2.1 전력구 환경

그림 1과 같이 전력구는 터널 내부 양 측면에 전력케이블을 포설하고 중앙을 통해 인력이 이동하며 설비를 점검하도록 구성되어 있다^[5]. 또한, 전력구 내부는 출입구 우수용 그레이팅을 통해 빗물이 유입될 수 있고 구조물 벽면 크랙에서 지하수가 유입되어 고습도 환경을 가질 수 있다. 본 연구에서는 전력구 점검로봇의 경제성 확보 및 활용성 증대를 위해 지하 14층, 편도 9.8 km 345 kV 전력구를 현장실증지로 선정하였다.

그림 1. Standard layout of cables in 345kV tunnel

Fig. 1. 345kV 전력구내 케이블 표준 배치도

그림 2. Inside view of underground tunnel

Fig. 2. 전력구 내부

2.2 전력구 무인 점검로봇 시스템 개요

점검로봇은 전력구 수평구간 왕복 4 km 구역을 자율주행하고, 접속함 등 설비점검을 마친 후 충전스테이션으로 복귀하여 배터리 충전 및 점검데이터를 관제장치로 송신한다. 주행 중인 로봇과의 통신을 위하여 전 구간 무선중계기를 설치하여 실시간으로 로봇의 상태를 감시하고 제어할 수 있다^[4].

그림 3. Tunnel Inspection robot system architecture

Fig. 3. 전력구 점검로봇 시스템 개요

2.3 전력구 점검로봇 구성

그림 4와 같이 전력구 점검로봇은 크게 구동부, 센서부, PTZ (Pan-Tilt-Zoom) 부로 구성된다. 구동부에서는 로봇의 이동을 위한 BLDC모터 2대와 모터드라이버, DC Converter가 설치되어 있다. 센서부에는 로봇의 제어를 위한 메인 PC와 주행 및 진단에 필요한 각종 센서, 관제장치와 통신을 위한 통신 모듈이 설치되어 있다. PTZ부는 설비 고장진단을 위한 PTZ‧열화상 카메라와 높은 위치까지 카메라를 올릴 수 있는 리프트, 이동 중 진동을 줄이기 위한 댐퍼로 구성되어 있다.

그림 4. 점검로봇 구성(왼쪽) 및 PTZ부(오른쪽)

Fig. 4. Composition of underground Inspection robot for (left) and PTZ module(right)

3.1 질량 및 폭 제한

전력구 점검로봇은 주행 및 고장진단에 필요한 센서 등을 적재하기 위해 총 중량 55 kg, 약 700-800 mm의 순시로를 이동하기 위하여 폭은 521 mm (로봇 양측면 여유공간 ±100 mm)으로 설계되어 해당 기준을 충족한다.

그림 5. 점검로봇 측면도(왼쪽) 및 정면도(오른쪽)

Fig. 5. Inspection robot side view(left) and front view(right):

3.2 운행속도

비좁은 전력구 내의 점검로봇의 운행 안정성을 위하여 최대속도 5.4 km/h (1.5 m/s)의 구동모터를 선정하였고, 실제 주행은 최대속도 4.7 km/h (1.3 m/s), 운용속도 약 2.5 km/h (0.7 m/s)로 순시로를 이동한다.

3.3 겉모양

점검로봇의 주행 및 장애물 회피 알고리즘 실패로 인한 사람이나 장애물과의 충돌을 대비하여 로봇 전방에는 로봇 보호용 가드를 설치하고 모서리에는 범퍼를 부착하였다.

그림 6. 점검로봇 모서리 마감: 전방 가드(녹색), 모서리 범퍼 마감(주황색)

Fig. 6. Inspection robot edge finishing: front guard(green), edge bumper(orange)

3.4 동적 안정성

배수펌프 고장 등으로 인한 전력구 침수를 대비하여 충전스테이션을 바닥면에서 약 30 cm 띄웠다. 점검로봇이 충전스테이션에 도킹하기 위하여 최대 15 ° 경사의 유도로를 설치하였고, 주행 안정성을 위해 유도로 중앙선을 0.5 m/s로 라인트레이싱 하도록 하였다.

