KR200310498Y1

KR200310498Y1 - 3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템

Info

Publication number: KR200310498Y1
Application number: KR20-2003-0000011U
Authority: KR
Inventors: 김동섭
Original assignee: (주)엔텍엔지니어링
Priority date: 2003-01-02
Filing date: 2003-01-02
Publication date: 2003-04-21

Abstract

본 고안은 열차에 전원을 공급하는 팬터그래프의 습판 상태를 검출하는 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 특히, 열차의 진입 여부를 검출하는 차량진입검출부(110); 진입하는 차량의 번호를 검출하는 차량번호검출부(120); 팬터그래프의 위치를 검출하는 팬터그래프위치검출부(130); 팬터그래프 습판을 촬영하는 하나 이상의 영상촬영부(140); 연산처리모듈과, 신호처리모듈 및 데이터 저장 모듈을 구비하여, 첫째, 상기 차량진입검출부(110)를 통해 열차의 진입여부를 지속적으로 검출하다가 열차가 진입하는 것으로 판단되면 상기 차량번호검출부(120)를 통해 차량의 번호를 검출하도록 제어하고, 둘째, 상기 팬터그래프위치검출부(130)를 통해 팬터그래프의 위치를 검출하여 상기 영상촬영부(140)를 통해 팬터그래프 습판의 영상을 촬영하도록 제어한 후, 상기 영상촬영부에서 촬영한 팬터그래프 습판의 영상을 3차원 영상으로 구현하여, 상기 3차원으로 구현된 팬터그래프 습판 영상으로부터 팬터그래프 습판의 마모 상태를 검출하는 제1제어부(150); 팬터그래프 습판의 마모 상태를 나타내고, 데이터베이스를 운영하여 이력관리를 수행하며, 타 시스템과의 통신을 제어하는 제2제어부(170); 팬터그래프 습판의 마모 상태, 검측 일시, 유지 보수 및 교체 일시, 작업자 등에 대한 데이터를 데이터베이스화하여 저장하는 데이터베이스부(180); 사용자 명령 및 데이터를 입력하는 사용자입력부(160); 팬터그래프 습판의 마모 정도, 유지 보수 및 교체시기, 운행불가 상태 등을 청각적으로 나타내는 청각표시부(190); 팬터그래프 습판에 대한 정보 및 관련 정보를 시각적으로 나타내는 시각표시부(200); 팬터그래프 습판 검측 자료나 데이터베이스 자료를 출력하는 출력부(210); 타 시스템과의 통신을 수행하는 통신모듈(220); 및, 하나 이상의 CCD 카메라를 사용하여 팬터그래프 습판의 영상을 촬영하고, 상기 CCD 카메라를 통해 촬영한 2차원 영상을 3차원 영상으로 구현한 후, 상기 3차원 영상으로 구현된 팬터그래프 습판의 영상으로부터 습판의 마모 상태를 검출하여 그 유지 보수 시기 및 교체시기를 자동으로 알려주고, 데이터베이스화하여 이력관리를 수행하며, 타 시스템과의 통신을 수행하는 것;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템이다.

이러한 본 고안은, 특히, 팬터그래프 습판의 상태를 3차원 영상으로 이미지화 한 후, 상기 3차원 영상으로부터 팬터그래프 습판의 마모상태를 검출하여 그 유지 보수 시기 및 교체시기를 자동으로 알려주고, 데이터베이스화함으로써, 첫째, 팬터그래프 습판 전역(全域)에 대한 동시 검출이 가능하고, 둘째, 검출 속도가 빠르고, 셋째, 열차의 고속 운행 중에도 그 측정이 가능하고, 넷째, 정확하고, 다섯째, 육안에 의한 상태 측정이 용이하며, 여섯째, 그 검출 및 관리가 용이하도록 하여 열차 운행의 안전성 및 운행 효율을 향상시키기 되는 효과가 있다.

또한, 무선통신장치, 유선통신장치, 또는 인터넷을 통해 네트워크를 구축함으로써, 그 정보의 공유 및 상호 관리가 가능하도록 함은 물론, 원격지에 위치한 관리국에서 이를 종합 관리할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템{Automatic measuring system for sliding plate of pantograph using three dimension analysis technique}

본 고안은 열차에 전원을 공급하는 팬터그래프(PANTOGRAPH)의 습판(SLIDING PLATE) 상태를 검출하는 시스템에 관한 것으로, 특히, 팬터그래프 습판의 상태를 3차원 영상으로 이미지화 한 후, 상기 3차원 영상으로부터 팬터그래프 습판의 마모상태를 검출하여 그 유지 보수 시기 및 교체시기를 자동으로 알려주고, 데이터베이스화함으로써, 첫째, 팬터그래프 습판 전역(全域)에 대한 동시 검출이 가능하고, 둘째, 검출 속도가 빠르고, 셋째, 열차의 고속 운행 중에도 그 측정이 가능하고, 넷째, 정확하고, 다섯째, 육안에 의한 상태 측정이 용이하며, 여섯째, 그 검출 및 관리가 용이하도록 하여 열차 운행의 안전성 및 운행 효율을 향상시키기 위한 것이다.

또한, 무선통신장치, 유선통신장치, 또는 인터넷을 통해 네트워크(NETWORK)를 구축함으로써, 그 정보의 공유 및 상호 관리가 가능하도록 함은 물론, 원격지에 위치한 관리국에서 이를 종합 관리할 수 있도록 하기 위한 것이다.

주지하다시피 팬터그래프(10)는, 도1과, 도2에서 도시되는 바와 같이, 전차선(電車線, CATENARY)(W)에 흐르는 전기를 집전(集電)하여 주변압기(30)를 통해 열차(T) 각부에 전원을 공급하는 집전장치(集電裝置)로 열차(T) 지붕 위에 설치되어 있다.

도면 중 미설명 부호 (11)은 습판, (15)는 상승암, (16)은 기초대, (20)은 주차단기, (40)은 주변환장치, (50)은 콘버터, (60)은 인버터, (70)은 견인전동기, (80)은 감속기어를 각각 나타낸다.

팬터그래프(10)는 그 사용 목적 및 특성에 따라 다이아몬드형, 싱글 암형, 크로스 암형, 2단계형, 3단계형 및 익형 등으로 나누어지는 데 어떠한 종류의 팬터그래프이든지 간에 고속 주행에 견뎌야 하고, 확실하게 동작하여야 하며, 유지비용이 적고, 보수가 쉬우며, 전차선(W)과의 접촉력이 균일해야 한다.

이러한 팬터그래프(10)에 있어서 집전(集電)은 팬터그래프(10) 상부에 위치한 습판(11)에 의해 이루어진다.

도3은 습판(11)의 장착 상태를 나타낸 것으로, 도면에서 도시되는 바와 같이, 슈(SHOE)(13)의 상면(上面)에 길이 방향으로 2개의 습판(11)이 쌍을 이루어 장착되고, 상기 쌍을 이룬 습판(11) 각각의 좌우에 보조습판(12)이 장착되며, 상기 습판(11)과 습판(11) 사이에 윤활작용을 하는 고형윤활제(14)가 장착된다.

이러한 습판(11)은 통상적으로 5.5kgf ~ 10kgf의 접촉력으로 전차선(C)에 접촉되어 열차 운행 시 상기 전차선(W)과의 미끄럼 접촉으로 전차선(W)에 흐르는 전기를 집전하게 된다.

즉, 열차 선로를 따라 가설된 전차선(W)에 팬터그래프(10)의 습판(11)이 접촉된 상태로 운행되는 것으로, 상기 전차선(W)과 미끄럼 접촉을 이루는 습판(11)을 통해 열차(T)에 전기를 공급받게 된다.

그러나, 상기와 같은 팬터그래프 습판(11)은 열차 운행 시 전차선(W)에 항시 접촉되어 운행되므로 인해 필연적으로 마모가 발생되게 되고, 이러한 마모로 인해 전차선(C)과의 접촉이 불안정해지게 된다.

그러면, 이와 같은 전차선(W)과의 접촉불량으로 동력이 감소되고, 아크(ARC)가 발생되며, 통신 유도 장애가 발생하여 열차 안전 운행을 저하시킴은 물론, 소음이 발생된다는 문제점 등이 있었다.

따라서, 상기와 같은 문제점이 발생되기 전에 습판(11)의 마모 상태를 항시 점검, 유지, 보수 및 교체를 하여 주어야 한다.

