KR20120043502A - 구조물 변위 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

구조물 변위 측정 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

구조물 변위 측정 시스템 및 방법이 제공된다. 본 구조물 변위 측정 시스템은, 제1 레이저 조사기에서 조사된 레이저 빔이 제2 스크린 내부에 조사되도록 제1 레이저 조사기의 조사각을 제어하고, 제2 레이저 조사기에서 조사된 레이저 빔이 제1 스크린 내부에 조사되도록 제2 레이저 조사기의 조사각을 제어하고, 제1 스크린을 촬영하여 생성한 제1 이미지와 제2 스크린을 촬영하여 생성한 제2 이미지를 이용하여 제2 구조물에 대한 제1 구조물의 상대적인 변위를 추정한다. 이에 의해, 구조물 변위 측정을 위해 조사하는 레이저들의 방향을 제어하여 포인트 위치들을 스크린 내부로 조정할 수 있게 되어, 어떠한 외부 상황에서도 구조물의 변위 측정이 항상 가능해진다.

Description

구조물 변위 측정 시스템 및 방법{Structure Deformation Measurement System and method}
본 발명은 구조물 변위 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 거대 구조물의 변위를 측정할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
토목 또는 건축 구조물은 교통, 지진, 돌풍 등과 같은 외부 하중에 노출된다. 따라서, 토목 또는 건축 구조물의 경우 합리적이고 정확한 설계 시공도 중요하지만, 구조물의 사용성을 최적의 상태로 유지하고 구조물의 수명을 연장시키기 위해서는 적절한 유지관리 업무가 매우 중요하다. 특히 최근에 고층빌딩과 장대 교량과 같은 거대 구조물이 증가함에 따라 구조물 안전 진단 시스템(Structural Health Monitoring System)의 중요성이 더욱 커졌다. 이러한 구조물 안전 진단 시스템은 교량, 건물 등과 같은 구조물의 동적 거동 상황을 측정, 분석 및 진단하여 구조물의 안정성을 향상시킬 수 있다. 구조물 안전 진단 시스템은 구조물 손상 식별 방법, 데이터 획득 및 전송 방법 등과 같은 많은 기술들을 필요로 한다.
통상적으로 구조물 안전 진단 시스템은 구조물 변위를 측정하기 위해 경사계, 가속도 센서, 스트레인 게이지, PZT 센서 등을 사용한다. 변위의 측정은 매우 중요함에도 불구하고 구조물의 거대한 크기와 접근의 어려움 때문에 많이 연구되지 않았다. 구조물 변위 측정에 주로 사용된 방법 중 하나는 직선형 가변 차동 변압기(Linear Variable Differential Transformer, LVDT), 하부에 안정적인 기준점(reference point)을 필요로 하는 접촉 형태의 센서를 사용하는 것이다. 그러나, 이러한 접촉 형태의 센서는 하부에 외부에서 관측하는 기준점을 필요로 하므로 실용적이지 않다.
비전(vision)을 이용한 변위 측정 방식 또한 활발히 연구되고 있는 분야 중 하나이다. 현재 개발된 대부분의 비전 방식은 측정하고자 하는 구조물에 타깃을 설치하고 원거리의 기준점에서 고성능 카메라를 이용하여 타깃의 움직임을 관찰하는 방식으로서 이 방식 역시 기준점을 필요로 하고 타깃과 카메라 사이의 거리가 멀기 때문에 날씨에 영향을 많이 받아 측정이 어렵다는 문제가 있다.
따라서, 기준점이 필요 없으며 날씨, 조도와 같은 외부 환경 변화에 강인한 비전 및 레이저 기반의 이동 로봇 장치 및 방법의 필요성이 커지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 구조물 변위 측정을 위해 조사하는 레이저들의 방향을 제어하여 포인트 위치들을 스크린 내부로 조정할 수 있는 구조물 변위 측정 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 초기 옵셋 교정에 의거, 보다 정확한 구조물 변위 측정이 가능한 구조물 변위 측정 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 구조물 변위 측정 시스템은, 제1 구조물에 설치되며, 제2 구조물에 부착된 제2 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제1 레이저 조사기; 상기 제2 구조물에 설치되며, 상기 제1 구조물에 부착된 제1 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제2 레이저 조사기; 상기 제1 스크린을 촬영하여 제1 이미지를 생성하는 제1 카메라; 상기 제2 스크린을 촬영하여 제2 이미지를 생성하는 제2 카메라; 및 상기 제1 레이저 조사기에서 조사된 레이저 빔이 상기 제2 스크린 내부에 조사되도록 상기 제1 레이저 조사기의 조사각을 제어하고, 상기 제2 레이저 조사기에서 조사된 레이저 빔이 상기 제1 스크린 내부에 조사되도록 상기 제2 레이저 조사기의 조사각을 제어하고, 상기 제1 이미지 및 상기 제2 이미지를 이용하여 상기 제2 구조물에 대한 상기 제1 구조물의 상대적인 변위를 추정하는 제어 모듈;을 포함한다.
상기 제어 모듈은, 초기 옵셋 교정을 위한 교정 행렬을 이용하여, 상기 추정단계에서 추정된 변위를 교정하는 것이 바람직하다.
상기 제어 모듈은, 상기 제1 이미지에서 상기 제1 스크린을 검출하고, 상기 제2 이미지에서 상기 제2 스크린을 검출하며, 검출된 상기 제1 스크린에서 상기 제1 레이저 조사기에 의한 복수의 레이저 포인트를 검출하고, 검출된 상기 제2 스크린에서 상기 제2 레이저 조사기에 의한 레이저 포인트를 검출하며, 상기 복수의 레이저 포인트의 위치, 상기 제1 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제1 스크린의 좌표계를 상기 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제1 운동 방정식을 생성하고, 상기 레이저 포인트의 위치, 상기 제2 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제2 스크린의 좌표계를 상기 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제2 운동 방정식을 생성하며, 상기 제1 운동 방정식과 상기 제2 운동 방정식을 이용하여, 상기 변위를 추정하는 것이 바람직하다.
상기 제어 모듈은, 상기 제1 운동 방정식과 상기 제2 운동 방정식을 뉴튼-랩슨 기법 또는 EKF(Extended Kalman Filtering) 기법과 같은 반복 계산법에 적용하여 상기 변위를 추정할 수 있다.
상기 제어 모듈은, 상기 제1 레이저 조사기에 의해 상기 제2 스크린에 맺힌 레이저 포인트와 제1 타겟 포인트 간의 위치차가 최소화하는 제1 레이저 조사각을 계산하여, 상기 제1 레이저 조사각에 따라 상기 제1 레이저 조사기의 레이저 조사각을 제어하고, 상기 제2 레이저 조사기에 의해 상기 제1 스크린에 맺힌 레이저 포인트와 제2 타겟 포인트 간의 위치차가 최소화하는 제2 레이저 조사각을 계산하여, 상기 제2 레이저 조사각에 따라 상기 제2 레이저 조사기의 레이저 조사각을 제어하는 것이 바람직하다.
상기 제1 레이저 조사기는, 상기 제2 스크린으로 2개의 레이저 빔을 조사하고, 상기 제2 레이저 조사기는, 상기 제1 스크린으로 1개의 레이저 빔을 조사할 수 있다.
