KR102464145B1 - 3차원 스캔을 이용한 노면상태 조사장치 및 이를 이용한 노면상태 조사 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 노면 스캐닝 장치를 차량에 탑재하여 차량이 이동하는 동안에 노면 스캐닝 장치를 이용하여 노면에 대하여 통해서 3차원 스캐닝을 수행하여 노면에 대한 정보를 취득하고 이를 분석함으로써 노면에 발생한 소성변형과 균열을 인식하고, 그 손상정도를 실시간으로 정확도 높게 산출할 수 있는 "간편 차량거치 구성을 가지는 노면상태 조사장치 및 이를 이용한 노면상태 조사 방법"에 관한 것이다.
Description
본 발명은 차량에 간편하게 거치되어서 차량이 주행하는 동안에 노면(路面)상태를 스캐닝(scanning)해서 조사하는 장치 및 이를 이용한 노면상태 조사방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 노면 스캐닝 장치를 차량에 탑재하여 차량이 이동하는 동안에 노면 스캐닝 장치를 이용하여 노면에 대하여 통해서 3차원 스캐닝을 수행하여 노면에 대한 3차원 정보를 취득하고 이를 분석함으로써 노면에 발생한 소성변형의 깊이, 균열의 길이 및 종방향으로의 노면 평탄성 정도를 실시간으로 정확도 높게 파악할 수 있는 "3차원 스캔을 이용한 노면상태 조사장치 및 이를 이용한 노면상태 조사 방법"에 관한 것이다.
도로를 유지, 관리하는 관리자가 운전자들에게 안전한 도로 포장 노면을 제공하기 위해서는, 파손된 도로 포장 상태를 파악하고 불량한 노면구간을 보수해야 한다. 이를 위해서 종래에는 고속도로 또는 일반국도와 같은 고급도로에서 고가의 포장상태 조사장비를 활용하여 포장상태를 조사하고 있다. 예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-1758757호에서는 도로를 주행하면서 포트 홀을 감지하고 이에 대한 정보를 파악하는 기술이 개시되어 있다.
종래의 포장상태 조사 장비는 포장상태를 균열, 소성변형, 평탄성을 측정한다. 이러한 종래 기술에 의하면, 소성변형과 평탄성은 라인레이저 등을 활용하여 계측하고, 자동으로 계산하는 반면, 현장 조사가 끝나는 동시에 결과를 바로 알 수 있는 반면에 균열은 아직까지 별도 사후 분석을 거치므로 결과 도출까지 일정 시간이 소요되고 있다.
노면에 발생한 균열을 분석함에 있어서, 촬영된 노면 영상화면을 일일이 관리자가 육안으로 판독하여 균열을 따라 선을 그리거나, 격자망 내에 균열 여부를 표시하여 균열 율로 계산하는 인력 분석 방법을 이용할 수 있다. 그러나 이러한 인력 분석 방법은 오랜 분석시간과 분석자 숙련도, 노면사진의 질 등에 영향을 미치는 단점이 있다.
노면에 발생한 균열을 분석하는 또 다른 방법으로는 머신 러닝을 이용하는 방안이 있다. 수집된 노면에 대한 이미지를 이용하여 머신 러닝을 수행하고, 이를 통해서 노면의 균열 길이를 평가하는 것이다. 그런데 종래의 머니 러닝 이용 기술은 다양한 파손 형태에 따른 패턴 자료 학습이 부족하여 정확도는 낮아 실무에 활용하기에는 어려움이 있다. 특히, 촬영된 노면의 영상(이미지)에는 그림자, 물, 오일, 오염물질 등에 의해 노이즈(그림자)가 존재할 수 있고, 이 경우에는 균열에 대한 인식률이 떨어지며, 분석 후 별도로 인력을 통한 체크가 필요하다는 단점이 있다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 차량을 이용하여 도로를 주행하면서 노면을 스캐닝하여 노면의 상태를 파악하되, 3차원 스캐닝을 통해서 노면에 대한 정보를 취득하고 이를 분석함으로써 노면에 발생한 소성변형과 균열을 인식하고, 그 손상정도를 실시간으로 정확도 높게 산출할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 노면을 3차원 스캐닝하는 노면 스캐닝 장치와, 노면에 대한 3차원 스캐닝에 의해 취득된 정보를 통해서 노면상태를 파악하는 제어분석장치와, 차량에 장착되며 노면 스캐닝 장치를 설치할 수 있는 거치장치를 포함하여 구성되어, 거치장치를 차량에 설치하여 노면 스캐닝 장치를 차량에 탑재한 상태에서 차량이 이동하는 동안에 노면 스캐닝 장치를 이용하여 노면에 대한 3차원 스캐닝을 수행하여 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캐닝 정보를 취득하고 제어분석장치에는 노면 상태 분석을 위한 소프트웨어가 탑재되어 있어서, 제어분석장치에 의해 3차원 정보를 분석함으로써 노면에 발생한 소성변형의 깊이, 균열의 길이와 깊이, 및 종방향으로의 평탄성 정도를 실시간으로 산출하게 되는 것을 특징으로 하는 노면상태 조사장치가 제공된다.
