KR100479118B1 - 노면 거칠기 신호 처리 방법 - Google Patents

노면 거칠기 신호 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량에 장착되어 고속으로 실제 노면 거칠기를 측정할 수 있는 비접촉식 관성형 타입의 노면 거칠기 측정 시스템을 구성하기 위한 측정 신호 처리방법에 관한 것이다. 종래 노면 측정 방법과 신호처리 방법은 실제 노면 형상을 측정하기보다는 특정 목적을 위해 개발되어 정밀도 향상과 측정 방법에 많은 한계점을 가지고 있다. 따라서 본 발명은 비접촉식 센서와 가속도 센서를 이용하여 실제 노면 거칠기를 구하기 위한 신호처리 방법을 제시한다. 이를 통하여 각종 도로 노면 형상을 계측하고 차량 주행 해석의 노면 입력으로 활용함으로써 가상 해석 기반을 위한 보다 더 정확한 노면 자료를 확보할 수 있는 효과가 있고, 도로 분석 및 포장 유지 보수 분야에 직접적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Description

노면 거칠기 신호 처리 방법{SIGNAL PROCESSING METHOD FOR CALCULATING ROAD ROUGHNESS}
본 발명은 노면 거칠기 신호 처리 방법에 관한 것으로, 특히, 차량에 장착되어 고속으로 실제 노면 거칠기를 측정할 수 있는 노면 거칠기 측정 시스템에서 노면 거칠기 신호 처리 방법에 관한 것이다.
도로면 측정기술은 1960년대부터 지금까지 도로의 성능 및 현황을 조사 분석하기 위해 개발되어 왔으며 1990년 이후에는 도로 형상을 차량 주행 해석에 직접적으로 적용하기 위해 꾸준히 개발되고 있다. 이러한 도로면 측정기술은 고속도로나 국도의 포장상태에 대한 분석 및 노면이 차량에 미치는 영향관계를 파악하여 포장 및 유지보수를 수행하고, 도로 노면 프로필(profile)을 이용하여 실차 상태와 같은 운행조건 상에서 주행 해석을 수행함으로써 차량의 주행성능, 조향성능 및 안전도 부품의 내구성능 평가에 매우 중요하다.
도 1은 정적 방법을 이용한 노면 측정 원리, 로드(rod) 및 레벨 방법(level method)의 예를 나타낸 개략도로, 일반적으로 도로 노면을 측정하기 위해서는 기준 높이(1) 및 상대 높이(2)를 측정하여 노면 높이(3)를 구하고, 진행방향 거리(4)를 측정함으로써 진행방향으로의 도로 프로필(road profile)을 생성할 수 있다. 이러한 도로 프로필의 관계식은 수학식 1과 같다.
도로 프로필 = Function(X, Zr), Zr = ZR - Zrel
여기서, X는 진행방향 거리(4), Zr은 노면 높이(3), ZR은 기준 높이(1), Zrel는 상대 높이(2)를 나타낸다.
개발 초기에는 도 1과 같이 기준 높이(1)를 일정 값으로 유지한 정적 상태에서 상대 높이(2)를 측정하였으나, 이 방법은 시간과 인력 소요가 많고 노면의 고주파수 특성을 파악하기에 힘들며 진행방향 거리(4) 측정 및 조작에 있어 여러 가지 오차 요인을 포함하고 있다.
다른 방법으로는 차량의 특정 부위에 가속도 센서, 압전 소자 및 자성체를 장착하여 주행 중 노면 상태에 의해 발생하는 응답 신호를 측정하는 방식이 있으나 이러한 신호는 실제 노면의 형상을 얻기보다는 대략적인 주파수 특성을 파악하는데 한정된 방법으로써 시험 차량, 센서의 부착 부위 및 측정 센서에 따라 상이한 결과를 나타내는 문제점이 있다.
또다른 방법으로는 차량에 측정 보조 바퀴를 부착하여 저속으로 주행함으로써 기준 높이(1)를 일정하다고 가정하고 상대 높이(2)를 측정하는 접촉식 방법이 제시되었으나 보조 바퀴의 크기에 따른 정밀도 제한, 보조 바퀴와 노면의 접촉 정도 및 보조 바퀴의 마모에 의한 에러 유발과 고속 주행시 바퀴의 상하 움직임으로 인해 정확도가 현저히 떨어지는 문제점이 있다.
이와 같이 지금까지 개발되어진 노면 측정 방법은 실제 노면 형상을 측정하기보다는 특정 목적을 위해 개발되어 정밀도 향상과 측정 방법에 많은 한계점을 가지고 있다.
