KR20180069648A - Measurement system of joints characteristics for rock slope based on arduino using drone - Google Patents

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KR20180069648A
KR20180069648A KR1020160172044A KR20160172044A KR20180069648A KR 20180069648 A KR20180069648 A KR 20180069648A KR 1020160172044 A KR1020160172044 A KR 1020160172044A KR 20160172044 A KR20160172044 A KR 20160172044A KR 20180069648 A KR20180069648 A KR 20180069648A
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성기웅
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주식회사 구주엔지니어링
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Abstract

The present invention relates to a measurement system based on arduino, connecting software and hardware based on arduino to lower gas of a drone to easily measure a slope direction and a slop angle of a rock slope so as to analyze stability of the rock slope. Therefore, the system can increase reliability of joint characteristics results of the rock slope, increase cost efficiency in terms of measuring costs, store measurement data in real-time to increase efficiency of maintenance, and enable measurement even in a place in which a worker is unable to approach.

Description

드론을 이용한 아두이노 기반의 암반사면 절리특성 측정시스템{Measurement system of joints characteristics for rock slope based on arduino using drone}[0001] The present invention relates to a measurement system for determining the joint characteristics of a rock slope based on arduino using drone,

본 발명은 드론을 이용한 암반사면절리의 경사각 및 경사방향 측정을 위해서 아두이노 기반의 소프트웨어 및 하드웨어를 활용한 암반사면절리의 경사각 및 경사방향을 측정하는 시스템을 구축한다.The present invention establishes a system for measuring the inclination angle and the inclination direction of a rock slope joint using the Arduino-based software and hardware for measuring inclination angle and inclination of a rock slope joint using a drone.

우리나라의 지질특성상 산지가 약 70% 이기에 도로나 터널 등의 공사현장에서는 암반을 쉽게 발견할 수 있다. 그러나 이 암반에서는 불연속면(암반에 나타나는 모든 연약면을 총칭함)을 포함한다.Due to the nature of geology in Korea, the mountain area is about 70%, so it is easy to find rocks in construction sites such as roads and tunnels. However, in this rock, discontinuities (collectively, all soft surfaces appearing on rocks) are included.

암반사면에 대한 안정해석은 먼저 현장지질조사에서 얻은 불연속면의 주향과 경사(또는 경사방향과 경사)를 측정 및 분석하여 평사투영법(Stereographic Projection Method)에 의해 붕괴가능 사면을 판단한 후 위험지역에 대해 불연속대 및 예상파괴 범위를 선정하여 한계평형해석법에 의한 붕괴 가능성 및 안전율을 구하는 방법으로 수행한다.The stability analysis for the rock slope is performed by measuring and analyzing the incidence and inclination (or slope direction and slope) of the discontinuity obtained from the field geological survey and determining the decay slope by the Stereographic Projection Method, And the range of expected failure is selected, and the possibility of collapse and the safety factor by the limit equilibrium analysis method are obtained.

일반적으로 사면의 파괴형태는 원형파괴 (Circular Failure), 평면파괴 (Plane Failure), 쐐기파괴 (Wedge Failure) 및 전도파괴 (Topping Failure)가 있다.In general, the types of failure of the slope are circular failure, plane failure, wedge failure and topping failure.

평면파괴는 파괴블럭이 하나의 활동면을 따라 미끄러지며 발생하는 가장 단순한 형태의 파괴유형이다. 기본적으로 평면파괴가 발생하기 위해서는 다음과 같은 4가지 조건을 만족해야 한다.Plane failure is the simplest form of failure that occurs when a fracture block slides along one active face. Basically, in order for planar fracture to occur, the following four conditions must be satisfied.

1) 자유면 조건1) Free surface condition

독립적인 파괴블럭이 하나의 활동면을 따라 미끄러질 수 있도록 파괴블럭의 양쪽 측면은 개방 혹은 분리되어 있어야 한다.Both sides of the fracture block shall be open or separated so that the independent fracture block slides along one active face.

2) 주향 조건2) Streak condition

미끄러짐이 발생하는 활동면(절리면)의 주향은 비탈면의 주향과 평행하거나 ±20도 이내여야 한다. 하지만 이 조건은 경험에 근거한 제안으로 쐐기파괴 중 한쪽 절리면을 따라 미끄러지는 1면 쐐기파괴와 같은 형태도 평면파괴로 분류될 수 있으며 각도에 대한 제안은 현장조건에 따라 유동적으로 적용될 수 있다.The slope of the active surface (joint surface) where slippage occurs should be parallel to the slope of the slope or within ± 20 degrees. However, this condition is based on experience and it can be classified as plane fracture such as one - side wedge fracture sliding along one joint plane of wedge fracture, and proposal of angle can be applied flexibly according to field conditions.

3) 경사각 조건13) Inclination angle condition 1

활동면의 경사각은 비탈면의 경사각보다 작아야 한다. 파괴블럭이 형성되기 위한 기하학적 조건에 해당된다.The slope angle of the active surface shall be smaller than the slope angle of the slope. It corresponds to the geometric condition for the formation of the fracture block.

