KR101695479B1 - 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템 및 운용방법 - Google Patents

지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템 및 운용방법 Download PDF

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김수로
백승한
박성빈
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한국광해관리공단
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Abstract

본 발명의 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템은, 소프트웨어를 탑재하여 지하공동 3차원 형상화 알고리즘을 수행하는 호스트 컴퓨터; AC 전원으로부터 인가된 교류 전압을 직류 전압으로 변환시키며, 외부 기기로부터 측정 데이터 또는 촬영 데이터를 수신하며, 상기 호스트 컴퓨터와 이더넷(ethernet) 통신방식으로 연결되고, 기기 간에 통신을 수행하는 지상 제어기; 케이블을 이용해 탐사 구조물이 지하 공동 영역으로 일정한 방향을 가지고 이동되도록 해주며, 케이블의 이동거리를 측정하고 표시하는 윈치; 막대 형상의 구조체에 수직 방향으로 센서 조립체들을 일체형으로 탑재하고, 상기 센서 조립체들을 지상의 수평면에 대한 수직 회전축을 중심으로 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 회전시키거나, 또는 상기 센서 조립체들을 전후 방향으로 일정 각도 꺾인 상태로, 수직, 경사 방향으로 고정 또는 이동하면서, 지하 공동의 일정 영역을 측정 또는 촬영하되, 만일 촬영된 영상이 수중 영역으로 판단된 경우 상기 센서 조립체들의 센서 일부만을 선택적으로 작동 시키는 일체형 센서모듈; 상기 지상 제어기로부터 전송된 명령어를 제어신호로 변환시키고, 상기 일체형 센서모듈이 감지한 측정 데이터 또는 촬영 데이터를 수신하고, 관리하는 메인 제어보드를 포함하는 기술을 제공함에 기술적 특징이 있다.

Description

지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템 및 운용방법{THREE-DIMENSIONAL SHAPING AND QUANTIFY OPERATING SYSTEM AND METHOD IN UNDERGROUND REGION}
본 발명은 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템 및 운용방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 막대 형상의 구조체에 수직 방향으로 센서 조립체들을 일체형으로 탑재하고, 상기 센서 조립체들을 지상의 수평면에 대한 수직 회전축을 중심으로 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 회전시키거나, 또는 상기 센서 조립체들을 전후 방향으로 일정 각도 꺾인 상태로, 수직, 경사 방향으로 고정 또는 이동하면서, 지하 공동의 일정 영역을 측정 또는 촬영하되, 만일 촬영된 영상이 수중 영역으로 판단된 경우 상기 센서 조립체들의 센서 일부만을 선택적으로 작동 시키는 일체형 센서모듈을 포함함으로, 지하공동의 3차원 형상을 보다 용이하게 측정할 수 있을 뿐 아니라 수치화 운용을 통해 동시에 3차원 형상을 판단할 수 있는, 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템 및 운용방법에 관한 것이다.
한국의 폐광은 과거 오랫동안 채광이 이루어짐으로 인하여 형성된 지하 공동이 미복구된 상태로 전국에 산재되어 있는 상태이다.
이에 따라 기존의 시설물 및 신규 시설물의 건설 시에 안정성 문제로 인하여 제약을 받는 경우가 발생하고 있으며, 최근 광산 침하에 대한 지반 안정화사업을 활발히 추진해 오고 있는 실정이다.
그러나 한국의 광산 채굴 환경은 지역, 지질, 광산 여건에 따라 큰 편차를 보이고 있으며, 광산 개발 특성에 부합되지 못할 경우 효율적이지 못한 지반 안정화 사업이 이루어지게 된다.
따라서 지반침하 방지대책을 수립, 적용함에 있어서 광산제반 조건에 최대한 부합되도록 관련 보강기술의 고 효율화를 추구함으로써, 광산지역 지반 안정화사업이 안정적으로 수행될 수 있도록 하는 기술이 요구되고 있다.
현재 국내외에서 광산 지반안정화를 위하여 적용되고 있는 지반 안정화공법은 크게 지하공동을 충전하여 안정화 하는 충전공법과 지하공동 상부의 지반을 보강하는 상부 보강법으로 분류된다.
국내에서 광산 지반안정화를 위하여 적용된 바 있는 충전공법으로는 시멘트 몰탈을 충진하는 공법 및 CGS 공법을 주로 적용하고 있으며, 상부 보강법 보강 공법으로는 시멘트 밀크 그라우팅이 주로 적용되고 있으며, 이외에 상부 보강법으로 고압충전 뿌리말뚝, T.A.M 그라우팅, Micro-Pile 등의 적용사례가 다수 있다.
광산지역 지반 안정화 공법은 넓은 의미에서 기본 및 정밀조사를 통하여 광산 주변 물건이 안전하여 제 기능을 발휘하도록 하는 대책이라 할 수 있다.
광산지역의 지반안정화 사업을 위한 기본조사 및 정밀조사는 지표 조사 및 탐사 그리고 시추조사를 통하여 광산에 불안정 요소를 도출하는 작업이며, 그 대상인 주변 지반 및 지질 특성 그리고 광산 개발을 복합적으로 고려해야 하므로 효율적인 대책을 산정하기는 어렵다.
광산 지반안정화 대책이 명확하게 결정되었다 할지라도 주변 현장 조건의 변화 그리고 시공 상태에 따라 공법의 적용 효과 및 지반안정화 효율성은 달라진다.
최근 광산 지반안정화 작업 또는 석유 탐사 등의 시추 작업을 위해, 지하공동 영역에 대한 탐사 작업이 활발히 진행되고 있다.
이의 일환으로, 종래에는 지하공동 영역에 레이저 센서를 설치하고, 목표물까지의 거리를 측정하여 지하공동 영역을 형상화시키려는 노력이 있었다.
하지만, 종래 기술은 지하공동 영역에 물이 포함될 경우, 수중영역에서 전자기파가 전달되지 못하는 특성상, 레이저 센서만을 이용하여 거리를 측정하는 데 한계가 있었다.
