KR101883340B1 - 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동 측정에서의 측점 위치 오차 보정장치 - Google Patents

해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동 측정에서의 측점 위치 오차 보정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 측점(station) 오차를 보정할 수 있는 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동 측정에서의 측점 위치 오차 보정장치를 제공하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명에서는 비전모듈의 비전카메라가 인식 가능한 마크가 일정한 간격을 두고 표식된 한 쌍의 평행한 레일을 따라 주행하는 한 쌍의 차륜에 의해 이동하는 대차, 상기 대차에 탑재되어 상기 차륜을 회전시키기 위한 구동력을 발생 및 전달하는 구동모듈, 상기 대차에 탑재되어 터널의 라이닝에 레이저를 조사하고 표면을 스캔하여 변위 및 변상 데이터를 획득 및 생성하는 3차원 레이저 스캐너모듈, 상기 레일의 마크 영상을 획득하고 화상처리를 통하여 상기 대차의 위치 및 각도 오차 보정을 위한 레퍼런스 위치 및 각도를 산출하는 비전모듈, 상기 3차원 레이저 스캐너모듈 및 상기 비전모듈을 장착한 채로 상기 대차에 탑재되어 상기 비전모듈의 레퍼런스 위치 및 각도 산출 값에 따라 Z, Y, θ 축 방향으로 움직여 위치 및 각도 오차를 보정하는 스테이지모듈 및 상기 구동모듈과, 상기 3차원 레이저 스캐너모듈, 상기 스테이지모듈 및 상기 비전모듈의 작동을 제어하는 제어모듈을 포함하는 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동 측정에서의 측점 위치 오차 보정장치를 개시한다.

Description

해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동 측정에서의 측점 위치 오차 보정장치{POSITION ERROR COMPENSATION DEVICE OF BOGIE FOR SUBSEA TUNNEL}
본 발명은 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3차원 레이저 스캐너를 이용하여 실시간으로 측정한 해저터널 라이닝의 변위 및 변상 데이터와 전회 참조(reference) 데이터를 패턴 매칭 방식의 대조를 통해 해저터널 라이닝 변위 및 변상을 자동측정 시 레일의 유격 및 마모 등에 따른 측점(station) 오차를 정확하게 보정함으로써 정밀도와 신뢰도를 향상시킬 수 있는 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동 측정에서의 측점 위치 오차 보정장치에 관한 것이다.
오늘날 국가적인 여객 및 물류 수요의 증가로 인해 자국 내 도서지역 및 인접국가 간 교통망의 확충 및 다양한 종류의 교통 수요가 요구됨에 따라 현재 해저터널은 두 지역을 있는 주요 사회기반시설의 하나로서 지속적으로 증가하고 있다.
이러한 해저터널은 지상터널과는 비교할 수 없는 초장대터널로 시공되는 사례가 많기 때문에 예상치 못한 지층의 변화 또는 고수압에 의한 돌발적인 사태 발생에 대비한 고도의 시공 및 유지관리 기술이 요구되며, 아울러 시공 및 운영 중의 안전성을 확보하기 위해서는 해저터널의 특성을 고려한 계측이 필수적으로 요구된다.
한편, 해저터널의 구조상 라이닝은 중요한 요소로 토압, 수압 등의 하중에 장기적으로 견뎌내고 균열, 변형, 파괴 등을 일으키지 않으며, 내구성 이외에 수밀성과 평탄성 등의 성질을 갖고 터널로서는 필요한 공간과 기능을 확실하게 유지하여야 한다.
이러한 라이닝에 해저터널의 노후화로 인하여 변위 및 변상이 발생하면 구조물의 붕락 등에 의한 대형사고 발생의 우려가 크기 때문에 이를 사전에 조금이나마 예방하기 위해 라이닝의 변위 및 변상을 측정하는 방법들이 알려져 있다.
