[33호]지능형 화재 감시 자율 주행 로봇

ICT 융합 프로젝트 공모전 입선

지능형 화재 감시 자율 주행 로봇

글 | 상명대학교 이정욱, 조형문, 김한수, 신인섭

심사평

펌테크 비콘을 이용한 로봇의 좌표와 방위각 제어 방법에 관련된 기술접목에 관련된 아이디어 접근 방식은 훌륭하나, 로봇의 하우징 및 구동방식은 기존의 화재 감시 로봇과의 차이점이 없어 보입니다.
JK전자 전원공급에 대한 부분이 해결이 된다면 굉장히 유용하게 활용이 가능한 작품이다. 사람이 직접 감시하기에는 위험한 지역에 로봇을 설치하여 지속적으로 위험 요소를 감지하여 인간에게 유익하도록 활용이 되는 것이 로봇 개발의 주된 목적인데, 이에 맞는 작품이다.
뉴티씨 기구부, 회로도 및 소프트웨어가 조화를 이루고 아이디어 또한 참신하다. 또한 솔루션 개발을 위한 특허 등록까지 모두 마친 상황이기도 하다. 앞으로의 솔루션 전개가 기대된다.
칩센 현재 출시된 다른 기능형 로봇에 비해서 지능형 화재 감시 자율 주행 로봇은 평지에서만 활동이 가능한 것으로 보여 활동범위가 좁아 다양한 곳에서 사용하기에는 부적합하며, RF비콘을 사용하여 좌표와 방위각 산출은 RF비콘에 화재가 일어날 경우 원하는 곳으로 이동이 불가능할 것으로 보여 제 임무를 소화할 수 있을지 의문. 그리고 배터리 자동 충전등 사용상의 불편함을 해소할 수 있는 기능이 추가되어야 할 것으로 보인다.
위드로봇 작품 보고서 제목에는 “자율 주행”이라는 표현이 있는데, 보고서에는 로봇이 자신의 위치를 인지하기 위한 방식의 설명이 누락되어 있습니다. RF와 초음파를 이용한다는 언급이 있는데, 이 기술을 자체적으로 구현한 것인지, 구현했다면 어떻게 구현한 것인지에 대한 설명이 없어 “자율 주행”이 가능한 것인지 파악하기 어렵습니다. 또한 이동로봇의 holonomic contraint에 대한 학습을 통해 메카넘 휠의 필요성이 설명되었으면 더 좋은 보고서가 되었을 것이라는 생각이 듭니다. 화재를 검출하기 위한 각종 센서 동작도, 검출 거리 및 오동작에 대한 대비책이 언급되어 있지 않아 아쉬웠습니다.

작품 개요
■ 전통적인 화재감지 시스템의 문제점
· 화재 발생 시, 기 설치된 센서의 감지 영역까지 화재가 확산되어야 감지가 가능
· 화재에 대한 위치, 확산 정도 등의 정확한 정보 파악이 힘듦
■ 상기 문제점을 보완할 수 있도록, 자율 주행을 통한 화재 감지 및 모니터링을 수행하는 자율 주행 로봇 기반 화재 조기경보 시스템 개발
■ 무인화, 경량화, 소형화를 통한 인력 대체 및 위험 시설에 대한 능동적이고 빠른 화재 경보로 산업 시설물의 대형 화재 방지

