KR102057072B1

KR102057072B1 - 구조물의 기울기 변화량 측정 장치 및 이를 이용한 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법

Info

Publication number: KR102057072B1
Application number: KR1020180167787A
Authority: KR
Inventors: 곽기석; 박재현; 정문경; 서승환; 고영훈; 곽봉군
Original assignee: 한국건설기술연구원; 유니넷텍(주)
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-01-22
Also published as: WO2020130410A1; JP6988009B2; US20210302160A1; EP3726182A1; EP3726182B1; US11802765B2; EP3726182A4; JP2021512337A

Abstract

본 발명에 따르면 구조물의 기울기 변화량 측정 장치에 있어서, 소정의 곡률반경을 갖는 구면으로 형성된 바닥체(100); 상기 바닥체(100) 상면에 거치되어 중력에 따라 이동하는 볼(200); 및 상기 볼(200)이 위치된 바닥체(100)를 촬영하는 카메라(300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치가 제공된다.
본 발명에 따르면 본 발명에 따르면 일정 기간 동안의 구조물의 기울기 변화량을 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

구조물의 기울기 변화량 측정 장치 및 이를 이용한 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법{A method and apparatus for measuring a slope change amount based on image recognition, which real-time measurement of a relative slope change amount in comparison with a point in time when installed in a structure and a facility}

본 발명은 건설 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일정 기간 동안의 구조물의 기울기 변화량을 측정할 수 있는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치 및 이를 이용한 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법에 관한 것이다.

물체(시서룰, 구조물 포함)의 수평도, 수직도, 경사도를 측정하기 위해 다양한 원리의 센서들이 적용하고 있다. 오래전부터 주기포관에 기포가 형성되는 정도로 액체를 채워 밀봉하고 액체 수평면이 지구 중심에 대해 직각을 유지하는 중력의 특성을 이용하는 아날로그 수준기가 사용되어 왔다. 주기포관의 감도에 따라 1종은 4초(0.02mm/m)의 경사를 감지하며, 2종은 10초(0.05mm/m), 3종은 20초(0.1mm/m)의 정밀도를 가지고 있으며, 기본 원리는 수준기를 기울이면 기포는 경사가 높은 쪽으로 이동하므로 기포관의 왼쪽과 오른쪽에 눈금선을 설정하고 기포가 가리키는 눈금선의 위치를 읽어 경사도를 측정하고 있다.

전자식 혹은 디지털식 계측기도 개발되어 경사도를 디지털화된 숫자 및 그래픽으로 측정하고 있다. 기본 원리는 원심추를 설치하여 원심추가 가리키는 좌표(혹은 원심추가 중심을 유지하는데 필요한 전류)를 읽어 경사도를 측정하게 되어있는데, 원심추를 탑재해야 되므로 크고 무게가 무겁다. 정밀기기로 가격이 매우 비싸지만, 4초 내외의 정밀도로 측정할 수 있으며, 외부 인터페이스가 전자화되어 있어 컴퓨터에 측정값을 전송할 수 있도록 되어 있다.

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술로 제작된 가속도 센서는 보통 압전(Piezo) 재료에 가속을 발생시키면 힘이 걸려서 전하가 발생하는 원리를 이용한 것으로, 3축 방향의 중력가속도를 측정하여 이를 적분하면 속도와 변위를 알아낼 수 있지만, 적분하는 과정에서 발생하는 적분 상수로 인해 드리프트(Drift)가 누적이 되므로 보정이 필요하여 정밀 측정기기보다는 스마트폰 및 자동차의 모션센서로 주로 사용하고 있다.

상기 기울기 센서들은 물체에 고정 설치하더라도 주로 측정 시점의 기울기를 측정하는 용도로 사용되고 있다. 측정값에서 센서에 내장된 온도센서를 이용하여 온도보상은 자체적으로 이루어지지만 온도 센서, 전압 특성, 센서 내구 특성 등에 대한 보정은 실시하기 어렵다는 한계가 있다. 그러나 지상의 모든 시설 및 구조물의 안전성은 지구중심 대비 절대 수직도(피사의 사탑)가 아닌, 구축 시점 대비 현재 시점의 기울기 변화량 유무가 매우 중요하다.

