드 부재(3)가 더 구비될 수 있는데, 이 경우 팬헤드 부재(3)와 비행 본체(1) 사이에는 스프링 부재와 댐퍼 부재가 구비되어 있으며, 자율비행 제어기의 비행 동작 제어장치(44)는 팬헤드 부재(3)가 전차선(200)에 접촉하여 미끄러지면서 비행 본체(1)가 비행할 수 있도록 비행 본체(1)의 양력과 추진력을 제어하게 된다.
또한 본 발명의 무인비행체(100)에서, 선로중심축선 추종장치(42)는 거리스캐너(420)를 포함하고 있어서, 거리스캐너(420)에 의해 한 쌍의 레일 각각으로부터 비행 본체(1)까지의 수직 거리 및 수평 거리를 실시간으로 측정하고, 그 측정된 수직 거리 값, 수평 거리 값, 그리고 관성항법장치(41)로부터 제공된 비행 본체(1)의 속도, 원심력, 및 자세에 대한 정보를 이용하여 선로중심축의 위치를 파악하거나, 또는 전차선 편위 검지 장비를 포함하고 있어서, 전차선 편위 검지 장비를 이용하여 전차선의 편위를 검지하여 측정하고, 그 측정값으로부터 선로중심축의 위치를 파악하도록 구성될 수 있다.
또한 본 발명의 무인비행체(100)에서, 화재발생위치 검지장치(43)는 열화상 카메라와 이미지 프로세싱 장치로 구성되어, 열화상 카메라를 통해서 촬영된 영상을 이미지 프로세싱 장치에 의해 이미지 프로세싱함으로써 화재 발생 여부 및 그 위치를 파악할 수 있으며, 영상취득 장치와, 취득된 거리표식의 영상에 대한 이미지 프로세싱을 통해서 거리표식의 내용을 인지하는 이미지 프로세서를 포함하여 구성되어, 비행 본체(1)가 비행하는 동안에 레일의 주변에 존재하는 거리표식을 인식하여 현재 비행 본체(1)가 존재하는 위치 및 이동거리를 산출하고, 그 산출 정보를 비행 동작 제어장치(44)에 제공하는 현재위치 검지장치(45)가 상기 자율비행 제어기(4)에 더 구비될 수도 있다. 특히, 현재위치 검지장치(45)에서는, 관성항법장치(41)로부터 측정되는 비행 속도 및 비행 시간에 기초하여 연산된 비행 거리 값을 이용하여, 거리표식의 식별에 의하여 검측된 비행 본체(1)의 현재 위치 값 및 이동 거리 값을 보정하여 비행 본체(1)의 현재 위치 및 이동 거리에 대한 정보를 취득하고, 취득된 정보를 비행 동작 제어장치(44)에 제공할 수도 있다.
또한 본 발명의 무인비행체에서, 비행 본체(1)에 탑재되는 구난장비는, 방연마스크, 방화복 및 소화기로 이루어진 군에서 선택된 1개 또는 복수개의 물품이거나, 조명장치이거나, 음성안내를 위한 스피커이거나, 화재현장을 촬영하기 위한 촬영장비일 수 있다.
또한 본 발명에서 비행 본체(1)에는, 비행 방향 전방으로 선로에 열차가 접근하거나 또는 열차가 존재하고 있는 것을 미리 탐지하여 그 정보를 비행 동작 제어장치에 제공하는 열차접근 탐지수단이 더 구비되어 있으며, 비행 동작 제어장치(44)는, 철도터널 내의 화재현장으로 자율비행하여 출동할 때, 열차가 없는 선로에서는 자유롭게 비행하도록 비행 본체를 제어하다가, 열차접근 탐지수단으로부터 열차가 다가오거나 또는 비행하는 방향의 앞쪽으로 열차가 정지해 있다는 정보가 제공되면, 비행 본체가 상행 선로와 하행 선로 사이 공간으로 대피하게 만들고, 열차가 지나가거나 또는 열차를 지나쳐간 후에는 다시 원래 위치로 복귀하여 비행하도록 비행 본체를 제어하도록 구성될 수도 있다.
