KR20170119951A - 윈도우 태블릿과 ahrs센서를 이용한 탄성받침변위 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 윈도우 태블릿과 AHRS센서를 이용하여 교량탄성받침의 변위추정방법에 관한 것으로, 임의의 받침형상에 대해서 적용이 가능하도록 태블릿을 이용하여 사진측량학적 기법으로 영상좌표를 산정하고 이를 이용하여 교량탄성받침의 변위를 추정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 교량받침변위 측정방법은 기존의 고가의 장비 및 센서 대신 태블릿 및 저가의 AHRS센서를 이용하기 때문에 경제성이 우수하며 받침변위측정 데이터를 전산화하여 받침변위의 이력관리를 효율적으로 할 수 있다.

Description

윈도우 태블릿과 AHRS센서를 이용한 탄성받침변위 측정방법{Method to measure displacement of elastomeric bearing using window tablet and AHRS sensor}

본 발명은 윈도우 태블릿와 AHRS센서를 이용하여 교량탄성받침의 변위추정방법에 관한 것으로, 임의의 받침형상에 대해서 적용이 가능하도록 태블릿을 이용하여 사진측량학적 기법으로 영상좌표를 산정하고 이를 이용하여 교량탄성받침의 변위를 추정하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 교량의 상부구조물과 하부구조물의 사이에는 상부구조물에 작용하는 하중을 하부구조물에 전달하여 이를 분산시키는 교량받침이 설치된다.

교량받침의 일종인 탄성받침은 다른 종류의 교량받침에 비해 차량의 충격하중 흡수력이 우수하고, 지진시 전단변형을 하는 동안 탄성저항력이 발생하여, 지진하중을 저항하도록 하며, 방향성이 자유롭고, 부식이 발생하지 않으므로 유지관리가 간편하여 많이 사용되고 있다.

탄성받침은 상부구조물측에 고정된 상부판과 교대 또는 교각측에 고정된 하부판 및 상, 하부판의 사이에 분리된 구조로 구성되는데, 이때, 탄성받침은 상부구조물의 하중과 상,하부판과의 접촉면에서 발생되는 마찰력에 의해 그 위치가 고정되며, 탄성받침의 내부에는 철강판 등의 보강강판이 적층되어 있다.

그러나, 기존의 탄성받침은 상부구조물과 이에 고정된 상부판의 수평변위가 증가함에 따라, 탄성받침의 일측하단과 대각선 타측상단에 인장응력이 발생하면 분리구조인 탄성받침과 상,하부판의 사이에 간극이 발생되고 이로 인해 접지면적의 감소에 따른 미끄럼이 발생하는 문제점이 있어 교체시기를 정하는 것이 중요하다.

교체시기를 정하는데 있어 안전점검 및 정밀안전진단 세부지침 해설서에 의하면 교량받침의 교체시기는 신축유간부족, 가동장애 요소, 밀착상태 및 편기 상태, 부식 그리고 균열 등을 평가하여 결정하게 된다.

그러나 기존의 점검방법은 신축유간부족이나 부식, 가동장애요소 등에 상시측정이 가능하도록 센서를 받침에 매립하거나 점검자가 직접 육안으로 점검로를 통해서 받침을 점검하고 있다.

센서의 매립을 통한 측정의 경우 초기비용이 고가이기에 장대 교량에만 활용하고 있으며, 점검로를 통하여 직접 육안으로 측정하는 방법은 점검자의 안전과 직결되며 측정도구인 눈금자의 부재시 각도기와 줄자 등으로 측정하기 때문에 데이터가 한정적이며 주관성을 갖는 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하는 대안으로 3D스캐너, 사진측량을 이용한 방법이 쓰이고 있으나 실제 현장에서는 시간적, 비용적인 측면에서 단점이 있다.