그러나 현행 기울기 센서는 온도, 시간, 회로 변동(전압)에 따른 드리프트에 따른 보정 및 초기화가 필요하며, 보정 값에 따른 편차가 존재할 수밖에 없어 장시간 흐름(~수십 년)에 걸쳐서 달라지는 기울기 변화량을 측정할 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 상술된 종래의 기울기 측정 장치의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 일정 기간 동안의 구조물의 기울기 변화량을 정확하게 측정할 수 있는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치 및 이를 이용한 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은 주변 환경의 영향을 받지 않고 구조물의 기울기 변화량을 정확하게 측정하는 것이 가능한 구조물의 기울기 변화량 측정 장치 및 이를 이용한 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 크기가 작고 이동 및 설치가 용이한 구조물의 기울기 변화량 측정 장치 및 이를 이용한 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기울기 변화량을 실시간으로 수집할 수 있는 시스템을 갖춘 구조물의 기울기 변화량 측정 장치 및 이를 이용한 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 복수개의 측정장치를 이용하여 구조물의 전체적인 기울기 양상을 확인할 수 있도록 한 구조물의 기울기 변화량 측정 장치 및 이를 이용한 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면 구조물의 기울기 변화량 측정 장치에 있어서, 소정의 곡률반경을 갖는 구면으로 형성된 바닥체(100); 상기 바닥체(100) 상면에 거치되어 중력에 따라 이동하는 볼(200); 및 상기 볼(200)이 위치된 바닥체(100)를 촬영하는 카메라(300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치가 제공된다.

이 경우 상기 카메라(300)에 의해 생성된 영상정보(a)를 서버(10)로 송신하는 송수신부(400);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치일 수 있다.

또한, 상기 바닥체(100), 상기 볼(200) 및 상기 카메라(300)를 수납하는 내부공간(510)이 형성된 하우징(500);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치일 수 있다.

또한, 상기 내부공간(510)에 빛을 제공하는 조명장치(600);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치일 수 있다.

또한, 상기 카메라(300), 상기 송수신부(400) 및 상기 조명장치(600)를 제어하는 제어부(700);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치일 수 있다.

또한, 상기 내부공간(510)에서의 상기 볼(200)의 거동을 제한하는 볼 수납부(520);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치일 수 있다.

또한, 상기 바닥체(100)는 상기 내부공간(510)의 저면에 위치하고, 상기 카메라(300)는 상기 내부공간(510)의 윗면에 위치되는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치일 수 있다.

또한, 상기 바닥체(100)와 상기 카메라(300)는 같은 공간에 형성된 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치일 수 있다.

또한, 상기 볼 수납부(520)는 상기 저면과 상기 윗면을 차폐하는 격벽(521)이며, 상기 격벽(521)은 투명체로 형성된 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치일 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면 구조물의 기울기 변화량 측정 장치를 이용하여 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법에 있어서, 상기 카메라(300)에 의해 상기 볼(200)이 위치된 상기 바닥체(100)를 촬영하여 상기 볼(200)의 제1 영상정보(a1)을 생성하는 제1 단계(S100); 및 상기 제1 단계(S100) 이후에 상기 카메라(300)에 의해 상기 볼(200)이 위치된 상기 바닥체(100)를 촬영하여 상기 볼(200)의 제2 영상정보(a2)을 생성하는 제2 단계(S200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법이 제공된다.

이 경우 상기 제어부(700)가 상기 제1 영상정보(a1) 및 상기 제2 영상정보(a2)를 이용하여 기울기 변화값을 도출하는 제3 단계(S300);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법일 수 있다 .

또한, 상기 제3 단계(S300)는 상기 제1 영상정보(a1)에서 상기 볼(200)의 제1 위치값(b1)을 도출함과 아울러 상기 제2 영상정보(a2)에서 상기 볼(200)의 제2 위치값(b2)을 도출하는 위치값 도출단계(S310); 및 상기 제1 위치값(b1), 상기 제2 위치값(b2) 및 상기 곡률반경을 이용하여 상기 기울기 변화값을 도출하는 변화값 도출단계(S320);를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법일 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면 따른 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체가 제공된다.

본 발명에 따르면 일정 기간 동안의 구조물의 기울기 변화량을 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따르면 주변 환경의 영향을 받지 않고 구조물의 기울기 변화량을 정확하게 측정하는 것이 가능한 효과가 있다.

본 발명에 따르면 측정 장치의 크기를 소형화할 수 있고 측정 장치의 이동 및 설치가 용이한 효과가 있다.

본 발명에 따르면 기울기 변화량을 실시간으로 수집할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따르면 복수개의 측정장치를 이용하여 구조물의 전체적인 기울기 양상을 확인할 수 있는 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 기울기 측정 장비를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기울기 변화량 측정 장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 기울기 변화량 측정 장치의 구성도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라에 의해 취득된 제1 영상정보를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라에 의해 취득된 제2 영상정보를 나타낸 도면.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 기울기 변화량 측정 장치를 이용하여 구조물 전체의 기울기 변화량을 측정하는 방법을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 기울기 변화량 측정 장치의 구성도.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 격벽에 형성된 측정기준선을 나타낸 도면.