또한 종래 기술은, 절대적인 방위를 기준으로 지하공동의 형상을 결정하기 위해, 시추공을 따라 센서가 이동할 때, 센서의 자세를 정확히 알아내는 작업이 매우 중요함에도 불구하고, 자기장 센서만을 이용하여 방위각을 측정 시 지하공동 영역에 철 성분 등이 있을 경우 측정된 방위각에 오차가 생기는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0020945호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 막대 형상의 구조체에 수직 방향으로 센서 조립체들을 일체형으로 탑재하고, 상기 센서 조립체들을 지상의 수평면에 대한 수직 회전축을 중심으로 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 회전시키거나, 또는 상기 센서 조립체들을 전후 방향으로 일정 각도 꺾인 상태로, 수직, 경사 방향으로 고정 또는 이동하면서, 지하 공동의 일정 영역을 측정 또는 촬영하되, 만일 촬영된 영상이 수중 영역으로 판단된 경우 상기 센서 조립체들의 센서 일부만을 선택적으로 작동 시키는 일체형 센서모듈을 포함함으로, 지하공동의 3차원 형상을 보다 용이하게 측정할 수 있을 뿐 아니라 수치화 운용을 통해 동시에 3차원 형상을 판단할 수 있는, 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템 및 운용방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템은, 소프트웨어를 탑재하여 지하공동 3차원 형상화 알고리즘을 수행하는 호스트 컴퓨터; AC 전원으로부터 인가된 교류 전압을 직류 전압으로 변환시키며, 외부 기기로부터 측정 데이터 또는 촬영 데이터를 수신하며, 상기 호스트 컴퓨터와 이더넷(ethernet) 통신방식으로 연결되고, 기기 간에 통신을 수행하는 지상 제어기; 케이블을 이용해 탐사 구조물이 지하 공동 영역으로 일정한 방향을 가지고 이동되도록 해주며, 케이블의 이동거리를 측정하고 표시하는 윈치; 막대 형상의 구조체에 수직 방향으로 센서 조립체들을 일체형으로 탑재하고, 상기 센서 조립체들을 지상의 수평면에 대한 수직 회전축을 중심으로 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 회전시키거나, 또는 상기 센서 조립체들을 전후 방향으로 일정 각도 꺾인 상태로, 수직, 경사 방향으로 고정 또는 이동하면서, 지하 공동의 일정 영역을 측정 또는 촬영하되, 만일 촬영된 영상이 수중 영역으로 판단된 경우 상기 센서 조립체들의 센서 일부만을 선택적으로 작동 시키는 일체형 센서모듈; 상기 지상 제어기로부터 전송된 명령어를 제어신호로 변환시키고, 상기 일체형 센서모듈이 감지한 측정 데이터 또는 촬영 데이터를 수신하고, 관리하는 메인 제어보드를 포함하는 기술을 제공한다.
또한 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용 방법은, 수직, 경사 방향으로 고정 또는 이동하면서, 지하 공동의 일정 영역을 측정 또는 촬영하는 일체형 센서모듈을 통해 지하 공동의 거리를 측정하는 제1 과정; 상기 제1 과정에서 거리 측정 시 상기 일체형 센서모듈의 측정 자세를 계산하는 제2 과정; 상기 일체형 센서모듈의 기본 자세를 기준으로, 형상화 알고리즘을 적용하여 경사각 보정 및 회전각 보정을 수행하는 제3 과정; 수직탐사, 경사탐사 또는 천정탐사 시 각각의 투입 조건을 고려하여 투입각 보정을 수행하는 제4 과정; 및 상기 제2 과정 내지 상기 제4 과정을 통해, 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용을 위한 지하 공동의 3차원 측정 데이터를 생성하는 제5 과정을 포함하는 기술을 제공한다.
본 발명은 지하공동의 3차원 형상을 보다 용이하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라 수치화 운용을 통해 동시에 3차원 형상을 판단할 수 있는 기술적 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템의 주요 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 인터페이스 제어보드의 구성을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 일체형 센서모듈의 구조 및 기능을 설명하기 위한 도면을 나타낸 것이다.
도 4a는 본 발명에 따른 일 실시예로, 수직방향 고정탐사 방법을 설명하기 위한 도면을 나타낸 것이다.
도 4b는 본 발명에 따른 일 실시예로, 수직방향 이동탐사 방법을 설명하기 위한 도면을 나타낸 것이다.
도 4c는 본 발명에 따른 일 실시예로, 수직방향 융합탐사 방법을 설명하기 위한 도면을 나타낸 것이다.
도 5a는 본 발명에 따른 수직 탐사 시 투입각 및 측정방향의 관계를 나타낸 것이다.
도 5b는 본 발명에 따른 경사 탐사 시 투입각 및 측정방향의 관계를 나타낸 것이다.
도 5c는 본 발명에 따른 천정 탐사 시 투입각 및 측정방향의 관계를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 일체형 센서가 측정한 지하공동에서의 측정 값을 보정한 후 최종 측정결과 값을 출력하는 과정을 순서도로 나타낸 것이다.
도 7a는 본 발명에 따른 자기장 센서를 이용하여 레이저 센서 또는 소나 센서의 위치 변동 시 방위각을 측정하기 위한 좌표를 나타낸 것이다.
도 7b는 본 발명에 따른 기본자세로 있는 레이저 센서 또는 소나 센서에 의해 측정된 3차원 공간 좌표를 나타낸 것이다.
도 7c는 본 발명에 따른 레이저 센서 또는 소나 센서가 일정한 각도로 기울어진 경우, 경사각 보정을 수행하기 위한 위치관계를 좌표로 나타낸 것이다.
도 7d는 본 발명에 따른 레이저 센서 또는 소나 센서가 일정한 각도로 회전운동 한 경우, 회전각 보정을 수행하기 위한 위치관계를 좌표로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템의 화면에 측정 결과를 출력하는 방식을 일 실시예로 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템의 주요 구성을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템(100)은, 호스트 컴퓨터(110), AC 전원(120), 지상 제어기(130), 윈치(140), 센서부(150), 메인 제어부(160) 및 구동부(170)를 포함하여 구성된다.
호스트 컴퓨터(110)는 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템을 운영하는 소프트웨어(S/W)를 탑재하여 지하공동 3차원 형상화 알고리즘을 수행하고, 센서부(150)의 전반적인 동작을 제어한다.
AC 전원(120)은 발전기를 이용하여 220V의 교류전압을 발생시키고, 발생된 전압은 지상 제어기(130)의 전원부(131)로 인가된다.
지상 제어기(130)는 전원 제어부(132), 영상 수신부(133) 및 통신 제어부(134)를 포함한다.
전원 제어부(132)는 AC 전원(120)으로부터 전원부(131)에 인가된 교류(AC) 220V를 직류(DC) 192V 전압으로 변환시키며, 전원 공급, 전원 상태 등을 제어한다.
영상 수신부(133)는 센서부(150)로부터 전송된 감지 데이터(이를테면, 지하 공동 촬영 영상, 측정된 거리 정보 등)를 수신한다.
통신 제어부(134)는 내부에 설치된 이를테면, USB 허브, RS-232 컨버터, RS-485 컨버터 등을 제어함으로, 호스트 컴퓨터(110)와 USB(Universal Serial Bus) 통신 또는 이더넷(ethernet)을 구현할 수 있도록 해준다.
이 경우 USB 허브는 호스트 컴퓨터(110)와 USB(Universal Serial Bus) 통신방식으로 연결되며, 또한 주변 장치인 RS-232 컨버터와 RS-485 컨버터가 USB 통신방식으로 연결될 수 있도록 해준다.
RS-232 컨버터는 RS-232 통신을 USB(Universal Serial Bus) 통신 방식으로 변환시켜 통신이 가능하도록 해주며, 윈치(140)의 깊이 표시기(145)와 연결된다.