본 발명에 의하면, 무인비행체가 선로중심축선의 위치를 스스로 검지하고 파악하여 이를 따라서 종방향으로 자율 비행하여 화재 현장에 도달하여 화재 구난에 필요한 다양한 구난조치를 수행할 수 있게 된다.
따라서 본 발명에 의하면 철도터널 등과 같이 GPS에 의한 무인비행체의 위치 파악이 불가능한 "GPS 음영 지역"에서 발생한 화재 현장에 대해서도 매우 신속하게 출동하여 효율적인 구난조치를 할 수 있게 되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무인비행체의 일 실시예에 대한 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 무인비행체의 개략적인 종방향 측면도이다.
도 3은 철도터널 내에서 본 발명의 무인비행체가 전차선에 접한 상태로 선로중심축선을 추종하여 비행하고 있는 상태를 보여주는 종방향으로의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 무인비행체에 구비된 자율비행 제어기의 구성에 대한 개략적인 블록도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다. 편의상 본 명세서에서, 열차가 주행하는 방향 즉, 레일이 길게 연장되는 방향을 "종방향"이라고 기재하고, 수평면에서 종방향을 가로지르는 방향을 "횡방향"이라고 기재한다. x-y-z의 서로 직교하는 3개의 축에서 종방향을 x축이라고 하면, 횡방향 중에서 열차가 주행하는 레일과 레일 사이의 직선 방향은 y축이 되며, 레일과 레일 사이의 중간지점으로부터 천장 방향은 z축이 된다. 따라서 후술하는 "선로중심축선"은 레일과 레일 사이의 중간지점 사이의 레일과 레일 사이에서 천장방향으로 수직하게 그은 가상의 선, 즉 z축 선에 해당하는 가상의 선을 의미한다.
도 1에는 본 발명에 따른 선로중심축선 추종 자율비행 방식의 무인비행체(이하, "무인비행체"라고 약칭함)(100)의 일 실시예에 대한 개략적인 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 도시된 무인비행체(100)의 개략적인 종방향 측면도가 도시되어 있다. 도 3에는 철도터널 내에서 본 발명의 무인비행체(100)가 전차선(200)에 접한 상태로 선로중심축선을 추종하여 비행하고 있는 상태를 보여주는 종방향으로의 개략도가 도시되어 있다.
앞서 언급한 것처럼, 철도터널 내부에는 무인비행체(100)가 자율비행하기 위한 항공로(air way)를 확보할만한 공간이 충분하지 않다. 이를 해결하는 방안으로서 본 발명에서는 철도터널 내의 철도 건축한계선 위쪽 공간에서 열차주행 선로를 따라 가면서 자율적으로 비행함으로써 자율비행하여 철도터널 내의 화재 현장에 도달하게 된다. 즉, 본 발명에 따른 무인비행체(100)는, 자율적으로 비행하여 철도터널 내에서 발생한 화재 현장에 도달하게 되는데, 이 과정에서 무인비행체(100)는 철도터널 내에서 각종 인프라 구조물이 설치되어 있는 높이 즉, 철도 건축한계선 위쪽의 공간에서 레일의 선로중심축선을 추종하여 비행("선로중심축선 추종 자율비행")하게 되는 것이다.
도면에 도시된 것처럼, 본 발명의 무인비행체(100)는, 비행을 위한 회전날개(2)를 구비한 비행 본체(1)와, 철도터널 내에 배치된 전차선(200)에 닿을 수 있는 팬헤드 부재(3)와, 무인비행체(100)의 자율비행 작동을 제어하는 자율비행 제어기(4)를 포함하여 구성된다.
비행 본체(1)는, 회전날개(2)를 구비하고 있고 회전날개(2)의 작동에 의해 공중으로 띄워져 비행하게 되는 것으로서, 본 발명에서 비행 본체(1)에는 화재구난 활동을 위하여 필요한 각종 구난장비(예를 들면, 방연마스크, 방화복, 소화기 등과 같은 화재구난자재, 조명장치, 스피커, 촬영장비 등)가 탑재된다. 이를 위하여 도면에는 상세히 도시되지 않았지만, 비행 본체(1)에는 개폐문을 가지는 적재함이 구비될 수 있으며 적재함 내에 각종 구난장비 등이 담겨질 수 있다.
