KR100733873B1

KR100733873B1 - 도로의 평탄성 측정장치

Info

Publication number: KR100733873B1
Application number: KR1020050068242A
Authority: KR
Inventors: 전일중; 강훈구
Original assignee: 전일중
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-07-02
Also published as: KR20070013705A

Abstract

본 발명은 평탄성 측정 도로 노면에 대하여 2축 중력 가속도 센서에 의한 기울기 각도와 엔코더에 의한 거리 또는 높이의 데이터를 측정하고 이를 기존의 7.6m 프로파일미터의 가상측정으로 환산하는 프로그램에 의해 PrI 분석을 위한 프로파일 데이터를 취득함으로써, 장비가 소형화되고, 설치 및 이동이 간편하며, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 사후 관리비용이 저렴하여 보다 경제적인 도로 노면의 평탄성 측정 장치에 관한 것이다. 상기 측정장치는, 하측 중앙부에 설치되어 도로 노면을 따라 이동하는 측정 휠과, 상기 거리 측정 휠의 주위의 4 코너에 설치되어 이동시 가이드하기 위한 4륜 지지 휠과, 상기 측정 휠의 실시간의 이동에 따른 도로의 기울기 각도 측정 센서, 이동 거리 측정 센서 또는 높이 측정 센서로 구성되는 본체와; 상기 본체의 상부에 설치되며 상기 소정 위치에 설치되며 상기 기울기 각도 측정 센서, 이동 거리 측정 센서 또는 높이 측정 센서로부터 측정된 실시간의 기울기, 이동 거리 또는 높이 데이터를 처리하여 도로 측정 노면의 형상의 프로파일을 작성하도록 하는 신호 처리부로 이루어진다. 상기 기울기 각도 측정 센서는 측정시 진동과 가속도에 영향을 받지 않는 2축 가속도 센서를 사용한다.

도로, 평탄성, 프로파일미터, 7.6m, 1.5m, 2축 가속도 센서, 각도, 이동거리, 높이

Description

도로의 평탄성 측정장치{Apparatus for Measuring Pavement Roughness}

도 1은 종래의 7.6m 프로파일미터에 의한 7.6m CP(Calibration Program) 장비의 개략적 측면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 도로 노면의 평탄성 측정 장치의 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 도로 노면의 평탄성 측정 장치의 신호 처리부의 신호 처리 계통을 설명하기 위한 블록 구성도이다.

도 4는 본 발명에 따른 기울기 측정 센서로 사용되는 2축 가속도 센서에 의한 기울기 각도 값을 계산하기 위한 설명도이다.

도 5는 PrI(Profile Index) 값을 계산하기 위한 설명도이다.

도 6은 본 발명에 따른 1.5m 프로파일미터의 재현성을 평가하는 기준으로서기존의 7.6m CP로 측정한 거리와 높이 데이터를 그래프로 나타낸 도면이다.

도 7은 힌지에 의한 운동점에서의 두 개의 높이의 평균을 취하는 방법에 대한 예시도이다.

도 8은 본 발명에 따른 1.5m 프로파일미터로부터 기울기 각도 데이터를 이용하여 적분의 결과로 얻어진 참 프로파일(true profile)을 가상 계측하여 그 결과를 측정 데이터로 출력한 그래프이다.

도 9는 PC에서 측정결과 데이터를 그 화면상에 프로파일 그래프로 출력한 모 습을 나타내는 도면이다.

도 10은 PC에서 PrI 계산결과를 A4 용지에 출력한 모습을 나타내는 도면이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 본 발명에 따른 도로 노면의 평탄성 측정 장치

