KR102205218B1 - Towing-type high-speed three-dimensional shaping device and method for sinkholes and underground cavities - Google Patents

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KR102205218B1
KR102205218B1 KR1020200050908A KR20200050908A KR102205218B1 KR 102205218 B1 KR102205218 B1 KR 102205218B1 KR 1020200050908 A KR1020200050908 A KR 1020200050908A KR 20200050908 A KR20200050908 A KR 20200050908A KR 102205218 B1 KR102205218 B1 KR 102205218B1
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김수로
박제현
이진수
양인재
김상욱
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한국광해관리공단
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Abstract

The present invention relates to a traction-type high-speed three-dimensional shaping device and method of sinkholes and underground cavities. The device comprises: a sensor rod including a lidar sensor and which senses data for shaping a sinkhole in the underground sinkhole; a retractor; a ground controller; and a host computer. According to the present invention, the reliability of a shaping result can be enhanced through correction.

Description

싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 장치 및 방법{Towing-type high-speed three-dimensional shaping device and method for sinkholes and underground cavities}Towing-type high-speed three-dimensional shaping device and method for sinkholes and underground cavities}

본 발명은 싱크홀(지하 공동) 형상화에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 싱크홀의 신속한 탐사와 3차원 형상화를 통해 추가 붕괴를 막을 수 있는 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sinkhole (underground cavity) shaping, and more particularly, to a sinkhole and a traction type high-speed 3D shaping apparatus and method for preventing further collapse through rapid exploration and three-dimensional shaping of the sinkhole. About.

이 부분은 본 출원 내용과 관련된 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 선행기술이 되는 것은 아니다.This part provides background information related to the content of the present application, and is not necessarily prior art.

2014년 고층 빌딩이 건축 중인 석촌 호수 주변 발생한 갑작스러운 지반 침하 때문에 주변 주민들의 공포감이 극대화되었고 정부에서도 이러한 지반 침하를 국가 재난으로써 인식하게 되어 지하 안전 관리에 관한 특별법이 제정되어 시행되고 있다. 이러한 지반 침하중 규모가 크고 수직으로 생성되는 현상을 싱크홀이라고 부르으며, 2007년 과테말라에서 발생한 지름 20 m이고 깊이가 100m 인 싱크홀이 도심지에 한복판에서 발생하여 싱크홀 사고의 대표적인 사례가 되고 있다. 이러한 싱크홀이 발생한 지역의 위험도를 판단하기 위해서는 싱크홀의 크기와 규모, 그리고 특히 어느 방향으로 추가 붕괴가 더 발생할 위험 요소가 있는지 확인하는 것이 가장 중요하다. 이러한 조사를 위해 가장 효과적인 방법은 인력을 투입하여 정밀 조사를 수행하는 방법이나, 지반이 약해 추가 붕괴가 일어날 확률이 높아 인력투입이나 장비 투입이 원할하지 못하여 보다 효과이고 안정적인 방법이 요구된다. Sudden ground subsidence around Seokchon Lake where skyscrapers are being built in 2014 maximized the fear of neighboring residents, and the government recognized this subsidence as a national disaster, and a special law on underground safety management was enacted and implemented. Such a phenomenon that the scale of ground subsidence is large and vertically generated is called a sink hole, and a sink hole with a diameter of 20 m and a depth of 100 m that occurred in Guatemala in 2007 occurred in the middle of an urban area, becoming a representative example of a sink hole accident. . In order to determine the risk of such a sinkhole, it is most important to determine the size and size of the sinkhole, and in particular, whether there is a risk factor for further collapse in which direction. The most effective method for such investigation is the method of performing a detailed investigation by inputting manpower. However, since the ground is weak and there is a high probability of further collapse, the input of manpower or equipment is not smooth, so a more effective and stable method is required.

한편, 한국의 폐광은 과거 오랫동안 채광이 이루어짐으로 인하여 형성된 지하 공동이 미복구된 상태로 전국에 산재되어 있는 상태이다.On the other hand, the abandoned mines in Korea are scattered across the country in an unrecovered state of underground cavities formed by mining for a long time in the past.

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.Accordingly, there are cases in which the construction of existing facilities and new facilities is restricted due to stability problems, and recently, a ground stabilization project for mine settlement has been actively promoted.

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.However, Korea's mining environment varies greatly depending on region, geology, and mining conditions, and if the mine development characteristics are not met, an inefficient ground stabilization project will be implemented.

따라서, 지반침하 방지대책을 수립, 적용함에 있어서 광산제반 조건에 최대한 부합되도록 관련 보강기술의 고효율화를 추구함으로써, 광산지역 지반 안정화사업이 안정적으로 수행될 수 있도록 하는 기술이 요구되고 있다.Therefore, in establishing and applying ground subsidence prevention measures, there is a need for a technology to stably carry out a ground stabilization project in a mine area by pursuing high efficiency of related reinforcement technologies to meet the conditions of mine as much as possible.

현재 국내외에서 광산 지반안정화를 위하여 적용되고 있는 지반 안정화공법은 크게 지하공동을 충전하여 안정화하는 충전공법과 지하공동 상부의 지반을 보강하는 상부 보강법으로 분류된다.The ground stabilization method, which is currently applied for the stabilization of the ground in mines at home and abroad, is largely classified into a filling method for stabilizing an underground cavity and an upper reinforcement method for reinforcing the ground above the underground cavity.

광산지역 지반 안정화 공법은 넓은 의미에서 기본 및 정밀조사(지중 공동의 형상화)를 통하여 광산 주변 물건이 안전하여 제 기능을 발휘하도록 하는 대책이라 할 수 있다.In a broad sense, the ground stabilization method in a mine area can be said to be a measure to ensure that the things around the mine are safe and function properly through basic and detailed investigations (shaping the underground cavity).

이에 맞춰, 최근 광산 지반안정화 작업 또는 석유 탐사 등의 시추 작업을 위해, 지하공동 영역에 대한 탐사 작업이 활발히 진행되고 있다.In accordance with this, in recent years, exploration work for an underground cavity area has been actively conducted for drilling work such as ground stabilization work or oil exploration in mines.

이의 일환으로, 종래에는 지하공동 영역에 센서를 설치하고, 목표물까지의 거리를 측정하여 지하공동 영역을 형상화시키려는 노력이 있었으며, 본 발명의 배경기술을 확인할 수 있는 특허문헌으로 등록특허 제10-1695479호, 등록특허 제10-0708345호, 공개특허 제10-2015-0049207호 등이 있다.As part of this, in the prior art, there has been an effort to shape the underground cavity area by installing a sensor in the underground cavity area and measuring the distance to the target. Registered Patent No. 10-1695479 as a patent document that can confirm the background technology of the present invention. No., Registration Patent No. 10-0708345, Publication No. 10-2015-0049207, and the like.

또한, 고속 라이다(Lidar) 센서가 장착된 드론을 현장에 투입하여 조사하는 방법이 있다. 이러한 지반 침하 현장에 고속 라이다 센서를 장착한 드론을 이용한 사례로는 지반침하가 일어나거나 일어날 것으로 예측되는 현장 주변을 비행하면서 지면을 스캐닝 하여 침하된 상황을 지리학적으로 맵핑을 통하여 피해정도를 추정하고 상태변화를 모니터링 하는데 주로 적용되었다. In addition, there is a method of investigating a drone equipped with a high-speed Lidar sensor in the field. An example of using a drone equipped with a high-speed lidar sensor at such a subsidence site is to estimate the degree of damage through geographical mapping of the subsidence situation by scanning the ground while flying around the site where subsidence occurs or is predicted to occur. And it was mainly applied to monitor state change.

