KR101794690B1 - 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템 - Google Patents
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Abstract
터널의 내부 벽면을 스캐닝하는 터널 검사 시스템에 있어서, 양측 주행바퀴가 독립적으로 구동될 수 있도록 각각의 차축에 별도의 구동장치를 적용하고, 좌측 및 우측에서 발생하는 이동거리 차이를 실시간 속도 제어를 통하여 조절할 수 있고, 또한, 각 카메라에 전동식 렌즈를 적용하고, 레이저 스캔 후 확보한 터널의 형상에 따라 각 카메라의 틸팅 각도와 배율, 초점거리 및 아이리스를 자동으로 조정할 수 있으며, 또한, 터널 검사 시스템의 대차 본체의 네 모서리에 각각 INS를 각각 설치하고, 자주식 대차의 주행중에 대차 본체의 변화를 측정 및 기록하여 추후 측정 데이터에 반영할 수 있는, 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템이 제공된다.
Description
본 발명은 터널 검사 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 터널의 내부 벽면을 스캐닝하는 터널 검사 시스템으로서, 양측 주행바퀴가 독립적으로 구동되는 개별구동 자주식 대차(Rail-Guided Vehicle: RGV)를 구비하고, 개별구동 자주식 대차의 주행에 대응하는 자세 유지를 위한 관성항법장치(Inertial Navigation System: INS)를 구비한 터널 검사 시스템에 관한 것이다.
최근 터널 시설물이 증가하고 있고, 이러한 터널 시설물의 대형화 및 장대화 추세에 따라 안전점검과 진단의 필요성 및 수요의 지속적 상승이 예상된다. 하지만, 현재와 같이 인력에 의한 육안검사로는 한계가 있으며, 또한, 매립식 계측센서 방식의 유지보수 체계는 터널의 중장기 거동을 감시하는 것과 터널의 콘크리트 라이닝의 변상 및 박리와 같이 통행에 즉각적인 영향을 줄 수 있는 요인을 파악하는데 한계가 있다.
이에 따라, 차량, 기차, 지하철 등이 운행되는 터널을 스캐닝(Scanning)하기 위해서 영상(Image)을 활용한 방법 및 레이저(Laser)를 활용한 방법이 사용되고 있다. 이때, 영상을 활용한 방법은 터널의 크기 및 형상에 적합한 조명 설비를 설치하고, 일정한 속도로 터널 라이닝 벽면을 라인카메라(Line Camera) 또는 비디오카메라(Video Camera)로 촬영하는 방식으로 구현된다. 또한, 레이저를 활용한 방법의 경우, 스캐너에 의한 스캐닝 결과를 통해 터널의 상태를 확인할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 터널 스캐닝 및 측정 결과를 개략적으로 나타낸 사진 및 측정도이다.
도 1의 a)는 영상장비를 이용하여 터널을 스캐닝하는 상태를 개략적으로 나타낸 사진이고, 도 1의 b)는 영상장비에 의해 스캐닝된 측정결과를 나타낸 영상이다. 이러한 영상장비를 이용하여 터널을 스캐닝할 경우, 사전에 조명의 설치 등의 작업이 요구되므로 작업성이 떨어지며, 터널 전체 단면을 스캐닝해야 함에 따라 판독할 데이터의 양이 상당히 많다는 문제점이 있다.
도 1의 c)는 지하철 터널을 나타낸 것이고, 도 1의 d)는 레이저로 스캐닝된 결과를 나타낸 영상이다. 이와 같이 레이저를 활용한 스캐닝의 경우, 레이저 자체의 정밀도에 결과가 좌우된다. 이러한 레이저를 활용하여 스캐닝된 레이저 데이터의 경우, 정밀도는 다소 떨어지지만 터널의 내공변위 측정 및 건축한계선 확인에 적용이 가능하며, 반사강도라는 터널의 형상적 특성을 이용하여 라이닝 표면상에서 이상 개소가 위치하는 지점을 찾아낼 수 있다. 그러나 터널 벽면에 위치하는 미세 크랙(Crack)에 대한 검측은 레이저에 의한 스캐닝으로는 한계가 있다는 문제점이 있었다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 선행기술로서, 본 발명의 출원인에 의해 특허출원되어 등록된 대한민국 등록특허번호 제10-898061호에는 "하이브리드 터널 스캐닝 장치"라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 종래의 기술에 따른 하이브리드 터널 스캐닝 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 기술에 따른 하이브리드 터널 스캐닝 시스템(10)은 레이저 스캐너(11), 영상 취득장치(12), 영상 취득장치 구동부(13) 및 자주식 대차(RGV: 14)를 포함한다.
레이저 스캐너(11)는 터널의 라이닝 및 시설물 등 터널 내부에 대한 스캐닝을 1차적으로 수행하기 위한 것으로, 자주식 대차(14)의 이동방향 전방부에 장착된다.
영상 취득장치(12)는 레이저 스캐너(11)에 의한 1차 스캐닝 이후, 터널 내부의 결함을 2차로 스캐닝하여 영상 데이터를 얻기 위한 것으로, 자주식 대차(14)에 장착되어 영상 취득장치 구동부(13)에 의해 이동된다. 이러한 영상 취득장치(12)는 레이저 스캐닝 이후에 2차로 스캐닝을 하기 위한 것으로, 자주식 대차(14)의 이동 방향에 대하여 레이저 스캐너(11)의 후방으로 장착되고, 국부 개소의 영상촬영뿐만 아니라, 여러 개소에 대한 촬영 및 측정을 위해 여러 대의 카메라가 장착된다.
또한, 종래의 기술에 따른 하이브리드 터널 스캐닝 시스템(10)은 레이저 스캐너 및 영상 취득장치로부터 획득된 데이터를 처리 및 분석하는 중앙처리장치를 포함하고, 이때, 상기 중앙처리장치는 레이저 스캐너에 의해 측정된 데이터를 통해 촬영개소 특성 및 좌표를 추출하는 레이저 스캐너 제어부 및 영상 취득장치에 의해 획득된 영상데이터를 통해 국부영상을 획득하는 영상 취득장치 제어부를 포함한다.
종래의 기술에 따른 하이브리드 터널 스캐닝 장치에 따르면, 레이저 스캐닝에 의하여 터널 내부를 1차적으로 스캐닝하고, 이에 따른 추출 데이터를 통해 결함부위 및 추가 촬영요부는 영상 취득장치를 통해 촬영하여 영상 데이터를 획득함으로써, 보다 빠르고 정확한 터널내의 스캐닝이 가능하다.
그러나 종래의 기술에 따른 하이브리드 터널 스캐닝 장치의 경우, 자주식 대차가 경사면 등에서 정속 주행 성능이 떨어지고, 크랙 및 이상 징후 트래킹을 위한 검출 알고리즘의 성능이 떨어진다는 문제점이 있었다.
한편, 종래의 기술에 따른 하이브리드 터널 스캐닝 장치의 문제점을 해결하기 위한 선행기술로서, 본 발명의 출원인에 의해 특허출원되어 등록된 대한민국 등록특허번호 제10-1404188호에는 "3차원 터널 모델 생성을 위한 옵토-레이저 터널 스캐닝 시스템 및 그 데이터 처리 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한다.
도 3은 종래의 기술에 따른 3차원 터널 모델 생성을 위한 옵토-레이저 터널 스캐닝 시스템의 구성도이고, 도 4a 및 도 4b는 각각 도 3에 도시된 자주식 대차 및 측정 모듈이 장착된 자주식 대차를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 종래의 기술에 따른 3차원 터널 모델 생성을 위한 옵토-레이저 터널 스캐닝 시스템(20)은, 자주식 대차(21), 레이저 스캐너(22), 영상촬영장치(23), 레이저 스캐너 구동부(24a), 영상촬영장치 구동부(24b), 레이저 스캐너 제어부(25a), 영상촬영장치 제어부(25b), 데이터 정합부(26), GSM(Geometric Space Map) 데이터베이스(27), 데이터 처리 및 분석부(28) 및 통합운영 프로그램(29)을 포함하며, 옵토-레이저 터널 스캐닝 시스템(20)은 터널 통합유지관리 체계(30)와 연계되어 사용될 수 있다.
종래의 기술에 따른 옵토 레이저 스캐너(Opto-laser Scanner)는 레이저 스캐너(22)를 이용하여 획득한 레이저 스캔 데이터와 영상촬영장치(23)를 이용하여 획득한 영상 데이터를 이용하여 측정구간 전체에 대한 하나의 정합된 데이터를 생성하게 된다.
