KR101517760B1

KR101517760B1 - 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101517760B1
Application number: KR1020140134999A
Authority: KR
Inventors: 김평; 박정인; 신예은
Original assignee: 김평
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2015-05-07

Abstract

본 발명은 지하 매설물에 부착된 자기 마커(Magnetic Marker)로부터 발생하는 자기장(Magnetic Field)의 세기를 검출하여 지하 매설물의 위치와 심도를 산출하는 장치에 대해, 자기장이 없음에도 각각의 센서를 통해 탐지봉의 수평 회전각과 수직 경사각에 따라 다수로 반복하여 감지되는 센서값들을 이용하여 캘리브레이션 관계식을 도출하고, 공장 출하 시에 위치한 탐지봉의 회전각과 경사각을 캘리브레이션 관계식에 대입하여 산출한 각각의 센서값들을 각각에 센서에 적용하여 영점 조정(Calibration)을 실행할 수 있도록 하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 공장 출하 시에 또는 사용 시에 자동으로 캘리브레이션을 수행하게 됨으로써, 사용자가 지하 매설물의 위치를 파악하기 위해 측정 장치를 이용하게 될 때, 사용자가 직접 캘리브레이션을 수행할 필요가 없다. 따라서, 지하 매설물에 대해 자기마커를 이용하여 관로의 시공 단계에서부터 측량에 의한 정확한 위치 탐사가 가능하다.

Description

자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치 및 방법{Calibration method and device for measuring a position and depth of magnetic marker}

본 발명은 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 지하 매설물에 부착된 자기 마커(Magnetic Marker)로부터 발생하는 자기장(Magnetic Field)의 세기를 검출하여 지하 매설물의 위치와 심도를 산출하는 장치에 대해, 자기장이 없음에도 각각의 센서를 통해 탐지봉의 수평 회전각과 수직 경사각에 따라 다수로 반복하여 감지되는 센서값들을 이용하여 캘리브레이션 관계식을 도출하고, 공장 출하 시에 위치한 탐지봉의 회전각과 경사각을 캘리브레이션 관계식에 대입하여 산출한 각각의 센서값들을 각각에 센서에 적용하여 영점 조정(Calibration)을 실행할 수 있도록 하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기선로나 통신선로 및 상하수도 등의 기반시설은 미관, 설비보호 또는 용지부족 등의 이유로 인해 지하에 매립하고 있다. 이러한 지하 매설물은 사회 기반시설이 주를 이루게 되므로 이들의 파손을 감지하는 것은 매우 중요하다.

그러나, 이러한 지하 매설물의 위치나 깊이에 대한 정보가 잘 갖추어지지 않고, 그 위치나 상태를 파악하기 어렵기 때문에 지하 매설물의 유지관리가 어렵다.

또한, 새로운 지하 매설물을 설치하거나 건축물을 시공할 때, 기존 지하 매설물의 위치를 정확히 파악하기 위하여 시간 및 비용이 증가되고, 정확히 파악하지 못할 때는 공사 중에 기존 지하 매설물을 파괴하거나 이로 인해 작업자의 안전에 위험이 있다.

종래에는 지하 매설물의 위치를 파악하기 위해 지면 위에서 매질로써의 지반에 전자파나, 초음파, 초고주파 등을 전파시킨 후 매질 및 매설물을 통해 전파되어 온 파장 변화를 탐지하는 방법들이 사용되었다.

그러나 이러한 종래의 기술은 측량된 파장의 주파수의 분석에 의해 지하 매설물의 위치를 파악하는 것이므로, 분석을 위해 퓨리에 변환, 오차 보정, 기능진단 테스트 등 복잡하고 난해한 알고리즘을 만들어 적용해야 하고, 이러한 처리를 위해 고가의 장비가 필요하게 되는 문제점이 있었다.

그리고, 자기마커를 이용한 탐지방법은 사용자가 직접 캘리브레이션을 해야 한다는 단점이 있어 탐지하는 장소에 따라 변수가 있어 심도를 추출하는데 오차가 발생하여 정확한 심도를 알아내는데 어려움이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0090284호(공개일 : 2012년08월17일)

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 지하 매설물에 부착된 자기 마커(Magnetic Marker)로부터 발생하는 자기장(Magnetic Field)의 세기를 검출하여 지하 매설물의 위치와 심도를 산출하는 장치에 대해, 자기장이 없음에도 각각의 센서를 통해 탐지봉의 수평 회전각과 수직 경사각에 따라 다수로 반복하여 감지되는 센서값들을 이용하여 캘리브레이션 관계식을 도출하고, 공장 출하 시에 위치한 탐지봉의 회전각과 경사각을 캘리브레이션 관계식에 대입하여 산출한 각각의 센서값들을 각각에 센서에 적용하여 영점 조정(Calibration)을 실행할 수 있도록 하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치 및 방법을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 탐지봉에 각각의 센서를 구비하고, 지하 매설물의 자기마커(Magnetic Marker)로부터 출력되는 자기장을 상기 각각의 센서를 통해 감지하는 센서 모듈부; 상기 탐지봉의 기울어진 수직 경사각(θ)을 감지하는 수직계 모듈부; 상기 탐지봉이 회전한 수평 회전각(φ)을 감지하는 수평계 모듈부; 상기 센서 모듈부를 통해 감지된 각각의 센서값의 차이값들을 산출하고, 상기 수평 회전각(φ)과 수직 경사각(θ)이 다수 회로 반복하여 다르게 될 때마다 상기 센서 모듈부를 통해 감지된 각각의 센서값들과 그 차이값들을 그 때의 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)에 대응시켜 저장하며, 상기 각각의 센서값과 수직 경사각(θ) 및 수평 회전각(φ)에 대한 캘리브레이션 관계식을 도출한 후, 상기 자기마커를 탐지하기 위해 위치한 탐지봉의 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 감지하여, 감지된 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 상기 캘리브레이션 관계식에 대입하여 각각의 센서값들과 그 차이값들을 산출하며, 산출된 각각의 센서값들을 상기 각각의 센서에 적용하여 캘리브레이션을 실행하는 제어 모듈부를 포함하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치가 제공된다.