RS-485 컨버터는 RS-485 통신을 USB(Universal Serial Bus) 통신 방식으로 변환시켜 통신이 가능하도록 해주며, 윈치(140)를 구성하는 드럼(141)의 슬립링(142)과 연결된다.
윈치(140)는 깊이 표시기(145), 구동모터 제어부(146) 및 윈치 구동모터(147)를 포함한다.
이 경우 깊이 표시기(145)는 엔코더(143)의 측정 휠과 연결되며, 엔코더(143)에 의해 감지된 케이블(10)의 이동 량을 화면으로 표시한다.
드럼(141)은 와이어로 케이블(10)을 사용하여 드럼(141)의 회전운동에 의해 센서부(150)가 지하 공동 영역으로 이동할 수 있도록 해주며, 드럼(141)의 중앙에 위치한 슬립링(142)은 드럼(141)의 회전운동 시 케이블(10)이 꼬이지 않도록 해준다.
이때 케이블(10)은 센서부(150)를 100m 이상 견인하기 위해 강한 인장력이 요구됨으로 인해, 강철 와이어로 2중 장복 처리됨이 바람직하다.
엔코더(143)는 중심부에 측정 휠을 설치하고 있으며, 드럼(141)에 감긴 케이블(10)이 이동된 이동 량을 감지한다.
구동모터 제어부(146)는 윈치 구동모터(147)의 동작을 제어하며, 윈치 구동모터(147)는 드럼(141)이 회전할 수 있도록 일정한 원심 구동력을 제공한다.
센서부(150)는 관성센서 및 측정센서 제어보드(151), 레이저 센서(152), 촬영부(153), 조명부(154) 및 소나 센서(155)를 포함한다.
관성센서 및 측정센서 제어보드(151)는 관성 센서(Inertial Measuring Unit, IMU) 및 측정센서(레이저 센서 + 소나 센서)를 제어하며, 관성 센서(IMU)를 활용하여 시추공의 편차와 측정센서의 방위각을 고려하여 정확하게 지하 공동의 위치와 형상 및 크기를 측정할 수 있도록 해준다.
이를 부연설명하면, 관성 센서(IMU)는 가속도계나 자이로스코프 자기장센서, 회전각 센서 및 기울기 센서를 혼합 활용하여 운동체의 움직임과 이동량을 측정하는 센서 집합체로, 센서부(150)에 탑재된다.
가속도계(accelerometer)는 직각 좌표계에서 상기 센서부(150)에 부착된 안테나의 움직임을 측정하고, 자기장 센서(magnetic sensor)는 지자 계를 감지하여 방위각을 측정하며, 회전각 센서(gyroscope)는 측정된 회전각 또는 경사각에 오차가 있는 경우, 회전 각속도를 측정하여 회전각 또는 경사각을 보정하고, 기울기 센서(inclinometer)는 중력을 기준으로 경사각을 측정한다.
시추공의 편차는 시추공 입구로부터 시추공이 휘어진 정도를 의미하며, 이를테면 지역에 따라 다르지만 심한 경우 10미터 굴설 시 1미터 이상의 편차가 발생할 수 있다.
이 경우, 우선 측정센서가 투입 전에는 정지 상태에서 각속도/가속도/경사센서를 보정하고, 모터를 구동하여 360도 회전시켜 자기장 센서/각속도 센서를 보정하며, 틸트(tilt) 운동을 통해 경사센서를 보정한다.
다음으로, 측정센서가 틸트 운동 및 회전 운동 없이 하강하는 경우, 관성 센서(IMU)를 활용하여 시추공의 편차를 측정한다.
이를테면, 지하공동에 금속성분이 없는 구간에서는 자기장/경사 센서를 이용하여 편차를 측정하지만, 금속성분이 있는 구간에서는 각속도/경사센서를 이용하여 편차를 측정하며, 이 경우 보조센서로 가속도 센서가 활용될 수 있다.
마지막으로, 측정센서를 통해 지하공동 조사 시에는 운동부분에 관성센서 내장된 센서의 자세를 확인하는데, 이를테면 자기장 센서/각속도 센서 값을 확인함으로 회전 상태를 확인할 수 있으며, 경사 센서의 값을 확인함으로 틸트 운동을 확인할 수 있다.
레이저 센서(152)는 지하 공동에서 목표점까지의 정확한 거리를 산출하기 위한 센서로, 거리 측정 방법으로 시간차 측정방식 또는 위상차 측정 방식을 사용할 수 있다.
시간차 측정방식은 레이저를 발사하여 반사되어 되돌아오는 시간차와 레이저 속도의 곱으로 거리를 관측하는 방법으로 가장 널리 사용되고 있는 방식 이지만, 이 방식은 특성상 가까운 거리에서 위상차 측정방식에 비해 약 2mm 가량 정확도가 떨어지는 단점이 있다.
위상차 측정방식은 레이저를 발사하여 반사되어 오는 위상의 개수에 최종 파장의 위상차를 활용하여 거리를 관측하는 것으로, 시간차 측정방식에 비하여 정확도가 다소 높은 장점을 갖는다.
촬영부(153)는 지하 공동에서 목표물의 영상을 촬영하기 위한 카메라로 구성되며, 특히 카메라에 의해 촬영된 영상의 호스트 컴퓨터(110)의 디스플레이를 통해 지하 공동에 물이 있는 지 여부를 확인할 수 있도록 해준다.
이 경우 만일 센서부(150)가 수중 영역(w10)에 위치하면, 관성센서 및 측정센서 제어보드(151)의 제어들 통해 소나 센서(155) 만이 선택적으로 작동하도록 명령 하지만, 수중 영역(w10)이 아닌 공기 영역에 위치하면, 관성센서 및 측정센서 제어보드(151)의 제어들 통해 레이저 센서(152) 만이 선택적으로 작동하도록 명령한다. (도 3 참조)
조명부(154)는 촬영부(153) 하단에 위치하며, 엘이디(LED) 램프 등을 사용하여 빛을 조사함으로, 어두운 지역에서도 촬영이 가능하고, 촬영된 영상을 육안으로 손쉽게 확인 할 수 있도록 해준다.
소나 센서(155)는 수중에서 전자기파가 전달되지 않는 특성상 초음파( ultrasonic waves)를 이용하여 거리를 측정하는 센서로, 구체적으로 초음파를 짧은 단속음으로 발사한 후 물체에 부딪혀 반사되어 되돌아오는 시간을 측정하여 거리를 계산한다.
본 발명의 경우 레이저 센서(152), 촬영부(153), 조명부(154) 및 소나 센서(155) 순으로 막대 형상에 일체형으로 조립되는데, 이에 대한 구체적인 구조 및 기능에 대해서는 도 3에서 후술한다.
다시 도 1을 참조하면, 메인 제어부(160)는 IF 보드(161) 및 메인 제어보드(162)를 포함한다.
