KR101369869B1 - Localization method of a object using fbg strain sensors - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a method for estimating the three-dimensional location an object using an FGB strain sensor. According to the present invention, the method for estimating the three-dimensional location an object comprises: a step of installing at least one FGP strain sensor in an object to be wound on the outer surface of the object in a spiral shape; a step of dividing the tensile modulus measured in the FGB strain sensor into the horizontal modulus and the vertical tensile modulus; a step of calculating the strain rate of the object using the horizontal and vertical modulus; and a step of estimating the profile of the object using the strain rate.

Description

PGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법 {LOCALIZATION METHOD OF A OBJECT USING FBG STRAIN SENSORS}3D Position Estimation Method of an Object Using a Pp Strain Sensor

본 발명은 케이블 등 피탐지체의 3차원 위치추정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, FGB 스트레인 센서를 통해 피탐지체의 3차원 프로파일을 추정할 수 있는 FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for estimating a three-dimensional position of an object to be detected, such as a cable. A method for estimating dimensional position.

일반적으로 광섬유 센서(optical fiber sensor)는, 광섬유를 지나가는 광신호(빛)의 세기, 광섬유의 굴절률 및 길이, 모드, 그리고 편광상태의 변화 등을 이용하여 피측정량을 추정하는 센서로서, 이용되는 효과에 따라 세기형, 위상형, 회절 격자형, 모드 변조형, 편광형, 분포 측정형 등으로 구분되고 있다. 최근 광섬유 센서는 전압, 전류, 온도, 압력, 스트레인, 회전율, 음향, 가스 농도 등 다양한 대상의 측정에 응용되고 있다. 특히, 광섬유 센서는 초정밀 광대역 측정이 가능하고, 전자파의 영향을 받지 않으며, 원격 측정이 용이한 한편, 센서부에서 전기를 사용하지 않으며, 실리카 재질의 뛰어난 내부식성으로 사용 환경에 대한 제약이 거의 없다는 기술적 장점이 있어, 그 사용분야가 급속히 확대되어 가는 추세이다.In general, an optical fiber sensor is a sensor for estimating a measurement amount using an intensity of an optical signal (light) passing through an optical fiber, a refractive index and a length of an optical fiber, a mode, and a change in polarization state. According to the effect, it is classified into intensity type, phase type, diffraction grating type, mode modulation type, polarization type, distribution measuring type and the like. Recently, optical fiber sensors have been applied to measurement of various objects such as voltage, current, temperature, pressure, strain, turnover, sound, and gas concentration. In particular, the optical fiber sensor is capable of ultra-precise wideband measurement, is not affected by electromagnetic waves, is easy to measure remotely, does not use electricity in the sensor unit, and has excellent corrosion resistance of silica, so there are few restrictions on the use environment. There is a technical advantage, the field of use is expanding rapidly.

FGB(Fiber Bragg Grating) 스트레인 센서 또는 FBG 센서는 상기와 같은 광섬유 센서의 일종으로, 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부환경 조건 변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다. 이러한 FGB 스트레인 센서는 주로 구조물의 상태 진단 등에 응용되고 있다. 예컨대, 교량, 댐, 건축물 등의 제작시 콘크리트 내부에 FGB 스트레인 센서를 포설하고, 구조물 내부의 인장 분포나 구부림 정도 등을 FGB 스트레인 센서를 통해 감지하는 방식의 구조물 안전 진단 방법 등이 알려진 바 있다.Fiber Bragg Grating (FGB) strain sensor or FBG sensor is a kind of optical fiber sensor as described above, and several optical fiber Bragg gratings are engrave on the optical fiber in a certain way, and then in each grating according to changes in external environmental conditions such as temperature and intensity It is a sensor using the characteristic that the wavelength of reflected light is changed. The FGB strain sensor is mainly applied to the diagnosis of the condition of structures. For example, when manufacturing a bridge, a dam, a building, etc., a FGB strain sensor is installed in concrete, and a structure safety diagnosis method of detecting a tension distribution or bending degree inside a structure through an FGB strain sensor has been known.

본 발명의 실시예들은, FGB 스트레인 센서를 이용하여 케이블과 같은 피탐지체의 3차원 프로파일을 신속하고 정확하게 추정할 수 있는 FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention provide a method for estimating a three-dimensional position of an object using an FGB strain sensor that can quickly and accurately estimate a three-dimensional profile of an object such as a cable using an FGB strain sensor.

본 발명의 일 측면에 따르면, 피탐지체에 적어도 하나의 FGB 스트레인 센서를 설치하되, 상기 FGB 스트레인 센서는 상기 피탐지체의 외주면에 나선형으로 감기도록 설치되는 단계; 상기 FGB 스트레인 센서에서 측정된 인장률을 수평방향 인장률 및 수직방향 인장률로 분해하는 단계; 상기 수평방향 인장률 및 상기 수직방향 인장률을 통해 상기 피탐지체의 변형률을 산출하는 단계; 상기 변형률을 통해 상기 피탐지체의 프로파일을 추정하는 단계;를 포함하는, FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법이 제공될 수 있다.According to an aspect of the present invention, at least one FGB strain sensor is installed on the object to be detected, wherein the FGB strain sensor is installed to spirally wound on an outer circumferential surface of the object to be detected; Decomposing the tensile rate measured by the FGB strain sensor into a horizontal tensile rate and a vertical tensile rate; Calculating a strain of the object to be detected based on the horizontal tension rate and the vertical tension rate; Estimating the profile of the target object through the strain; may include a three-dimensional position estimation method of the target object using the FGB strain sensor.