그런데 터널 라이닝의 변위 및 변상 양을 측정하기 위한 일반적인 방법은 작업자가 차량이 통행하는 중에 직접 터널 내의 측점에 접근하여 센서를 부착해야 하며, 측정에 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 차량의 통과 시 발생하는 풍압에 의한 데이터 오차는 물론 기술자의 능력에 따라 측정값이 큰 차이가 있을 수 있어 추정 정밀도가 낮고 측정값에 대한 검증이 제대로 안되는 등 많은 문제점을 안고 있다.
예컨대, 종래의 터널 라이닝 변위를 측정하는 방법으로, 변위측정테이프센서를 이용하여 측정하는 방법이 있다. 이는 핀을 터널 라이닝에 고정하고 테이프를 연결하는 형태로서, 변형이 가해지면 테이프의 길이가 변하는 정도를 측정하므로 시공이 간단하고, 테이프의 길이를 30m까지 늘려서 측정이 가능하지만, 정밀성이 0.1~0.15mm 정도로 매우 낮다는 점과 별도의 각도 센서가 필요하다는 단점을 안고 있다.
다른 일례로, 도 1에 도시된 바와 같이 샤프트 상에 길이변형센서와 각도센서를 장착하여 라이닝 벽면을 따라 설치하는 내공변위 측정시스템이 있으나, 고정밀의 내공변위를 측정하기 위해서는 고정밀의 각도센서가 필요로 하며, 각도센서는 일반적으로 진동에 매우 약하며, 한 점에서 중력방향에 대하여 기울어짐을 측정하기 때문에 샤프트의 거리를 이용한 각도측정의 기구적인 장점을 살리지 못하며, 고 분해능의 센서 모듈을 만들기 위해서는 센서 자체의 성능 외에도 매우 낮은 잡음, 고분해능의 ADC 등을 필요로 하는 문제점이 있다.
또한, 길이변형센서와 각도센서를 라이닝 벽면에 따라 일일이 설치하고 또는 철거해야 하기 때문에 그 작업량이 많은 문제점이 있다.
한편, 변위를 계측하기 위한 대표적인 방법으로는, LVDT를 이용한 변위 계측법, 경사계를 이용한 변위 계측법, 스트레인 게이지 및 로드 셀을 이용한 변위 계측법 등과 같은 접촉식 변위 측정 방법들이 있다.
그러나 이와 같은 방법은 해당 센서들을 구조물에 부착할 때 삽입공을 형성하여 센서를 매설해야 하기 때문에 설치 작업이 매우 어려우며, 차량의 통과 시 발생하는 풍압에 의해서 데이터 오차가 크게 발생하는 등 측정에 있어 오차가 발생하기 때문에 정확한 변형량을 측정하기가 곤란한 문제가 있다.
최근에는 비접촉식 변위 측정 방법의 하나로 레이저를 해저터널 라이닝에 조사하여 반사되는 신호를 통해 해당 구조물의 변위 및 변상을 측정하는 방법이 사용되고 있다.
즉, 3차원 레이저 스캐너를 이용하여 실시간으로 측정한 해저터널 라이닝의 변위 및 변상 데이터와 전회 참조(reference) 데이터를 패턴 매칭 방식의 대조를 통해 해저터널 라이닝 변위 및 변상을 자동으로 측정하고 있다.
그런데 이러한 방법은 항상 동일한 측점에서 3차원 레이저 스캐너가 측정할 수 있는 기반을 제공하는 것이 필요한데, 통상적으로 대차가 3차원 레이저 스캐너를 탑재하고 레일을 따라 이동하면서 측정하는 데다 마크의 위치를 반복적으로 측정하는 패턴 매칭 방식의 특성상 레일의 유격 및 마모 등 환경적 위치 변화 요인과 대차의 움직임에 따른 직접적인 영향 등으로 측점(station) 위치가 부정확해져서 위치 및 정렬 오차가 필연적으로 발생할 수밖에 없어 데이터의 정밀도 및 신뢰성이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.