IF 보드(161)는 DC-DC 컨버터(미도시)를 내장하여 100V 이상의 고전압을 12V 저전압으로 변환시키고, 또한 데이터 및 신호를 전원과 분리하는 회로(미도시)를 내장하고 있다.
메인 제어보드(162)는 인터페이스 제어보드(이를테면, FPGA(Field Programmable Gate Array) 소자 등)를 이용하여 지상 제어기(130)로부터 전송된 명령어를 제어신호로 변환시키고, 센서부(150)가 감지한 측정 데이터를 수신하여 관리하며, 이에 대한 구체적인 내용은 도 2에서 후술한다.
구동부(170)는 회전 기어부(171), 구동 모터부(172) 및 틸트 기어부(173)를 포함한다.
회전 기어부(171)는 센서부(150) 일 측면에 설치된 서보 모터(미도시)의 제어를 통해 회전을 조정하고, 구동 모터부(172)는 센서부(150) 일 측면에 설치된 서보 모터(미도시)를 구동시키며, 틸트 기어부(173)는 센서부(150) 일 측면에 설치된 서보 모터(미도시)를 통해 틸팅(tilting)을 조정한다.
한편, 메인 제어부(160)의 상부 측면에 방수커넥터(12)를 설치하여, 윈치(140)와 케이블(10) 연결 시 강한 견인력이 확보될 수 있도록 하며, 하부 측면에 슬립링(13a)과 물리적으로 연결되어 미끄러지지 않도록 해주며, 다시 슬립링(13a)은 구동부(170) 상부면의 회전축(13b)과 연결되어 시계 방향 또는 반시계 방향의 회전 운동을 구현해준다.
구동부(170)의 하부 면과 센서부(150)의 상부 면은 틸트축(11)을 관통한 케이블(10)에 의해 연결되며, 센서부(150)가 틸트(tilt) 운동이 구현될 수 있도록 해준다.
이 경우 종래와 달리 방수 커넥터를 사용하여 센서부(150)를 연결하지 않은 이유는, 종래의 경우 레이저 센서와 소나 센서가 분리되어 있는 구조로 인해 방수 커넥터를 통한 선택적 연결이 필요 하였지만, 본 발명의 경우 레이저 센서와 소나 센서가 일체형으로 되어 있어 선택적 연결을 위한 방수 커넥터가 필요하지 않기 때문이다.
이로써, 본 발명에 따른 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템(100)은, 시추공을 통해 센서부(150)를 탐사 목표로 하는 지하공동까지 케이블(10)을 통해 전개한 후, 일체형의 레이저 센서(152) 및 소나 센서(155)를 사용하여 지하공동의 거리를 측정하고, 측정된 데이터를 지상제어기(130)를 통해 호스트 컴퓨터(110)로 전송하면, 호스트 컴퓨터(110)는 지하공동 3차원 형상화 알고리즘을 수행하여 지하공동 3차원 형상화 작업을 구현할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 인터페이스 제어보드의 구성을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 인터페이스 제어보드(200)는, 호스트 인터페이스(210), 모터 인터페이스(220), 레이저 센서 인터페이스(230), 소나 센서 인터페이스(240) 및 인터페이스 제어부(250)를 포함하여 구성 된다.
호스트 인터페이스(210)는 외부의 이더넷 변환기(300)와 RS-485 통신을 통해 데이터(이를테면, 센서부(150)로부터 획득한 측정 데이터)를 상호 송수신하며, 이 경우 이더넷 변환기(300)는 호스트 컴퓨터1(110a)과 유선통신을 수행하거나, 또는 호스트 컴퓨터2(110b)와 무선통신을 수행한다.
모터 인터페이스(220)는 모터(21)와 RS-232 통신을 통해 데이터를 상호 송수신하는데, 이를테면, 서보 모터의 상태, 위치, 각도 제어 및 현재 상태를 수신한다.
레이저 센서 인터페이스(230)는 레이저 센서(152)와 RS-232 통신을 통해 거리 측정 정보가 포함된 데이터를 상호 송수신하고, 소나 센서 인터페이스(240)는 소나 센서(155)와 RS-232 통신을 통해 거리 측정 정보가 포함된 데이터를 상호 송수신한다.
인터페이스 제어부(250)는 호스트 인터페이스(210), 모터 인터페이스(220), 레이저 센서 인터페이스(230) 및 소나 센서 인터페이스(240)의 전반적인 작동을 제어하며, 로직 내부의 제어신호를 전달 및 저장한다.
도 3은 본 발명에 따른 일체형 센서모듈의 구조 및 기능을 설명하기 위한 도면을 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 일체형 센서모듈(B10)은 연결부(B11), 관절부(B12) 및 센서 조립부(B13)를 포함한다.
연결부(B11)는 외부 면으로 틸트축(11)과 연결되며, 내부 면으로 관절부(B12)와 몸통이 연장된 형태로 연결된다.
관절부(B12)는 수평 회전축(r2)을 중심으로 센서 조립부(B13)를 앞 쪽으로 최대 수직(+90。)까지 꺾을 수 있는 구조 및 뒷 쪽으로 최대 수직(-90。)까지 꺾을 수 있는 구조를 갖는다.
센서 조립부(B13)는 막대 또는 원통 형상에 상 방향으로부터 하 방향으로 차례로 레이저 센서(152), 카메라(153), 조명(154) 및 소나 센서(155)를 일체형의 일자 구조로 조립된다.
이 경우 센서 조립부(B13)는 수직 회전축(r1)을 중심으로 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 회전(0。 ~ 360。) 할 수 있는 구조를 가지며, 레이저 센서(152), 카메라(153), 조명(154) 및 소나 센서(155)는 모두 동일 방향(일체형 센서들이 배열된 방향과 수직방향인 왼쪽)의 각각의 측정 선(d11, d12, d13, d14)을 갖는다.
센서 조립부(B13)의 구조 중 특히 레이저 센서(152)는 소나 센서(155)보다 항상 위쪽에 일정 간격을 두고 배치되도록 하는데, 이는 지하 공동 영역의 탐사 시 하강 방향으로 진행 할 때, 매질이 일반적으로 공기 층(레이저 센서(152)를 이용하여 거리 측정) ---> 수중 영역(소나 센서(155)를 이용하여 거리 측정)으로 분포되는 점을 고려한 것이다.
또한 센서 조립부(B13)의 구조 중 카메라(153)를 레이저 센서(152)와 소나 센서(155)의 사이에 배치시킨 것은, 도 1의 촬영부에서 설명한 바대로, 지하 공동 탐사 시 카메라(153)에 의해 일정 영역을 촬영하고, 호스트 컴퓨터(110)의 디스플레이를 통해 특히 촬영된 영상이 물이 있다고 확인된 경우, 자동으로 레이저 센서(152)의 작동을 중지하고, 대신 소나 센서(155)를 작동시키기 위함이다.