본 발명에 따른 구조물의 기울기 변화량 측정 장치 및 이를 이용한 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부된 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.

또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.

본 발명은 구조물의 기울기 변화량 측정 장치 및 이를 이용한 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법 장비에 관한 것이다.

본 발명에서의 구조물의 용어는 측장 장비가 적용될 수 있는 일 유형을 제시한 것에 불과하고, 기울기 측정의 대상이 되는 모든 사물을 구조물의 범위에 포함되는 것으로 정의한다.

기존 기울기(경사도) 측정 방식은 센서를 측정 대상에 고정 설치하더라도 측정 시점의 기울기를 측정하므로, 시공이후 시설 및 구조물의 경시적 변화를 알 수 없다는 한계가 있다. 본 발명은 구조 및 시설물에 설치한 시점과 비교하여 이후의 상대적 기울기 변화량을 실시간 계측하는 영상인식 기반의 기울기 변화량 측정 방법 및 센서를 제공하는데 있다. 구조 및 시설물의 안정성 판단에 가장 중요한 설치한 시점과 비교하여 이후의 상대적 기울기 변화량을 측정하기 위해서는 다음과 같은 중요 문제점을 해결하여야 한다.

첫째, 기울기센서를 설치 장소의 브라켓 혹은 앵커 볼트 등에 고정할 경우, 측정하고자 하는 대상의 기울기센서 값은 고정 방식과 브라켓 혹은 앵커 볼트의 오차에 의해 영향을 받게 되는 문제점이 있다. 즉, 측정 대상에서 센서를 고정하는 기구의 정확도와 평면도를 보장하지 않으면 측정값은 측정 대상의 실제 기울기를 나타내지 않는다.

둘째, 구조 및 시설물에 설치한 시점과 비교하여 이후의 상대적 기울기 변화량을 측정하기 위해서는 센서 자체에 시설물을 설치한 시점의 측정값을 저장하는 수단이 필요하다. 즉, 기울기를 측정 할 때 저장된 초기 측정값과 비교하여 기울기 변화량도 함께 표시해줘야 한다. 이와 함께, 토목 구조 및 시설물의 경우 구축 완료 후에는 고정 설치한 센서에 접근하기가 어려워, 센서의 초기값 저장 버튼을 누를 수 없는 문제가 발생할 수 있다.

셋째, 구조 및 시설물의 설치한 시점과 비교하여 이후의 상대적 기울기 변화량을 측정하기 위해서는 기울기 센서의 측정값이 변화하는 환경 요소(온도, 공급전압, 장기간 사용에 따른 센서 특성 변화)에 영향을 받지 않아야 한다. 기존 정전용량 혹은 전류량과 같은 아날로그 값을 측정하는 센서 방식은 환경 요소의 영향을 받고, 아날로그 값의 특성상 시간에 따른 드리프트가 발생하는 경향이 있다. 이를 보정하기 위해 온도센서를 추가하여 온도에 따른 기울기 보정을 하지만, 온도 센서도 제품별 편차가 있으며 시간에 따라 특성들이 변하지만 이를 보정할 수단이 없다는 문제점이 있다.

넷째, 구조 및 시설물의 설치해야 하므로 환경 변화에 영향 받지 않는 센싱 방식을 적용하더라도 크기에 제한을 받는다. 구조 및 시설물의 브라켓 혹은 앵커 볼트 등에 고정시켜야 하므로 센서 함체의 최소 크기도 제한이 있다. 기울기 센서를 내장하는 함체를 작게 만들 경우 고정시키기 어렵다는 문제가 있다.

구조 및 시설물의 안전성 판단에 설치한 시점과 비교하여 이후의 상대적 기울기 변화량을 측정할 수 있다면, 구조 및 시설물 안전 관리의 신뢰성을 획기적으로 높여줄 수 있다. 기울기와 기울기 변화량을 함께 측정함은 중요하지만, 현재까지 상기 해결 수단 부족으로 제공되지 못하고 있다. 즉 구조 및 시설물에 설치한 시점과 비교하여 이후의 상대적 기울기 변화량을 실시간 계측하는 기울기 변화량 측정 방법 및 센서를 구현하기 위해 제반 문제점들을 다음과 같이 해결한다.

첫째, 기울기센서를 설치 장소의 브라켓 혹은 앵커 볼트 등에 고정하므로, 측정 대상에서 센서를 고정하는 기구의 정확성을 보장하지 않으면 측정값은 측정 대상의 실제 기울기를 나타내지 않는다는 문제점이다. 측정 대상의 기준점들의 절대 기울기를 시공하면서 측정하는 것은 고정식 센서 대신 계측기를 사용한다. 기울기 센서를 고정 설치하는 것은 설치 이후 변화하는 기울기를 실시간 측정함이 주목적인 만큼 절대 기울기 값과 함께 초기 설정된 기울기 값 대비 기울기 변화량도 함께 측정하도록 구성하여 상기 문제점을 해결한다.