본 발명에서 비행 본체(1)에는 전차선(200)에 닿을 수 있는 팬헤드(pan head) 부재(3)가 구비되어 있다. 팬헤드 부재(3)는 횡방향으로 연장된 부재로서 비행 본체(1)에 일체로 구비되어 있다. 도면에 예시된 실시예의 경우, 팬헤드 부재(3)는 2개가 한 쌍을 이루어서 각각 비행 본체(1)의 종방향 전방과 후방에 각각 구비되어 있는데, 팬헤드 부재(3)는 2개 이상의 복수개로 구비될 수 있다.
무인비행체(100)의 비행 과정에서, 팬헤드 부재(3)가 항상 전차선(200)에 접촉한 상태로 슬라이딩될 수도 있지만, 팬헤드 부재(3)가 전차선(200)에 접촉하여 슬라이딩 되는 상태와, 전차선(200)으로부터 떨어져서 분리되는 상태가 반복되면서 무인비행체(100)가 비행을 할 수 있다. 이와 같이 팬헤드 부재(3)의 상면은 전차선(200)과 접촉한 상태로 슬라이딩될 수 있으므로, 적어도 팬헤드 부재(3)의 상면은 저마찰 재료로 이루어지는 것이 바람직하며, 전차선(200)을 마모시키지 않도록 전차선(200)을 이루는 재료보다 연질의 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 팬헤드 부재(3)의 상면에 구비되는 저마찰 재료로는 소위 "테프론(Teflon)"이라고 불리는 저마찰 피복재가 있으며, 기타 유리섬유 복합재, 엔지니어링 플라스틱을 포함하여, 위와 같은 특성을 만족하는 다양한 재질을 이용하여 팬헤드 부재(3)를 제작할 수 있다. 특히, 전차선(200)에는 고압의 전류가 흐르고 있으므로, 비행 본체(1)와 전차선(200) 간의 절연을 위하여 팬헤드 부재(3)는 절연재로 제작된다.
한편, 위에서 언급한 것처럼 본 발명의 무인비행체(100)는 팬헤드 부재(3)가 전차선(200)에 닿지 않은 상태로 비행할 수도 있지만, 경우에 따라는 팬헤드 부재(3)가 전차선(200)에 닿은 상태로 미끄러지면서 비행할 수도 있다. 이와 같이 팬헤드 부재(3)가 전차선(200)에 접촉한 상태로 비행하는 경우에는, 팬헤드 부재(3)와 전차선(200) 사이에 미끄럼 접촉이 이루어짐에 따라 무인비행체(100)와 전차선(200) 사이에는 비행하는 속도에 비례하여 기계적인 동역학적 상호작용이 발생하게 된다. 따라서 후술하는 자율비행 제어기(4)의 비행 동작 제어장치(44)는 팬헤드 부재(3)와 전차선(200) 사이의 접촉 및 미끄러짐 상태를 최적의 상태로 만들어 빠르게 비행이 이루어질 수 있도록, 비행 본체(1)의 양력과 추진력을 제어하게 된다. 특히, 도면에는 도시되지 않았지만, 팬헤드 부재(3)를 비행 본체(1)에 설치함에 있어서, 팬헤드 부재(3)와 비행 본체(1) 사이에는 스프링 부재와 댐퍼 부재를 설치함으로써 무인비행체(100)의 동역학 특성이 팬헤드 부재(3)와 전차선(200) 사이의 접촉 및 미끄러짐 상태를 최적의 상태가 되도록 할 수도 있다.
본 발명의 무인비행체(100)가 운행되는 경로는 매우 높은 고압 즉, 특고압이 작용하는 환경이므로, 무인비행체(100)에 유도전압이 형성되어 기기의 오작동이나 잡음을 유발할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 본 발명의 무인비행체(100)에서는 비행 본체(1)를 이루는 전기전자기기 및 비행 본체(1)에 탑재된 센서 등의 각종 부품사이가 접지선으로 연결됨으로써 등전압을 만들어주게 된다.