또한, 상기 자기력의 강도 정보에 주변 잡음(Noise)이 많을 경우에 이를 보정하고, 상기 자기력의 강도 정보가 특정값 이하로 낮을 경우에 증폭시키는 감도 조절부; 및 상기 자기력의 강도 정보와 심도 정보를 주파수와 음향 형태로 출력하거나, 상기 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ) 정보를 UI(User Interface) 상으로 디스플레이하는 출력 모듈부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 각각의 센서를 통해 감지되는 자기장의 강도 정보를 자속 밀도값(Bz)으로 저장하고, 상기 자속 밀도값(Bz)에 대응된 심도 정보를 저장하며, 상기 각각의 센서값들과 그 차이값들 및 그에 대응되게 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 저장하고 있는 캘리브레이션 DB를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 차이값들은 상기 각각의 센서가 제1 센서와 제2 센서 및 제3 센서인 경우에, 상기 제1 센서와 제2 센서의 차이값(R1-R2), 상기 제2 센서와 상기 제3 센서의 차이값(R2-R3), 상기 제1 센서와 상기 제3 센서의 차이값(R1-R3)을 포함할 수 있다.

그리고, 상기 각각의 센서가 제1 센서와 제2 센서 및 제3 센서인 경우에, 상기 캘리브레이션 관계식을 다음 수학식에 따라 도출할 수 있다.

여기서, R1은 제1 센서값이고, R2는 제2 센서값이며, R3는 제3 센서값이며, f1은 제1 센서의 수직 경사각(θ)에 대한 함수를 나타내고, g1은 제1 센서의 수평 회전각(φ)에 대한 함수를 나타내며, c1, c2, c3은 상수값을 나타내며, f2는 제2 센서의 수직 경사각(θ)에 대한 함수를 나타내고, g2는 제2 센서의 수평 회전각(φ)에 대한 함수를 나타내며, f3은 제3 센서의 수직 경사각(θ)에 대한 함수를 나타내고, g3은 제3 센서의 수평 회전각(φ)에 대한 함수를 나타낸다.

한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 지하 매설물에 설치된 자기마커(Magnetic Marker)로부터 출력되는 자기장을 탐지봉에 구비된 각각의 센서를 통해 탐지하는 장치의 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 방법으로서, (a) 상기 각각의 센서를 통해 각각의 센서값들을 감지하는 단계; (b) 상기 각각의 센서값들의 차이값들을 산출하는 단계; (c) 상기 탐지봉의 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 감지하는 단계; (d) 상기 수평 회전각(φ)과 수직 경사각(θ)을 다르게 하면서 상기 (a) 단계로부터 상기 (c) 단계까지 다수 회로 반복하여 그 때마다 감지된 상기 각각의 센서값들과 상기 차이값들을 그 때의 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)에 대응시켜 저장하는 단계; (e) 상기 각각의 센서값 또는 상기 각각의 차이값과 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)에 대한 캘리브레이션 관계식을 도출하는 단계; (f) 상기 자기마커를 탐지하기 위해 위치한 탐지봉의 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 감지하는 단계; (g) 상기 감지된 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 상기 캘리브레이션 관계식에 대입하여 각각의 센서값들과 그 차이값들을 산출하는 단계; 및 (h) 상기 산출된 각각의 센서값들을 상기 각각의 센서에 적용하여 캘리브레이션을 실행하는 단계를 포함하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 (b) 단계에서, 상기 차이값들은 상기 각각의 센서가 제1 센서와 제2 센서 및 제3 센서인 경우에, 상기 제1 센서와 제2 센서의 차이값(R1-R2), 상기 제2 센서와 상기 제3 센서의 차이값(R2-R3), 상기 제1 센서와 상기 제3 센서의 차이값(R1-R3)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 (c) 단계에서, 상기 수평 회전각은 수평계 모듈부를 통해 상기 탐지봉이 기준 방위에 대해 일정 각도로 회전한 수평 회전각을 감지할 수 있다.

또한, 상기 (c) 단계에서, 상기 수직 경사각은 수직계 모듈부를 통해 자이로 센서의 X축, Y축의 기울기를 근거로 상기 탐지봉이 지면에 대해 수직에서 기울어진 수직 경사각을 감지할 수 있다.

그리고, 상기 (e) 단계는, 상기 각각의 센서가 제1 센서와 제2 센서 및 제3 센서인 경우에, 상기 캘리브레이션 관계식을 다음 수학식에 따라 도출할 수 있다.

본 발명에 의하면, 공장 출하 시에 또는 사용 시에 자동으로 영점 조정(Calibraion)이 이루어지게 됨으로써 사용자가 직접 캘리브레이션을 수행할 필요가 없다. 따라서, 지하 매설물에 대해 자기마커를 이용하여 관로의 시공 단계에서부터 측량에 의한 정확한 위치 탐사가 가능하다.