본 발명은 데이터의 제한성, 주관적인 결과 등의 문제점을 해결하고자 고가의 센서를 활용하지 않고 다수의 데이터와 객관적인 결과를 확보할 수 있는 방법을 고안하였다. 또한 기존의 사진측량에서 내부표정 및 외부표정 획득과정을 간소화시켜 시간적, 비용적인 측면의 단점을 보완하고자 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 탄성받침의 변위측정방법은, a) 윈도우 태블릿에 AHRS(Attitude & Heading Reference System)센서를 장착하여 촬영하는 단계; b) 촬영된 서로 다른 영상으로부터 내부표정획득 및 보정하는 단계; c) 외부표정획득 및 보정하는 단계; d) 산출된 영상좌표와 결정된 촬영장치의 내부표정요소 및 외부표정요소에 기초하여 대상받침의 3차원 좌표를 산출하는 단계; e) 산출된 대상받침의 3차원 좌표에 기초하여 대상받침에 대한 3차원 변위량을 산출하는 단계를 포함한다.

상기 단계 a)는 a-1) 상기 윈도우 태블릿에 AHRS센서를 USB포트로 연결하여 동기화하는 과정; a-2) 제작된 거치대에 물리적으로 연결하여 해당 받침을 촬영하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 단계 b)는 b-1) 내부표정요소는 캘리브레이션 툴을 이용하여 촬영장치의 초점거리 주점 변위량 및 방사 왜곡량을 획득하는 과정; b-2) 사진보정 프로그램을 이용하여 보정좌표를 획득하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 단계 c)는 c-1) 거치대의 중심을 기준으로 하는 과정; c-2) 중심으로부터 태블릿이 장착된 위치를 기초로 렌즈의 좌표를 구하는 과정; c-3) AHRS센서가 태블릿 화면으로 수신된 수치들로 렌즈의 자세값을 획득하는 과정; c-4) 상기 과정을 스테레오 모델로 가정하여 회전장치를 이용하여 회전하고 상기의 과정을 반복하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 단계 d)는 d-1) 단계b)와 단계c) 로부터 획득된 좌우 렌즈의 내부표정 및 외부표정을 입력하는 과정; d-2) 입력된 표정요소로부터 공간전방교선법으로 대상 받침의 3차원 좌표를 획득하는 과정이 있다.

상기 단계 e)는 e-1) 3차원 좌표로부터 받침의 변위를 산출하는 과정; e-2) 받침의 제원으로부터 안정성을 평가하는 과정이 있다.

본 발명에 의한 교량의 받침 변위측정방법은 기존의 문제점을 해결할 뿐만 아니라 태블릿 및 저가의 AHRS센서를 이용하기 때문에 받침변위측정의 다른 대안인 3D스캐너 및 고가의 센서를 통한 변위 측정방법에 비하여 경제성이 우수하며 받침변위측정 데이터를 전산화하여 받침변위의 이력관리를 효율적으로 할 수 있다.

도 1은 태블릿에 AHRS센서를 이용한 교량받침변위를 3차원으로 측정하는 방법을 나타내는 순서도,
도 2는 도 1의 S100에 대한 순서도,
도 3은 도 2의 S101의 원리를 나타내는 도면,
도 4a, 도 4b, 도 4c는 도 2의 S102의 원리를 나타내는 도면,
도 5는 도 1의 S200에 대한 순서도,
도 6는 도 1의 S300에 대한 순서도,
도 7는 도 1의 S400에 대한 순서도,
도 8는 도 1의 S500에 대한 순서도,
도 9a, 도 9b, 도 9c, 도 9d는 삼각대의 상세도로서 삼각대의 높이조절장치, 각도조절힌지 및 삼각대를 고정하는 장치를 나타내는 도면,
도 10a, 도 10b, 도 10c는 태블릿 거치대의 앞면과 뒷면 및 삼각대와 태블릿을 연결하는 부재를 나타내는 도면,
도 11a, 도 11b, 도 11c은 태블릿을 Y축방향으로 회전할 수 있도록 하는 장치의 상세도면이다.

사진측량을 이용한 교량 받침변위의 3차원 측정방법에 대한 예는 다양하게 적용할 수 있다.

도 1은 태블릿에 AHRS센서를 이용한 교량 받침변위의 3차원 측정방법을 설명하는 흐름도이다.