앞서 언급한 것처럼 본 발명의 무인비행체(100)는 선로중심축선을 따라서 자율적으로 비행하게 되는 "선로중심축선 추종 자율비행"에 의해 철도 터널 내의 재난 현장에 도달하게 되는데, 여기서 "선로중심축선"은 앞서 설명한 것처럼 레일과 레일 사이의 중간지점 사이의 레일과 레일 사이에서 천장방향으로 수직하게 그은 가상의 선, 즉 z축 선에 해당하는 가상의 선을 의미한다. 따라서 모든 종방향 지점에 대하여 각각의 선로중심축선이 존재한다.
이와 같은 무인비행체의 선로중심축선 추종 자율비행을 위해서, 본 발명의 무인비행체(100)에는 자율비행 제어기(4)가 구비되어 비행 본체(1)에 탑재되어 있는데, 자율비행 제어기(4)는 관성항법장치(41), 선로중심축선 추종장치(42), 화재발생위치 검지장치(43) 및 비행 동작 제어장치(44)를 포함하여 구성된다. 필요에 따라서는 현재위치 검지장치(45)가 자율비행 제어기(4)에 더 구비될 수 있다. 도 4에는 자율비행 제어기(4)의 구성에 대한 개략적인 블록도가 도시되어 있다.
관성항법장치(Inertial Navigation System; "INS")(41) 자체는 대한민국 등록특허 제10-0967044호 등에 의해 이미 공지된 것으로서, 관성센서인 자이로 센서와 가속도계를 포함하여 구성될 수 있으며, 관성항법장치(41)는 이러한 자이로 센서와 가속도계에 의해 측정되는 선형 가속도와 각속도를 기초로 비행 본체(1)의 속도, 원심력, 및 자세에 대한 정보를 취득하게 된다.
선로중심축선 추종장치(42)은, 비행 본체(1)가 추종하게 될 선로중심축선의 위치를 파악하고, 그 결과에 기초하여 비행 본체(1)가 선로중심축선을 따라 추종하여 비행할 수 있게 하는 정보 즉, 비행 본체(1)가 선로중심축선으로부터 벗어난 정도와 비행 본체(1)의 현재 자세 각도, 현재 속도 등을 가지고 비행 본체(1)가 현재 비행하고 있는 시점에서 필요한 헤딩(heading) 조정 각도(수평과 수직의 합성 방향 각도) 정보 등의 비행 본체 헤딩 각도 조정을 위한 정보를 비행 동작 제어장치(44)에 제공하게 된다.
이 때, 선로중심축선 추종장치(42)에서 수행되는 선로중심축선의 위치 파악은 2가지의 방식으로 이루어질 수 있다. 첫 번째는 한 쌍의 레일을 이용하여 선로중심축선의 위치를 파악하는 방식이고, 두 번째는 전차선을 이용하여 선로중심축선의 위치를 파악하는 방식이다.
우선 한 쌍의 레일을 이용하여 선로중심축선의 위치를 파악하는 방식에서는, 비행 본체(1)에 탑재된 거리스캐너(420)에 의해, 지면에 설치된 한 쌍의 레일 각각으로부터 비행 본체(1)까지의 수직 거리 및 수평 거리를 실시간으로 측정하고, 그 측정된 수직 거리 값, 수평 거리 값, 그리고 관성항법장치(41)로부터 제공된 비행 본체(1)의 속도, 원심력, 및 자세에 대한 정보를 이용하여 선로중심축의 위치를 파악하게 된다. 이 때 각 정보를 이용하여 선로중심축선의 위치를 인식하기 위한 구체적인 수학적 알고리즘은 이미 공지된 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
전차선을 이용하여 선로중심축선의 위치를 파악하는 방식에서는 전차선의 편위 측정값을 이용하게 된다. 전차선(200)은 선로중심축선으로부터 횡방향으로 편위된 상태로 배치되는데, 이러한 종방향으로 가면서 편위 위치가 선형적으로 변화되도록 지그재그로 설치된다. 따라서 전차선(200)의 편위를 실시간으로 측정함으로써 선로중심축선의 위치를 파악할 수 있게 된다. 비행 본체(1)에 탑재된 공지의 전차선 편위 검지 장비를 이용하여 전차선의 편위를 검지하여 측정하고, 그 측정값으로부터 공지의 수학적 알고리즘을 이용하여 선로중심축의 위치를 파악하게 된다. 전차선의 편위를 검지하는 전차선 편위 검지 장비 및 이를 이용하여 전차선의 편위를 검지하는 기술 자체는, 대한민국 등록특허 제10-1583707호에 개시되어 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이와 같이 선로중심축선의 위치를 파악하는 방식은 2가지가 있는데, 본 발명에서 선로중심축선 추종장치(42)는 위에서 설명한 2가지 방식 중 어느 하나를 수행할 수 있는 구성을 가질 수도 있고, 2가지 방식을 모두 수행할 수 있는 구성을 가질 수도 있다.