또한, 관종 및 관재질(금속관, 비금속관)에 관계없이 모든 관종에 적용이 가능하게 됨에 따라 어떠한 매설 환경에서도 정확한 위치 탐사가 가능하다.

또한, 매설된 자기마커가 지하 매설물 측량의 기준점 역할을 수행함으로써 측량 시 간편하게 작업을 수행할 수 있다.

또한, 자기마커는 영구적인 특성을 가지므로 뛰어난 경제성을 가지며, 주위 환경(통신, 전력 등)에 영향이 없는 탐사가 가능하며, 탐사 환경에 따라 별도의 장비나 소프트웨어가 필요하지 않아 추가로 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

또한, 누구나 탐사가 가능하도록 쉽고 간편한 UI(User Interface)를 통하여 인건비와 경비를 절감할 수 있다.

그리고, 정확하게 자기마커를 찾기 위해 수평계와 수직계 기능을 포함하며, 사용자가 소리 출력을 통해 자기마커를 쉽게 찾을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기마커 위치와 심도 측정 장치를 포함하는 지하 매설물 위치 측정 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탐지장치의 탐지봉에 하나 이상의 탐지센서가 구비된 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기마커 위치/심도 측정장치의 내부 기능 블럭을 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자기마커 위치와 심도 측정 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 자기력의 강도 정보와 심도 정보 등을 출력하는 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 각 센서간 차이값에 따른 심도를 저장하고 있는 심도 DB의 한 예를 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 특정한 실시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치 및 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 첨부도면을 참조하여 설명함에 있어 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 캘리브레이션 장치를 포함하는 지하 매설물 위치 측정 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 지하 매설물 위치 측정 시스템(100)은, 지하에 매설되는 하나 이상의 자기마커(Magnetic Marker)(110)와 이를 탐지하는 캘리브레이션 장치(120) 및 측정 통지 장치(130)를 포함한다.

자기마커(110)는 지하 매설물(118)의 일측에 설치되어, 지하 매설물의 위치 탐지를 위한 자기장을 출력한다. 자기마커(110)의 종류는 크기와 자기력의 강도에 따라 일반형과 중간형, 대형 및 특수형으로 분류된다.

자기마커(110)는 수명이 영구적인 것으로 일정 자력의 영구자석(페라이트)을 방수, 방습, 니켈도금, 우레탄 표막 코팅 처리 등을 하여 생산되고, 상하 수도관, 도시가스 공급관, 전기 및 통신선로 등의 지하 매설물을 설치하는 공사 시 이 지하 매설물에 부착된다. 통상, 자성체는 N극이 상부를 향하도록 설치된다.

캘리브레이션 장치(120)는 본 발명의 실시예에서, 탐지봉(110)에 하나 이상의 탐지센서(112a, 112b, 112c)를 구비하고, 각각의 센서를 통해 자기마커(110)로부터 출력되는 자기장을 탐지하는 탐지 기능과, 탐지 전에 각각의 탐지센서에 대한 초기값을 0으로 자동 설정하는 캘리브레이션 기능을 함께 구비한다. 따라서, 본 발명의 실시예에서 캘리브레이션 장치(120)를 탐지 장치(120)로 칭하여 설명한다.

또한, 캘리브레이션 장치(120)는 지하 매설물(118)에 설치된 자기마커(110)로부터 출력되는 자기장을 각각의 센서를 통해 탐지하여 자기력의 강도를 수치로 출력하고, 탐지된 자기장에 주변 잡음이 많을 경우에 보정하며, 자기장의 수치가 약할 경우에 증폭시키며, 탐지된 자기장의 자기력에 따라 심도를 추정하며, 탐지된 자기장의 자기력에 따라 자기마커의 유무를 출력해 주게 된다.

캘리브레이션 장치(120)는 자기마커(110)의 자기장을 탐지하여 자기력을 출력하는 하나 이상의 탐지센서(112a, 112b, 112c)를 구비하고, 하나 이상의 탐지센서(112a, 112b, 112c)를 통해 탐지된 자기력의 강도에 따라 자기마커의 위치를 표출하고, 자기마커의 종류와 개수에 따른 자기력 데이터에 대응되게 설정된 심도에 근거해 하나 이상의 탐지센서(112a, 112b, 112c)를 통해 탐지된 자기력에 따라 심도를 추정하게 된다.

여기서, 캘리브레이션 장치(120)는 탐지봉(111) 속에 위치하여 지면을 향하는 선단부(111a)로부터 순차적으로 구비된 3 개의 탐지센서인 플럭스게이트 센서(112a, 112b, 112c)를 통해 자기장을 측정한다. 여기서, 각 플럭스게이트 센서(112)는 벡터 센서들이고, 각 센서 축에 해당하는 평균적인 자장 성분을 측정한다.

탐지 장치(120)는 하나 이상의 탐지센서(112a, 112b, 112c)를 일정 길이의 탐지봉(111)에 구비하되, 도 2에 도시된 바와 같이 지표면에 가까운 탐지봉(111)의 끝단에 제1 탐지센서(Sensor 1)가 위치하고, 제1 탐지센서(Sensor 1)로부터 제2 탐지센서(Sensor 2) 내지 제n 탐지센서(Sensor n)가 25 Cm 간격으로 구비되어 있다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탐지봉에 하나 이상의 탐지센서가 구비된 예를 나타낸 도면이다. 도 2에서는 제1 탐지센서(Sensor1)로부터 제3 탐지센서(Sensor3)까지만 표시하였으나, 제4 탐지센서(Sensor4) 및 그 이상의 탐지센서를 구비할 수 있다.