또한 본 발명에서는 상기한 목적을 달성하기 위하여, 노면을 3차원 스캐닝하는 노면 스캐닝 장치와, 노면에 대한 3차원 스캐닝에 의해 취득된 정보를 통해서 노면상태를 파악하는 제어분석장치와, 차량에 장착되며 노면 스캐닝 장치를 설치할 수 있는 거치장치를 포함하여 구성된 노면 상태 조사장치를 이용하되, 거치장치를 차량에 설치하여 노면 스캐닝 장치를 차량에 탑재한 상태에서 차량이 이동하는 동안에 노면 스캐닝 장치를 이용하여 노면에 대한 3차원 스캐닝을 수행하여 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캐닝 정보를 취득하고 제어분석장치에는 노면 상태 분석을 위한 소프트웨어가 탑재되어 있어서, 제어분석장치에 의해 3차원 정보를 분석함으로써 노면에 발생한 소성변형의 깊이, 균열의 길이와 깊이, 및 종방향으로의 평탄성 정도를 실시간으로 산출하게 되는 것을 특징으로 하는 노면상태 조사방법이 제공된다.
상기한 본 발명에 따른 노면상태 조사장치 및 노면상태 조사방법에 있어서, 노면 스캐닝 장치는, 3차원 스캔 센서와 관성 측정 센서를 포함하여 구성되고; 3차원 스캔 센서는, 특정 패턴의 적외선을 노면에 프로젝팅한 후 적외선이 투사된 부분에 대해 2개의 카메라를 이용하여 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캔 정보를 취득하는 센서이고; 관성 측정 센서는, 3축 가속도를 측정할 수 있는 센서와 3축 자세를 파악할 수 있는 3축 자이로센서를 포함하여 구성되는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서일 수 있으며, 제어분석장치는, 연산결과를 측정위치정보와 함께 저장함과 동시에 관리자에게 전송하는 구성을 가질 수 있고, 더 나아가, 제어분석장치에서는, 각각의 스캐닝 위치마다 취득한 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캔 정보로부터 스캐닝 평면 상의 사전에 정해진 기준점에서 횡방향으로 연장된 기준선을 따라 횡방향 노면형상정보를 추출하여, 노면에 발생한 소성변형의 깊이를 산출할 수 있고, 제어분석장치에서는, 각각의 스캐닝 위치마다 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캔 정보로서 취득한 스캐닝 평면에 대한 스캐닝 이미지에서, 표면 깊이 값이 정해진 기준보다 더 작은 픽셀만을 추출하고, 추출된 픽셀에 대한 표면 깊이 값 및 종방향으로 픽셀이 연속되는 길이의 값을 추출함으로써, 스캐닝 평면에 존재하는 균열의 깊이와 길이를 연산 도출할 수 있으며, 거치장치는, 종방향으로 길게 연장된 종방향 거치부재와, 상기 종방향 거치부재의 종방향 단부에 직교하도록 설치된 횡방향 거치부재로 이루어지며; 종방향 거치부재와 횡방향 거치부재의 조립체로 이루어진 거치장치는, 도로를 주행하게 될 차량의 후방에 설치되고; 노면 스캐닝 장치는 2개가 한 쌍을 이루어서 횡방향 거치부재의 양단에 각각 설치되어 도로의 노면을 3차원 스캐닝하는 구성을 가질 수도 있다.
본 발명에 의하면, 차량에 탑재되어 차량이 이동하는 동안에 노면을 스캐닝하여 노면의 상태를 파악하되, 노면 스캐닝 장치를 통해서 3차원 스캐닝을 수행하여 노면에 대한 정보를 취득하고 이를 분석함으로써 노면에 발생한 소성변형과 균열을 인식하고, 그 손상정도를 실시간으로 정확도 높게 산출할 수 있게 되는 장점이 있다.
또한 본 발명에서는 3차원 스캔을 통하여 소성변형과 균열을 동시에 평가할 수 있으며, IMU(Inertial Measurement Unit) 센서를 통하여 IRI(International Roughness Index, 국제 평탄성 지수)를 실시간으로 정확하게 산출, 평가할 수 있다는 장점을 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 노면상태 조사장치가 차량의 후면에 설치되어 있는 상태를 보여주는 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 노면상태 조사장치가 차량의 후면에 설치되어 있는 상태를 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명에서 노면 스캐닝 장치의 3차원 스캔 센서에서 적외선을 노면에 프로젝팅하는 형태를 보여주는 개략적인 배면도이다.