구체적으로, 레이저 스캐너(22)는 상기 자주식 대차(21)가 이동하는 동안 터널 내부를 검측하여 터널에 대한 3차원 좌표 데이터를 획득한다. 예를 들면, 상기 레이저 스캐너(22)는 상기 자주식 대차(21)가 이동하는 동안 360ㅀ로 회전하는 스캐닝 미러를 이용하여 터널에 대한 3차원 좌표 데이터를 획득할 수 있다.
자주식 대차(RGV: 21)는, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 프레임 바디 형태로 구현되어 상기 레이저 스캐너(22) 및 영상촬영장치(23)가 탑재된다. 상기 자주식 대차(21)는, 예를 들면, 배터리로 구동되고, 이중 서스펜션-기반의 구동축이 적용되어 저진동 자율 주행한다. 구체적으로, 상기 자주식 대차(21)는 배터리와 DC 모터에 의하여 구동되는 일반적인 전기 자동차와 비교하면, 조향장치가 없이 레일 안내(Rail Guided) 방식으로 운영되는 차이와 구동방식에 있어서 가속 페달과 정비 페달 대신 전기적인 제어신호에 의해 출발, 가속 및 정지를 제어한다는 차이점이 있으나, 일반적인 전기자동차와 유사한 기능과 구동 방식을 갖는다.
이에 따라, 상기 자주식 대차(21)는 경사면을 포함하는 터널 구간에서의 정속 주행시 1㎝/sec 이하의 속도 정밀도를 확보하고, 출발시 3초 이내에 정속 주행모드로 진입하며, 상기 자주식 대차(21)는 고분해능 인코더와 250ps 단위로 인코더 펄스 간격을 측정하는 디지털 컨버터를 기반으로 하여 운전이 제어될 수 있다.
종래의 기술에 따른 3차원 터널 모델 생성을 위한 옵토-레이저 터널 스캐닝 시스템은, 3차원 터널 모델 생성을 위하여 레이저 스캐너(22)로 검측한 스캔 데이터와 영상촬영장치(23)로 촬영한 영상 데이터를 정합하며, 또한, 자주식 대차(21)의 성능 개선을 통해 옵토-레이저 터널 스캐닝 시스템을 안정화시키고, 현장 적용에 따른 성능평가 체계를 구축할 수 있다.
하지만, 종래의 기술에 따른 3차원 터널 모델 생성을 위한 옵토-레이저 터널 스캐닝 시스템의 경우, 자주식 대차(21)가 정밀한 터널 검사를 위하여 정밀한 정속주행을 유지할 수 있어야 하지만, 단지 한 개의 모터와 연결된 구동축을 이용하여 구동하는 방식이기 때문에 철도레일의 궤도틀림(Track Irregularity)에 따라 정속 주행에 영향을 주며, 특히, 레일 곡선부에서의 좌측 주행바퀴 및 우측 주행바퀴의 이동거리에 대한 차이가 발생함에 따라 주행 안정성과 정밀성이 크게 저하되며, 심한 경우에는 탈선의 위험성이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 기술에 따르면, 영상촬영장치(23)인 카메라의 설정은 모두 수동 조작에 의하여 이루어지기 때문에 정확한 설정이 어렵고, 영상 후처리 작업을 수작업으로 진행하여야 하는 사항이 많아지고, 이에 따라 처리시간에 대한 시간의 증가와 처리 프로세스와 연산량 증가 등에 따른 부하가 많이 걸리는 문제점이 있고, 또한, 촬영된 영상에 대한 최적의 화질(Image Quality)을 확보하기 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 기술에 따르면, 측정하는 터널의 형태 변화나 레일의 상태를 감지하지 못하여 검사 결과를 현시함에 있어서, 항상 직선 형태의 터널만을 표시할 수 있으며, 더욱이 검사 터널에 대한 영상정합 및 3차원 가시화 과정에 대한 복잡성의 증가로 검사구간의 길이가 100m인 경우에 검사터널에 대한 3차원 가시화 결과를 만들어 내는데 최대 7일 정도의 시간이 소요되며, 특히, 레일의 상태에 대한 차체의 자세 변화에 대한 보정이 불가능하기 때문에 검사결과에 대한 정확도가 충분히 확보되지 못하는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 터널의 내부 벽면을 스캐닝하는 터널 검사 시스템에 있어서 양측 주행바퀴가 독립적으로 구동될 수 있도록 각각의 차축에 별도의 구동장치를 적용하고, 좌측 및 우측에서 발생하는 이동거리 차이를 실시간 속도 제어를 통하여 조절할 수 있는, 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 각 카메라에 전동식 렌즈를 적용하고, 레이저 스캔 후 확보한 터널의 형상에 따라 각 카메라의 틸팅 각도와 배율, 초점거리 및 아이리스를 자동으로 조정할 수 있는, 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 터널 검사 시스템의 대차 본체의 네 모서리에 각각 INS를 각각 설치하고, 자주식 대차의 주행중에 대차 본체의 변화를 측정 및 기록하여 추후 측정 데이터에 반영할 수 있는, 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템은, 레이저 스캐너, 전동식 자동화 영상촬영장치 및 통합형 관성항법장치가 탑재되는 프레임 바디 형태의 자주식 대차로서, 서로 독립된 구동축을 따라 양측 주행바퀴가 각각 구동되는 개별구동 자주식 대차; 상기 개별구동 자주식 대차의 4 모서리에 각각 탑재되고, 상기 개별구동 자주식 대차의 이동에 따른 자세 유지 데이터를 제공하는 통합형 관성항법장치(INS); 상기 개별구동 자주식 대차가 이동하는 동안 터널 내부를 검측하여 터널에 대한 3차원 좌표 데이터를 획득하는 레이저 스캐너; 전동식 렌즈를 구비한 카메라를 이용하여 터널 내부를 촬영하는 전동식 자동화 영상촬영장치; 상기 레이저 스캐너를 이용하여 획득한 레이저 스캔 데이터와 상기 전동식 자동화 영상촬영장치를 이용하여 획득한 이종의 영상 데이터를 이용하여 측정구간 전체에 대한 하나의 정합된 레이저 데이터를 생성하고, 기하공간지도(GSM) 데이터베이스에 근거하여 레이저 스캔 데이터를 재구성하는 데이터 정합부; 및 상기 데이터 정합부에서 정합된 레이저 데이터를 처리 및 분석하는 데이터 처리 및 분석부를 포함하며, 상기 개별구동 자주식 대차는 서로 독립된 구동축을 따라 양측 주행바퀴가 독립적으로 구동됨으로써, 좌측 및 우측 바퀴에서 발생하는 이동거리 차이를 실시간 속도 제어를 통하여 조절할 수 있다.
여기서, 상기 통합형 관성항법장치는 개별구동 자주식 대차의 대차 본체 네 모서리에 각각 설치되어, 상기 개별구동 자주식 대차의 주행중에 상기 대차 본체의 변화를 측정 및 기록하여 상기 터널 검사를 위한 측정 데이터에 반영할 수 있다.
여기서, 상기 통합형 관성항법장치는 3축 자이로스코프, 3축 가속도센서 및 3축 지자기센서가 내장된 초소형 자세 및 방위 기준장치(AHRS) 모듈을 이용하여 1㎑의 속도로 상기 개별구동 자주식 대차에 대한 고정밀 자세 데이터를 갱신 및 출력하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 통합형 관성항법장치는 상기 개별구동 자주식 대차에 대한 전방위 자세 오프셋(Offset)을 설정하고, 중력성분이 제거된 가속도 출력이 가능한 것을 특징으로 한다.
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여기서, 상기 개별구동 자주식 대차는, 상기 레이저 스캐너, 영상촬영장치 및 통합형 관성항법장치가 탑재되는 대차 본체; 상기 대차 본체의 후면에 탈부착 가능하도록 체결되고, 연결봉에 의해 후방으로 연장되는 조인트 슬라이드; 양측 주행바퀴에 각각 체결되는 제1 구동축 및 제2 구동축을 포함하며, 상기 제1 구동축 및 제2 구동축 각각은 일측이 상기 조인트 슬라이드에 체결되고, 타측이 주행바퀴에 체결되는 구동축; 상기 구동축 내에 탑재되어 주행바퀴를 회전시켜 이동시킬 수 있는 구동력을 제공하는 구동모터; 상기 구동모터에 결합되어 상기 구동모터의 가감속을 제어하는 감속기; 상기 감속기 및 주행바퀴 사이에서 상기 구동모터와 결합되어 상기 구동모터의 회전수를 카운트하는 인코더; 상기 구동모터에 의해 회전하면서 상기 대차 본체를 이동시키는 주행바퀴; 상기 대차 본체 하부에서 일측이 상기 조인트 슬라이드에 체결되어 상기 조인트 슬라이드를 후방으로 연장시키는 연결봉; 및 상기 대차 본체의 후면 하부에 형성되고, 상기 대차 본체의 주행중에 발생하는 궤도틀림을 보상할 수 있도록 상기 연결봉을 일정 범위 내에서 회전시키는 연결봉 회전부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 개별구동 자주식 대차는 주행중에 상기 대차 본체의 사행동을 최소화하기 위하여 상기 대차 본체의 폭과 길이의 비율을 1:1.2를 유지하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 대차 본체에 가해지는 하중의 무게 중심은 앞바퀴 축에 맞춤으로써 주행중에 상기 대차 본체가 앞뒤로 출렁거리는 현상을 방지할 수 있다.