여기서 상술한 배경기술 또는 종래기술은 본 발명자가 보유하거나 본 발명을 도출하는 과정에서 습득한 정보로서 본 발명의 기술적 의의를 이해하는데 도움이 되기 위한 것일 뿐, 본 발명의 출원 전에 이 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 기술을 의미하는 것은 아님을 밝힌다.
KR 10-1332970 B1(2013.11.19) KR 10-2009-0112351 A(2009.10.28) KR 10-0898061 B1(2009.05.11) KR 10-1501904 B1(2015.03.06)
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하여 기존의 라이닝 변위 및 변상 측정장치가 지닌 한계 및 문제점의 해결에 역점을 두어 해저터널 라이닝의 변위 및 변상 감지를 위한 데이터를 3차원 레이저 스캐너를 이용하여 자동으로 측정 시 레일의 유격 및 마모 등에 따른 측점(station) 오차를 정확하게 보정하여 정밀도와 신뢰도를 향상시키는 효과를 도모할 수 있는 새로운 구조의 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동측정장치를 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 3차원 레이저 스캐너를 이용하여 해저터널 라이닝의 변위 및 변상 감지를 위한 데이터를 측정 시 측점(station) 오차를 보정할 수 있도록 하는 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동측정장치를 제공하는 데 있는 것이다.
여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성 및 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 태양에 따른 구체적 수단은, 비전모듈의 비전카메라가 인식 가능한 마크가 일정한 간격을 두고 표식된 한 쌍의 평행한 레일을 따라 주행하는 한 쌍의 차륜에 의해 이동하는 대차, 상기 대차에 탑재되어 상기 차륜을 회전시키기 위한 구동력을 발생 및 전달하는 구동모듈, 상기 대차에 탑재되어 터널의 라이닝에 레이저를 조사하고 표면을 스캔하여 변위 및 변상 데이터를 획득 및 생성하는 3차원 레이저 스캐너모듈, 상기 레일의 마크 영상을 획득하고 화상처리를 통하여 상기 대차의 위치 및 각도 오차 보정을 위한 레퍼런스 위치 및 각도를 산출하는 비전모듈, 상기 3차원 레이저 스캐너모듈 및 상기 비전모듈을 장착한 채로 상기 대차에 탑재되어 상기 비전모듈의 레퍼런스 위치 및 각도 산출 값에 따라 Z, Y, θ 축 방향으로 움직여 위치 및 각도 오차를 보정하는 스테이지모듈 및 상기 구동모듈과, 상기 3차원 레이저 스캐너모듈, 상기 스테이지모듈 및 상기 비전모듈의 작동을 제어하는 제어모듈을 포함하여 채용하는 것을 특징으로 하는 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동측정장치를 제시한다.
이로써 본 발명은 3차원 레이저 스캐너를 이용하여 상시 인력접근이 곤란한 해저터널 라이닝의 변위 및 변상 감지를 위한 데이터를 원격지에서 자동으로 획득할 수 있고, 아울러 레일의 유격 및 마모 등에 따른 측점(station) 오차를 정확하게 보정하여 정밀도와 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 태양으로, 상기 스테이지모듈의 위치 및 각도 오차 보정을 위한 레퍼런스 위치 및 각도 산출 값은,
수학식
(1) δX1 = R cos(δθ+θX1+θO) - R cos(θX1+θO)
(2) δX2 = R cos(δθ+θX2+θO) - R cos(θX2+θO)
(3) δY = R sin(δθ+θY+θO) - R sin(θY+θO)
(여기서 δX1은 X1축의 상대 이송량(mm), δX2는 X2축의 상대 이송량(mm), δY는 Y축의 상대 이송량(mm), θX1은 X1축에 연결된 Cross Roller Bearing 중심의 각도 = 135°, θX2는 X2축에 연결된 Cross Roller Bearing 중심의 각도 = 225°, θY는 Y축에 연결된 Cross Roller Bearing 중심의 각도 = 45°, δθ는 요구 회전각, θO는 초기 위치 각도, R은 각축에 연결된 Cross Roller Bearing 중심 반경(mm)을 의미한다.) 에 의해 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 태양으로, 상기 3차원 레이저 스캐너모듈에서 획득한 변위 및 변상 정보를 원격지의 통합운영시스템으로 전송하기 위한 통신모듈을 더 포함하여 이루어짐으로써 레이저 스캐너모듈이 저해상도로 센싱 후 획득하여 제공하는 점군(point cloud) 형태의 데이터를 그대로 원격지의 통합운영시스템에서 3차원 형태로 시각화하여 변위 및 변상 감지 여부를 판단하고, 통합운영시스템으로부터 변위 및 변상 발생 위치 시그널을 다시 전송받아 해당 위치로 이동하여 3차원 레이저 스캐너모듈이 고해상도로 센싱 후 최종 데이터를 획득하는 단계별 센싱을 통해 측정 효율을 향상시킬 수 있다.