도 4는 건조된 상태의 노면에 차량 바퀴 패임으로 인한 소성 변형이 발생한 것에 대한 실물 사진과, 본 발명에 따라 이러한 상태에 대한 3차원 스캐닝에 의해 영상을 취득하고 이미지프로세싱을 수행한 결과 영상을 보여주는 도면이다.
도 5는 수분이 존재한 상태의 노면에 차량 바퀴 패임으로 인한 소성 변형이 발생한 것에 대한 실물 사진과, 본 발명에 따라 이러한 상태에 대한 3차원 스캐닝에 의해 영상을 취득하고 이미지프로세싱을 수행한 결과 영상을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 있어서, 취득된 실시간 이미지를 도로의 횡방향 프로파일 및 GPS정보와 연계하여 저장하는 컴퓨터 모니터 상의 화면 일예를 보여주는 개략도이다.
도 7은 손상정도로서 균열의 깊이를 측정하는 방식을 설명하기 위한 개략도이다.
도 8은 IRI를 산출함에 있어서, 센서의 기울기를 보정하는 과정을 설명하기 위한 좌표를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 노면상태 조사장치가 차량의 후면에 설치되어 있는 상태를 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명에서 노면 스캐닝 장치의 3차원 스캔 센서에서 적외선을 노면에 프로젝팅하는 형태를 보여주는 개략적인 배면도이다.
도 4는 건조된 상태의 노면에 차량 바퀴 패임으로 인한 소성 변형이 발생한 것에 대한 실물 사진과, 본 발명에 따라 이러한 상태에 대한 3차원 스캐닝에 의해 영상을 취득하고 이미지프로세싱을 수행한 결과 영상을 보여주는 도면이다.
도 5는 수분이 존재한 상태의 노면에 차량 바퀴 패임으로 인한 소성 변형이 발생한 것에 대한 실물 사진과, 본 발명에 따라 이러한 상태에 대한 3차원 스캐닝에 의해 영상을 취득하고 이미지프로세싱을 수행한 결과 영상을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 있어서, 취득된 실시간 이미지를 도로의 횡방향 프로파일 및 GPS정보와 연계하여 저장하는 컴퓨터 모니터 상의 화면 일예를 보여주는 개략도이다.
도 7은 손상정도로서 균열의 깊이를 측정하는 방식을 설명하기 위한 개략도이다.
도 8은 IRI를 산출함에 있어서, 센서의 기울기를 보정하는 과정을 설명하기 위한 좌표를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다. 참고로 본 명세서에서는 차량이 진행하는 방향을 "종방향"이라고 하고, 수평면에서 이와 직교하는 방향 즉, 도로의 폭방향을 "횡방향"이라고 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 노면상태 조사장치(100)가 차량의 후면에 설치되어 있는 상태를 보여주는 개략적인 측면도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 따른 노면상태 조사장치(100)가 차량(200)의 후면에 설치되어 있는 상태를 연직방향으로 위에서 아래로 보는 형태로 보여주는 개략적인 평면도가 도시되어 있다.
도면에 예시된 것처럼 본 발명의 노면상태 조사장치(100)는 도로의 노면을 3차원 스캐닝하는 노면 스캐닝 장치(1)와, 노면에 대한 스캐닝에 의해 취득된 정보를 통해서 노면상태를 파악하는 제어분석장치와, 차량에 장착되며 노면 스캐닝 장치(1)를 설치할 수 있는 거치장치(2)를 포함하여 구성된다. 제어분석장치는 컴퓨터, 모바일 장비 등으로 구성될 수 있으므로 편의상 도면에는 도시를 생략하였다.
구체적으로 거치장치(2)는 종방향으로 수평하게 연장되는 종방향 거치부재(21)와, 횡방향으로 수평하게 연장된 부재로 이루어져서 상기 종방향 거치부재(21)에 직교하도록 설치되는 횡방향 거치부재(22)를 포함하여 구성된다.
종방향 거치부재(21)는 종방향으로 길게 연장된 부재이며, 도면에 예시된 실시예의 경우에는 종방향 거치부재(21)의 종방향 단부에 횡방향 거치부재(22)가 직교하도록 설치되어 있어서 평면도 상에서는 영문자 T자 형태를 이루고 있다. 이러한 종방향 거치부재(21)와 횡방향 거치부재(22)의 조립체는, 도로를 주행하게 될 차량의 후방에 설치된다. 이러한 조립체의 설치를 위해서는 다양한 공지의 방식 내지 구조를 이용할 수 있는데, 예를 들어, 차량의 후방에 자전거 거치대를 설치하는 공지의 구조를 이용할 수도 있는 것이다.