4) 경사각 조건24) Tilt angle condition 2

활동면의 경사각을 활동면의 강도특성인 마찰각보다 커야한다. 즉, 미끄러져 내려가는 활동력이 마찰각(전단강도)에 의해 버티는 저항력보다 커야 파괴가 발생한다는 의미이다.The inclination angle of the active surface should be greater than the friction angle, which is the strength characteristic of the active surface. In other words, it means that the slipping down force is greater than the resisting force which is sustained by the friction angle (shear strength).

쐐기파괴는 두 개의 불연속면에 의해 형성된 파괴블럭이 불연속면의 교차선을 따라 미끄러지는 2면 쐐기파괴와 한 불연속면에 의해 절단되면서 분리되어 다른면을 따라 미끄러지는 1면 쐐기파괴 형태로 분류된다. 기본적으로 쐐기파괴가 발생하기 위해서는 다음의 세가지 조건을 만족해야 한다.The wedge failure is classified as a two - plane wedge fracture which is formed by two discontinuities and a one - plane wedge fracture which is separated by a discontinuity plane and slides along the other plane. Basically, in order for wedge failure to occur, the following three conditions must be met.

1) 두 불연속면의 교차선 경사는 절리면의 내부마찰각보다 커야한다. 즉, 미끄러져 내려가는 활동력이 절리면 전단강도보다 커야 파괴가 발생한다.1) The intersection line inclination of two discontinuities shall be greater than the internal friction angle of the joint plane. That is, the force of slipping downward is greater than the shear strength of the joint surface, and fracture occurs.

2) 두 불연속면의 교차선 경사는 비탈면 경사보다 작아야 한다.2) The intersection line slope of two discontinuities shall be smaller than the slope slope.

3) 두 불연속면의 교차선 방향은 비탈면의 경사방향과 평행하거나 오차범위 ±20도 이내로 비탈면과 교차해야 한다.3) The intersection of two discontinuities must intersect the slope parallel to the slope of the slope or within ± 20 ° of the slope.

전도파괴는 비탈면 주향과 동일한 방향의 주향 및 비탈면 경사와 반대방향의 급경사를 가지는 불연속면이 높은 빈도로 발달되어 있을 때 주로 발생한다.Conduction failure occurs mainly when the slope in the same direction as the slope incline and slope incline in the opposite direction to the slope incline are developed at a high frequency.

전도파괴는 파괴블럭 무게중심 위치에 따라 회전과 미끄러짐을 동반하기 때문에 미끄러짐 방향에 대한 활동력과 저항력만으로는 안전율을 계산할 수 없다.Conduction failure is accompanied by rotation and slip along the center of gravity of the fracture block, so the safety factor can not be calculated solely by the force and resistance to the slip direction.

한계평형이론에 의한 비탈면의 안전율은 다음과 같이 활동력에 대한 저항력의 비로 나타낼 수 있다. 1을 기준으로 안정, 불안정상태로 구분된다.The safety factor of the slope by the limit equilibrium theory can be expressed as the ratio of the resistance to the active force as follows. 1 as a stable and unstable state.

안전율을 계산하는데 있어서 가장 중요한 요소는 절리경사, 인장균열위치 등과 같은 파괴블럭의 규모와 절리면의 강도특성이다. 이외 지하수, 충전물의 유무, 상재하중이 안전율에 영향을 미치는 중요한 인자로 작용한다.The most important factors in calculating the safety factor are the size of the fracture block and the strength characteristics of the joint surface, such as joint slope and tensile crack location. In addition, groundwater, presence of fillers, and overburden load are important factors affecting the safety factor.

암반사면의 주향, 경사각, 경사방향을 측정할 수 있는 클리노미터는 야외 및 현장에서 지질조사 및 관련 산업계에서 여러 노두에 발달된 지질구조(층리, 엽리, 습곡, 절리 및 단층 등)의 측정에 있어 필수 불가결한 휴대용 장비에 속한다.The clinometer, which can measure the inclination, inclination and inclination of rock slope, is essential for the measurement of geological structures (stratum, foliation, folds, joints and faults) developed in various outcrops in geological survey and related industries It belongs to indispensable portable equipment.

1) 주향 측정 방법1) Measuring method

가) 측정하고자 하는 지층면에 클리노미터의 장변을 붙이고 수준기를 이용해수평이 되게 한다.A) Attach the long side of the clinometer to the surface of the stratum to be measured and level it with the leveling instrument.

나) 클리노미터 안쪽 방위표시 중 N을 기준으로 자침이 E 또는 W방향에 위치하게 된다. 이때 자침(북침 또는 남침)이 바깥눈금을 가리키는 숫자(각도)와 방향을 읽으면 된다.B) The needle is positioned in the E or W direction with respect to the N in the direction of the inside of the clinometer. At this time, read the number (angle) and direction in which the needle (pointed hand or pointed hand) points to the outer scale.