상기와 같은 목적의 달성과 기술적 과제를 해결하기 위한 수단 및 구성을 갖춘 본 발명의 실시 태양은, 상시 인력접근이 곤란한 해저터널을 따라 일정 거리를 이동하면서 3차원 레이저 스캐너를 이용하여 라이닝의 변위 및 변상 감지를 위한 데이터를 획득 및 원격지의 통합운영시스템으로 전송할 수 있을 뿐만 아니라 레일의 유격 및 마모 등에 따른 측점(station) 위치 오차를 정확하게 보정하여 정밀도와 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있다.
아울러 3차원 레이저 스캐너모듈이 저해상도로 센싱 후 획득하여 제공하는 점군(point cloud) 형태의 데이터를 그대로 원격지의 통합운영시스템에서 3차원 형태로 시각화하여 변위 및 변상 감지 여부를 판단할 수 있고, 통합운영시스템으로부터 변위 및 변상 발생 위치 시그널을 다시 전송받아 해당 위치로 이동하여 3차원 레이저 스캐너모듈이 고해상도로 센싱 후 최종 데이터를 획득할 수 있다.
따라서 방대한 양의 데이터를 연속적으로 처리할 필요 없이 단계별 센싱을 통해 측정 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
여기서 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 기술을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동측정장치를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동측정장치 중 구동모듈과 스테이지모듈 및 비젼모듈을 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동측정장치의 사용 상태를 설명하기 위한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동측정장치 중 스테이지모듈의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동측정장치 중 스테이지모듈 및 비젼모듈을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동측정장치 중 비젼모듈의 개념을 설명하기 위한 모식도이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.
또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
아울러 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
그리고 어떠한 "부", "모듈"의 용어에 대한 의미는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위 또는 모듈 형태를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 혹은 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현할 수 있다.
도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동측정장치는, 크게 레일(10), 대차(20), 구동모듈(30), 3차원 레이저 스캐너모듈(40), 스테이지모듈(50), 비전모듈(60), 제어모듈(70), 통신모듈(80)을 포함하여 구성된다.
레일(10)은 좌우 한 쌍이 일정한 간격을 두고 평행하게 터널의 바닥에 설치되어 대차(20)의 이동을 안내한다.
그리고 레일(10)에는 스테이지모듈(50)의 위치를 보정할 수 있도록 하는 비전모듈(60)의 위치 감지용 타깃이나 마킹 포인트가 일정한 간격을 두고 표식 될 수 있다.
즉, 스테이지모듈(50)의 위치를 정확하고 효과적으로 보정할 수 있도록 비전모듈(60)의 비전카메라가 인식 가능한 타깃이나 마킹 포인트와 같은 마크가 레일(10)을 따라 일정한 간격을 두고 표식될 수 있다.
여기서 레일(10)을 따라서 통신모듈(80)을 이루는 광케이블이나 전원공급을 위한 전선 등이 배선될 수도 있다.
대차(20)는 레일(10)을 따라 주행하는 한 쌍의 차륜(21)에 의해 이동한다.
여기서 차륜(21)은 제어모듈(70)의 제어에 따라 구동하는 구동모듈(30)에 의해 회전하여 대차(20)를 이동시킨다.