본 발명은 상술한 결점을 해결할 수 있는 비접촉식 관성형 타입의 노면 거칠기 측정 시스템을 구성하기 위한 노면 거칠기 신호 처리 방법에 관한 것으로, 차량의 동적 거동에 상관없이 노면 형상을 생성하기 위한 신호의 전·후처리 방법 및 이중적분 처리 방법을 제시한다. 이를 통하여 차량 주행 시뮬레이션을 위한 도로 프로필의 산출과 도로 분석 및 포장 유지보수 분야에 직접적으로 활용하기 위한 노면 거칠기 신호 처리 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기설정된 거리 센서로부터 수직 방향 상대 높이 정보를 연속적으로 제공받고, 기설정된 가속도 센서로부터 연속적으로 제공되는 수직 방향 가속도 정보를 연속적으로 이중 적분하여 기준 높이를 연속적으로 구하고, 기설정된 속도 센서로부터 연속적으로 제공되는 진행 방향 속도 정보를 연속적으로 적분하여 진행 방향 거리를 연속적으로 구하고, 상기 수직 방향 거리 정보 및 상기 연속적으로 구한 정보를 신호 처리하여 노면 프로필을 생성하는 신호 처리부를 구비하여 이동체에 탑재된 노면 거칠기 신호 처리 시스템에서 신호 처리 방법에 있어서, 상기 기준 높이를 연속적으로 구하는 단계는, 상기 연속적인 수직 방향 가속도의 평균값을 취하는 제 1 단계; 상기 각 수직 방향 가속도에서 상기 평균값을 각기 감산하는 제 2 단계; 상기 감산된 가속도를 고주파 통과 필터링시키는 제 3 단계; 상기 고주파 통과 필터링된 가속도에 위상 보정을 위해 미러(mirror) 기법을 적용하는 제 4 단계; 상기 미러 기법이 적용된 가속도를 적분하는 제 5 단계; 상기 적분된 가속도에서 선형 기울기를 제거하는 제 6 단계; 상기 선형 기울기가 제거된 적분된 가속도에 평균법, 적분법 및 선형회귀법을 차례로 적용하는 제 7 단계; 가속도 신호의 변화율을 적용 구분기준 변수로 선정하여 이에 따른 적분 알고리즘의 오차 값을 검토해서 최적의 필터 적용 기준을 선정하는 제 8 단계; 상기 최적의 필터 적용 기준을 적용하여 구간별로 고주파 필터링시키는 제 9 단계; 및 상기 구간별 고주파 필터링으로 인한 위상을 보상하는 제 10 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 비접촉식 관성형 노면 거칠기 측정의 원리를 나타낸 도면으로, 노면(6) 위를 운행하는 차량(5)에 광학식 거리 센서(7), 가속도 센서(8), 및 광학식 속도 센서(9)가 장착된다. 차량(5) 대신 다른 운동체를 사용할 수 있다. 가속도 센서(8)는 광학식 거리 센서(7)의 바로 상단에 장착되어야 한다.
동 도면에 있어서, 광학식 거리 센서(7)는 수직 방향 거리를 측정한다. 가속도 센서(8)는 수직 방향 가속도를 측정한다. 광학식 속도 센서(9)는 진행 방향 속도를 측정한다. 상기 광학식 거리 센서(7) 대신에 음파를 이용한 비접촉식 거리 센서를 사용할 수 있다.
이후, 소정의 컴퓨터 시스템에서 각 센서(7, 8, 9)의 각 측정 신호로부터 다음과 같은 연산을 수행하여 노면(6)의 프로필을 생성한다.
먼저, 가속도 센서(8)가 측정한 수직 방향 가속도를 이중 적분하여 차량(5)의 기준 높이(ZR)를 구한다. 광학식 속도센서(9)가 측정한 진행 방향 속도를 일차 적분하여 차량(5)의 진행 방향 거리를 구한다. 상술한 기준 높이(ZR)에서 상대 높이를 감산하여 노면 높이(Zr)를 구한다.
이와 같은 도로의 노면(6) 처리 관계를 수식적으로 나타내면 수학식 2와 같다. 여기에서 fd는 도로 공간 주파수(spatial frequency), ft은 신호 시간 주파수이며 V는 차량(5)의 진행 방향 속도이다.
위 수식을 구현하기 위한 신호 처리 과정에서 발생되는 오차는 대부분 측정 시스템의 운동 특성으로부터 발생하는 오차, 센서로부터 얻어지는 오차, 적분 과정으로 인한 누적 오차 및 필터링으로 인한 위상 오차들이 있으며, 본 발명은 이러한 오차들을 처리하고 도로 노면 신호를 생성하는 알고리즘으로 구성된다.
도 3은 도로 노면 처리 알고리즘의 처리과정을 단계별로 나타낸 순서도이다.