그러나, 제1 탐지센서(112a)로부터 25 Cm 간격으로 제2 탐지센서(Sensor2) 내지 제n 탐지센서(Sensor n)를 구비할 때, 제4 탐지센서(Sensor 4)부터는 센서 사이의 거리를 25 Cm 이하로 조율하여 구비할 수 있다.

전술한 바와 같이, 탐지 장치(120)는 3 개의 플럭스게이트 센서(112a, 112b, 112c)로 구현하였으나, 이에 한정하지 않고 3 개 이상의 센서로 구현할 수 있으며, 탐지봉(111)에 축이 일직선이 되도록 설치할 수 있다.

예를 들면, 지면에 탐지봉(111)의 선단부(111a)를 접촉시키고 수직으로 세울 때, 제1 탐지센서(112a)를 지면에 위치시키고, 제2 탐지센서(112b)는 제1 탐지센서(112a)로부터 25 Cm에 위치시키며, 제3 탐지센서(112c)는 제1 탐지센서(112a)로부터 50 Cm에 위치시켜 설치할 수 있다. 즉, 각 탐지센서는 제1 탐지센서(112a)로부터 25 Cm 간격으로 탐지봉(111)에 각각 설치할 수 있다. 또한, 제3 탐지센서(Sensor 3)에 제4 탐지센서(Sensor 4)를 추가할 경우에 제3 탐지센서(112c)로부터 25 Cm 이내로 조율하여 탐지봉(111)에 설치할 수 있다.

각 플럭스게이트 센서(112a, 112b, 112c)는 자기마커(110)에서 발생되는 자기장을 각자의 위치에서 측정하고, 측정된 자기장 데이터를 각 센서로부터의 신호를 신속히 병렬 처리하기 위해 설치되어 대응하는 각각의 센서 회로로 입력한다. 각각의 센서회로는 예를 들면, 증폭기(Amplifier)와 발진기(Oscillator), 복조기(Demodulator), 필터(Low Pass Filter), 비교기(Comparator) 및 컨버터(Analog To Digital Converter) 등을 포함하는 구성으로, 각 센서에 연결 설치되어 해당 센서로부터의 아날로그 자기장 값을 디지털 신호로 처리할 수 있다.

각각의 센서회로로부터 출력된 디지털 데이터는 숫자나 그래프로 출력하기 위하여, 마이크로 프로세서를 통해 처리하여 제어 모듈부(350)로 전달된다. 따라서, 제어 모듈부(350)는 자기장의 세기에 해당하는 디지털 신호를 입력받아 자기마커(110)에서 발생하는 자기장의 세기를 계산한다.

또한, 각 플럭스게이트 센서(112a, 112b, 112c)의 측정 범위는 ㅁ100 μT (ㅁ1G) 이며 약 100 nT (1 mG )의 분해능을 갖는다. 따라서 플럭스게이트 센서(112)는 일정 크기의 자장 변화도 민감하게 탐지할 수 있다.

그러나, 탐지 장치(120)에서는 서로 위치를 달리하는 3 개의 플럭스게이트 센서(112)를 이용하여 각각 측정된 자장의 차이를 탐지하므로, 센서의 선형성은 그리 중요하지 않다. 플럭스게이트 센서(112)의 출력은 사용하기 쉬운 5V 구형파이며 이의 주파수는 플럭스게이트 센서(112)가 위치하는 곳의 자계 크기에 따라 변화하게 된다.

측정 통지 장치(130)는 예컨대, 사용자가 휴대하는 스마트폰으로 구현할 수 있으며, 탐지 장치(120)로부터 자기마커 위치와 심도 정보를 수신하여 사용자가 확인할 수 있도록 화면 또는 음향으로 출력한다. 또한, 측정 통지 장치(130)는 탐지 장치(120)로부터 각각의 센서 값들을 수신하고, 각각의 센서 값들에 따른 자기력의 강도 정보에 근거해 자기마커의 위치와 심도를 산출하여 화면 또는 음향으로 출력할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치의 내부 기능 블럭을 나타낸 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 캘리브레이션 장치(120)는, 센서 모듈부(310), 감도 조절부(320), 심도 추정부(330), 출력 모듈부(340), 캘리브레이션 DB(342), 맵 처리부(344), 제어 모듈부(350), 수평계 모듈부(360), 수직계 모듈부(370), 통신 모듈부(380) 및 전원 모듈부(390)를 포함한다.

센서 모듈부(310)는 탐지봉(110)에 각각의 탐지센서(112a, 112b, 112c)를 구비하고, 지하 매설물의 자기마커로부터 출력되는 자기장을 각각의 탐지센서를 통해 감지하고, 각각의 센서값을 분석하여 자기력의 강도 정보에 비례하게 특정 수치로 표현한다.

즉, 센서 모듈부(310)는 지하 매설물(118)을 향하는 탐지봉(111)의 일축 선상에 순차적으로 이격 구비된 다수 개의 탐지센서(112a, 112b, 112c)를 통해 자기장을 탐지하고, 탐지된 각각의 센서 값들을 제어 모듈부(350)에 전달하거나, 화면 상에 또는 음향으로 출력하게 된다.