여기서, 상기 구동축은 구동모터, 감속기 및 인코더가 탑재될 수 있도록 내부가 비어 있는 프레임 형태로 제작될 수 있다.
여기서, 상기 연결봉은 상기 연결봉 회전부에 의해 10도 범위 내에서 회전함으로써 상기 조인트 슬라이드의 양측에 연결된 주행바퀴가 레일의 승하강에 대응하여 자세를 유지하고, 상기 대차 본체의 주행중에 발생하는 궤도틀림을 보상하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 개별구동 자주식 대차의 주행바퀴는 레일과의 접촉력을 증가시키고 진동을 최대한 억제하기 위하여 레일과 접촉하는 표면에 우레탄 코팅을 하여 탄성력을 유지할 수 있다.
여기서, 상기 전동식 자동화 영상촬영장치는, 각 카메라에 전동식 렌즈를 적용하고, 레이저 스캔 후 확보한 터널의 형상에 따라 각 카메라의 틸팅 각도와 배율, 초점거리 및 아이리스를 자동으로 조정할 수 있다.
여기서, 상기 전동식 자동화 영상촬영장치는, 상기 전동식 자동화 영상촬영장치를 상기 대차 본체 상에 고정 체결하는 체결 프레임; 아치형 프레임으로서, 다수의 카메라를 아치형으로 거치하는 아치형 거치 프레임; 상기 아치형 거치 프레임 내에 소정 간격으로 거치되어, 터널 내부를 촬영하는 카메라; 및 상기 카메라의 측면 및 정면 틸팅을 조절할 수 있도록 상기 카메라의 일측 및 후면에 각각 체결되는 틸팅 모터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전동식 자동화 영상촬영장치는 아치형 터널의 형태에 대응하도록 상기 카메라를 상기 아치형 거치 프레임에 아치형으로 배열하여 광학적 왜곡과 기하학적 왜곡을 최소화할 수 있다.
여기서, 상기 다수의 카메라 전체에서 촬영되는 각각의 영상은 CAM Image, Bound Image 및 CAM Configuration로 이루어진 카메라 시스템 운영 소프트웨어 GUI에 의해 처리될 수 있다.
여기서, 상기 CAM Image는 카메라 전체에서 촬영되는 영상을 순차적으로 디스플레이하고, 상기 Bound Image는 인접한 카메라의 영상을 확대하여 제공하고, 파노라마 영상 생성 시에 인접한 카메라가 일정 부분 교차된 영역을 촬영할 수 있도록 카메라가 정상적으로 설정되었는지 확인할 수 있고, 부분적으로 오류가 있을 경우 수동으로 조작하여 CAM의 위치를 조정할 수 있는 기능을 제공하며, 상기 CAM Configuration은 자동으로 설정된 렌즈에 대한 정보 및 틸팅 각도를 포함하는 각 카메라의 설정 상태를 확인할 수 있는 기능을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 양측 주행바퀴가 독립적으로 구동될 수 있도록 각각의 차축에 별도의 구동장치를 적용하고, 좌측 및 우측에서 발생하는 이동거리 차이를 실시간 속도 제어를 통하여 조절함으로써 주행안정성과 정밀성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 터널 검사의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 각 카메라에 전동식 렌즈(Motorized Lens)를 적용하고, 레이저 스캔 후 확보한 터널의 형상에 따라 각 카메라의 틸팅 각도와 배율, 초점거리 및 아이리스를 자동으로 조정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 터널 검사 시스템의 대차 본체의 네 모서리에 각각 INS를 각각 설치하고, 개별구동 자주식 대차의 주행중에 대차 본체의 변화를 측정 및 기록하여 추후 측정 데이터에 반영할 수 있고, 이에 따라 검사 결과의 정확도와 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 터널 스캐닝 및 측정결과를 개략적으로 나타낸 사진 및 측정도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 하이브리드 터널 스캐닝 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 3차원 터널 모델 생성을 위한 옵토-레이저 터널 스캐닝 시스템의 구성도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 3에 도시된 자주식 대차(RGV) 및 측정 모듈이 장착된 자주식 대차(RGV)를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 개별구동 자주식 대차를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차의 측면도이다.
도 8은 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차에서 주행바퀴를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차에서 주행바퀴가 두 개의 구조를 결합하여 형성하는 것을 예시하는 도면이다.
도 10은 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차가 접혀진 상태 및 펼쳐진 상태를 각각 예시하는 도면이다.
도 11a는 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차가 궤도틀림을 보상하는 것을 구체적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 11b는 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차가 자세를 유지하는 것을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차 제어부의 동작을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 전동식 자동화 영상촬영장치를 예시하는 사진이다.
도 14는 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치의 사시도, 정면도 및 측면도이다.
도 15는 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치의 아치형 거치 프레임 및 카메라의 구조를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 16은 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치가 자주식 대차 본체에 탑재된 것을 예시하는 사진이다.
도 17은 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치가 영상촬영장치 제어부에 의해 제어되고, 영상촬영장치 구동부에 의해 구동되는 것을 전반적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 18은 터널의 설계값을 카메라 배치 프로그램에 입력한 후 시뮬레이션을 통하여 각 카메라를 터널의 형상에 맞게 자동으로 설정값을 구하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치가 개별구동 자주식 대차에 장착된 것을 예시하는 사진이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템을 운영하기 위한 GUI를 예시하는 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 관성항법장치에 의한 RGV 자세 모니터링을 예시하는 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 카메라 시스템 운영 소프트웨어 GUI를 예시하는 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 하이브리드 터널 스캐닝 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 3차원 터널 모델 생성을 위한 옵토-레이저 터널 스캐닝 시스템의 구성도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 3에 도시된 자주식 대차(RGV) 및 측정 모듈이 장착된 자주식 대차(RGV)를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 개별구동 자주식 대차를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차의 측면도이다.
도 8은 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차에서 주행바퀴를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차에서 주행바퀴가 두 개의 구조를 결합하여 형성하는 것을 예시하는 도면이다.
도 10은 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차가 접혀진 상태 및 펼쳐진 상태를 각각 예시하는 도면이다.
도 11a는 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차가 궤도틀림을 보상하는 것을 구체적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 11b는 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차가 자세를 유지하는 것을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차 제어부의 동작을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 전동식 자동화 영상촬영장치를 예시하는 사진이다.
도 14는 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치의 사시도, 정면도 및 측면도이다.
도 15는 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치의 아치형 거치 프레임 및 카메라의 구조를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 16은 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치가 자주식 대차 본체에 탑재된 것을 예시하는 사진이다.
도 17은 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치가 영상촬영장치 제어부에 의해 제어되고, 영상촬영장치 구동부에 의해 구동되는 것을 전반적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 18은 터널의 설계값을 카메라 배치 프로그램에 입력한 후 시뮬레이션을 통하여 각 카메라를 터널의 형상에 맞게 자동으로 설정값을 구하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치가 개별구동 자주식 대차에 장착된 것을 예시하는 사진이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템을 운영하기 위한 GUI를 예시하는 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 관성항법장치에 의한 RGV 자세 모니터링을 예시하는 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 카메라 시스템 운영 소프트웨어 GUI를 예시하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
[개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템]
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템(100)은, 개별구동 자주식 대차(RGV: 110), 레이저 스캐너(120), 전동식 자동화 영상촬영장치(130), 레이저 스캐너 구동부(141), 영상촬영장치 구동부(142), 제어부(150), 데이터 정합부(160), GSM 데이터베이스(170), 데이터 처리 및 분석부(180) 및 통합운영 프로그램(190)을 포함한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템(100)은, 레이저 스캐너(120)를 이용하여 획득한 레이저 스캔 데이터와 전동식 자동화 영상촬영장치(130)를 이용하여 획득한 영상 데이터를 이용하여 측정구간 전체에 대한 하나의 정합된 데이터를 생성한다.