상기 제어 모듈은, 상기 제1 레이저 조사기에 의한 2개의 레이저 포인트들의 중심이 상기 제2 스크린의 제2 타겟 포인트에 맺히도록 제어하고, 상기 제2 레이저 조사기에 의한 레이저 포인트가 상기 제1 스크린의 제1 타겟 포인트에 맺히도록 제어하는 것이 바람직하다.
상기 제1 타겟 포인트는 상기 제1 스크린의 중앙이고, 상기 제2 타겟 포인트는 상기 제2 스크린의 중앙일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른, 구조물 변위 측정 방법은, 제1 구조물에 설치된 제1 레이저 조사기에서 제2 구조물에 부착된 제2 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제1 조사단계; 상기 제2 구조물에 설치된 제2 레이저 조사기에서 상기 제1 구조물에 부착된 제1 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제2 조사단계; 상기 제1 레이저 조사기에서 조사된 레이저 빔이 상기 제2 스크린 내부에 조사되도록 상기 제1 레이저 조사기의 조사각을 제어하는 제1 제어단계; 상기 제2 레이저 조사기에서 조사된 레이저 빔이 상기 제1 스크린 내부에 조사되도록 상기 제2 레이저 조사기의 조사각을 제어하는 제2 제어단계; 상기 제1 스크린을 촬영하여 제1 이미지를 생성하는 제1 생성단계; 상기 제2 스크린을 촬영하여 제2 이미지를 생성하는 제2 생성단계; 및 상기 제1 이미지 및 상기 제2 이미지를 이용하여, 상기 제2 구조물에 대한 상기 제1 구조물의 상대적인 변위를 추정하는 단계;를 포함한다.
그리고, 본 구조물 변위 측정 방법은, 초기 옵셋 교정을 위한 교정 행렬을 이용하여, 상기 추정단계에서 추정된 변위를 교정하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 추정단계는, 상기 제1 이미지에서 상기 제1 스크린을 검출하는 단계; 상기 제2 이미지에서 상기 제2 스크린을 검출하는 단계; 검출된 상기 제1 스크린에서 상기 제1 레이저 조사기에 의한 복수의 레이저 포인트를 검출하는 단계; 검출된 상기 제2 스크린에서 상기 제2 레이저 조사기에 의한 레이저 포인트를 검출하는 단계; 상기 복수의 레이저 포인트의 위치, 상기 제1 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제1 스크린의 좌표계를 상기 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제1 운동 방정식을 생성하는 단계; 상기 레이저 포인트의 위치, 상기 제2 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제2 스크린의 좌표계를 상기 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제2 운동 방정식을 생성하는 단계; 및 상기 제1 운동 방정식과 상기 제2 운동 방정식을 이용하여, 상기 변위를 추정하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 변위를 추정하는 단계는, 상기 제1 운동 방정식과 상기 제2 운동 방정식을 뉴튼-랩슨 기법 또는 EKF(Extended Kalman Filtering) 기법과 같은 반복 계산법에 적용하여 상기 변위를 추정할 수 있다.
상기 제1 제어단계는, 상기 제1 레이저 조사기에 의해 상기 제2 스크린에 맺힌 레이저 포인트와 제1 타겟 포인트 간의 위치차가 최소화하는 제1 레이저 조사각을 계산하는 단계; 및 계산된 상기 제1 레이저 조사각에 따라 상기 제1 레이저 조사기의 레이저 조사각을 제어하는 단계;를 포함하고, 상기 제2 제어단계는, 상기 제2 레이저 조사기에 의해 상기 제1 스크린에 맺힌 레이저 포인트와 제2 타겟 포인트 간의 위치차가 최소화하는 제2 레이저 조사각을 계산하는 단계; 및 계산된 상기 제2 레이저 조사각에 따라 상기 제2 레이저 조사기의 레이저 조사각을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 조사단계는, 상기 제1 레이저 조사기에서 상기 제2 스크린으로 2개의 레이저 빔을 조사하고, 상기 제2 조사단계는, 상기 제2 레이저 조사기에서 상기 제1 스크린으로 1개의 레이저 빔을 조사할 수 있다.
상기 제1 제어단계는, 상기 제1 레이저 조사기에 의한 2개의 레이저 포인트들의 중심이 상기 제2 스크린의 제2 타겟 포인트에 맺히도록 제어하고, 상기 제2 제어단계는, 상기 제2 레이저 조사기에 의한 레이저 포인트가 상기 제1 스크린의 제1 타겟 포인트에 맺히도록 제어할 수 있다.
상기 제1 타겟 포인트는 상기 제1 스크린의 중앙이고, 상기 제2 타겟 포인트는 상기 제2 스크린의 중앙일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른, 구조물 변위 제어 시스템은, 제1 구조물에 설치되며, 제2 구조물에 부착된 제2 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제1 레이저 조사기; 상기 제2 구조물에 설치되며, 상기 제1 구조물에 부착된 제1 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제2 레이저 조사기; 상기 제1 스크린을 촬영하여 제1 이미지를 생성하는 제1 카메라; 상기 제2 스크린을 촬영하여 제2 이미지를 생성하는 제2 카메라; 및 상기 제1 이미지에서 상기 제1 레이저 조사기에 의한 복수의 레이저 포인트를 검출하고, 상기 복수의 레이저 포인트의 위치, 상기 제1 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제1 스크린의 좌표계를 상기 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제1 운동 방정식을 생성하고, 상기 제2 이미지에서 상기 제2 레이저 조사기에 의한 레이저 포인트를 검출하며, 상기 레이저 포인트의 위치, 상기 제2 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제2 스크린의 좌표계를 상기 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제2 운동 방정식을 생성하며, 상기 제1 운동 방정식과 상기 제2 운동 방정식을 이용하여 상기 제2 구조물에 대한 상기 제1 구조물의 상대적인 변위를 추정하는 제어 모듈;을 포함한다.
상기 제어 모듈은, 초기 옵셋 교정을 위한 교정 행렬을 이용하여, 상기 추정단계에서 추정된 변위를 교정하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른, 구조물 변위 제어 방법은, 제1 구조물에 설치된 제1 레이저 조사기에서 제2 구조물에 부착된 제2 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제1 조사단계; 상기 제2 구조물에 설치된 제2 레이저 조사기에서 상기 제1 구조물에 부착된 제1 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제2 조사단계; 상기 제1 스크린을 촬영하여 제1 이미지를 생성하는 제1 생성단계; 상기 제2 스크린을 촬영하여 제2 이미지를 생성하는 제2 생성단계; 상기 제1 이미지에서 상기 제1 레이저 조사기에 의한 복수의 레이저 포인트를 검출하는 단계; 상기 복수의 레이저 포인트의 위치, 상기 제1 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제1 스크린의 좌표계를 상기 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제1 운동 방정식을 생성하는 단계; 상기 제2 이미지에서 상기 제2 레이저 조사기에 의한 레이저 포인트를 검출하는 단계; 상기 레이저 포인트의 위치, 상기 제2 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제2 스크린의 좌표계를 상기 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제2 운동 방정식을 생성하는 단계; 및 상기 제1 운동 방정식과 상기 제2 운동 방정식을 이용하여 상기 제2 구조물에 대한 상기 제1 구조물의 상대적인 변위를 추정하는 단계;를 포함한다.