GPS에 의한 위치파악이 이루어질 수 없는 GPS 음영 지역에 해당하는 철도터널 내부에 발생한 화재 현장에 무인비행체(100)가 자율비행하여 도달하기 위해서는, 무인비행체(100) 스스로 화재 현장에 도달했음을 인식할 수 있어야 한다. 이를 위하여 본 발명의 무인비행체(100)에서는 화재발생위치를 검지하여 인식하는 화재발생위치 검지장치(43)가 구비된다. 화재발생위치 검지장치(43)는 열화상 카메라와 이미지 프로세싱 장치로 구성될 수 있는데, 열화상 카메라를 통해서 촬영된 영상을 이미지 프로세싱 장치로 분석함으로써 즉, 공지의 이미지 프로세싱을 수행함으로써 화재 발생 여부 및 그 위치를 파악하게 된다. 즉, 열화상 카메라로 취득한 영상에 대한 이미지 프로세싱을 통해서 화재 발생 여부를 인지하고 그 위치를 파악하는 구체적인 알고리즘 및 장치는 공지된 것인 바, 상세한 설명은 생략한다. 화재발생위치 검지장치(43)는 비행 본체(1)에 탑재된다.
한편, 필요에 따라서는 상기한 화재발생위치 검지장치(43)를 통해서 화재 현장의 위치를 파악하는 것에 더하여, 현재위치 검지장치(45)를 추가적으로 더 구비함으로서 무인비행체(100)의 현재 위치를 정밀하게 파악할 수도 있다. 철도의 경우, 철도 노견을 따라 노반 머리 좌측에 거리표(Distance Post)가 설치되어 있으며, 이러한 거리표는 레일 선로의 기점으로부터 종점 방향으로 소정 거리마다(현재는 200m마다) 세워져 설치되어 있다. 또한 소정 거리(약 40 내지 50m)마다 지지물이 설치되어 있는데, 이러한 지지물이 설치된 지점에는 전주의 번호표가 설치되어 있고 전주 번호표에는 전주 번호표간의 간격을 나타내는 거리값이 표시되어 있다. 이와 같이 철도터널을 포함한 열차 선로에는 레일이 연장되는 종방향으로 기점으로부터의 거리 또는 현재의 위치를 나타내는 거리표식이 존재하고 있다.
따라서 본 발명에 구비된 현재위치 검지장치(45)는 비행 본체(1)가 비행하는 동안에 레일의 주변에 존재하는 거리표식을 인식하여 이를 통해서 현재 비행 본체(1)가 존재하는 위치 및 이동거리를 산출하고, 그 산출 정보를 비행 동작 제어장치(44)에 제공하게 된다. 예를 들어, 현재위치 검지장치(45)는, 카메라 등의 영상취득 장치와, 취득된 거리표식의 영상에 대한 이미지 프로세싱을 통해서 거리표식의 내용을 인지하는 이미지 프로세서를 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 구성을 통해서 현재위치 검지장치(45)에서는 거리표식을 이용하여 비행 본체(1)의 현재 위치 및 출발지점으로부터의 현재까지의 누적비행거리에 대한 정보를 취득할 수 있게 되고, 이를 비행 동작 제어장치(44)에 제공하게 된다. 필요한 경우, 현재위치 검지장치(45)에서는, 관성항법장치(41)로부터 측정되는 비행 속도 및 비행 시간에 기초하여 연산된 비행 거리값을 이용하여, 거리표식의 식별에 의하여 검측된 현재 위치 값 및 이동 거리 값을 보정함으로써, 더욱 정확한 비행 본체(1)의 현재 위치 및 이동 거리에 대한 정보를 취득할 수도 있다. 이와 같이 관성항법장치(31)로부터의 정보를 이용하여, 거리표식 근거로 검측된 결과를 보정하는 알고리즘 자체는 공지되어 있는 바, 이에 대한 설명은 생략한다.