100 : 본체 110 : 측정 휠

111 : 레버 120a,120b,120c,120d : 지지 휠

130 : 기울기 측정 센서 140 : 높이 측정 센서

150 : 이동 거리 측정 센서 200 : 신호 처리부

210 : 제어부 220 : 신호 처리모듈

230 : 엔코더 모듈 240 : 배터리

250 : PDA 및 PC 251: 디스플레이부

본 발명은 도로 노면의 평탄성 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 평탄성 측정 도로에 대하여 2축 중력 가속도 센서에 의한 기울기 각도와 엔코더에 의한 거리 또는 높이의 데이터를 측정하고 이를 기존의 7.6m 프로파일미터의 가상측정으로 환산하는 프로그램에 의해 PrI 분석을 위한 프로파일 데이터를 취득함으 로써, 장비가 소형화되고, 설치 및 이동이 간편하며, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 사후 관리 비용이 저렴하여 보다 경제적인 도로 노면의 평탄성 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 도로 노면의 포장 품질을 평가하는 도로 포장의 평탄성은 자동차 주행 시의 승차감과 안전성 및 포장을 비롯한 각종 구조물의 파손에 직접적으로 영향을 미치게 되며, 도로 이용자 입장에서 도로 상태를 평가하는 가장 기본적인 사항이다. 도로 포장의 평탄성은 포장 공용성을 평가하는 가장 중요한 사항으로 이를 평가하는 고유의 기존 사용 측정기인 종래의 도로 노면의 평탄성 측정 장치는 7.6m 프로파일미터 즉, 수동식 7.6, CP(Calibration Program)가 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 7.6m CP 장비(1')은 5등분으로 이루어진 본체(100')의 하측 중앙부에 설치되며 도로 노면을 따라 이동하는 측정 휠(110')과, 측정 휠(110')로부터 이격되어 본체(100')의 전후에 각각 설치된 6개의 지지 휠(120')과, 측정 휠(110')과 회전 전달축(111')을 매개로 연결되어 도로의 포장된 노면 상태에 따라 측정 휠(110')의 상하 및 회전 움직임을 요철 파형으로 기록하는 기록계 박스(200')로 이루어져 도로 포장의 편탄성을 수동식으로 측정하도록 되어 있다.

하지만, 상기와 같은 구성을 갖는 종래의 7.6m CP 장비(1')에 의한 평탄성 시험 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 본체(100')의 길이가 긴 관계로 이동시에는 본체가 5부분, 바퀴가 6부분으로 분해하기 때문에 이동, 조립 및 설치에 시간이 많이 소요되며 관리 및 유지가 곤란한 문제점이 있다.

둘째, 기록계 박스(200')에 의한 기계식 기록장치는 정도에 대한 확인기능 만 있고, 오차 보정 기능이 없어 항상 오차를 가지고 측정하게 되며, 정도 확인 시 규정된 오차한계를 넘어서게 되면 새 것으로 교체해야 하는 번거로운 점이 있다.

셋째, 기록용 펜의 작동부위는 기구적 마찰이 많이 발생하는 구조로 제작되어 있어서 작동에 대한 응답성이 좋지 못한 관계로 포장 도로 노면의 요철상태인 측정용 바퀴의 상하 움직임을 기록장치에서 정확하게 기록해 내지 못하는 문제점이 있다.

넷째, 평탄성 결과계산에 있어서 시험자가 직접 자와 계산기를 이용하여 규정에 의거한 분석을 해야 하므로 측정구간이 10Km인 경우 분석에만 대략 7일(1인, 1일 10시간 기준) 정도의 장시간(長時間)이 소요되는 문제점이 있다.

다섯째, 측정구간이 긴 경우 그래프 용지(기록지)의 양이 많아지면 이들의 관리가 어려운 관계로 데이터의 훼손 및 망실이 발생될 수 있다.

마지막으로, 시험 담당자가 측정 도중 바뀌는 경우, 평탄성 결과 계산이 수작업으로 이루어지기 때문에 개인별 오차가 발생될 수가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 평탄성 측정 도로에 대하여 1.5m 프로 파일미터 장비의 진동과 가속도에 영향을 받지 않는 2축 중력 가속도 센서에 의해 실시간의 기울기 각도를 측정하고, 엔코더에 의해 실시간의 거리 또는 높이의 데이터를 측정하고 측정된 기울기 데이터 값을 적분하여 참 프로파일을 형성하여 이로부터 기존의 7.6m 프로파일미터의 가상측정으로 환산하는 프로그램에 의해 PrI 분석을 위한 프로파일 데이터를 취득함으로써, 장비를 소형화시키고, 그 설치 및 이동이 간편하며, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 사후 관리 비용이 저렴하여 보다 경제적인 도로 노면의 평탄성 측정 장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 도로 노면의 평탄성 측정장치는, 하측 중앙부에 설치되어 도로 노면을 따라 이동하는 측정 휠과, 상기 거리 측정 휠의 주위의 4 코너에 설치되어 이동시 가이드하기 위한 4륜 지지 휠과, 상기 측정 휠의 실시간의 이동에 따른 도로 노면의 기울기 각도 측정 센서, 이동 거리 측정 센서 또는 높이 측정 센서로 구성되는 본체와; 상기 본체의 상부에 설치되며 상기 기울기 각도 측정 센서, 이동 거리 측정 센서 또는 높이 측정 센서로부터 측정된 실시간의 기울기, 이동 거리 또는 높이 데이터를 처리하여 도로 측정 노면의 형상의 프로파일을 작성하도록 하는 신호 처리부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기울기 각도 측정 센서는 2축 가속도 센서를 사용함으로써 평탄성 측정시 장치의 진동과 가속도에 영향을 받지 않고 그 기울기 각도를 획득할 수 있다.