본 실시예들에 따른 FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법은 케이블에 나선형으로 감겨진 복수개의 FBG 스트레인 센서를 통해, 케이블의 프로파일 또는 3차원 위치를 정확하고 신속하게 추정할 수 있다.In the three-dimensional position estimation method of the detected object using the FGB strain sensor according to the present embodiment, it is possible to accurately and quickly estimate the profile or three-dimensional position of the cable through a plurality of FBG strain sensors spirally wound on the cable. have.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법을 보여주는 전체적인 흐름도이다.
도 2는 케이블에 FBG 스트레인 센서가 설치된 모습을 보여주는 개략도이다.
도 3은 FBG 스트레인 센서가 감겨진 케이블의 외주면을 평면상 전개한 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 케이블에 변형이 발생된 경우, 각 응력 삼각형의 변화를 도시한 도면이다.
도 5는 각 FBG 스트레인 센서의 수직방향 인장률을 횡단면에 대한 수직 벡터로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치추정방법을 샘플링 노드의 개수(N= 32, 64, 128, 256)에 따라 시험한 시험 결과이다.
1 is a general flowchart showing a three-dimensional position estimation method of the object to be detected using the FGB strain sensor according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing the installation of the FBG strain sensor on the cable.
3 is a view showing a state in which the outer peripheral surface of the cable wound the FBG strain sensor is developed in a plan view.
4 is a diagram showing the change of each stress triangle when deformation occurs in the cable.
5 is a diagram showing the vertical tension of each FBG strain sensor as a vertical vector with respect to the cross section.
FIG. 6 is a test result of a location estimation method according to an embodiment of the present invention, tested according to the number of sampling nodes (N = 32, 64, 128, 256).

이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 다만, 이하의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위가 이하의 실시예들에 한정되는 것은 아님을 알려둔다. 또한, 이하의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로, 불필요하게 본 발명의 기술적 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 공지의 구성에 대해서는 상세한 기술을 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the following examples are provided to facilitate understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples. In addition, the following embodiments are provided to explain the present invention more fully to those skilled in the art and those skilled in the art will appreciate that those skilled in the art, Will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법을 보여주는 전체적인 흐름도이다. 도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법(이하 편의상, '위치추정방법'으로 지칭함)은, 피탐지체에 FGB 스트레인 센서를 설치하는 단계(S1), 설치된 FGB 스트레인 센서로부터 인장률을 측정하고 이를 수평방향, 수직방향 인장률로 분해하는 단계(S2 내지 S4), 케이블 및 중심선의 변형률을 산출하는 단계(S5 내지 S6), 케이블 및 중심선의 프로파일을 산출하는 단계(S7 내지 S8)를 포함하여 구성될 수 있다.1 is a general flowchart showing a three-dimensional position estimation method of the object to be detected using the FGB strain sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a three-dimensional position estimation method (hereinafter, referred to as a 'position estimation method') of an object using an FGB strain sensor according to the present embodiment includes installing an FGB strain sensor on an object to be detected. (S1), measuring the tensile rate from the installed FGB strain sensor and decomposing it into horizontal and vertical tensile rates (S2 to S4), calculating strains of the cable and centerline (S5 to S6), cable and centerline It can be configured to include the step of calculating the profile of (S7 to S8).

이하, 상기의 각 단계에 대하여, 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, each step will be described in more detail.

1. One. 피탐지체에On the subject FGBFGB 스트레인 센서를 설치하는 단계 Steps to Install a Strain Sensor

본 실시예에 따른 위치추정방법은, 피탐지체에 FBG 스트레인 센서를 설치하는 단계를 포함할 수 있다.The position estimation method according to the present embodiment may include installing an FBG strain sensor on the object to be detected.

상기의 피탐지체는 길이 방향으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 또는, 상기의 피탐지체는 가늘고 긴 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기의 피탐지체는 원형의 횡단면을 가질 수 있다. 예컨대, 상기의 피탐지체는 케이블(cable)을 포함할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 상기의 피탐지체가 케이블인 경우를 예시하여 설명하도록 한다. 다만, 본 실시예에 따른 위치추정방법은 상기 예시된 케이블뿐만 아니라, 이와 동일 유사하게 취급될 수 있는 다양한 종류의 피탐지체를 3차원 위치 추정하는데 사용될 수 있음은 물론이다.The detected object may have a form extending in the longitudinal direction. Alternatively, the detected object may have an elongated form. In addition, the detected object may have a circular cross section. For example, the detected object may include a cable. Hereinafter, for convenience of description, the case where the detected object is a cable will be described by way of example. However, the position estimation method according to the present embodiment can be used to estimate the three-dimensional position of not only the cable exemplified above but also various kinds of objects to be treated in the same manner.

도 2는 케이블(P)에 FBG 스트레인 센서(F)가 설치된 모습을 보여주는 개략도로서, 도 2를 참고하면, FBG 스트레인 센서(F)는 케이블(P)의 외주면에 설치될 수 있다. 또한, FBG 스트레인 센서(F)는 복수개가 케이블(P)에 설치될 수 있다. 예컨대, 도 2에서 예시한 바와 같이, FBG 스트레인 센서(F)는 3가닥이 케이블(P)에 설치될 수 있다.FIG. 2 is a schematic view showing a state in which the FBG strain sensor F is installed in the cable P. Referring to FIG. 2, the FBG strain sensor F may be installed on an outer circumferential surface of the cable P. Referring to FIG. In addition, a plurality of FBG strain sensors (F) may be installed in the cable (P). For example, as illustrated in FIG. 2, the FBG strain sensor F may be installed in three cables P. As shown in FIG.

다만, 케이블에 설치되는 FBG 스트레인 센서의 개수는 필요에 따라 증감 변동될 수 있다. 예컨대, 필요에 따라, 4가닥의 FBG 스트레인 센서가 케이블에 설치될 수 있으며, 그 이상의 FBG 스트레인 센서가 케이블에 설치될 수 있다. 이와 같은 경우, FBG 스트레인 센서를 통한 케이블의 3차원 위치 추정은 하기에서 설명하는 3가닥의 경우와 유사하게 수행될 수 있다. 또한, 필요에 따라, 2가닥의 FBG 스트레인 센서만이 케이블에 설치될 수 있다. 이와 같은 경우, 내삽법 등을 통해 가상적인 FBG 스트레인 센서의 인장률을 보간함으로써, 하기 설명하는 3가닥의 경우와 유사하게 케이블의 위치를 추정할 수 있다.However, the number of FBG strain sensors installed in the cable may be increased or decreased as necessary. For example, if desired, four strands of FBG strain sensor may be installed in the cable, and more FBG strain sensors may be installed in the cable. In this case, the three-dimensional position estimation of the cable through the FBG strain sensor can be performed similarly to the three-strand case described below. Also, if desired, only two strands of FBG strain sensors can be installed in the cable. In such a case, by interpolating the tensile rate of the virtual FBG strain sensor through interpolation or the like, the position of the cable can be estimated similarly to the case of the three strands described below.