노면 스캐닝 장치(1)는 2개가 한 쌍을 이루어서 횡방향 거치부재(22)의 양단에 각각 설치되어 도로의 노면을 3차원 스캐닝(scanning)하는 것으로서, 본 발명에서 노면 스캐닝 장치(1)는, 3차원 스캔 센서와 관성 측정 센서를 포함하여 구성된다.
3차원 스캔 센서는, 특정 패턴의 적외선을 노면에 프로젝팅한 후 적외선이 투사된 부분에 대해 2개의 카메라를 이용하여 노면의 표면형상에 대한 3차원 정보("3차원 스캔 정보")를 취득하는 센서이다. 이와 같이 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캔 정보를 취득하는 3차원 스캔 센서 자체는 공지(公知)된 것으로서, 예를 들어 인텔(intel)사(社)에서 상표명 "REAL SENSE"으로 제품화되어 시판되고 있는 것을 3차원 스캔 센서로 사용할 수 있다. 도 3에는 노면 스캐닝 장치(1)에 구비된 3차원 스캔 센서에서 적외선을 노면에 프로젝팅하는 형태를 개략적으로 보여주는 도 1의 화살표 L 방향으로의 개략적인 배면도가 도시되어 있다. 도 1 및 도 3에서 영문자 S로 표시된 음영부분은 3차원 스캔 센서에서 적외선을 노면에 프로젝팅하는 형태를 나타낸다.
3차원 스캔 센서에서는, 노면을 위에서 아래로 내려다 본 소정 크기의 스캐닝 평면에 대하여 복수개의 픽셀로 이루어진 "스캔 이미지"를 취득하게 된다. 이 때, 노면에 대한 스캐닝 이미지를 이루는 각각의 픽셀에 대하여 3차원 스캐닝 센서로부터 해당 픽셀 위치의 노면까지의 연직 길이에 해당하는 값이 취득되는데, 기준이 되는 노면 높이를 정하게 되면, 기준이 되는 노면 높이로부터 해당 픽셀 위치의 표면까지의 연직 깊이 즉, "표면 깊이 값"이 취득된다. 따라서 3차원 스캔 센서에서는 스캔 이미지를 이루는 각 픽셀에 대한 표면 깊이 값에 해당하는 데이터 즉, 노면의 표면형상에 대한 "3차원 스캔 정보"가 취득되는 것이다. 이러한 3차원 스캔 정보를 이용하면, 스캔 이미지의 각 픽셀마다의 표면 깊이 값을 수치화하여 노면형상을 컨투어(contour) 형태로 보여주는 2차원적인 평면 이미지뿐만 아니라, 이를 3차원적인 형태로 도식화한 3차원 입체 이미지도 형성할 수 있게 된다.
도 4에는 건조된 상태의 노면에 차량 바퀴 패임으로 인한 소성변형이 발생한 것에 대한 실물 사진과, 이러한 소성변형 상태를 본 발명에 따라 3차원 스캔 센서에 의해 취득한 3차원 스캔 정보를 이용하여 만든 2차원적인 평면 이미지가 도시되어 있다. 도 5에는 도 4와 대비하기 위하여 차량 바퀴 패임으로 인한 소성변형이 발생하되 패임 부분에 수분이 존재할 경우에 대한 실물 사진과, 이러한 소성변형 상태를 본 발명에 따라 3차원 스캔 센서에 의해 취득한 3차원 스캔 정보를 이용하여 만든 2차원적인 평면 이미지가 도시되어 있다. 도 4에서 보여주는 실물 사진은 건조된 상태의 노면에 차량 바퀴 패임이 발생한 것으로서 실물 영상에는 그림자가 존재하지 않는다. 이에 비하여 도 5에서 보여주는 실물 사진의 경우에는 차량 바퀴 패임 부분에 수분이 존재하여 실물 영상에 그림자가 존재하는 상태로서, 도 4와는 차이가 존재한다. 따라서 단순히 실물 영상만을 이용하여 노면 상태를 파악하였을 경우에는 그림자의 존재 여부 및 표면의 오염으로 인하여 노면의 상태 즉, 소성 변형 여부, 그리고 그 정도(손상정도)를 정확하게 파악하기 어렵게 된다. 그러나 도 4 및 도 5에 칼라로 표현된 2차원 평면 이미지에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 3차원 스캔 센서에 의해 3차원 스캔 정보를 취득하였을 경우에는, 그림자가 존재하지 않는 상태에 대한 2차원적인 평면 이미지(도 4의 경우)와 그림자가 존재하는 상태에 대한 2차원적인 평면 이미지(도 5의 경우)에서 차이가 없음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따라 3차원 스캔 센서를 이용하여 3차원 스캐닝을 수행하여 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캔 정보를 취득할 경우, 이에 기초하여 노면의 상태 파악함에 있어서 그림자의 존재 여부는 영향을 미치지 않게 되는 것이다. 따라서 노면에 수분이 존재하거나, 기름 등으로 인하여 노면이 오염되어 있는 경우 등과 같이 실물 이미지에 그림자 또는 오염이 존재하더라도, 본 발명에서는 노면의 상태를 정확하고 신뢰성 있게 파악할 수 있게 되는 것이다.