먼저, 각 센서(7, 8, 9)를 통해 수직 방향 거리, 수직 방향 가속도, 및 진행 방향 속도를 각각 측정한다(단계 S1). 각 측정에 대응하는 각 신호를 전·후처리하여 도로 노면 신호를 생성한다.
노면 데이터의 사용 목적에 따라 다르겠지만 나이퀴스트(Nyquist) 이론에 의해 측정 간격에 대한 공간 주파수(fd)와 차량의 속도(V)를 이용하여 신호의 시간 주파수(ft)를 결정한다. 이 후, 샘플링할 범위(2×ft)를 결정하고 그 이상의 신호에 대해서는 노이즈 주파수 대역으로 규정하여 저주파수 통과 필터를 사용해서 그 노이즈 주파수를 제거한다(단계 S2). 본 발명에 따른 시스템에서는 ISO 규정에서 제시하는 250mm 노면 간격보다 더 정밀하게 측정할 수 있도록 구성하였다.
처리되어진 신호는 데이터 처리 보드내의 A/D 변환기를 이용하여 디지털 신호로 변환한다(단계 S3).
기준 높이를 계산하기 위하여 가속도 신호를 이중 적분하는 과정을 수행하는데(단계 S4), 도 4와 같은 흐름으로 신호를 처리하게 된다.
신호 적분의 특성상 초기 DC offset 값을 알지 못하면 적분 오차가 발생하여 두 번 적분할 경우 누적 오차를 갖게 되는데, 이러한 오차는 아래 수학식 3과 같이 2차 함수로 나타나며 도 5의 형태로 도시된다.
이러한 적분 오차를 제거하기 위해 도 4와 같이 측정된 연속적인 가속도의 평균 가속도를 취하고, 각 가속도로부터 평균값을 감산한다(단계 S40). 평균값에서 제거되지 않는 오차를 경감시키기 위해 통과 대역의 진폭 특성이 비교적 평탄한 버터-워스(Butter-worth) 방식의 8-폴(Pole) 고주파 통과 필터를 사용하여 필터링한다. 고주파 필터를 적용하는 경우, 컷-오프(cut-off) 주파수와 필터 적용 구분기준에 따라 적분 알고리즘의 오차 값이 많은 영향을 받는데, RMS 값의 차이를 오차로 설정하고 주파수 설정에 따른 오차가 최소가 되는 최적 값을 검토하였으며 결과적으로 본 발명에서는 0.5Hz의 컷-오프 주파수를 선정하여 적용한다(단계 S41). 또한 필터의 사용으로 발생한 위상 오차의 보정을 위해 도 6과 같이 미러 기법을 수행하고(단계 S42), 처리된 가속도 신호에 대한 적분은 데이타 상의 연속되는 세점을 연결하여 수학식 4와 같이 2차 보간 다항식을 사용하는 심프슨(Simpson) 방법을 사용한다(단계 S43).
적분 후에 처리되지 못한 1차 직선 형태의 오차를 처리하기 위해 수학식 5와 같은 최소자승법을 이용한 선형회귀법을 사용하여 선형 기울기를 데이터에서 제거한다(단계 S44).
1차 적분된 신호를 같은 방식으로 평균법(단계 S45), 적분법(단계 S46) 및 선형회귀법(단계 S47)으로 처리한다. 또한, 필터 적용시점에 따른 필터의 동특성 오차를 검토하기 위하여, 측정된 가속도 신호의 변화율(jerk, g/s)을 적용 구분기준 변수로 선정하여, 이에 따른 적분 알고리즘의 오차 값을 검토하고 최적의 필터 적용 기준을 선정하는 방식을 적용하며, 도 7과 같이 최적값인 5g/s를 적용하여 구간별로 고주파 필터 처리를 수행한다(단계 S48). 필터로 인한 위상을 보정함으로써 기준 노면 값을 구할 수 있다(단계 S49).
도 8과 같이 상대 변위를 계산하기 위하여 전처리 과정을 거친 노면 센싱 신호를 거리 신호로 변환하고 가속도 신호와의 주파수 대역을 통일하기 위하여 고주파수 통과 필터를 사용(단계 S51)하고 위상을 보상(단계 S52)하는 과정을 수행한다(단계 S5). 이렇게 구해진 기준 변위와 상대 변위는 상기 제시한 관계식을 이용하여 시간 도메인에 대한 노면 높이를 구하게 된다(단계 S7).
앞서 구해진 시간 도메인의 노면 높이 데이터를 거리 도메인으로 변환하기 위하여 광학식 속도 센서(9)의 신호를 일차 적분하는 과정을 수행하여 진행 방향 거리 데이터를 계산한다(단계 S6). 구해진 시간 도메인의 노면 높이와 진행 방향 거리에서 시간 변수를 제거하면 진행 방향 거리에 대한 노면 높이의 프로필을 구한다(단계 S8).