자침이 N과 E사이에 있고 30°을 가리키면 주향은 N30°E임If the needle is between N and E and points to 30 °, the diversion is N30 ° E

자침이 N과 W사이에 있고 30°을 가리키면 주향은 N30°W임If the needle is between N and W and points to 30 °, the diversion is N30 ° W

자침이 N과 S에 일치하면 주향은 NS임If the needle coincides with N and S, the diversion is NS

자침이 EW에 일치하면 주향은 EW임If the stitches match the EW, the strike is EW

2) 경사 측정 방법2) Slope measurement method

가) 경사각은 지층면과 수평면이 만나는 선(즉, 클리노미터의 장변방향의 교선)에 직각인 직선과 수평면과의 각이 경사각이다. 경사 각도를 측정하기 위해서는 주향의 직각 방향으로 클리노미터를 위치하고 경사각 측정 바늘이 가리키는 안쪽 눈금을 읽으면 된다.A) The angle of inclination is the angle between the straight line and the horizontal plane perpendicular to the line where the stratum planes meet the horizontal plane (that is, the intersection of the longitudinal direction of the clinometer). To measure the tilt angle, position the clinometer in the direction perpendicular to the tilt and read the inner scale indicated by the tilt angle measuring needle.

나) 경사각을 측정한 후, 경사방향을 판단해야 한다. 그러나 클리노미터에서는 경사 방향을 알 수 없다. 경사방향은 지층의 실제 기울어진 방향을 측정자가 스스로 방위를 고려하여 결정해야 한다.B) After measuring the tilt angle, determine the tilt direction. However, the slope direction is unknown in the clinometer. The direction of the slope should be determined by the measurer taking into account the bearing itself, the actual tilted direction of the strata.

다) 경사각과 경사방향을 측정한 후, 경사의 표시는 30°SE와 같이 경사방향 앞에 경사각도를 기록한다. 결국 주향과 경사를 측정하면, 주향과 경사의 방향은 항상 직각이 된다.C) After measuring the tilt angle and tilt direction, the tilt angle shall be recorded in front of the tilt direction, such as 30 ° SE. As a result, when the incline and inclination are measured, the direction of the incline and the inclination are always perpendicular.

암반사면의 안정성 해석을 위해서는 암반사면의 경사방향 및 경사각의 측정이 필요하며 현재는 다수의 인원이 오랜 시간을 소요하여 제한된 암반사면의 조사면적으로서 암반사면의 경사방향 및 경사각을 측정하여 안정성해석을 수행하고 있는 실정으로서 암반사면의 신뢰성이 높은 안정해석을 위해서는 암반사면의 전체면적에 대한 조사가 필요하며 이를 위해서 암반사면에 대한 접근성 및 다수의 데이터의 취득이 용이한 드론을 이용하여 암반사면 안정해석을 위한 기초자료획득 측정시스템을 개발할 필요가 있다.In order to analyze the stability of the rock slope, it is necessary to measure the slope direction and the slope angle of the rock slope. Currently, many people take a long time to measure the slope angle and the slope angle of the rock slope as the limited area. In this study, the stability of the rock slope is investigated and the total area of the rock slope is investigated. For this purpose, the rock slope stability analysis It is necessary to develop a basic data acquisition measurement system.

드론의 구성요소는 크게 8가지 정도로 구분할 수 있다. 드론의 뼈대가 되어줄 프레임과 배터리를 이용하여 동력을 만드는 모터, 드론을 떠오르게 하는 프로펠러, 모터의 회전속력을 정밀하게 조절해줄 전자변속기, 자이로, 지자계 등의 센서들을 탑재하여 기체가 수평비행 할 수 있도록 해주는 비행제어유닛, 무선조종기가 송신한 무선신호를 받아 비행제어유닛에 전달해줄 무선 수신기, 드론을 원격조종하는 무선조종기, 드론을 작동시키기 위한 배터리로 구분할 수 있다.The components of the drone can be roughly classified into eight categories. It is equipped with sensors such as motors that make the drones frame and battery to power, propellers that hover the drones, electronic gearbox that precisely adjusts the rotational speed of the motor, gyro, , A radio receiver to receive the radio signal transmitted by the radio remote controller to the flight control unit, a radio remote control radio transmitter, and a battery to operate the drones.

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상승 및 하강 : (1)~(4)를 동일하게 회전속도를 올리면 기체는 상승하고 동일하게 회전속도를 낮추면 기체는 하강하게 된다.Rising and falling: Raising the rotational speed of (1) - (4) equally increases the gas, and if the rotational speed is lowered equally, the gas falls.

전후진 : (3)의 속도만 올리면 기체는 앞으로 기울어져 전진하게 되고 (1)의 속도만을 올리면 기체는 뒤로 기울어져 후진하게 된다.Front and rear: When the speed of (3) is raised, the gas leans forward and advances. When only the speed of (1) is raised, the gas tilts backward to backward.

좌우진 : (2)의 속도만을 올리면 기체는 왼쪽으로 기울어져 왼쪽으로 이동하고 (4)의 속도만을 올리면 기체는 오른쪽으로 기울어져 이동한다.Left and right: If you raise only the speed of (2), the gas tilts to the left and moves to the left. If you increase only the speed of (4), the gas tilts to the right and moves.

회전 : (1)과 (3)의 속도를 동일하게 증가시키면 기체의 반토크 균형이 깨져 기체 후미가 왼쪽으로 돌아가고 (2)와 (4)의 속도를 동일하게 증가시키면 마찬가지 이유로 기체의 후미가 오른쪽으로 돌아간다.Rotation: If you increase the speeds of (1) and (3) equally, if the anti-torque balance of the gas is broken and the rear of the airframe turns to the left and the speed of (2) and (4) increases equally, .