둘째, 구조 및 시설물에 설치한 시점과 비교하여 이후의 상대적 기울기 변화량을 측정하기 위해서는 센서 자체에 시설물을 설치한 시점의 측정값을 저장하는 수단으로 센서 회로 내에 영구저장 메모리수단(플래쉬 메모리 외)을 포함한다. 메모리 수단을 제어하기 위한 프로세서(CPU)를 포함한다. 프로세서(CPU)는 기울기 측정수단으로부터 측정값을 읽어, 측정값과 함께 저장된 초기 기울기 측정값과 비교한 기울기 변화량을 외부에 출력하도록 구성한다. 토목 구조 및 시설물의 경우 구축 완료 후에는 고정 설치한 센서에 접근하기가 어려워 센서의 초기값 저장 버튼을 누를 수 없는 문제를 해결하기 위해, 외부 통신선(혹은 무선통신)으로 현재 측정값을 초기 측정값으로 저장하라는 명령(command)을 프로세서에 전달하도록 구성한다. 센서 함체에는 기본적으로 초기값 저장 버튼을 포함하여야 한다.

셋째, 구조 및 시설물의 설치한 시점과 비교하여 이후의 상대적 기울기 변화량을 측정하기 위해서는 기울기 센서의 측정값이 변화하는 환경 요소(온도, 공급전압, 장기간 사용에 따른 센서 특성 변화)에 영향을 받지 않는 기울기 측정방식을 적용하여야 한다. 상용화된 진자의 위치를 측정하는 경사계의 핵심 방식은 서보가속계 원리로써 위치감지기의 자기장 내에 한 개의 진자가 놓여있고 이는 중력의 작용을 받으면 중력 작용 방향으로 기울어지게 되고 이로 인하여 전류가 변화시키면 진자는 처음의 변하려는 중력과 전자기력을 반대 방향으로 가지게 되므로 평형이 이루어져 움직이지 않게 될 때 전류값을 측정하여 기울기로 변환한다. MEMS형 가속도 센서의 기본 원리도 외팔보 끝단과 전극 사이의 정전용량 값을 측정하여 가속도와 경사도를 측정하고 있다. 이러한 방식들은 기본적으로 아날로그 측정값을 기울기로 변환하므로, 온도 및 환경 보상과 초기 영점 조정을 수시로 해줘야 한다는 문제점이 있다. 그러므로 진자의 위치를 온도와 환경의 영향이 없도록 디지털 방식으로 측정하는 방법이 필요하게 된다. 대안으로, 진자에 설치된 지구 중심을 향하는 빛 혹은 특정 패턴의 위치를 이미지센서로 측정하여 경사도를 계산하는 디지털 절대 경사도 측정 방법을 개량하여 적용할 수 있다. 상기 방식을 적용하면 기울기를 아날로그 값이 아닌 디지털 좌표 값으로 측정하므로 환경 영향을 제거할 수 있다.

넷째, 구조 및 시설물의 설치해야 하므로 환경 변화에 영향 받지 않는 센싱 방식을 적용하더라도 크기에 제한이 있다. 구조 및 시설물의 브라켓 혹은 앵커 볼트 등에 고정시켜야 하므로 함체의 크기도 제한이 있다. 일반적으로 구조 및 시설물에 고정하는 센서들의 크기는 직경 50mm, 두께 40mm 내외로 판매되고 있다. 필요시 시설 및 구조물 고정 수단과 결합하기 위해 보조 판(Plate)를 사용한다. 이를 충족시키기 위해 얇은 구조로 구현 가능한 구 내부에서 자유진동하며 지구 중심을 향하는 볼의 위치를 측정하는 디지털 절대 경사도 측정 방법 및 센서를 개량 적용한다. 즉, 반구 내면에서 자유 진동하는 볼(쇠구슬 포함)을 설치하여, 볼이 지구 중심을 향해 이동하므로 볼의 위치(중심 좌표 혹은 원 외곽)를 측정하는 방법이 제시될 수 있다. 이 경우 기울기는 반달 형태의 구 중심으로 부터 볼이 X축, Y축 방향으로 이동 거리와 반달 형태 구의 곡률 반경을 이용하여 계산된다. 이미지센서(카메라센서) 픽셀 크기가 1um(1/5 인치급 5M 이미지센서의 픽셀 크기는 1.12um) 이라고 하고, 곡률 반경 길이가 50mm라고 하면 측정 정밀도는 arctan (1um/50mm) = 0.0001도 까지 측정 가능하다. 케이스 크기 제한으로 구의 곡률 반경이 커지면 반원 크기의 구를 사용할 수 없고 구의 일부분을 사용하는 형태로 제작할 수 있어 박형으로 만들어 진다. 반구면의 중심축을 기준으로 진동하는 볼은 외부 충격, 진동, 지진파 등에도 매우 민감하게 움직이므로, 해당 분야 계측 센서(충격센서, 진동센서, 지진센서 등)로도 활용될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실싱예에 따른 구조물의 기울기 변화량 측정 장치에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 기울기 변화량 측정 장치는 소정의 곡률반경을 갖는 구면으로 형성된 바닥체(100), 바닥체(100) 상면에 거치되어 중력에 따라 이동하는 볼(200) 및 볼(200)이 위치된 바닥체(100)를 촬영하는 카메라(300)를 포함할 수 있다(도 3).