그러나, 팬터그래프(10) 자체가 열차(T) 지붕 위에 설치되어 있고, 더구나 습판(11)은 상기 팬터그래프(10) 상부에 장착되어 있으므로 인해, 첫째, 습판의 마모 상태를 점검하기가 용이하지 않다는 문제점이 있고, 둘째, 마모 정도 판단을 육안에 의지하여야하므로 인해 그 검출이 용이하지 않음은 물론 이를 위해서는 전문적인 지식을 갖춘 전문가가 필요하다는 문제점이 있고, 셋째, 열차의 고속 운행 중에는 검출할 수가 없다는 문제점이 있고, 넷째, 검측 데이터에 대한 체계적인 유지 및 관리가 용이하지 않다는 문제점 및, 다섯째, 많은 수의 인력과 시간이 소요된다는 문제점 등이 있었다.

따라서, 상기와 같은 문제점들을 해소하여 열차의 안전성 및 운행 효율을 향상시키고자 하는 연구들이 지속적으로 진행되어 오고 있다.

기술의 발전에 따라 다양한 종류의 센서 및 검측장치가 개발되었으며, 상기 기술들을 이용하여 팬터그래프 습판의 마모 상태를 측정하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 상기 종래 기술의 일례로 초음파 센서를 이용하여 습판의 마모 상태를 측정하고자 하는 기술이 제시되었다(일본국 특개평2-26202호 "팬터그래프 습판 계측장치").

이는 팬터그래프 습판의 길이에 대응되는 초음파 센서 어레이(ARAY)를 구축 하여 습판 상부에 설치한 후, 상기 어레이를 이루는 초음파 센서 각각과 이에 대응되는 습판 사이의 거리를 검출하여 그 거리의 차이로 습판의 마모 정도를 판단하게 된다.

그러나 상기와 같은 종래 기술은, 첫째, 습판의 마모 상태 측정 시 그 정밀도가 어레이로 구성되는 초음파 센서의 수에 비례하게 되어 정밀도를 높이려면 구성이 복잡해지고 비용이 많이 소요된다는 문제점이 있고, 둘째, 아무리 초음파 센서의 수를 증가시킨다 하더라도 공간적 제약으로 인해 습판 전역(全域)에 대한 검측이 불가능하다는 문제점이 있고, 셋째, 열차 운행의 고속 운행 중에는 검측이 불가능하여 열차의 운행 효율이 저감된다는 문제점이 있고, 넷째, 검측 결과가 2차원으로 표출되므로 결과에 대한 인지가 용이하지 않다는 문제점이 있고, 다섯째, 장치를 이루는 부품 수가 많아 오동작 및 고장이 빈번히 발생함은 물론 그 유지 및, 보수 비용이 많이 소요되게 된다는 문제점이 있으며, 여섯째, 팬터그래프 전체에 대한 일괄적인 유지, 보수 및 관리가 어렵다는 문제점 등이 있었다.

이를 다시 설명하면 다음과 같다.

주지하다시피 상기와 같은 종래 기술은, 측정하고자 하는 대상 물체에 초음파 송신기를 통해 초음파를 발사한 후, 상기 대상 물체에 반사되어 돌아오는 반사파를 초음파 수신기를 통해 수신하여 그 거리를 검출하는 방법을 사용한다.

따라서, 팬터그래프 습판과 같이 일정 길이를 갖는 물체와의 거리를 측정하고자 할 경우에는, 상기 길이에 대응되는 수의 초음파 센서를 사용하여 어레이를 구성한 후, 상기 각각의 초음파 센서에서 검측되는 거리에 대한 데이터를 합산하여 그 마모정도를 측정하게 된다.

그러나, 초음파 센서는 이를 아무리 촘촘하게 배열하더라도 초음파 센서 자체의 부피 때문에 각 센서와 센서 사이에 필연적으로 간격이 존재하게 되고, 이로 인해 습판 전체에 대한 측정이 불가능하다는 문제점 및, 많은 수의 초음파 센서를 사용하여 구성하므로 인해 잦은 고장의 원인이 됨은 물론 비용이 상승되고, 유지 보수가 어렵다는 문제점이 있었다.

또한, 종래 기술은 초음파 센서의 응답속도(물체에 초음파가 부딪혀 되돌아오는 시간) 및 구조상의 문제로 인하여 열차 운행 중에는 습판의 마모 정도를 검출할 수 없어 습판의 마모 상태를 검측하기 위해서는 열차가 저속으로 운행되어야 하고, 이로 인해 열차 운행에 지장을 초래하게 되며, 측정 정확도가 저하된다는 문제점 및, 그 검출상태가 2차원 적으로 표출되어 인지가 용이하지 않음은 물론, 전체적인 관리가 용이하지 않다는 문제점 등이 있었다.

본 고안의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 특히, 하나 이상의 CCD 카메라와 광원 및 영상처리장치를 통해 팬터그래프 습판의 상태를 3차원 영상으로 이미지화 한 후, 상기 3차원 영상으로부터 팬터그래프 습판의 마모상태를 검출하여 그 유지 보수 시기 및 교체시기를 자동으로 알려주고, 데이터베이스화함으로써, 첫째, 팬터그래프 습판 전역에 대한 동시 검출이 가능하고, 둘째, 검출 속도가 빠르고, 셋째, 열차의 고속 운행 중에도 그 측정이 가능하고, 넷째, 정확하고, 다섯째, 육안에 의한 상태 측정이 용이하며, 여섯째, 그 검출 및 관리가 용이하도록 하여 열차 운행의 안전성 및 운행 효율을 향상시킬 수 있는 "3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템"을 제공하는 데 있다.

즉, 첫째, 광원을 팬터그래프 습판에 조사할 때 슬릿(SLIT) 무늬를 형성하도록 하여 조사한 후, 상기 슬릿 무늬가 투사된 습판의 영상을 CCD 카메라를 통해 촬영하여 상기 촬영된 영상으로부터 3차원 영상을 구현하고, 상기 3차원 영상으로 구현된 팬터그래프 습판의 영상으로부터 습판의 마모 상태를 검출하여 그 유지 보수 시기 및 교체시기를 자동으로 알려주도록 하거나, 또는 둘째, 상기 슬릿 무늬가 투사된 습판의 영상을 촬영할 때 주기적인 구조를 갖는 격자를 통해 촬영하여 무아레(MOIRE) 무늬를 형성한 후, 상기 무아레 무늬가 형성된 습판의 영상으로부터 3차원 영상을 구현하고, 상기 3차원 영상으로 구현된 팬터그래프 습판의 영상으로부터 습판의 마모 상태를 검출하여 그 유지 보수 시기 및 교체시기를 자동으로 알려주도록 하거나, 또는 셋째, 광원이 조사된 팬터그래프 습판의 영상을 촬영하여 영상을 얻을 시 2개 이상의 CCD 카메라를 통해 촬영함으로써 상기 2개 이상의 CCD 카메라에서 촬영된 각기 다른 촬영 각도를 갖는 영상으로부터 3차원 영상을 구현하고, 상기 3차원 영상으로 구현된 팬터그래프 습판의 영상으로부터 습판의 마모 상태를 검출하여 그 유지 보수 시기 및 교체시기를 자동으로 알려주도록 하기 위한 것이다.

또한, 필요에 따라 인터넷이나 유선통신장치, 또는 무선통신장치를 통해 상기 각 시스템으로 이루어지는 네트워크를 구축하여 전체적인 관리 및 정보 공유가 가능하도록 함은 물론, 원격지에 위치한 관리국에서 이를 종합 관리할 수 있도록 하기 위한 것이다.

도 1 은 열차의 집전과정을 나타낸 구성도,

도 2 는 팬터그래프의 구성을 나타낸 개략도,

도 3 은 팬터그래프 습판의 구성을 나타낸 도면,

도 4 는 본 고안 "3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템"의 구성을 나타낸 블록도,

도 5 는 본 고안 "3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템"의 일 실시예를 나타낸 구성도,

도 6 은 본 고안에 의한 영상촬영부의 일 실시예를 나타낸 구성도,

도 7 은 본 고안 중 슬릿 무늬를 이용한 3차원 영상 구현 과정을 설명하기 위한 도면,

도 8 은 본 고안에 의한 3차원 영상 구현 과정을 설명하기 위한 예시도,

도 9a, 도 9b 는 본 고안에 의한 습판의 3차원 구현 과정을 나타낸 도면,

도 10 은 본 고안에 의한 영상촬영부의 다른 실시예를 나타낸 구성도,

도 11 은 본 고안에 의한 영상촬영부의 또 다른 실시예를 나타낸 구성도,

도 12 는 본 고안 "3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템의 제어방법"을 나타낸 신호흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

110: 차량진입검출부111, 112: 휠 디텍터

120: 차량번호검출부121: CCD 카메라

122: RF-ID 판독기130: 팬터그래프위치검출부

131: 초음파센서140: 영상촬영부

141: 슬릿광발생부141a: 광원

141b: 클리메이팅 렌즈141c: 프로젝션 그레이팅 렌즈

142a: CCD 카메라142b: 초점렌즈

142c: 줌렌즈142d: 격자

S10: 차량인식단계S20: 습판촬영단계

S30: 마모상태검출단계S40: 경보단계

S50: 이력관리단계

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안 "3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템"의 구성은,

