초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
ㆍ 최종 목표
- 본 과제는 화재 등의 재난∙재해로 인하여, 복합적인 피해가 발생시 기존 화재진압 살수차를 원격조작 방식으로 전환하여 재난∙재해 현장에 즉각적으로 투입하고, AR(Augmented Reality, 증강현실) 기술을 통하여 복구 작업자의 재난∙재해 환경 인식을 지원하여 효율적인 피해복구 및 인명구조 작업을 수행할 수 있는 기존 화재진압 살수차를 활용한 무인 복구 플랫폼을 개발하는 것임
- 다양하고 변화 가능한 화재진압 작업환경에 대응하고 실감있는 특장 소방차의 동적 움직임 구

□ 연구개발 목표 및 내용
ㆍ 최종 목표
- 본 과제는 화재 등의 재난∙재해로 인하여, 복합적인 피해가 발생시 기존 화재진압 살수차를 원격조작 방식으로 전환하여 재난∙재해 현장에 즉각적으로 투입하고, AR(Augmented Reality, 증강현실) 기술을 통하여 복구 작업자의 재난∙재해 환경 인식을 지원하여 효율적인 피해복구 및 인명구조 작업을 수행할 수 있는 기존 화재진압 살수차를 활용한 무인 복구 플랫폼을 개발하는 것임
- 다양하고 변화 가능한 화재진압 작업환경에 대응하고 실감있는 특장 소방차의 동적 움직임 구현을 위하여, 탑승형 원격조정 특장 소방차 시스템을 개발
- 과제목표를 위하여 탑승형 시뮬레이터 조인트에 Stress Concentration 현상을 회피할 수 있고, 확장된 작동 반경을 가지는 살수차용 시뮬레이터 메커니즘을 설계하고, 이를 사용하여 전국에서 조종 가능한 실시간 탑승형 원격조정 특장 소방차 시스템 개발.
- 원격지의 무인 화재진압 살수차의 효율적인 조정을 위하여 카메라 영상/모션센서의 동기화 제어모듈개발
- LTE 무선통신망을 이용하여 전국 내에서 시간지연 0.1초 내의 원격제어용 데이터 통신기술개발
ㆍ 전체 내용
- 본 과제의 최종 목표는 LTE통신을 사용하여 화재 진압용 살수차를 실시간으로 원격조정이 가능한 소방장비 시스템을 개발 하는 것이다.
- 인명손실이 5명이상의 사망이거나 또는 10명 이상의 사상자가 발생했을 경우, 또는 화재의 피해액이 50억 원 이상으로 추정되는 화재를 대형화재라 정의된다. 지난 5년 동안 대형화재의 발생 상황을 집계하면, 화재발생건수는 2011년에는 2건, 2012년에는 13건, 2013년에는 8건, 2014년에는 6건, 2015년에는 6건이 발생하였다.
- 대형화되는 도심의 화재나 대형 산불 등과 같은 재난∙재해 상황이 되면, 직접적인 피해 뿐만 아니라 2차적으로 발생하는 피해를 대처하기 위하여, 신속하게 복구 작업을 시작해야 하는데, 재난과 재해환경은 예측하기 어려운 많은 변수들이 발생하기 때문에 재해 복구 작업 중에는 장비 조종자들은 예측하기 어려운 다양한 위험 환경에 처하게 된다.
- 따라서 적극적이고 신속한 재해 복구 작업을 하기 어려운 상황에 직면 하게 된다. 이러한 긴급한 위험 상황에서 적극적이고 신속한 재해 복구 작업을 진행하기 위하여, 대형화재 현장과 재해 복구작업을 진행하는 현장에 있는 화재진압 특장 소방차의 조종자 안전이 매우 중요하다.
- 이렇게 긴급과 신속이 요구되는 재난현장의 문제를 해결하기 위하여 국외의 전문 기관을 중심으로 위험한 재해 환경에서 무인기의 조종이 가능한 “화재진압 원격조종 특장 소방차”의 연구 개발이 다양하게 진행되고 있다.
- 이러한 원격제어 시스템의 개념을 확장하고 재난⋅재해 현장에서 신속하고 적극적인 대응을 위하여, 본 연구개발 과제에서는 “LTE통신을 사용하여 화재 진압용 살수차를 실시간으로 원격조정이 가능한 소방장비 시스템을 개발/적용”함으로써 효율적인 화재 진압 작업을 수행 할 수 있도록 한다.