이하에서는 설명의 편의를 위하여, 도 2에 예시된 바와 같이 3가닥의 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)가 케이블(P)에 설치된 경우를 중심으로 설명하기로 한다. 또한, 도 2에 도시된 바, 붉은색 라인으로 표시된 FBG 스트레인 센서(F1)를 제 1 FBG 스트레인 센서(F1), 녹색 라인으로 표시된 FBG 스트레인 센서(F2)를 제 2 FBG 스트레인 센서(F2), 파란색 라인으로 표시된 FBG 스트레인 센서(F3)를 제 3 FBG 스트레인 센서(F3)로 지칭하기로 한다.Hereinafter, for convenience of description, a case in which three FBG strain sensors F1, F2, and F3 are installed in the cable P will be described as illustrated in FIG. 2. In addition, as shown in FIG. 2, the FBG strain sensor F1 indicated by the red line represents the first FBG strain sensor F1, the FBG strain sensor F2 indicated by the green line represents the second FBG strain sensor F2, The FBG strain sensor F3 indicated by the blue line will be referred to as a third FBG strain sensor F3.

제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F)는 상호 동일한 광섬유로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)는 각각 케이블(P)의 외주면에 나선형(helical)으로 감겨질 수 있다. 이때, 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)는 상호 동일한 피치(pitch) 또는 꼬임률(twisting rate)로 케이블(P)에 감겨질 수 있다. 상기 꼬임률은 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)가 케이블(P) 외주면에 단위 길이당 꼬여(twisting) 나가는 정도를 의미할 수 있다. 초기 설치 상태에서 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 꼬임률을 '초기 꼬임률(t0)'로 지칭하기로 한다.The first to third FBG strain sensors F may be formed of the same optical fiber. In addition, the first to third FBG strain sensors F1, F2, and F3 may be wound in a helical shape on the outer circumferential surface of the cable P, respectively. In this case, the first to third FBG strain sensors F1, F2, and F3 may be wound around the cable P at the same pitch or twisting rate. The twist rate may refer to the degree to which the first to third FBG strain sensors F1, F2, and F3 are twisted per unit length on the outer circumferential surface of the cable P. In the initial installation state, the twist rates of the first to third FBG strain sensors F1, F2, and F3 will be referred to as 'initial twist rate t 0 '.

한편, 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)는 케이블(P)의 외주면에 상호 간 일정한 간격으로 감겨질 수 있으며, 횡단면상 상호 대칭적으로 배치될 수 있다. 다시 말하면, 케이블(P)의 변형이 없는 초기 설치 상태에서, 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)는 케이블(P)의 중심선(C)을 원점으로 일정 각도 간격(즉, 본 실시예의 경우 120도 간격)으로 배치될 수 있다. 또한, 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)는 각각 횡단면상 중심선(C)에서 중심반경(rc)만큼 이격 배치될 수 있다.On the other hand, the first to third FBG strain sensors (F1, F2, F3) may be wound on the outer circumferential surface of the cable (P) at regular intervals, and may be arranged symmetrically on the cross-section. In other words, in the initial installation state without the deformation of the cable P, the first to third FBG strain sensors F1, F2, F3 have a certain angular interval (i.e., the bone pattern) from the center line C of the cable P as the origin. In the case of an embodiment, it may be arranged at intervals of 120 degrees. In addition, the first to third FBG strain sensors F1, F2, and F3 may be spaced apart from each other by a center radius r c on the center line C on the cross section.

2. 2. FGBFGB 센서의  Of sensor 인장률을Tensile modulus 분해하는 단계 Disassembly steps

도 3은 FBG 스트레인 센서가 감겨진 케이블의 외주면을 평면상 전개한 모습을 도시한 것이다. 도 3을 참고하면, 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)는 전개된 평면상 일정 경사를 이루도록 배치될 수 있다. 이때, 각 샘플링 노드(sp)에서 '응력 삼각형(T1, T2, T3)'이 정의될 수 있다. 즉, 제 1 FBG 스트레인 센서(F1)를 중심으로 설명하면, 제 1 FBG 스트레인 센서(F1) 상의 샘플링 노드(sp)를 중심으로 우측으로 가상적인 삼각형(T1)이 정의될 수 있다. 상기의 가상적인 삼각형(T1)은 제 1 FBG 스트레인 센서(F1)의 일부를 빗변으로 하여 형성될 수 있다. 설명의 편의상, 제 1 FBG 스트레인 센서(F1)에서 정의되는 가상적인 삼각형(T1)을 '제 1 응력 삼각형(T1)'으로 지칭하기로 하며, 마찬가지의 방법으로, 제 2, 3 FBG 스트레인 센서(F2, F3)에서도 제 2, 3 응력 삼각형(T2, T3)이 정의될 수 있다.Figure 3 shows a state in which the outer circumferential surface of the cable wound the FBG strain sensor is deployed in a plan view. Referring to FIG. 3, the first to third FBG strain sensors F1, F2, and F3 may be arranged to form a predetermined slope on an unfolded plane. In this case, 'stress triangles T1, T2, and T3' may be defined at each sampling node s p . That is, when the focus is on the first FBG strain sensor F1, a virtual triangle T1 may be defined to the right of the sampling node s p on the first FBG strain sensor F1. The virtual triangle T1 may be formed by using a portion of the first FBG strain sensor F1 as an hypotenuse. For convenience of description, the virtual triangle T1 defined in the first FBG strain sensor F1 will be referred to as a 'first stress triangle T1'. In a similar manner, the second and third FBG strain sensors ( Second and third stress triangles T2 and T3 may also be defined in F2 and F3.

도 4는 케이블(P)에 변형이 발생된 경우, 각 응력 삼각형(T1, T2, T3)의 변화를 도시한 것으로, 도 4를 참고하면, 각 응력 삼각형(T1, T2, T3)의 빗변 길이는 상단 꼭지점의 수평 또는 수직 방향 이동에 따라 변화됨을 알 수 있다.FIG. 4 illustrates the change of the stress triangles T1, T2, and T3 when deformation occurs in the cable P. Referring to FIG. 4, the hypotenuse lengths of the stress triangles T1, T2, and T3 are illustrated in FIG. 4. It can be seen that is changed according to the horizontal or vertical movement of the upper vertex.