본 구조물 변위 제어 방법은, 초기 옵셋 교정을 위한 교정 행렬을 이용하여, 상기 추정단계에서 추정된 변위를 교정하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에는, 제1 구조물에 설치된 제1 레이저 조사기에서 제2 구조물에 부착된 제2 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제1 조사단계; 상기 제2 구조물에 설치된 제2 레이저 조사기에서 상기 제1 구조물에 부착된 제1 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제2 조사단계; 상기 제1 레이저 조사기에서 조사된 레이저 빔이 상기 제2 스크린 내부에 조사되도록 상기 제1 레이저 조사기의 조사각을 제어하는 제1 제어단계; 상기 제2 레이저 조사기에서 조사된 레이저 빔이 상기 제1 스크린 내부에 조사되도록 상기 제2 레이저 조사기의 조사각을 제어하는 제2 제어단계; 상기 제1 스크린을 촬영하여 제1 이미지를 생성하는 제1 생성단계; 상기 제2 스크린을 촬영하여 제2 이미지를 생성하는 제2 생성단계; 및 상기 제1 이미지, 상기 제1 레이저 조사기의 조사각, 상기 제2 이미지 및 상기 제2 레이저 조사기의 조사각을 이용하여, 상기 제2 구조물에 대한 상기 제1 구조물의 상대적인 변위를 추정하는 단계;를 수행할 수 있는 프로그램이 수록된다.
한편, 본 발명에 따른, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에는, 제1 구조물에 설치된 제1 레이저 조사기에서 제2 구조물에 부착된 제2 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제1 조사단계; 상기 제2 구조물에 설치된 제2 레이저 조사기에서 상기 제1 구조물에 부착된 제1 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제2 조사단계; 상기 제1 스크린을 촬영하여 제1 이미지를 생성하는 제1 생성단계; 상기 제2 스크린을 촬영하여 제2 이미지를 생성하는 제2 생성단계; 상기 제1 이미지에서 상기 제1 레이저 조사기에 의한 복수의 레이저 포인트를 검출하는 단계; 상기 복수의 레이저 포인트의 위치, 상기 제1 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제1 스크린의 좌표계를 상기 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제1 운동 방정식을 생성하는 단계; 상기 제2 이미지에서 상기 제2 레이저 조사기에 의한 레이저 포인트를 검출하는 단계; 상기 레이저 포인트의 위치, 상기 제2 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제2 스크린의 좌표계를 상기 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제2 운동 방정식을 생성하는 단계; 및 상기 제1 운동 방정식과 상기 제2 운동 방정식을 이용하여 상기 제2 구조물에 대한 상기 제1 구조물의 상대적인 변위를 추정하는 단계;를 수행할 수 있는 프로그램이 수록된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 구조물 변위 측정을 위해 조사하는 레이저들의 방향을 제어하여 포인트 위치들을 스크린 내부로 조정할 수 있게 되어, 어떠한 외부 상황에서도 구조물의 변위 측정이 항상 가능해진다.
또한, 초기 옵셋 교정에 의거, 보다 정확한 구조물 상대 변위 측정이 가능해진다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따르면, 스크린과 카메라의 간격을 짧게 할 수 있어, 기존의 비전 방식과 달리 외부의 환경에 영향을 거의 받지 않게 된다.
도 1은 레이저 자세 고정형 구조물 변위 측정 시스템의 개념을 도시한 도면,
도 2는 레이저 자세 고정형 구조물 변위 측정 시스템의 상세 블럭도,
도 3은 초기 옵셋 교정의 효과를 보여주는 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면,
도 4는 레이저 자세 제어형 구조물 변위 측정 시스템의 개념을 도시한 도면,
도 5는 레이저 조사기-A를 상세히 도시한 도면,
도 6은 레이저 자세 제어형 구조물 변위 측정 시스템의 상세 블럭도,
도 7 내지 도 11는, 도 4에 도시된 제어형 구조물 변위 측정 시스템의 구조물 변위를 측정 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면들, 그리고,
도 12 및 도 13은, 제어형 구조물 변위 측정 시스템과 고정형 구조물 변위 측정 시스템을 비교할 수 있는 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면들이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
1. 레이저 자세 "고정형" 구조물 변위 측정 시스템
도 1은 레이저 자세 고정형 구조물 변위 측정 시스템의 개념을 도시한 도면이다. 레이저 자세 "고정형" 구조물 변위 측정 시스템이란, 구조물 변위 측정을 위해 스크린으로 조사하는 레이저의 방향이 고정된 시스템으로, 이하에서는 표기와 설명의 편의를 위해, "고정형 구조물 변위 측정 시스템"으로 약칭하겠다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고정형 구조물 변위 측정 시스템은, 측정 모듈-A(110), 측정 모듈-B(120) 및 연산 모듈(미도시)을 구비한다. 측정 모듈-A(110)는 구조물-A(미도시)에 설치되고, 측정 모듈-B(120)는 구조물-B(미도시)에 설치된다.
측정 모듈-A(110)는 스크린-A(111), 레이저 조사기-A(113) 및 카메라-A(115)를 구비하고, 측정 모듈-B(120)는 스크린-B(121), 레이저 조사기-B(123) 및 카메라-B(125)를 구비한다.
레이저 조사기-A(113)는 스크린-B(121)로 평행한 한 쌍의 레이저 빔을 조사한다. 이에 따라, 구조물-B에 부착된 스크린-B(121)에는 한 쌍의 레이저 포인트가 맺히게 된다. 카메라-B(125)는 스크린-B(121)를 촬영하여 생성한 이미지-B를 연산 모듈로 전달한다.
레이저 조사기-B(123)는 스크린-A(111)로 하나의 레이저 빔을 조사한다. 이에 따라, 구조물-A에 부착된 스크린-A(111)에는 하나의 레이저 포인트가 맺히게 된다. 카메라-A(115)는 스크린-A(111)를 촬영하여 생성한 이미지-A를 연산 모듈로 전달한다.
연산 모듈은 '카메라-A(115)로부터 전달받은 이미지-A'와 '카메라-B(125)로부터 전달받은 이미지-B'를 이용하여, 구조물 변위를 추정한다. 여기서, '구조물 변위'는 상대적인 변위로, 물리적으로는 구조물-B에 부착된 스크린-B(121)의 좌표계 ΣB을 기준으로 한 구조물-A에 부착된 스크린-A(111)의 좌표계 ΣA를 의미한다.
구조물 변위 p는 [x,y,z,θ,φ,ψ]로 표현가능하다. 여기서,
1) x는 스크린-B(121)로부터 스크린-A(111)로 x 방향의 선형 변위,
2) y는 스크린-B(121)로부터 스크린-A(111)로 y 방향의 선형 변위,
3) z는 스크린-B(121)로부터 스크린-A(111)로 z 방향의 선형 변위,
4) θ는 스크린-B(121)의 x 좌표축을 기준으로 한 스크린-A(111)의 x 좌표축의 회전 변위,
5) φ는 스크린-B(121)의 y 좌표축을 기준으로 한 스크린-A(111)의 y 좌표축의 회전 변위, 그리고,
6) ψ는 스크린-B(121)의 z 좌표축을 기준으로 한 스크린-A(111)의 z 좌표축의 회전 변위이다.