또한, 상기 이동 거리 측정 센서 및 높이 측정 센서로는 상기 측정휠에 결합된 엔코더가 바람직하다.

또한, 상기 신호 처리부는 상기 이동 거리 측정 센서 또는 높이 측정 센서로부터 실시간으로 이동 거리 또는 높이가 측정되어 펄스 신호가 인가되는 엔코더 모듈과, 상기 기울기 측정 센서에서 검출된 기울기 각도값과 상기 엔코더 모듈에 인가된 이동 거리 또는 높이 값으로부터 PrI(프로파일 인덱스; Profile Index) 값을 자동 계산하는 신호 처리 모듈로 이루어지는 것은 특징으로 한다.

또한, 상기 도로 노면의 평탄성 측정장치는 1.5m 이상 또는 이하의 프로파일미터이며, 상기 신호 처리 모듈에서의 기울기 각도 값에 따른 참 프로파일(true profile)의 높이(h(x))는 프로그램을 통해 가상 7.6m CP로 환산하여 상기 PrI(프로파일 인덱스; Profile Index) 값을 계산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 신호 처리부는 PDA(Personal Digital Assistant) 및 PC를 포함하여, 계산된 상기 PrI의 분석, PrI의 모의계산, 보수 위치 및 부분에 대한 의사 결정을 위한 시뮬레이션, 프로파일 그래프 출력 및 데이터 베이스 관리의 역할을 수행하며, 디스플레이부에 프로파일 그래프를 표시하도록 한다.

또한, 상기 PDA(Personal Digital Assistant) 및 PC는 상기 신호 처리부와 RS232C 또는 USB 통신을 통해 연결될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 도로 노면의 평탄성 측정 장치(1)는 크게 평탄성을 측정하고자 하는 도로 노면의 표면을 이동하면서 프로파일(true profile)을 측정하는 본체(100)와 데이터를 처리하여 도로 측정 노면 형상의 프로파일을 작성하도록 하는 신호 처리부(200)로 이루어져 있다. 여기서, 본 발명에 따른 본체(100)는 다수의 프레임(도면 번호 미부여)으로 연결된 몸체를 이루며, 그 재질은 강성과 무게를 고려하여 알루미늄으로 이루어져 장치의 무게를 최소화하였다. 그러나, 본 발명에 있어서는 그 재질에 제한되는 것은 아니다.

상기한 본 발명에 따른 도로 노면의 평탄성 측정 장치(1)의 본체(100)는 하측 중앙부에 설치되어 도로 노면을 따라 이동하는 측정 휠(110)과, 측정 휠(110)로부터 이격되어 4 코너에 설치된 4륜 지지 휠(120a)(120b)(120c)(120d)과, 측정 휠(110)의 실시간의 이동에 따라 측정 휠 즉, 도로 노면의 기울기, 이동 거리 또는 높이를 각각 측정하는 기울기 측정 센서(130), 이동 거리 측정 센서(150) 및 높이 측정 센서(140)로 구성되어 진다.

여기서, 본 발명에 따른 지지 휠은 종래의 7.6m 평탄성 시험 장치와 같이 다륜형(6개)으로 제작하는 경우 정확한 기울기의 각도 측정이 곤란하여 힌지 부분을 삭제한 전후 4륜형 지지용 휠 구조를 적용하고 있으며, 또한, 그 전체 길이를 종래의 7.6m에서 1.5m 정도로 줄여서 더욱 경량화한 것이다.