만약, 케이블(P)에 순수 꼬임(twisting) 변형만이 발생되는 경우를 가정하면, 각 응력 삼각형(T1, T2, T3)의 상단 꼭지점은 수평방향으로만 이동되게 된다. 다시 말하면, 각 응력 삼각형(T1, T2, T3)은 밑변의 길이만이 변화되게 된다. 또한, 도 3을 참고하면, 순수 꼬임 변형만이 발생되는 경우, 각 응력 삼각형(T1, T2, T3)은 수평방향으로 동일하게 변형되게 된다. 따라서 케이블(P)의 꼬임 변형은 각 응력 삼각형(T1, T2, T3)의 수평방향 변화를 통해 반영될 수 있으며, 이는 결국, 각 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 수평방향 인장률(η)을 통해 나타나게 된다.If it is assumed that only pure twisting deformation occurs in the cable P, the upper vertices of each of the stress triangles T1, T2, and T3 are moved only in the horizontal direction. In other words, each of the stress triangles T1, T2, and T3 has only the base length changed. In addition, referring to FIG. 3, when only pure twist deformation occurs, each of the stress triangles T1, T2, and T3 is equally deformed in the horizontal direction. Therefore, the twisting deformation of the cable P can be reflected through the horizontal change of each stress triangle T1, T2, T3, which in turn means that the horizontal tensile rate of each FBG strain sensor F1, F2, F3 ( η).

한편, 케이블(P)에 순수 굽힘(bending) 변형만이 발생되는 경우를 가정하면, 각 응력 삼각형(T1, T2, T3)의 상단 꼭지점은 수직방향으로만 이동되게 된다. 다시 말하면, 각 응력 삼각형(T1, T2, T3)은 높이의 길이만이 변화되게 된다. 다만, 상기의 순수 꼬임 변형만이 발생되는 경우와 달리, 굽힘 변형의 경우 방향에 따라 각 응력 삼각형(T1, T2, T3)의 수직방향 변화가 각각 상이하게 나타날 수 있다. 결국, 케이블(P)의 굽힘 변형은 각 응력 삼각형(T1, T2, T3)의 수직방향 변화를 통해 반영될 수 있으며, 이는 결국, 각 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 수직방향 인장률(er, eg, eb)을 통해 나타나게 된다. 다만, 수직방향 인장률(er, eg, eb)은 굽힘 변형의 방향에 따라 각 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)에서 상이하게 나타날 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 수직방향 인장률(er, eg, eb)을 각각 제 1 내지 3 수직방향 인장률(er, eg, eb)로 지칭하기로 한다.On the other hand, assuming that only pure bending deformation occurs in the cable P, the top vertices of each of the stress triangles T1, T2, and T3 are moved only in the vertical direction. In other words, each of the stress triangles T1, T2, and T3 is changed only in the length of the height. However, unlike the case where only the pure twist deformation is generated, the vertical deformation of the stress triangles T1, T2, and T3 may be different depending on the direction of the bending deformation. As a result, the bending deformation of the cable P can be reflected through the vertical change of each stress triangle T1, T2, and T3, which in turn means that the vertical tensile rate of each FBG strain sensor F1, F2, F3 is is represented by (e r , e g , e b ). However, the vertical tensile modulus (e r , e g , e b ) may be different from each FBG strain sensor F1, F2, F3 depending on the direction of bending deformation. For convenience of description, the vertical tensile modulus e r , e g , e b of the first to third FBG strain sensors F1, F2, F3 are respectively set to the first to third vertical tensile modulus e r , e. g , e b ).

각 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 길이방향 인장률(εr, εg, εb) 또는 응력(strain)은 각 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)에서 수신되는 파장 스펙트럼(wavelength spectrum)을 통해 얻어질 수 있다. 이는 당업계에서 공지된 것인 바 상세한 설명을 생략한다.The longitudinal tension (ε r , ε g , ε b ) or stress of each FBG strain sensor (F1, F2, F3) is the wavelength spectrum received at each FBG strain sensor (F1, F2, F3). can be obtained through a spectrum. This is well known in the art and will not be described in detail.

도 4에 도시된 바로부터 피타고라스 정리에 의해, 각 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 수직방향 인장률(er, eg, eb)은 하기의 식 1과 같이 표현될 수 있다.By the Pythagorean theorem as shown in FIG. 4, the vertical tensile modulus e r , e g , e b of each FBG strain sensor F1, F2, F3 may be expressed as Equation 1 below.

Figure 112013007314351-pat00001
__________(식 1)
Figure 112013007314351-pat00001
__________ (Equation 1)

상기의 식 1에서, εr, εg, εb는 각각 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 길이방향 인장률을 나타낸다. 설명의 편의를 위해, εr은 제 1 길이방향 인장률(εr), εg는 제 2 길이방향 인장률(εg), εb는 제 3 길이방향 인장률(εb)로 지칭하기로 한다. 제 1 내지 3 길이방향 인장률(εr, εg, εb)은 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 계측값에 의해 주어질 수 있다. 또한, l, d, h는 변형이 없는 상태에서 각 응력 삼각형(T1, T2, T3)의 빗변, 밑변, 높이 길이를 나타낸다.In Equation 1, ε r , ε g , and ε b represent the longitudinal tensile rates of the first to third FBG strain sensors F1, F2, and F3, respectively. For convenience of explanation, ε r is referred to as the first longitudinal tensile modulus (ε r ), ε g is the second longitudinal tensile modulus (ε g ), and ε b is referred to as the third longitudinal tensile modulus (ε b ). Shall be. The first to third longitudinal tensile rates ε r , ε g , ε b can be given by measured values of the first to third FBG strain sensors F1, F2, F3. In addition, l, d, and h represent the hypotenuse, the base side, and the height length of each stress triangle T1, T2, and T3 in the absence of deformation.