이하에서는, 이미지-A와 이미지-B를 이용하여 구조물 변위 p=[x,y,z,θ,φ,ψ]를 추정하는 연산 모듈에 대해, 도 2를 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는 연산 모듈의 상세 블럭도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연산 모듈(200)은 이미지 보정부(210), 스크린 검출부(220), 레이저 포인트 검출부(230), 변위 추정부(240)를 구비한다.
이미지 보정부(210)는 카메라-A(115)로부터 전달받은 이미지-A에 부가되어 있는 왜곡을 보정하여 제거한다. 카메라-B(125)로부터 전달받은 이미지-B에 대해서도 마찬가지로, 이미지 보정부(210)는 왜곡을 보정하여 제거한다.
스크린 검출부(220)는 모서리 감지 알고리즘(Corner Detection Algorithm)을 이용하여, 보정된 이미지-A로부터 스크린-A(111)를 검출하고, 보정된 이미지-B로부터 스크린-B(121)를 검출한다.
레이저 포인트 검출부(230)는 검출된 스크린-A(111)에서 투사된 레이저 포인트의 위치 AO를 검출한다. 또한, 레이저 포인트 검출부(230)는 검출된 스크린-B(121)에서 투사된 2개의 레이저 포인트의 위치 BO와 BY를 검출한다.
변위 추정부(240)는 레이저 포인트 검출부(230)에 의해 검출된 레이저 포인트 3개의 위치들 AO, BO 및 BY를 이용하여 구조물 변위 p=[x,y,z,θ,φ,ψ]를 추정한다.
2. 구조물 변위 추정 과정
이하에서는, 변위 추정부(240)가 구조물 변위 p=[x,y,z,θ,φ,ψ]를 추정하는 과정에 대해 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바를 참고하여, 레이저 포인트 위치들 m=[AO,BO,BY]T과 구조물 변위 p=[x,y,z,θ,φ,ψ]T 간의 기하학적 관계를 나타내는 운동 방정식(Kinematic Equation)을 도출할 수 있다.
이를 위해, 스크린-B(121)의 좌표계 ΣB로부터 스크린-A(111)의 좌표계 ΣA로 좌표를 변환하는 변환 행렬 ATB 이 필요한데, 이는 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure pat00001
여기서, T(x,y,z)는 x, y 및 z축에 대한 이동 행렬(Translation Matrix)이고, R(x,θ)은 x축에 대한 회전 행렬(Rotation Matrix)이며, R(y,φ)은 y축에 대한 회전 행렬이고, R(z,ψ)은 z축에 대한 회전 행렬이다.
스크린-A(111)에 맺힌 레이저 포인트의 위치 AO는 변환 행렬 ATB를 이용하여, 아래의 수학식 2에 따라 산출가능하다.
Figure pat00002
여기서, [0, L]은 스크린-B(121)에서 레이저 조사기-B(123)의 x 좌표와 y 좌표를 의미한다. 그리고, ZBA는 스크린-B(121)로부터 스크린-A(111)까지의 거리를 의미한다.
수학식 2와 동일한 방법으로, BO 및 BY도 산출가능하다. 한편, 스크린-A(111)과 스크린-B(121)는 xy 평면이므로 z 좌표는 0이다. 따라서, 스크린-A(111) 또는 스크린-B(121)에 맺히는 레이저 포인트들의 z 좌표는 0이다.
산출된 레이저 포인트들의 위치들 AO, BO 및 BY를 x 좌표와 y 좌표에 대해 각각 구분하면, 아래의 수학식 3과 같은 운동 방정식을 도출할 수 있다.
Figure pat00003
여기서, sθ는 sinθ, cθ는 cosθ, AOx는 AO의 x 좌표, AOy는 AO의 y 좌표, BOx는 BO의 x 좌표, BOy는 BO의 y 좌표, AYx는 AY의 x 좌표, AYy는 AY의 y 좌표를 나타낸다.
수학식 3에 나타난 운동방정식 M을 이용하여 아래의 수학식 4에 나타낸 뉴튼-랩슨 기법(Newton-Raphson Method)을 반복 적용하면, 변위 p=[x,y,z,θ,φ,ψ]를 추정하는 것이 가능하다.
Figure pat00004
여기서, Jp(= ∂M/∂p)는 운동방정식 M의 야코비안(야코비 함수 : Jacobian)이고, J+ p 는 야코비안의 의사 역행렬(pseudo-inverse)이며,
Figure pat00005
는 M에 의해 추정된 레이저 포인트 위치들을 의미하며, m(k)는 실제 관측된 레이저 포인트 위치들을 의미한다.
위에서는 변위 p를 추정하기 위해 뉴튼-랩슨 기법을 이용하였으나, 이는 하나의 구현 예에 불과하므로 다른 반복 계산 기법을 이용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 수학식 3에 나타난 운동방정식 M을 EKF(Extended Kalman Filtering) 기법에 적용하여 변위 p=[x,y,z,θ,φ,ψ]를 추정하는 것도 가능하다.
3. 초기 옵셋 교정( Calibration of initial offset )
이하에서는, 지금까지 설명한 고정형 구조물 변위 측정 시스템과 후술할 제어형 구조물 변위 측정 시스템에서, 초기 변위(Initial Deformation)에 의한 옵셋을 교정하는 방법에 대해 상세히 설명한다.
초기 옵셋 교정을 위해, 먼저 초기 변위 p0=[x0,y0,z0,θ0,φ0,ψ0]T를 계산하고, 이를 이용하여 교정 행렬(Calibration Matrix)을 생성하는데, 교정 행렬 ATcal은 아래의 수학식 5와 같다.
Figure pat00006
여기서, T(x, y, z)은 X, Y 및 Z축에 대한 이동 행렬(Translation Matrix)이고, R(x,θ)은 X축에 대한 회전 행렬(Rotation Matrix)이며, R(y,θ)은 Y축에 대한 회전 행렬이고, R(z,ψ)은 z축에 대한 회전 행렬임은 전술한 바 있다.
이후, 아래의 수학식 6과 같이 교정 행렬 ATcal의 역행렬을 변환 행렬 ATB에 곱하여, 교정된 변환 행렬 Tnew를 획득한다.
Figure pat00007
교정된 변환 행렬 Tnew를 이용하면 초기 옵셋이 교정된 변위 pnew를 획득가능하며, 교정된 변위 pnew=[x',y',z',θ',φ',ψ']는 아래의 수학식 7과 같이 Tnew의 원소들을 이용하여 표현가능하다.
Figure pat00008
도 3에는 초기 옵셋 교정의 효과를 보여주는 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 도 3에서 실선은 초기 옵셋을 교정한 경우의 변위 추정 결과이고, 점선은 초기 옵셋을 교정하지 않은 경우의 변위 추정 결과이다.
도 3에 도시된 바에 따르면 실선은 0부터 시작함을 확인할 수 있는데, 이는 초기 옵셋을 교정하였음에 기인한다.
4. 레이저 자세 "제어형" 구조물 변위 측정 시스템
전술한 고정형 구조물 변위 측정 시스템에서 구조물 변위를 추정하기 위한 전제 조건으로 레이저 포인트들이 스크린 내에 존재할 것이 요구된다. 하지만, 환경적 영향으로 인해 레이저 포인트들이 스크린 내로 조사하는 것이 어려울 수 있는 바, 이에 대한 보완이 필요하다.