드론을 이용하여 암반사면에 쉽게 접근할 수 있으며 이러한 드론에 암반사면 절리특성을 기존의 클리노미터를 이용하지 않고 새로운 측정시스템을 구축하여 암반사면 절리특성 데이터를 효과적으로 확보할 수 있는 방안으로 아두이노 기반의 하드웨어와 소프트웨어를 이용한 시스템을 구비하는 것이다. It is easy to access the rock slope using the drone and it is possible to obtain the data of rock slope joint characteristics effectively by constructing a new measurement system without using the existing clinometer. And a system using hardware and software.

아두이노는 손쉬운 개발 환경을 제공하는 오픈 소스 기반 H/W 플랫폼으로, 손쉬운 개발 툴 및 USB 기반 연결 인터페이스, 저렴한 H/W 비용, 모든 구조의 개방으로 하드웨어에 대한 깊은 지식 없이도 어플리케이션 구축이 가능한 특징이 있다. 특히, 아두이노는 많은 스위치나 센서로부터 값을 받아들여, LED나 모터와 같은 전기 장치를 제어함으로서 주변 환경과의 상호 작용성을 제공하고 있다.Arduino is an open source based H / W platform that provides easy development environment, easy development tool, USB-based connection interface, low cost of H / W, open architecture, have. In particular, Arduino accepts values from many switches and sensors and provides interactivity with the surrounding environment by controlling electrical devices such as LEDs and motors.

이러한 아두이노의 가장 큰 장점은 마이크로 컨트롤러를 쉽게 동작시킬 수 있다는데 있다. 일반적으로 AVR 프로그래밍이 WinAVR로 컴파일하여, ISP장치를 통해 업로드를 해야하는 등 번거로운 과정을 거쳐야하는데 비해, 아두이노는 USB를 통해 컴파일 및 업로드를 쉽게 할 수 있다. 또한, 아두이노는 다른 모듈에 비해 비교적 저렴하고, Windows를 비롯해 Mac OSX, 리눅스와 같은 여러 OS를 모두 지원하고 있으며, 아두이노 보드의 회로도가 CCL에 따라 공개되어 있으므로, 누구나 직접 보드를 직접 만들고 수정할 수 있다.One of the great advantages of this Arduino is that it makes it easy to operate the microcontroller. In general, AVR programming can be compiled with WinAVR and uploaded via an ISP device, which is a cumbersome process, whereas Arduino can be easily compiled and uploaded via USB. In addition, Arduino is relatively inexpensive compared with other modules, and supports OS such as Windows, Mac OSX and Linux, and Arduino's circuit diagram is released according to CCL, so anyone can directly create and modify board .

상기의 아두이노를 이용하여 암반사면의 경사각 및 경사방향을 측정하는 시스템을 구축하는 것은 저비용으로 신뢰도가 높은 다수의 데이터를 취득하는 효과적인 방법이다. The construction of a system for measuring the inclination angle and the inclination direction of the rock slope using the above-mentioned Arduino is an effective method for obtaining a large number of reliable data at a low cost.

1) 조사범위1) Survey scope

조사창 조사법은 그 조사창의 크기 선택도 중요하지만 각 조사창 간의 간격 및 빈도의 결정에 객관성을 잃기 쉬우며 간격으로 수행하는 과정에서 조사창 간의 중요한 지질구조선이 누락될 수 있다.It is important to select the size of the survey window. However, it is easy to lose objectivity in determining the interval and frequency between the survey windows. In the process of performing the interval, a significant geological structure line between the survey windows may be omitted.

2) 조사인원2) Investigators

암반사면의 안정성 해석을 위해서는 암반사면의 경사방향 및 경사각의 측정이 필요하며 현재는 다수의 인원이 제한된 암반사면의 조사면적으로서 암반사면의 경사방향 및 경사각을 측정하고 있다.In order to analyze the stability of the rock slope, it is necessary to measure the slope direction and the slope angle of the rock slope. Currently, the slope direction and the slope angle of the rock slope are measured as the irradiation area of the rock slope with a limited number of people.

3) 조사신뢰도3) Survey reliability

기존의 암반 사면의 조사시 클리노미터를 이용한 수작업으로 노출된 암반 내 불연속면의 방향성(경사방향/경사)을 측정하여 안정성 평가를 수행하지만 대부분의 붕괴사고가 사면의 상부에서 유발되는 점으로 볼 때 상부로의 접근이 어려워 효과적인 불연속면 조사를 실시할 수 없기 때문에 그 신뢰도가 떨어진다.The stability evaluation is performed by measuring the directionality (slope direction / slope) of the discontinuity in the rock exposed by hand using the clinometer during the irradiation of the existing rock slope. However, considering that most collapse accidents occur at the upper part of the slope, It is difficult to conduct an effective discontinuity survey and thus the reliability thereof is lowered.