그러나, 이러한 드론을 이용한 방법은 무선 신호가 도달하지 않아 원격 조정이 이루어지지 못하는 깊은 심도(예를 들어 100m )에서는 사용이 불가능하고, 또한 깊은 심도에서는 GPS신호도 도달하지 않아 정확한 위치 결정이 어려워 자가 독립 비행도 힘든 상황이며, 아울러 수직공내 에서 발생하는 심한 기류 변화때문에 안정적인 비행환경을 갖추기 어려워 활용성이 낮고 현실적이지 못하다.However, such a method using a drone cannot be used at a deep depth (for example, 100m) where remote control cannot be performed due to the wireless signal not reaching, and also at a deep depth, it is difficult to accurately determine the location because the GPS signal does not arrive. Independent flight is also difficult, and it is difficult to establish a stable flight environment due to severe airflow changes occurring in the vertical air, which makes it difficult to utilize and practical.

등록특허 제10-1695479호Registered Patent No. 10-1695479 등록특허 제10-0708345호Registered Patent No. 10-0708345 공개특허 제10-2015-0049207호Publication Patent No. 10-2015-0049207

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지중 깊은 심도의 싱크홀(및 지하 수직 공동)에서 기류변화 등의 영향을 받지 않고 라이다 센서 등을 고속으로 견인에 의해 상승시키면서 싱크홀을 탐사(모니터링)하고 보정(단면 경사 보정, 회전각 보정, 흔들림 보정, 데이처 결손 보정)을 통해 형상화 결과의 신뢰도를 높이는 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 장치 및 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다. The present invention is to solve the above-described problems, without being affected by changes in air flow in sinkholes (and vertical cavities under the ground) deep in the ground, while raising the lidar sensor by traction at high speed to increase the sinkhole. It is intended to provide a traction type high speed 3D shaping device and method for sinkholes and underground cavities that increase the reliability of shaping results through exploration (monitoring) and correction (section slope correction, rotation angle correction, shake correction, data defect correction). There is a purpose.

본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 장치는, 라이다 센서를 포함하며 지중의 싱크홀 안에서 싱크홀의 형상화를 위한 데이터를 센싱하는 센서봉과; 지상에 설치되며 상기 센서봉을 일정 속도로 견인하여 상승시키는 견인기와; 상기 센서봉에 전원을 인가함과 아울러 센싱 데이터를 처리하는 지상 제어기와; 소프트웨어를 통해 상기 센싱 데이터를 근거로 하여 보정한 후 싱크홀을 3차원으로 형상화하는 호스트 컴퓨터를 포함하고, 상기 소프트웨어는 상기 라이다 센서에 의해 나선형으로 획득하는 탐사 정보를 동일 심도의 스트립 라인으로 변화하는 단면 경사 보정, 탐사 정보를 자북을 기준 위치로 하도록 회전시키는 회전각 보정, 상기 탐사 정보를 중심값으로 보정하는 흔들림 보정, 탐사 정보 중 오류를 보정하는 데이터 결손 보정 중 하나 이상의 보정을 통해 싱크홀을 3차원으로 형상화하는 것을 특징으로 한다.The traction type high-speed 3D shaping apparatus for a sinkhole and an underground cavity according to the present invention includes a sensor rod including a lidar sensor and sensing data for shaping a sinkhole in an underground sinkhole; A retractor installed on the ground and traction and lifting the sensor rod at a constant speed; A ground controller that applies power to the sensor rod and processes sensing data; The software includes a host computer that corrects based on the sensing data and then shapes the sinkhole in three dimensions, and the software changes the exploration information obtained in a spiral form by the lidar sensor into a strip line of the same depth. Sinkhole through one or more corrections of cross-sectional inclination correction, rotation angle correction to rotate the exploration information to the magnetic north as a reference position, shake correction to correct the exploration information to the center value, and data loss correction to correct errors in the exploration information It is characterized in that it is shaped in three dimensions.

본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 장치 및 방법에 의하면, 센서들이 지상의 연속 견인작업을 통해 싱크홀 및 지하 수직 공동 내부를 바닥에서 연속 상승과 360도로 회전을 통해 형상화 정보를 센싱하여 고속 탐지가 가능하므로 신속한 탐사가 가능하고 결과적으로 신속한 대책 마련이 가능하여 추가 붕괴를 막고 지반을 안정화하는 효과가 있고, 또한, 보정(단면 경사 보정, 회전각 보정, 흔들림 보정, 데이터 결손 보정)을 통해 탐지 결과와 실제 싱크홀의 동일성을 높여줌으로써 대형 싱크홀 재난 현장 조사의 신뢰도를 더욱 향상하고 그에 따른 안정화 대책을 통해 지반 안정화 효과를 극대화하고, 즉, 광산지역과 도심지의 안정화에 큰 기여를 할 수 있다.According to the traction-type high-speed 3D shaping apparatus and method of the sinkhole and the underground cavity according to the present invention, the sensors form the sinkhole and the underground vertical cavity through continuous elevation from the floor and rotation by 360 degrees through continuous traction work on the ground. Since high-speed detection by sensing information is possible, rapid exploration is possible, and as a result, rapid countermeasures can be prepared to prevent further collapse and stabilize the ground. In addition, correction (section slope correction, rotation angle correction, shake correction, data By increasing the identity of the detection result and the actual sinkhole through defect correction), the reliability of large-scale sinkhole disaster site investigation is further improved, and the ground stabilization effect is maximized through stabilization measures. You can contribute.

도 1은 본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 장치의 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 장치에 적용된 센서부의 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법의 개념도.
도 4는 본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법에 의한 단면 경사 보정의 개념도.
도 5는 본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법의 보정 중 단면 경사 보정의 개념도.
도 6은 본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법의 보정 중 회전각 보정의 개념도.
도 7은 본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법의 보정 중 회전각 보정의 과정도.
도 8은 본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법의 보정 중 흔들림 보정의 개념도.
도 9는 본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법에 의해 발생될 수 있는 결손 형태를 보인 도면.
도 10은 본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법에서 결손 데이터 보정을 보인 도면.
도 11은 본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법에 따른 형상 결정 개념도.
도 12 내지 도 14는 도 10은 본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 공정을 보인 이미지.
1 is an overall configuration diagram of a traction type high-speed three-dimensional shaping apparatus for a sinkhole and an underground cavity according to the present invention.
Figure 2 is a configuration diagram of a sensor unit applied to the traction type high-speed three-dimensional shaping device of a sinkhole and an underground cavity according to the present invention.
3 is a conceptual diagram of a method for traction-type high-speed 3D shaping of a sinkhole and an underground cavity according to the present invention.
4 is a conceptual diagram of cross-sectional inclination correction by the method of traction-type high-speed three-dimensional shaping of a sinkhole and an underground cavity according to the present invention.
5 is a conceptual diagram of cross-sectional slope correction during correction of a method for traction-type high-speed three-dimensional shaping of a sinkhole and an underground cavity according to the present invention.
6 is a conceptual diagram of correction of a rotation angle during correction of a method for traction-type high-speed three-dimensional shaping of a sinkhole and an underground cavity according to the present invention.
7 is a process diagram of a rotation angle correction during correction of a method for traction type high-speed 3D shaping of a sinkhole and an underground cavity according to the present invention.
8 is a conceptual diagram of shake correction during correction of a method for traction-type high-speed three-dimensional shaping of a sinkhole and an underground cavity according to the present invention.
9 is a view showing a form of a defect that may be generated by the method of traction type high-speed 3D shaping of a sinkhole and an underground cavity according to the present invention.
10 is a view showing the correction of missing data in the traction-type high-speed 3D shaping method of a sinkhole and an underground cavity according to the present invention.
11 is a conceptual diagram of shape determination according to the method of traction type high-speed three-dimensional shaping of a sinkhole and an underground cavity according to the present invention.
12 to 14 are images showing a traction type high-speed three-dimensional shaping process of a sink hole and an underground cavity according to the present invention.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 장치는, 싱크홀(수직형 공동) 안에서 싱크홀의 형상화를 위한 데이터를 센싱하는 센서봉(탐사장비)(100), 센서봉(100)을 견인하는 견인기(200), 센서봉(100)에 전원을 인가함과 아울러 센싱 데이터를 처리하는 지상 제어기(300), 소프트웨어를 통해 센싱 데이터를 근거로 하여 보정한 후 싱크홀을 3차원으로 형상화하는 호스트 컴퓨터(400)로 구성된다.As shown in Fig. 1, the traction type high-speed 3D shaping apparatus of the sinkhole and the underground cavity according to the present invention is a sensor rod (exploration equipment) that senses data for shaping the sinkhole in the sinkhole (vertical cavity). 100), the retractor 200 for pulling the sensor rod 100, the ground controller 300 for processing sensing data while applying power to the sensor rod 100, and corrected based on the sensing data through software It consists of a host computer 400 that shapes the sinkhole in three dimensions.