열차의 진입 여부를 검출하는 차량진입검출부;

진입하는 차량의 번호를 검출하는 차량번호검출부;

팬터그래프의 위치를 검출하는 팬터그래프위치검출부;

팬터그래프 상부에 장착되어 팬터그래프 습판을 촬영하는 하나 이상의 영상촬영부;

연산처리모듈과, 신호처리모듈 및 데이터 저장 모듈을 구비하고, 상기 차량진입검출부와, 차량번호검출부와, 팬터그래프위치검출부와, 영상촬영부 사이에 접속되어, 첫째, 상기 차량진입검출부를 통해 열차의 진입여부를 지속적으로 검출하다가 열차가 진입하는 것으로 판단되면 상기 차량번호검출부를 통해 차량의 번호를 검출하도록 제어하고, 둘째, 상기 팬터그래프위치검출부를 통해 팬터그래프의 위치를 검출하여 상기 영상촬영부를 통해 팬터그래프 습판의 영상을 촬영하도록 제어한 후, 상기 영상촬영부에서 촬영한 팬터그래프 습판의 영상을 3차원 영상으로 구현하여, 상기 3차원으로 구현된 팬터그래프 습판 영상으로부터 팬터그래프 습판의 마모 상태를 검출하는 제1제어부;

상기 제1제어부와 데이터통신을 수행하여 팬터그래프 습판의 마모 상태를 나타내고, 데이터베이스를 운영하여 이력관리를 수행하며, 타 시스템과의 통신을 제어하는 제2제어부;

상기 제2제어부에 접속되어, 팬터그래프 습판의 마모 상태, 검측 일시(日時), 유지 보수 및 교체 일시, 작업자 등에 대한 데이터를 데이터베이스화하여 저장하는 데이터베이스부;

키보드나 키패드, 또는 마우스, 라이트펜 등의 입력장치로 이루어지며, 상기 제2제어부에 접속되어, 상기 제2제어부에 사용자 명령 및 데이터를 입력하는 사용자입력부;

상기 제2제어부에 접속되어, 팬터그래프 습판의 마모 정도, 유지 보수 및 교체시기, 운행불가 상태 등을 청각적으로 나타내는 청각표시부;

상기 제2제어부에 접속되어, 팬터그래프 습판에 대한 정보 및 관련 정보를 시각적으로 나타내는 시각표시부;

상기 제2제어부에 접속되어 팬터그래프 습판 검측 자료나 데이터베이스 자료를 출력하는 출력부;

상기 제2제어부에 접속되어 타 시스템과의 통신을 수행하는 통신모듈; 및,

하나 이상의 CCD 카메라를 사용하여 팬터그래프 습판의 영상을 촬영하고, 상기 CCD 카메라를 통해 촬영한 2차원 영상을 3차원 영상으로 구현한 후, 상기 3차원 영상으로 구현된 팬터그래프 습판의 영상으로부터 습판의 마모 상태를 검출하여 그 유지 보수 시기 및 교체시기를 자동으로 알려주고, 데이터베이스화하여 이력관리를 수행하며, 타 시스템과의 통신을 수행하는 것;을 포함하여 구성됨을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

상기 차량진입검출부는 본 고안에 의한 시스템이 설치된 구간으로 열차가 진입해 오는 지의 여부를 검출하기 위한 것으로, 소정의 거리를 둔 2개소에서 열차의 진입을 검출하여 그 진입여부, 진입방향 및 진입속도를 검출하게 된다.

예를 들어, 초음파 센서나 적외선 센서, 또는 차륜에 감응하여 열차의 존재를 나타내는 자기센서(휠 디텍터)를 일정 거리를 둔 2개소에 장착한 후, 상기 각 센서에서 출력되는 신호의 선후로써 진입방향을 검출하고, 상기 센서가 설치된 간격과 열차 검출시간으로부터 열차의 속도를 검출하게 된다.

상기 차량번호검출부는 본 고안에 의한 시스템이 설치된 구간으로 진입해 오는 차량의 번호를 검출하기 위한 것이다.

주지하다시피 각 차량에는 고유번호가 기재되어 있으며 이 번호를 통해 어느 차량에 설치된 몇 번째 팬터그래프 습판에 대한 검측을 행하는 지를 인식하여 데이터베이스를 작성하게 된다.

차량번호는 차량 측면에 부착된 고유번호를 CCD 카메라를 통해 검출하여 인식하거나, 또는 무선 번호(RF-ID) 판독기를 사용하여 인식하게 된다. 상기 RF-ID 판독기는 RF-ID 송신기가 장착된 차량에서 송신되는 고유번호를 수신하게 된다.

또한, 상기 팬터그래프위치검출부는, 초음파센서, 또는 적외선 센서, 또는 레이저 송수신기 중 어느 하나 이상을 필요에 따라 조합하여 이루어지며, 팬터그래프 상부에 장착되어, 팬터그래프의 위치를 검출하도록 구성함을 특징으로 한다.

예를 들어, 초음파 센서를 사용하여 팬터그래프의 존재 유무를 그 반사파를 가지고 지속적으로 검출하다가, 팬터그래프가 검출되면 이를 나타내는 신호를 발생하도록 구성할 수 있다.

또한, 상기 영상촬영부는, 광원에서 발생한 광(光)을 슬릿(SLIT)광으로 변화시켜 팬터그래프 습판에 조사하는 슬릿광발생부와, 상기 슬릿 광이 조사된 습판의 영상을 촬영하는 영상획득부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 슬릿광발생부는, 빛을 발생하는 광원과, 상기 광원 전방에 설치되어, 상기 광원에서 발생된 빛을 원하는 크기의 점광원(點光源)으로 변형하는 콜리메이팅 렌즈(COLIMATING LENS)와, 상기 콜리메이팅 렌즈 전방에 설치되어, 상기 콜리메이팅 렌즈에서 발생되는 점광원을 원하는 개수의 슬릿{(라인(LINE)} 광으로 변형하여 팬터그래프 습판에 주사하는 프로젝션(PROJECTION) 렌즈를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 광원은, 할로겐 램프, 또는 크세논 램프, 또는 백색 광원, 또는 레이저 중 어느 하나로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 영상획득부는, 팬터그래프 습판의 영상을 원하는 크기로 변형하는 줌렌즈와, 상기 줌렌즈를 통과한 영상의 초점을 조절하여 정확한 영상이 맺히도록 하는 초점렌즈와, 상기 초점렌즈를 통과한 영상을 입력받아 출력하는 CCD 카메라를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 상기 영상획득부는, 슬릿 광에 의한 슬릿 무늬가 형성된 팬터그래프 습판의 영상을 촬영한 후, 상기 영상에서 슬릿 무늬가 굴곡된 정도를 검출하여 습판의 3차원 영상을 구현하게 된다.

상기 영상획득부는, 팬터그래프 습판의 영상을 원하는 크기로 변형하는 줌렌즈와, 상기 줌렌즈를 통과한 영상의 초점을 조절하여 정확한 영상이 맺히도록 하는 초점렌즈와, 상기 초점렌즈와 줌렌즈 사이에 장착되어 무아레(MOIRE) 무늬를 형성하는 격자(GRATING)와, 상기 초점렌즈를 통과한 영상을 입력받아 출력하는 CCD 카메라를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 영상획득부는, 슬릿 광이 투사된 팬터그래프 습판의 영상을 격자를 통해 촬영함으로써 무아레 무늬를 형성하게 되는 것으로, 상기 무아레 무늬가 형성된 영상을 분석하여 습판의 3차원 영상을 구현하게 된다.

또한, 상기 영상촬영부는, 일정 거리를 두고 장착된 두 개 이상의 CCD 카메라로 이루어지며, 팬터그래프 습판 상부에 장착되어, 상기 팬터그래프 습판의 영상을 각기 다른 각도에서 촬영하는 카메라부와, 팬터그래프 상부에 장착되어 팬터그래프 습판을 조명하여 광원을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 영상촬영부는 스테레오 촬영 기법으로 팬터그래프 습판의 영상을 촬영하게 되는 것으로, 이와 같이 촬영된 영상은 제1제어부로 전송되어 3차원 영상으로 복원되게 된다.

또한, 상기 청각표시부는, 공지의 음 발생회로로 구성되어 입력되는 신호음이나 경보음을 사용자에게 알려주도록 구성됨이 바람직하다.

또한, 상기 시각표시부는, 모니터, LCD, 프로젝터 등으로 구성됨이 바람직하다.

또한, 상기 출력부는, 프린터나, 씨디롬 라이터(CD-ROM WRITER) 등으로 구성됨이 바람직하다.