비행 동작 제어장치(44)는 관성항법장치(41), 선로중심축선 추종장치(42), 화재발생위치 검지장치(43) 및 현재위치 검지장치(45)로부터 제공되는 정보를 이용하여 회전날개(2)를 제어함으로써 비행 본체(1)가 자율적으로 비행하여 철도 터널 내의 화재 현장에 도달하게 만든다. 즉, 비행 동작 제어장치(44)는, 관성항법장치(41)와 선로중심축선 추종장치(42)로부터 제공되는 정보를 이용하여 비행 본체(1)를 비행시키되, 팬헤드 부재(3)가 전차선(200)과 접촉하여 슬라이딩되도록 하거나 또는 팬헤드 부재(3)가 전차선(200)에 간헐적으로 접촉한 상태로 만들면서 선로중심축선을 따라 비행하게 만들게 되는 것이다. 무인비행체(100)의 비행 과정에서, 현재위치 검지장치(45)는 지속적으로 비행 본체(1)의 현재 위치를 파악하게 되고, 화재발생위치 검지장치(43)를 통해서 화재 현장이 인지되면, 비행 동작 제어장치(44)는 비행 본체(1)를 제어하여 비행 본체(1)에 탑재되어 있던 방연마스크, 방화복, 소화기 등과 같은 화재구난자재를 화재 현장으로 낙하시켜 투입하거나, 조명장치, 스피커, 촬영장비 등의 구난장비를 작동시키게 된다. 즉, 비행 본체(1)에 화재 구난장비로서 방연마스크, 방화복 및 소화기의 전부 또는 일부를 탑재시킨 후, 비행 본체(1)가 화재 현장에 도착하게 되면 구난장비를 화재현장에 낙하실 수 있는 것이다. 또한 비행 본체(1)에 구난장비로서 조명장치를 설치하여 화재현장을 환하게 비추고 탈출로를 안내할 수 있으며, 스피커를 구난장비로 설치하여 탈출로에 대한 정보, 화재대응 요령 등을 음성안내 할 수도 있다. 따라서 화재 현장에서 열차 승객들은 방연마스크 등의 화재구난자재를 이용할 수 있게 되고, 조명장치의 불빛을 따라 용이하게 탈출로를 찾을 수 있으며 스피커를 통한 안내방송에 따라 안전하게 화재 현장에서 탈출할 수 있게 된다. 또한 촬영장비 등을 통해서 입수된 영상은 관제실로 전송되고, 관제실의 관리자는 화재 현장을 정확하게 파악하여 구난에 필요한 조치를 신속하게 취할 수 있게 된다. 물론 화재 현장의 촬영영상 뿐만 아니라, 무인비행체(100)의 비행과정에서 자율비행 제어기(4)에서 입수된 각종 정보 역시 관제실로 전송되며, 관제실로부터의 필요한 명령 등도 무인비행체(100)에 무선 전송된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 무인비행체(100)는, 선로중심축선의 위치를 스스로 검지하고 파악하여 이를 따라서 종방향으로 자율 비행함으로써 화재 현장에 도달하여, 화재 구난에 필요한 다양한 구난조치를 수행할 수 있게 된다. 따라서 GPS 음영지역인 철도터널 내에 발생한 화재 현장에 대해서도 매우 신속하고 효율적인 구난조치를 할 수 있게 된다.
한편, 위와 같이 본 발명의 무인비행체(100)가 철도터널 내의 화재현장으로 자율비행하여 출동함에 있어서, 열차가 없는 선로에서는 자유롭게 주행하다가 열차가 다가오거나 또는 비행하는 방향의 앞쪽으로 열차가 정지해 있는 것을 발견하면 상행 선로와 하행 선로 사이 공간으로 대피 운행한 후 열차가 지나가거나 또는 열차를 지나쳐간 후에는 다시 원래 위치로 복귀하여 비행하도록 비행 본체(1)를 제어할 수도 있다. 필요한 경우에는 상행 선로와 하행 선로 사이 공간에서 비행 본체(1)가 세워진 상태 즉, 회전날개(2)들이 연직방향으로 존재하도록 90도 각도로 세워진 상태가 잠시 되었다가 다시 원래로 복귀할 수도 있는 것이다. 이와 같은 비행 본체(1)의 비행 자세 제어는 비행 동작 제어장치(44)에 의해 수행된다.