또한, 센서 모듈부(310)는 자기력의 강도에 대해 제1 탐지센서로부터 제n 탐지센서까지의 자기력 강도 차이를 -99에서 +99까지 가우스 수치로 표현하기 위한 상수(x)로 나누어서 -99에서 +99까지의 가우스 수치 중 하나로 출력한다.

감도 조절부(320)는 자기력의 강도 정보에 주변 잡음(Noise)이 많을 경우에 이를 보정하고, 자기력의 강도 정보가 특정값 이하로 낮을 경우에 증폭시키게 된다.

심도 추정부(330)는 각각의 센서를 통해 감지된 각각의 센서값에 대해, 각각의 센서 간의 비교군을 다르게 하여 추출된 센서 간의 차이값을 자기력 테이블과 비교하여 심도를 추정한다.

즉, 심도 추정부(330)는 각각의 센서 간의 비교군을 다르게 하여 추출된 센서 간의 차이값을 자기력 테이블에서 읽어 온 데이터와 비교하여 얻은 오차값을 표준편차로 계산하고, 표준편차 값을 깊이에 따른 백분율로 환산하여 심도 값을 추정한다.

출력 모듈부(340)는 자기력의 강도 정보와 심도 정보를 주파수와 음향 형태로 출력한다. 즉, 출력 모듈부(340)는 탐지된 자기장의 세기 강도에 따른 음향 주파수 값과, 음량에 따른 볼륨 수치 값을 가청음으로 출력한다.

또한, 출력 모듈부(340)는 자기력의 강도 정보와 심도 정보, 수평계와 수직계 정보를 UI(User Interface) 상으로 디스플레이한다.

캘리브레이션 DB(342)는 각각의 센서를 통해 탐지되는 자속 밀도값(Bz)에 대응된 심도 정보를 저장하고 있는 자기력 테이블을 포함하고, 자기마커(110)의 종류와 개수에 따른 자기력 데이터에 대응되게 설정된 심도를 저장하고 있다.

또한, 캘리브레이션 DB(342)는 각각의 센서값들과 그 차이값들, 그에 대응되게 수직 경사각과 수평 회전각을 저장하고 있다.

맵 처리부(344)는 자기마커의 위치를 지도 상에 표시하도록 처리한다.

제어 모듈부(350)는 자기력의 강도 정보가 특정 수치로 표현되도록 제어하거나, 심도 추정부(330)를 통해 추정된 심도를 표시하도록 제어한다.

또한, 제어 모듈부(350)는 센서 모듈부(310)에서 수신된 자기장의 세기 강도를 수치로 표시하거나 음향으로 출력되도록 제어하고, 수신된 자기장에 주변 잡음이 많을 경우에 보정하며, 자기장의 수치가 약할 경우에 증폭되도록 제어하게 된다.

또한, 제어 모듈부(350)는, 탐지된 자기장의 강도에 따라 -99부터 +99 까지의 수치로 출력 모듈부(340)를 통해 화면 상에 강도를 표시하고, 탐지된 자기장의 강도에 따라 심도를 추정하며, 탐지된 자기장을 분석하여 자기마커의 유무를 음향과 화면으로 출력할 수 있다.

제어 모듈부(350)는 센서 모듈부를 통해 감지된 각각의 센서값의 차이값들을 산출하고, 수평 회전각(φ)과 수직 경사각(θ)이 다수 회로 반복하여 다르게 될 때마다 센서 모듈부를 통해 감지된 각각의 센서값들과 그 차이값들을 그 때의 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)에 대응시켜 저장하며, 각각의 센서값과 수직 경사각(θ) 및 수평 회전각(φ)에 대한 캘리브레이션 관계식을 도출한 후, 자기마커를 탐지하기 위해 위치한 탐지봉의 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 감지하여, 감지된 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 캘리브레이션 관계식에 대입하여 각각의 센서값들과 그 차이값들을 산출하며, 산출된 각각의 센서값들을 각각의 센서에 적용하여 캘리브레이션을 실행하게 된다.

그리고, 제어 모듈부(350)는, 탐지된 자기장의 강도가 일정 기준 이상으로 높을 경우에는 자기마커가 있다고 판단할 수 있는 음향 주파수를 일정 기준 이상으로 높게 출력하게 된다.

수평계 모듈부(360)는 탐지봉(111)이 기준 방위에 대해 일정 각도로 회전한 수평 회전각을 감지한다. 즉, 수평계 모듈부(360)는 탐지봉(110)이 처음에 위치한 방향이 그 위쪽이 정북 방향일 때, 그 정북 방향을 기준 방위로 왼쪽으로 30도 또는 오른쪽으로 30도 회전하면, 그 수평 회전각을 감지하는 것이다.

수직계 모듈부(370)는 자이로 센서의 X축, Y축의 기울기에 대한 출력값에 따라 탐지봉(111)이 지면에 대해 수직으로 유지되고 있는지를 나타낸다. 즉, 수평계 모듈부(360)는 탐지봉(111)이 지면에 대해 수직으로 유지되고 있는지를 측정하는 자이로 센서의 X축, Y축 좌표에 대한 틸트(Tilt) 값을 수직 경사각으로 제어 모듈부(350)로 전달한다.