센서봉(100)은 센서 몸체(110), 전원부(120), 회전 구동부(130), 센서부(140)를 포함한다.The sensor rod 100 includes a sensor body 110, a power supply unit 120, a rotation drive unit 130, and a sensor unit 140.

센서 몸체(110)는 센서봉(100)의 전술한 구성들의 어셈블리를 위한 것이며, 견인 케이블(111)을 통해 견인기(200)와 연결된다. 센서 몸체(110)는 각 구성들의 기능에 따라 2개 이상의 조립식으로 구성될 수 있고, 견인 케이블(111)이 인입되는 부분은 방수 커넥터(112)가 적용된다. The sensor body 110 is for assembly of the above-described components of the sensor rod 100 and is connected to the retractor 200 through a traction cable 111. The sensor body 110 may be configured in two or more assembly types according to the function of each component, and a waterproof connector 112 is applied to a portion into which the traction cable 111 is inserted.

견인 케이블(111)을 싱크홀의 중심에 센서봉(100)을 설치할 수 있도록 크레인 등의 중장비를 이용할 수 있다.Heavy equipment, such as a crane, may be used to install the traction cable 111 in the center of the sink hole and the sensor rod 100.

전원부(120)는 I/F 전원 보드를 포함한다.The power supply unit 120 includes an I/F power board.

상기 I/F 전원 보드는 DC-DC 컨버터를 내장하여 100V 이상의 고전압을 12V 저전압으로 변환시키고, 또한 데이터 및 신호를 전원과 분리하는 회로를 내장하고 있다.The I/F power board has a built-in DC-DC converter to convert a high voltage of 100V or higher into a 12V low voltage, and also has a built-in circuit for separating data and signals from the power supply.

회전 구동부(130)는 구동 모터부(131), 회전 기어부(132) 및 회전축(133)으로 구성된다.The rotation driving unit 130 is composed of a driving motor unit 131, a rotation gear unit 132, and a rotation shaft 133.

구동 모터부(131)는 예를 들어 센서부(140)의 일측면에 설치된 서보 모터의 제어를 통해 회전을 조정한다.The drive motor unit 131 adjusts rotation through control of a servo motor installed on one side of the sensor unit 140, for example.

회전 기어부(132)는 상기 서보 모터의 제어를 통해 회전을 조정한다.The rotation gear unit 132 adjusts rotation through the control of the servo motor.

회전축(133)은 회전 기어부(132)를 통해 회전력을 전달받아 회전한다.The rotation shaft 133 rotates by receiving rotational force through the rotation gear unit 132.

또한, 센서봉(100)이 회전하는 중에도 구동 모터부(131)에 전원을 인가할 수 있도록 슬립링이 포함된다.In addition, a slip ring is included so that power can be applied to the driving motor unit 131 even while the sensor rod 100 is rotating.

센서부(140)는 주제어보드(141), 관성센서 등 센서 모듈(142) 및 고속 라이다(lidar) 센서(143)를 포함한다. 고속 라이다 센서의 기능 상 센서 모듈(142)과 구분한다.The sensor unit 140 includes a main control board 141, a sensor module 142 such as an inertial sensor, and a high-speed lidar sensor 143. It is distinguished from the sensor module 142 due to the function of the high-speed lidar sensor.

주제어보드(141)는 인터페이스 제어보드{이를테면, FPGA(Field Programmable Gate Array) 소자 등}를 이용하여 지상 제어기(300)로부터 전송된 명령어를 제어신호로 변환시키고, 센서부(140)가 감지한 측정 데이터를 수신하여 관리하는 것으로, 센서 모듈(142)을 제어한다.The main control board 141 converts the command transmitted from the ground controller 300 into a control signal using an interface control board (for example, a Field Programmable Gate Array (FPGA) device, etc.), and measures detected by the sensor unit 140 By receiving and managing data, the sensor module 142 is controlled.

센서 모듈(142)은 관성 센서(Inertial Measuring Unit, IMU), 가속도계, 자이로 센서, 자기장 센서, 회전각 센서, 기울기(경사) 센서를 포함하고, 이들 센서는 후술하는 3차원 형상화를 위한 정보 및 보정을 위한 정보를 센싱한다.The sensor module 142 includes an inertial measuring unit (IMU), an accelerometer, a gyro sensor, a magnetic field sensor, a rotation angle sensor, and a tilt (inclination) sensor, and these sensors include information and correction for 3D shaping, which will be described later. It senses information for

관성 센서(IMU)는 가속도계나 자이로스코프 자기장센서, 회전각 센서 및 기울기 센서를 혼합 활용하여 센서 몸체(110)의 움직임과 이동량을 측정하는 센서 집합체로, 센서 몸체(110)에 탑재된다. The inertial sensor (IMU) is a sensor assembly that measures the amount of movement and movement of the sensor body 110 by using a mixture of an accelerometer, gyroscope magnetic field sensor, rotation angle sensor, and tilt sensor, and is mounted on the sensor body 110.

상기 가속도계(accelerometer)는 직각 좌표계에서 센서봉(100)에 부착된 안테나의 움직임을 측정하고, 방위각 센서로 자기장 센서(magnetic sensor)는 지자 계를 감지하여 방위각을 측정하며, 자이로 센서는 측정된 회전각 또는 경사각에 오차가 있는 경우, 회전 각속도를 측정하여 회전각 또는 경사각을 보정하고, 기울기 센서(inclinometer)는 중력을 기준으로 경사각을 측정한다.The accelerometer measures the movement of the antenna attached to the sensor rod 100 in a rectangular coordinate system, a magnetic field sensor with an azimuth sensor detects a geomagnetic field to measure the azimuth, and the gyro sensor measures the measured rotation. When there is an error in the angle or inclination angle, the rotation angle or inclination angle is corrected by measuring the rotational angular velocity, and an inclination sensor (inclinometer) measures the inclination angle based on gravity.

고속 라이다 센서(143)는 지하 공동(싱크홀)에서 목표점까지의 정확한 거리를 산출하는 센서이며, 바람직하게 센서 몸체(110)의 하단에 센서 몸체(110)와 독립적으로 회전 가능하게 연결된다.The high-speed lidar sensor 143 is a sensor that calculates an accurate distance from an underground cavity (sink hole) to a target point, and is preferably rotatably connected to the sensor body 110 at the lower end of the sensor body 110.