4) 경제성4) Economy

암반사면 조사시 작업자의 사고방지에 대한 대책을 수립하는데 많은 시간과 비용이 발생한다는 문제점이 있으며, 또한 대책수립의 지연으로 인하여 사고발생을 전혀 예방할 수 없다는 문제점이 있다.There is a problem that it takes a lot of time and cost to establish a countermeasure against the accident of a worker in the investigation of rock slope and there is a problem that the occurrence of an accident can not be prevented at all due to the delay in the establishment of the measure.

5) 안전성5) Safety

암반사면 조사시 절벽이나 대절토사면의 경우 작업자가 직접 조사하거나 점검장비를 이용하는 방법 또한 안전문제 때문에 어렵다.In the case of rock slope surveys, it is difficult for the operator to investigate the cliffs or the slope of the sandy slopes, or to use the inspection equipment.

6) 조사측정시간      6) Survey measurement time

다수의 절리특성을 측정하는 경우에 클리노미터를 이용한 수작업시 데이터의 결과처리에 많이 시간이 소요된다.      In the case of measuring a large number of joint characteristics, it takes much time to process the result of the data in the manual operation using the clinometer.

드론은 프레임, 프레임에 구비되는 모터, 모터에 의하여 회전하는 프로펠러 및 프레임, 모터 하단부에 초음파 센서 또는 적외선 센서, 근접한 물체와의 거리를 계산하여 일정한 높이로 비행하도록 하되, 근접한 물체의 이동방향에 따라 이동방향을 판단하여 이동방향으로 비행하도록 제어하는 판정부를 포함할 수 있다.The drones are designed to fly at a constant height by calculating the distance between the frame, the motor provided in the frame, the propeller and frame rotating by the motor, the ultrasonic sensor or the infrared sensor at the lower end of the motor, And a judging section for judging the moving direction and controlling the moving direction to fly.

한편, 판정부는 아두이노를 이용하여 반사되는 거리를 측정하여, 물체와의 일정거리를 유지시키고, 프레임에는 비행 지시를 주고 받을 수 있는 통신부가 구비되어, 사용자의 이동단말기 또는 무선조종기에 의하여 조종이 가능하도록 구성 가능하다.On the other hand, the judging unit includes a communication unit that measures the distance reflected by the arduino, maintains a certain distance from the object, and sends and receives a flight instruction to the frame. Lt; / RTI >

프레임 및 프로펠러를 외부로 노출되지 않도록 보호하는 보호커버를 장착할 수 있으며, 보호커버는 프레임의 상면을 보호하는 상면덮개 및 프레임의 하면을 보호하는 하면덮개를 포함할 수 있다.A protective cover for protecting the frame and the propeller from being exposed to the outside, and the protective cover may include an upper cover for protecting the upper surface of the frame and a lower cover for protecting the lower surface of the frame.

드론과 아두이노 사이에 고정부재로 고정되어 있으며, 프레임 본체에 구비되어 아두이노에 장착된 기울기센서, 9축 모션 센서, Xbee 센서, 초음파센서의 결과값을 송신하여 수신기로 확인할 수 있다.And a resultant value of the tilt sensor, the 9-axis motion sensor, the Xbee sensor, and the ultrasonic sensor mounted on the Arduino can be transmitted to the receiver and confirmed by the receiver.

아두이노는 자세정보를 받는 9축 모션센서, 기울기 센서, 송수신하는 Xbee센서, 초음파센서, 전기를 공급하는 배터리 등이 아두이노에 장착되어 암반사면의 경사방향 및 경사각을 측정할 수 있다.The Arduino is equipped with a 9-axis motion sensor that receives attitude information, a tilt sensor, an Xbee sensor that sends and receives, an ultrasonic sensor, and a battery that supplies electricity to measure the inclination angle and tilt angle of the rock slope.

초음파센서는 음파를 발생시켜 암반사면절리에 부딪히게 하여 반사되어 돌아오는 시간을 계산해서 거리를 측정하는 센서이다.The ultrasonic sensor is a sensor that generates a sound wave to hit the rocky slope joint, and measures the distance by calculating the reflection time.

Xbee센서는 송수신센서로 아두이노에서 측정된 결과 값을 Xbee센서를 통해 수신기로 송신하는 센서이다.The Xbee sensor is a transceiver sensor that transmits the measured value from Arduino to the receiver through the Xbee sensor.

기울기센서는 드론이 항상 수평으로 암반사면절리의 거리를 측정하는 것이 아니므로 드론의 기울기 값을 측정할 수 있는 센서이다.The tilt sensor is a sensor that can measure the tilt value of the dron because the dron does not always measure the distance of the rock slope joints horizontally.

배터리는 아두이노에 결합되어 있는 센서들을 작동시키기 위해 전력공급을 하는 장치이다.The battery is a device that powers the sensors connected to the adapter.

9축 모션센서는 암반사면절리의 고도와 경사방향을 측정하는 센서이다.The 9-axis motion sensor measures the altitude and slope direction of rock slope joints.