또한, 상기 제1제어부는, 컴퓨터 본체로 구성됨이 바람직하다.

또한, 상기 사용자입력부와, 제2제어부와, 데이터베이스부와, 청각표시부와, 시각표시부는, 입력장치(키보드, 마우스, 라이트펜 등), 출력장치(모니터, 사운드 장치 등)와, 연산장치(CPU 등)와, 데이터기록장치(하드 디스크, 플로피 디스크, 씨디 롬 등)가 구비된 컴퓨터 시스템으로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 제1제어부와 제2제어부를 2대의 컴퓨터 시스템으로 구성한 이유는 처리 기능을 분담하여 데이터 처리 속도를 높임으로써 열차 운행 중에도 팬터그래프 습판의 검측이 가능하도록 하기 위한 것으로, 경우에 따라서는 상기 제1제어부와 제2제어부 등을 1대의 컴퓨터 시스템으로 구성할 수 있다.

또한, 상기 통신모듈은, 인터넷, 랜(LAN), 또는 무선 통신장치를 통해 타 시스템(본 고안에 의해 구성되어 원격지에 설치된 습판 자동 측정 시스템)과의 통신을 수행하기 위한 것으로, 랜 카드(LAN CARD)나 직렬통신 모뎀, 또는 병렬통신 모뎀 등으로 구성됨이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 고안 "3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템"은,

차량진입검출부를 통해 열차가 진입하는지의 여부를 지속적으로 검출하다가 열차가 진입된 것으로 판단되면, 상기 차량진입검출부에서 출력되는 거리와 시간에 대한 정보로부터 열차의 속도를 산출하고, 상기 차량번호검출부를 통해 차량번호를 검출하는 차량인식단계;

상기 차량인식단계를 수행한 결과 열차가 진입하는 것으로 판단되면, 상기 팬터그래프위치검출부를 통해 팬터그래프의 위치를 검출한 후, 상기 영상촬영부를 통해 팬터그래프 습판을 촬영하는 습판촬영단계;

상기 습판촬영단계를 수행하여 얻은 영상을 3차원 영상으로 구현하는 3차원영상구현단계;

상기 3차원영상구현단계를 수행하여 얻은 3차원 영상으로부터 습판의 마모 정도를 산출하는 마모상태산출단계;

상기 마모상태산출단계를 수행하여 얻은 결과로부터 팬터그래프 습판을 보수해야 할지 또는 교체해야 할지의 여부를 기 입력된 데이터와 비교 분석하여 보수, 또는 교체가 필요한 것으로 판단될 경우에는 이를 나타내는 신호를 발생하는 경보단계; 및

상기 각 단계를 수행하여 얻은 차량에 대한 데이터와 습판 검측에 대한 데이터를 데이터베이스화하여 저장하는 이력관리단계를 순차적으로 수행하게 된다.

상기 습판촬영단계에서 팬터그래프 습판을 촬영할 경우에는, 상기 차량인식단계를 수행하여 검출한 열차의 진입 속도를 고려하여 촬영 시기 및 속도를 제어함을 특징으로 한다.

또한, 상기 습판촬영단계에서 팬터그래프 습판을 촬영할 경우에는, 상기 습판에 슬릿 광을 조사하여 상기 슬릿 광이 조사된 습판을 촬영함으로써 슬릿 무늬가 형성된 습판 영상을 획득함을 특징으로 한다.

이와 같은 촬영방법은, 광원을 팬터그래프 습판에 조사할 때 상기 슬릿광발생부를 통해 슬릿 광을 형성시켜 습판에 조사한 후, 상기 슬릿 무늬가 투사된 습판의 영상을 CCD 카메라를 통해 촬영하여 상기 촬영된 영상으로부터 3차원 영상을 구현하기 위한 것이다.

이때 습판의 3차원 영상 구현은 슬릿 광에 의해 습판에 형성된 슬릿 무늬의 굴곡 정도를 검출하여 수행하게 된다. 즉, 굴곡이 있는 물체에 슬릿 광을 조사하게 되면 물체의 굴곡 정도에 따라 등고선 형식의 무늬를 형성하게 되는데 이와 같은 특성을 이용하여 3차원 영상을 구현하게 된다.

또한, 상기 습판촬영단계에서 팬터그래프 습판을 촬영할 경우에는, 습판에 슬릿 광을 조사한 후, 상기 슬릿 광에 의해 슬릿 무늬가 형성된 습판을 주기적인 구조를 격자를 통해 촬영함으로써 무아레 무늬가 형성된 습판 영상을 획득함을 특징으로 한다.

이와 같은 촬영방법은, 상기 격자를 통해 습판 굴곡 정도에 따른 무아레 무늬를 형성하고, 상기 무아레 무늬가 형성된 습판을 CCD 카메라를 통해 촬영하여 상기 촬영된 영상으로부터 3차원 영상을 구현하기 위한 것이다.

즉, 무아레 무늬를 이용하여 습판의 굴곡에 따른 3차원 영상을 구현하고, 상기 3차원 영상으로부터 습판의 마모 상태를 검측하기 위한 것이다.

또한, 습판촬영단계에서 팬터그래프 습판을 촬영할 경우에는, 2대 이상의 CCD 카메라를 통해 습판의 영상을 촬영함로써 각기 다른 촬영 각도를 갖는 습판 영상을 획득함을 특징으로 한다.

이와 같은 촬영방법은, 각기 다른 각도를 갖는 습판 영상을 분석함으로써 3차원 영상을 구현하게 된다.

즉, 동일한 물체(습판)를 일정 거리를 둔 2대의 카메라에서 촬영한 후(스테레오 촬영 방법), 상기 각각의 카메라를 통해 획득한 영상의 차이를 분석하여 3차원 영상을 구현하는 것이다.

한편, 상기 3차원영상구현단계에서 상기 습판촬영단계를 수행하여 얻은 영상으로부터 3차원 영상을 구현할 경우, 상기 습판촬영단계에서 얻은 습판의 영상이 슬릿 무늬가 형성된 영상일 경우에는, 상기 슬릿 무늬의 휘어짐 정도를 검출하여 3차원 영상으로 구현함을 특징으로 한다.

또한, 상기 3차원영상구현단계에서 상기 습판촬영단계를 수행하여 얻은 영상으로부터 3차원 영상을 구현할 경우, 상기 습판촬영단계에서 얻은 습판의 영상이 무아레 무늬가 형성된 영상일 경우에는, 상기 무아레 무늬를 검출하여 3차원 영상으로 구현함을 특징으로 한다.

또한, 상기 3차원영상구현단계에서 상기 습판촬영단계를 수행하여 얻은 영상으로부터 3차원 영상을 구현할 경우, 상기 습판촬영단계에서 얻은 습판의 영상이 각기 다른 촬영 각도를 갖는 두 개 이상의 영상일 경우에는, 상기 각 영상의 촬영각을 검출하여 3차원 영상으로 구현함을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 고안 "3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템"은, 특히, 하나 이상의 CCD 카메라를 사용하여 팬터그래프 습판의 영상을 촬영하고, 상기 CCD 카메라를 통해 촬영한 2차원 영상을 3차원 영상으로 구현한 후, 상기 3차원 영상으로 구현된 팬터그래프 습판의 영상으로부터 습판의 마모 상태를 검출하여 그 유지 보수 시기 및 교체시기를 자동으로 알려주고 데이터베이스화하여 이력관리를 수행하며, 타 시스템과의 통신을 수행하여 데이터베이스를 공유함으로써, 팬터그래프 습판 전역에 대한 검측을 빠르고 정확하게 할 수 있고, 열차의 고속 운행 중에도 측정할 수 있음은 물론, 그 검출 및 관리가 용이하여 열차 운행의 안전성 및 운행 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 고안 "3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템"의 기술적 사상을 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.

<실시예>

본 실시예에 있어서는 휠 디텍터(WHEEL DETECTOR)를 사용하여 차량진입검출부를 구성하고, CCD 카메라와 RF-ID 판독기를 사용하여 차량진입검출부를 구성하며, 초음파센서를 사용하여 팬터그래프위치검출부를 구성하는 것을 예로하여 설명한다.

이는, 다른 방법들을 사용하여 각 구성요소를 구성하는 방법 및 그 작용 효과는 상기의 방법으로부터 용이하게 유추할 수 있게 때문이다.

또한, 본 실시예에 있어서는 제1제어부를 컴퓨터 본체로 구성하고, 사용자입력부와, 제2제어부와, 데이터베이스부와, 청각표시부와, 시각표시부 및 통신모듈을, 입력장치(키보드, 마우스, 라이트펜 등), 출력장치(모니터, 사운드 장치 등), 연산장치(CPU 등), 데이터기록장치(하드 디스크, 플로피 디스크, 씨디 롬 등) 및 통신장치가 구비된 컴퓨터 시스템으로 구성하여 설명한다.