한편, er, eg, eb는 각각 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 수직방향 인장률을 나타낸다. 즉, er은 제 1 수직방향 인장률(er), eg는 제 2 수직방향 인장률(eg), eb는 제 3 수직방향 인장률(eb)을 나타낸다. 또한, η은 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 수평방향 인장률을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 수평방향 인장률(η)은 동일하게 나타날 수 있다.On the other hand, e r , e g , e b represent the vertical tensile ratios of the first to third FBG strain sensors F1, F2, and F3, respectively. That is, e r represents a first vertical tensile modulus e r , e g a second vertical tensile modulus e g , and e b a third vertical tensile modulus e b . In addition, (eta) represents the horizontal tension rate of the 1st-3rd FBG strain sensor F1, F2, F3. As described above, the horizontal tensile modulus η of the first to third FBG strain sensors F1, F2, and F3 may be the same.

도 5는 각 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 수직방향 인장률(er, eg, eb)을 횡단면에 대한 수직 벡터로 나타낸 것으로, 도 5를 참고하면, 각 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 수직방향 인장률(er, eg, eb)은 하기 식 2와 같이 R, G, B 포지션 벡터로 나타낼 수 있다.FIG. 5 shows the vertical tensile modulus e r , e g , e b of each FBG strain sensor F1, F2, F3 as a vertical vector with respect to the cross section. Referring to FIG. 5, each FBG strain sensor ( The vertical tensile modulus (e r , e g , e b ) of F1, F2, F3) may be represented by R, G, and B position vectors as shown in Equation 2 below.

Figure 112013007314351-pat00002
__________(식 2)
Figure 112013007314351-pat00002
__________ (Equation 2)

상기의 식 2에서, R, G, B는 각각 제 1 내지 3 수직방향 인장률(er, eg, eb)의 포지션 벡터를 나타내며, rc는 케이블(P)에 감겨진 각 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 중심반경을 나타낸다.In Equation 2, R, G, and B represent position vectors of the first to third vertical tensile moduli (e r , e g , e b ), respectively, and r c represents each FBG strain wound on the cable P. The center radius of the sensors F1, F2, F3 is shown.

이때, 어떠한 변형의 경우에도 횡단면은 유지된다고 가정하면, 상기의 R, G, B 벡터와 중심점(O)은 하나의 평면상에 존재하게 되며, 이는 하기의 식 3과 같이 표현될 수 있다.In this case, assuming that the cross section is maintained in any deformation case, the R, G, and B vectors and the center point O exist on one plane, which can be expressed by Equation 3 below.

Figure 112013007314351-pat00003
__________(식 3)
Figure 112013007314351-pat00003
__________ (Equation 3)

도 2에 도시된 횡단면에서, 제 1 FBG 스트레인 센서(F1)의 위치를 x축 방향으로 설정하면, 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 제 1 내지 3 중심각(θrgb)은 각각 0, 2π/3, 4π/3이므로, 상기의 중심각(θrgb) 및 중심점(O)을 식 3에 대입하면, 하기의 식 4를 얻을 수 있다.In the cross section shown in FIG. 2, when the position of the first FBG strain sensor F1 is set in the x-axis direction, the first to third center angles θ r , of the first to third FBG strain sensors F1, F2, and F3 are set. Since θ g andθ b are 0, 2π / 3, and 4π / 3, respectively, the center angles (θ r , θ g , θ b ) and center point O are substituted into Equation 3 to obtain Equation 4 below. Can be.

Figure 112013007314351-pat00004
__________(식 4)
Figure 112013007314351-pat00004
__________ (Equation 4)

전술하였던 식 1과, 상기의 식 4를 통해, 제 1 내지 3 길이방향 인장률(εrgb)은 제 1 내지 3 수직방향 인장률(er, eg, eb)과, 수평방향 인장률(η)로 분해될 수 있다.Through Equation 1 and Equation 4 described above, the first to third longitudinal tensile moduli (ε r , ε g , ε b ) are the first to third vertical tensile moduli (e r , e g , e b ). And, in the horizontal tensile modulus (η).

한편, 뉴튼-랩슨 인터랩션(Newton-Raphson interaction)을 위한 수평방향 인장률(η)의 초기값은 하기의 식 5와 같이 나타낼 수 있다.On the other hand, the initial value of the horizontal tensile modulus (η) for Newton-Raphson interaction can be expressed as shown in Equation 5 below.

Figure 112013007314351-pat00005
__________(식 5)
Figure 112013007314351-pat00005
__________ (Equation 5)

상기의 식 5에서, εm은 제 1 내지 3 길이방향 인장률(εrgb) 중 가장 작은 값으로 선택될 수 있다.In Equation 5, ε m may be selected as the smallest value among the first to third longitudinal tensile moduli (ε r , ε g , ε b ).

3. 케이블 및 중심선의 변형률을 산출하는 단계3. Calculate strain of cable and centerline

케이블(P)의 중심선(C)이 길이방향으로 신축되지 않음을 가정하면, 중심선(C)의 각 포인트에서의 변형률은 굽힘률(curvature, κ), 꼬임률(twisting, t) 및 굽힘 방향(φ)에 의해 결정될 수 있다.Assuming that the centerline C of the cable P is not stretched in the longitudinal direction, the strain at each point of the centerline C is the curvature, k, the twisting, t and the bending direction ( φ).

상기의 굽힘률(κ)은 중심선(C)의 접선(tangent) 방향 회전률을 의미할 수 있으며, 상기의 꼬임률(t)은 중심선(C)을 중심으로 한 회전률을 의미할 수 있다. 또한, 상기의 굽힘 방향(φ)은 중심선(C)이 굽힘되는 횡단면의 각도를 의미할 수 있다.The bending rate κ may mean a tangential rotation rate of the center line C, and the twist rate t may mean a rotation rate about the center line C. FIG. In addition, the bending direction φ may mean an angle of the cross section in which the center line C is bent.

전술한 바와 같이 수평방향 인장률(η)이 산출되면, 샘플링 노드에서의 꼬임률(t)은 하기의 식 6에 의해 도출될 수 있다.As described above, when the horizontal tensile rate η is calculated, the twist rate t at the sampling node may be derived by Equation 6 below.