본 발명에서 노면 스캐닝 장치(1)에는 관성 측정 센서가 포함되는데, 관성 측정 센서는 소위 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서로서, 3축 가속도를 측정할 수 있는 3축 가속도 센서와, 3축 자세를 파악할 수 있는 3축 자이로센서를 포함하여 구성된다. IMU 센서에서 측정된 x축, y축 및 z축의 3축 가속도 값 중에서, z축 가속도 값은 후술하는 종방향의 국제 평탄성 지수 즉, 종방향 IRI(International Roughness Index)의 연산에 활용될 수 있다.
노면 스캐닝 장치(1)는 횡방향 거치부재(3)의 양단에 각각 설치되는데, 이 때 횡방향 거치부재(22)의 단부에는 노면 스캐닝 장치(1)가 장착될 수 있는 마운팅(mounting) 부재가 구비되고, 상기 마운팅 부재는 예를 들어 모터 등의 구동장치를 구비하여 그 자세를 변화시킬 수 있도록 설치된다. 즉, 횡방향 거치부재(22)의 단부에는 노면 스캐닝 장치(1)의 자세를 제어할 수 있는 자세 제어형 마운팅 부재가 구비되는 것이다.
본 발명에서는 종방향 거치부재(21)와 횡방향 거치부재(22)의 조립체로 이루어진 거치장치(2)가 차량의 후방에 설치되고, 횡방향 거치부재(22)의 양단에 각각 노면 스캐닝 장치(1)가 설치된 상태에서, 차량이 도로를 주행하면서 노면을 스캐닝하여 노면 상태를 파악하게 되는데, 위와 같이 노면 스캐닝 장치(1)에는 관성 측정 센서가 구비되어 있고, 관성 측정 센서의 자세 측정 결과에 따라 자세 제어형 마운팅 부재가 노면 스캐닝 장치(1)의 자세를 변화시킴으로써 노면 스캐닝 장치(1)는 자동으로 노면과 일정 거리를 유지하면서 마주 보는 평행 상태를 유지하면서 노면을 3차원 스캐닝(scanning)할 수 있게 된다.
본 발명에서는 노면 스캐닝 장치(1)가 노면을 스캐닝하면서 3차원 스캔 센서에 의해 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캐닝 정보를 취득하게 되고, 이렇게 측정되어 취득된 정보는 유선 또는 무선 방식으로 제어분석장치로 전송되며, 제어분석장치에서는 노면 상태 즉, 노면에 발생한 소성변형의 깊이, 균열의 길이와 깊이, 및 종방향으로의 평탄성 정도를 실시간으로 분석하게 된다.
도로의 상태를 평가함에 있어 소성변형(영구변형) 여부 및 그 정보를 파악하는 것은 주행안전성 확보에 중요한 요소이다. 본 발명에서 노면의 손상정도를 파악하기 위하여 소성변형의 깊이를 측정하게 된다. 또한 본 발명에서는 종방향으로의 평탄성 정도를 나타내는 IRI(International Roughness Index)를 측정할 수 있으며, 노면에 발생한 균열의 깊이와 길이도 측정 분석할 수 있다.
이를 위하여 본 발명에서는 제어분석장치에 노면 상태 분석을 위한 소프트웨어가 탑재되어 있어서, 노면 스캐닝 장치(1)로부터 취득된 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캐닝 정보를 통해서 노면 상에 발생한 소성변형의 깊이, 균열의 길이 및 IRI(International Roughness Index)를 연산하게 되고, 연산결과를 측정위치정보(GPS정보)와 함께 저장함과 동시에 관리자에게 전송하게 된다.
도 6에는 본 발명에 따라 노면 스캐닝 장치(1)의 3차원 스캔 센서에 구비된 카메라를 통해서 취득된 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캐닝 정보를 분석하여 도로의 횡방향 표면 형상정보 및 GPS정보를 서로 연계하여 저장하는 컴퓨터 모니터 상의 화면 일예를 보여주는 개략도가 도시되어 있다.
본 발명에 따른 노면상태 조사장치(100)가 탑재된 차량이 도로를 따라 이동하면서, 사전에 정해진 스캐닝 위치마다 노면 스캐닝 장치(1)의 3차원 스캔 센서를 이용하여 노면을 3차원 스캐닝하여, 각각의 스캐닝 위치마다 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캐닝 정보를 취득하게 된다.