이하, 본 실시예에 의한 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도4와 도5에서 도시되는 바와 같이, 휠 디텍터(111, 112)를 소정의 거리를 두고 배치하여 차량진입검출부(110)를 구성하고, CCD 카메라(121)와 RF-ID 판독기(122)를 상기 차량진입검출부(110)의 전방에 설치하여 차량번호검출부(120)를 구성하며, 터널 천정(터널이 아닌 곳은 가교 상부) 팬터그래프와 대응되는 위치에 초음파센서(131)로 이루어진 팬터그래프위치검출부(130)와 영상촬영부(140)를 설치한다.

이후, 상기 차량진입검출부(110)와 차량번호검출부(120)와 팬터그래프위치검출부(130) 및 영상촬영부(140)를 제1제어부(150)에 접속하며, 상기 제1제어부(150)를 관리실에 위치한 컴퓨터 시스템(C)에 접속하여 본 실시예에 의한 "3차원 영상을 이용한 팬터그래프 습판 자동측정시스템"을 구성한다.

상기 제1제어부(150)는 연산처리기능과 신호처리기능 및 데이터 저장 기능을 구비한 컴퓨터 본체(150a)로 구성된다.

상기 컴퓨터 시스템(C)은 도4의 사용자입력부(160)와, 제2제어부(170)와, 데이터베이스부(180)와, 청각표시부(190)와, 시각표시부(200), 출력부(210) 및 통신모듈(220)을 컴퓨터 시스템(C)으로 구성한 것으로, 컴퓨터 시스템(C)의 각 요소는 도4의 각 구성요소의 일 구성예이다.

즉, 사용자입력장치(160)는 키보드(160a)와 마우스(160b)로 구성하고, 제2제어부(170)는 컴퓨터 본체(170a)로 구성하고, 데이터베이스부(180)는 데이터 저장수단(하드 디스크, CD-ROM, DVD 등)으로 구성하고, 청각표시부(190)는 사운드 장치(190)로 구성하고, 시각표시부(200)는 모니터(200a)로 구성하고, 출력부(210)는 프린터(210a)로 구성하고, 통신모듈(124)은 랜 카드(124a)로 구성한다.

상기 랜 카드(124a)에는 인터넷이 접속되어 있어 인터넷망(I)을 통해 외부시스템과 통신을 수행한다.

상기 외부시스템은 타 지역에 설치된 팬터그래프 습판 자동측정시스템일 수도 있고, 또는 습판 검측상황을 총괄하는 관리국(230) 컴퓨터일 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 실시예의 동작 및 작용 효과에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 차량진입검출부(110)를 이루는 휠 디텍터(111, 112)에서 출력되는 신호로부터 차량의 진행방향과 진입속도를 계산하는 프로그램과, 상기 차량번호검출부(120)를 이루는 CCD 카메라(121)와 RF-ID 판독기(122)에서 입력되는 신호로부터 차량의 번호를 인식하는 프로그램과, 초음파센서(131)와 팬터그래프(10)와의 거리에 대한 데이터와, 상기 팬터그래프위치검출부(130)를 이루는 초음파센서(131)에서 출력되는 신호로부터 팬터그래프(10)의 위치를 검출하는 프로그램과, 2차원 영상으로 촬영된 팬터그래프 습판(11)의 영상을 3차원 영상으로 구현하는 프로그램 및, 3차원 영상으로 구현된 습판(11)의 영상으로부터 습판(11)의 마모 정도를 검출하기 위한 데이터와 프로그램을 상기 제1제어부(150)를 이루는 컴퓨터 본체(150a)에 저장한다.

이후, 상기 제1제어부(150)는, 도 12에서 도시되는 바와 같이, 차량인식단계(S10)를 수행하여 상기 차량진입검출부(110)를 통해 열차가 진입하는지의 여부를 지속적으로 검출하다가 열차가 진입된 것으로 판단되면, 상기 차량진입검출부(110)에서 출력되는 거리와 시간에 대한 정보로부터 열차의 속도를 산출하고, 상기 차량번호검출부(120)를 통해 차량번호를 검출하게 된다.

이를 다시 설명하면 다음과 같다.

주지하다시피, 본 실시예의 차량진입검출부(110)를 이루는 휠 디텍터(111a, 112)는 열차의 바퀴를 감지하여 이를 나타내는 신호를 출력하는 센서이다.

따라서, 상기 휠 디텍터 (111)과 (112)가 설치된 거리와, 상기 휠 디텍터(111, 112)에서 출력되는 신호 사이의 시간차를 제1제어부(150)에서 산출한 후, 상기 거리와 시간으로부터 열차의 속도를 산출하게 된다.

상기 RF-ID 판독기(122)는 차량에 부착된 RF-ID 송신기(123)에서 송출되는 신호를 수신하여 차량번호를 검출하여 출력하게 된다.

CCD 카메라(121)는 RF-ID 수신기(123)가 설치되어 있지 않은 차량의 차량번호를 검출하기 위한 것으로, 상기 차량진입검출부(110)에서 출력되는 속도에 대한 신호로부터 통과시산을 계산하여 상기 CCD 카메라(121)를 통해 차량 측면에 기재된 열차번호를 촬영한 후 이를 상기 제1제어부(150)로 전송하여 영상 처리를 통하여 차량의 번호를 검출하게된다.

상기 RF-ID 판독기(122)를 이용한 차량번호 검출 방법이나, CCD 카메라(121)를 이용한 차량번호 검출방법은 공지된 바와 같으며, 또한 본 고안의 요지를 흐릴 수 있으므로 그 상세한 설명은 생략한다.

한편, 상기 차량인식단계(S10)를 수행한 결과 열차가 진입하는 것으로 판단되면, 팬터그래프위치검출부(130)를 통해 팬터그래프(10)의 위치를 검출한 후, 영상촬영부(140)를 통해 팬터그래프 습판(11)을 촬영하는 습판촬영단계(S20)를 수행하게 된다.

이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 차량진입검출부(110)를 통해 열차 진입이 감지되면, 상기 제1제어부(150)는 차량의 속도를 계산하여 팬터그래프위치검출부(130)를 이루는 초음파센서(131)를 작동시키게 된다.

그러면, 상기 초음파센서(131)는 일정 거리 이내에 물체가 존재하는지의 여부를 검출하여 팬터그래프(10)의 존재 유무를 검출하게 된다.

즉, 초음파센서(131)와 팬터그래프(10) 사이의 거리에 상응하는 거리내에 물체가 존재하는지의 여부를 지속적으로 검출하여, 상기 거리에 상응하는 거리이내에 물체가 존재하는 것으로 판단되면 이를 팬터그래프(10)로 인식하게 된다.

이때, 상기 초음파센서(131)는 팬터그래프 검출에 대한 정확도를 높이기 위해 두 개 이상을 사용하거나, 또는 초음파센서 어레이를 구성하여 검출할 수도 있다.

즉, 두 개 이상의 초음파센서를 팬터그래프의 설치 위치에 대응되는 위치에 설치한 후, 상기 두 개 이상의 초음파센서에서 동시에 물체를 감지하거나 또는 일정 시간 이내에 물체를 감지하였을 때를 팬터그래프 검출로 인식하도록 할 수 있다.

또는, 초음파센서 어레이를 구성하여 팬터그래프의 형상을 검출하여 그 존재 유무를 검출할 수 있다.

상기의 방법들 중 어느 것을 사용할 것이냐는 설치환경에 따라 선택할 수 있다.

한편, 상기 습판촬영단계(S20)를 수행하여 팬터그래프 습판(11)의 2차원 영상을 획득한 후에는 상기 2차원 영상을 3차원 영상으로 구현하는 3차원영상구현단계(S30)를 수행하게 된다.

상기 습판촬영단계(S20)에서 얻은 습판(11)의 2차원 영상을 3차원영상구현단계(S30)를 수행하여 3차원 영상으로 구현할 경우에는 1. 슬릿 무늬를 형성하여 상기 슬릿 무늬가 형성된 습판의 2차원 영상으로부터 3차원 영상을 얻거나, 2. 무아레 무늬를 형성하여 상기 무아레 무늬가 형성된 습판의 2차원 영상으로부터 3차원 영상을 얻거나, 3. 2대 이상의 CCD 카메라로 촬영각도를 다르게 하여 습판을 촬영한 후(스테레오 영상 촬영) 상기 촬영 각이 다른 습판의 2차원 영상으로부터 3차원 영상을 구현할 수 있다. 이를 다시 상세히 설명하면 다음과 같다.

1. 슬릿 무늬를 이용하는 방법

먼저, 영상촬영부(140)를, 도6에서 도시되는 바와 같이, 광원에서 발생한 광(光)을 슬릿 광으로 변화시켜 팬터그래프 습판에 조사하는 슬릿광발생부(141)와, 상기 슬릿 광이 조사된 습판의 영상을 촬영하는 영상획득부(142)로 구성한다.