상기 측정 휠(110)은 레버(111)에 의해 상하 운동이 가능하도록 되어 있으며, 실제 작동시에는 어느 정도의 각도와 요철을 갖는 도로 노면의 표면상을 따라 이동하도록 되어 있다. 이때, 측정 휠(110)에는 이동 거리 측정 센서(150) 또는 높이 측정 센서(140)가 연결 부착되어 있어 측정 휠(110)의 이동시 실시간으로 이동 거리 또는 높이가 측정되어 진다. 이러한 측정 센서로서는 엔코더(encoder)의 형태로 부착되어 측정 휠(110)의 이동에 따른 펄스 수를 감지하여 도로 노면의 이동 거리 및 높이를 측정함이 바람직하나, 본 발명에 있어 그 센서 종류에 제한되는 것은 아니다. 여기서, 기울기 각도 값으로부터 높이를 측정할 수 있음으로, 높이 측정 센서(150)는 본 발명에 있어 선택사항이며 필수적인 것은 아니다.

또한, 상기 4륜 지지 휠(120a)(120b)(120c)(120d)은 이동시 유격에 의한 장비의 각도 오차 발생의 경우를 감안하여 이동 측정 중에 유격이 발생하지 않도록 하고 좌/우 회전이 가능하도록 복렬 앵귤러 콘택트 볼베어링을 적용함이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

아울러, 본 발명에 따른 도로 노면의 평탄성 측정 장치(1)의 조향성을 향상시키기 위하여 조향 핸들(160)을 후측 중앙에 설치하였으며, 측정자가 작업 중에 측정 상태를 용이하게 파악할 수 있도록 신호 처리부(200)를 측정자의 전면에 설치되어 있다.

도시된 예에서는, 상기 기울기 측정 센서(130)는 신호 처리부(200)의 하측에 설치되어 있으나, 본 발명에서는 그 설치 위치에 제한되는 것은 아니다. 또한, 기울기 측정 센서(130)의 종류로는 통상적인 2축 가속도 센서를 사용하며, 이는 평탄성 측정을 위한 이동시 장치의 진동과 가속도에 영향을 받지 않고 그 기울기 데이터를 획득할 수 있기 때문이다. 그러나, 본 발명에서는 기울기 측정 센서로는 기울 기 센서, 자이로 센서, 초음파 센서, 레이저 센서 등을 사용할 수도 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 도로 노면의 평탄성을 테스트하기 위해 평탄성 측정 장치(1)의 측정 휠(110)이 도로 표면을 따라 이동하게 되고, 이때 측정 휠(110)에 연결된 이동 거리 측정 센서(150) 및 높이 측정 센서(140)에서는 실시간으로 이동 거리 및 높이가 측정되어 펄스 신호가 엔코더 모듈(230)을 거쳐 제어부(220)에 인가되고, 2축 가속도 센서인 기울기 측정 센서(130)에서 검출된 신호들도 제어부(210)에 인가되게 연결한다.

또한, 본 발명에 따른 도로 노면의 평탄성 측정 장치(1)의 신호 처리부(200)에는 배터리(240)가 내장되어 전원을 공급하도록 되어 있다. 하지만, 전원 공급원으로서는 배터리에 제한되는 것은 아니다.

상기한 신호 처리부(200)는 PDA 및 PC(250)와 같은 휴대용 컴퓨터를 포함하며, 여기에서 처리된 데이터들은 디스플레이부(251)에 출력될 수 있도록 되어 있다. 이러한 PDA 및 PC(250) 및 디스플레이부(251)는 신호 처리부(200) 자체에 내장될 수도 있고 신호 처리부(200)에 저장되어 기록된 데이터를 소정의 통신수단(예를 들면, RS232C 또는 USB 통신)을 통해 외부에서 입력받을 수도 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 도로 노면의 평탄성 측정 장치(1)를 이용하여 프로파일을 측정하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 도로 노면의 평탄성 측정 장치(1)를 측정 대상인 도로 노면의 표면상에 위치시키면 4륜 지지 휠(120a)(120b)(120c)(120d)에 의해 본체(100)는 도로표면을 따라 자유롭게 전진 또는 후진하게 된다. 물론, 측정자가 조향 핸들(160)을 조절하여 정해진 방향으로 조절할 수 있게 된다

이때, 측정 휠(110)이 도로 표면을 따라 회전하여 이동 거리 측정 센서(150) 및 높이 측정 센서(140)를 작동시키므로 그 펄스수가 엔코더 모듈(230)에서 카운트 되어 제어부(210)에 제공된다. 이것에 의해서 제어부(210)에서는 본체에 의한 측정 이동거리 및 높이를 실시간으로 산출한다.