바닥체(100), 볼(200) 및 카메라(300)는 내부공간(510)이 형성된 하우징(500)의 내부공간(510)에 수납된다(도 3).

또한 카메라(300)의 구동을 제어하는 촬영버튼(800)을 더 포함할 수 있다.

구조물의 기울기가 변화되는 경우 볼(200)의 위치 역시 중력에 의해 변화되므로 볼(200)의 위치 변화값을 도출하여 구조물의 기울기 변화량을 측정할 수 있다.

구면으로 형성된 바닥체(100)에서 자유 진동하는 볼(200)의 중심은 언제나 중력 방향을 향하므로 볼(200) 위치를 카메라(300)를 이용해 촬영함으로써 2축 방향의 기울기를 동시에 측정하는 것이 가능하다. 이러한 구성을 취하는 경우 이하와 같은 장점이 있다.

첫째, 구조 및 시설물에 기울기센서를 고정 설치하는 것은, 설치 이후 변화하는 기울기를 측정함이 주목적인 만큼, 절대 기울기 값과 초기 설정된 기울기 값 대비 기울기 변화량도 함께 측정할 수 있어, 구조물 안전 판단의 신뢰도를 높이는 효과가 있다.

둘째, 구조 및 시설물에 설치한 시점과 비교하여 이후의 상대적 기울기 변화량을 측정하기 위해서는 센서 자체에 시설물을 설치한 시점의 측정값을 저장하는 영구저장 메모리수단 및 메모리 수단을 제어하기 위한 프로세서(CPU)를 포함하여 구성함으로써 별도의 데이터로거(Data Logger) 장비가 필요치 않아 계측 시스템 구축비용을 절감하는 효과가 있다.

셋째, 외부 통신선(혹은 무선통신)으로 현재 측정값을 초기 측정값으로 저장하라는 명령(command)를 센서 회로의 프로세서에 전달하도록 구성함으로써 토목 구조 및 시설물 구축 완료 후에는 고정 설치한 센서에 접근할 수 없는 문제점을 해결한다.

넷째, 아날로그 값이 아닌 디지털 값으로 기울기를 직접 측정함으로써 근본적으로 온도, 시간, 공급 전력에 따른 드리프트가 없어, 측정값이 항시 정확하고 안정적이므로 건축 및 토목 분야와 같이 외부 환경 변동 폭이 큰 분야와 교정이 어려운 위치에 센서를 설치하는 구조물 안전진단 분야에도 적용할 수 있는 효과가 있다.

다섯째, 구면으로 형성된 바닥체(100)에서 자유 진동하는 볼(100)을 사용하므로 기기를 소형화할 수 있고, 측정 범위를 크게 할 수 있고, 정밀도의 조절을 용하게 수행할 수 있어 전신주 등의 기울기를 정밀하게 측정하는 용도로도 사용될 수 있다.

또한, 디스플레이 수단이 포함될 경우 정밀하게 수평을 항시 유지해야 하는 공작기계 등에도 적용될 수 있다.

여섯째, 반구 내부에서 자유진동하는 플라스틱 볼을 사용할 수 있으므로, 외부 전자파 영향이 최소화되어 송전탑과 같이 강한 전자파가 발생하는 분야에도 적용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 기울기 변화량 측정 장치는 내부공간(510)에 빛을 제공하는 조명장치(600)를 더 포함할 수 있다.