상기 슬릿광발생부(141)는, 빛을 발생하는 광원(141a)과, 상기 광원 전방에 설치되어, 상기 광원에서 발생된 빛을 원하는 크기의 점광원(點光源)으로 변형하는 콜리메이팅 렌즈(141b)와, 상기 콜리메이팅 렌즈(141b) 전방에 설치되어, 상기 콜리메이팅 렌즈(141b)에서 발생되는 점광원을 원하는 개수의 슬릿 광으로 변형하여 팬터그래프 습판(11)에 주사하는 프로젝션 렌즈(141c)로 구성한다.

상기 광원(141a)은 레이저빔을 이용한다. 따라서, 상기 광원은 레이저발생기로 이루어진다.

광원을 점광원으로 변형하는 이유는 회전산란을 없애기 위한 것이다.

상기 영상획득부(142)는, 팬터그래프 습판(11)의 영상을 원하는 크기로 변형하는 줌렌즈(142c)와, 상기 줌렌즈(142c)를 통과한 영상의 초점을 조절하여 정확한 영상이 맺히도록 하는 초점렌즈(142b)와, 상기 초점렌즈(142b)를 통과한 영상을 입력받아 출력하는 CCD 카메라(142a)로 구성한다.

이와 같이 구성된 영상촬영부(140)는 상기 광원(141a)에서 출력되는 레이저빔을 콜리메이팅 렌즈(141b)와 프로젝션 렌즈(141c)를 통해 슬릿 광으로 변형시켜 습판(11)에 조사하게 된다.

그러면, 상기 슬릿 광이 조사되어 슬릿 무늬가 형성된 습판(11)의 영상을 줌렌즈(142c)와 초점렌즈(142b)를 통해 CCD 카메라(142a)에서 촬영하게 되는 것으로, 이로 인해 슬릿 무늬가 형성된 습판(11)의 2차원 영상을 얻게 된다.

상기 과정을 거쳐 슬릿 무늬가 형성된 습판(11)의 2차원 영상을 획득한 후에는, 상기 슬릿 무늬의 변형 정도를 검출하여 3차원 영상을 구현하게 된다.

즉, 슬릿 광이 습판(11)의 굴곡 정도에 따라 어느 정도 휘어져 있는가 하는 것을 검출하여 3차원 영상을 구현하게 되는 것이다.

이때, CCD 카메라(141a)를 사용하는 이유는 슬릿 무늬 해석시 CCD 카메라(141a)를 이루는 셀의 수를 검출하여 산출함으로써 처리속도를 향상시키기 위한 것이다. 이러한 셀 계산법은 격자의 역할을 하기도 한다. 참고로, 광학 카메라를 사용하였을 시에는 얻어진 2차원 영상을 다수개의 셀로 나누어 계산을 하게 된다.

이를 다시 설명하면 다음과 같다.

주지하다시피, 슬릿 광을 3차원 물체에 조사하게되면 상기 슬릿 광은 3차원 물체의 곡면의 굴곡에 따라 휘어지게 된다.

도7은 슬릿 광(S)을 물체(A)에 조사하였을 경우 상기 슬릿 광(S)이 물체(A)의 굴곡 정도에 따라 휘어져 슬릿 무늬(S')를 형성하는 것을 나타낸 것이다.

상기 슬릿 광(S)의 수를 늘려 많은 수의 슬릿 무늬(S')를 형성하여 이에 대한 영상을 얻은한 후, 상기 슬릿 무늬(S')의 휘어짐 정도를 검출하면 3차원 영상을 구현할 수 있게 된다.

이때, 3차원으로 구현되는 영상의 정밀도는 상기 슬릿 광(S)의 수에 비례하게 된다.

도8a는 주기적인 구조를 갖는 슬릿 광을 나타낸 것이고, 도8b는 석고상에 상기 슬릿 광을 조사하였을 시, 석고상의 굴곡 정도에 대응하여 각기 다른 굴곡을 갖는 슬릿 무늬가 형성된 2차원 영상을 나타낸 것이다. 도8d는 구현된 3차원 영상을 나타낸 것이다.

따라서, 도6에서 도시되는 바와 같이, 콜리메이팅 렌즈(141b)와 프로젝션 렌즈(141b)를 통해 광원(141a)에서 출력된 레이저광을 슬릿 광으로 변화시켜 습판(11)에 조사하게 되면 상기 습판(11)에는 그 굴곡 정도에 따라 휘어짐이 각기 다른 슬릿 무늬가 형성되게 되고, 상기 슬릿 무늬가 형성된 습판을 줌렌즈(142c)와 초점렌즈(142b)를 거쳐 CCD 카메라(142a)에서 촬영하면 슬릿 무늬가 형성된 습판의 2차원 영상을 얻게 된다.

그러면, 상기 CCD 카메라(142a)를 통해 촬영한 영상을 제1제어부(150)에서 입력받아 슬릿 무늬의 휘어짐 정도를 검출하여 상기 휘어짐 정도에 따른 3차원 영상을 구현하면, 원래의 팬터그래프 습판(11)과 동일한 3차원 영상을 얻게 된다.

이때, 슬릿 무늬의 휘어짐 정도를 판단할 경우에는 CCD 카메라(142a)를 이루는 각 셀의 수를 이용하여 판단한다. 광학 카메라일 경우에는 2차원 영상을 다수개의 영역으로 나눈 후 상기 각 영역(셀)에 걸쳐있는 슬릿 무늬를 검출하여 산출하게 된다.

즉, 상기 차량인식단계(S10)를 수행하여 열차(T)가 진입하는 지의 여부를 판다하다가 열차가 진입된 것으로 판단되면, 상기 팬터그래프위치검출부(130)를 통해 팬터그래프(10)의 위치를 검출한 후, 슬릿광발생부(141)와 영상획득부(142)를 동작시켜 슬릿 무늬가 조사된 습판(11)의 2차원 영상을 촬영하는 것으로, 상기 슬릿 무늬가 형성된 습판(11)의 2차원 영상을 획득하게 되면 그 영상에 나타낸 슬릿 무늬의 굴곡 정도를 산출하여 3차원의 습판 영상을 구현하게 되는 것이다.

도9a는 슬릿 광에 의해 슬릿 무늬가 형성된 습판의 실제 영상을 나타낸 것이며, 도9b는 상기 영상에 형성된 슬릿 무늬의 휘어짐 정도를 검출하여 형성한 습판의 3차원 영상을 나타낸 것이다.

2. 무아레 무늬를 이용하는 방법

주지하다시피 무아레 무늬란, 2종류 이상의 무늬를 겹칠 때 생기는 새로운 무늬를 말하는 것으로, 이를 이용하면 변위 측정이나 변형 측정을 할 수 있음은 물론, 3차원 물체의 형상 등을 측정을 할 수 있다(새도우(SHADOW) 무아레 기법, 무아레 포토그래피).

이러한 방법은, 첫째, 3차원 물체의 형상, 변형을 측정할 수 있고, 둘째, 10 마이크로 미터의 고정밀도 측정이 가능하고, 셋째, 특수한 광학 부품을 사용하지 않아 측정이 용이하며, 넷째, 운동 물체의 계측이 용이하다는 특징을 가지고 있다.

무아레 무늬는, 슬릿 광에 의해 형성되는 슬릿 무늬와, 상기 슬릿 무늬와 간섭을 일으켜 무아레 무늬를 형성하는 격자를 통해 이루어지는데, 상기 무아레 무늬를 이루는 등고선은 높이를 나타내는 데이터가 된다.

상술한 "슬릿 무늬를 이용하는 방법"과 "무아레 무늬를 이용하는 방법"의 가장 큰 차이점은, 슬릿 광의 조사로 인해 형성된 슬릿 무늬가 있는 습판 영상을 촬영할 시 무아레 무늬 형성을 위한 격자를 사용할 것인지의 여부에 있다.

즉, 슬릿 무늬가 형성된 습판 영상을 CCD 카메라(141a)로 바로 촬영하면 "슬릿 무늬를 이용한 방법"이 되고, CCD 카메라로 촬영시 격자를 통해 촬영하면 "무아레 무늬를 이용한 방법"이 된다.

따라서, 무아레 무늬를 이용하여 3차원 영상을 구현하기 위한 영상촬영부(140)의 구성은, 도10에서 도시되는 바와 같이, 줌렌즈(142c)와 초점렌즈(142b) 사이에 무아레 무늬 형성을 위한 격자(142d)를 삽입하면 된다.