암반사면의 경사방향 및 경사각 측정 시 기존의 클리노미터를 이용하는 방법으로는 암반사면의 전체면적에 대한 측정이 제한되고, 많은 인원이 오랜 시간을 소요하여 측정을 하였으나 드론과 아두이노를 이용하면 암반사면의 전체면적에 대한 조사가 가능하게 되고, 현장측정 작업시간을 단축할 수 있으며, 많은 조사자료를 실시간으로 추출할 수 있어 기존보다 암반사면의 안정해석결과에 대한 신뢰도를 높일 수 있게 되고, 기존 방법대비 인력투입 및 조사부대비용이 절감되어 경제성이 양호하게 된다. 또한, 조사자가 암반사면에 직접 접근하지 않아도 되므로 안전사고를 예방하는 효과를 얻을 수 있으며 조사가 완료된 암반사면의 절리특성데이터는 메모리로 저장되어 추후 동일 암반사면의 절리특성조사시 유지관리데이터로 활용하여 시간이력에 따른 암반사면의 절리특성을 추적할 수 있다.In the measurement of the inclination direction and inclination angle of rock slope, the measurement using the existing clinometer was limited to the total area of the rock slope and many people took a long time to measure it. However, when using the drones and the arduino, It is possible to investigate the whole area, shorten the field measurement work time, and extract a lot of survey data in real time. Therefore, it is possible to improve the reliability of the stability analysis result of rock slope than the existing method, The cost of manpower input and inspection costs is reduced and the economic efficiency is improved. In addition, since the investigator does not need to directly access the rock slope, it is possible to prevent safety accidents. The joint characteristic data of the rock slope after the survey is completed is stored in the memory, and is used as maintenance data in the investigation of the joint characteristics of the same rock slope And it can track the joint characteristics of rock slope according to time history.

도 1(a)은 종래의 클리노미터로 주향을 측정하는 것을 보여주는 예시도이고, 도 1(b)는 종래의 클리노미터로 경사를 측정하는 것을 보여주는 예시도이다.
도 2는 드론과 아두이노의 결합을 나타낸 도면이다.
도 3은 드론과 아두이노가 결합된 드론의 비행 상태도면이다.
도 4는 드론과 아두이노를 이용하여 주향과 경사각을 측정하는 모습을 보여주는 도면이다.
도 5는 드론의 하부를 나타낸 도면이다.
도 6은 드론과 결합되는 아두이노 보드를 나타낸 도면이다.
도 7은 아두이노 보드에 결합되는 9축센서모션 실드를 나타낸 도면이다
도 8은 아두이노 보드에 결합되는 무선SD실드를 나타낸 도면이다.
도 9는 아두이노 보드에 결합되는 프로토실드를 나타낸 도면이다.
도 10은 아두이노 보드의 케이스를 나타낸 도면이다.
FIG. 1 (a) is an exemplary view showing the measurement of the inclination with a conventional clinometer, and FIG. 1 (b) is an exemplary view showing measuring a inclination with a conventional clinometer.
Fig. 2 is a view showing the combination of the drones and the arduino.
3 is a flight state diagram of the dron combined with the drones and the arduino.
4 is a view showing a state in which the inclination angle and the inclination angle are measured using the drones and the arduino.
5 is a bottom view of the drones.
6 is a view showing an adonyno board coupled with a drone.
Figure 7 is a view of a nine axis sensor motion shield coupled to an adonyno board
Figure 8 is a diagram of a wireless SD shield coupled to an adonyno board;
Figure 9 is a view of a protoshield coupled to an adinino board.
10 is a view showing a case of an adunion board.

도 1(a)은 종래의 클리노미터로 주향(N15°E)을 측정하는 것을 보여주는 예시도이고, 도 1(b)는 종래의 클리노미터로 경사(40°SE)를 측정하는 것을 보여주는 예시도이다.Fig. 1 (a) is an exemplary view showing a measurement of a bow (N15 ° E) with a conventional clinometer, and Fig. 1 (b) is an example showing measuring a tilt (40 ° SE) with a conventional clinometer.

도 1(a)를 참고하면, 클리노미터를 이용하여 주향을 측정하기 위해서는 클리노미터의 긴 변인 주향측정면을 측정하고자 하는 암반사면에 밀착시킨 후 수평계를 이용하여 클리노미터가 수평면과 나란하게 놓이도록 한다. 여기서 수평면은 가상의 해수면으로, 중력과 수직 방향의 평면이다. 주향측정면을 암반사면에 밀착시키고 수평면과 나란하게 놓은 뒤에는 클리노미터의 자침부가 가리키는 방향의 값을 읽으면 된다. 클리노미터는 나침반과 다르게 'N'을 기준으로 우측에 'W', 좌측에 'E'가 있는데, 그 이유는 주향의 정의를 참고하면 알 수 있다. 주향은 암반사면이 수평면과 만나 이루는 선의 방향을 진북을 기준으로 측정한 각이다. 클리노미터의 주향측정면을 암반사면에 밀착시키게 되면 클리노미터의 'N'은 주향과 나란한 방향으로 놓이게 된다. 이후 자침부가 진북을 가리키게 되면 'N'과 자침부의 차이가 주향의 각도가 되는데, 그 방향은 자침부를 기준으로 읽어야 한다. 이때, 클리노미터의 자침부를 보고 바로 주향을 읽을 수 있도록 하기 위하여 일반 나침반과 다르게 'W'와 'E'가 반대로 쓰여져 있는 것이다.Referring to FIG. 1 (a), in order to measure the inclination using the clinometer, the longitudinal measurement surface of the clinometer is brought into close contact with the rock slope to be measured, and then the clinometer is placed side by side with the horizontal plane. Here, the horizontal plane is the virtual sea level, the plane of gravity and vertical direction. After placing the measuring surface closely against the rock slope and aligning it with the horizontal plane, read the value of the direction of the needle point of the clinometer. Unlike the compass, the clinometer has 'W' on the right side and 'E' on the left side based on 'N'. The inclination is the angle measured by the direction of the line connecting the slope of the rock slope with the horizontal plane based on the true north. When the measuring surface of the clinometer is brought into close contact with the rock slope, the 'N' of the clinometer is placed in a direction parallel to the direction of the slope. Then, when the needle point is pointing to the north, the difference between 'N' and the needle-like portion becomes the angle of the diversion. At this time, 'W' and 'E' are reversed in contrast to the ordinary compass in order to be able to read the direction of the needle point of the clinometer.