개별구동 자주식 대차(Rail Guided Vehicle: RGV)(110)는 프레임 바디 형태로 구현되어 상기 레이저 스캐너(120) 및 전동식 자동화 영상촬영장치(130)가 탑재되며, 예를 들면, 상기 개별구동 자주식 대차(110)는, 주행바퀴에 각각 연결된 좌측 및 우측의 구동모터가 독립적으로 조작되고, 인코더에서 출력된 값을 이용하여 실시간으로 속도를 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 개별구동 자주식 대차(110)는 양측 주행바퀴가 독립적으로 구동될 수 있도록 각각의 차축에 별도의 구동장치를 적용하고, 좌측 및 우측에서 발생하는 이동거리 차이를 실시간 속도 제어를 통하여 조절함으로써 주행안정성과 정밀성을 확보할 수 있고, 이에 따라 터널 검사의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 개별구동 자주식 대차(110)는 주행중에 대차 본체의 사행동을 최소화하기 위하여 대차 본체의 폭(W)과 길이(L)의 비율을 1:1.2를 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 기존의 경우 분기기 지역에서 텅레일(Tongue Rail)의 변형이나 가드레일 등 분기기 구조물의 유격 변화 등에 취약한 구조와 형태를 가지고 있기 때문에 일부 지역에서 탈선하는 현상이 발생하였으나, 바퀴(Wheel)의 설계 요건을 실제 레일에 적합하게 변경함으로써 탈선 현상을 방지할 수 있다.
통합형 관성항법장치(INS: 200)는 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 대차 본체(111)의 네 모서리에 각각 설치되고, 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 주행중에 대차 본체(111)의 변화를 측정 및 기록하여 추후 측정 데이터에 반영함으로써, 검사 결과의 정확도와 신뢰성을 향상시키고, 3차원 가상 터널 구현 시 실제와 일치하는 곡선부와 높낮이 등에 대한 정보를 가시화함으로써 다양한 형태와 요소의 터널 안전사항을 점검할 수 있다.
예를 들면, 상기 통합형 관성항법장치(200)는 3축 자이로스코프, 3축 가속도센서 및 3축 지자기센서가 내장된 초소형 자세 및 방위 기준장치(Attitude Heading Reference System: AHRS) 모듈을 이용하여 1㎑의 속도로 고정밀 자세 데이터를 갱신 및 출력이 가능하며, 전방위 자세 오프셋(Offset) 설정 기능과 중력성분이 제거된 가속도 출력이 가능하다. 또한, 자세 출력 데이터는 Euler angles, Quaternion, Calibrated raw sensor data이며, 센서 결과의 보정을 위하여 센서 온도 데이터를 입력받아 보정할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 통합형 관성항법장치(200)는 복수의 3축 자이로스코프, 3축 가속도계를 조합하여, 그 신호를 컴퓨터로 처리하여 터널 검측 시스템이 탑재된 대차 본체의 위치나 자세 등의 항법 정보를 얻는 장치이다. 이러한 관성항법장치에서는 수평면 내의 직교 2방향(동서 및 남북)과 연직 방향의 합계 3방향의 가속도를 검출하고, 그것을 2회 적분하여 이동 거리를 산출한다. 또한, 이것을 출발점의 위도나 경도 정보와 함께 계산 처리하여 기체의 현재 위치를 구할 수 있다. 이때, 3축 가속도계는 대차 본체의 가속도를 검출하기 위해서, 그리고 3축 자이로스코프는 3방향의 기준축의 위치를 위해서 사용된다.
도 5를 다시 참조하면, 레이저 스캐너(120)는 상기 개별구동 자주식 대차(110)가 이동하는 동안 터널 내부를 검측하여 터널에 대한 3차원 좌표 데이터를 획득한다. 예를 들면, 상기 레이저 스캐너(120)는 상기 개별구동 자주식 대차(110)가 이동하는 동안 360ㅀ로 회전하는 스캐닝 미러를 이용하여 터널에 대한 3차원 좌표 데이터를 획득할 수 있다.
이러한 레이저 스캐너(120)에서, 레이저 스캐닝(laser scanning)은 레이저 측점군(point clouds)을 이용하여 사용자로 하여금 복잡한 대상물을 쉽게 이해하게 해주는 기술이며, 반사경의 움직임(sweeping 또는 rotating) 에 의한 레이저 빔의 편향(deflection), 대상물 표면에서의 레이저 빔의 반사(reflectance)와 반사된 레이저 빔의 수신(receiving)을 통하여 공간정보를 취득하며 레이저로 거리를 측정하고 X, Y, Z 좌표를 가지고 있는 다수의 측점군으로 구성된 3D 모형을 만들게 된다.
전동식 자동화 영상촬영장치(130)는 터널 내부를 촬영하여 영상 데이터를 획득한다. 이때, 상기 전동식 자동화 영상촬영장치(130)는 각 카메라에 전동식 렌즈(Motorized Lens)를 적용하고, 레이저 스캔 후 확보한 터널의 형상에 따라 각 카메라의 틸팅 각도와 배율, 초점거리 및 아이리스를 자동으로 조정할 수 있다. 상기 전동식 자동화 영상촬영장치(130)에 대해서는 도 13 내지 도 19를 참조하여 후술하기로 한다.
레이저 스캐너 구동부(141)는 상기 레이저 스캐너(120)의 스캐닝 미러가 360ㅀ로 회전하도록 구동하고, 영상촬영장치 구동부(142)는 상기 전동식 자동화 영상촬영장치(130)를 구동한다.
제어부(150)는 레이저 스캐너 제어부(151), 영상촬영장치 제어부(152) 및 개별구동 자주식 대차 제어부(153)를 포함하며, 상기 레이저 스캐너 제어부(151)는 상기 레이저 스캐너(120)를 제어하며, 상기 레이저 스캐너(120)로부터 획득된 스캔 데이터를 수신한다. 또한, 상기 영상촬영장치 제어부(152)는 상기 영상촬영장치(130)를 제어하며, 상기 영상촬영장치(130)로부터 촬영된 영상 데이터를 수신한다. 또한, 상기 개별구동 자주식 대차 제어부(153)는 상기 통합형 관성항법장치(200)의 측정 데이터에 따라 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 주행을 제어한다.
데이터 정합부(160)는 상기 레이저 스캐너(120)를 이용하여 획득한 레이저 스캔 데이터와 상기 전동식 자동화 영상촬영장치(130)를 이용하여 획득한 이종의 영상 데이터를 이용하여 측정구간 전체에 대한 하나의 정합된 레이저 데이터를 생성하고, 기하공간지도(Geometric Space Map: GSM) 데이터베이스(170)에 따라 레이저 스캔 데이터를 재구성한다. 이때, 상기 데이터 정합부(160)는 크랙(Crack) 및 이상 징후 트래킹을 위한 검출 알고리즘이 적용되고, 3차원 렌더링을 위한 소프트웨어 개발 키트(software development kit: SDK)를 적용하게 된다. 또한, 상기 데이터 정합부(160)는 상기 영상 데이터 및 레이저 스캔 데이터의 해상도를 0.25㎜로 할 때 웨이브렛-기반의 크랙 검출 알고리즘에 따라 0.5㎜의 미세 크랙을 검출할 수 있다.
데이터 처리 및 분석부(180)는 상기 데이터 정합부(160)에서 정합된 레이저 데이터를 처리 및 분석한다.
통합운영 프로그램(190)은 상기 영상 정합 데이터에 대한 CAD 파일(좌표데이터)을 생성하고 템플릿 데이터와 병합하며, 3차원 렌더링 데이터에 대한 3ds Max 파일을 생성한다. 이에 따라 통합운영 프로그램(190)을 기존의 설계 및 시공 데이터와의 연계 및 확장시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템(100)은, 레이저 스캔 데이터와 영상 데이터 각각에 대한 보정 작업을 거친 후 정합 데이터를 형성하여 3차원 렌더링을 진행하여 3차원 터널 모델을 생성하게 된다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 개별구동 자주식 대차를 나타내는 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차의 측면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 개별구동 자주식 대차(110)는, 대차 본체(111), 조인트 슬라이드(Joint Slide: 112), 구동축(Driving Shaft: 113), 구동모터(Driving Motor: 114), 감속기(Reducer: 115), 인코더(Encoder: 116), 주행바퀴(117), 연결봉(118) 및 연결봉 회전부(119)를 포함한다.
대차 본체(111)는 레이저 스캐너(120), 영상촬영장치(130) 및 통합형 관성항법장치(200) 등을 탑재하기 위한 것으로, 특히, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 대차 본체(111)의 네 모서리에는 각각 통합형 관성항법장치(200)가 탑재되며, 상기 대차 본체(111)는 후방으로 연결봉(118)을 통해 연장될 수 있다.
조인트 슬라이드(112)는 상기 대차 본체(111)의 후면에 탈부착 가능하도록 체결되고, 연결봉(118)에 의해 후방으로 연장될 수 있다.