ㅇ 1단계
∘ 목표
▪ 특장 소방차 원격조정 시뮬레이터 메커니즘을 설계 및 시뮬레이터간의 모션 동기방법 개발
= 시뮬레이터 가반하중비율 : 2:1
= 시뮬레이터 최대 속도 : 300mm/sec
= 시뮬레이터 최대 가속도 : 0.25G
▪ 영상/가속도/자이로 센서 데이터융합으로 이루어진 모션/영상 비콘 개발
= 전송 영상크기: 실시간 전송용 QVGA 급,
= 전송 모션 종류: x축/y축/z축 각도, 각속도
= 실시간 전송을 위한 시간동기 : 10~20fps
∘ 내용
▪ 특장 소방차 시뮬레이터 메커니즘을 설계 및 시뮬레이터간의 모션 동기방법 개발
= 기존의 시뮬레이터 메커니즘 분석
- Stewart-Gough 플랫폼 기반의 다자유도 병렬 시뮬레이터에 대하여 기하학적 형상에 대한 조인트의 응력집중 모델링
- 다자유도 시뮬레이터에 대하여 기하학적 자세에 따른 응력해석
- 가반하중에 대한 탑승형 시뮬레이터의 링크 강성에 대한 분석
- Multi-DOF (Degree of Freedom)를 위한 시뮬레이터의 메커니즘 분석
= 트러스 구조의 탑승형 시뮬레이터 메커니즘을 설계
- 응력 집중 방지를 위한 트러스 구조 시뮬레이터 개념설계
- 3D Modeling 및 시스템 형상 설계 제시
- 탑승형 시뮬레이터 각 링크의 부분별 모듈화 기술 개발
▪ 영상/가속도/자이로 센서 데이터융합으로 이루어진 모션/영상 비콘 개발
= IMU센서 노이즈 제거 필터 설계
- 자이로 센서와 가속도 센서 보정 알고리즘 개발
- 모션 측정 데이터의 Drift 제어 알고리즘 개발
- Kalman Filter 적용 및 이를 통한 성능 데이터 확보
- IMU 센서 테이터 보정을 위한 상보필터 개발
= 영상데이터 전송을 위한 통신 프로그램개발
- 실시간 영상 스트리밍 프로그램 개발
- 영상크기에 따른 시간 지연 모델링
- 영상 저장을 위한 Imbedded Core 프로그램 개발
- 영상과 모션 동기 구현
ㅇ 2단계
∘ 목표
▪ LTE 기반 원격 영상컨텐츠 통신기술 개발
= 원격주행 거리 : LTE 통신을 가용한 전국 모든 지역
= 원격체험을 위한 시간지연 : 최대 200msec, 평균 150msec
▪ 실시간 원격조정 특장 소방차 시뮬레이터 시스템 통합
= 원격조정 데모
∘ 내용
▪ LTE 기반 원격 영상컨텐츠 통신기술 개발
= LTE 기반 원격 영상컨텐츠 통신기술 개발
- 영상 및 모션 정송을 위한 LTE 통신 프로토콜 정의
- 고정 IP통신을 위한 TCP/UDP 통신 프로그램 구현
- 다수의 LTE 비콘과의 통신을 위한 1:N 서버 구축
= 실시간 특장 소방차 제어를 위한 AR 컨텐츠 개발
- 특장 소방차와의 내부 통신을 위한 CAN 프로토콜 정의
- AR(Augmented Reality) 구현을 위한 특장 소방차 정보 공유 프로토콜 모델링
- 특장 소방차 제어용 정보DB 구축
- GPS 정보를 사용한 특장 소방차 위험환경 회피 Return Home 기능 구현
▪ 실시간 원격조종 특장 소방차 시뮬레이터 시스템 통합
= 특장 소방차시동 제어 모듈 개발
- 특장 소방차를 원격에서 시동 ON/OFF 할 수 있을 뿐만 아니라 특장 소방차 내부의 안전바도 제어 가능한 제어모듈 개발
- 이를 위한, 특장 소방차 신호체계 분석, 시동 및 안전바 signal flow 분석
= 특장 소방차 상태 피드백 센서 모듈 개발
- 화재 진압 작업 시, 특장 소방차자세를 측정하여 시뮬레이터로 전달
- 이를 위한, 특장 소방차 위치, 자세 센서 센서 선정
- 특장 소방차 상태 센서 모듈 어댑터 설계 및 제작
- 특장 소방차 상태 센서 브라켓 모듈 개발
= 원격 화재 진압 작업 시연 :
- Master 시뮬레이터(특장 소방차 조종자 탑승 시뮬레이터)
- Slave 무인 특장 소방차(무인 살수차)를 10km 이상 떨어트려 실시간 화재 진압 테스트

□ 연구개발성과
- 기존 원격 제어시스템은 원자력발전소, 심해 잠수정 등 원격지의 Slave 시스템이 저속으로 움직이거나 움직임이 과격하지 않는 분야를 중심으로 연구가 진행되어 왔다. 가장 큰 이유는 원격지의 거리에 따른 통신 상태에 기인한 시간지연이 발생하면 효과적이고 정밀한 제어가 불가능하기 때문이다.