구동모듈(30)은 대차(20)에 탑재되어 있고, 차륜(21)을 회전시키기 위한 구동력을 발생 및 전달한다.
그리고 구동모듈(30)은 제어모듈(70)의 제어에 따라 구동한다.
여기서 구동모듈(30)은 전원 공급에 따라 회전운동의 동력을 만드는 전동기(M)와, 전동기(M)의 출력을 차륜(21)에 전달하는 전동장치(미도시)로 이루어질 수 있다.
즉, 전동기(M)는 제어모듈(70)의 개폐 신호에 따라 회전력을 차륜(21)에 전달하도록 그 전동축이 전동장치에 의해 적어도 하나의 차륜(21)과 연결되어 있다.
또한, 전동기(M)로는 작동이 확실하고 자동 원격조작이 가능하며 속도의 조정과 정지·역전 등이 쉽게 이루어지도록 모터나 엔진 등에 의해서 구동되는 유압펌프로 발생시킨 고압을 전동축에 주어 동력을 발생시키는 유압모터를 채용할 수 있다.
예를 들면, 제어신호에 따른 전압 입력을 회전각으로 바꾸어 정지 및 반전 동작이 신속하게 이루어지는 서보 모터나 일정 각도만큼 회전하는 스텝 모터를 채용할 수 있고, 그밖에 모터의 회전수를 감속하여 구동에 필요한 힘으로 출력하도록 조절하는 감속기를 포함하는 기어드 모터를 채용할 수도 있다.
3차원 레이저 스캐너모듈(40)은 대차(20)에 탑재되어 있고, 터널의 라이닝(L)에 레이저를 조사하고 표면을 스캔하여 x, y, z의 위치좌표 값과 RGB 값 및 반사강도 값 등의 변위 및 변상 데이터를 획득 및 생성한다.
즉, 3차원 레이저 스캐너모듈(40)로부터 조밀하게 방출되어 라이닝(L)에서 반사되어 수신기로 돌아온 수많은 측점군들은 각각 x, y, z의 위치좌표를 갖는다.
또한, 3차원 레이저 스캐너모듈(40)은 중심 좌표계를 기준으로 각 지점에 대한 공간의 거리를 표적 표면에 대한 조밀한 샘플링을 통해 그에 해당하는 3차원 위치를 포함하는 수많은 측점, 즉 점군(Point Cloud) 형태의 정보를 제공한다.
그리고 3차원 레이저 스캐너모듈(40)이 제공하는 점군 데이터를 그대로 원격지의 통합운영시스템에서 3차원 형태로 시각화하면 자유로운 시점 이동이 가능해지고 공간에 대한 측정정보를 제공함으로써 변위 및 변상을 감지하고, 해당 라이닝의 특성 및 위치좌표를 추출할 수 있다.
여기서 3차원 레이저 스캐너모듈(40)을 이루는 3차원 레이저 스캐너로는 3차원 레이저 스캐너에서 발사된 레이저가 측정 대상물에서 반사되어 돌아오는 시간, 즉 센서에 포착되는 시간을 거리로 계산하는 TOF(Time of Flight) 방식 또는 지속적으로 조사되는 레이저의 웨이브와 이에 맞닿아 반환되는 웨이브 간의 변화(시그널 웨이브)의 거리를 측정하는 위상 차(Phase Shift) 방식 중 어느 하나를 채용할 수 있다.
스테이지모듈(50)은 3차원 레이저 스캐너모듈(40)을 장착한 채로 대차(20)에 탑재되어 있고, 3축 모터를 사용하여 레일(10)의 유격 및 마모에 따른 위치 및 각도 오차를 보정한다.
즉, 스테이지모듈(50)은 비전모듈(60)의 레퍼런스 위치 및 각도 산출 값에 따라 Z, Y, θ 축 방향으로 움직여 위치 및 각도 등의 정렬 오차를 보정하며, 3차원 레이저 스캐너모듈(40)을 특정의 위치에 정확하게 위치 결정 또는 위치의 조정 또는 소망 위치를 지시한다.