구동축(113)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 양측 주행바퀴(117)에 각각 체결되는 제1 구동축(113a) 및 제2 구동축(113b)을 구비하며, 상기 제1 구동축(113a) 및 제2 구동축(113b) 각각은 일측이 상기 조인트 슬라이드(112)에 체결되고, 타측이 주행바퀴(117)에 체결된다. 이때, 상기 구동축(113)은 구동모터(114), 감속기(115) 및 인코더(116)가 탑재될 수 있도록 내부가 비어 있는 프레임 형태로 제작된다.
구동모터(114)는 상기 구동축(113) 내에 탑재되어 주행바퀴(117)를 회전시켜 이동시킬 수 있는 구동력을 제공한다.
감속기(115)는 상기 구동모터(114)에 결합되어 상기 구동모터(114)의 가감속을 제어한다.
인코더(116)는 상기 감속기(115) 및 주행바퀴(117) 사이에서 상기 구동모터(114)와 결합되어 상기 구동모터(114)의 회전수를 카운트한다.
주행바퀴(117)는 상기 구동모터(114)에 의해 회전하면서 상기 대차 본체(111)를 이동시킨다.
연결봉(118)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 대차 본체(111) 하부에서 일측이 상기 조인트 슬라이드(112)에 체결되어 상기 조인트 슬라이드(112)를 후방으로 연장시킬 수 있다.
연결봉 회전부(119)는, 후술하는 도 11a에서 도면부호 A로 도시된 바와 같이, 상기 대차 본체(111)의 후면 하부에 형성되고, 상기 연결봉(118)을 10도의 범위 내에서 회전시킬 수 있다. 이에 따라 상기 조인트 슬라이드(112)의 양측에 연결된 주행바퀴(117)가 레일(300)의 승하강에 대응하여 자세를 유지할 수 있고, 상기 대차 본체(111)의 주행중에 발생하는 궤도틀림을 보상할 수 있다.
따라서 기존에는 한 개의 구동모터를 이용하여 동일한 구동축으로 양측의 주행바퀴를 구동하는 방식이지만, 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차(110)는 양측의 바퀴(117)에 각각 구동모터(114)를 장착하여 서로 독립된 구동축(113a, 113b)으로 구동하는 방식이다.
구체적으로, 일반적인 철도차량의 구동부는 양쪽 차륜이 동일한 구동축에 고정되어 연결된 구조를 갖는다. 그러나 철도 레일이나 터널 등 철도시설물 검사를 위하여 사용되는 경량차체(100㎏)와 저속주행(10㎞/hr) 및 자체동력에 의한 자주식 운용의 특성을 가지는 자율 주행 시스템인 자주식 대차(Rail-guided Vehicle: RGV)(110)에 대하여 일반적인 철도차량과 같은 방식의 구동축을 적용할 경우, 현저히 낮은 차체 중량 등의 차이에 따라 선로의 상태, 예를 들면, 궤도틀림, 마모상태, 캔트 등에 민감하게 영향을 받는 단점을 가지게 된다. 특히, 터널과 같은 원거리 시설물에 대한 측정과 검사에서 정속 주행 및 저진동 유지의 주행안정성을 확보하지 못하게 되어 측정 정밀도 저하 등의 측정 신뢰성에 대한 문제가 발생하기 때문에 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차(110)의 양측의 바퀴(117)에 각각 구동모터(114)를 장착하여 서로 독립된 구동축(113a, 113b)으로 구동함으로써, 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 주행안정성을 개선할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차(110)는 구동모터와 결합된 인코더로부터 구동모터의 회전시 발생하는 펄스 출력값을 확인하여 1초 단위로 각 축의 이동거리를 계산하여 양축의 회전속도를 실시간으로 제어하여 궤도의 불균형이나 캔트에 의하여 발생하는 좌우 궤도의 이동거리 차이에 의한 다양한 운전환경에 동적으로 대응할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차(110)는 측정센서와 현장 측정에 사용되는 모든 장비들을 탑재하고, 배터리 구동 방식에 의하여 자동 주행하는 일종의 로봇 시스템으로서, 부속 장치의 탈착, 부착 및 운반을 용이하게 할 수 있는 구조를 확보함으로써 무게를 최소화할 수 있고, 또한, 설치된 PC나 휴대형 운전장치를 이용하여 원격 구동이 가능하다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차(110)는 주행중에 이동거리를 측정할 수 있는 인코더(Encoder: 1116)와 DSP(Digital Signal Processor) 기반의 컨트롤러를 장착하고, 상기 DSP 기반의 컨트롤러는 1㎝마다 주행거리 정보를 실시간 연산하여, 예를 들면, 이더넷(Ethernet) 통신으로 LAN HUB에 연결되어 PC와의 데이터 통신이 이루어짐으로써 전체 운영 프로그램과 연결하여 제어할 수 있고, 또한, 정속 주행을 위한 속도 및 가감속 제어가 실시간으로 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차(110)의 구동부는 전자제어를 위한 모터 드라이버와 모터 및 감속기로 구성되며, 이때, 모터 드라이브는 구동 컨트롤러에서 제공되는 아날로그 DC 전압으로 운전 속도를 제어할 수 있도록 함으로써 DSP 기반의 컨트롤러에 의한 직접 제어가 가능하다.
한편, 도 8은 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차에서 주행바퀴를 구체적으로 나타내는 도면으로서, 도 8의 a)는 사시도이고, 도 8의 b)는 측면도이며, 또한, 도 9는 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차에서 주행바퀴가 두 개의 구조를 결합하여 형성하는 것을 예시하는 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 주행바퀴(117)는 플랜지(Flange: 117-1), 림(Rim: 117-2), 플레이트(Plate: 117-3) 및 우레탄 코팅(117-4)을 포함한다.
상기 개별구동 자주식 대차(110)의 주행바퀴(117)는 레일(300)과의 접촉력을 증가시키고 진동을 최대한 억제하기 위하여 레일(300)과 접촉하는 표면에 우레탄 코팅(117-4)을 하여 탄성력을 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차에서(110)에서 주행바퀴(117)는, 예를 들면, 분기기 구간에서 탈선이 발생하지 않도록 다음의 표 1에 나타낸 바와 같이 실제 철도차량에서 사용하는 참조값을 이용하여 바퀴 및 궤간의 설계 사양에 따라 제작된다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차(110)에서 주행바퀴(117)는 제작의 효율성과 내구성을 확보하기 위하여 도 9에 도시된 바와 같이, 도 9의 a) 및 도 9의 b)에 도시된 두 개의 구조를 결합함으로써, 도 9의 c)에 도시된 형태를 갖는다. 이때, 도 9의 c)에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 주행바퀴(117)의 직경(D)은 300㎜이고, 폭(W)은 95㎜이며, 경사각은 5ㅀ이고, 플랜지 경사각은 80ㅀ이며, 플랜지 두께는 27㎜이고, 플랜지 높이는 25㎜로 제작된다.
한편, 도 10은 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차가 접혀진 상태 및 펼쳐진 상태를 각각 예시하는 도면이다.
도 10의 a)는 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차(110)의 경우, 대차 본체(117) 상에 전륜 우측바퀴(117FR), 전륜 좌측바퀴(117FL), 후륜 우측바퀴(117RR) 및 후륜 좌측바퀴(117RL)로 이루어진 주행바퀴(117)가 연결되며, 이때, 상기 대차 본체(117)의 후방에 조인트 슬라이드(112)가 체결되어 접혀진 상태를 나타낸다. 또한, 도 10의 b)는 상기 대차 본체(117)에 체결된 상기 조인트 슬라이드(112)를 후방으로 이동시켜 펼친 것을 나타낸다.
구체적으로, 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 주행시에 사행동(Snake Motion)을 줄이고 궤도틀림 발생 구간 또는 곡선 구간에서의 주행 안정성을 높이기 위한 구조로서, 도 10의 b)에 도시된 바와 같이, 접혀진 상태의 뒷바퀴(Rear Wheel) 축을 잡아 빼서 연장시킬 수 있고, 이에 따라 좌우 양측 주행바퀴 간의 폭(W)과 전체 대차 본체(111)의 길이(D)가 1:1.2가 되어, 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 주행시에 사행동을 저감시킬 수 있고, 결국, 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 주행 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 대차 본체(111)에 가해지는 하중의 무게 중심은, 도 10의 b)에 도시된 바와 같이, 앞바퀴(Front Wheel) 축에 맞춤으로써 주행 중 대차 본체(111)가 앞뒤로 출렁거리는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 대차 본체(111) 상에 레이저 스캐너(120)가 탑재되는 레이저 프레임, 영상촬영장치(130)가 탑재되는 카메라 프레임 및 제어부(150)가 탑재되는 프레임이 장착됨으로써 추후 고장수리 및 장비의 유지보수가 효율적으로 이루어질 수 있다.