이를 위하여 본 발명의 무인비행체(100)에서는 비행 방향의 전방으로 선로에 열차가 오는 것을 미리 탐지하기 위한 "열차접근 탐지수단"을 더 구비할 수 있다. 열차접근 탐지수단은 파동감지 센서로 이루어질 수 있는데, 열차의 집전 팬터그래프가 일으키는 전차선(200)의 파동이 전파되는 것을 파동감지 센서에 의하여 감지함으로써 열차의 접근을 탐지할 수 있다. 이와 달리 열차접근 탐지수단은 소음감지 센서로 이루어질 수 있다. 이 경우, 열차의 접근으로 발생하는 공기역학적 소음을 소음감지 센서로 측정하여 감지함으로써 열차의 접근을 탐지하게 된다.
또한 열차접근 탐지수단은 레일 상에서 전파되는 차륜 접촉 소음과 진동을 감지하는 센서로 이루어질 수 있다. 이 경우 레일 상에서 전파되는 차륜 접촉 소음과 진동을 감지함으로써 열차의 접근을 미리 탐지하게 된다. 이러한 열차접근 탐지수단은, 각각 하나씩만 구비될 수도 있지만 여러 개가 함께 사용될 수도 있으며, 비행 본체(1)에 탑재되어 구비된다.
이러한 열차접근 탐지수단은, 선로에 열차가 오는 것을 탐지하거나 또는 선로에 열차가 존재하고 있다는 것을 탐지하게 되면, 그 정보를 비행 동작 제어장치(44)에 제공하게 되고, 비행 동작 제어장치(44)는 위에서 설명한 것처럼 비행 본체(1)가 상행 선로와 하행 선로 사이 공간으로 대피하도록 비행 본체(1)를 제어하게 된다.
한편, 이와 같은 본 발명의 무인비행체(100)는, 철도터널 내의 화재현장에 출동하여 구난활동을 하는 것에 더하여, 필요한 경우, 궤도, 전차선로, 신호, 통신 분야 철도 인프라 시스템 등을 감시, 측정, 또는 진단하는데 이용할 수도 있다.
1: 비행 본체
2: 회전날개
3: 팬헤드 부재
4: 자율비행 제어기

Claims (10)

  1. 비행을 위한 회전날개를 구비하고 있고 화재구난을 위한 구난장비를 탑재하여, 철도터널 내의 철도 건축한계선 위쪽 공간에서 열차주행 선로를 따라 가면서 비행하게 되는 비행 본체; 및
    상기 비행 본체에 탑재되어 비행 본체가 철도의 선로중심축선을 추종하여 자율비행할 수 있도록 제어하는 자율비행 제어기를 포함하는데;
    상기 자율비행 제어기는,
    비행 본체의 속도, 원심력, 및 자세에 대한 정보를 취득하는 관성항법장치와,
    비행 본체가 추종하게 될 선로중심축선의 위치를 파악하여 비행 본체가 선로중심축선을 따라서 비행할 수 있게 비행 본체의 헤딩 각도 조정을 위한 정보를 취득하는 선로중심축선 추종장치와,
    비행 본체의 현재 위치와 이동거리를 파악하는 현재위치 검지장치와,
    화재발생위치를 검지하여 인식하는 화재발생위치 검지장치와,
    상기 관성항법장치로부터의 정보, 선로중심축선 추종장치로부터의 정보, 현재위치 검지장치로부터의 정보, 및 화재발생위치 검지장치로부터의 정보에 의해, 비행 본체가 선로중심축선을 따라 비행하도록 회전날개를 제어하고 화재 현장에 도착하게 되면 비행 본체에 탑재된 구난장비를 작동시키는 비행 동작 제어장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자율비행 방식의 무인비행체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서.