이하에서는, 2-DOF 구동에 의해 레이저들의 조사방향을 제어하여 포인트 위치들을 조정할 수 있는 구조물 변위 측정 시스템을 제안한다.
도 4는 레이저 자세 제어형 구조물 변위 측정 시스템의 개념을 도시한 도면이다. 레이저 자세 "제어형" 구조물 변위 측정 시스템이란, 구조물 변위 측정을 위해 스크린으로 조사하는 레이저의 방향을 제어하여, 궁극적으로는 스크린에 맺히는 레이저 포인트의 위치를 조정할 수 있는 시스템으로, 이하에서는 표기와 설명의 편의를 위해, "제어형 구조물 변위 측정 시스템"으로 약칭하겠다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제어형 구조물 변위 측정 시스템은, 측정 모듈-A(410), 측정 모듈-B(420) 및 제어 모듈(미도시)을 구비한다. 측정 모듈-A(410)는 구조물-A(미도시)에 설치되고, 측정 모듈-B(420)는 구조물-B(미도시)에 설치된다.
측정 모듈-A(410)는 스크린-A(411), 레이저 조사기-A(413) 및 카메라-A(415)를 구비하고, 측정 모듈-B(420)는 스크린-B(421), 레이저 조사기-B(423) 및 카메라-B(425)를 구비한다.
레이저 조사기-A(413)는 평행한 한 쌍의 레이저 빔을 조사한다. 레이저 조사기-A(413)는 x 축과 z 축을 기준으로 회전가능하다. 도 5의 좌측에는 레이저 조사기-A(413)를 상부에서 바라보면서 도시한 도면이 도시되어 있고, 도 5의 우측에는 레이저 조사기-A(413)를 우측에서 바라보면서 도시한 도면이 도시되어 있다.
레이저 조사기-A(413)는 제어 모듈에 의해 구동 제어된다. 구체적으로, 제어 모듈은 레이저 조사기-A(413)에 의한 한 쌍의 레이저 포인트들의 중심이 구조물-B에 부착된 스크린-B(421) 내의 타겟 포인트-B에 맺히도록, 레이저 조사기-A(413)의 레이저 조사각을 제어한다.
카메라-B(425)는 스크린-B(421)를 촬영하여 생성한 이미지-B를 연산 모듈로 전달한다.
레이저 조사기-B(423)는 하나의 레이저 빔을 조사한다. 레이저 조사기-B(423)도 x 축과 z 축을 기준으로 회전가능하다.
레이저 조사기-B(423)도 제어 모듈에 의해 구동 제어된다. 구체적으로, 제어 모듈은 레이저 조사기-B(423)에 의한 레이저 포인트가 구조물-B에 부착된 스크린-B(421) 내의 타겟 포인트-A에 맺히도록, 레이저 조사기-B(423)의 레이저 조사각을 제어한다.
카메라-A(415)는 스크린-A(411)를 촬영하여 생성한 이미지-A를 연산 모듈로 전달한다.
제어 모듈은 '카메라-A(415)로부터 전달받은 이미지-A'와 '카메라-B(425)로부터 전달받은 이미지-B'를 이용하여, 레이저 조사기들(413, 423)의 레이저 조사각을 제어하고 구조물 변위를 추정한다.
이하에서는, 이미지-A와 이미지-B를 이용하여 레이저 조사각을 제어하고 구조물 변위 p=[x,y,z,θ,φ,ψ]를 추정하는 제어 모듈에 대해, 도 6을 참조하여 상세히 설명한다. 도 6은 제어 모듈의 상세 블럭도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제어 모듈(600)은 이미지 보정부(610), 스크린 검출부(620), 레이저 포인트 검출부(630), 변위 추정부(640), 포인트 위치차 계산부(650), 레이저 조사각 계산부(660), 레이저 조사각 제어부(670), 변환 행렬 생성부(680) 및 교정 행렬 생성부(690)를 구비한다.
이미지 보정부(610), 스크린 검출부(620) 및 레이저 포인트 검출부(630)는 도 2에 도시된 이미지 보정부(210), 스크린 검출부(220) 및 레이저 포인트 검출부(230)와 동일하게 구현해도 무방하므로, 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다.
포인트 위치차 계산부(650)는 레이저 조사기-A(413)에 의한 한 쌍의 레이저 포인트들의 중심과 타겟 포인트-B 간의 위치차를 계산한다. 또한, 포인트 위치차 계산부(650)는 레이저 조사기-B(423)에 의한 레이저 포인트와 타겟 포인트-A 간의 위치차를 계산한다.
여기서, 타겟 포인트-A는 스크린-A의 중앙이고, 타겟 포인트-B는 스크린-B의 중앙이다.
레이저 조사각 계산부(660)는 '레이저 조사기-A(413)에 의한 한 쌍의 레이저 포인트들의 중심'과 '타겟 포인트-B' 간의 위치차를 최소화하는 레이저 조사기-A(413)의 레이저 조사각을 계산한다. 또한, 레이저 조사각 계산부(660)는 '레이저 조사기-B(423)에 의한 레이저 포인트'와 '타겟 포인트-A' 간의 위치차를 최소화하는 레이저 조사기-B(423)의 레이저 조사각을 계산한다.
레이저 조사각 제어부(670)는 레이저 조사각 계산부(660)에 의해 계산된 레이저 조사각에 따라 레이저 조사가 이루어지도록 레이저 조사기-A(413)와 레이저 조사기-B(423)를 각각 제어한다.
변환 행렬 생성부(680)는 레이저 조사기-A(413)에 대한 좌표계ΣA′를 스크린-A의 좌표계 ΣA로 변환하는 변환 행렬 ATA ′를 생성하고, 레이저 조사기-B(423)에 대한 좌표계ΣB′를 스크린-B의 좌표계 ΣB로 변환하는 변환 행렬 BTB ′를 생성한다.
이하에서, 변환 행렬 생성부(680)에 의해 변환 행렬 ATA ′와 변환 행렬 BTB ′를 생성하는 과정에 대해 상세히 설명한다.
레이저 조사기-A(413)의 레이저 조사각들을 포함하는 아래의 수학식 8을 상정할 수 있다.
Figure pat00009
여기서, Bt 는 타겟 포인트-B로 스크린-B(421)의 중심이다. Btx는 Bt의 x 좌표, Bty는 Bt의 y 좌표이다. 그리고, θA와 ψA는, 레이저 조사기-A(413)에 의한 레이저 포인트들의 중심이 타겟 포인트-B인 스크린-B(421)의 중심에 위치하도록 하는 레이저 조사각을 의미한다.
또한, [0, 0]은 스크린-A(411)에서 레이저 조사기-A(413)의 x 좌표와 y 좌표를 의미하고, ZA'B 는 레이저 조사기-A(413)와 스크린-B(421) 간의 거리이다.
스크린-B(421)의 좌표계 ΣB에서 z 좌표는 0이기 때문에, 타겟 포인트 Bt의 z 좌표는 0이다. 한편, 위 수학식 8에서 변환 행렬 BTA 는 수학식 1에 나타난 ATB 의 역행렬을 계산하여 획득가능하다.