Figure 112013007314351-pat00006
__________(식 6)
Figure 112013007314351-pat00006
__________ (Equation 6)

상기의 식 6에서, t0는 제 1 내지 3 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 초기 꼬임률을 나타낸다.In Equation 6, t 0 represents the initial twist rates of the first to third FBG strain sensors F1, F2, and F3.

또한, 케이블(P)의 굽힘방향(φ)은 횡단면상 RGB 평면에 투영(projection)된 법선 벡터(normal vector, N)의 방향을 통해 도출될 수 있다(도 5 참고). RGB 평면에서 법선 벡터(N)의 방향은 하기 식 7과 같이 주어질 수 있다.In addition, the bending direction φ of the cable P may be derived through the direction of a normal vector N projected onto the RGB plane on the cross section (see FIG. 5). The direction of the normal vector N in the RGB plane may be given by Equation 7 below.

Figure 112013007314351-pat00007
__________(식 7)
Figure 112013007314351-pat00007
__________ (Equation 7)

또한, 상기의 식 7을 정리하면, 하기의 식 8이 도출될 수 있다.In addition, summarizing Equation 7 above may yield Equation 8 below.

Figure 112013007314351-pat00008
__________(식 8)
Figure 112013007314351-pat00008
__________ (Equation 8)

따라서 굽힘방향(φ)은 하기 식 9와 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the bending direction φ can be expressed as in Equation 9 below.

Figure 112013007314351-pat00009
__________(식 9)
Figure 112013007314351-pat00009
__________ (Equation 9)

한편, 케이블(P)의 굽힘률(κ)은 오일러-베르누이 빔 이론(Euler-Bernoulli beam theory)에 의해 하기의 식 10과 같이 도출될 수 있다.Meanwhile, the bending rate κ of the cable P may be derived as shown in Equation 10 by Euler-Bernoulli beam theory.

Figure 112013007314351-pat00010
__________(식 10)
Figure 112013007314351-pat00010
__________ (Equation 10)

상기의 식 10에서, ei는 제 1 내지 3 수직방향 인장률(er, eg, eb) 중 어느 하나로 선택될 수 있으며, θi는 제 1 내지 3 중심각(θrgb) 중 어느 하나로 선택될 수 있다.In Equation 10, e i may be selected from any of the first to third vertical tensile modulus (e r , e g , e b ), and θ i is the first to third center angle (θ r , θ g , θ b ) can be selected.

케이블(P) 중심선(C)의 굽힘률(κ)은, 중심선(C)의 접선 벡터(tangential vector)의 회전률이며, 이는 앞서 도출된 케이블(P)의 굽힘률(κ)과 동일하다.The bending rate κ of the cable P centerline C is the rotation rate of the tangential vector of the centerline C, which is the same as the bending rate κ of the cable P derived above.

또한, 케이블(P) 중심선(C)의 비틀림률(torsion, τ)은 종법선 벡터(binormal vector)의 회전률에 의해 정의될 수 있다. 즉, 하기의 식 11과 같이, 꼬임률(t)과 굽힘 각도(φ)의 회전률 합을 통해 추정될 수 있다.In addition, the torsion rate τ of the center line C of the cable P may be defined by the rotation rate of the binormal vector. That is, as shown in Equation 11 below, it may be estimated through the sum of the rotation rates of the twist rate t and the bending angle φ.

Figure 112013007314351-pat00011
__________(식 11)
Figure 112013007314351-pat00011
__________ (Equation 11)

4. 중심선 및 케이블의 프로파일(4. Profile of centerline and cable ( profileprofile )을 산출하는 단계) Step

초기 위치 및 케이블(P)의 프레네-세레 프레임(Frenet-Serret frame)은 하기 식 12와 같이 주어질 수 있다.An initial position and a Frenet-Serret frame of the cable P may be given by Equation 12 below.

Figure 112013007314351-pat00012
__________(식 12)
Figure 112013007314351-pat00012
__________ (Equation 12)

또한, 프레네-세레 공식을 통해, 단위 접선 벡터(T), 단위 법선 벡터(N), 단위 종법선 벡터(T)는 하기 식 13과 같이 도출될 수 있다.In addition, through the Frene-Serre formula, the unit tangent vector (T), the unit normal vector (N), the unit vertical normal vector (T) can be derived as shown in Equation 13.

Figure 112013007314351-pat00013
__________(식 13)
Figure 112013007314351-pat00013
__________ (Equation 13)

케이블(P) 중심선(C)의 프로파일은 하기 식 14와 같이 각 지점(노드)의 접선 벡터(T)를 길이로 적분함으로써 얻어질 수 있다.The profile of the centerline C of the cable P can be obtained by integrating the tangent vector T of each point (node) by the length as shown in Equation 14 below.

Figure 112013007314351-pat00014
__________(식 14)
Figure 112013007314351-pat00014
__________ (Equation 14)

또한, 나선형으로 감겨진 각 FBG 스트레인 센서(F1, F2, F3)의 실제 프로파일은 케이블(P) 중심선(C)의 법선 벡터(N)를 접선 벡터(T)에 대하여 굽힘방향 각만큼 역회전시켜 얻어질 수 있다.In addition, the actual profile of each spirally wound FBG strain sensor (F1, F2, F3) causes the normal vector (N) of the cable (P) centerline (C) to be reversed by the bending direction angle with respect to the tangential vector (T). Can be obtained.

한편, 상기에서는 케이블(P)의 중심선(C)이 길이방향으로 신축되지 않음을 가정하였으나, 필요에 따라, 케이블(P) 중심선(C)의 길이방향 신축이 고려될 수 있다. 이와 같은 경우, 케이블(P)의 중심선(C)을 따라 제 4 FBG 스트레인 센서(미도시)가 추가로 설치될 수 있으며, 상기 제 4 FBG 스트레인 센서를 통해 케이블(P) 중심선(C)의 길이방향으로 중심 인장률(εc)이 얻어지게 된다(도 2 참고).On the other hand, in the above it is assumed that the center line (C) of the cable (P) is not stretched in the longitudinal direction, if necessary, the longitudinal stretch of the center line (C) of the cable (P) can be considered. In this case, a fourth FBG strain sensor (not shown) may be further installed along the center line C of the cable P, and the length of the cable P center line C may be installed through the fourth FBG strain sensor. Direction, the central tensile modulus ε c is obtained (see FIG. 2).