도 1(b)를 참고하면, 경사를 측정하는 방법은 클리노미터를 경사방향으로 세워 암반사면에 밀착시킨 후 경사측정부의 무게추가 가리키는 값을 읽으면 된다. 클리노미터를 경사방향으로 세우게 되면 중력으로 인하여 무게추는 수평선에 수직방향을 가리키게 되고 클리노미터 자체는 경사면과 나란한 방향으로 기울어져 있으므로 무게추가 가리키는 값을 읽으면 경사를 알 수 있는 것이다.Referring to FIG. 1 (b), in the method of measuring the inclination, the clinometer is set up in the oblique direction so as to be brought into close contact with the rock slope, and then the value indicating the additional weight of the inclination measuring unit can be read. When the clinometer is set in the oblique direction, the gravity point will point to the vertical direction on the horizontal line due to gravity, and the clinometer itself will be inclined in the direction parallel to the slope.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 드론(100)의 결합된 아두이노(200)를 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a combined arduino 200 of a drones 100 according to one embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 아두이노(200)는 측정된 결과값을 무선송신할 수 있도록 구성되며, 상기 아두이노(200)에서 무선송신된 결과값을 수신하여 디스플레이하는 모니터가 구비된다. 또한 아두이노를 결합한 드론이 비행시 회전각속도를 알려주는 3축 가속도센서와 3축 자이로센서가 내장되어 실시간으로 X,Y,Z축에 대한 각속도값을 피드백 받아 스스로 수평과 기울어진 각도를 인식할 수 있어 안정적인 비행이 가능하다. As shown in FIG. 2, the Arduino 200 according to the embodiment of the present invention is configured to wirelessly transmit a measured result, and receives a wirelessly transmitted result value from the Arduino 200 A monitor for displaying is provided. In addition, a 3-axis acceleration sensor and a 3-axis gyro sensor, which detect the rotational angular velocity during flight, are incorporated in the drones that combine the Arduino to recognize the horizontal and tilt angles by feedbacking the angular velocity values on the X, Y and Z axes in real time It is possible to fly stable.

도 3는 드론(100)과 결합된 아두이노(200)와 비행하는 모습을 나타내는 도면이다.FIG. 3 is a view showing a state in which flying with an adunino 200 combined with a drone 100 is performed.

도 4는 드론(100)과 결합된 아두이노(200)가 암반절리사면에 경사각과 경사방향을 측정하는 모습을 나타내는 도면이다.4 is a view showing a state in which the arduino 200 coupled with the drone 100 measures an inclination angle and an inclination direction on a rock joint slope.

도 5는 본 발명의 일실시예에 드론의 하부에 아두이노 케이스(250)를 고정시킬 수 있는 고정공(Hs2)을 나타낸 도면이다.5 is a view showing a fixing hole Hs2 in which an aluminum case 250 can be fixed to a lower portion of a dron according to an embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 드론하부는 아두이노케이스(250)와 연결할 수 있는 고정공(Hs2)이 관통 형성되어 도 10의 케이스 나사(Hs1)등의 고정수단으로 드론(100)과 고정 시킬 수 있다.5, the lower portion of the drone according to an embodiment of the present invention is formed with a fixing hole Hs2 through which a fixing screw Hs2, which can be connected to the arcuate case 250, As shown in FIG.

도 6은 본 발명의 아두이노 메인보드(200)는 센서 통신포트(220), USB 통신포트(230) 등 외부 장치와의 통신을 위한 통신포트와 데이터 저장을 위한 메모리, 전원 공급을 위한 DC 전원부(210)와 상기 각 구성부를 제어하는 중앙처리부를 포함하여 이루어진다.6 is a block diagram illustrating a main part of an Arduino main board 200 according to the present invention. The Arduino main board 200 includes a communication port for communication with an external device such as a sensor communication port 220 and a USB communication port 230, a memory for storing data, (210) and a central processing unit for controlling the respective components.

상기 센서 통신포트(220)는 각종 센서를 연결하여 데이터를 송수신하는 인터페이스 장치이고, USB통신포트(230)는 USB 통신을 지원하는 다양한 제어장치와 연결되어 데이터를 송수신하는 인터페이스 장치이다.The sensor communication port 220 is an interface device for connecting and receiving data by connecting various sensors. The USB communication port 230 is an interface device connected to various control devices supporting USB communication to transmit and receive data.