즉, 센서 몸체(110)는 센서 모듈(140)의 보정 시 회전하도록 구성되는 한편, 고속 라이다 센서(143)는 센서 몸체(110){센서모듈(142)}와 별도로 회전하도록 구성되는 것이다.That is, the sensor body 110 is configured to rotate when the sensor module 140 is calibrated, while the high-speed lidar sensor 143 is configured to rotate separately from the sensor body 110 (sensor module 142).

센서봉(100)는 지하 공동에서 목표물의 영상을 촬영하기 위한 촬영부(카메라)를 포함할 수 있다.The sensor rod 100 may include a photographing unit (camera) for photographing an image of a target in an underground cavity.

견인기(200)는 견인모터(210), 견인모터 제어부, 견인드럼(220), 깊이표시기(엔코더)를 포함한다.The retractor 200 includes a traction motor 210, a traction motor control unit, a traction drum 220, and a depth indicator (encoder).

견인모터(210)는 상기 견인모터 제어부의 제어를 통해 양방향으로 회전 및 회전속도가 제어되어 견인드럼(220)을 회전시켜 견인드럼(220)에 의해 견인 케이블(111)을 풀거나 감는다.The traction motor 210 rotates and rotates in both directions through the control of the traction motor controller to rotate the traction drum 220 to unwind or wind the traction cable 111 by the traction drum 220.

상기 깊이 표시기는 엔코더(230)의 측정 휠과 연결되며, 엔코더(230)에 의해 감지된 견인 케이블(111)의 이동량을 화면으로 표시한다.The depth indicator is connected to the measuring wheel of the encoder 230 and displays the amount of movement of the traction cable 111 detected by the encoder 230 on a screen.

엔코더(230)는 중심부에 측정 휠을 설치하고 있으며, 견인드럼(220)에 감긴 견인 케이블(111)이 이동된 이동 량을 감지한다.The encoder 230 has a measuring wheel installed in the center, and detects the amount of movement of the traction cable 111 wound around the traction drum 220.

상기 견인모터 제어부는 소프트웨어를 통해 견인모터(210)의 동작을 제어하며, 상기 소프트웨어는 관리자에 의해 관리된다.The traction motor control unit controls the operation of the traction motor 210 through software, and the software is managed by an administrator.

지상 제어기(300)는 전원 제어부, 영상 수신부 및 통신 제어부를 포함한다.The ground controller 300 includes a power control unit, an image receiving unit, and a communication control unit.

상기 전원 제어부는 AC 전원으로부터 인가된 교류(AC) 220V를 직류(DC) 192V 전압으로 변환시키며, 전원 공급, 전원 상태 등을 제어한다.The power control unit converts AC 220V applied from AC power to DC 192V voltage, and controls power supply and power state.

상기 영상 제어부는 센서부(140)로부터 전송된 감지 데이터(이를테면, 지하 공동 촬영 영상, 측정된 거리 정보등)를 수신한다.The image controller receives sensing data (for example, an underground joint photographing image, measured distance information, etc.) transmitted from the sensor unit 140.

상기 통신 제어부는 호스트 컴퓨터(400)와 통신을 구현할 수 있도록 해준다.The communication control unit enables communication with the host computer 400.

이 경우 USB 허브는 호스트 컴퓨터(400)와 USB(Universal Serial Bus) 통신방식으로 연결되며, 또한 주변 장치인 RS-232 컨버터와 RS-485 컨버터가 USB 통신방식으로 연결될 수 있도록 해준다.In this case, the USB hub is connected to the host computer 400 through a universal serial bus (USB) communication method, and also allows a peripheral device such as an RS-232 converter and an RS-485 converter to be connected through a USB communication method.

RS-232 컨버터는 RS-232 통신을 USB(Universal Serial Bus) 통신 방식으로 변환시켜 통신이 가능하도록 해주며, 견인기(200)의 깊이 표시기와 연결된다.The RS-232 converter converts RS-232 communication into a USB (Universal Serial Bus) communication method to enable communication, and is connected to the depth indicator of the retractor 200.

RS-485 컨버터는 RS-485 통신을 USB(Universal Serial Bus) 통신 방식으로 변환시켜 통신이 가능하도록 해주며, 견인기(200)의 견인드럼(220)의 슬립링과 연결된다.The RS-485 converter converts RS-485 communication into a universal serial bus (USB) communication method to enable communication, and is connected to the slip ring of the towing drum 220 of the retractor 200.

호스트 컴퓨터(400)는 지하공동 3차원 형상화 및 수치화 운용시스템을 운영하는 소프트웨어(S/W)를 탑재하여 지하공동 3차원 형상화 알고리즘을 수행하고, 센서봉(100)의 전반적인 동작을 제어한다.The host computer 400 performs an underground cavity 3D shaping algorithm by installing software (S/W) that operates an underground cavity 3D shaping and numerical operation system, and controls the overall operation of the sensor rod 100.

호스트 컴퓨터(400)는 지하 공동의 3차원 형상화를 위하여 취득한 데이터를 보정하며, 이 보정은 측정 시 보정(단면 경사 보정, 회전각 보정, 흔들림 보정)과 분석 시 보정(Glitch 보정, 회전각 정밀 보정)으로 구분된다.The host computer 400 corrects the data acquired for the three-dimensional shape of the underground cavity, and this correction is performed during measurement (section inclination correction, rotation angle correction, shake correction) and analysis (Glitch correction, rotation angle precision correction). ).

본 발명에 의한 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법은 싱크홀에 센서봉 삽입 - 형상화 정보 검출 - 보정 - 형상화 결정의 공정으로 이루어지며 구체적인 방법은 다음과 같다.The method of traction-type high-speed three-dimensional shaping of sinkholes and underground cavities according to the present invention includes a process of inserting a sensor rod into the sinkhole-detecting shaping information-correcting-shaping determination, and a specific method is as follows.

1. 센서봉 삽입.1. Insert the sensor rod.

견인 케이블(111)을 풀어 센서봉(100)을 싱크홀의 바닥까지 삽입한다.Loosen the traction cable 111 and insert the sensor rod 100 to the bottom of the sink hole.

2. 형상화 정보 검출.2. Detection of shaping information.

견인드럼(220)의 구동 및 구동 제어를 통해 견인 케이블(111)을 일정한 속도로 견인드럼(220)에 감으면서 라이다 센서(143) 및 센서모듈(142)을 구동 제어하고, 이 과정에서 라이다 센서(143)로부터 싱크홀의 거리를 연속 검출한다.Through the driving and driving control of the traction drum 220, while winding the traction cable 111 around the traction drum 220 at a constant speed, the lidar sensor 143 and the sensor module 142 are driven and controlled, and in this process, the It continuously detects the distance of the sinkhole from the sensor 143.

3. 보정.3. Calibration.

먼저, 형상결정 알고리즘을 설명하면, First, explaining the shape determination algorithm,

싱크홀을 조사하기 위해서는 도 3에서 보이는 것처럼, 싱크홀의 최하단부로부터 탐사장비를 상승시키면서 측정이 이루어진다. 전동으로 구동되는 케이블 윈치를 일정한 속도로 이동(견인에 의한 상승)시키면서 일정 깊이 간격마다 데이터를 측정한다. 이때 측정되는 깊이를 D0,D1,D2,,,Dm 이라고 할 때 m번째 깊이에서 결정된 점들을 Pm(φ)라고 하면 φ=0,1,2,,,359로서 라이다의 측정각도에 해당된다.In order to investigate the sink hole, as shown in FIG. 3, the measurement is made while raising the exploration equipment from the lowermost end of the sink hole. The data is measured at regular depth intervals while moving the electrically driven cable winch at a constant speed (raising by pulling). Assuming that the measured depth is D 0 ,D 1 ,D 2 ,,,Dm, if the points determined at the m-th depth are Pm(φ), φ = 0,1,2,,,359, and the measured angle of the lidar Corresponds to.