이와 같은 도로 노면의 평탄성 측정 장치(1)의 본체(100)의 이동 거리 및 높이 측정과 함께 2축 가속도 센서인 기울기 측정 센서(130)에 의해 도로 표면의 기울기도 실시간으로 측정되어 제어부(210)에 제공된다.

상기 제어부(210)는 신호 처리 모듈(220)을 통하여 거리 이동값, 높이 값 및 기울기 각도값 등을 받아들여 본 발명에 따른 프로그램에 의해 처리되어 PrI(프로파일 인덱스; Profile Index) 값은 자동 계산하고 PDA 및 PC(250)에 그 데이터를 저장 및 기록하며, 또한, 디스플레이부(251)에 프로파일 그래프를 표시하도록 한다. 상기 측정된 이동값, 높이 값 및 기울기 각도값으로부터 PrI를 자동 계산하는 알고리즘에 대해서는 후술하기로 한다.

상기 PrI는 7.6m CP(Calibration Program) 장비로 측정한 기록결과를 이용하여 도로 표면의 평탄성의 일차적인 물리적 의미인 요철 높이를 이용하는 KS규격 F2373으로 규격화된 평탄성 지수로서, 본 발명에서는, 후술하는 바와 같이, 프로그램을 통해 가상의 7.6m CP를 만들고 1.5m 프로파일미터로 측정한 각도 데이터를 이 용하여 적분의 결과로 얻어진 프로파일을 가상 계측하여 그 결과를 측정 데이터로 출력하는 것이다.

한편, 본 출원인은 7.6m 평탄성 시험장치의 운동성을 예측하는 알고리즘을 적용하기 위해서 본 발명에 따른 도로 노면의 평탄성 측정 장치(1) 즉, 1.5m 프로파일미터(1.5m 이하일 수도 있음)의 지지용 바퀴를 다륜형으로 제작하여 시험해 본 결과, 각도 데이터에 의한 노면의 프로파일(True Profile)을 읽어내는 과정에서 지지 휠의 힌지 부분에서 요철 높이의 평균값을 취하는 결과가 발생하여 1.5m 프로파일미터의 정확한 각도 측정이 곤란하여 힌지 부분을 삭제한 전후 4륜형 지지용 바퀴 구조를 적용하였다. 위의 결과, 노면 요철과 측정 속도의 가/감속에 의한 영향이 1.5m 프로파일미터에 부착된 수은 방식의 각도 센서에 진동 및 가속도를 발생 시켜 데이터 분석 결과, 장비의 정확한 기울기를 계산하는 것이 불가능하였으며, 이를 해결하기 위해 기구적으로 진동과 가속도에 영향을 받지 않도록 장치를 구성하여 시험을 하였으나 만족한 결과를 얻지 못하였다. 따라서, 진동과 가속도에 영향을 받지 않은 각도 데이터를 얻기 위해 많은 시간의 검토 결과, 2축 가속도센서를 적용하여 수학적인 방법을 통해 측정된 각도 데이터에서 진동 및 가속도의 영향을 제거한 각도 데이터를 얻을 수 있도록 기울기 측정 센서(130)를 2축 가속도 센서를 사용한 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 기울기 측정 센서로 사용되는 2축 가속도 센서에 의한 기울기 각도 값을 계산하기 위한 설명도이다. 여기서, α는 기울기 각도, V는 수직 유니트 벡터, H는 수평 유니트 벡터, Ach1 는 제 1 가속도 센서 유니트 벡터, Ach2는 제 2 가속도 센서 유니트 벡터, N은 임의 벡터(Arbitrary vector), θ는 가속도 센서 장착각(Sensor mounting angle)이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 2축 가속도 센서(130)를 장착한 도로 노면의 평탄성 측정 장치(1)가 각도 α로 기울어 진 경우, 2축 가속도 센서(130)의 출력값은 각도 α와 수평 가속도 성분인 h 에 의해 영향을 받는다. 만약, 장비가 정속으로 움직인다면 h 는 0(zero)이지만 진행속도의 가/감속 및 진동에 의한 속도 변화가 생긴다면 h 는 0(zero)이 아니다. 따라서 가속도의 영향을 받지 않는 장비의 절대적인 각도 α는 Ach1과 Ach2의 합 벡터인 N을 구하고 중력 가속도 크기의 원을 그린 다음 h 와 평행하게 선을 그어서 원과 만나는 교점을 중심과 연결하면 이것은 중력방향이 되며, 중력방향과 좌표의 수직축이 이루는 각이 장비의 절대적인 각도 α이다. 각도 α는 수직 가속도 성분인 v 와 크기를 알고 있는 중력가속도(g)(9.8 ㎨)를 사용하여 하기의 수학식 1 및 2에 의해 구할 수 있다.