수평계 모듈부(360)나 수직계 모듈부는 감지된 수평 회전각이나 수직 경사각을 제어 모듈부(350)로 전달하고, 제어 모듈부(350)는 수평 회전각이나 수직 경사각에 해당하는 디지털 신호를 입력받아 장치의 수평도나 경사도를 계산하고, 이렇게 계산된 값을 출력 모듈부(340)를 통해 음향 신호로 출력하거나, 화면 상에 출력하게 된다. 따라서, 사용자는 수평도나 경사도를 인식할 수 있는 형식, 예컨대, 숫자나 그래프 등의 형식을 통해 장치의 회전 상태나 수직 상태를 파악할 수 있게 되는 것이다.

통신 모듈부(380)는 탐지된 자기마커 위치와 심도 정보를 통신망을 통해 측정 통지 장치(130)에 전송하는 기능을 담당한다.

전원 모듈부(390)는 장치의 동작에 필요한 전원을 공급하고, 전원의 온(ON) 또는 오프(OFF) 상태를 체크하거나 배터리의 잔량을 체크한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 캘리브레이션 장치, 즉 탐지 장치(120)는, 각각의 센서를 통해 각각의 센서값들을 감지한다(S410).

이때, 센서 모듈부(310)는 각각의 센서값들에서 자기장에 대한 자기력의 강도에 대해 자속밀도(Bz)로 출력한다.

여기서, 센서 모듈부(310)는 하나 이상의 탐지센서(112a ~ 112c)를 통해 자기마커(110)로부터 출력되는 자기장을 검출하고, 각 탐지센서(112a ~ 112c)를 통해 검출된 자기장에 대한 자기력의 강도를 제어 모듈부(350)로 전달한다.

이어, 제어 모듈부(350)는 각각의 센서값들의 차이값들을 산출한다(S420).

여기서, 각각의 센서가 제1 센서와 제2 센서 및 제3 센서인 경우에, 차이값들은 제1 센서와 제2 센서의 차이값(R1-R2), 제2 센서와 제3 센서의 차이값(R2-R3), 제1 센서와 제3 센서의 차이값(R1-R3)을 포함한다.

이어, 수평계 모듈부(360)와 수직계 모듈부(370)는 탐지봉의 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 감지한다(S430).

이때, 수평계 모듈부(360)는 탐지봉이 기준 방위에 대해 일정 각도로 회전한 수평 회전각을 감지하고, 수직계 모듈부(370)는 자이로 센서의 X축, Y축의 기울기를 근거로 탐지봉이 지면에 대해 수직에서 기울어진 수직 경사각을 감지하는 것이다.

이어, 제어 모듈부(350)는 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 다르게 하면서 다수 회로 반복하여 그 때마다 감지된 각각의 센서값들을 그 때의 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)에 대응시켜 저장한다(S440).

이때, 제어 모듈부(350)는 각 탐지센서(112a ~ 112c)를 통해 검출된 자기장에 대한 자기력의 강도를 탐지센서 간의 차이 값을 통해 -99 ~ +99의 값으로 출력한다.

이어, 제어 모듈부(350)는 각각의 센서값과 수직 경사각(θ) 및 수평 회전각(φ)에 대한 캘리브레이션 관계식을 도출한다(S450).

이때, 제어 모듈부(350)는 각각의 센서가 제1 센서와 제2 센서 및 제3 센서인 경우에, 캘리브레이션 관계식을 다음 수학식1에 따라 도출할 수 있다.

이어, 자기마커를 탐지하기 위해 위치한 탐지봉의 수직 경사각과 수평 회전각을 감지한다(S460).

즉, 사용자가 탐지 장치(120)를 작동하여 탐지봉을 특정 장소에 위치시키는 경우, 수평계 모듈부(360)는 탐지봉이 기준 방위에 대해 일정 각도로 회전한 수평 회전각을 감지하고, 수직계 모듈부(370)는 자이로 센서의 X축, Y축의 기울기를 근거로 탐지봉이 지면에 대해 수직에서 기울어진 수직 경사각을 감지하는 것이다.

이어, 제어 모듈부(350)는 감지된 수평 회전각과 수직 경사각을 캘리브레이션 관계식에 대입하여 각각의 센서값들과 그 차이값들을 산출한다(S470).

그리고, 제어 모듈부(350)는 각각의 센서값들을 각각의 센서에 적용하여 캘리브레이션을 실행한다(S480).

즉, 탐지봉이 위치한 특정 장소에 자기 마커가 존재하지 않아 자기장이 전혀 없는 곳인데도 불구하고, 각각의 센서들을 통해 센서값이 감지된 경우에는 영점 조정이 되지 않은 상태이므로, 각각의 센서들에서 각각의 센서값들을 빼 주는 방식으로 캘리브레이션을 실행할 수 있다.

이후에, 탐지 장치(120)는 자동으로 캘리브레이션이 실행된 상태에서, 각각의 센서들을 통해 자기장을 감지하여 자기마커의 위치와 심도 정보를 산출하고, 도 5에 도시된 바와 같이 자기력의 강도 정보와 심도 정보를 출력 모듈부(340)를 통해 화면 상에 또는 음향으로 출력한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 자기력의 강도 정보와 심도 정보 등을 출력하는 예를 나타낸 도면이다.

따라서, 사용자는 출력 모듈부(340)를 통해 화면 상에 표시된 가우스 수치로 표시된 자기력의 강도를 확인하면서 자기력의 강도가 가장 높게 나타난 곳에 자기마커(110)가 매설되어 있는 것으로 판단할 수 있다.