이러한 스테이지모듈(50)과 관련한 구체적인 기술 내용은 대한민국 등록실용신안 제20-0465028호 및 대한민국 등록특허 제10-0545322호에 등에 개시되어 있다.
비전모듈(60)은 2개의 마크 영상을 카메라로 받아들여 스테이지모듈(50)이 위치 및 각도 등의 정렬 오차를 보정할 수 있도록 대차(20)의 위치를 검사한다.
즉, 비전모듈(60)을 이루는 비전카메라(CCD 센서)가 레일(10)에 일정한 간격을 두고 표식 되어 있는 타깃이나 마킹 포인트 등의 마크를 촬영 및 감지한 영상으로부터 측정값에 대한 데이터를 획득하여 스테이지모듈(50)의 위치를 표시한다.
이와 동시에 비전모듈(60)은 레일(10)의 마크 영상을 획득하고 화상 및 영상처리 알고리즘을 통하여 마크의 중심점 좌표를 추출하고, 이를 이용하여 대차(20)의 위치 및 각도 오차 보정을 위한 레퍼런스 위치 및 각도 등의 정렬 오차를 산출한다.
이러한 비전모듈(60)은 예를 들어 스테이지모듈(50)의 하부에 2개의 비전카메라(CCD 센서)와 영상획득보드 및 조명으로 구성하고, 특히 비전카메라로는 B/W Camera(Analog) - 1/1.8"(1280X1024)를 채용할 수 있다.
여기서 스테이지모듈(50)의 위치 및 각도 등 정렬 오차 보정을 위한 레퍼런스 위치 및 각도 산출 값은, 하기의 수학식 1 내지 3에 의해 얻을 수 있다.
[수학식 1]
δX1 = R cos(δθ+θX1+θO) - R cos(θX1+θO)
[수학식 2]
δX2 = R cos(δθ+θX2+θO) - R cos(θX2+θO)
[수학식 3]
δY = R sin(δθ+θY+θO) - R sin(θY+θO)
여기서 δX1은 X1축의 상대 이송량(mm), δX2는 X2축의 상대 이송량(mm), δY는 Y축의 상대 이송량(mm), θX1은 X1축에 연결된 Cross Roller Bearing 중심의 각도 = 135°, θX2는 X2축에 연결된 Cross Roller Bearing 중심의 각도 = 225°, θY는 Y축에 연결된 Cross Roller Bearing 중심의 각도 = 45°, δθ는 요구 회전각, θO는 초기 위치 각도, R은 각축에 연결된 Cross Roller Bearing 중심 반경(mm)을 의미한다.
상술한 바대로 스테이지모듈(50)의 위치 및 각도 등 정렬 오차 보정을 위한 이동량을 회전 각도에 따라 나타내면 아래의 표 1 및 표 2와 같다.