상기와 같은 경우, 전술한 식 4, 식 6, 식 9, 식 10은 각각 하기의 식 15와 같이 변형될 수 있다.In this case, the above-described equations 4, 6, 9, and 10 may be modified as in Equation 15 below.

Figure 112013007314351-pat00015
__________(식 15)
Figure 112013007314351-pat00015
__________ (Equation 15)

상기의 식 15에서, εc는 제 4 FBG 스트레인 센서를 통해 얻어진 케이블(P) 중심선(C)의 길이방향으로의 중심 인장률을 나타낸다.In Equation 15, ε c represents the central tensile rate in the longitudinal direction of the cable P center line C obtained through the fourth FBG strain sensor.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 위치추정방법은 케이블에 나선형으로 감겨진 복수개의 FBG 스트레인 센서를 통해, 케이블의 프로파일 또는 3차원 위치를 신속하게 추정할 수 있다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치추정방법을 샘플링 노드의 개수(N= 32, 64, 128, 256)에 따라 시험한 시험 결과로서, 도 6을 참고하면, 샘플링 노드의 개수가 증가됨에 따라 높은 정확도로 케이블의 프로파일이 추정됨을 알 수 있다.As described above, the position estimation method according to the present embodiment can quickly estimate the profile or three-dimensional position of the cable through a plurality of FBG strain sensors wound spirally around the cable. 6 is a test result of a position estimation method according to an embodiment of the present invention according to the number of sampling nodes (N = 32, 64, 128, 256). Referring to FIG. 6, the number of sampling nodes is increased. It can be seen that the profile of the cable is estimated with high accuracy.

특히, 본 실시예에 따른 위치추정방법은, 각 FBG 스트레인 센서에서 측정되는 인장률(또는, 응력)을 통해 케이블의 프로파일이나 3차원 위치를 실시간으로 추정할 수 있다는 점에서 기술적 이점이 있다. 또한, 광신호의 특성상 길이가 긴 케이블이나 심해저와 같은 극한 환경하에서도 적용이 가능하며, 예컨대, 심해저에 설치되는 해저 케이블이나 관로 등에서도 손쉽게 위치나 자세 등을 측정할 수 있게 된다.In particular, the position estimation method according to the present embodiment has a technical advantage in that the profile or three-dimensional position of the cable can be estimated in real time through the tensile rate (or stress) measured by each FBG strain sensor. In addition, due to the characteristics of the optical signal it can be applied under extreme environments such as long cable lengths and deep seabeds, for example, it is possible to easily measure the position and posture, even in submarine cables or pipelines installed in the deep seabed.

이상, 본 발명 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.As mentioned above, although embodiments of the present invention have been described, those skilled in the art may add, change, delete, or add components without departing from the spirit of the present invention described in the claims. The present invention may be modified and changed in various ways, which will also be included within the scope of the present invention.

P: 케이블 C: 중심선
F1: 제 1 FBG 스트레인 센서 F2: 제 2 FBG 스트레인 센서
F3: 제 3 FBG 스트레인 센서 T1: 제 1 응력 삼각형
T2: 제 2 응력 삼각형 T3: 제 3 응력 삼각형
P: Cable C: Centerline
F1: First FBG Strain Sensor F2: Second FBG Strain Sensor
F3: 3rd FBG strain sensor T1: 1st stress triangle
T2: second stress triangle T3: third stress triangle

Claims (11)

(a) 피탐지체에 적어도 하나의 FGB 스트레인 센서를 설치하되, 상기 FGB 스트레인 센서는 상기 피탐지체의 외주면에 나선형으로 감기도록 설치되는 단계;
(b) 상기 FGB 스트레인 센서에서 측정된 인장률을 수평방향 인장률 및 수직방향 인장률로 분해하는 단계;
(c) 상기 수평방향 인장률 및 상기 수직방향 인장률을 통해 상기 피탐지체의 변형률을 산출하는 단계;
(d) 상기 변형률을 통해 상기 피탐지체의 프로파일을 추정하는 단계;를 포함하는, FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법.
(a) installing at least one FGB strain sensor on the object to be detected, wherein the FGB strain sensor is installed to spirally wound on an outer circumferential surface of the object to be detected;
(b) decomposing the tensile rate measured by the FGB strain sensor into a horizontal tensile rate and a vertical tensile rate;
(c) calculating a strain of the detected object based on the horizontal tension rate and the vertical tension rate;
(d) estimating the profile of the object based on the strain; comprising a three-dimensional position estimation method of the object using the FGB strain sensor.
청구항 1에 있어서,
상기 피탐지체는,
원형의 횡단면을 가지고, 길이방향으로 연장 형성된 것인, FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법.
The method according to claim 1,
The detected object,
It has a circular cross section, and is formed extending in the longitudinal direction, the three-dimensional position estimation method of the detected object using the FGB strain sensor.
청구항 1에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 적어도 하나의 FGB 스트레인 센서는, 복수개를 포함하며,
상기 복수개의 FGB 스트레인 센서는, 각각 동일한 피치 또는 꼬임률로 상기 피탐지체에 나선형으로 감겨지는, FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법.
The method according to claim 1,
In the step (a)
The at least one FGB strain sensor includes a plurality,
And the plurality of FGB strain sensors are spirally wound around the detected object at the same pitch or twist rate, respectively.
청구항 3에 있어서,
상기 복수개의 FGB 스트레인 센서는,
횡단면상 일정 각도 간격으로 대칭적 배치되는, FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법.
The method of claim 3,
The plurality of FGB strain sensors,
A three-dimensional position estimation method of an object to be detected using an FGB strain sensor, which is symmetrically arranged at regular intervals on a cross section.
청구항 1에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 적어도 하나의 FGB 스트레인 센서는, 제 1 내지 3 FGB 스트레인 센서를 포함하는 3가닥으로 형성된, FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법.
The method according to claim 1,
In the step (a)
The at least one FGB strain sensor is formed of three strands including the first to third FGB strain sensor, 3D position estimation method of the detected object using the FGB strain sensor.
청구항 1에 있어서,
상기 (b) 단계는,
상기 FGB 스트레인 센서의 일부를 빗변으로 하는 가상적인 응력 삼각형을 설정하고, 상기 피탐지체의 변형에 따른 상기 응력 삼각형의 변형 특성에 따라, 상기 FGB 스트레인 센서에서 측정된 인장률을 상기 수평방향 인장률 및 상기 수직방향 인장률로 분해하는, FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법.
The method according to claim 1,
The step (b)
Set a hypothetical stress triangle with a hypotenuse of a portion of the FGB strain sensor, and according to the deformation characteristic of the stress triangle according to the deformation of the object, the tensile rate measured by the FGB strain sensor is the horizontal tensile rate And a three-dimensional position estimation method of the detected object using the FGB strain sensor, which is decomposed at the vertical tensile rate.
청구항 1에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 FGB 스트레인 센서에서 측정된 인장률은, 하기 식에 의해 상기 수평방향 인장률 및 상기 수직방향 인장률로 분해되는, FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법.
Figure 112013007314351-pat00016