이 경우 이와 반대로, 수중 영역(w10)이 없어지고 다시 공기층으로 이동하는 경우, 자동으로 소나 센서(155)의 작동을 중지하고, 대신 레이저 센서(152)를 작동 시킬 수도 있다.
이와 같은 센서 조립부(B13)의 일체형 구조로 인해, 본원 발명은 부분적으로 침수 구간이 있는 공동 조사도 조사 가능하고, 지하 공동을 향해 하강 하면서 카메라(153)를 통해 침수 구간을 육안으로 확인 가능하여, 카메라(153)의 영상에 물이 보이면 소나 센서(155)를 이용해서 탐사를 진행하고, 그렇지 않으면 레이저 센서(152)를 이용하여 탐사를 선택적으로 진행할 수 있는 장점을 갖는다.
도 4a는 본 발명에 따른 일 실시예로, 수직방향 고정탐사 방법을 설명하기 위한 도면을 나타낸 것이다.
도 4a를 참조하면, 일체형 센서모듈(B10)이 지하 공동의 상하 방향으로 움직이지 않고, 시추공 입구(E1) 위치까지 상승된 초기 고정된 상태에서 지하 공동 탐사를 수행하는 수직 방향 고정탐사 방법을 설명하기 도시된 것이다.
이 경우 일체형 센서모듈(B10)은 수직 축을 중심으로 360。 회전 운동을 진행하거나, 수평 축을 중심으로 우측으로 일정 각도(0。 ~ 90。) 꺾인 틸팅 운동을 진행하면서 공동 외각선(C1)을 향해 제1 측정방향(d1)의 측정값을 획득할 수 있다.
바람직하게는, 수직 방향 고정탐사 방법은 도 4b에서 설명할 수직 방향 고정탐사 방법에 의해 회전 운동에 따른 깊이 별 공동 외각선(C1)의 측면 형상을 획득한 이후에, 주로 틸팅 운동에 따른 공동 외각선(C1)의 상부 면 및 하부 면의 형상을 획득하기 위해 사용한다.
도 4b는 본 발명에 따른 일 실시예로, 수직방향 이동탐사 방법을 설명하기 위한 도면을 나타낸 것이다.
도 4b를 참조하면, 일체형 센서모듈(B10)이 시추공 입구(E1) 위치까지 상승된 초기 고정된 상태에서 하부 수직방향으로 움직이면서 지하 공동 탐사를 수행하는 수직 방향 이동탐사 방법을 설명하기 도시된 것이다.
이 경우 도 4a의 수직 방향 고정탐사 방법과 대동소이함으로, 차이점이 있는 부분에 대해서만 설명한다.
일체형 센서모듈(B10)이 초기 위치에서 하부 수직방향으로 일정 깊이(H) 만큼 이동한 경우, 레이저 센서(152) 및 소나 센서(155)의 제1 측정방향(d1)은 초기 위치에서 우측 수평방향을 가지며, 레이저 센서(152) 및 소나 센서(155)의 제2 측정방향(d2)은 깊이(H) 위치에서 우측 수평방향을 가진다.
이 경우, 초기 위치 및 깊이(H)에서 수평 축에 대한 360。 회전할 경우 및 일체형 센서모듈(B10)이 좌우측으로 90。 꺾인 경우 각각에 대한 레이저 센서(152) 및 소나 센서(155)의 제1 측정방향(d1) 및 제2 측정방향(d2)은 도 4a에서 설명한 방식에 준해 구할 수 있으므로, 구체적인 설명은 생략한다.
바람직하게는, 수직 방향 고정탐사 방법은 상기 수직 방향 고정탐사 방법의 수행 전에 회전 운동에 따른 깊이 별 공동 외각선(C1)의 측면 형상을 획득하기 위해 수행함으로, 측정되는 데이터들은 상호 보강기능을 갖는다.
도 4c는 본 발명에 따른 일 실시예로, 수직방향 융합탐사 방법을 설명하기 위한 도면을 나타낸 것이다.
도 4c를 참조하면, 수직방향 융합탐사 방법은 도 4a의 수직 방향 고정탐사 방법 및 도 4b의 수직방향 이동탐사 방법을 융합한 것으로, 각각의 탐사 방식은 이미 설명한 바 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.
도 5a는 본 발명에 따른 수직 탐사 시 투입각 및 측정방향의 관계를 나타낸 것이다.
도 5a를 참조하면, 수직탐사는 일체형 센서모듈(B10)을 투입시키는 선과 지하 수직방향의 Z축이 이루는 투입각 θi = 0。 인 경우를 나타내며, 이 경우 수직탐사는 경사탐사(도 5b 참조) 및 천정탐사(도 5c 참조)와 달리 일체형 센서모듈(B10)을 지하공동으로 하강시키기 위해 별도의 연장봉을 필요로 하지 않는다.
수직탐사 방법은 앞에서 이미 설명한, 수직방향 고정탐사 방법(도 4a 참조), 수직방향 이동탐사 방법(도 4b 참조) 및 수직방향 융합탐사 방법(도 4c 참조)을 사용함으로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 5b는 본 발명에 따른 경사 탐사 시 투입각 및 측정방향의 관계를 나타낸 것이다.
도 5b를 참조하면, 경사탐사는 일체형 센서모듈(B10)을 투입시키는 선과 지하 수직방향의 Z축이 이루는 투입각 0。 < θi < 90。 인 경우를 나타낸다.
이 경우 일체형 센서모듈(B10)을 지하공동으로 하강시키기 위해서는, 수직탐사와 달리 자중에 의해 일체형 센서모듈(B10)을 지하공동으로 하강시키지 못하므로, 이를 보조하기 위한 도구 이를테면, 연장봉을 이용한 신장 구조가 필요해진다.
이때 연장봉은 내부가 비어 있는 연속된 파이프 연결 형상을 가질 수 있고, 파이프 내부에 일체형 센서모듈(B10)을 삽입하여 일체형 센서모듈(B10)이 지하공동을 향해 일정한 각도 및 속도로 하강 할 수 있도록 해주는 하중 지지대 역할을 한다.
바람직하게는, 경사탐사의 경우 투입각 0。 < θi < 90。 인 경우에 투입각의 정도에 따라 연장봉을 선택적으로 사용할 수 있다.
이를테면. 투입각이 0。 < θi < 50。 경우에는(바람직하게는 0。 < θi < 20。) 경사탐사도 수직탐사와 별반 차이가 없으므로, 연장봉의 사용이 불필요해질 수 있으나, 투입각이 50。 < θi < 90。 경우에는(바람직하게는 70。 < θi < 90。) 자중에 의해 지하로 하강하기 어렵기 때문에 연장봉을 선택적으로 사용함이 바람직하다.
도 5c는 본 발명에 따른 천정 탐사 시 투입각 및 측정방향의 관계를 나타낸 것이다.