제어분석장치에서는, 각각의 스캐닝 위치마다 취득한 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캔 정보로부터, 스캐닝 평면 상의 사전에 정해진 기준점에서 횡방향으로 연장된 기준선을 따라 "횡방향 노면형상정보(road profile)"를 추출함으로써 스캐닝 평면 즉, 해당 노면에 발생한 소성변형의 깊이를 산출하게 된다. 구체적으로 3차원 스캐닝을 통해서 도로의 스캐닝 평면에서의 노면 표면형상에 대한 3차원 스캔 정보를 취득하였으므로, 사전에 정해진 기준점에서 횡방향으로 연장된 기준선을 따라가면서 노면의 굴곡 내지 형상을 파악할 수 있는 정보 즉, "횡방향 기준선에 따른 횡방향 노면형상정보"를, 3차원 스캔 정보로부터 추출할 수 있다. 예를 들어, 스캔 이미지의 각 픽셀마다의 표면 깊이 값을 수치화하여 노면형상을 컨투어(contour) 형태로 보여주는 2차원적인 평면 이미지 또는 이를 3차원으로 표현한 3차원 입체 이미지에서, 횡방향 기준선을 따라가면서 횡방향 기준선에 위치하는 각각의 픽셀에서의 표면 깊이 값을 추출하고, 이를 이용하여 소성변형의 깊이를 연산하게 되는 것이다.
도 7에는 표면 깊이 값으로부터 소성변형의 깊이를 연산하는 방법의 일예를 설명하는 개략도가 도시되어 있다. 도 7에 도시된 것처럼 사전에 정해진 기준점에서 횡방향으로 연장된 기준선을 따라 가면서 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캔 정보로부터 횡방향 기준선에 따른 횡방향 노면형상정보를 추출하여 이를 도시하게 되면 도 7에서 "횡방향 프로파일"이라고 표현된 노면의 형상을 파악할 수 있게 된다. 즉, 도 7에서 "횡방향 프로파일"이라고 표현된 선은 도로에 대하여 종방향의 단면도를 도시하였을 때, 도로 표면의 굴곡 내지 형상을 보여주는 선이 되는 것이다. 이 때, 차량의 바퀴자국 등의 소성변형이 노면에 발생하게 되면, 도 7에 도시된 것처럼 굴곡이 형성되는데, 서로 이웃하는 능선(도 6의 A, B, C로 표시된 부분) 사이를 횡방향의 직선으로 이루어진 엣지선(D1, D2)로 연결하고, 능선 사이(능선 A와 B 사이, 및 능선 B와 C 사이)의 곡부 최저점에서 엣지선까지의 연직 거리를 해당 기준선을 따른 횡방향 노면형상정보(road profile)로부터 산출하고, 그 산출된 연직 거리의 최대값을 "소성변형의 깊이"로 산출할 수 있다. 그러나 해당 기준선을 따른 횡방향 노면형상정보(road profile)로부터 소정변형의 깊이를 연산하여 산출하는 방법은 이에 한정되지 않으며, 기타 다양한 공지의 기술을 이용할 수도 있다.
한편, 제어분석장치에서는 3차원 스캐닝에 의해 각각의 스캐닝 위치마다 취득한 노면의 3차원 스캔 정보를 이용하여 스캐닝 평면 내에 존재하는 균열의 깊이와 길이를 분석하여 산출할 수도 있다. 구체적으로 제어분석장치에서는, 각각의 스캐닝 위치마다 노면의 3차원 스캔 정보로서 취득한 스캐닝 평면에 대한 스캐닝 이미지에서, 표면 깊이 값이 정해진 기준보다 더 작은 픽셀만을 추출하고, 추출된 픽셀에 대한 표면 깊이 값 및 종방향으로 픽셀이 연속되는 길이의 값을 3차원 스캔 정보로부터 추출함으로써, 스캐닝 평면에 존재하는 균열의 깊이와 길이를 연산 도출하게 된다.
본 발명에 있어서, 제어분석장치에 IRI(International Roughness Index)를 연산할 수 있는 소프트웨어가 탑재되어 있어서, 노면 스캐닝 장치(1)로부터 취득된 3차원 스캐닝 정보를 통해서 노면에 대한 IRI를 실시간 연산하여 도출할 수도 있다. IRI는 도로포장에서 포장의 상태를 평가하는 지수 중의 하나로서, IRI를 산출하는 수학적인 공식 및 방법은 공지되어 있고, 따라서 IRI를 연산하여 산출할 수 있는 소프트웨어 자체는 이미 공지되어 있다. 본 발명에서는 위와 같이 제어분석장치에서는 노면 스캐닝 장치(1)를 통해서 취득한 3차원 스캔 정보를 이용하여 IRI를 실시간 연산하여 관리자에게 제시할 수 있게 된다.