관성센서에서 측정되는 센서값과 고속 라이다 센서의 측정값으로부터 값을 결정하는 전 과정을 나타낸 것으로, 측정 전에 관성센서의 중심값과 보정계수 를 결정하는 과정을 각각 정지상태와 회전운동을 통해서 수행한다. 탐사장비를 측정 가능한 최대 심도로 위치시킨 후 상승 이동 시키면서 고속 라이다 센서의 측정값으로 형상을 결정하는 점을 계산한다. It shows the entire process of determining the value from the sensor value measured by the inertial sensor and the measured value of the high-speed lidar sensor, and the process of determining the center value and correction factor of the inertial sensor before measurement is performed through a stop state and a rotational motion, respectively. do. After positioning the exploration equipment at the maximum measurable depth, it calculates the point that determines the shape using the measured value of the high-speed lidar sensor while moving upward.

본 발명에 따르면, 라이다 센서가 연속 회전하면서 상승하기 때문에 측정값들에 따르면 나선형을 궤적으로 하는 선형이 만들어지므로 동일 심도의 측정값에 의한 형상을 만들기 위하여 단면 경사 보정(심도 보정)이 수행된다.According to the present invention, since the lidar sensor rises while continuously rotating, according to the measured values, a linear trajectory is created, so that cross-sectional inclination correction (depth correction) is performed to create a shape based on the measured value of the same depth. .

또한, 탐사장비는 케이블 제작 시 강선이 2중으로 꼬여서 감겨있는 형태이므로 수직이동하면서 탐사장비 몸체가 계속 회전하게 되어 고속 라이다 센서의 측정 기준값이 회전하게 되고, 이러한 회전양을 측정하여 자북을 기준으로 보정하는 회전각 보정과정이 수행된다. In addition, since the probe is in a form in which the steel wire is twisted and wound in duplicate when the cable is manufactured, the body of the probe continues to rotate while moving vertically, and the measurement reference value of the high-speed lidar sensor rotates, and the amount of rotation is measured based on magnetic north. The rotation angle correction process to be corrected is performed.

아울러 케이블이 길게 전개되고 싱크홀 내부에서 발생하는 상승기류에 의해 탐사장비가 좌우로 흔들리게 되는데 기울기 센서로부터 측정된 경사각을 바탕으로 중심으로부터 흔들리는 정도를 계산하여 라이다 센서의 중심점을 보정하는 흔들림 보정과정이 수행된다. In addition, the cable is extended and the exploration equipment is shaken from side to side by the rising airflow generated inside the sinkhole.The shake correction that corrects the center point of the lidar sensor by calculating the degree of shaking from the center based on the tilt angle measured from the tilt sensor. The process is carried out.

이처럼 탐사장비의 자세 변동을 반영하여 보다 정확한 형상을 재구성한다.In this way, a more accurate shape is reconstructed by reflecting the attitude change of the exploration equipment.

가. 단면 경사 보정.end. Section slope correction.

본 발명은 라이다 센서가 연속 회전하면서 상승하기 때문에 도 4의 (A)처럼 나선형을 궤적으로 하여 거리를 측정하게 되고, 0도 일 때의 심도를 기준으로 할 때 359도에서 획득한 데이터의 심도는 0도일 때의 심도와 달라 오차가 발생하며, 라이다 센서가 1회전할 때의 심도를 짧게(얕게)하면 싱크홀의 형상화 결과의 오차를 줄일 수 있다.In the present invention, since the lidar sensor rises while continuously rotating, the distance is measured using a spiral trajectory as shown in (A) of FIG. 4, and the depth of data acquired at 359 degrees based on the depth at 0 degrees Unlike the depth at 0 degrees, an error occurs, and if the depth at the time of one rotation of the lidar sensor is shortened (shallow), the error in the shaping result of the sink hole can be reduced.

본 발명은 싱크홀의 형상화 결과에 대한 신뢰도를 높이기 위하여 전술한 오차를 해결하며, 이를 단면 경사 보정이라 한다.The present invention solves the above-described error in order to increase the reliability of the shaping result of the sink hole, and this is referred to as cross-sectional slope correction.

단면 경사 보정은 동일한 위치(각도)이면서 이웃하는 다른 심도(이전 심도와 이후 심도)에서 측정한 2개의 측정값의 평균값을 산출하여 동일 심도에서 측정한 스트립 라인(strip line)dmf 추출하는 것이며, 기준 위치 예를 들어 0도의 위치를 기준 위치로 하는 가중치평균이다(도 4 참고).Section slope correction is to extract the strip line dmf measured at the same depth by calculating the average value of two measurements measured at the same location (angle) and at different depths (previous depth and later depth). Position, for example, is a weighted average using a position of 0 degrees as a reference position (see FIG. 4).

도 5는 라이다 센서가 0도에서부터 359도를 회전하면서 1도 간격으로 거리를 측정한 결과를 전개한 그래프이며, 단면 경사 보정은 하기의 식(1)을 통해 가능하다.FIG. 5 is a graph showing the results of measuring the distance at intervals of 1 degree while the lidar sensor rotates from 0 degrees to 359 degrees, and cross-sectional inclination correction is possible through Equation (1) below.

Figure 112020043265488-pat00001
-------------(1)
Figure 112020043265488-pat00001
-------------(One)

Figure 112020043265488-pat00002
Figure 112020043265488-pat00002

Figure 112020043265488-pat00003
Figure 112020043265488-pat00003

Figure 112020043265488-pat00004
Figure 112020043265488-pat00004

Figure 112020043265488-pat00005
Figure 112020043265488-pat00005

Figure 112020043265488-pat00006
Figure 112020043265488-pat00006

Figure 112020043265488-pat00007
Figure 112020043265488-pat00007

나. 회전각 보정.I. Rotation angle correction.

회전각(θ)은 도 6에서 보이는 바와 같이, 고속 라이다 센서의 기준점이 자북을 기준으로 회전된 양을 나타내는 각도이다. 이러한 회전각은 관성 센서 중 자이로 센서와 자기장 센서의 값을 이용하여 측정되며, 자기장 센서의 값을 기준으로 하는 한편 자기장 센서의 값을 오류로 판단하는 경우 자이로 센서의 값을 기준으로 하고, 자이로 센서는 센서봉(100)의 위치와 자기장 센서의 값을 근거로 하는 회전각의 빅데이터를 구축하고 상기 빅데이터 중에서 센서봉(100)의 위치에 해당하는 회전각을 추출하는 방식이다.As shown in FIG. 6, the rotation angle θ is an angle representing the amount of rotation of the reference point of the high-speed lidar sensor with respect to magnetic north. This rotation angle is measured using the values of the gyro sensor and the magnetic field sensor among the inertial sensors, and is based on the value of the magnetic field sensor, while when the value of the magnetic field sensor is judged as an error, the value of the gyro sensor is used as the reference. Is a method of constructing big data of the rotation angle based on the position of the sensor rod 100 and the value of the magnetic field sensor, and extracting the rotation angle corresponding to the position of the sensor rod 100 from the big data.

도 7은 회전각을 결정하는 과정을 나타낸 것으로, 자이로 센서와 자기장 센서를 통해 회전각을 결정하기 위해서는 탐사 전에 보정하는 과정이 선행되어야 한다. 탐사장비가 투입되기 전에 도르레를 통해 매달려 있는 완전 정지 상태에서 자이로 센서 값을 아래의 수식과 같이 중심 값 Gx,bias로 사용한다.7 shows a process of determining the rotation angle, and in order to determine the rotation angle through a gyro sensor and a magnetic field sensor, a process of correcting before exploration must be preceded. Before the exploration equipment is put into operation, the gyro sensor value is used as the center value G x,bias as shown in the formula below in a completely stopped state suspended through a pulley.