한편, 수학식 8과 유사하게, 레이저 조사기-B(423)의 레이저 조사각들을 포함하는 아래의 수학식 9를 상정할 수 있다.
Figure pat00010
여기서, At 는 타겟 포인트-A로 스크린-A(411)의 중심이다. Atx는 At의 x 좌표, Aty는 At의 y 좌표이다. 그리고, θB와 ψB는, 레이저 조사기-B(423)에서 조사되는 레이저 포인트가 타겟 포인트-A인 스크린-A(411)의 중심에 위치하도록 하는 레이저 조사각을 의미한다.
또한, [0, -L]은 스크린-B(421)에서 레이저 조사기-B(423)의 x 좌표와 y 좌표를 의미하고, ZB'A는 레이저 조사기-B(423)와 스크린-A(411) 간의 거리이다.
스크린-A(411)의 좌표계 ΣA에서 z 좌표는 0이기 때문에, 타겟 포인트 At의 z 좌표는 0이다.
위 수학식 8과 수학식 9를 하나로 통합하면, 타겟 포인트들과 레이저 조사각들 간의 관계를 수학식 10으로 표현가능하다.
Figure pat00011
여기서,
Figure pat00012
이다. 그리고, θAB는 x 축을 기준으로 할 때 스크린-A(411)의 좌표계 ΣA에서 스크린-B(421)의 좌표계 ΣB까지의 회전각이고, θB는 x 축을 기준으로 할 때 스크린-B(421)의 좌표계 ΣB에서 레이저 조사기-B(423)의 좌표계 ΣB′까지의 회전각이다.
한편,
Figure pat00013
와 유사하게,
Figure pat00014
이고,
Figure pat00015
이며,
Figure pat00016
이다.
수학식 10에 나타난 수학식 Mr을 이용하여 뉴튼-랩슨 기법이나 EKF을 적용하면, 레이저 포인트 또는 레이저 포인트들의 중심을 타겟 포인트에 위치시킬 수 있는 레이저 조사각들을 추정할 수 있다.
레이저 조사기-A(413)의 좌표계 ΣA′를 스크린-A(411)의 좌표계 ΣA로 변환하는 변환 행렬 ATA ′은 θA와 ψA 을 이용하여 계산 가능한데, 아래의 수학식 11과 같다.
Figure pat00017
또한, 위와 같은 방법으로, θB 와 ψB.을 이용하여 조사기-B(423)의 좌표계 ΣB′를 레이저 스크린-B(421)의 좌표계 ΣB로 변환하는 변환 행렬 BTB ′을 계산할 수도 있음은 물론이다.
한편, 교정 행렬 생성부(690)는 초기 옵셋 교정을 위한 교정 행렬 ATcal을 생성한다. 교정 행렬 생성부(690)는 전술한 "3. 초기 옵셋 교정"에 따라 교정 행렬을 생성한다.
변위 추정부(640)는 1) 레이저 포인트 검출부(630)에 의해 검출된 3개의 레이저 포인트의 위치들, 2) 변환 행렬 생성부(680)에 의해 생성된 변환 행렬들 ATA ′, BTB′3) 교정 행렬 생성부(690)에 의해 생성된 교정 행렬 ATcal을 이용하여, 구조물 변위를 추정한다.
이하에서, 변위 추정부(640)에 의해 구조물 변위가 추정되는 방법에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 레이저 포인트 검출부(630)에 의해 검출된 3개의 레이저 포인트의 위치들과 변환 행렬 생성부(680)에 의해 생성된 변환 행렬들 ATA ′, BTB ′을 이용하여, 변위 p =[x,y,z,θ,φ,ψ]를 포함하는 운동 방정식을 도출한다.
구체적으로, 레이저 조사기-B(423)로부터 스크린-A(411)로 조사된 레이저 포인트의 위치 AOB ′는 아래의 수학식 12와 같다.
Figure pat00018
또한, 레이저 조사기-A(413)로부터 스크린-B(421)로 조사된 레이저 포인트들의 위치들 BOA ′, BYA ′는 아래의 수학식 13과 같다.
Figure pat00019
수학식 12와 수학식 13에서, AOB ′, BOA ′ 및 BYA ′의 z 좌표는 0이다.
수학식 12와 수학식 13을 하나로 통합하면, 제어형 구조물 변위 측정 시스템에 대한 변위 p =[x,y,z,θ,φ,ψ]를 포함하는 운동 방정식이 아래의 수학식 14와 같이 도출된다.
Figure pat00020
이후, 변위 추정부(640)는 수학식 14에 나타난 운동방정식 Mvs을 이용하여 전술한 수학식 4에 나타난 뉴튼-랩슨 기법을 반복 적용함으로서, 변위 p=[x,y,z,θ,φ,ψ]를 추정하게 된다. 뿐만 아니라, 변위 추정부(640)는 수학식 14에 나타난 운동방정식 Mvs을 EKF 기법에 적용하여 변위 p=[x,y,z,θ,φ,ψ]를 추정하는 것도 가능하다.
그리고, 변위 추정부(640)는 교정 행렬 생성부(690)에 의해 생성된 교정 행렬 ATcal을 전술한 수학식 6에 대입하여 교정된 변환 행렬 Tnew를 획득하고, 교정된 변환 행렬 Tnew를 이용하여, 수학식 7과 같이 초기 옵셋이 교정된 변위 pnew=[x',y',z',θ',φ',ψ']를 획득한다.
5. 시뮬레이션 결과
도 7 내지 도 11에는, 도 4에 도시된 제어형 구조물 변위 측정 시스템의 구조물 변위를 측정 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면들이다.
도 7 내지 도 11에서, 실선은 실제 구조물 변위를 나타내고, 긴 점선은 초기 옵셋 교정을 수행한 경우에 추정된 구조물 변위를 나타내며, 짧은 점선은 초기 옵셋 교정을 수행하지 않은 경우에 추정된 구조물 변위를 나타낸다. 한편, 구조물-A와 구조물-B 간의 거리는 100m로 상정하였다.
도 7에 도시된 뉴튼-랩슨 기법을 적용한 시뮬레이션 결과에 따르면, 초기 옵셋 교정을 수행한 경우에 추정된 구조물 변위는 비교적 짧은 시간 안에 실제 구조물 변위에 수렴함을 확인할 수 있다.
또한, 도 8에는 검출된 레이저 포인트 위치들에 인위적으로 노이즈를 부가한 경우에 뉴튼-랩슨 기법을 적용한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있는데, 이 경우에도 결과가 비교적 만족스럽게 나온 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 9에는 도 8과 동일한 조건에서 EKF 기법을 적용하여 구조물 변위를 추정한 결과를 도시하였는데, EKF 기법을 적용하는 경우에도 우수한 성능을 보이고 있음을 확인할 수 있다.
또한, 도 10에는 구조물 변위의 x 좌표를 인위적으로 변경시킨 경우에 뉴튼-랩슨 기법을 적용한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있는데, 이 경우에도 변경되는 실제 구조물 변위에 잘 수렴하고 있음을 확인할 수 있다.
한편, 도 11에는 도 10과 동일한 조건에서 EKF 기법을 적용하여 구조물 변위를 추정한 결과를 도시하였는데, EKF 기법을 적용하는 경우에도 우수한 성능을 보이고 있음을 확인할 수 있다.