한편, 탐지 장치(120)는 입력 모듈부(미도시)를 통해 사용자로부터 자기마커의 종류와 개수를 입력받는다.

즉, 탐지 장치(120)는 입력 모듈부를 통해 사용자로부터 터치 화면 또는 버튼을 통해 도 5에 도시된 바와 같이 자기마커의 종류(일반형, 중간형, 대형, 특수형 등)와 개수를 입력받는 것이다.

이때, 캘리브레이션 DB(342)에는 도 6에 도시된 바와 같이 자기마커의 종류인 일반형, 중간형, 대형, 특수형과 그 개수에 따라 자기력 데이터와 심도에 관한 정보가 각각 대응 저장되어 있다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 각 센서간 차이값에 따른 심도를 저장하고 있는 캘리브레이션 DB의 한 예를 나타낸 도면이다. 여기서, 자기력 데이터의 단위는 가우스(G)이다. 또한, 캘리브레이션 DB(342)는 자기마커의 종류와 개수에 따른 자기력 값을 센서간의 차이 값을 나타내는 데이터로 저장하고 있다.

이어, 탐지 장치(120)는, 자기마커의 종류와 개수에 따른 자기력 데이터에 대응되게 심도가 설정되어 있는 캘리브레이션 DB에 근거해 하나 이상의 탐지센서를 통해 탐지된 자기력에 따라 심도를 산출한다.

즉, 탐지장치(120)는 측정된 자기력 데이터와, 입력 모듈부를 통해 입력받은 자기마커의 종류와 개수를 확인하고, 이어 도 6에 도시된 센서간의 차이값(B1z-B2z, B2z-B3z, B1z-B3z 등)을 캘리브레이션 DB의 자기력 테이블에 근거한 센서 1,2,3의 차이 값과 비교하여 심도를 추정하는 것이다.

따라서, 탐지 장치(120)는 산출된 심도를 도 6에 도시된 바와 같이 출력 모듈부(340)을 통해 화면 상에 출력하거나 음향으로 출력한다.

또한, 탐지 장치(120)는 자기장의 세기 강도가 일정 기준 이상으로 높은 경우에 자기마커가 있음을 안내하는 메시지의 음향 주파수를 일정 기준 이상으로 높여 출력하게 된다.

또한, 탐지 장치(120)는 자기장의 세기 강도가 일정 기준 이하로 미세할 경우에 증폭 기능을 통해 증폭시키고, 자기장에 존재하는 잡음을 보정한다.

그리고, 탐지 장치(120)는 탐지봉이 지면에 수직으로 유지되고 있는지를 측정하는 자이로 센서의 X축과 Y축에 대한 기울기 값도 출력하게 된다.

전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 지하 매설물에 부착된 자기 마커로부터 발생하는 자기장의 세기를 검출하여 지하 매설물의 위치와 심도를 산출하는 장치에 대해, 자기장이 없음에도 각각의 센서를 통해 탐지봉의 수평 회전각과 수직 경사각에 따라 다수로 반복하여 감지되는 센서값들을 이용하여 캘리브레이션 관계식을 도출하고, 공장 출하 시에 위치한 탐지봉의 회전각과 경사각을 캘리브레이션 관계식에 대입하여 산출한 각각의 센서값들을 각각에 센서에 적용하여 영점 조정(Calibration)을 실행할 수 있도록 하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치 및 방법을 실현할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 지하 매설물에 부착된 자기 마커로부터 발생하는 자기장의 세기를 검출하여 지하 매설물의 위치와 심도를 추정하여 관로의 위치를 파악하는 자기 마커 위치와 심도 측정 장치 및 방법에 적용할 수 있다.

100 : 지하 매설물 위치 측정 시스템 110 : 자기마커
120 : 캘리브레이션 장치 111 : 탐지봉
112a, 112b, 112c : 탐지센서 118 : 지하 매설물
310 : 센서 모듈부 320 : 감도 조절부
330 : 심도 측정부 340 : 출력 모듈부
330 : 음향 모듈부 340 : 전원 모듈부
350 : 제어 모듈부 360 : 수평계 모듈부
370 : 수직계 모듈부 380 : 통신 모듈부
390 : 전원 모듈부