- 본 과제에서는 위험환경내의 특장 소방차 원격조정의 기술적 한계와 안전성확보를 위하여, 실제 소방차 운전자가 원격의 무인 특장 소방차를 실시간으로 조종가능하고, 원격 특장 소방차의 움직임과 작동영상을 실시간으로 전송 가능한 “실시간 특장 소방차 원격조정 시스템”을 개발하였다.
- 개발 성과로 1) 영상과 모션을 실시간으로 동기시키는 비콘 설계기술과 2)동기된 콘텐츠를 실감있게 재현하는 시뮬레이터 기술을 개발하였으며, 이를 활용하여 위험 환경의 화재현장에서 움직이는 특장 소방차를 대상으로 응용범위를 차별화 하고자 한다.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
- 본 연구과제의 최종 결과물은 화재 발생시 사용되는 화재진압 특장 소방차를 원격조작 시스템으로 전환시키기 위한 로봇 시스템으로, 화재 현장에 가장 많은 비중을 차지하고 있는 펌프차, 물탱크차, 화학차, 화생방차에 먼저 적용한다.
- 경제적 효과를 알아보기 위해 먼저 소방기계 사업체(소방기계 대여, 정비, 매매, 폐기) 수를 파악하고, 본 연구과제의 최종 결과물을 적용할 수 있는 대여업체 수를 조사하고 그 중 펌프차, 물탱크차, 화학차, 화생방차의 보유현황을 조사한다.
- 평균적으로 특장 소방차 3대당 1대의 원격조작 전환 키트가 적용된다고 가정하면, 총 서울시의 특장소방차 252대중에 약 100여대의 장비의 수요가 있을 것으로 예상된다. 그리고 이러한 수요에 필요한 물량을 공급하기 위한 시장 및 일자리가 창출 될 것으로 예상된다.
- 또한, 본 시스템은 다양한 무인기을 조종할 수 있는 원격조종 시스템 개발과 연관되며, 접근 대상이 되는 시장은 특장 소방차 원격 조종와 관련한 분야와 특장 소방차 교육기관과 관련 분야, 그리고 제조로봇용 고정밀 위치제어 스테이지 관련 분야 등으로 나누어 볼 수 있다.
- 첫 번째 특장 소방차 원격조종시장은 지자체 기관과의 제휴를 통한 접근과, 관련 설비 제조사와의 기술적/사업적 협력관계 체결을 통한 OEM납품을 계획/시도가 가능하다.
- 두 번째 특장 소방차 교육기관 시뮬레이터가 필요한 시장은 위험한 작업환경의 실감현실이 구현되는 제품을 개발하여, 유통대기업의 필요사항을 반영하는 화재감시 및 소방시스템으로 접근이 가능하다.
- 세 번째로 제조로봇용 고정밀 위치제어 스테이지 시장은 스마트제조 분야에서 고하중의 작업물을 위치제어 하는 지그관련사업에 특화하여 제조산업에 응용되는 제품으로 개발하여 시장을 접근하려 한다.

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 3
• 목차 ... 8
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 9
• 1-1. 연구개발의 필요성 ... 9
• 1-2. 연구개발의 기술의 특징 ... 10
• 1-3. 기존기술과의 차별성 ... 11
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 13
• 1) 연구개발과제의 최종 목표 ... 13
• 2) 연구개발과제의 단계별 목표 ... 14
• 3) 연구개발 수행 내용 ... 15
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 41
• 1) 연구수행 결과 ... 41
• 2) 목표 달성 수준 ... 48
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 48
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 49
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 49
• (1) 국내외 주요 수요처 현황 ... 50
• (2) 국내외 경쟁기관 및 기술 현황 ... 52
• (3) 투자 계획 ... 53
• (4) 생산 계획 ... 53
• (5) 해외시장 진출 계획 ... 53
• (6) 사업화에 따른 기대효과 ... 54
• 끝페이지 ... 56