Figure 112020043265488-pat00008
Figure 112020043265488-pat00008

탐사장비의 헤드부분을 1회전시키면서 수집된 자이로 센서 값을Gyro sensor value collected while rotating the head of the exploration equipment

Gz,o',Gz,1',Gz,2',,,,Gz,N-1'이라 할 때와 자기장 센서의 값을 수집한다. 이 때, 자이로 센서의 회전각을 구할 수 있는 변환값 Sz,gyro는 다음의 식(2)을 통해 결정할 수 있다.G z,o' ,G z,1' ,G z,2' ,,,,G z,N-1' and the value of the magnetic field sensor are collected. In this case, the converted value S z,gyro that can obtain the rotation angle of the gyro sensor can be determined through the following equation (2).

Figure 112020043265488-pat00009
-------------- (2)
Figure 112020043265488-pat00009
-------------- (2)

이때 자기장 센서의 값도 같이 측정되는데 x축의 최소값과 최대값을 결정하면 자기장 센서로부터 회전각을 결정하기 위한 x축의 중심값과 변환값은 식(3)(4)과 같이 나타낼 수 있다. 같은 방법으로 y축의 중심값 My,bias과 변환값 Sy,mag도 하기의 식(5)(6)을 통해 결정할 수 있다.At this time, the value of the magnetic field sensor is also measured. If the minimum and maximum values of the x-axis are determined, the center value and the converted value of the x-axis for determining the rotation angle from the magnetic field sensor can be expressed as Equations (3) and (4). In the same way, the center value M y,bias of the y-axis and the transformed value S y,mag can also be determined through Equations (5)(6) below.

Figure 112020043265488-pat00010
-----------------(3)
Figure 112020043265488-pat00010
-----------------(3)

Figure 112020043265488-pat00011
-----------------(4)
Figure 112020043265488-pat00011
-----------------(4)

Figure 112020043265488-pat00012
-----------------(5)
Figure 112020043265488-pat00012
-----------------(5)

Figure 112020043265488-pat00013
-----------------(6)
Figure 112020043265488-pat00013
-----------------(6)

탐사장비를 상하로 이동시키면서 측정하고 회전각은 자북을 기준으로 θrot,m로 정의하였다. 우선 자기장센서를 이용해 회전각을 결정하기 위해서는 중심값과 변환값을 적용하여 센서값을 식(7)(8)을 통해

Figure 112020043265488-pat00014
,
Figure 112020043265488-pat00015
로 보정하게 된다. It was measured while moving the exploration equipment up and down, and the rotation angle was defined as θ rot,m based on magnetic north. First of all, to determine the rotation angle using a magnetic field sensor, apply the center value and the converted value and calculate the sensor value through equations (7)(8).
Figure 112020043265488-pat00014
,
Figure 112020043265488-pat00015
Will be corrected to.

Figure 112020043265488-pat00016
--------(7)
Figure 112020043265488-pat00016
--------(7)

Figure 112020043265488-pat00017
--------(8)
Figure 112020043265488-pat00017
--------(8)

보정된 자기장 센서값을 이용하여 결정된 자기장 회전각 θmag,m 과 자기장의 세기 Mn은 하기의 식(9)(10)에 의해 결정된다. The magnetic field rotation angle θ mag,m and the magnetic field strength M n determined using the corrected magnetic field sensor value are determined by the following equations (9) (10).

Figure 112020043265488-pat00018
----------------(9)
Figure 112020043265488-pat00018
----------------(9)

Figure 112020043265488-pat00019
-------------(10)
Figure 112020043265488-pat00019
-------------(10)

이 때 자이로 센서로부터 회전각을 결정하는 방법은 식(11)과 같다. 초기값은 자기장센서에서 결정된 값이 사용되며 단위거리당 회전 변화량을 결정하여 누적된 값이 사용된다.At this time, the method of determining the rotation angle from the gyro sensor is as shown in Equation (11). The initial value is the value determined by the magnetic field sensor, and the accumulated value is used by determining the amount of rotation change per unit distance.

Figure 112020043265488-pat00020
Figure 112020043265488-pat00020

Figure 112020043265488-pat00021
-------(11)
Figure 112020043265488-pat00021
-------(11)

탐사과정 중에 금속이나 자성체 주위를 지나갈 경우 자기장센서의 값은 급변하게 된다. 이러한 급변정도는 자기장 세기가 1보다 커질 때 자기장이 급변했다는 것을 나타내게 된다. 이러한 점을 이용하여 최종 θrot,m 은 수식(12)과 같이 나타낼 수 있다.When passing around a metal or magnetic body during the exploration process, the value of the magnetic field sensor changes rapidly. This degree of sudden change indicates that the magnetic field changes rapidly when the magnetic field strength is greater than 1. Using this point, the final θ rot,m can be expressed as Equation (12).

θrot,n = θmag,n' |Mn|≤ 1 일 때, θgyro,n' |Mn|> 1 일 때-------(12)When θ rot,n = θ mag,n' |M n |≤ 1, when θ gyro,n' |M n |> 1 -------(12)

즉, 측정 형상의 회전각을 확인한 후 그 회전각만큼 회전시킴으로써 측정 형상을 실제 형상과 일치시키는 것이다.That is, after confirming the rotation angle of the measurement shape, the measurement shape is matched with the actual shape by rotating it by the rotation angle.

다. 흔들림 보정.All. Shake correction.

케이블이 전개될수록 탐사장비는 무게추 역할을 하게 되어 진자운동을 하게 된다. 특히 싱크홀이 깊이가 100m이상일 경우 지표면쪽과 지하 내부의 온도와 기압이 다르기 때문에 주로 싱크홀 내부에서부터 지표면쪽으로 상승기류가 발생하여 흔들림이 더욱 심하게 발생한다. 이러한 흔들림은 라이다 센서 측정값의 중심점 위치가 변경되어 3차원 형상 결정시 오차를 발생시키는 요소가 된다. 이러한 흔들림 정도 dxm, dym 는 도 8과 같이 경사계(기울기 센서)를 이용하여 탐사장비가 기울어진 정도 θx,m, θy,m를 통해 결정한다.As the cable is unfolded, the exploration equipment acts as a weight and moves the pendulum. In particular, when the sinkhole has a depth of 100m or more, since the temperature and air pressure are different between the surface and the underground, ascending airflow occurs mainly from the inside of the sinkhole toward the surface, causing more severe vibration. Such shaking changes the position of the center point of the measured value of the LiDAR sensor, which causes an error in determining the 3D shape. The degree of shaking dx m and dy m is determined through the degree of inclination of the exploration equipment θx,m, θy,m using an inclinometer (tilt sensor) as shown in FIG. 8.

전술한 자이로 센서와 자기장 센서와 같이 기울기 센서도 탐사 전에 정지상태에서 센서 보정을 위한 중심값을 결정해야 한다. 정지상태에서 측정된 x, y축 측정값을 Ix,bias, Iy,bias 로 사용한다. 이때 x축 및 y축방향으로 기울어진 각도 θx,m, θy,m 는 하기의 식(13)에 의해 결정된다.Like the gyro sensor and the magnetic field sensor described above, the tilt sensor must also determine a center value for sensor calibration in a stationary state prior to exploration. The x, y-axis measurement values measured at standstill are used as I x,bias and I y,bias . At this time, the angles θ x,m and θ y,m inclined in the x-axis and y-axis directions are determined by the following equation (13).