개발 대상 기술의 개요 및 필요성
현재 대부분의 부착형 화재감지 시스템은 적외선 센서나 광학센서, 이온 센서 등을 사용하여 화재로부터 발생되는 연기, 열, 복사에너지 등을 감지하도록 설계되었습니다. 이러한 부착형 화재감지 시스템의 문제점은 화재가 발생하더라도 센서의 감지 영역까지 확산되어야 감지할 수 있다는 문제점과 감지한 화재에 대한 위치, 확산 정도 등의 정확한 정보를 제공할 수 없다는 문제점이 있었습니다. 이러한 문제점은 다량 설치를 통해 해결이 가능하지만, 이는 과도한 설치비용으로 인해 적절한 해결방법이 될 수 없습니다. 또한, 최근 화재가 발생하여 많은 피해를 주고 있는 위험물 취급 장소나 지하 공동구처럼 인간이 활동하기에 위험요소가 내포되어 있거나 불편한 장소에 로봇을 사용한다면 화재를 능동적으로 감지하여, 초기진압을 도울 수 있을 것으로 보입니다.
본 기술은 화재에 대한 이상 징후를 검출하고 모니터링 함으로써 대형화재로의 확산을 방지하는 지능형 화재 감시 자율 주행 로봇입니다. 지능형 화재 감시 자율 주행 로봇은 RF와 초음파 등을 활용하여 삼각측량법으로 거리를 측정하는 beacon 시스템을 통해 로봇의 자율 주행을 위한 현재 좌표와 방위각을 산출하여 지정된 경로로 이동할 수 있습니다. 화재가 발생했거나 화재 발생 징후를 가스 누출 및 온도 변화 등 다양한 화재를 감지할 수 있는 센서를 통해 탐지하여 무선 네트워크를 활용하여 모니터링 시스템에 알림으로써 초기에 화재를 감지하여 대형화재로의 확산을 방지하는 기능을 수행합니다.

기술 개발 시 예상 효과 및 활용방안
예상 효과
소방방재청의 14년 4월말 화재발생현황을 살펴보면 비주거(교육시설, 판매-업무시설, 집합시설, 의료복지시설, 산업시설, 운수-자동차시설, 문화재시설, 생활서비스시설, 기타 건축물-시설물)의 화재 발생률이 가장 높다는 것을 알 수 있으며, 비주거 화재 발생에 대한 세부현황을 살펴보면, 산업시설이 35.84%(557건)로 가장 높은 발생률을 나타내고 있습니다.

이는 산업시설의 시설물 관리 소홀과 화재감지기의 사각지역 및 인력 투입이 힘든 장소의 화재로 인한 것이 가장 큰 원인으로 파악됩니다.

기술의 최종 결과물인 지능형 화재 감시 자율 주행 로봇은 이동형 무인 화재 감지 시스템으로 인건비 절감효과가 있으며, 종래의 화재감지기를 사용할 수 없는 장소의 화재 감지를 수행할 수 있다는 장점이 있습니다. 이는 산업시설에서 발생하는 화재를 초기에 진압할 수 있는 효과가 있으며, 또한, 지능형 화재 감시 자율 주행 로봇을 통하여 화재감지기 분야의 세계 시장을 개척하고 선점할 수 있는 효과가 있을 것으로 판단됩니다.

활용 방안
본 기술은 지능적으로 이동하며 화재를 감지하는 장치로 아래와 같이 인간이 활동하기에 위험요소가 내포되어 있거나 불편한 장소에서 자율 주행하며 화재를 감시합니다. 이를 통해 아래와 같은 산업 시설물 등에서 발생할 수 있는 화재를 초기에 발견하여 대형화재로의 확산을 방지할 수 있을 것입니다.

작품 설명
기술개술의 목표는 부착형 화재감지기의 사각지역을 해소할 수 있는 로봇을 개발하는 것이므로, 지능형 화재 감지 자율 주행 시스템은 화재 발생 및 이상 징후가 있는 곳을 조기에 탐지하여 좌표 산출 장치를 통해 위치를 파악하고 이를 무선 네트워크를 통해 모니터링 시스템에 전송함으로써 화재를 조기에 파악하고 초기 진압을 가능하게 하는 솔루션을 포함하고 있습니다. 또한, 소형 및 경량화된 화재 감지 자율 주행 로봇으로 위험물 취급 장소와 산업시설의 좁은 구역 등 인간이 활동하기에 위험요소가 내포되어 있거나 불편한 장소에 적용이 가능하며, 중소형 산업시설에도 공급될 수 있도록 보급형 시스템이 개발중입니다.

