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문제 정의
- 본 논문에서는 이러한 기존 화재로봇 기술의 단점을 해결하기 위하여 화재 발생 시 화재감시로봇이 정해진 이동경로를 따라서 자율적으로 주행하여 화재 발생 현장으로 이동하여 촬영한 영상정보를 당직자에게 실시간으로 제공하는 로봇시스템의 구성 방법과 시스템의 화재수신기와 화재감시로봇간의 통신을 Wi-Fi 무선 네트워크를 통하여 이루어지도록 설계하고 다수의 화재감시로봇 요청에 응답할 수 있도록 메모리 Map 기반 멀티캐스팅을 할 수있는 프로토콜을 제안한다. 제안하는 통신 프로토콜과 함께 자율주행 시 장애물을 회피하기 위한 엔코더와 초음파 센서[4,5], 레이저센서[6], Bumper Sensor Module, Camera Module[5] 및 무선통신모듈 등을 이용하여 화재감시로봇과 화재수신기를 구축한 후 시험을 통하여 프로토콜의 유용성을 검증한다.
- 본 논문에서는 화재수신기 기반의 화재감시로봇 구성과 로봇의 제어를 위한 통신 프로토콜을 제안하였다. 화재감시로봇의 통신시스템은 계층 구조적 방식으로 설계하였고 무선 통신은 Wi-Fi 이더넷 기반의 네트워크를 사용하였다.
제안 방법
- 화재감시로봇은 화재수신기의 통신 명령을 수신 후 화재장소로 이동하여 영상을 촬영하고 화재수신기에 영상정보를 송신한다.[9] 화재감시로봇과 화재수신기 사이에는 2.4G 대역폭을 제공하는 무선 LAN 통신환경으로 구축하고 화재수신기가 다수 로봇의 요청에 응답할 수 있도록 메모리 Map 기반 멀티캐스팅을 사용하여 통신 프로토콜을 설계한다.
- 제안하는 자율주행로봇은 화재 발생 시 화재 발생 현장의 화재감지기로부터 화재 발생 정보를 받은 화재수신기가 화재감시로봇에 화재 발생 현장 관련 정보를 송신하면 화재감시로봇은 화재수신기로부터 화재에 관련된 정보를 받아 자율 주행으로 화재 발생 지점으로 이동한다. 각종 장애물과 Map에 등록된 구조물에 관련된 정보를 화재수신기와 정보를 공유한다. 또한 영상을 촬영하여 화재 발생 현장에 관련된 영상정보를 실시간으로 담당자 에게 제공하는 로봇으로서 화재수신기와 화재감시로봇을 연동시키는 통신 프로토콜을 제시한다.
- 그림 6의 화재감시로봇은 Driving Module, 전면에는 장애물과 충돌 시 로봇을 보호하는 Bumper Sensor Module, DC24V Battery Module, 로봇을 제어하는 Control Module, 장애물 탐지를 위해 20mm∼5.6m의 감지거리와 240도의 측정각을 갖는 Laser Range Finder Module, 3.5m의 탐지거 리와 약 60도의 각도를 측정하는 Ultrasonic Sensor Module,[12.13] 영상을 촬영하는 Camera Module, 인공표식 기반 위치인식용 랜드마크 확인을 위한 Absolute Localization Sensor Module (Star Gazer) 및 화재 발생시 화재 확산을 지연시켜 줄 수 있는 Fire Extinguisher[14] 등으로 구현하였다.
- 종점의 위치 오차는 평균 +/- 20 cm로 측정되어 정확히 화재 발생 지점으로 이동함을 확인하였으며 성능시험을 실시하여 표 5와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 기존 방식은 원격으로 로봇을 조정하는 것이 특징이지만 제안하는 화재감시로봇은 화재수신기에서 송신한 화재 신호와 화재발생지역의 정보가 연동하여 작동하도록 설계하였다. 기존에는 화재감지와 진압과정은 현장 상황에 따라서 탐색로봇과 진압로봇으로 구분하여 화재 현장에 투입하지만 제안하는 로봇은 두 가지 기능이 구분 없이 상황에 맞춰 연속적으로 수행되는 장점을 가지고 있다.