Figure 112020043265488-pat00022
Figure 112020043265488-pat00022

Figure 112020043265488-pat00023
-------------(13)
Figure 112020043265488-pat00023
-------------(13)

여기에서 Ix,m, Iy,m은 현 측정값을 의미하고, 819는 사용된 기울기 센서 SCA100T-200모델의 고유보정계수 값이다. 즉, 819는 기울기 센서에 따라 달라지는 것이다.Here, I x,m , I y,m means the current measured value, and 819 is the intrinsic correction factor value of the used tilt sensor SCA100T-200 model. That is, 819 depends on the tilt sensor.

앞에서 결정된 회전각

Figure 112020043265488-pat00024
을 이용하여 흔들림에 의한 변화량 Δ
Figure 112020043265488-pat00025
는 Dm만큼 이동한 탐사장비를 하기의 식(14)과 같이 θx,m, θy,m, θrot,m■ 에 의한 연속적인 회전운동으로 계산할 수 있다. Rotation angle determined earlier
Figure 112020043265488-pat00024
The amount of change due to shaking Δ
Figure 112020043265488-pat00025
It can be calculated in a continuous rotational movement by θ x, m, θ y, m, θ rot, m ■ as in equation (14) below the sensing device to move by D m.

Figure 112020043265488-pat00026
----------------식(14)
Figure 112020043265488-pat00026
Expression (14)

여기서,

Figure 112020043265488-pat00027
=(0 0 -Dm)T here,
Figure 112020043265488-pat00027
=(0 0 -D m ) T

Figure 112020043265488-pat00028
Figure 112020043265488-pat00028

Figure 112020043265488-pat00029
Figure 112020043265488-pat00029

Figure 112020043265488-pat00030
Figure 112020043265488-pat00030

이다.to be.

라. 데이터 결손 보정.la. Data loss correction.

측정 완료 후 결과의 검증으로서 도 9는 3개의 심도(Dm+1,Dm,Dm-1)에서 측정한 값을 전개한 그래프이며, 심도 Dm에서 3가지 형태의 결손을 도시하였다.As a verification of the result after completion of the measurement, FIG. 9 is a graph in which values measured at three depths (D m+1 ,D m ,D m-1 ) are developed, and three types of defects are shown at the depth D m .

3가지 형태의 결손을 결손 정도와 인접 심도 측정 값의 결손 여부를 기준으로 하여 Glihtch 보정, 국부결손보정 및 광역결손보정으로 구분한다.The three types of defects are classified into Glihtch correction, local defect correction, and global defect correction based on the degree of defect and whether the adjacent depth measurement value is defective.

Glihtch 보정은 결손 정도가 적고 인접 심도 측정값에 결손이 없는 형태이며, 이 때의 보정 방법은 Lm'(n-1), Lm'(n1), Lm'(n+1) 크기순으로 정렬한 뒤 중간값을 선택하는 보정, 중간값 필터링(median filter)에 의한 보정이다.Glihtch correction is a form with less defects and no defects in adjacent depth measurements, and the correction method at this time is in the order of L m '(n-1), L m '(n1), L m '(n+1) size. This is a correction that selects a median value after sorting by and a correction by median filter.

국부결손보정은 결속 정도가 Glihtch 보정의 기준보다 넓고(크고) 인접 심도 측정값에 결손이 없는 경우이며, 인접신호간 보간법으로 상하로 이웃하는 심도의 측정값의 평균을 보정 값으로 하는 보정이다.Local defect correction is a case in which the degree of binding is wider than the standard of Glihtch correction and there is no defect in the adjacent depth measurement value.It is a correction in which the average of the measurement values of the vertically adjacent depths is the correction value by interpolation between adjacent signals.

Glihtch 보정과 국부결손보정의 구분은 예를 들어 Glihtch 보정은 결손 폭이 0.5cm 이내(각도를 기준으로 할 때 3도 이내)인 경우, 국부결손보정은 그 이상인 경우이다.The distinction between glihtch correction and local defect correction is, for example, when the defect width is within 0.5cm (within 3 degrees based on the angle) and the local defect correction is more than that.

광역결손보정은 결손 폭이 넓고 인접 신호값에도 결손이 있는 경우이며, 곡면 추정 신호간 보간법으로 보정하고 그 방법은 하기의 식(15)과 같다.Wide-area defect correction is a case where the defect width is wide and there is a defect in the adjacent signal value, and it is corrected by the interpolation method between the curved surface estimation signals and the method is as shown in Equation (15) below.

Figure 112020043265488-pat00031
Figure 112020043265488-pat00032
Figure 112020043265488-pat00031
Figure 112020043265488-pat00032

Figure 112020043265488-pat00033
Figure 112020043265488-pat00033

Figure 112020043265488-pat00034
Figure 112020043265488-pat00035
Figure 112020043265488-pat00034
Figure 112020043265488-pat00035

Figure 112020043265488-pat00036
Figure 112020043265488-pat00036

Figure 112020043265488-pat00037
----식(15)
Figure 112020043265488-pat00037
----Eq. (15)

그 결과는 도 10처럼 결손구간을 결손 시작 이전과 결손 종료 이후의 선형을 이용하는 보정이다.The result is a correction using the linearity before the start of the defect and after the end of the defect as shown in FIG. 10.

4. 형상 결정.4. Shape determination.

앞서 정의한 회전각 θrot,m과 흔들림 정도 Δ

Figure 112020043265488-pat00038
을 고려하여 단면을 결정하는 과정은 다음과 같다. The previously defined rotation angle θ rot,m and the degree of shaking Δ
Figure 112020043265488-pat00038
The process of determining the cross section in consideration of is as follows.

도 11에서 보이는 바와 같이, m번째 심도 Dm에서 측정된 데이터를 Lm(??m)라 할 때 우선 회전각 θrot,m를 고려하여 자북을 중심으로 보정된 데이터 Lm'(??m')를 식(16)을 통해 결정한다.As shown in FIG. 11, when the data measured at the m-th depth D m is L m (?? m ), the data L m '(???) corrected around magnetic north in consideration of the rotation angle θ rot,m first. m ') is determined through Equation (16).

Figure 112020043265488-pat00039
----------식(16)
Figure 112020043265488-pat00039
----------Eq. (16)

이 때, 싱크홀 벽면의 점 Pm(??m)을 식(17)과 같이 정의할 때, 식(18)을 통해 결정할 수 있다.At this time, when the point P m (?? m ) on the sinkhole wall is defined as in Equation (17), it can be determined through Equation (18).

Figure 112020043265488-pat00040
----------------식(17)
Figure 112020043265488-pat00040
Expression (17)

Figure 112020043265488-pat00041
---식(18)
Figure 112020043265488-pat00041
---Equation (18)

전술한 과정을 통해 일정한 깊이 간격으로 획득되는 단면 점들은 도 12와 같이 동일 심도의 스트립 라인(strip line)이 적층된 형태로 구성된다. 이러한 점들점부터 면을 구성하기 위해서는 도 13과 같이 2 단면점들을 3각형 mesh로 만들어 표현하게 되고 도 14와 같이 면을 구성할 수 있다.Cross-sectional points obtained at regular depth intervals through the above-described process are configured in a form in which strip lines of the same depth are stacked as shown in FIG. 12. In order to construct a surface from these points, as shown in FIG. 13, two cross-sectional points are expressed as a triangular mesh, and the surface may be configured as shown in FIG. 14.