[회전각도 1θ(˚)에 따른 dU/dV/dW 이동량]
회전
각도 		θ(˚) -10.0 -9.0 -8.0 -7.0 -6.0 -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0
이동량 dU(mm) -6.805 -6.206 -5.588 -4.952 -4.298 -3.626 -2.935 -2.227 -1.502 -0.760 0.000
dV(mm) 8.476 7.560 6.659 5.772 4.901 4.044 3.203 2.378 1.569 0.776 0.000
dW(mm) -7.120 -6.414 -5.706 -4.997 -4.286 -3.573 -2.860 -2.146 -1.431 -0.716 0.000
회전
각도 		θ(˚) 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
이동량 dU(mm) 0.000 0.776 1.569 2.378 3.203 4.044 4.901 5.772 6.659 7.560 8.476
dV(mm) 0.000 -0.760 -1.502 -2.227 -2.935 -3.626 -4.298 -4.952 -5.588 -6.206 -6.805
dW(mm) 0.000 0.716 1.431 2.146 2.860 3.573 4.286 4.997 5.706 6.414 7.120
[회전각도 0.1θ(˚)에 따른 dU/dV/dW 이동량]
회전 각도 θ(˚) -1.0 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0
이동량 dU(mm) -0.760 -0.684 -0.609 -0.533 -0.458 -0.382 -0.306 -0.230 -0.153 -0.077 0.000
dV(mm) 0.776 0.698 0.620 0.542 0.464 0.386 0.309 0.231 0.154 0.077 0.000
dW(mm) -0.716 -0.644 -0.572 -0.501 -0.429 -0.358 -0.286 -0.215 -0.143 -0.072 0.000
회전 각도 θ(˚) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
이동량 dU(mm) 0.000 0.077 0.154 0.231 0.309 0.386 0.464 0.542 0.620 0.698 0.776
dV(mm) 0.000 -0.077 -0.153 -0.230 -0.306 -0.382 -0.458 -0.533 -0.609 -0.684 -0.760
dW(mm) 0.000 0.072 0.143 0.215 0.286 0.358 0.429 0.501 0.572 0.644 0.716
제어모듈(70)은 구동모듈(30)과, 3차원 레이저 스캐너모듈(40), 스테이지모듈(50) 및 비젼모듈(60)의 전반적인 작동을 제어한다.
즉, 제어모듈(70)은 스위치 개폐 신호나 센서의 검출 신호에 따라 각 액추에이터 및 전동기(M)의 작동 등 장치의 전반적인 가동을 설정 및 제어함은 물론 각 모듈로부터 센싱신호를 전달받아 제어신호를 출력한다.
예를 들면, 차륜(21)의 1회전 시 이동거리와 이동에 소요되는 시간과, 그리고 방향전환과 회전에 따른 속도비 및 회전비 등을 종합하여 특정 범위를 설정한 상태로 각 전동기(M)의 작동을 제어하다가 엔코더나 센서 등에서 검출하는 위치에 대비하여 작동 간섭이나 충돌없이 유기적으로 작동하도록 제어한다.
여기서, 엔코더로는 광전 방법에 의하여 물체의 위치 및 두께를 측정하는 광전식 리니어 엔코더, 광전식 로터리엔코더나 광전식 위치센서 등을 채용할 수 있고, 또 센서로는 회전하는 피검지 물체가 일정 범위 내에 접근하면 전자유도작용에 의하여 검출코일에 접속된 발진회로의 발진 주파수나 발진 진폭이 변화하면서 스위칭 동작이 이루어지는 고주파 발진형 혹은 도체 전극을 가진 검출부에 피검지 물체가 일정 범위 내에 접근하면 센서 부분의 정전용량이 크게 변화하는 현상을 이용한 정전용량형 혹은 피검지 물체가 근접한 것을 비접촉으로 감지하여 그 위치를 검출하는 광섬유 근접센서 등을 채용할 수 있다.
통신모듈(80)은 3차원 레이저 스캐너모듈(40)에서 획득한 변위 및 변상 데이터를 원격지의 통합운영시스템으로 전송하고, 아울러 통합운영시스템으로부터 변위 및 변상 발생 위치 시그널을 다시 수신한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동측정장치는 해저터널의 바닥에 레일(10)을 깔고, 그 레일(10)을 따라 대차(20)가 원격제어에 의해 이동하면서 3차원 레이저 스캐너로 터널 라이닝(L)의 변위 및 변상 감지를 위한 데이터를 획득하여 원격지의 통합운영시스템으로 전송할 수 있다.
아울러 3차원 레이저 스캐너모듈(40)이 저해상도로 센싱 후 획득하여 제공하는 점군(point cloud) 형태의 데이터를 그대로 원격지의 통합운영시스템에서 3차원 형태로 시각화하여 변위 및 변상 감지 여부를 판단할 수 있고, 원격지의 통합운영시스템으로부터 변위 및 변상 발생 위치 시그널을 다시 전송받아 해당 위치로 이동하여 3차원 레이저 스캐너모듈(40)이 고해상도로 센싱 후 최종 데이터를 획득할 수 있다.