그림 7. 충전스테이션 및 경사도(등판각도 15 °)

Fig. 7. charging station and slope(climbing angle 15 °)

그림 8. 충전스테이션에서 충전 중인 점검로봇

Fig. 8. Inspection robot charging at the charging station

3.5 비상정지

점검로봇에는 수동 비상정지스위치와 파워 SSR가 있다. 수동 비상정지스위치는 구동모터에 전원을 공급하는 모터드라이버 입력전압을 비상차단한다. 현장시험 중 점검로봇이 운행경로를 벗어나거나 긴급하게 정지시켜야 할 때 로봇 후면 상단에 설치된 수동 비상정지스위치를 눌러 긴급하게 로봇을 정지시킬 수 있다. 파워 SSR는 메인 PC를 제외한 모든 부하를 차단하여 로봇을 정지한다. 또한, 상시 켜져 있는 무선중계기를 통해 메인 PC 전원을 on/off 할 수 있다. 아래 그림 9은 점검로봇의 전원계통도를 보여준다. 회로 보호를 위한 장치 및 접점은 노란색으로 표시하였다.

그림 9. 전원계통도

Fig. 9. Power schematic:

3.6 운행구역 준수

점검로봇은 무선통신이 가능한 수평구간 2 km 내에서만 이동한다. 로봇의 이동경로는 global path와 local path로 나눠진다. global path는 그림 10과 같이 미리 구축한 2D map에서 경로를 (현재지점-목표지점) 생성하고 목표지점에 도착할 때까지 주행한다. local path는 global path의 목표지점에 도달하기 전까지 장애물 등을 회피하기 위한 경로이며, 좌우 측면 배수로를 인식하여 순시로 중앙으로 주행하는 알고리즘과 충전스테이션으로 docking시 사용하는 라인트레이싱 알고리즘에 따라 운행구역을 이동한다^[6].

그림 10. 현장실증지 2D 지도

Fig. 10. 2D map of the test site

3.7 속도 제어

점검로봇은 최대 20 ° 경사를 넘어갈 수 있도록 구동용 모터를 선정하였다. 선정된 모터의 모터드라이버 설정 프로그램에서 모터 PID값을 조정할 수 있다. 그림 11의 가로축 한 칸이 0.1 s이며 PID feedback 제어를 통해 입력 속도까지 약 0.1 s 후 목표속도에 도달하는 것을 알 수 있다.

그림 11. 모터드라이버 설정 프로그램 속도 피드백 결과

Fig. 11. Speed feedback result from motor driver setup program

3.8 장애물 감지

점검로봇은 순시로를 이동하며 장애물 감지하고, 회피 가능 시 장애물을 피해 주행을 계속하고 회피 불가능 시 일정시간 대기 후 가까운 충전스테이션으로 복귀한다. 아래의 그림 12는 점검로봇의 운행 알고리즘을 보여준다. 그림 13과 같이 점검로봇은 자체 개발한 알고리즘을 통해 순시로 중앙과 장애물을 인지하고 충분한 공간이 확보될 시 장애물을 회피한다^[6].

3.9 알림음

점검로봇은 상태별 알림음을 발생하기 위해 90 dB의 피에조 스피커를 센서부 내부에 설치하여 아두이노에 연결하였다. 케이스 외부에서 약 70 dB로 알림음을 들을 수 있고 점검로봇의 배터리 저전압, 기능에러, 장애물 인지 시 알림음을 발생시켜 현장 작업인원에서 점검로봇의 상태를 알려준다.

그림 12. 점검로봇 운용 알고리즘 플로우 차트

Fig. 12. Inspection robot operation algorithms flow chart

그림 13. 점검로봇의 순시로 장애물 인식 및 회피

Fig. 13. Obstacle recognition on inspection road(left) and avoidance of inspection robot:

3.10 등화장치

점검로봇에 4개의 RGB모듈로 이루어진 등화장치를 설치하여 배터리, PC, 모터, 센서의 상태를 표시한다. 이상이 없을 때는 상시 초록색 LED가 커져 있다. 하지만 배터리 충전율이 50 % 이내로 떨어질 때, 임무 수행에 필요한 센서 값이 들어오지 않을 때, PC 전원이 off 상태일 때, 모터 컨트롤러 전원이 차단되었을 때 아래 그림 14와 같이 빨간색 LED가 점등되어 시각적으로 로봇의 상태를 알 수 있다.