즉, 빛을 발생하는 광원(141a)과, 상기 광원 전방에 설치되어, 상기 광원(141a)에서 발생된 빛을 원하는 크기의 점광원(點光源)으로 변형하는 콜리메이팅 렌즈(141b)와, 상기 콜리메이팅 렌즈(141b) 전방에 설치되어, 상기 콜리메이팅 렌즈(141b)에서 발생되는 점광원을 원하는 개수의 슬릿 광으로 변형하여 팬터그래프 습판(11)에 주사하는 프로젝션 렌즈(141c)로 슬릿광발생부(141)를 구성하고;

팬터그래프 습판의 영상을 원하는 크기로 변형하는 줌렌즈(142c)와, 상기 줌렌즈(142c)를 통과한 영상의 초점을 조절하여 정확한 영상이 맺히도록 하는 초점렌즈(142b)와, 상기 초점렌즈(142b)와 줌렌즈(142c) 사이에 장착되어 무아레 무늬를 형성하는 격자(142d)와, 상기 초점렌즈(142b)를 통과한 영상을 입력받아 출력하는 CCD 카메라(142a)로 영상획득부(142)를 구성한다.

도10에 있어서 도면 부호는, 도6과 같은 구조 및 기능을 하는 요소를 동일한 부호를 사용하여 표기하였다.

그러면, 상기 슬릿 광이 조사되어 슬릿 무늬가 형성된 습판(11)의 영상을 줌렌즈(142c)와 격자(142d) 및 초점렌즈(142b)를 통해 CCD 카메라(142a)에서 촬영하게 되는 것으로, 이로 인해 무아레 무늬가 형성된 습판(11)의 2차원 영상을 얻게 된다.

제1제어부(150)는 상기의 과정에서 얻은 2차원 영상에 형성된 무아레 무늬를 분석하여 3차원 영상을 구현하게 된다.

즉, 무아레 무늬의 크로싱 간격(등고선)을 바로 높이 데이터로 환산하여 습판(11)의 3차원 영상을 얻게 된다.

이를 도8을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

주지하다시피, 주기적인 구조를 갖는 슬릿 광(도8a)을 3차원 물체에 조사하게 되면 상기 슬릿 광은 3차원 물체의 굴곡에 따라 휘어지게 되어 슬릿 무늬를 형성하게 된다(도8b).

이후, 주기적인 구조를 갖는 격자(142d)를 상기 슬릿 무늬에 겹치게 되면 간섭에 의해 무아레 무늬가 형성되게 된다.

즉, 상기 슬릿 무늬가 형성된 영상을 격자(142d)를 통해 촬영하게 되면 무아레 무늬가 형성된 영상을 얻게 된다(도8c).

도8b와 도8c에서 보는 바와 같이, 슬릿 무늬만 형성된 영상(도8b)에서는 높이에 대한 데이터가 슬릿 무늬의 휘어짐 정도로 나타나지만, 무아레 무늬가 형성된 영상(도8c)에서는 높이에 대한 데이터가 간섭 광으로 이루어진 등고선으로 나타낸다.

따라서, 무아레 무늬의 크로싱 간격을 검출하여 3차원 영상을 구현하게 된다(도8d).

이때, 3차원으로 구현되는 영상의 정밀도는, 상기 슬릿 광의 수와 격자(142d)의 굵기와 간격에 비례하게 된다.

따라서, 도10에서 도시되는 바와 같이, 콜리메이팅 렌즈(141b)와 프로젝션 렌즈(141b)를 통해 광원(141a)에서 출력된 레이저빔을 슬릿 광으로 변형시켜 습판(11)에 조사하게 되면 상기 습판(11)에는 그 굴곡 정도에 따라 휘어짐이 각기 다른 슬릿 무늬가 형성되게 되고, 상기 슬릿 무늬가 형성된 습판을 줌렌즈(142c)와 격자(142d) 및 초점렌즈(142b)를 거쳐 CCD 카메라(142a)에서 촬영하면 무아레 무늬가 형성된 습판의 2차원 영상을 얻게 된다.

그러면, 상기 CCD 카메라(142a)를 통해 촬영한 영상을 제1제어부(150)에서 입력받아 무아레 무늬의 크로싱 간격을 검출하여 이를 높이 데이터로 환산하여 이에 따른 3차원 영상을 구현하면, 원래의 팬터그래프 습판(11)과 동일한 3차원 영상을 얻게 된다.

3. 스테레오 영상 촬영을 이용하는 방법

주지하다시피, 스테레오 영상 촬영 방법이란, 2대 이상의 카메라(통상적으로 2대 사용)를 이용하여 동일한 물체를 각기 다른 각도에서 촬영한 후, 상기 각 카메라에서 획득한 영상을 분석하여 3차원 영상을 구현하는 방법이다.

먼저, 영상촬영부(140)를, 도11에서 도시되는 바와 같이, 팬터그래프(10) 상부에 장착되어 상기 팬터그래프 습판(11)의 영상을 각기 다른 각도에서 촬영하는 카메라부(144)와, 상기 팬터그래프(10) 상부에 장착되어 팬터그래프 습판(11)을 조명하는 광원(143)으로 구성한다.

이후, 팬터그래프위치검출부(130)를 통해 팬터그래프(10)의 위치가 검출되면, 상기 제1제어부(150)의 제어신호에 따라 광원(143)를 동작시켜 팬터그래프 습판(11)을 조명하고 CCD 카메라(144a, 144b)를 통해 습판(11)을 각기 다른 위치에서 촬영하게 된다.

이후, 상기 CCD 카메라(144a, 144b)를 통해 검출한 두 개가 영상을 비교하여 3차원 영상을 구현하게 된다.

다시 말해 상기 2개의 CCD 카메라(144a, 144b)를 통해 촬영한 두 개 영상의 촬영 각도로부터 습판(11)의 높이를 산출하여 3차원 영상으로 구현하게 된다.

이때, 3차원으로 구현되는 영상의 정밀도는, 광원의 세기, 촬영 거리, CCD 카메라의 해상도에 따라 달라지게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 습판촬영단계(S20)와 3차원영상구현단계(S30)를 수행하는 방법은 3가지가 있는데, 상기 3가지 방법 중 어느 것을 사용하여도 무방하다.

또한, 팬터그래프 습판의 검측을 영상 통해 수행함으로 인해 단 한번만의 촬영으로 그 영상을 획득할 수 있어 열차가 고속 운행을 하더라도 정확한 검측이 가능해지게 된다.

한편, 상기 3차원영상구현단계(S30)를 수행한 후에는, 상기 3차원영상구현단계(S30)를 수행하여 얻은 3차원 영상으로부터 습판(11)의 마모 정도를 산출하는 마모상태산출단계(S40)와, 상기 마모상태산출단계(S40)를 수행하여 얻은 결과로부터 팬터그래프 습판(11)을 보수해야 할지 또는 교체해야 할지의 여부를 기 입력된 데이터와 비교하여 보수, 또는 교체가 필요한 것으로 판단될 경우에는 이를 나타내는 신호를 발생하는 경보단계(S50)를 순차적으로 수행하게 된다.

즉, 팬터그래프 습판(11)을 3차원 영상으로 구현할 시 산출한 높이데이터와, 기 저장된 습판에 대한 데이터를 비교하여 마모 정도를 산출하고, 상기 마모 정도에 따라 보수, 또는 교체가 필요한지의 여부를 판단한 후, 보수, 또는 교체가 필요할 경우에는 이를 나타내는 신호를 제2제어부(170)에 전송하여 관리자에게 인지시키게 된다.

또한, 상기 경보단계(S50)를 수행한 후에는, 이력관리단계(S60)를 수행하여 상기 각 단계를 수행하여 얻은 차량에 대한 데이터와 습판 검측에 대한 데이터를 데이터베이스화하여 데이터베이스부(180a)에 저장하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 고안 "3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템"은, 특히, 하나 이상의 CCD 카메라를 사용하여 팬터그래프 습판의 영상을 촬영하고, 상기 CCD 카메라를 통해 촬영한 2차원 영상을 3차원 영상으로 구현한 후, 상기 3차원 영상으로 구현된 팬터그래프 습판의 영상으로부터 습판의 마모 상태를 검출하여 그 유지 보수 시기 및 교체시기를 자동으로 알려주고 데이터베이스화하여 이력관리를 수행하며, 타 시스템과의 통신을 수행하여 데이터베이스를 공유함으로써, 팬터그래프 습판 전역에 대한 검측을 빠르고 정확하게 할 수 있고, 열차의 고속 운행 중에도 측정할 수 있음은 물론, 그 검출 및 관리가 용이하여 열차 운행의 안전성 및 운행 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

그러나 상기의 실시예에 있어서는, 2개의 휠 디텍터를 사용하여 차량진입검출부를 구성하였으나 본 고안의 기술적 사상은 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다.

즉, 적외선 센서나 초음파센서, 또는 근접센서 등을 이용하여 상기 차량진입검출부를 구성할 수 있음을 밝혀둔다.