또한, 내부공간(510)에서의 볼(200)의 거동을 제한하는 볼 수납부(520)를 더 포함할 수 있다(도 3). 내부공간(510)에서 볼(200)이 유동됨에 따라 조명장치(600)나 카메라(300)가 파손될 수 있으므로, 본 발명에서는 장치의 이동 등의 시기에 볼(200)의 거동을 제한할 수 있는 볼 수납부(520)를 구성으로 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 바닥체(100)와 카메라(300)는 같은 공간에 형성되며, 볼 수납부(520)는 내부공간(510)의 측면에 형성된 수납통(522)일 수 있다.

이 경우 카메라(300)와 바닥체(100) 사이의 별도의 사물이 없기 때문에 고화질의 촬영 이미지를 획득하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 바닥체(100)는 내부공간(510)의 저면에 위치하고, 카메라(300)는 내부공간(510)의 윗면에 위치되는 경우 볼 수납부(520)는 저면과 윗면을 차폐하는 격벽(521)으로 형성될 수 있다. 이 경우 격벽(521)은 투명체로 형성되어, 카메라(300)가 바닥체(100)를 촬영할 수 있도록 하는 것이 바람직하다(도 4).

이 경우 격벽(521)에는 볼(200)의 위치를 파악할 수 있는 측정기준선(523)이 도시될 수 있다(도 10).

본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 기울기 변화량 측정 장치는 카메라(300)에 의해 생성된 영상정보(a)를 서버(10)로 송신하는 송수신부(400)를 더 포함할 수 있다.

또한 카메라(300), 송수신부(400) 및 조명장치(600)를 제어하는 제어부(700)를 더 포함할 수 있다.

이 경우 볼(200)의 위치가 이동 되었는지 여부를 실시간 또는 기 설정된 기간마다 카메라(300)에 의해 획득된 영상정보(a)를 자동적으로 서버(10)로 송신함으로써 확인하는 것이 가능하다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 기울기 변화량 측정 장치를 이용하여 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법은 카메라(300)에 의해 볼(200)이 위치된 바닥체(100)를 촬영하여 볼(200)의 제1 영상정보(a1)을 생성하는 제1 단계(S100), 제1 단계(S100) 이후에 카메라(300)에 의해 볼(200)이 위치된 바닥체(100)를 촬영하여 볼(200)의 제2 영상정보(a2)을 생성하는 제2 단계(S200) 및 제어부(700)가 제1 영상정보(a1) 및 제2 영상정보(a2)를 이용하여 기울기 변화값을 도출하는 제3 단계(S300)를 포함한다.

이 경우 제3 단계(S300)는 제1 영상정보(a1)에서 볼(200)의 제1 위치값(b1)을 도출함과 아울러 제2 영상정보(a2)에서 볼(200)의 제2 위치값(b2)을 도출하는 위치값 도출단계(S310) 및 제1 위치값(b1), 제2 위치값(b2) 및 곡률반경을 이용하여 기울기 변화값을 도출하는 변화값 도출단계(S320)를 포함할 수 있다.

변화값 도출단계(S320)에서 기울기 변화값은 이하의 방법을 통해 도출될 수 있다.

반구면으로 형성된 바닥체(100)에서 자유 진동하는 볼(200)의 위치에 따른 기울기 해석 방법은 이하와 같다.

반구면의 바닥체(100)에서 자유 진동하는 볼(200)의 위치를 카메라센서로 측정하여 기울기를 계산하기 위해서는 2가지 분야에 때한 이론적 해석이 필요하다. ① 반구면 좌표계(월드 좌표계) 상의 볼의 위치에 대응하여 카메라 좌표로 변환해야 하며, ② 반구면에서 자유 진동하는 볼의 위치에 따른 h-투영면(바닥면으로부터 높이 h)의 법선 벡터를 계산하여야 하므로, 각각에 대하여 설명하면 다음과 같다.

카메라(300)의 위치를 (X1, Y1, Z1), 카메라(300)의 팬(pan) 각을 p 라디안, 틸트(tilt)를 t 라디안이라 할 때, 월드좌표계 상의 임의의 점 (X, Y, Z)를 카메라 좌표계 상의 좌표 (Xc, Yc, Zc)로 변환시키는 관계식은 이하와 같다.

- 카메라 좌표계와 월드 좌표계 -

좌표계 변환관계는 2가지 방법으로 구할 수 있다. 하나는 일련의 회전변환 행렬을 조합하는 것이고, 다른 한 방법은 단위벡터를 이용해 직접 변환행렬을 구하는 방법이다(open CL 참조).

변환행렬을 직접 구하는 방법은 이하와 같다.

어떤 선형변환 행렬 T가 있을 때, 각각의 좌표축 단위벡터들이 변환 T에 의해서 어디로 가는지만 알면 T를 손쉽게 구할 수 있다. 만일, T에 의해 X축 단위벡터 (1, 0, 0)이 (a1,a2,a3)로 가고, Y축 단위벡터 (0, 1, 0)이 (b1, b2, b3), Z축 단위벡터 (0, 0, 1)이 (c1, c2, c3)가 된다면, 변환행렬 T는 이하의 식과 같다.