여기서,ach1은 제 1 가속도 센서의 출력값(중력), ach2는 제 2 가속도 센서의 출력값(중력), h는 수평 가속도 성분(중력), v는 수직 가속도 성분이다.

도 5는 PrI(Profile Index) 값을 계산하기 위한 설명도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 측정된 노면의 프로파일(Profile)에 일정폭(5mm)의 블랭크 밴드(Blank Band)를 그린 다음 밴드 밖으로 벗어난 상하의 모든 프로파일을 mm 단위로 합산하여 계산한다. 이때 프로파일의 높이가 1mm이하이고 폭이 2mm이하인 요철은 노면의 이물이나 장비의 순간 진동에 의한 것으로 간주하여 합산 대상에서 제외한다. PrI의 값은 다음의 수학식 3과 같다.

한편, 본 발명에 따른 1.5m 프로파일 미터로부터 가상의 7.6m CP 장비에 적용하기 위한 알고리즘에 대해 설명하면, 다음과 같다.

기울기 측정 센서에 의해 측정된 각도 데이터와 7.6m CP 장비의 기구적인 특성을 기준으로 한 시뮬레이션 결과, 1.5m 프로파일미터로 측정한 각도 데이터를 이용하여 수학적인 방법으로 이동 거리와 높이를 구한 결과와 7.6m CP 장비로 측정한 결과를 비교하였으나 1.5m 프로파일미터의 재현성은 기대에 미치지 못하였다. 도 6은 기존의 7.6m CP로 측정한 거리와 높이 데이터를 그래프로 나타낸 것으로 1.5m 프로파일미터의 재현성을 평가하는 기준이 된다.

따라서, 7.6m CP 장비로 측정한 프로파일과의 재현성 비교를 위해서는 우선, 1.5m 프로파일미터로 측정한 거리와 기울기 각도 데이터를 읽어 들이고 거리와 높 이 데이터 표현되는 참 프로파일(True Profile)을 구하기 위하여 적분형태의 계산 과정을 거치게 된다. 이러한 거리 이동에 따른 적분을 이용한 참 프로파일의 높이는 이동 거리(x)에 따라 다음의 수학식4와 같다.

여기서, θ(x)는 이동 거리(x)에 따른 측정된 기울기 각도 데이터(수학식2 참조)이고, h(x)는 이동 거리에 따른 참 프로파일의 높이(즉, 측정바퀴의 높이)이고, h(0)는 측정 시작점의 높이로서 본 수학식에서는 0으로 한다.

마지막 과정으로 7.6m CP 장비에 의한 측정결과에 대한 1.5m 프로파일미터 의 재현성을 만족시키기 위하여 7.6m CP 장비의 기구적 해석을 적용하는 가상 계측 프로그램을 개발하였다. 프로그램에 적용되는 7.6m CP 장비의 기구적인 해석 알고리즘은 아래와 같다.

도 6은 본 알고리즘을 구성하기 위해서 필요한 7.6m 프로파일미터의 힌지에 의한 운동점, 고정점 및 중심점을 정의한 내용을 보여준다.

도 6에 도시된 바와 같이, 정의된 HFRP(Height Front Right Point), HFLP, (Height Front Light Point), HRLP(Height Rear Left Point), HFP(Height Front Point), HRP(Height Rear Point), HRRO(Height Rear Right Point) 및 HCntr(Hight Center Pont)은 종래의 7.6m 평탄성 시험 장치에서의 6개의 지지 휠과 중앙의 측정 휠의 운동점, 고정점 및 중심점을 나타내도록 정의한 것이다.