IRI를 연산하는 구체적인 방법 내지 방안 자체는 이미 공지된 것인데, 본 발명에서는 IMU 센서에서 측정된 x축, y축 및 z축의 3축 가속도 값 중에서, z축 가속도 값을 이용하여 IRI를 보정하게 된다.
IRI는 도로포장면의 종방향의 요철을 측정하는 것으로서 mm/km의 단위로 평가한다. 3차원 스캔닝 정보 중에서, 도로 폭의 가운데 지점에서의 거리를 기록하여 IRI를 기본적으로 계산한다. 다만, 차량이 종방향으로 진행하면서 이동 중에 발생하는 진동은 차량의 서스펜션에 영향을 받으므로, 변화된 IMU 센서의 위치는 z축의 가속도 정보로 보정한다. z축의 가속도를 2번 적분하면 IMU 센서의 이동거리가 계산되며, 이를 보정하여 종방향 프로파일을 측정하여 IRI를 계산한다.
z축 가속도를 이용하여 IRI를 연산함에 있어 IMU 센서 자체가 기울어진 상태에서는 기울어진 각도 만큼 과소하게 평가된다. 따라서 본 발명에서는 IMU 센서에서 측정된 각속도 값을 이용하여 기울기를 보정한 후, 보정된 기울기로 z축 가속도 값을 보정하여 IRI를 연산하는 것이다. 이를 통해서 본 발명에서는 더욱 정확하고 신뢰성 있는 IRI값을 연산 할 수 있게 된다.
IMU 센서의 기울기를 보정함에 있어서 가속도를 사용하면 지연이 발생하는 단점이 있으므로 각속도를 사용하여 보정한다.
도 8에는 센서의 기울기를 보정하는 과정을 설명하기 위한 좌표를 보여주는 도면으로서, 도 8에서 IMU 센서가 벡터 R과 같이 각 축으로부터 θxr, θyr, θzr 만큼 기울어져 있을 경우, 삼각함수를 이용하여 θxr=arccos(Rx/R), θyr=arccos(Ry/R), θzr=arccos(Rz/R) 기울기를 구할 수 있다. 그러나 IMU 센서에서 측정된 가속도는 노이즈가 심하고 IMU 센서 전체가 움직임이 있을 경우 이에 의한 가속도가 추가적으로 포함되어 정확한 각도를 추정하기 어렵다. 노이즈와 움직임에 의한 가속도는 고주파 성분이므로 로우 패스 필터(low pass filter)를 사용하여 제거할 수 있으나, low pass filter의 특성상 지연이 발생하는 단점이 있다.
IMU 센서에서의 각속도를 적분하면 각도를 추정할 수 있으나, 각도를 적분하는 동안 오차가 누적되어 추정값이 흐르는 현상(드리프트)이 발생한다. 드리프트는 저주파 성분이므로 하이 패스 필터(high pass filter)를 사용하여 제거할 수 있으나, high pass filter의 특성상 위상이 앞서는 단점이 있다.
IMU 센서의 가속도를 이용한 계산각도는 low pass filter를 사용하여 노이즈를 제거 하고, 자이로 IMU 센서의 각속도를 이용한 계산각도는 high pass filter를 사용하여 드리프트를 제거한 후 각각의 각도를 더하여 IMU 센서의 기울기를 계산한다.
위에서 설명한 것처럼, 본 발명에 따른 노면상태 조사장치(100)는 차량에 탑재되어 차량이 이동하는 동안에 노면을 스캐닝하여 노면의 상태를 파악하되, 노면 스캐닝 장치(1)를 통해서 3차원 스캐닝을 수행하여 노면에 대한 3차원 정보를 취득하고 이를 분석함으로써 노면에 발생한 소성변형과 균열을 인식하고, 그 정도를 실시간으로 정확도 높게 산출할 수 있게 된다.
또한 앞서 설명한 것처럼, 본 발명에서는 3차원 스캔을 통하여 소성변형과 균열을 동시에 평가할 수 있으며, IRI를 실시간으로 정확하게 산출, 평가할 수 있다는 장점을 가진다.