이 방법를 이용하여 X축을 Xc, Y축을 Yc, Z축을 Zc로 보내는 변환행렬 R을 구하면 이하와 같다.

또한, 좌표계를 참조하여 각각의 단위벡터가 어디로 이동해야 하는지를 구해보면 이하와 같다.

따라서, 변환행렬 R은 이하와 같다.

여기서 R은 월드좌표를 카메라좌표로 변환시키는 행렬이 아니라 좌표축을 변환시키는 행렬이다. 즉, R은 월드좌표축->카메라좌표축 변환 행렬이다. 좌표로 보면 R은 카메라좌표 -> 월드좌표로 변환시키는 행렬을 의미한다(좌표축 변환과 좌표변환은 서로 역변환 관계, 볼 위치 계산 영상 인식 SW에서 사용한 openCV의 solvePnP에서 반환되는 R은 월드좌표 -> 카메라좌표 변환 행렬로 서로 반대임).

반구면 방정식에서 볼의 위치에 따른 기울기 벡터를 계산하는 관계식은 이하와 같다.

(1) 볼의 h-투영면 법선 벡터를 이용한 기울기 계산 ?? 볼 위치에 따른 pitch 각

와 roll 각

반구면에서 자유진동하는 볼의 h-투영면(바닥면으로부터 높이 h)의 법선은 가속도와 중력의 합의 specific force 방향과 일치한다. 특히 이 반구면이 가속하지 않는 경우에는 이 법선벡터의 방향이 중력의 방향과 일치함으로 법선벡터의 반구면에 대한 상대적 기울어짐을 측정함으로 반구면 내의 볼의 자세를 추정할 수 있게 된다.

여기에서는 반구면 내에서 감쇠 진동하는 볼의 법선벡터를 이용하여 자세를 추정하는 센서 시스템의 작동원리(pitch 각

와 roll 각

)를 설명하고 또한 이를 활용하기 위한 자세값 추정 알고리듬 및 시뮬레이션의 구성에 대해 설명한다. 그림 4-1은 시스템의 기본 구성을 나타내었다.

- 카메라센서와 볼 h-투영면의 기하학 배치 -

: 볼의 h-투영면이 구와 만나서 생기는 원

: 카메라센서 FOV axis를 중심으로 하는 원

: h-투영면의 수직 벡터

: 원

가 이루는 센서면의 수직 벡터

: 구의 중심에서 투영면과 만나는 접점까지의 벡터

: 원

의 중심에서 추영면과 만나는 접점까지의 벡터

: 구의 반경

: 구의 바닥에서 투영면까지의 가상 높이

: 원

의 반경

: 중력 프레임의 Cartesian 좌표계의 성분

: 센서 접점 평면 프레임의 Cartesian 좌표계 성분

여기서 편의상

로 설정하고 나머지의 길이는

로 정규화된 양으로 생각한다. 이때

의 범위는

이고

의 범위는

이다. 위 그림과 같이 반구면 내에 h-투영면 높이가

일 때 이 투영면이 차지하는 체적은 다음과 같다.

(1)

여기서 부피

의 범위는 다음과 같다.

이 식을

에 정리하면 다음과 같은 다항식을 얻는다.

(2)

이 식을 풀어

범위의 값을 취하면 이것은 반구면 내에 볼의 h-투영면의 부피

가 주어졌을 경우의 높이에 해당한다.

원

의 반경은 다음 그림으로부터 쉽게 추정할 수 있다.

- 측면도 -

즉,

(3)

h-투영면으로 부터의 기울기 추출은 이하와 같다.

여기에서는 볼의 위치에 따른 법선 벡터를 형성하는 h-투영면(바닥면 높이 h)이 가상 반구면과 닿아서 만들어지는 접점 방정식(반구면 방정식과 볼의 중심 좌표로 유도함)으로 부터 120ㅀ 간격의 3개 접점이 주어졌다고 생각하고, 이 정보를 바탕으로 중력벡터에 대한 반구면의 방향에 대한 식을 유도한다. 이를 위해 그림 4-3과 같은 기하학적 배치도를 고려한다. 그림에서

는 구의 중심에서

번째 접점을 잇는 벡터이다. 또한

는 접점

부터 접점

를 잇는 벡터이다. 따라서

(4)

여기서 인덱스는

중의 하나이며 연속된 인덱스는 circular형으로 변환되는 것을 의미한다.