도 7은 힌지에 의한 운동점 즉, 회전축에서의 두 개의 높이(h1)(h2)의 평균을 취하는 방법에 대한 예시를 보여주며, 가상 측정에 있어서 정밀도를 높이기 위하여 큐빅 스플라인(Cubic Spline)을 적용하여 결과를 도출하였으며, 힌지에 의한 높이 평균(hc)은 다음의 수학식5와 같다.

여기서, hc는 힌지에 의한 높이의 평균이고, h1 및 h2는 힌지에 의한 두 개의 높이이고, ℓ1 및 ℓ2는 각각 h1 및 h2와 hc와 거리이다.

수학식5를 이용하여 도 6에서 정의된 HFRP(Height Front Right Point), HFLP, (Height Front Light Point), HRLP(Height Rear Left Point), HFP(Height Front Point), HRP(Height Rear Point), 및 HRRO(Height Rear Right Point)를 구하고 최종적으로 측정 휠의 위치인 HCntr(Hight Center Pont)에서의 높이를 구하면 그 값은 임의의 위치에서의 측정값이 된다.

즉, 프로그램을 통해 가상 7.6m CP를 만들고 본 발명에 따른 1.5m 프로파일미터로부터 기울기 각도 데이터를 이용하여 적분의 결과로 얻어진 참 프로파일을 가상 계측하여 그 결과를 측정 데이터로 출력하게 되면 재현성이 완벽해지며, 그 출력 그래프는 도 8과 같이 도시되어 진다.

한편, 제어부(210)의 신호 처리 모듈(220)(도 3 참조)에서는 상기 수학식 2 및 수학식 4의 계산 과정을 수행하여 가속도에 영향을 받지 않는 장비의 기울기 각도 데이터와 2개의 이동 거리 측정 센서 및 높이 측정 센서의 신호(엔코더 신호)를 제어하여 거리 및 높이 데이터를 RS 232C 통신 등을 통해 PDA 및 PC(250)로 전송한다.

상기한 PDA(Personal Digital Assistant)에서는 기울기 각도, 거리 또는 높이의 데이터를 측정하기 전에 미리 각도, 거리 및 높이의 기준에 대한 오차를 보정하도록 되어 있으며, 상기한 제어부(210)로부터 전송된 각도, 거리 및 높이의 데이터를 오차에 의한 보정을 통하여 거리-각도, 거리-높이의 형태로 저장하며 거리(S)-높이(H)의 프로파일을 화면에 실시간으로 보여준다. 물론, 이러한 프로파일 프로그램에 의한 가상 7.6m CP를 측정하는 것으로 환산하여 이루어진다. 또한, 측정완료 후 데이터가 저장되면, PrI의 계산결과를 보여주며, 저장된 데이터는 PC에서 다운로드(download)하여 결과물을 출력하게 된다.

상기 PC에서는 PrI의 분석, PrI의 모의계산, 보수 위치 및 부분에 대한 의사 결정을 위한 시뮬레이션, 프로파일 그래프 출력 및 데이터 베이스 관리의 역할을 수행하며, 도 9는 PC에서 측정결과 데이터를 그 화면상에 프로파일 그래프로 출력한 모습을 나타내고 있으며, 도 10은 PC에서 PrI 계산결과를 A4 용지에 출력한 모습을 나타내는 도면이다.

여기서, 상기한 PDA 및 PC(250)는 본 발명에 따른 도로 노면의 평탄성 측정 장치의 신호 처리부(200)내에 설치될 수 있으나, 별도로 독립되어 RS 232C 통신을 통해 연결될 수도 있다. 물론, 상술한 바와 같이, PDA 및 PC가 다수의 독립적인 프로그램에 의해 별도 처리될 수도 있으나, 하나의 프로그램에 의해 PrI의 분석, PrI의 모의계산, 보수 위치 및 부분에 대한 의사 결정을 위한 시뮬레이션, 프로파일 그래프 출력 및 데이터 베이스 관리 등을 통합적으로 진행할 수도 있다.