그림 14. 고장별 등화장치 상태

Fig. 14. Lighting device by fault:

3.11 방수 성능

점검로봇은 연구개발 단계이며 하드웨어가 계속 변경될 수 있기 때문에 별도의 방수등급은 인증 받지 않았다. 하지만 점검로봇의 외부에 노출되는 센서들은 IP67등급 또는 방수 처리하여 지하수나 빗물이 점검로봇에 분사되어도 정상적으로 동작하도록 제작하였다.

3.12 물리적 보안

점검로봇은 개발의 용이성을 위해 센서부 내부의 각종 보드의 포트를 로봇 외함의 외부 포트로 연장하였다. 개발이 종료되면 외부 포트 연결선을 분리하여 물리적 보안을 확보할 수 있다.

3.13 관제장치

점검로봇의 관제장치에서는 로봇의 속도, 배터리 SOC, 무선중계기 별 통신상태, 로봇 상태 등을 알 수 있다^[6]. 그림 15의 점검로봇 관제장치 dashboard 좌측 상단에서는 설치된 점검로봇 및 충전스테이션의 상태, 좌측 중앙에서는 무선중계기의 통신상태를 확인할 수 있다.

그림 15. 로봇 제어 시스템 대시보드

Fig. 15. Robot control system dashboard:

또한, 전력구 수평구간에서 50 m 마다 무선중계기를 설치하고 점검로봇의 handover용 개발자보드를 설치하여 끊김없이 점

그림 16. 수평 및 수직 handover

Fig. 16. Horizontal and vertical handovers

그림 17. 점검로봇 이동중 handover

Fig. 17. Handover while the robot is moving

검로봇을 감시 제어할 수 있다. 점검로봇은 가장 가깝고 신호세기가 강한 무선중계기와 통신하는데 그림 16과 같이 주행 중 무선중계기 통신구역이 겹치는 구간에서 중계기 간 hozizontal handover가 발생하고 통신 delay가 발생하여 일정시간 통신 불능상태가 된다^[8]. 이를 해결하기 위해 점검로봇에 handover용 개발자보드를 설치하였다. handover용 개발자보드는 가장 강한 2개의 무선중계기의 신호 중 하나와 통신하고 다른 하나는 통신대기 상태로 둔다. 그림 17과 같이 점검로봇은 상시 2개의 중계기 신호와 연결되고 이동 중 가장 가까운 무선중계기와 통신이 가능하도록 빠르게 handover하여 통신 delay를 최소화한다.

3.14 통신장애 대응

점검로봇은 통신장애가 발생한 경우에도 목표지점으로 이동 후 충전스테이션으로 복귀하도록 설정하였다. 실시간 상태 확인이 안되더라도 주행 알고리즘에 의해 미션을 수행할 수 있다. 또한, 관제장치에서 상시 무선중계기 상태를 확인하여 통신에러 시 즉각적으로 인지 및 대응할 수 있다.

3.15 원격조작

점검로봇은 전후방 부착된 스테레오 카메라와 상단에 설치된 360° 카메라 및 3D 라이다 센서를 통해 주변 상황을 확인할 수 있다. 카메라 및 라이다 데이터가 수신되지 않을 시 센서별 프로그램을 재시작하여 정상적으로 데이터가 수신되면 로봇 미션을 수행하도록 알고리즘을 구성하였다. 그림 18과 같이 관제장치의 로봇 제어 패널에서 점검로봇의 주행속도, 시작 및 정지 등을 제어할 수 있다. 또한, Display 창 선택을 통해 주행 중 카메라 영상 실시간을 받아 볼 수 있다^[7].