100 : 센서봉, 110 : 센서 몸체
120 : 전원부, 130 : 회전 구동부
140 : 센서부, 141 : 주제어보드
142 : 센서 모듈, 143 : 라이다 센서
200 : 견인기, 210 : 견인모터
220 : 견인드럼, 230 : 엔코더
300 : 지상 제어기, 400 : 호스트 컴퓨터
100: sensor rod, 110: sensor body
120: power supply unit, 130: rotation drive unit
140: sensor unit, 141: main control board
142: sensor module, 143: lidar sensor
200: retractor, 210: traction motor
220: traction drum, 230: encoder
300: ground controller, 400: host computer

Claims (8)

라이다 센서를 포함하며 지중의 싱크홀 안에서 싱크홀의 형상화를 위한 데이터를 센싱하는 센서봉과;
지상에 설치되며 상기 센서봉을 일정 속도로 견인하여 상승시키는 견인기와;
상기 센서봉에 전원을 인가함과 아울러 센싱 데이터를 처리하는 지상 제어기와;
소프트웨어를 통해 상기 센싱 데이터를 근거로 하여 보정한 후 싱크홀을 3차원으로 형상화하는 호스트 컴퓨터를 포함하고,
상기 소프트웨어는 상기 라이다 센서에 의해 나선형으로 획득하는 탐사 정보를 동일 심도의 스트립 라인으로 변화하는 단면 경사 보정과 탐사 정보를 자북을 기준 위치로 하도록 회전시키는 회전각 보정과 상기 탐사 정보를 중심값으로 보정하는 흔들림 보정 및 탐사 정보 중 오류를 보정하는 데이터 결손 보정을 통해 싱크홀을 3차원으로 형상화하며, 상기 단면 경사 보정은 동일 위치이면서 이전과 이후의 심도에서 측정한 2개 측정값의 가중치 평균을 산출하여 동일 심도의 스트립 띠를 형성함으로써 보정하는 것을 특징으로 하는 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 장치.
A sensor rod including a lidar sensor and sensing data for shaping a sink hole in an underground sink hole;
A retractor installed on the ground and traction and lifting the sensor rod at a constant speed;
A ground controller that applies power to the sensor rod and processes sensing data;
Comprising a host computer for shaping the sink hole in three dimensions after correction based on the sensing data through software,
The software uses the rotation angle correction to rotate the exploration information spirally obtained by the lidar sensor into a strip line of the same depth and rotates the exploration information to the magnetic north as a reference position, and the exploration information as a center value. The sinkhole is shaped in three dimensions by correcting shake correction and data deficit correction to correct errors in the exploration information, and the cross-sectional slope correction is the weighted average of two measured values measured at the same position and at the depths before and after. A traction type high-speed three-dimensional shaping device for a sinkhole and an underground cavity, characterized in that it is calculated and corrected by forming a strip strip having the same depth.
청구항 1에 있어서, 상기 견인기는 견인모터, 상기 견인모터를 제어하는, 견인모터 제어부, 상기 센서봉이 연결된 견인 케이블이 감겨 있으며 상기 견인모터를 통해 회전하면서 상기 견인케이블을 감아 상기 센서봉을 견인 상승시키는 견인드럼, 상기 견인 케이블의 깊이를 표시하는 깊이표시기를 포함하는 것을 특징으로 하는 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 장치.The method according to claim 1, wherein the retractor is a traction motor, a traction motor control unit that controls the traction motor, a traction cable connected to the sensor rod is wound, and the traction cable is wound while rotating through the traction motor to traction and raise the sensor rod. A traction type high-speed 3D shaping apparatus for a sinkhole and an underground cavity, comprising: a traction drum and a depth indicator for displaying the depth of the traction cable. 싱크홀 안에 라이다 센서를 포함하는 센서봉을 삽입하는 제1단계와;
상기 센서봉을 견인하여 상기 싱크홀의 지상측으로 연속으로 상승시키면서 상기 라이다 센서를 통해 상기 싱크홀의 거리를 측정하는 제2단계와;
상기 제2단계를 통해 검출된 데이터를 보정하는 제3단계와;
상기 제3단계를 통해 보정된 데이터를 근거로 하여 3차원 정보를 구축한 후 3차원으로 형상화하는 제4단계를 포함하고,
상기 제3단계는 상기 라이다 센서에 의해 나선형으로 획득하는 탐사 정보를 동일 심도의 스트립 라인으로 변화하는 단면 경사 보정, 탐사 정보를 자북을 기준 위치로 하도록 회전시키는 회전각 보정, 상기 탐사 정보를 중심값으로 보정하는 흔들림 보정 및 탐사 정보 중 오류를 보정하는 데이터 결손 보정이며,
상기 제3단계에서 단면 경사 보정은 동일 위치이면서 이전과 이후의 심도에서 측정한 2개의 측정값의 가중치 평균을 산출하여 동일 심도의 스트립 띠를 형성함으로써 보정하는 것을 특징으로 하는 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법.
A first step of inserting a sensor rod including a lidar sensor into the sink hole;
A second step of measuring the distance of the sink hole through the lidar sensor while pulling the sensor rod and continuously rising to the ground side of the sink hole;
A third step of correcting the data detected through the second step;
And a fourth step of constructing three-dimensional information based on the data corrected through the third step and then shaping it into three dimensions,
The third step is to correct the cross-sectional inclination of changing the exploration information obtained in a spiral form by the lidar sensor into a strip line of the same depth, a rotation angle correction to rotate the exploration information to the magnetic north as a reference position, and the exploration information It is a data loss correction that corrects for errors in data and shake correction that is corrected by values.
In the third step, the cross-sectional slope correction is corrected by forming a strip band having the same depth by calculating a weighted average of the two measured values measured at the same location and at the previous and subsequent depths. Traction type high-speed 3D shaping method.
삭제delete 청구항 3에 있어서, 상기 회전각 보정은 자기장센서와 자이로센서 중 하나 이상의 센서에서 측정한 값으로부터 기준 각도에 대한 회전 각도를 산출하여 거리 측정 값을 상기 회전 각도만큼 보정하는 것을 특징으로 하는 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법.The sinkhole according to claim 3, wherein the rotation angle correction calculates a rotation angle with respect to a reference angle from a value measured by at least one of a magnetic field sensor and a gyro sensor, and corrects a distance measurement value by the rotation angle. Traction type high-speed 3D shaping method of underground cavity. 청구항 3에 있어서, 상기 흔들림 보정은 센서봉의 정지 상태에서의 중심 위치를 기준으로 하는 상기 센서봉의 경사를 검출한 후 그 경사에 의한 변화량만큼 보정하는 것을 특징으로 하는 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법.The method of claim 3, wherein the shake correction detects the inclination of the sensor rod based on the center position of the sensor rod in a stationary state and then corrects the amount of change by the slope. Three-dimensional shaping method. 청구항 3에 있어서, 상기 결손 보정은 인접한 다른 이전과 이후 심도의 측정값에 결손이 없는 경우 중간값 필터링에 의한 중간값 또는 인접신호간 보간법에 의한 평균값으로 보정하는 것을 특징으로 하는 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법.The sinkhole and underground cavity according to claim 3, wherein, in the correction of the defect, when there is no defect in the measured values of the depths before and after other adjacent depths, an intermediate value by median filtering or an average value by interpolation between adjacent signals Traction type high speed 3D shaping method 청구항 3에 있어서, 상기 결손 보정은 인접한 다른 이전과 이후 심도의 측정값에 결손이 있는 경우 곡면 추정 신호간 보간법으로 보정하는 것을 특징으로 하는 싱크홀 및 지하공동의 견인형 고속 3차원 형상화 방법.4. The method of claim 3, wherein the defect correction is performed by correcting the surface estimation signal interpolation method when there is a defect in the measured values of the depths before and after other adjacent depths.
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