또한, 상기의 실시예에 있어서는 초음파센서를 사용하여 팬터그래프위치검출부를 구성하였으나, 본 고안의 기술적 사상은 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다.

즉, 적외선센서나 레이저빔 등을 사용하여 상기 팬터그래프위치검출부를 구성할 수 있음을 밝혀둔다.

또한, 상기의 실시예에 있어서는 차량진입검출부에서 출력되는 신호와, 차량번호검출부에서 출력되는 신호 및 팬터그래프위치검출부에서 출력되는 신호를 제1제어부에서 수신하여 차량의 진입여부, 차량번호 판독, 팬터그래프위치 검출 기능을 수행하도록 구성하였으나 본 고안의 기술적인 사상은 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다.

즉, 제1제어부에서 수행하는 차량 진입 판단 기능, 차량번호 검출 기능, 팬터그래프 위치 검출 기능을 수행하는 별도의 제어장치를 설치하여 각 구성요소마다 설치하거나, 또는 몇 개의 구성요소를 단위로 설치하여 그 기능을 수행하도록 구성할 수 있다.

또한, 상기의 실시예에 있어서는 제2제어부, 사용자입력부, 데이터베이스부, 청각표시부, 출력부, 통신모듈을 컴퓨터시스템을 사용하여 구성하였으나 본 고안의 기술적 사상은 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다.

즉, 상기 각각의 요소를 별도의 장치를 사용하여 구성할 수 있음을 밝혀둔다.

또한, 상기의 실시예에 있어서는 제1제어부와 제2제어부를 독립적으로 구성하였으나, 이를 하나의 시스템으로 통합하여 구성할 수 있음을 밝혀둔다.

또한, 상기의 실시예에 있어서는 통신모듈 및 인터넷 망을 외부 시스템과의 통신 선로를 구성하였으나 본 고안의 기술적 사상은 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다.

즉, 본 시스템만을 묶는 랜을 구성하거나 또는 무선 통신장치를 통해 통신을 수행하도록 할 수 있음을 밝혀둔다.

또한, 상기의 실시예에 있어서는, 영상촬영부를 하나만 구성하였으나 본 고안은 이에 한정되지 않음을 밝혀둔다.

즉, 영상촬영부를 2개 이상 복수로 사용하여 처리속도를 높이고, 검측 범위를 넓힐 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 고안 "3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템"은, 특히, 팬터그래프 습판의 상태를 3차원 영상으로 이미지화 한 후, 상기 3차원 영상으로부터 팬터그래프 습판의 마모상태를 검출하여 그 유지 보수 시기 및 교체시기를 자동으로 알려주고, 데이터베이스화함으로써, 첫째, 팬터그래프 습판 전역(全域)에 대한 동시 검출이 가능하고, 둘째, 검출 속도가 빠르고, 셋째, 열차의 고속 운행 중에도 그 측정이 가능하고, 넷째, 정확하고, 다섯째, 육안에 의한 상태 측정이 용이하며, 여섯째, 그 검출 및 관리가 용이하도록 하여 열차 운행의 안전성 및 운행 효율을 향상시키기 되는 효과가 있다.

Claims

열차의 진입 여부를 검출하는 차량진입검출부;

진입하는 차량의 번호를 검출하는 차량번호검출부;

팬터그래프의 위치를 검출하는 팬터그래프위치검출부;

팬터그래프 상부에 장착되어 팬터그래프 습판을 촬영하는 하나 이상의 영상촬영부;

연산처리모듈과, 신호처리모듈 및 데이터 저장 모듈을 구비하고, 상기 차량진입검출부와, 차량번호검출부와, 팬터그래프위치검출부와, 영상촬영부 사이에 접속되어, 첫째, 상기 차량진입검출부를 통해 열차의 진입여부를 지속적으로 검출하다가 열차가 진입하는 것으로 판단되면 상기 차량번호검출부를 통해 차량의 번호를 검출하도록 제어하고, 둘째, 상기 팬터그래프위치검출부를 통해 팬터그래프의 위치를 검출하여 상기 영상촬영부를 통해 팬터그래프 습판의 영상을 촬영하도록 제어한 후, 상기 영상촬영부에서 촬영한 팬터그래프 습판의 영상을 3차원 영상으로 구현하여, 상기 3차원으로 구현된 팬터그래프 습판 영상으로부터 팬터그래프 습판의 마모 상태를 검출하는 제1제어부;

상기 제1제어부와 데이터통신을 수행하여 팬터그래프 습판의 마모 상태를 나타내고, 데이터베이스를 운영하여 이력관리를 수행하며, 타 시스템과의 통신을 제어하는 제2제어부;

상기 제2제어부에 접속되어, 팬터그래프 습판의 마모 상태, 검측 일시(日時), 유지 보수 및 교체 일시, 작업자 등에 대한 데이터를 데이터베이스화하여 저장하는 데이터베이스부;

키보드나 키패드, 또는 마우스, 라이트펜 등의 입력장치로 이루어지며, 상기 제2제어부에 접속되어, 상기 제2제어부에 사용자 명령 및 데이터를 입력하는 사용자입력부;

상기 제2제어부에 접속되어, 팬터그래프 습판의 마모 정도, 유지 보수 및 교체시기, 운행불가 상태 등을 청각적으로 나타내는 청각표시부;

상기 제2제어부에 접속되어, 팬터그래프 습판에 대한 정보 및 관련 정보를 시각적으로 나타내는 시각표시부;

상기 제2제어부에 접속되어 팬터그래프 습판 검측 자료나 데이터베이스 자료를 출력하는 출력부;

상기 제2제어부에 접속되어 타 시스템과의 통신을 수행하는 통신모듈; 및,

하나 이상의 CCD 카메라를 사용하여 팬터그래프 습판의 영상을 촬영하고, 상기 CCD 카메라를 통해 촬영한 2차원 영상을 3차원 영상으로 구현한 후, 상기 3차원 영상으로 구현된 팬터그래프 습판의 영상으로부터 습판의 마모 상태를 검출하여 그 유지 보수 시기 및 교체시기를 자동으로 알려주고, 데이터베이스화하여 이력관리를 수행하며, 타 시스템과의 통신을 수행하는 것;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 팬터그래프위치검출부는, 초음파센서, 또는 적외선 센서, 또는 레이저 송수신기 중 어느 하나 이상을 필요에 따라 조합하여 이루어지며, 팬터그래프 상부에 장착되어, 팬터그래프의 위치를 검출함을 특징으로 하는 3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 영상촬영부는, 광원에서 발생한 광(光)을 슬릿 광으로 변화시켜 팬터그래프 습판에 조사하는 슬릿광발생부와, 상기 슬릿 광이 조사된 습판의 영상을 촬영하는 영상획득부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 슬릿광발생부는, 빛을 발생하는 광원과, 상기 광원 전방에 설치되어, 상기 광원에서 발생된 빛을 원하는 크기의 점광원(點光源)으로 변형하는 콜리메이팅 렌즈와, 상기 콜리메이팅 렌즈 전방에 설치되어, 상기 콜리메이팅 렌즈에서 발생되는 점광원을 원하는 개수의 슬릿 광으로 변형하여 팬터그래프 습판에 주사하는 프로젝션 렌즈를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 영상획득부는, 팬터그래프 습판의 영상을 원하는 크기로 변형하는 줌렌즈와, 상기 줌렌즈를 통과한 영상의 초점을 조절하여 정확한 영상이 맺히도록 하는 초점렌즈와, 상기 초점렌즈를 통과한 영상을 입력받아 출력하는 CCD 카메라를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 영상획득부는, 팬터그래프 습판의 영상을 원하는 크기로 변형하는 줌렌즈와, 상기 줌렌즈를 통과한 영상의 초점을 조절하여 정확한 영상이 맺히도록 하는 초점렌즈와, 상기 초점렌즈와 줌렌즈 사이에 장착되어 무아레 무늬를 형성하는 격자와, 상기 초점렌즈를 통과한 영상을 입력받아 출력하는 CCD 카메라를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 영상촬영부는, 일정 거리를 두고 장착된 두 개 이상의 CCD 카메라로 이루어지며, 팬터그래프 습판 상부에 장착되어, 상기 팬터그래프 습판의 영상을 각기 다른 각도에서 촬영하는 카메라부와, 팬터그래프 상부에 장착되어 팬터그래프 습판을 조명하여 광원을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 사용자입력부와, 제2제어부와, 데이터베이스부와, 청각표시부와, 시각표시부는, 입력장치와, 출력장치와, 연산장치와, 데이터기록장치가 구비된 컴퓨터 시스템으로 구성됨을 특징으로 하는 3차원 영상을 이용한 열차 팬터그래프 습판 자동측정시스템.