먼저, 태블릿에 AHRS센서를 이용한 변위의 3차원 측정방법은 도 1에 나타난 바와 같이,

태블릿에 AHRS센서를 장착하여 촬영하는 단계(S100)

촬영한 영상으로부터 내부표정요소를 획득하는 단계(S200)

외부표정요소를 획득하는 단계(S300)

공선조건식으로부터 3차원 좌표를 산출하는 단계(S400)

반침변위 및 안정성을 평가하는 단계(S500)

단계(S100)에서는 우선, 윈도우 태블릿에 AHRS센서를 도 2와 같이 태블릿 USB포트에 전원을 연결하여 태블릿의 렌즈아래에 위치시킨다. 촬영할 장소에 도 3과 같은 거치대에 설치를 한 후 촬영한다. 또한 촬영후 해당 태블릿 렌즈의 카메라 검정이 실시가 안되었을 경우 다음단계의 정확도를 확보하기 위해서 반복 촬영을 하고, 서로 다른 영상을 취득하기 위하여 회전장치를 이용하여 반대편으로 회전을 한 후 촬영하는 과정을 포함할 수 있다.

촬영한 영상에서 내부표정요소획득 및 보정한다(단계 S200). 일 실시예에서, 내부표정요소의 초점거리는 카메라 검정을 통하여 나오는데 태블릿 렌즈의 검정이 실시 안되었을 경우 캘리브레이션툴을 이용하여 구한다. 또한 사진좌표는 사진보정프로그램을 이용하여 사진좌표를 획득할 수 있다.

산출된 영상좌표와 상기 결정된 촬영장치의 내부표정요소 및 외부표정요소에 기초하여 대상받침의 3차원 좌표를 산출한다(단계 S400). 3차원 좌표의 산출은 공간교차식에 의해 수행될 수 있다. 공간교차식은 중복된 좌우영상에서 임의의 동일점을 찾고, 이때의 좌우영상의 투영 중심에 의해 형성되는 두 개의 직선에 의해 결정(두 직선의 교차점 산출)될 수 있다.

(수학식 1)

여기서,

수학식 1에서 좌우 사진의 외부표정요소를 알고 있을때 수학식 1을 이용하여 P(X,Y,Z)를 계산할수 있다. 수학식 1을 각각 X, Y, Z에 대해 정리하면 수학식 2와

같다.

(수학식 2)

→

여기서,

다시 몇 개의 기호를 사용하여 수학식 3과 같이 간략화 할 수 있다.

(수학식 3)

여기서,

수학식 3를 행렬행태로 나타내면 수학식 4와 같다.

(수학식 4)

이를 간단히 하면 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

(수학식 5)

MH=K

최소제곱법을 이용하여 H(X, Y, Z)를 수학식 6과 같이 구할 수 있다.

(수학식 6)

여기서,

산출된 대상받침의 3차원 좌표에 기초하여 대상받침에 대한 변위를 산출한다(단계 S500). 3차원 변위량은 X축, Y축 및 Z축에 대한 변위량을 포함할 수 있다.

Claims (2)

1. AHRS(Attitude & Heading Reference System)센서 및 사진측량기법을 이용한 탄성받침변위 측정방법은,
   AHRS센서와 태블릿를 USB포트로 연결하여 카메라 거치대에 물리적으로 연결하여 촬영(100); 상기 촬영에서 감지된 태블릿의 자세와 좌표를 기초로 공선조건식에 적용하여 받침의 3차원 좌표를 산출하는 탄성받침 변위측정방법을 포함한다.
2. 청구항 1에 있어서,
   AHRS센서와 태블릿를 USB포트로 연결하여 카메라 거치대에 물리적으로 연결하여 촬영하는 단계(100)은,
   태블릿과 AHRS센서를 일정한 거리에서 구운동을 할 수 있도록 거치대에 장착하여 AHRS센서가 자기모멘트의 좌표계에 대해서 회전할 때 산출하는 것을 특징으로 태블릿의 자세 및 좌표를 나타내는 방법을 포함한다.

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