도 5c를 참조하면, 천정탐사는 지중탐사와는 반대로 천정을 향해 일체형 센서모듈(B10)을 이동 시키면서 탐사하는 방법으로, 일체형 센서모듈(B10)을 투입시키는 선과 지하 수직방향의 Z축이 이루는 투입각 θi > 90。 인 경우를 나타낸다.
이 경우 일체형 센서모듈(B10)을 지하공동의 천정으로 이동시키기 위해서는 반드시 도 5b에서 설명한 연장봉을 이용한 신장 구조가 필요해진다.
이때 연장봉은 내부가 비어 있는 연속된 파이프 연결 형상을 가질 수 있고, 파이프에 일체형 센서모듈(B10)이 고정되어 일체형 센서모듈(B10)이 지하공동을 향해 일정한 각도 및 속도로 하강 할 수 있도록 하중 전달 및 지지대 역할을 한다.
도 6은 본 발명에 따른 일체형 센서가 측정한 지하공동에서의 측정 값을 보정한 후 최종 측정결과 값을 출력하는 과정을 순서도로 나타낸 것이다.
이하 도 1 및 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 일체형 센서가 측정한 지하공동에서의 측정 값을 보정한 후 최종 측정결과 값을 출력하는 과정을 설명한다.
우선 센서부(150)의 레이저 센서(152) 또는 소나 센서(155)를 통해 탐사 영역인 지하공동에서의 거리를 측정하는 제1 과정(S10)을 갖는다.
다음으로, 상기 제1 과정(S10)에서 지하공동에서의 거리 센싱 시 레이저 센서(152) 또는 소나 센서(155)의 측정 자세를 계산하는 제2 과정(S20)을 갖는다.
이하 도 7a 및 도 7b를 참조하여, 상기 제2 과정(S20)을 구현하기 위한 준비과정을 부연 설명한다.
도 7a는 본 발명에 따른 자기장 센서를 이용하여 레이저 센서 또는 소나 센서의 위치 변동 시 방위각을 측정하기 위한 좌표를 나타낸 것이다.
도 7a를 참조하면, 지자 계인 MNorth의 세기는 3축(x, y, z)에 대해 자기장 센서를 이용하여 측정된 측정값 Mx, My, Mz 의 크기로 결정 된다.
이 때 기본자세에서 레이저 센서(152) 또는 소나 센서(155)의 측정방향은 Mz 축 방향과 일치하므로, 이를 기준으로 하여 yz 평면에 투사된 자계성분인 M'North 를 시계방향으로 측정한 각을 방위각(θM)으로 정의하면, 방위각은 하기 수학식 1로 표현된다.
Figure 112016066463512-pat00001
도 7b는 본 발명에 따른 기본자세로 있는 레이저 센서 또는 소나 센서에 의해 측정된 3차원 공간 좌표를 나타낸 것이다.
도 7b를 참조하면, 센서부(150)의 회전축을 중심으로 좌표축을 설정하고, 시추공 방향을 z축으로 정의하며, 지표면을 향하는 방향을 +z축으로 정의하고, 회전의 기준 축을 +y 축으로 정의한다.
센서부(150)의 회전운동에 의한 회전량을 회전각(θRot) 이라고 하면, 이는 지표면과 평행한 평면인 xy 평면상에 +y 축을 기준으로 시계방향으로 정의되며, 센서부(150)의 경사 회전운동에 의한 변화량인 경사각(θTilt)도 +y 축을 기준으로 시계방향으로 정의된다.
한편 센서부(150)의 기본자세는 회전각이 0。 이고, 경사각이 90。 일 때로 정의된다.
기본자세에서 센서부(150)의 레이저 센서(151a) 또는 소나 센서(151b)에 의해 목표물까지 측정된 거리 d는 +y 축 방향으로 측정되며, 이 때 측정 센서는 경사 회전축으로부터 h 만큼 이격되어 있다는 점을 고려하면, 측정된 곳의 3차원 공간에서 좌표는 하기 수학식 2와 같이 벡터
Figure 112016066463512-pat00002
로 표현된다.
Figure 112016066463512-pat00003
다음으로, 일체형 센서모듈의 기본 자세를 기준으로 형상화 알고리즘을 적용하여 경사각 보정 및 회전각 보정을 수행하는 제3 과정(S30)을 갖는다.
이하 도 7c 및 도 7d를 참조하여, 상기 제3 과정(S30)의 내용을 부연 설명한다.
도 7c는 본 발명에 따른 레이저 센서 또는 소나 센서가 일정한 각도로 기울어진 경우, 경사각 보정을 수행하기 위한 위치관계를 좌표로 나타낸 것이다.
도 7c를 참조하면, 센서부(150)의 레이저 센서(152) 또는 소나 센서(155)가 경사 회전운동을 할 때, +x축을 기준으로 yz 평면에서 시계방향으로 회전운동을 하게 된다.
이 때, 기본자세로부터 회전한 각도를 수직각(θv) 이라고 할 때, 수직각(θv)은 경사각(θTilt)과 일정한 관계가 있으므로, 하기 수학식 3으로 표현된다.
Figure 112016066463512-pat00004
한편,
Figure 112016066463512-pat00005
는 수직각(θv) 만큼의 회전운동에 의해
Figure 112016066463512-pat00006
로 위치 변환되는데, 이들 위치변환 관계는 행렬식을 이용하면 하기 수학식 4로 표현된다.
Figure 112016066463512-pat00007
도 7d는 본 발명에 따른 레이저 센서 또는 소나 센서가 일정한 각도로 회전운동 한 경우, 회전각 보정을 수행하기 위한 위치관계를 좌표로 나타낸 것이다.
도 7d를 참조하면, 경사 회전운동을 한 센서부(150)의 레이저 센서(152) 또는 소나 센서(155)가 +z축을 기준으로 xy 평면에서 회전각(θRot) 만큼 시계방향으로 회전운동을 한다면,
Figure 112016066463512-pat00008
는 하기 수학식 5에서 정의되는 수평각(θh) 만큼 +z축을 기준으로 회전운동에 의해
Figure 112016066463512-pat00009
로 위치 변환되며, 이들 위치변환 관계는 행렬식을 이용하면 하기 수학식 6로 표현된다.
이 경우 기준 좌표계인 +y 축은 방위각(θM) 만큼 회전되어 있으므로, 이를 고려해야 한다.
Figure 112016066463512-pat00010
Figure 112016066463512-pat00011
다음으로, 본 발명에 따른 수직탐사(도 5a 참조), 경사탐사(도 5b 참조) 또는 천정탐사(도 5c 참조) 시 각각의 투입 조건을 고려하여 투입각(θi) 보정을 수행하는 제4 과정(S40)을 갖는다.
이 경우 각각의 투입각(θi)에 따른 3차원 직교좌표 (X, Y, Z)는 하기 수학식 7로 표현된다.