한편, 도 11a는 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차가 궤도틀림을 보상하는 것을 구체적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 11b는 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차가 자세를 유지하는 것을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 11a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차(110)의 경우, 뒷바퀴 축이 대차 본체(111)에 고정된 상태가 아니라 뒷바퀴 축이 대차 본체(111)와 연결된 연결봉(119)을 좌우로 일정 각도의 범위 내에서 회전시킬 수 있다.
또한, 구동부가 위치한 앞쪽의 주행바퀴와 뒤쪽의 주행바퀴 모두가 레일(300)에 안착하여 접점을 형성함으로써, 정속도 유지 및 탈선 방지 가능성을 향상시키도록 전면 구조물과 후면 구조물이 연결되며, 도 11a에 도시된 바와 같이 좌우로 일정 각도의 범위, 예를 들면, ㅁ 10ㅀ 내에서 회전할 수 있도록 설계함으로써, 좌측 및 우측 레일(300)의 궤간 또는 면틀림, 고저틀림 등에 의하여 주행바퀴(117)가 레일(300)로부터 떨어지는 현상을 방지할 수 있다.
구체적으로, 도 11b에 도시된 바와 같이, 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 주행중에 궤도틀림에 의한 좌우 레일(300)의 차이가 발생하는 구간이나 곡선부에서 캔트(CANT)에 의한 경사가 발생하여도 상기 조인트 슬라이드(112)의 양측에 각각 체결된 뒷바퀴가 상하로 승강 또는 하강하여 상기 대차 본체(111)의 균형을 잡아줌으로써 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 주행 안정성을 확보할 수 있다.
한편, 도 12는 도 6에 도시된 개별구동 자주식 대차 제어부의 동작을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차(110)는 2개의 구동축이 각각 폐쇄 루프(Closed-Loop)를 형성하는 개별구동 자주식 대차 제어부(153)에 의해 구동이 제어되며, 이때, 상기 개별구동 자주식 대차 제어부(153)는 디지털 필터, 영차홀드(ZOH), 디지털/아날로그 변환기(DAC) 및 증폭기(AMP)로 구성될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 여기서, R은 Armature Resistance(Ω)를 나타낸다.
이때, 실질적으로 구동모터(114)에 인가되는 구동전원은 증폭기(AMP)를 통하여 전달되며, 이때, 상기 증폭기(AMP)는 전압 구동(Voltage Drive) 모드, 전류 구동(Current Drive) 모드 및 속도 루프(Velocity Loop) 모드에 의한 운전 알고리즘이 설정될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 터널 검사 시스템(100)은, 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 각 구동축의 통합 제어를 위해서 RISC-기반 마이크로컴퓨터가 내장된 모터 컨트롤러를 사용할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
한편, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 전동식 자동화 영상촬영장치를 예시하는 사진이고, 도 14는 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치의 사시도, 정면도 및 측면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 전동식 자동화 영상촬영장치(130)는, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 포커스/줌/아이리스를 자동으로 조절할 수 있도록 전동식 렌즈(133-2)를 사용하며, 또한, 카메라의 틸팅을 조절하기 위해 틸팅 모터(134)를 사용한다. 이때, 각각의 전동식 렌즈(133-2)와 각 카메라(133)에 연결되는 틸팅 모터(134)들은 18개의 독립된 스텝 모터 드라이버와 컨트롤러에 의해 제어되고, 각각의 컨트롤러들은 메인 컨트롤러에 의항 일괄적으로 제어되는 방식을 사용한다.
이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템은, 각 카메라에 전동식 렌즈(Motorized Lens)를 적용하고, 레이저 스캔 후 확보한 터널의 형상에 따라 각 카메라의 틸팅 각도와 배율, 초점거리 및 아이리스를 자동으로 조정할 수 있도록 위치를 연산 및 제어할 수 있다. 또한, 터널 검사 중에 터널의 형태가 바뀌는 경우, 동일한 품질의 영상을 촬영할 수 있도록 실시간으로 각 카메라의 틸팅 각도와 배율, 초점거리 및 아이리스를 자동으로 조정할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 전동식 자동화 영상촬영장치(130)는, 체결 프레임(131), 아치형 거치 프레임(132), 카메라(133), 틸팅 모터(134) 및 지지대(135)를 포함한다.
체결 프레임(131)은 전동식 자동화 영상촬영장치(130)를 상기 대차 본체(111) 상에 고정 체결하기 위한 것으로, 예를 들면, 볼트 체결될 수 있다.
아치형 거치 프레임(132)은 아치 형태의 프레임으로서, 다수의 카메라, 예를 들면, 9대의 카메라(133)를 아치형으로 거치할 수 있다.
카메라(133)는 상기 아치형 거치 프레임(132) 내에 소정 간격으로 거치된다.
틸팅 모터(134)는 상기 카메라(133)의 측면 및 정면 틸팅을 조절할 수 있도록 상기 카메라(133)의 일측 및 후면에 각각 체결된다. 즉, 상기 카메라(133)가 9대인 경우, 상기 틸팅 모터(134)는 18개가 된다.
지지대(135)는 상기 아치형 거치 프레임(132)을 보강하도록 소정 간격마다 상기 아치형 거치 프레임(132)에 체결된다.
한편, 도 15는 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치의 아치형 거치 프레임 및 카메라의 구조를 구체적으로 나타내는 도면이고, 도 16은 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치가 자주식 대차 본체에 탑재된 것을 예시하는 사진이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전동식 자동화 영상촬영장치(130)에서 카메라(133)는 전면 카메라(5메가픽셀 카메라)(133-1), 전동식 렌즈(133-2), 카메라 인터페이스 보드(133-3) 및 모터구동 보드(133-4)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 전동식 자동화 영상촬영장치(130)에서, 카메라(133)는 9대의 전면 카메라(133-1), 9대의 전동렌즈(Motorized Lens) 및 이를 구동하기 위한 모터구동 보드(133-4) 및 카메라 인터페이스 보드(133-3)로 구성되며, 상기 아치형 거치 프레임(132)에 장착된다. 여기서, 상기 전동식 렌즈(133-2)는 포커스, 줌 및 아이리스를 자동으로 조절하기 위한 것이다.
한편, 도 17은 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치가 영상촬영장치 제어부에 의해 제어되고, 영상촬영장치 구동부에 의해 구동되는 것을 전반적으로 설명하기 위한 구성도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전동식 자동화 영상촬영장치(130)에서 각 카메라들(133)은 Giga-ethernet 인터페이스를 가지며, 이를 한 대의 PC로 운영하기 위하여 모든 카메라는 Giga-ethernet to USB 3.0 컨버터를 이용하여 PC와 연결하고, EH한, PCI-e x 16 인터페이스 보드를 사용하여 Giga-ethernet 포트 또는 USB 3.0 포트의 확장 적용과 CAT. 7 Grade의 UTP 케이블을 사용함으로써, 각각의 카메라(133)와 연결된 PC와 Interface 상에 300Mbps 이상의 전송속도를 유지할 수 있다. 또한, 동시에 9대의 카메라(133)로부터 영상을 캡처할 수 있도록 각 채널이 500Mbps의 전송속도를 확보할 수 있다.
한편, 도 18은 터널의 설계값을 카메라 배치 프로그램에 입력한 후 시뮬레이션을 통하여 각 카메라를 터널의 형상에 맞게 자동으로 설정값을 구하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 현장에 가기 전 측정하고자 하는 터널의 설계값을 카메라 배치 프로그램에 입력한 후 시뮬레이션을 통하여 각 카메라를 터널의 형상에 맞게 자동으로 설정값을 설정할 수 있다.
또한, 현장에서의 경우 레이저 스캐너(120)를 이용하여 프리스캔(Pre-scan)을 실시한 후 프리스캔(Pre-scan)에 대한 결과 중에서 단면 100개를 사용하여 기준 터널(Reference Tunnel)을 생성하고, 이와 같이 생성된 기준 터널을 이용하여 각 카메라의 배치를 위한 설정값을 용이하게 설정할 수 있다. 예를 들면, 도 18에 도시된 CAM 레이아웃 시뮬레이터(Layout Simulator)는 터널의 형태를 입력값으로 할 경우, 카메라의 배치와 각 카메라의 설정값을 자동으로 출력하며, 이를 이용하여 현장 작업 전에 카메라 배치를 간편하게 수행할 수 있다.
한편, 도 19는 도 13에 도시된 전동식 자동화 영상촬영장치가 개별구동 자주식 대차에 장착된 것을 예시하는 사진이다.