- 또한 화재에 관련된 위치 정보를 수신하고 다수의 화재감시로봇의 요청에 응답할 수 있도록 메모리 Map 기반 멀티캐스팅을 사용하였다. 기존의 원격조종 방식과는 달리 화재수신기와 연동하여 운영하므로 화재 발생 시 화재수신기로부터 제공받은 정보를 수신한 후 목적지로 이동하면서 장애물을 회피하는 자율주행으로 화재 발생 현장에 접근하여 촬영한 정보를 관리자에게 RTSP 영상모듈로 영상을 전송하여 화재의 진위 여부를 확인할 수 있게 하였다. 이 방식을 사용하면 화재 초기에 골든타임을 확보하여 피해를 최소화할 수 있다.
- 동작 및 성능시험을 위한 환경으로서 그림 8과 같이 15M×12M 규모의 실내데모 테스트베드를 구축하여 사용하였다.
- 각종 장애물과 Map에 등록된 구조물에 관련된 정보를 화재수신기와 정보를 공유한다. 또한 영상을 촬영하여 화재 발생 현장에 관련된 영상정보를 실시간으로 담당자 에게 제공하는 로봇으로서 화재수신기와 화재감시로봇을 연동시키는 통신 프로토콜을 제시한다. 화재감시로봇은 화재수신기의 통신 명령을 수신 후 화재장소로 이동하여 영상을 촬영하고 화재수신기에 영상정보를 송신한다.
- 평시에는 화재수 신기는 화재감시로봇에게 상태 정보와 위치정보를 500ms 마다 요청하여 이에 응답하도록 한다. 또한 화재 발생 시 화재수신기에서 화재발생 정보를 화재감시로봇에 전송을 하여 화재감시로봇이 출동 대기 상태에 들어가고 이어서 위치 정보 및 장애물 정보를 전송받아 화재가 발생한 장소로 이동하도록 한다. 이때 화재수신기는 화재감시로봇에게 위치정보를 요청하여 화재가 발생 한 곳으로 이동하는지를 화재수신기에서 확인하고 이동이 완료되면 영상정보를 요청하여 영상을 확인하도록 한다.
- 화재감시로봇의 통신시스템은 계층 구조적 방식으로 설계하였고 무선 통신은 Wi-Fi 이더넷 기반의 네트워크를 사용하였다. 또한 화재에 관련된 위치 정보를 수신하고 다수의 화재감시로봇의 요청에 응답할 수 있도록 메모리 Map 기반 멀티캐스팅을 사용하였다. 기존의 원격조종 방식과는 달리 화재수신기와 연동하여 운영하므로 화재 발생 시 화재수신기로부터 제공받은 정보를 수신한 후 목적지로 이동하면서 장애물을 회피하는 자율주행으로 화재 발생 현장에 접근하여 촬영한 정보를 관리자에게 RTSP 영상모듈로 영상을 전송하여 화재의 진위 여부를 확인할 수 있게 하였다.
- 그림 2는 원격사용자와 소방로봇간의 통신 프로그램 흐름을 나타낸 것이다. 소방로봇과 원격사 용자간의 신뢰도 높은 통신을 위하여 CDMA (Code Division Multiple Access) 통신모듈 등을 사용하고 원격제어장치를 이용하여 통신모듈과 프로그램을 제어하고 소방로봇과 통신모듈 간에 제어 신호가 송수신된 시점부 터는 데이터를 원격사용자와 소방로봇이 서로 주고받도록 제어 프로그램을 구성한다.[7,8] 그러나 소방관이 화재 현장에 도착 후 소방로봇을 전개하는 준비 시간이 지나치게 소비되어 진입로 확보의 어려움이 발생하거나, 화재가 확산되면 소방로봇의 투입이 물리적으로 어려워지고 소방로봇의 기능도 제한된다.