Figure 112016066463512-pat00012
수학식 7을 참조하면, 3차원 직교좌표 (X, Y, Z)는 (x'', y'', z'')로 표현되고, (x'', y'', z'')는 수학식 6의 좌표 변환에 의해 (0, y', z')로 표현되며, (0, y', z')는 수학식 4의 좌표 변환에 의해 수학식2의 (0, d, -h)의 형태로 최종 표시됨을 알 수 있다.
이로써, 본원발명은 탐사형태(수직탐사, 경사탐사, 천정탐사), 투입각(θi), 회전각(θRot), 경사각(θTilt) 등에 관계없이 센서들(레이저 센서, 소나 센서)이 측정한 값을 상기 제2 과정(S20) ~ 제4 과정(S40)을 통해 정규의 3차원 직각좌표로 표현할 수 있게 된다.
다음으로, 상기 제2 과정(S20) ~ 제4 과정(S40)을 통해 탐사된 지하공동의 3차원 측정 데이터를 생성하는 제5 과정(S50)을 갖는다.
마지막으로, 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템의 화면에 각종 측정 결과를 출력하여 표시하는 제6 과정(S60)을 갖는데, 이에 대한 상세한 설명은 이하 도 8에서 후술한다.
도 8은 본 발명에 따른 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템의 화면에 측정 결과를 출력하는 방식을 일 실시예로 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템은 화면 옵션부(Z10), 장비 제어부(Z20), 측정 데이터부(Z30), IMU 센서값 조정부(Z40), 측정거리 표시부(Z50), 3차원 형상표시부(Z60) 및 카메라 영상표시부(Z70)의 디스플레이 영역을 갖는다.
화면 옵션부(Z10)는 Global 항목(Heading, Depth), Scan Data 항목, Display 항목(Raw, Corrected)으로 구성되어, 다양한 화면의 선택 사항을 제공한다.
장비 제어부(Z20)는 통신포트 항목, 현재자세 항목, 레이저 센서 항목(측정거리, Laser, Sonar 선택, 탐사중지, 탐사 초기화, 탐사 시작, 탐사 종료), LED Contol 항목, Graph Scale 항목, 윈치 항목(통신포트, 깊이), 방위각 항목을 제공하여 탐사 장비를 제어할 수 있도록 해준다.
측정 데이터부(Z30)는 탐사 시 수직각을 조정하면서 측정한 데이터를 누적하여 숫자 형태로 표시한다.
IMU 센서값 조정부(Z40)는 Accelerometer 항목, Gyroscope 항목, Magnetometer 항목 및 Inclinometer 항목을 제공하여 관성 센서(Inertial Measuring Unit, IMU)의 센싱 값을 조정한다.
측정거리 표시부(Z50)는 센서부(150)의 레이저 센서(152) 또는 소나 센서(155)에 의해 측정된 거리를, 각도에 따라 측정하면서 동시에 적색 선으로 시하는데, 이 때 최대 표시거리는 2.34m 이고, 최소 표시거리는 0.51m 이며 표시간격은 조정가능하다.
3D 형상표시부(Z60)는, 센서부(150)의 레이저 센서(152) 또는 소나 센서(155)에 의해 측정된 거리를, 현재 레이저 센서(152) 또는 소나 센서(155)의 수평각과 수직각을 고려하여 3차원 좌표를 계산하고, OpenGL 함수를 이용하여 3차원(3D)으로 표시한다.
이 경우 수직각을 조정하여 반복해서 측정하는 경우, 탐사 데이터가 누적되어 표시되므로, 지하 공동의 형상을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 지하 공동의 형상을 판단할 수 있게 된다.
카메라 영상표시부(Z70)는 센서부(150)의 촬영부(153)에 의해 촬영된 지하공동의 영상을 사용자가 실시간으로 볼 수 있도록 제공함으로, 도 3에서 설명한 바대로, 지하 공동 탐사 시 카메라(153)에 의해 일정 영역을 촬영하고, 호스트 컴퓨터(110)의 디스플레이를 통해 특히 촬영된 영상이 물이 있다고 확인된 경우, 자동으로 레이저 센서(152)의 작동을 중지하고, 대신 소나 센서(155)를 작동시킬 수 있도록 해준다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
110 : 호스트 컴퓨터 120 : AC 전원
130 : 지상 제어기
131 : 전원부 132 : 전원 제어부
133 : 영상 수신부 134 : 통신 제어부
140 : 윈치 141 : 드럼 142 : 슬립링 143 : 엔코더
145 : 깊이 표시기 146 : 구동모터 제어부 147 : 윈치 구동모터
150 : 센서부
151 : 관성센서 및 측정센서 제어보드
152 : 레이저 센서 153 : 촬영부 154 : 조명부
155 : 소나 센서
160 : 메인 제어부
161 : IF 보드 162 : 메인 제어보드
170 : 구동부
171 : 회전 기어부
172 : 구동 모터부 173 : 틸트 기어부
10 : 케이블
11 : 틸트축
12 : 방수 커넥터 13a : 슬립링 13b : 회전축

Claims (16)

  1. 소프트웨어를 탑재하여 지하공동 3차원 형상화 알고리즘을 수행하는 호스트 컴퓨터;
    AC 전원으로부터 인가된 교류 전압을 직류 전압으로 변환시키며, 외부 기기로부터 측정 데이터 또는 촬영 데이터를 수신하며, 상기 호스트 컴퓨터와 이더넷( ethernet) 통신방식으로 연결되고, 기기 간에 통신을 수행하는 지상 제어기;
    케이블을 이용해 탐사 구조물이 지하 공동 영역으로 일정한 방향을 가지고 이동되도록 해주며, 케이블의 이동거리를 측정하고 표시하는 윈치;
    막대 형상의 구조체에 수직 방향으로 센서 조립체들을 일체형으로 탑재하고, 상기 센서 조립체들을 지상의 수평면에 대한 수직 회전축을 중심으로 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 회전시키거나, 또는 상기 센서 조립체들을 전후 방향으로 일정 각도 꺾인 상태로, 수직, 경사 방향으로 고정 또는 이동하면서, 지하 공동의 일정 영역을 측정 또는 촬영하되, 만일 촬영된 영상이 수중 영역으로 판단된 경우 상기 센서 조립체들의 센서 일부만을 선택적으로 작동 시키는 일체형 센서모듈;
    상기 지상 제어기로부터 전송된 명령어를 제어신호로 변환시키고, 상기 일체형 센서모듈이 감지한 측정 데이터 또는 촬영 데이터를 수신하고, 관리하는 메인 제어보드를 포함하며,
    상기 일체형 센서모듈은,
    상부 면은 외부 기기와 연결되며, 하부 면은 몸통이 연장된 형태로 관절부와 연결되는 연결부;
    상부 면은 상기 연결부와 연결되고, 하부 면은 센서 조립부와 연결되며, 상기 상부 면과 상기 하부 면의 중심을 수평으로 관통하는 수평 회전축을 중심으로 센서 조립부를 전후 방향으로 최대 90。 꺾을 수 있는 구조를 갖는 관절부; 및
    막대 형상에 상 방향으로부터 하 방향으로 차례로 레이저 센서, 카메라, 및 소나 센서가 일체형으로 조립된 센서 조립부를 포함하고,
    상기 레이저 센서 및 상기 소나 센서는,
    수직 방향의 막대 형상 구조체를 기준으로, 각각 동일한 방향의 수평 측정 점을 가지며,