Claims

탐지봉에 각각의 센서를 구비하고, 지하 매설물의 자기마커(Magnetic Marker)로부터 출력되는 자기장을 상기 각각의 센서를 통해 감지하여, 각각의 센서값을 자기력의 강도 정보에 비례하게 특정 수치로 표현하는 센서 모듈부;
상기 자기력의 강도 정보에 주변 잡음(Noise)이 많을 경우에 이를 보정하고, 상기 자기력의 강도 정보가 특정값 이하로 낮을 경우에 증폭시키게 하는 감도 조절부;
상기 탐지봉의 기울어진 수직 경사각(θ)을 감지하는 수직계 모듈부;
상기 탐지봉이 회전한 수평 회전각(φ)을 감지하는 수평계 모듈부;
상기 센서 모듈부를 통해 감지된 각각의 센서값의 차이값들을 산출하고, 상기 수평 회전각(φ)과 수직 경사각(θ)이 다수 회로 반복하여 다르게 될 때마다 상기 센서 모듈부를 통해 감지된 각각의 센서값들과 그 차이값들을 그 때의 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)에 대응시켜 저장하며, 상기 각각의 센서값과 수직 경사각(θ) 및 수평 회전각(φ)에 대한 캘리브레이션 관계식을 도출한 후, 상기 자기마커를 탐지하기 위해 위치한 탐지봉의 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 감지하여, 감지된 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 상기 캘리브레이션 관계식에 대입하여 각각의 센서값들과 그 차이값들을 산출하며, 산출된 각각의 센서값들을 상기 각각의 센서에 적용하여 캘리브레이션을 실행하는 제어 모듈부;
를 포함하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 자기력의 강도 정보와 심도 정보를 주파수와 음향 형태로 출력하거나, 상기 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ) 정보를 UI(User Interface) 상으로 디스플레이하는 출력 모듈부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 각각의 센서를 통해 감지되는 자기장의 강도 정보를 자속 밀도값(Bz)으로 저장하고, 상기 자속 밀도값(Bz)에 대응된 심도 정보를 저장하며, 상기 각각의 센서값들과 그 차이값들 및 그에 대응되게 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 저장하고 있는 캘리브레이션 DB;
를 더 포함하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 차이값들은 상기 각각의 센서가 제1 센서와 제2 센서 및 제3 센서인 경우에, 상기 제1 센서와 제2 센서의 차이값(R1-R2), 상기 제2 센서와 상기 제3 센서의 차이값(R2-R3), 상기 제1 센서와 상기 제3 센서의 차이값(R1-R3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 각각의 센서가 제1 센서와 제2 센서 및 제3 센서인 경우에, 상기 캘리브레이션 관계식을 다음 수학식에 따라 도출하는 것을 특징으로 하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 장치.

여기서, R1은 제1 센서값이고, R2는 제2 센서값이며, R3는 제3 센서값이며, f1은 제1 센서의 수직 경사각(θ)에 대한 함수를 나타내고, g1은 제1 센서의 수평 회전각(φ)에 대한 함수를 나타내며, c1, c2, c3은 상수값을 나타내며, f2는 제2 센서의 수직 경사각(θ)에 대한 함수를 나타내고, g2는 제2 센서의 수평 회전각(φ)에 대한 함수를 나타내며, f3은 제3 센서의 수직 경사각(θ)에 대한 함수를 나타내고, g3은 제3 센서의 수평 회전각(φ)에 대한 함수를 나타낸다.
지하 매설물에 설치된 자기마커(Magnetic Marker)로부터 출력되는 자기장을 탐지봉에 구비된 각각의 센서를 통해 탐지하는 장치의 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 방법으로서,
(a) 상기 각각의 센서를 통해 각각의 센서값들을 감지하는 단계;
(b) 상기 감지된 각각의 센서값들을 자기력의 강도 정보에 비례하게 특정 수치로 표현하고, 상기 각각의 센서값의 차이값들을 산출하는 단계;
(c) 상기 탐지봉의 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 감지하는 단계;
(d) 상기 자기력의 강도 정보에 주변 잡음이 많을 경우에 보정하고, 상기 자기력의 강도 정보가 특정값 이하로 낮을 경우에 증폭시키는 단계;
(e) 상기 각각의 센서값 또는 상기 각각의 차이값과 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)에 대한 캘리브레이션 관계식을 도출하는 단계;
(f) 상기 자기마커를 탐지하기 위해 위치한 탐지봉의 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 감지하는 단계;
(g) 상기 감지된 수직 경사각(θ)과 수평 회전각(φ)을 상기 캘리브레이션 관계식에 대입하여 각각의 센서값들과 그 차이값들을 산출하는 단계; 및
(h) 상기 산출된 각각의 센서값들을 상기 각각의 센서에 적용하여 캘리브레이션을 실행하는 단계;
를 포함하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 (b) 단계에서, 상기 차이값들은 상기 각각의 센서가 제1 센서와 제2 센서 및 제3 센서인 경우에, 상기 제1 센서와 제2 센서의 차이값(R1-R2), 상기 제2 센서와 상기 제3 센서의 차이값(R2-R3), 상기 제1 센서와 상기 제3 센서의 차이값(R1-R3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 수평 회전각은 수평계 모듈부를 통해 상기 탐지봉이 기준 방위에 대해 일정 각도로 회전한 수평 회전각을 감지하는 것을 특징으로 하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 수직 경사각은 수직계 모듈부를 통해 자이로 센서의 X축, Y축의 기울기를 근거로 상기 탐지봉이 지면에 대해 수직에서 기울어진 수직 경사각을 감지하는 것을 특징으로 하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 (e) 단계는, 상기 각각의 센서가 제1 센서와 제2 센서 및 제3 센서인 경우에, 상기 캘리브레이션 관계식을 다음 수학식에 따라 도출하는 것을 특징으로 하는 자기마커 위치 탐지를 위한 캘리브레이션 방법.

여기서, R1은 제1 센서값이고, R2는 제2 센서값이며, R3는 제3 센서값이며, f1은 제1 센서의 수직 경사각(θ)에 대한 함수를 나타내고, g1은 제1 센서의 수평 회전각(φ)에 대한 함수를 나타내며, c1, c2, c3은 상수값을 나타내며, f2는 제2 센서의 수직 경사각(θ)에 대한 함수를 나타내고, g2는 제2 센서의 수평 회전각(φ)에 대한 함수를 나타내며, f3은 제3 센서의 수직 경사각(θ)에 대한 함수를 나타내고, g3은 제3 센서의 수평 회전각(φ)에 대한 함수를 나타낸다.