- 기존에는 화재감지와 진압과정은 현장 상황에 따라서 탐색로봇과 진압로봇으로 구분하여 화재 현장에 투입하지만 제안하는 로봇은 두 가지 기능이 구분 없이 상황에 맞춰 연속적으로 수행되는 장점을 가지고 있다. 원격조종으로 이동하는 기존 로봇과 Absolute Localization Sensor Module, Laser Range Finder Module, 초음파센서 등 장애물 회피 기능 등을 이용한 자율 주행하는 화재감시로봇으로 구분되며 통신방식으로는 기존 로봇은 Bluetooth, Zigbee 및 CDMA 등을 사용하고 화재감시로봇은 이더넷 Wi-Fi 무선 네트워크 방식을 사용한다. 로봇의 운행수량은 기존 로봇은 1대이며, 다수의 원격조종자가 원격제어를 할 수 있고 영상전송은 데이터 전송이다.
- 화재수신기에서 화재감시로봇에 패킷을 전송하면 화재 감시로봇은 패킷을 수신했다는 응답신호를 화재수신기에 보내고 화재수신기에서 응답신호를 받지 않은 경우에는 화재감시로봇은 패킷을 재전송하여 응답신호를 기다리게 한다. 이러한 통신기능을 위해 표 1과 같은 구조로 화재 수신기와 화재감시로봇 사이의 Packet 구조를 설계한다. Start Packet은 통신 패킷의 시작을 의미하며 16진수로 0x02의 값이 되며 Length는 패킷의 길이를 나타내는 기능으로 로봇 ID 부터 CRC까지의 바이트 수이다.
- 화재 발생 시 초기에 화재 발생 여부와 신속한 현장 출동을 통한 화재 진압 기능이 충분하지 않은 기존 소방로 봇에 한계를 극복하기 위하여 그림 3과 같은 자율주행로 봇을 제안한다. 제안하는 자율주행로봇은 화재 발생 시 화재 발생 현장의 화재감지기로부터 화재 발생 정보를 받은 화재수신기가 화재감시로봇에 화재 발생 현장 관련 정보를 송신하면 화재감시로봇은 화재수신기로부터 화재에 관련된 정보를 받아 자율 주행으로 화재 발생 지점으로 이동한다. 각종 장애물과 Map에 등록된 구조물에 관련된 정보를 화재수신기와 정보를 공유한다.
- 본 논문에서는 이러한 기존 화재로봇 기술의 단점을 해결하기 위하여 화재 발생 시 화재감시로봇이 정해진 이동경로를 따라서 자율적으로 주행하여 화재 발생 현장으로 이동하여 촬영한 영상정보를 당직자에게 실시간으로 제공하는 로봇시스템의 구성 방법과 시스템의 화재수신기와 화재감시로봇간의 통신을 Wi-Fi 무선 네트워크를 통하여 이루어지도록 설계하고 다수의 화재감시로봇 요청에 응답할 수 있도록 메모리 Map 기반 멀티캐스팅을 할 수있는 프로토콜을 제안한다. 제안하는 통신 프로토콜과 함께 자율주행 시 장애물을 회피하기 위한 엔코더와 초음파 센서[4,5], 레이저센서[6], Bumper Sensor Module, Camera Module[5] 및 무선통신모듈 등을 이용하여 화재감시로봇과 화재수신기를 구축한 후 시험을 통하여 프로토콜의 유용성을 검증한다.
- 그림 4는 설계할 프로토콜을 위한 화재수신기와 자율주행 화재감시로봇 사이의 통신요소들을 나타낸 것이다. 평시에는 화재수 신기는 화재감시로봇에게 상태 정보와 위치정보를 500ms 마다 요청하여 이에 응답하도록 한다. 또한 화재 발생 시 화재수신기에서 화재발생 정보를 화재감시로봇에 전송을 하여 화재감시로봇이 출동 대기 상태에 들어가고 이어서 위치 정보 및 장애물 정보를 전송받아 화재가 발생한 장소로 이동하도록 한다.