본 발명의 실시예에 따른 전동식 자동화 영상촬영장치(130)는 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 대차 본체(111) 중앙부에 고정되도록 설치되고, 이때, 상기 대차 본체(111)의 전면부에는 레이저 스캐너(120)가 설치되고, 4 모서리에는 통합형 관성항법장치(200)가 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전동식 자동화 영상촬영장치가 자주식 대차 본체에 탑재된 형태는, 도 19에 도시된 바와 같고, 예를 들면, 아치형 터널의 형태에 대응하도록 카메라를 배열하여 광학적 왜곡과 기하학적 왜곡을 최소화할 수 있도록 설계 및 제작함으로써, 레이저 스캔으로 터널의 형상이 확인되면 프로그램적으로 카메라의 틸팅 각도와 카메라의 포커스, 줌 및 아이리스가 자동을 설정될 수 있다. 이때, 카메라 자동 설정에 대한 기능은, 전술한 도 17에 도시된 바와 같이, CPC에서 운영되는 Camera System 운영 소프트웨어에 포함되어 운영되고, 예를 들면, RS-232 통신으로 각 카메라에 장착된 렌즈 드라이버와의 통신을 통하여 제어될 수 있다.
한편, 도 20은 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템을 운영하기 위한 GUI를 예시하는 도면이고, 도 21은 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 관성항법장치에 의한 RGV 자세 모니터링을 예시하는 도면이다.
도 20에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템을 운영하기 위한 GUI 화면(400)은, 레이저 스캔에 필요한 모든 기능과 RGV 운전 제어 등의 기능을 포함하여 현장 측정 시 메인 소프트웨어로서의 기능을 담당한다.
본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템의 제어는 RGV 제어(410)를 통한 운전 제어, 레이저 제어(420) 및 조명 제어(430) 기능 등을 포함하며, 전술한 개별구동 RGV(110) 에 장착된 통합형 관성항법장치(200)의 정보를 표시하는 기능을 포함한다.
구체적으로, RGV 제어(RGV Control: 410)는 개별구동 RGV(110) 구동에 대한 제어 기능으로서 이동속도 거리 및 자동주행 방식에 의하여 지정된 위치까지 이동한 후 자동으로 출발 위치로 돌아올 수 있는 자동복귀 기능의 설정 등을 포함하며, 예를 들면, 전진, 후진, 정지의 운전제어를 위한 제어 기능과 표시 기능을 제공한다.
레이저 제어(Laser Control: 420)는 레이저 스캐너(120)의 스캔 시 측정 데이터의 샘플 수 및 측정할 최대 거리 및 샘플링 주기를 결정할 수 있는 기능을 제공하며, 레이저 스캐너 제조시에 장치의 특성에 따라 정해진 측정한 레이저 스캔 데이터를 보정하기 위한 보정 데이터를 선택할 수 있도록 하는 기능과 스캔 미러의 회전 속도를 지정할 수 있는 기능과 함께 스캔 시작 및 정지의 작동제어를 위한 제어 기능과 표시 기능을 제공한다.
조명 제어(Light Control: 430)는 개별구동 RGV(110)에 장착된 4개의 LED 조명(도시되지 않음)을 제어할 수 있는 기능을 제공하고, 작동 상태를 표시하며, 공급되는 전압의 상태를 확인할 수 있는 기능을 제공한다.
RGV 자세 모니터링(RGV Attitude Monitoring: 440)은, 도 21에 도시된 바와 같이, 개별구동 RGV(110)에 장착된 4개의 통합형 관성항법장치(200)로부터 입력되는 센싱 정보를 출력하는 기능을 가지며, 개별구동 RGV(110)의 자세에 대한 누적된 정보를 표시하기 위한 3개의 차트, 예를 들면, 경도(Longitudinal), 수직(Vertical) 및 캔트(Cant)로 구성된다. 여기서, 상기 통합형 관성항법장치(200)는 초소형의 3축 자이로스코프 및 3축 가속도센서와 3축 지자기센서가 내장된 초소형 AHRS 모듈로서, 고정밀 자세 데이터를 최대 1㎑까지 출력할 수 있는 기능을 가지고 있다. 또한, 전방위 자세 오프셋(Offset) 설정 기능과 중력성분이 제거된 가속도 출력 기능을 가지며, Euler Angles 및 Quaternion, Calibrated raw sensor data의 자세 출력 데이터를 제공한다.
스캔 정보(Scan Information: 450)는 진행중인 레이저 스캔 데이터(460)와 관련된 종합정보를 사용자에게 제공함으로써, 사용자 편의성과 스캔이 정상적으로 진행되고 있는지를 알려주기 위한 기능을 제공한다.
한편, 도 22는 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 카메라 시스템 운영 소프트웨어 GUI를 예시하는 도면이다.
도 22에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템에서 카메라 시스템 운영 소프트웨어 GUI는, CAM Image(510), Bound Image(520) 및 CAM Configuration(530)을 포함한다.
구체적으로, CAM Image(510)는 카메라 전체에서 촬영되는 영상을 디스플레이하며 1번 CAM을 좌측으로 하여 순차적으로 보여줄 수 있다.
또한, Bound Image(520)는 인접한 카메라의 영상을 확대하여 제공하고, 또한, 파노라마 영상 생성 시에 인접한 카메라가 일정 부분 교차된 영역을 촬영할 수 있도록 카메라가 정상적으로 설정되었는지 확인할 수 있고, 또한, 부분적으로 오류가 있을 경우 수동으로 조작하여 CAM의 위치를 조정할 수 있는 기능을 제공한다.
또한, CAM Configuration(530)은 자동으로 설정된 렌즈에 대한 정보, 틸팅 각도 등 각 카메라의 설정 상태를 확인할 수 있는 기능을 제공한다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 터널의 내부 벽면을 스캐닝하는 터널 검사 시스템에 있어서, 양측 주행바퀴가 독립적으로 구동될 수 있도록 각각의 차축에 별도의 구동장치를 적용하고, 좌측 및 우측에서 발생하는 이동거리 차이를 실시간 속도 제어를 통하여 조절할 수 있고, 또한, 각 카메라에 전동식 렌즈를 적용하고, 레이저 스캔 후 확보한 터널의 형상에 따라 각 카메라의 틸팅 각도와 배율, 초점거리 및 아이리스를 자동으로 조정할 수 있으며, 또한, 터널 검사 시스템의 대차 본체의 네 모서리에 각각 INS를 각각 설치하고, 자주식 대차의 주행중에 대차 본체의 변화를 측정 및 기록하여 추후 측정 데이터에 반영할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 터널 검사 시스템
300: 레일
110: 개별구동 자주식 대차(Rail Guided Vehicle: RGV)
120: 레이저 스캐너
130: 전동식 자동화 영상촬영장치
141: 레이저 스캐너 구동부
142: 영상촬영장치 구동부
150: 제어부
151: 레이저 스캐너 제어부
152: 영상촬영장치 제어부
153: 개별구동 자주식 대차 제어부
160: 데이터 정합부
170: GSM(Geometric Space Map) 데이터베이스
180: 데이터 처리 및 분석부
190: 통합운영 프로그램
200: 통합형 관성항법장치(Inertial Navigation System: INS)
111: 대차 본체
112: 조인트 슬라이드(Joint Slide)
113: 구동축(Driving Shaft)
113a: 제1 구동축
113b: 제2 구동축
114: 구동모터(Driving Motor)
115: 감속기(Reducer)
116: 인코더(Encoder)
117: 주행바퀴(Wheel)
118: 연결봉
119: 연결봉 회전부
117-1: 플랜지(Flange)
117-2: 림(Rim)
117-3: 플레이트(Plate)
117-4: 우레탄 코팅
131: 체결 프레임
132: 아치형 거치 프레임
133: 카메라
134: 틸팅 모터
135: 지지대
133-1: 전면 카메라
133-2: 전동식 렌즈
133-3: 카메라 인터페이스 보드
133-4: 모터구동 보드
300: 레일
110: 개별구동 자주식 대차(Rail Guided Vehicle: RGV)
120: 레이저 스캐너
130: 전동식 자동화 영상촬영장치
141: 레이저 스캐너 구동부
142: 영상촬영장치 구동부
150: 제어부
151: 레이저 스캐너 제어부
152: 영상촬영장치 제어부
153: 개별구동 자주식 대차 제어부
160: 데이터 정합부
170: GSM(Geometric Space Map) 데이터베이스
180: 데이터 처리 및 분석부
190: 통합운영 프로그램
200: 통합형 관성항법장치(Inertial Navigation System: INS)
111: 대차 본체
112: 조인트 슬라이드(Joint Slide)
113: 구동축(Driving Shaft)
113a: 제1 구동축
113b: 제2 구동축
114: 구동모터(Driving Motor)
115: 감속기(Reducer)
116: 인코더(Encoder)
117: 주행바퀴(Wheel)
118: 연결봉
119: 연결봉 회전부
117-1: 플랜지(Flange)
117-2: 림(Rim)
117-3: 플레이트(Plate)
117-4: 우레탄 코팅
131: 체결 프레임
132: 아치형 거치 프레임
133: 카메라