    선로중심축선 추종장치는 전차선 편위 검지 장비를 포함하고 있어서, 전차선 편위 검지 장비를 이용하여 전차선의 편위를 검지하여 측정하고, 그 측정값으로부터 철도 선로중심축선의 위치를 파악하는 것을 특징으로 하는 자율비행 방식의 무인비행체.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 비행 본체에 설치되어 있으며 철도터널 내에 배치된 전차선에 닿을 수 있는 팬헤드 부재가 비행 본체에 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 자율비행 방식의 무인비행체.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    현재위치 검지장치는, 영상취득 장치와, 상기 영상취득 장치에 의해 취득된 철로의 거리표식 영상에 대한 이미지 프로세싱을 통해서 거리표식의 내용을 인지하는 이미지 프로세서를 포함하여 구성되어, 비행 본체가 비행하는 동안에 레일의 주변에 존재하는 거리표식을 인식하여 현재 비행 본체가 존재하는 위치 및 이동거리를 산출하여 검측하되, 상기 관성항법장치로부터 측정되는 비행 속도 및 비행 시간에 기초하여 연산된 비행 거리값을 이용하여, 거리표식의 식별에 의하여 검측된 비행 본체의 현재 위치 값 및 이동 거리 값을 보정하여 비행 본체의 현재 위치 및 이동 거리에 대한 정보를 취득하고, 취득된 정보를 비행 동작 제어장치에 제공하는 것을 특징으로 하는 자율비행 방식의 무인비행체.
  6. 제1항 또는 제 3항에 있어서,
    화재발생위치 검지장치는 열화상 카메라와 이미지 프로세싱 장치로 구성되어, 열화상 카메라를 통해서 촬영된 영상을 이미지 프로세싱 장치에 의해 이미지 프로세싱함으로써 화재 발생 여부 및 화재 발생 위치를 파악하게 되는 것을 특징으로 하는 자율비행 방식의 무인비행체.
  7. 제1항 또는 제 3항에 있어서,
    비행 본체에 탑재되는 구난장비는, 방연마스크, 방화복 및 소화기로 이루어진 군에서 선택된 1개 또는 복수개의 물품인 것을 특징으로 하는 자율비행 방식의 무인비행체.
  8. 제1항 또는 제 3항에 있어서,
    비행 본체에는, 비행 방향 전방으로 선로에 열차가 접근하거나 또는 열차가 존재하고 있는 것을 미리 탐지하여 그 정보를 비행 동작 제어장치에 제공하는 열차접근 탐지수단이 더 구비되어 있으며,
    비행 동작 제어장치는, 철도터널 내의 화재현장으로 자율비행하여 출동할 때, 열차가 없는 선로에서는 자유롭게 비행하도록 비행 본체를 제어하다가, 열차접근 탐지수단으로부터 열차가 다가오거나 또는 비행하는 방향의 앞쪽으로 열차가 정지해 있다는 정보가 제공되면, 비행 본체가 상행 선로와 하행 선로 사이 공간으로 대피하게 만들고, 열차가 지나가거나 또는 열차를 지나쳐간 후에는 다시 원래 위치로 복귀하여 비행하도록 비행 본체를 제어하는 것을 특징으로 하는 자율비행 방식의 무인비행체.
  9. 제4항에 있어서,
    팬헤드 부재와 비행 본체 사이에는 스프링 부재와 댐퍼 부재가 구비되어 있으며,
    자율비행 제어기의 비행 동작 제어장치는 팬헤드 부재가 전차선에 접촉하여 미끄러지면서 비행 본체가 비행할 수 있도록 비행 본체의 양력과 추진력을 제어하는 것을 특징으로 하는 자율비행 방식의 무인비행체.
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    자율비행 동안에 유도전압이 형성되어 오작동이나 잡음이 유발되는 것을 방지하기 위하여, 비행 본체에 구비된 자율비행 제어기의 관성항법장치, 선로중심축선 추종장치, 현재위치 검지장치, 화재발생위치 검지장치 및 비행 동작 제어장치 중에서 도전성 물질로 이루어진 장치와, 비행 본체의 금속재질 부분이, 서로 접지선으로 연결되어 등전압을 만들어주는 것을 특징으로 하는 자율비행 방식의 무인비행체.
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