- 볼 투영면과 반구면이 만나는 점의 기하학적 배치 (a) 3차원 배치도 (b) 법선 방향에서 본 배치도 -

그림 4-3에서

은 동일 평면, 즉 투영면 상에 있는 것을 볼 수 있다. 따라서 다음 식을 얻을 수 있다.

(5)

여기서

(6)

그림처럼 센서 프레임에서

,

는 서로 120도 간격으로 떨어져 있음을 가정한다. 여기에서는 편의상

방향을 x축으로 설정하였다. 이제 이 세 접점

,

을 센서프레임에서 나타내보면, 먼저

평면에서의 azimuth는 각각

,

로 주어진다. 그리고

,

는 접점 방정식을 분석함으로 쉽게 얻을 수 있다.

,

가 구면 상의 점이라는 것을 이용하면 센서 프레임의 Cartesian 성분으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(7)

이를 위의 normal vector 식에 대입하면,

(8)

따라서 각 센서선

로부터 액체면의 접점

가 각각 계산되었다면 위의 식에 넣고 투영면의 법선벡터의 센서 프레임의 성분을 다음과 같이 구할 수 있다.

(9)

관성프레임(중력벡터프레임)과 센서프레임의 normal 벡터를 Euler transform으로 표시하면,

(10)

위의 식 (9)와 오일러회전식 (10)을 등치시킴으로 pitch 각

와 roll 각

를 구할 수 있다.

위에서 볼의 중심좌표(접점 방정식 -> h-투영면 3개 좌표) 측정치가 주어질 경우, 이를 이용해서 자세각을 계산할 수 있으며, 이 식은 기울기 센서의 작동 알고리즘으로 프로그램 될 식을 제시한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.

상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.

프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

100 : 바닥체
200 : 볼
300 : 카메라
400 : 송수신부
500 : 하우징
600 : 조명장치
700 : 제어부

Claims

구조물의 기울기 변화량 측정 장치에 있어서,
소정의 곡률반경을 갖는 구면으로 형성된 바닥체(100);
상기 바닥체(100) 상면에 거치되어 중력에 따라 이동하는 볼(200); 및
상기 볼(200)이 위치된 바닥체(100)를 촬영하는 카메라(300);를 포함하되,
상기 바닥체(100), 상기 볼(200) 및 상기 카메라(300)를 수납하는 내부공간(510)이 형성된 하우징(500);을 더 포함하고,
상기 내부공간(510)에서의 상기 볼(200)의 거동을 제한하는 볼 수납부(520);를 더 포함하되,
상기 바닥체(100)는 상기 내부공간(510)의 저면에 위치하고,
상기 카메라(300)는 상기 내부공간(510)의 윗면에 위치되며,
상기 볼 수납부(520)는 상기 저면과 상기 윗면을 차폐하는 격벽(521)이며,
상기 격벽(521)은 투명체로 형성된 판상 부재인 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 카메라(300)에 의해 생성된 영상정보(a)를 서버(10)로 송신하는 송수신부(400);를
더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 격벽(521)에는 상기 볼(200)의 위치를 특정하기 위한 측정기준선(523)이 표시된 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치.
제2항에 있어서,
상기 내부공간(510)에 빛을 제공하는 조명장치(600);를
더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치.
제4항에 있어서,
상기 카메라(300), 상기 송수신부(400) 및 상기 조명장치(600)를 제어하는 제어부(700);를
더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량 측정 장치.
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제5항의 구조물의 기울기 변화량 측정 장치를 이용하여 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법에 있어서,
상기 카메라(300)에 의해 상기 볼(200)이 위치된 상기 바닥체(100)를 촬영하여 상기 볼(200)의 제1 영상정보(a1)을 생성하는 제1 단계(S100); 및
상기 제1 단계(S100) 이후에 상기 카메라(300)에 의해 상기 볼(200)이 위치된 상기 바닥체(100)를 촬영하여 상기 볼(200)의 제2 영상정보(a2)을 생성하는 제2 단계(S200);를
포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 제어부(700)가 상기 제1 영상정보(a1) 및 상기 제2 영상정보(a2)를 이용하여 기울기 변화값을 도출하는 제3 단계(S300);를
더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 제3 단계(S300)는
상기 제1 영상정보(a1)에서 상기 볼(200)의 제1 위치값(b1)을 도출함과 아울러 상기 제2 영상정보(a2)에서 상기 볼(200)의 제2 위치값(b2)을 도출하는 위치값 도출단계(S310); 및
상기 제1 위치값(b1), 상기 제2 위치값(b2) 및 상기 곡률반경을 이용하여 상기 기울기 변화값을 도출하는 변화값 도출단계(S320);를
포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법.
제12항에 따른 구조물의 기울기 변화량을 측정하는 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.