134: 틸팅 모터
135: 지지대
133-1: 전면 카메라
133-2: 전동식 렌즈
133-3: 카메라 인터페이스 보드
133-4: 모터구동 보드
Claims (17)
- 레이저 스캐너(120), 전동식 자동화 영상촬영장치(130) 및 통합형 관성항법장치(200)가 탑재되는 프레임 바디 형태의 자주식 대차(RGV)로서, 서로 독립된 구동축을 따라 양측 주행바퀴가 각각 구동되는 개별구동 자주식 대차(RGV: 110);
상기 개별구동 자주식 대차(110)의 4 모서리에 각각 탑재되고, 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 이동에 따른 자세 유지 데이터를 제공하는 통합형 관성항법장치(INS: 200);
상기 개별구동 자주식 대차(RGV)가 이동하는 동안 터널 내부를 검측하여 터널에 대한 3차원 좌표 데이터를 획득하는 레이저 스캐너(120);
전동식 렌즈를 구비한 카메라를 이용하여 터널 내부를 촬영하는 전동식 자동화 영상촬영장치(130);
상기 레이저 스캐너(120)를 이용하여 획득한 레이저 스캔 데이터와 상기 전동식 자동화 영상촬영장치(130)를 이용하여 획득한 이종의 영상 데이터를 이용하여 측정구간 전체에 대한 하나의 정합된 레이저 데이터를 생성하고, 기하공간지도(GSM) 데이터베이스(170)에 근거하여 레이저 스캔 데이터를 재구성하는 데이터 정합부(160); 및
상기 데이터 정합부에서 정합된 레이저 데이터를 처리 및 분석하는 데이터 처리 및 분석부(180)를 포함하며,
상기 개별구동 자주식 대차(110)는 서로 독립된 구동축을 따라 양측 주행바퀴가 독립적으로 구동됨으로써, 좌측 및 우측 바퀴에서 발생하는 이동거리 차이를 실시간 속도 제어를 통하여 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 통합형 관성항법장치(200)는 개별구동 자주식 대차(110)의 대차 본체(111) 네 모서리에 각각 설치되어, 상기 개별구동 자주식 대차(110)의 주행중에 상기 대차 본체(111)의 변화를 측정 및 기록하여 상기 터널 검사를 위한 측정 데이터에 반영하는 것을 특징으로 하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 통합형 관성항법장치(200)는 3축 자이로스코프, 3축 가속도센서 및 3축 지자기센서가 내장된 초소형 자세 및 방위 기준장치(Attitude Heading Reference System: AHRS) 모듈을 이용하여 1㎑의 속도로 상기 개별구동 자주식 대차(110)에 대한 고정밀 자세 데이터를 갱신 및 출력하는 것을 특징으로 하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 통합형 관성항법장치(200)는 상기 개별구동 자주식 대차(110)에 대한 전방위 자세 오프셋(Offset)을 설정하고, 중력성분이 제거된 가속도 출력이 가능한 것을 특징으로 하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 개별구동 자주식 대차(110)는,
상기 레이저 스캐너(120), 영상촬영장치(130) 및 통합형 관성항법장치(200)가 탑재되는 대차 본체(111);
상기 대차 본체(111)의 후면에 탈부착 가능하도록 체결되고, 연결봉(118)에 의해 후방으로 연장되는 조인트 슬라이드(Joint Slide: 112);
양측 주행바퀴(117)에 각각 체결되는 제1 구동축(113a) 및 제2 구동축(113b)을 포함하며, 상기 제1 구동축(113a) 및 제2 구동축(113b) 각각은 일측이 상기 조인트 슬라이드(112)에 체결되고, 타측이 주행바퀴(117)에 체결되는 구동축(Driving Shaft: 113);
상기 구동축(113) 내에 탑재되어 주행바퀴(117)를 회전시켜 이동시킬 수 있는 구동력을 제공하는 구동모터(Driving Motor: 114);
상기 구동모터(114)에 결합되어 상기 구동모터(114)의 가감속을 제어하는 감속기(Reducer: 115);
상기 감속기(115) 및 주행바퀴(117) 사이에서 상기 구동모터(114)와 결합되어 상기 구동모터(114)의 회전수를 카운트하는 인코더(Encoder: 116);
상기 구동모터(114)에 의해 회전하면서 상기 대차 본체(111)를 이동시키는 주행바퀴(117);
상기 대차 본체(111) 하부에서 일측이 상기 조인트 슬라이드(112)에 체결되어 상기 조인트 슬라이드(112)를 후방으로 연장시키는 연결봉(118); 및
상기 대차 본체(111)의 후면 하부에 형성되고, 상기 대차 본체(111)의 주행중에 발생하는 궤도틀림을 보상할 수 있도록 상기 연결봉(118)을 일정 범위 내에서 회전시키는 연결봉 회전부(119)를 포함하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 개별구동 자주식 대차(110)는 주행중에 상기 대차 본체(111)의 사행동을 최소화하기 위하여 상기 대차 본체(111)의 폭(W)과 길이(L)의 비율을 1:1.2를 유지하는 것을 특징으로 하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 대차 본체(111)에 가해지는 하중의 무게 중심은 앞바퀴(Front Wheel) 축에 맞춤으로써 주행중에 상기 대차 본체(111)가 앞뒤로 출렁거리는 현상을 방지하는 것을 특징으로 하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 구동축(113)은 구동모터(114), 감속기(115) 및 인코더(116)가 탑재될 수 있도록 내부가 비어 있는 프레임 형태로 제작되는 것을 특징으로 하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 연결봉(118)은 상기 연결봉 회전부(119)에 의해 10도 범위 내에서 회전함으로써 상기 조인트 슬라이드(112)의 양측에 연결된 주행바퀴(117)가 레일(300)의 승하강에 대응하여 자세를 유지하고, 상기 대차 본체(111)의 주행중에 발생하는 궤도틀림을 보상하는 것을 특징으로 하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 개별구동 자주식 대차(110)의 주행바퀴(117)는 레일(300)과의 접촉력을 증가시키고 진동을 최대한 억제하기 위하여 레일(300)과 접촉하는 표면에 우레탄 코팅(117-4)을 하여 탄성력을 유지하는 것을 특징으로 하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 전동식 자동화 영상촬영장치(130)는 각 카메라에 전동식 렌즈를 적용하고, 레이저 스캔 후 확보한 터널의 형상에 따라 각 카메라의 틸팅 각도와 배율, 초점거리 및 아이리스를 자동으로 조정하는 것을 특징으로 하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템. - 제13항에 있어서, 상기 전동식 자동화 영상촬영장치(130)는,
상기 전동식 자동화 영상촬영장치(130)를 개별구동 자주식 대차(110)의 대차 본체(111) 상에 고정 체결하는 체결 프레임(131);
아치형의 프레임으로서, 다수의 카메라(133)를 아치 형태로 거치하는 아치형 거치 프레임(132);
상기 아치형 거치 프레임(132) 내에 소정 간격으로 거치되어, 터널 내부를 촬영하는 카메라(133); 및
상기 카메라(133)의 측면 및 정면 틸팅을 조절할 수 있도록 상기 카메라(133)의 일측 및 후면에 각각 체결되는 틸팅 모터(134)
를 포함하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템. - 제14항에 있어서,
상기 전동식 자동화 영상촬영장치(130)는 아치형 터널의 형태에 대응하도록 상기 카메라(133)를 상기 아치형 거치 프레임(132)에 아치형으로 배열하여 광학적 왜곡과 기하학적 왜곡을 최소화하는 것을 특징으로 하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템. - 제14항에 있어서,
상기 다수의 카메라(133) 전체에서 촬영되는 각각의 영상은 CAM Image(510), Bound Image(520) 및 CAM Configuration(530)로 이루어진 카메라 시스템 운영 소프트웨어 GUI에 의해 처리되는 것을 특징으로 하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 CAM Image(510)는 카메라(133) 전체에서 촬영되는 영상을 순차적으로 디스플레이하고, 상기 Bound Image(520)는 인접한 카메라의 영상을 확대하여 제공하고, 파노라마 영상 생성 시에 인접한 카메라가 일정 부분 교차된 영역을 촬영할 수 있도록 카메라가 정상적으로 설정되었는지 확인할 수 있고, 부분적으로 오류가 있을 경우 수동으로 조작하여 CAM의 위치를 조정할 수 있는 기능을 제공하며, 상기 CAM Configuration(530)은 자동으로 설정된 렌즈에 대한 정보 및 틸팅 각도를 포함하는 각 카메라의 설정 상태를 확인할 수 있는 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 개별구동 자주식 대차 및 관성항법장치를 구비한 터널 검사 시스템.
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