Figure 112013007314351-pat00017

상기 식에서, εr, εg, εb는 각 FBG 스트레인 센서에서 측정된 인장률, er, eg, eb는 각 FBG 스트레인 센서의 수직방향 인장률, η은 각 FBG 스트레인 센서의 수평방향 인장률, l, d, h는 변형이 없는 상태에서 각 응력 삼각형의 빗변, 밑변, 높이 길이를 나타냄.
The method according to claim 1,
In the step (b)
The tensile modulus measured by the FGB strain sensor is decomposed into the horizontal tensile modulus and the vertical tensile modulus by the following equation.
Figure 112013007314351-pat00016

Figure 112013007314351-pat00017

Where ε r , ε g , ε b are the tensile modulus measured at each FBG strain sensor, e r , e g , e b are the vertical tensile modulus of each FBG strain sensor, η is the horizontal direction of each FBG strain sensor Tensile, l, d and h represent the hypotenuse, base and height of each stress triangle without deformation.
청구항 1에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 피탐지체의 변형률은, 상기 피탐지체의 굽힘률, 꼬임률 및 굽힘방향과, 상기 피탐지체의 중심선의 굽힘률 및 비틀림률을 포함하는, FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법.
The method according to claim 1,
In the step (c)
The strain of the target object may include a bending rate, a twist rate and a bending direction of the target object, and a bending rate and torsion rate of the centerline of the target object. Location estimation method.
청구항 8에 있어서,
상기 피탐지체의 굽힘률, 꼬임률 및 굽힘방향은, 각각 하기 식에 의해 산출되는, FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법.
Figure 112013007314351-pat00018

Figure 112013007314351-pat00019

Figure 112013007314351-pat00020

상기 식에서, t는 피탐지체의 꼬임률, t0는 FGB 스트레인 센서의 초기 꼬임률, η는 수평방향 인장률을 나타냄, 또한, φ는 피탐지체의 굽힘 방향, er, eg, eb는 각 FGB 스트레인 센서의 수직방향 인장률을 나타냄, 또한, κ는 피탐지체의 굽힘률, ei er, eg, eb 중 선택된 어느 하나의 값, rc는 FGB 스트레인 센서의 중심 반경, θi는 각 FGB 스트레인 센서의 중심각 중 선택된 어느 하나의 값을 나타냄.
The method according to claim 8,
The three-dimensional position estimation method of a to-be-detected object using a FGB strain sensor, Comprising: The bending rate, the twist rate, and the bending direction of the to-be-detected body are respectively computed by the following formula.
Figure 112013007314351-pat00018

Figure 112013007314351-pat00019

Figure 112013007314351-pat00020

Where t is the twist rate of the object, t 0 is the initial twist rate of the FGB strain sensor, η is the horizontal tensile rate, and φ is the bending direction of the object, e r , e g , e b indicates the vertical tensile rate of each FGB strain sensor, κ is the bending rate of the object, e i is e r , e g , e b selected any one of the values, r c is the center radius of the FGB strain sensor, θ i represents any one selected from the center angle of each FGB strain sensor.
청구항 8에 있어서,
상기 중심선의 굽힘률 및 비틀림률은, 각각 하기 식에 의해 도출되는, FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법.
Figure 112013007314351-pat00021

Figure 112013007314351-pat00022

상기 식에서, τ는 중심선의 비틀림률, t는 피탐지체의 꼬임률, φ'는 굽힘 각도의 회전율을 나타냄, 또한, κ는 중심선의 굽힘률, ei er, eg, eb 중 선택된 어느 하나의 값, rc는 FGB 스트레인 센서의 중심 반경, θi는 각 FGB 스트레인 센서의 중심각 중 선택된 어느 하나의 값을 나타냄.
The method according to claim 8,
The bending rate and torsion rate of the said centerline are respectively derived by the following formula, The three-dimensional position estimation method of a to-be-detected body using an FGB strain sensor.
Figure 112013007314351-pat00021

Figure 112013007314351-pat00022

Where τ is the twist rate of the center line, t is the twist rate of the detected object, φ 'is the rotation rate of the bending angle, κ is the bending rate of the center line, e i is e r , e g , e b selected any one of the values, r c is the center radius of the FGB strain sensor, θ i represents any one selected from the center angle of each FGB strain sensor.
청구항 1에 있어서,
상기 (d) 단계는,
프레네-세레 공식을 통해 단위 접선 벡터, 단위 법선 벡터 및 단위 종법선 벡터를 산출하고, 산출된 단위 접선 벡터를 하기 식과 같이 길이 방향으로 적분하여 상기 피탐지체 중심선의 프로파일(profile)을 추정하는 단계를 포함하는, FGB 스트레인 센서를 이용한 피탐지체의 3차원 위치추정방법.
Figure 112013007314351-pat00023

상기 식에서, T는 단위 접선 벡터를 나타냄.
The method according to claim 1,
The step (d)
A unit tangent vector, a unit normal vector, and a unit vertical vector are calculated through a Fresne-Serre formula, and the calculated unit tangent vector is integrated in the longitudinal direction as shown in the following formula to estimate the profile of the object centerline. 3. A method of estimating a three-dimensional position of an object to be detected using an FGB strain sensor, comprising a step.
Figure 112013007314351-pat00023

Wherein T represents the unit tangent vector.
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