따라서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 도로 노면의 평탄성 측정 장치에 의하면, 평탄성 측정 도로에 대하여 1.5m 프로 파일미터 장비의 진동과 가속도에 영향을 받지 않는 2축 중력 가속도 센서에 의해 실시간의 기울기 각도를 측정하여 그 측정된 기울기 데이터 값을 적분하여 참 프로파일을 형성하여 이로부터 기존의 7.6m 프로파일미터의 가상측정으로 환산하는 프로그램에 의해 PrI 분석을 위한 프로파일 데이터를 취득함으로써, 장비를 소형화시키고, 그 설치 및 이동이 간편하며, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 사후 관리 비용이 저렴하여 보다 경제적인 효과가 있다.

지금까지 본 발명에 따른 바람직한 구체예를 들어 본 발명을 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 예증하기 위한 것일 뿐 본 발명을 제한하려는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 영역으로부터 일탈하는 일 없이도 다양한 변화 및 수정이 가능함은 물론이나 이 또한 본 발명의 영역 내임을 유의하여야만 할 것이다.

Claims

하측 중앙부에 설치되어 도로 노면을 따라 이동하는 측정 휠과, 상기 거리 측정 휠의 주위의 4 코너에 설치되어 이동시 가이드하기 위한 4륜 지지 휠과, 상기 측정 휠의 실시간의 이동에 따른 도로 노면의 2축 가속도 센서, 이동 거리 측정 센서 또는 높이 측정 센서로 구성되는 본체와,

상기 본체의 상부에 설치되며, 상기 2축 가속도 센서, 이동 거리 측정 센서 또는 높이 측정 센서로부터 측정된 실시간의 기울기, 이동 거리 또는 높이 데이터를 처리하여 도로 측정 노면 형상의 프로파일을 작성하도록 하는 신호 처리부로 이루어지며,

상기 신호 처리부는 상기 이동 거리 측정 센서 또는 높이 측정 센서로부터 실시간으로 이동 거리 또는 높이가 측정되어 펄스 신호가 인가되는 엔코더 모듈과, 상기 2축 가속도 센서에서 검출된 기울기 각도값과 상기 엔코더 모듈에 인가된 이동 거리 또는 높이 값으로부터 PrI(프로파일 인덱스; Profile Index) 값을 자동 계산하는 신호 처리 모듈로 이루어지며,

상기 신호 처리 모듈에서 상기 2축 가속도 센서에 의한 평탄성 측정시 그 기울기 각도 값(α)은 다음 수학식에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 도로 노면의 평탄성 측정장치.

여기서, ach1은 제 1 가속도 센서의 출력값(중력), ach2는 제 2 가속도 센서의 출력값(중력), g는 중력 가속도, v는 수직 가속도 성분, θ는 가속도 센서 장착각이다.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 이동 거리 측정 센서 또는 높이 측정 센서는 상기 측정휠에 결합된 엔코더인 것을 특징으로 하는 도로 노면의 평탄성 측정장치.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 신호 처리 모듈에서 상기 기울기 각도 값에 따른 참 프로파일(true profile)의 높이(h(x))는 다음의 수학식에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 도로 노면의 평탄성 측정장치.

여기서, θ(x)는 이동 거리(x)에 따른 측정된 기울기 각도 값이고, h(x)는 이동 거리에 따른 참 프로파일의 높이 즉, 측정 휠의 높이이다.
제 6 항에 있어서,

상기 신호 처리 모듈에서의 기울기 각도 값에 따른 참 프로파일(true profile)의 높이(h(x))는 프로그램을 통해 가상 7.6m CP로 환산하여 상기 PrI(프로파일 인덱스; Profile Index) 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 도로 노면의 평탄성 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 신호 처리부는 PDA(Personal Digital Assistant) 및 PC를 포함하며, PDA(Personal Digital Assistant) 및 PC에서는 계산된 상기 PrI의 분석, PrI의 모의계산, 보수 위치 및 부분에 대한 의사 결정을 위한 시뮬레이션, 프로파일 그래프 출력 및 데이터 베이스 관리의 역할을 수행하며, 디스플레이부에 프로파일 그래프를 표시하도록 하는 것을 특징으로 하는 도로 노면의 평탄성 측정장치.
제 8 항에 있어서,

상기 PDA(Personal Digital Assistant) 및 PC는 상기 신호 처리부와 RS232C 또는 USB 통신을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 도로 노면의 평탄성 측정장치.