도 12의 상부에는 제어형 구조물 변위 측정 시스템에서 뉴튼-랩슨 기법을 적용한 경우에 스크린 내 레이터 포인트의 위치 좌표를 나타내었고, 도 12의 하부에는 고정형 구조물 변위 측정 시스템에서 뉴튼-랩슨 기법을 적용한 경우에 레이저 포인트의 위치 좌표를 나타내었다. 도 12를 통해 레이저 포인트의 변위는 제어형 구조물 변위 측정 시스템에서 보다 안정적임을 확인할 수 있다.
또한, 도 13에는 도 12와 동일한 조건에서 EKF 기법을 적용한 경우를 도시하였는데, 도 12와 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
한편, 위 실시예들에서 언급한 측정 모듈-A와 측정 모듈-B가 설치되는 구조물-A와 구조물-B는 별개의 구조물일 수도 있음은 물론 하나의 구조물의 구성할 수도 있음은 물론이다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110, 410 : 측정 모듈-A 111, 411 : 스크린-A
113, 413 : 레이저 조사기-A 115, 415 : 카메라-A
120, 420 : 측정 모듈-B 121, 421 : 스크린-B
123, 423 : 레이저 조사기-B 125, 425 : 카메라-B
200 : 연산 모듈 210 : 이미지 보정부
220 : 스크린 검출부 230 : 레이저 포인트 검출부
240 : 변위 추정부 600 : 제어 모듈
610 : 이미지 보정부 620 : 스크린 검출부
630 : 레이저 포인트 검출부 640 : 변위 추정부
650 : 포인트 위치차 계산부 660 : 레이저 조사각 계산부
670 : 레이저 조사각 제어부 680 : 변환 행렬 생성부
690 : 교정 행렬 생성부

Claims (22)

  1. 제1 구조물에 설치되며, 제2 구조물에 부착된 제2 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제1 레이저 조사기;
    상기 제2 구조물에 설치되며, 상기 제1 구조물에 부착된 제1 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제2 레이저 조사기;
    상기 제1 스크린을 촬영하여 제1 이미지를 생성하는 제1 카메라;
    상기 제2 스크린을 촬영하여 제2 이미지를 생성하는 제2 카메라; 및
    상기 제1 레이저 조사기에서 조사된 레이저 빔이 상기 제2 스크린 내부에 조사되도록 상기 제1 레이저 조사기의 조사각을 제어하고, 상기 제2 레이저 조사기에서 조사된 레이저 빔이 상기 제1 스크린 내부에 조사되도록 상기 제2 레이저 조사기의 조사각을 제어하고, 상기 제1 이미지 및 상기 제2 이미지를 이용하여 상기 제2 구조물에 대한 상기 제1 구조물의 상대적인 변위를 추정하는 제어 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    초기 옵셋 교정을 위한 교정 행렬을 이용하여, 상기 추정단계에서 추정된 변위를 교정하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 제1 이미지에서 상기 제1 스크린을 검출하고, 상기 제2 이미지에서 상기 제2 스크린을 검출하며, 검출된 상기 제1 스크린에서 상기 제1 레이저 조사기에 의한 복수의 레이저 포인트를 검출하고,
    검출된 상기 제2 스크린에서 상기 제2 레이저 조사기에 의한 레이저 포인트를 검출하며,
    상기 복수의 레이저 포인트의 위치, 상기 제1 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제1 스크린의 좌표계를 상기 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제1 운동 방정식을 생성하고,
    상기 레이저 포인트의 위치, 상기 제2 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제2 스크린의 좌표계를 상기 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제2 운동 방정식을 생성하며,
    상기 제1 운동 방정식과 상기 제2 운동 방정식을 이용하여, 상기 변위를 추정하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 제1 운동 방정식과 상기 제2 운동 방정식을 뉴튼-랩슨 기법 및 EKF(Extended Kalman Filtering) 기법 중 어느 하나의 반복 계산 기법에 적용하여 상기 변위를 추정하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 제1 레이저 조사기에 의해 상기 제2 스크린에 맺힌 레이저 포인트와 제1 타겟 포인트 간의 위치차가 최소화하는 제1 레이저 조사각을 계산하여, 상기 제1 레이저 조사각에 따라 상기 제1 레이저 조사기의 레이저 조사각을 제어하고,
    상기 제2 레이저 조사기에 의해 상기 제1 스크린에 맺힌 레이저 포인트와 제2 타겟 포인트 간의 위치차가 최소화하는 제2 레이저 조사각을 계산하여, 상기 제2 레이저 조사각에 따라 상기 제2 레이저 조사기의 레이저 조사각을 제어하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 조사기는,
    상기 제2 스크린으로 2개의 레이저 빔을 조사하고,
    상기 제2 레이저 조사기는,
    상기 제1 스크린으로 1개의 레이저 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 제1 레이저 조사기에 의한 2개의 레이저 포인트들의 중심이 상기 제2 스크린의 제2 타겟 포인트에 맺히도록 제어하고,
    상기 제2 레이저 조사기에 의한 레이저 포인트가 상기 제1 스크린의 제1 타겟 포인트에 맺히도록 제어하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 타겟 포인트는 상기 제1 스크린의 중앙이고,
    상기 제2 타겟 포인트는 상기 제2 스크린의 중앙인 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 시스템.