주요동작 및 특징
■ 초음파, RF 비콘을 활용해 좌표와 방위각을 산출하여 지정된 좌표대로 이동하는 소형/경량 자율 주행 로봇 개발
■ 온도, 가스, 연기 등의 센서를 통한 화재 및 화재 발생 가능성이 있는 위치를 알아내고 필요에 따라 영상 정보를 추출하여 전송할 수 있는 장치 개발
■ 화재 감지 시 모니터링 시스템에 정보를 전송하는 무선 전송장치 개발

주요동작
비콘을 활용해 좌표와 방위각을 산출하는 좌표 산출부와 지정된 좌표대로 이동하는 자율 주행부가 있으며, 또한, 온도, 가스, 연기 등의 센서를 부착하여 화재 및 이상 징후 발생 가능성이 있는 위치를 산출하는 화재 감지부, 그리고 화재 및 이상 징후 감지 시 모니터링 시스템에 정보를 전송하는 무선 네트워크부로 구성되어 있습니다.

기술 개발을 위해 위와 같이 주행부, 화재 감지부, 동력부를 실장하기 위한 하체부를 설계하였으며, 메카넘휠의 전우좌우 운동방향과 같은 기타 활동성요소에 대한 개발을 완료하였습니다.

특징
비콘을 활용해 좌표와 방위각을 산출하여 지정된 좌표대로 이동하는 자율 주행 시스템과 온도, 가스, 연기 등의 센서를 부착하여 화재 및 화재 발생 가능성이 있는 위치를 알아내고 필요에 따라 영상정보를 추출하여 전송할 수 있는 장치가 있습니다.

전체 시스템 구성
주행 장치 및 위치 인식 시스템
· 자율 주행을 위한 모터 컨트롤러 설계
· 초음파 비콘 시스템을 활용하여 위치 인식 시험환경 구축
· 주행 장치 및 동력부 실장을 위한 하체 외주 제작
· 초음파 비콘 시스템의 수신기, 모터 컨트롤러, 제어부를 통합하여 위치 인식에 따른 자율 주행 알고리즘 검증 및 보완

화재 감지 센서부
· 화재 발생 징후 파악을 위한 화재 감지 센서 선정
· 온도, 연기, 불꽃, 가스 센서의 실제 성능 측정
· 온도, 연기, 불꽃, 가스 센서를 통합한 화재 감지 센서부 설계

지능형 화재 감시 자율 주행 로봇
· 주행 장치, 위치 인식 시스템, 화재 감지 센서부를 통합한 전체 시스템 시작품 제작
· 시작품 성능 테스트 및 보완

지능형 화재 감지 자율 주행 로봇은 비콘을 활용하여 좌표를 산출하고, 이를 통하여 이동하며 화재 발생 및 이상 징후를 감지함으로써 사람이 진입하지 못하는 시설물 또는 오염 지역 등에 적용할 수 있도록 설계하였습니다.

위 사진에 나타나 있는 메카넘휠이란 시스템을 활용하여 기존 주행 방식의 단점인 회전 반경 등을 해결하였으며, 메카넘휠은 그림 9. 메카넘휠의 회전 운동 방향에 나타나 있는 이동 방식과 같이 회전 반경이 없이 제자리에서 회전이 가능합니다. 따라서 전진, 후진뿐만 아니라 좌, 우, 대각선 등 자유로운 이동이 가능합니다. 이를 통해 위험물 취급 장소와 산업시설의 좁은 구역 등 인간이 활동하기에 위험요소가 내포되어 있거나 불편한 장소에 적용이 가능하며, 중소형 산업시설에도 공급될 수 있는 보급형 시스템으로 각종 발전소 및 폐기물처리시설, 유류저장 및 송유설비, 가스공급설비 등에 적용이 가능하여 기존 소방방재 부품 시장을 증대시킬 수 있다고 보고 있습니다.

지능형 화재 감시 자율 주행 로봇

기타(개발환경, 사용된 제품, 회로도, 참고자료 등)
개발환경(개발언어, Tool, 사용시스템 등)

사용된 제품군

회로도

참고 자료
· 자율 주행 로봇 및 그 제어 방법, 출원번호 : 특허출원 제2012-0020220호