1: 노면 스캐닝 장치
2: 거치부재
21: 종방향 거치부재
22: 횡방향 거치부재
2: 거치부재
21: 종방향 거치부재
22: 횡방향 거치부재
Claims (10)
- 노면을 3차원 스캐닝하는 노면 스캐닝 장치와,
노면에 대한 3차원 스캐닝에 의해 취득된 정보를 통해서 노면상태를 파악하는 제어분석장치와,
차량에 장착되며 노면 스캐닝 장치를 설치할 수 있는 거치장치를 포함하며;
거치장치는, 종방향으로 길게 연장된 종방향 거치부재와, 상기 종방향 거치부재의 종방향 단부에 직교하도록 설치된 횡방향 거치부재로 이루어져서 영문자 T자 형태의 평면 형상을 가지며;
종방향 거치부재와 횡방향 거치부재의 조립체로 이루어진 거치장치는, 도로를 주행하게 될 차량의 후방에 설치되고;
노면 스캐닝 장치는 2개가 한 쌍을 이루어서 횡방향 거치부재의 양단에 각각 설치되는데, 노면 스캐닝 장치가 장착될 수 있으며 모터를 구비하여 노면 스캐닝 장치의 자세를 제어하여 변화시킬 수 있는 자세 제어형 마운팅 부재가 횡방향 거치부재의 단부에 구비되어 있고;
노면 스캐닝 장치는, 3차원 스캔 센서와 관성 측정 센서를 포함하여 구성되고;
3차원 스캔 센서는, 특정 패턴의 적외선을 노면에 프로젝팅한 후 적외선이 투사된 부분에 대해 2개의 카메라를 이용하여 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캔 정보를 취득하는 센서이고;
관성 측정 센서는, 3축 가속도를 측정할 수 있는 센서와 3축 자세를 파악할 수 있는 3축 자이로센서를 포함하여 구성되는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서로 이루어지며;
노면 스캐닝 장치가 거치장치에 설치된 상태에서 차량이 이동하는 동안에 노면 스캐닝 장치를 이용하여 노면에 대한 3차원 스캐닝을 수행하여 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캐닝 정보를 취득하되, 관성 측정 센서의 자세 측정 결과에 따라 자세 제어형 마운팅 부재가 노면 스캐닝 장치의 자세를 변화시킴으로써 노면 스캐닝 장치가 자동으로 노면과 일정 거리를 유지하면서 마주 보는 평행 상태를 유지하면서 노면을 3차원 스캐닝하여 정보를 취득하고,
제어분석장치에는 노면 상태 분석을 위한 소프트웨어가 탑재되어 있어서, 제어분석장치에 의해 3차원 스캐닝 정보를 분석함으로써 노면에 발생한 소성변형의 깊이, 균열의 길이와 깊이, 및 종방향으로의 평탄성 정도를 실시간으로 산출하게 되는데;
제어분석장치에서는, 각각의 스캐닝 위치마다 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캔 정보로서 취득한 스캐닝 평면에 대한 스캐닝 이미지에서, 표면 깊이 값이 정해진 기준보다 더 작은 픽셀만을 추출하고, 추출된 픽셀에 대한 표면 깊이 값 및 종방향으로 픽셀이 연속되는 길이의 값을 추출함으로써, 스캐닝 평면에 존재하는 균열의 깊이와 길이를 연산 도출하는 것을 특징으로 하는 노면상태 조사장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
제어분석장치는, 연산결과를 측정위치정보와 함께 저장함과 동시에 관리자에게 전송하는 것을 특징으로 하는 노면 상태 조사장치. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
제어분석장치에서는, 각각의 스캐닝 위치마다 취득한 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캔 정보로부터 스캐닝 평면 상의 사전에 정해진 기준점에서 횡방향으로 연장된 기준선을 따라 횡방향 노면형상정보를 추출하여, 노면에 발생한 소성변형의 깊이를 산출하는 것을 특징으로 하는 노면 상태 조사장치. - 삭제
- 삭제
- 노면을 3차원 스캐닝하는 노면 스캐닝 장치와, 노면에 대한 3차원 스캐닝에 의해 취득된 정보를 통해서 노면상태를 파악하는 제어분석장치와, 차량에 장착되며 노면 스캐닝 장치를 설치할 수 있는 거치장치를 포함하여 구성된 청구항 제1항에 따른 노면 상태 조사장치를 이용하되,
거치장치를 차량에 설치하여 노면 스캐닝 장치를 차량에 탑재한 상태에서 차량이 이동하는 동안에 노면 스캐닝 장치를 이용하여 노면에 대한 3차원 스캐닝을 수행하여 노면의 표면형상에 대한 3차원 스캐닝 정보를 취득하고 제어분석장치에는 노면 상태 분석을 위한 소프트웨어가 탑재되어 있어서, 제어분석장치에 의해 3차원 정보를 분석함으로써 노면에 발생한 소성변형의 깊이, 균열의 길이와 깊이, 및 종방향으로의 평탄성 정도를 실시간으로 산출하게 되는 것을 특징으로 하는 노면상태 조사방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117953268A (zh) * | 2023-12-12 | 2024-04-30 | 济南大学 | 一种基于线激光图像的单板深度缺陷识别方法及系统 |
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