도 9는 빨래판 형상 노면을 측정하여 처리한 신호를 나타낸 도면으로, 고주파 성분의 사각 노면인 경우에도 차량(5) 등의 운동체 움직임에 영향을 받지 않고 일정한 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 각종 도로 노면 형상을 계측하고 차량 주행 해석의 노면 입력으로 활용함으로써 가상 해석 기반을 위한 보다 더 정확한 노면 자료를 확보할 수 있는 효과가 있다. 이를 통하여 차량의 개발 기간 단축 및 부품의 설계 기술 향상에 이바지 할 것으로 판단된다. 특히 국내 도로의 특성 및 포장 상황을 파악하고 평가할 수 있는 기술을 확보하고 국내 도로 노면 데이터의 DB 구축과 도로 포장의 유지 보수 시스템을 구축함으로써 공사비 절감 및 안전사고 방지의 기반이 된다. 또한, 본 발명은 해외 장비에 의존하던 기술을 국내 기술로 개발함으로써 신속한 개선 및 해외 의존도를 탈피할 수 있을 것으로 판단된다.
도 1은 정적 방법을 이용한 노면 측정 원리, 로드 및 레벨 방법의 예를 나타낸 개략도,
도 2는 비접촉식 관성형 노면 거칠기 측정의 원리를 나타낸 도면,
도 3은 도로 노면처리 알고리즘의 신호처리 과정을 단계별로 나타낸 순서도,
도 4는 가속도 신호의 이중 적분을 단계별로 나타낸 순서도,
도 5는 DC 게인에 의한 오차 발생을 나타낸 도면,
도 6은 미러 방식을 이용한 위상 보정 기법을 나타낸 도면,
도 7은 "Jerk 처리 필터"의 특성을 나타낸 도면,
도 8은 거리 신호 처리를 나타낸 순서도,
도 9는 빨래판 형상 노면을 측정한 경우의 센싱 신호를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 기준 높이 2 : 상대 높이
3 : 노면 높이 4 : 진행 방향 거리
5 : 차량 6 : 노면
7 : 광학식 거리 센서 8 : 가속도 센서
9 : 광학식 속도 센서

Claims (4)

  1. 기설정된 거리 센서로부터 수직 방향 거리 정보를 연속적으로 제공받고, 기설정된 가속도 센서로부터 연속적으로 제공되는 수직 방향 가속도 정보를 연속적으로 이중 적분하여 기준 변위를 연속적으로 구하고, 기설정된 속도 센서로부터 연속적으로 제공되는 진행 방향 속도 정보를 연속적으로 적분하여 진행 방향 거리를 연속적으로 구하고, 상기 수직 방향 거리 정보 및 상기 연속적으로 구한 정보를 신호 처리하여 노면 프로필을 생성하는 신호 처리부를 구비하여 이동체에 탑재된 노면 거칠기 신호 처리 시스템에서 신호 처리 방법에 있어서,
    상기 기준 높이를 연속적으로 구하는 단계는, 상기 연속적인 수직 방향 가속도의 평균값을 취하는 제 1 단계;
    상기 각 수직 방향 가속도에서 상기 평균값을 각기 감산하는 제 2 단계;
    상기 감산된 가속도를 고주파 통과 필터링시키는 제 3 단계;
    상기 고주파 통과 필터링된 가속도에 위상 보정을 위해 미러 기법을 적용하는 제 4 단계;
    상기 미러 기법이 적용된 가속도를 적분하는 제 5 단계;
    상기 적분된 가속도에서 선형 기울기를 제거하는 제 6 단계;
    상기 선형 기울기가 제거된 적분된 가속도에 평균법, 적분법 및 선형회귀법을 차례로 적용하는 제 7 단계;
    가속도 신호의 변화율을 적용 구분기준 변수로 선정하여 이에 따른 적분 알고리즘의 오차 값을 검토해서 최적의 필터 적용 기준을 선정하는 제 8 단계;
    상기 최적의 필터 적용 기준을 적용하여 구간별로 고주파 필터링시키는 제 9 단계; 및
    상기 구간별 고주파 필터링으로 인한 위상을 보상하는 제 10 단계를 포함하는 노면 거칠기 신호 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 단계는 버터-워스 방식의 8-폴 고주파 통과 필터와 0.5Hz의 컷-오프 주파수를 적용하여 고주파 통과 필터링시키는 것을 특징으로 하는 노면 거칠기 신호 처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 8, 9 단계에서 필터의 동특성 영향을 제거하기 위해 가속도 신호 변화율(Jerk)을 이용하는 것을 특징으로 하는 노면 거칠기 신호 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 진행방향 거리 신호를 이용하여 상기 노면 프로필을 거리 도메인으로 변환하는 단계를 더 포함하는 노면 거칠기 신호 처리 방법.
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