- 화재 발생 시 초기에 화재 발생 여부와 신속한 현장 출동을 통한 화재 진압 기능이 충분하지 않은 기존 소방로 봇에 한계를 극복하기 위하여 그림 3과 같은 자율주행로 봇을 제안한다. 제안하는 자율주행로봇은 화재 발생 시 화재 발생 현장의 화재감지기로부터 화재 발생 정보를 받은 화재수신기가 화재감시로봇에 화재 발생 현장 관련 정보를 송신하면 화재감시로봇은 화재수신기로부터 화재에 관련된 정보를 받아 자율 주행으로 화재 발생 지점으로 이동한다.
- 본 논문에서는 화재수신기 기반의 화재감시로봇 구성과 로봇의 제어를 위한 통신 프로토콜을 제안하였다. 화재감시로봇의 통신시스템은 계층 구조적 방식으로 설계하였고 무선 통신은 Wi-Fi 이더넷 기반의 네트워크를 사용하였다. 또한 화재에 관련된 위치 정보를 수신하고 다수의 화재감시로봇의 요청에 응답할 수 있도록 메모리 Map 기반 멀티캐스팅을 사용하였다.
- Packet에 명령어를 부여하여 명령어의 종류에 따라 화재감시로봇에서 응답해야 될 정보를 화재수신기로 전송한다. 화재수신기와 화재감시로봇 사이의 통신은 화재수신기는 Master로 그리고 화재감시로봇은 Slave로 동작이 이루어지고, 화재수신기에서 명령을 전송하면 화재감시로봇에서 응답을 하도록 설계한다. 화재수신기는 여러 개의 화재감시로봇을 폴링(Polling)하면서 화재감시 로봇에서 발생되는 위치 정보 및 영상 정보를 가져온다.
데이터처리
- 제안한 프로토콜로 설계된 자율 주행 화재감시로봇을 그림 6과 같이 구현하고 그림 8과 같은 테스트 환경을 통하여 동작과 성능을 검증하였다. 그림 6의 화재감시로봇은 Driving Module, 전면에는 장애물과 충돌 시 로봇을 보호하는 Bumper Sensor Module, DC24V Battery Module, 로봇을 제어하는 Control Module, 장애물 탐지를 위해 20mm∼5.
성능/효과
- 표 3, 표 4와 같이 성능검증을 위하여 화재를 발생시켜 화재수신기에서 화재경보의 발생 유무를 10회 실시하였는데 10회 모두 화재감지기가 감지 한 후 최대 5초 이내에 화재수신기에서 화재 발생되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 화재감시로봇이 화재수신기에서 화재 발생 정보와 위치정보를 수신하여 화재 위치까지 10회 모두 정확히 이동하였다. 종점의 위치 오차는 평균 +/- 20 cm로 측정되어 정확히 화재 발생 지점으로 이동함을 확인하였으며 성능시험을 실시하여 표 5와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 화재수신기는 화재 발생 정보와 화재 위치 정보, 장애물 정보를 전송하고 영상정보를 요청하면 화재감시로봇은 응답 신호를 전송한다. 표 3, 표 4와 같이 성능검증을 위하여 화재를 발생시켜 화재수신기에서 화재경보의 발생 유무를 10회 실시하였는데 10회 모두 화재감지기가 감지 한 후 최대 5초 이내에 화재수신기에서 화재 발생되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 화재감시로봇이 화재수신기에서 화재 발생 정보와 위치정보를 수신하여 화재 위치까지 10회 모두 정확히 이동하였다.
후속연구
- 이 방식을 사용하면 화재 초기에 골든타임을 확보하여 피해를 최소화할 수 있다. 제안한 내용을 이동로봇을 대형화하고 다수의 로봇을 멀티캐스팅하여 동시 다발적으로 화재 감시 및 초기진압을 할 수 있는 소방 로봇으로 확대한다면 화재수신기와 연동하는 탐색과 진압용 로봇으로 인명 및 재산의 피해를 최소화하는데 크게 기여할 수 있을 것이다.
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