따라서 차량의 운행과 간섭 없이 상시 인력접근이 곤란한 해저터널 라이닝(L)의 변위 및 변상 감지를 위한 데이터를 원격지에서 자동으로 획득할 수 있을 뿐만 아니라 방대한 양의 데이터를 연속적으로 처리할 필요 없이 단계별로 센싱하여 처리함으로써 측정 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
더구나 비전모듈(60)이 레일(10)의 마크 영상을 획득하고 화상 및 영상처리 알고리즘을 통하여 마크의 중심점 좌표를 추출하고, 이를 이용하여 레일(10)의 유격 및 마모 등에 따른 측점(station) 위치 및 각도 등 정렬 오차 보정을 위한 레퍼런스 위치 및 각도 등의 정렬 오차를 실시간으로 갱신 및 산출한 후, 스테이지모듈(50)을 지정된 위치 및 각도로 정밀하게 이동 및 회전시켜 위치 오차를 신속하고 정확하게 보정하기 때문에 정밀도와 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지 변형과 응용이 가능함은 물론 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경하여 폭넓게 적용할 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백하다.
그러므로 본 발명의 특징에 대한 변형과 응용에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.
10: 레일 20: 대차
30: 구동모듈 40: 3차원 레이저 스캐너모듈
50: 스테이지모듈 60: 비전모듈
70: 제어모듈 80: 통신모듈

Claims (2)

  1. 비전모듈의 비전카메라가 인식 가능한 마크가 일정한 간격을 두고 표식된 한 쌍의 평행한 레일을 따라 주행하는 한 쌍의 차륜에 의해 이동하는 대차; 상기 대차에 탑재되어 상기 차륜을 회전시키기 위한 구동력을 발생 및 전달하는 구동모듈; 상기 대차에 탑재되어 터널의 라이닝에 레이저를 조사하고 표면을 스캔하여 변위 및 변상 데이터를 획득 및 생성하는 3차원 레이저 스캐너모듈; 상기 레일의 마크 영상을 획득하고 화상처리를 통하여 상기 대차의 위치 및 각도 오차 보정을 위한 레퍼런스 위치 및 각도를 산출하는 비젼모듈; 상기 3차원 레이저 스캐너모듈 및 상기 비전모듈을 장착한 채로 상기 대차에 탑재되어 상기 비전모듈의 레퍼런스 위치 및 각도 산출 값에 따라 Z, Y, θ 축 방향으로 움직여 위치 및 각도 오차를 보정하는 스테이지모듈; 및 상기 구동모듈과, 상기 3차원 레이저 스캐너모듈, 상기 스테이지모듈 및 상기 비젼모듈의 작동을 제어하는 제어모듈을 포함하며;
    상기 스테이지모듈의 위치 및 각도 오차 보정을 위한 레퍼런스 위치 및 각도 산출 값은,
    수학식
    (1) δX1 = R cos(δθ+θX1+θO) - R cos(θX1+θO)
    (2) δX2 = R cos(δθ+θX2+θO) - R cos(θX2+θO)
    (3) δY = R sin(δθ+θY+θO) - R sin(θY+θO)
    (여기서 δX1은 X1축의 상대 이송량(mm), δX2는 X2축의 상대 이송량(mm), δY는 Y축의 상대 이송량(mm), θX1은 X1축에 연결된 Cross Roller Bearing 중심의 각도 = 135°, θX2는 X2축에 연결된 Cross Roller Bearing 중심의 각도 = 225°, θY는 Y축에 연결된 Cross Roller Bearing 중심의 각도 = 45°, δθ는 요구 회전각, θO는 초기 위치 각도, R은 각축에 연결된 Cross Roller Bearing 중심 반경(mm)을 의미한다.)
    에 의해 얻는 것을 특징으로 하는 해저터널 라이닝 변위 및 변상 자동 측정에서의 측점 위치 오차 보정장치.
  2. 삭제
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