  9. 제1 구조물에 설치된 제1 레이저 조사기에서 제2 구조물에 부착된 제2 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제1 조사단계;
    상기 제2 구조물에 설치된 제2 레이저 조사기에서 상기 제1 구조물에 부착된 제1 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제2 조사단계;
    상기 제1 레이저 조사기에서 조사된 레이저 빔이 상기 제2 스크린 내부에 조사되도록 상기 제1 레이저 조사기의 조사각을 제어하는 제1 제어단계;
    상기 제2 레이저 조사기에서 조사된 레이저 빔이 상기 제1 스크린 내부에 조사되도록 상기 제2 레이저 조사기의 조사각을 제어하는 제2 제어단계;
    상기 제1 스크린을 촬영하여 제1 이미지를 생성하는 제1 생성단계;
    상기 제2 스크린을 촬영하여 제2 이미지를 생성하는 제2 생성단계; 및
    상기 제1 이미지 및 상기 제2 이미지를 이용하여, 상기 제2 구조물에 대한 상기 제1 구조물의 상대적인 변위를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    초기 옵셋 교정을 위한 교정 행렬을 이용하여, 상기 추정단계에서 추정된 변위를 교정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 추정단계는,
    상기 제1 이미지에서 상기 제1 스크린을 검출하는 단계;
    상기 제2 이미지에서 상기 제2 스크린을 검출하는 단계;
    검출된 상기 제1 스크린에서 상기 제1 레이저 조사기에 의한 복수의 레이저 포인트를 검출하는 단계;
    검출된 상기 제2 스크린에서 상기 제2 레이저 조사기에 의한 레이저 포인트를 검출하는 단계;
    상기 복수의 레이저 포인트의 위치, 상기 제1 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제1 스크린의 좌표계를 상기 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제1 운동 방정식을 생성하는 단계;
    상기 레이저 포인트의 위치, 상기 제2 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제2 스크린의 좌표계를 상기 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제2 운동 방정식을 생성하는 단계; 및
    상기 제1 운동 방정식과 상기 제2 운동 방정식을 이용하여, 상기 변위를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 변위를 추정하는 단계는,
    상기 제1 운동 방정식과 상기 제2 운동 방정식을 뉴튼-랩슨 기법 및 EKF(Extended Kalman Filtering) 기법 중 어느 하나의 반복 계산 기법에 적용하여 상기 변위를 추정하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 제1 제어단계는,
    상기 제1 레이저 조사기에 의해 상기 제2 스크린에 맺힌 레이저 포인트와 제1 타겟 포인트 간의 위치차가 최소화하는 제1 레이저 조사각을 계산하는 단계; 및
    계산된 상기 제1 레이저 조사각에 따라 상기 제1 레이저 조사기의 레이저 조사각을 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 제2 제어단계는,
    상기 제2 레이저 조사기에 의해 상기 제1 스크린에 맺힌 레이저 포인트와 제2 타겟 포인트 간의 위치차가 최소화하는 제2 레이저 조사각을 계산하는 단계; 및
    계산된 상기 제2 레이저 조사각에 따라 상기 제2 레이저 조사기의 레이저 조사각을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 방법.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 제1 조사단계는,
    상기 제1 레이저 조사기에서 상기 제2 스크린으로 2개의 레이저 빔을 조사하고,
    상기 제2 조사단계는,
    상기 제2 레이저 조사기에서 상기 제1 스크린으로 1개의 레이저 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제1 제어단계는,
    상기 제1 레이저 조사기에 의한 2개의 레이저 포인트들의 중심이 상기 제2 스크린의 제2 타겟 포인트에 맺히도록 제어하고,
    상기 제2 제어단계는,
    상기 제2 레이저 조사기에 의한 레이저 포인트가 상기 제1 스크린의 제1 타겟 포인트에 맺히도록 제어하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제1 타겟 포인트는 상기 제1 스크린의 중앙이고,
    상기 제2 타겟 포인트는 상기 제2 스크린의 중앙인 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 방법.
  17. 제1 구조물에 설치되며, 제2 구조물에 부착된 제2 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제1 레이저 조사기;
    상기 제2 구조물에 설치되며, 상기 제1 구조물에 부착된 제1 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제2 레이저 조사기;
    상기 제1 스크린을 촬영하여 제1 이미지를 생성하는 제1 카메라;
    상기 제2 스크린을 촬영하여 제2 이미지를 생성하는 제2 카메라; 및
    상기 제1 이미지에서 상기 제1 레이저 조사기에 의한 복수의 레이저 포인트를 검출하고, 상기 복수의 레이저 포인트의 위치, 상기 제1 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제1 스크린의 좌표계를 상기 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제1 운동 방정식을 생성하고, 상기 제2 이미지에서 상기 제2 레이저 조사기에 의한 레이저 포인트를 검출하며, 상기 레이저 포인트의 위치, 상기 제2 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제2 스크린의 좌표계를 상기 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제2 운동 방정식을 생성하며, 상기 제1 운동 방정식과 상기 제2 운동 방정식을 이용하여 상기 제2 구조물에 대한 상기 제1 구조물의 상대적인 변위를 추정하는 제어 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 시스템.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    초기 옵셋 교정을 위한 교정 행렬을 이용하여, 상기 추정단계에서 추정된 변위를 교정하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 시스템.
  19. 제1 구조물에 설치된 제1 레이저 조사기에서 제2 구조물에 부착된 제2 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제1 조사단계;
    상기 제2 구조물에 설치된 제2 레이저 조사기에서 상기 제1 구조물에 부착된 제1 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제2 조사단계;
    상기 제1 스크린을 촬영하여 제1 이미지를 생성하는 제1 생성단계;
    상기 제2 스크린을 촬영하여 제2 이미지를 생성하는 제2 생성단계;
    상기 제1 이미지에서 상기 제1 레이저 조사기에 의한 복수의 레이저 포인트를 검출하는 단계;
    상기 복수의 레이저 포인트의 위치, 상기 제1 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제1 스크린의 좌표계를 상기 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제1 운동 방정식을 생성하는 단계;
    상기 제2 이미지에서 상기 제2 레이저 조사기에 의한 레이저 포인트를 검출하는 단계;
    상기 레이저 포인트의 위치, 상기 제2 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제2 스크린의 좌표계를 상기 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제2 운동 방정식을 생성하는 단계; 및
    상기 제1 운동 방정식과 상기 제2 운동 방정식을 이용하여 상기 제2 구조물에 대한 상기 제1 구조물의 상대적인 변위를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    초기 옵셋 교정을 위한 교정 행렬을 이용하여, 상기 추정단계에서 추정된 변위를 교정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 변위 측정 방법.
  21. 제1 구조물에 설치된 제1 레이저 조사기에서 제2 구조물에 부착된 제2 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제1 조사단계;
    상기 제2 구조물에 설치된 제2 레이저 조사기에서 상기 제1 구조물에 부착된 제1 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제2 조사단계;
    상기 제1 레이저 조사기에서 조사된 레이저 빔이 상기 제2 스크린 내부에 조사되도록 상기 제1 레이저 조사기의 조사각을 제어하는 제1 제어단계;
    상기 제2 레이저 조사기에서 조사된 레이저 빔이 상기 제1 스크린 내부에 조사되도록 상기 제2 레이저 조사기의 조사각을 제어하는 제2 제어단계;
    상기 제1 스크린을 촬영하여 제1 이미지를 생성하는 제1 생성단계;
    상기 제2 스크린을 촬영하여 제2 이미지를 생성하는 제2 생성단계; 및
    상기 제1 이미지 및 상기 제2 이미지를 이용하여, 상기 제2 구조물에 대한 상기 제1 구조물의 상대적인 변위를 추정하는 단계;를 수행할 수 있는 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  22. 제1 구조물에 설치된 제1 레이저 조사기에서 제2 구조물에 부착된 제2 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제1 조사단계;
    상기 제2 구조물에 설치된 제2 레이저 조사기에서 상기 제1 구조물에 부착된 제1 스크린으로 레이저 빔을 조사하는 제2 조사단계;
    상기 제1 스크린을 촬영하여 제1 이미지를 생성하는 제1 생성단계;
    상기 제2 스크린을 촬영하여 제2 이미지를 생성하는 제2 생성단계;
    상기 제1 이미지에서 상기 제1 레이저 조사기에 의한 복수의 레이저 포인트를 검출하는 단계;
    상기 복수의 레이저 포인트의 위치, 상기 제1 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제1 스크린의 좌표계를 상기 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제1 운동 방정식을 생성하는 단계;
    상기 제2 이미지에서 상기 제2 레이저 조사기에 의한 레이저 포인트를 검출하는 단계;
    상기 레이저 포인트의 위치, 상기 제2 레이저 조사기에 대한 좌표계를 제2 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬 및 상기 제2 스크린의 좌표계를 상기 제1 스크린의 좌표계로 변환하는 변환 행렬을 이용하여 제2 운동 방정식을 생성하는 단계; 및
    상기 제1 운동 방정식과 상기 제2 운동 방정식을 이용하여 상기 제2 구조물에 대한 상기 제1 구조물의 상대적인 변위를 추정하는 단계;를 수행할 수 있는 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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