그림 18. 관제장치 로봇 제어 패널

Fig. 18. Robot control panel of control device

4.1 점검로봇 화재로 인한 설비 고장 전파

전기자동차와 마찬가지로 점검로봇은 배터리로부터 에너지를 공급받는다. 점검로봇의 배터리 및 전선에서 화재가 발생한다면 현장 설비에 화재를 전파하여 중대한 계통고장 및 막대한 금전적 피해를 일으킬 수 있다. 따라서, 점검로봇의 화재를 예방하는 것이 필수적이다. 우선, 배터리 열폭주로 인한 화재사고를 줄이기 위해 리튬이온 배터리 중 자주 사용되는 NMC(Nickel Manganese Cobalt ) 타입 배터리 대신 상대적으로 화재 위험성이 낮은 LFP(Lithium Iron Phosphate) 타입 배터리를 선정하였다. 아래 그림 19와 같이 LFP 배터리는 단위 무게당 저장용량이 NMC 타입 배터리보다 낮지만, 열폭주 thresholds가 높아 화재 가능성이 낮다^[9].

전력구 4 km 수평구간 주행을 위해 LFP 타입의 KC인증 19.8 Ah 배터리팩 2개를 병렬로 연결하여 39.6 Ah 용량의 배터리를 구성하였다. 아래의 표 4와 같이 해당 배터리 사양에 따르면 방전 전압 22.4 V를 권장한다^[10].

LFP 배터리의 1셀당 권고 방전 전압은 2.8 V (22.4 V / 8셀)이며. 최대전류 20A를 사용하는 점검로봇은 2 C (39.6 A/h / 20 A)로 방전되고 그림 19의 그래프와 같이 2.8 V일 때 대략 92 %의 방전율 (충전율 8 %)을 갖는다^[11]. 따라서, 점검로봇은 충전율이 8 % 이하로 떨어지기 전에 부하를 차단하여 배터리 방전을 막아야 한다.

그림 19. LFP 배터리 방전율 그래프

Fig. 19. graph of LFP battery discharge rate

그림 20은 이를 반영한 배터리 충전율 별 점검로봇 운영안이다. 100 % 충전율에서 4 km 왕복운영 시 약 40 %의 배터리를 소모하기 때문에 최대 2 km로 떨어져 있는데 충전스테이션으로 복귀하기 위해 약 20 % 배터리 용량이 필요하다. 따라서 약 31 % (8 %(방전전압) + 20 %(충전스테이션 복귀를 위한 최대 용량) + 2.8 %(10 % 마진)) 까지 방전되면 점검로봇은 임무를 중단하고 가까이 있는 충전스테이션으로 복귀한다.

그림 20. 배터리 충전율별 점검로봇 운용 방법

Fig. 20. Robot operation method by battery charging rate

배터리 이외에도 내부 보드간 접촉불량 및 과전류로 인한 화재가 발생할 수 있다. 우선 단락고장 시 발생하는 과전류를 막기 위해 전원 인입부에 퓨즈를 설치하였고, 난연전선으로 결선하여 전선으로부터의 화재를 예방하였다.

4.2 리프트 천장 충돌

점검로봇에는 주행용 모터 이외에 높은 위치의 설비를 점검하기 위한 리프트용 모터가 설치되어 있다. 리프트는 상승, 하강, 정지 동작을 하며 특정 높이까지 PTZ모듈을 상승시킬 수 있다. 이 PTZ모듈의 높이를 알기 위해 리프트 하단부에는 거리센서 1개가 설치되어 있다. 선정한 리프트는 최대높이 2.5 m까지 상승이 가능한데 상승 가능한 높이보다 전력구 천장이 낮기 때문에 제어 실패 시 천장에 충돌할 가능성 있다. 이를 방지하지 위해 리프트 상단에 거리센서를 3개를 추가로 부착하여 3개의 거리 값 중 1개라도 500 mm 이내로 발생 시 즉각적으로 리프트 정지시킨다. 아래 그림 21는 PTZ부의 리프트 제어 알고리즘을 보여준다. 리프트에 설치된 4개의 센서가 모두 건전할 때 제어가 가능하며, 상단부 3개의 거리값 상태에 따라 상승 가능한 조건을 만든다. 리프트 제어를 위한 메인 PC와 아두이노 간 통신오류 인해 제어가 불가할 시 프로그램을 재시작하여 리프트를 정지시킨 후(default) 다시 동작 모드를 선택한다.

그림 21. 리프트 제어 알고리즘 플로우 차트

Fig. 21. Lift control algorithms flow chart