    상기 카메라가 지하 공동을 이동하면서 지하 공동의 일정 영역을 촬영하면, 촬영된 영상은 상기 호스트 컴퓨터로 실시간으로 전송되며,
    상기 호스트 컴퓨터의 화면을 통해 촬영된 영역에 물이 있다고 판단된 경우, 상기 레이저 센서의 작동을 중지하고, 상기 소나 센서만을 선택적으로 작동시키되,
    상기 일체형 센서모듈을 지하 공동 영역으로 투입시키는 투입선과 지하 수직방향의 Z축이 이루는 각도로 정의되는 투입각(θi)에 따라 운영되는 수직 탐사, 경사 탐사 또는 천정 탐사를 포함하고,
    상기 수직탐사, 상기 경사탐사 또는 상기 천정탐사 시 각각의 투입 조건을 고려하여 투입각 보정을 수행하되,
    상기 투입각 보정에 대한 직각 좌표 변환식은,
    하기 수학식,
    Figure 112016126720616-pat00032

    (여기서, θi는 투입각, (x'', y'', z'')는 회전각 보정에 대한 직각 좌표 변환식을 의미함)
    으로 표현되는 것을 특징으로 하는 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 메인 제어보드는,
    모터, 레이저 센서, 소나 센서 및 호스트 컴퓨터와 인터페이스를 제공하는 인터페이스 제어보드를 사용하는 것을 특징으로 하는 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 인터페이스 제어보드는,
    상기 호스트 컴퓨터와 유선 또는 무선 통신을 통해 데이터를 상호 송수신하는 호스트 인터페이스;
    모터와 RS-232 통신을 통해 데이터를 상호 송수신하는 모터 인터페이스;
    레이저 센서와 RS-232 통신을 통해 거리 측정 정보가 포함된 데이터를 상호 송수신하는 레이저 센서 인터페이스;
    소나 센서와 RS-232 통신을 통해 거리 측정 정보가 포함된 데이터를 상호 송수신하는 소나 센서 인터페이스; 및
    상기 호스트 인터페이스, 상기 모터 인터페이스, 상기 레이저 센서 인터페이스 및 상기 소나 센서 인터페이스를 제어하는 인터페이스 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 호스트 인터페이스는,
    상기 호스트 컴퓨터와 유선 또는 무선 통신이 가능하도록 해주는, 외부의 이더넷 변환기와 RS-485 통신을 구현하는 것을 특징으로 하는 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서, 상기 수직 탐사는,
    상기 투입각(θi)이 θi = 0。 인 경우로, 이동탐사 방법, 고정탐사 방법 또는 융합탐사 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 경사 탐사는,
    상기 투입각(θi)이 0。 < θi < 90。 인 경우로,
    만일 상기 투입각(θi)이 70。 < θi < 90。 범위에 해당하는 경우에만, 상기 일체형 센서모듈을 지하 공동의 하부 방향으로 이동시키기 위한 별도의 연장봉을 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 천정 탐사는,
    상기 투입각(θi)이 θi > 90。 인 경우로, 상기 일체형 센서모듈을 지하 공동의 천정으로 이동시키기 위한 별도의 연장봉을 필수적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템.
  12. 제 10항 또는 제11항에 있어서, 상기 연장봉은,
    신장 구조의 연속된 파이프 연결 형상을 가지고, 파이프에 상기 일체형 센서모듈이 연결 가능하여, 상기 일체형 센서모듈이 상기 지하 공동의 일정 방향으로 이동될 수 있도록 하중 전달 및 지지대 역할을 해주는 것을 특징으로 하는 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템.
  13. 수직, 경사 방향으로 고정 또는 이동하면서, 지하 공동의 일정 영역을 측정 또는 촬영하는 일체형 센서모듈을 통해 지하 공동의 거리를 측정하는 제1 과정;
    상기 제1 과정에서 거리 측정 시 상기 일체형 센서모듈의 측정 자세를 계산하는 제2 과정;
    상기 일체형 센서모듈의 기본 자세를 기준으로, 형상화 알고리즘을 적용하여 경사각 보정 및 회전각 보정을 수행하는 제3 과정;
    수직탐사, 경사탐사 또는 천정탐사 시 각각의 투입 조건을 고려하여 투입각 보정을 수행하는 제4 과정; 및
    상기 제2 과정 내지 상기 제4 과정을 통해, 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용을 위한 지하 공동의 3차원 측정 데이터를 생성하는 제5 과정을 포함하되,
    상기 투입각 보정에 대한 직각 좌표 변환식은,
    하기 수학식,
    Figure 112016126720616-pat00033

    (여기서, θi는 투입각, (x'', y'', z'')는 회전각 보정에 대한 직각 좌표 변환식을 의미함)
    으로 표현되고,
    상기 일체형 센서모듈은,
    상부 면은 외부 기기와 연결되며, 하부 면은 몸통이 연장된 형태로 관절부와 연결되는 연결부;
    상부 면은 상기 연결부와 연결되고, 하부 면은 센서 조립부와 연결되며, 상기 상부 면과 상기 하부 면의 중심을 수평으로 관통하는 수평 회전축을 중심으로 센서 조립부를 전후 방향으로 최대 90。 꺾을 수 있는 구조를 갖는 관절부; 및
    막대 형상에 상 방향으로부터 하 방향으로 차례로 레이저 센서, 카메라, 및 소나 센서가 일체형으로 조립된 센서 조립부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 경사각 보정에 대한 직각 좌표 변환식은,
    하기 수학식,
    Figure 112016066463512-pat00013

    (여기서, θv 는 기본자세로부터 회전한 각도인 수직각, d는 기본자세에서 일체형 센서모듈에 의해 목표물까지 측정된 거리, h는 경사 회전축으로부터 이격된 거리를 나타냄)
    으로 표현되는 것을 특징으로 하는 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용 방법.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 회전각 보정에 대한 직각 좌표 변환식은,
    하기 수학식,
    Figure 112016066463512-pat00014

    (여기서, θh 는 수평각으로
    Figure 112016066463512-pat00015
    관계를 가지며, θRot 는 일체형 센서모듈이 +z축을 기준으로 xy 평면에서 시계방향으로 회전운동한 회전각, θM 는 방위각을 의미하고, (0, y', z')는 경사각 보정에 대한 직각 좌표 변환식을 의미함)
    으로 표현되는 것을 특징으로 하는 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용 방법.
  16. 삭제
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