도 7은 아두이노 보드에에 결합되는 아두이노 9축모션센서(222)를 나타낸 도면이다.Figure 7 is a diagram of an Arduino 9-axis motion sensor 222 coupled to an Arduino board.

상기 9축모션센서(222)는 드론의 고도 값과 암반사면절리의 경사방향을 측정하는 센서이다.The 9-axis motion sensor 222 is a sensor for measuring an altitude value of a dron and an inclination direction of a rock slope joint.

도 8은 아두이노 보드에 결합된 무선SD실드(221)와 Xbee센서(225)를 나타낸 도면이다. 8 is a diagram illustrating a wireless SD shield 221 and an Xbee sensor 225 coupled to an adonyno board.

상기 무선SD쉴드(221)는 Xbee센서(225)의 무선통신을 가능하게 도와주는 장치이다.The wireless SD shield 221 is a device that enables wireless communication of the Xbee sensor 225.

Xbee센서(225)는 송수신센서로 아두이노에서 측정된 결과 값을 Xbee센서(225)를 통해 수신기로 송신하는 센서이다.The Xbee sensor 225 is a sensor for transmitting the result measured at the Arduino to the receiver through the Xbee sensor 225 as a transmission / reception sensor.

도 9은 아두이노 보드(200)에 결합되는 아두이노 쉴드(223)를 나타낸 도면이다.9 is a view showing an adinino shield 223 coupled to the adonaboard 200. FIG.

상기 아두이노 쉴드(223)에는 아두이노의 기울기 값을 측정하는 기울기센서(224)와 수평거리정보를 측정하는 초음파센서(226)가 장착되어 있다.The tilt sensor 224 for measuring the tilt value of the arduino and the ultrasonic sensor 226 for measuring the horizontal distance information are mounted on the arcuino shield 223.

상기 초음파 센서부(226)는 대상체와의 거리를 감지하기 위한 수단이다.The ultrasonic sensor unit 226 is a means for sensing a distance to a target object.

초음파 센서(226)는 사람의 귀에 들리지 않을 정도로 높은 주파수(약20 KHz 이상)의 소리인 초음파가 가지고 있는 특성을 이용한 센서로 40Khz의 초음파를 송신하면 대상체에서 반사되는 수신신호를 수신부에서 수집하여 시간과 속도로서 물체와의 거리를 측정하는 원리를 이용한다. 이러한 초음파 센서를 본 실시 예의 시스템에 적용하면, 암반사면과의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.The ultrasonic sensor 226 is a sensor using a characteristic of an ultrasonic wave having a high frequency (about 20 KHz or more) that can not be heard by the human ear. When a ultrasonic wave of 40 KHz is transmitted, a reception signal reflected from the object is collected by a receiver, And the principle of measuring the distance from the object as velocity. When such an ultrasonic sensor is applied to the system of this embodiment, the distance from the rock slope can be accurately measured.

도 10는 아두이노 케이스(250)를 나타낸 도면이다.10 is a view showing the inkino case 250. FIG.

도 10에 도시된 바와 같이, 케이스 상부에는 고정공(Hs3)이 관통 형성되며, 상기 고정공(Hs3)에 삽입되는 나사(Hs1)에 의하여 아두이노가 장착되는 것을 특징으로 한다.As shown in FIG. 10, a fixing hole Hs3 is formed through the upper part of the case, and the screw is inserted by the screw Hs1 inserted into the fixing hole Hs3.

장치 부재번호
100 : 드론
200 : 아두이노 보드
210 : DC 전원부
220 : 센서통신포트
221 : Wireless Shield
222 : 9축모션센서 쉴드
223 : 프로토 쉴드
224 : 기울기센서
225 : Xbee센서
226 : 초음파센서
227 : 9V 전원공급
230 : USB 통신포트
240 : 마이크로 컨트롤러
250 : 아두이노 케이스
300 : 수신부 컴퓨터
400 : 디스플레이
500 : 카메라
Hs1 : 아두이노 케이스 나사
Hs2 : 드론 하부 고정공
Hs3 : 케이스 상부 고정공
방법 부재번호
S100 : 송신부 통신설정단계
S110 : 수신부 통신설정단계
S120 : 초음파센서 이동단계
S130 : 수평거리정보 수신단계
S140 : 경사방향정보 수신단계
S150 : 경사각으로 변환단계
S160 : 경사방향, 경사각 디스플레이 단계
Device number
100: Drones
200: Arduino board
210: DC power supply
220: Sensor communication port
221: Wireless Shield
222: 9 Axis Motion Sensor Shield
223: Protoshield
224: tilt sensor
225: Xbee sensor
226: Ultrasonic sensor
227: 9V power supply
230: USB communication port
240: Microcontroller
250: Arduino case
300: Receiver computer
400: Display
500: camera
Hs1: Arduino case screw
Hs2: Lower drones
Hs3: Case upper fixing hole
Method number
S100: Transmission unit communication setting step
S110: Receiver communication setting step
S120: Ultrasonic sensor moving step
S130: Horizontal distance information reception step
S140: Receiving the oblique direction information
S150: Conversion step to the inclination angle
S160: Slope direction, inclination angle display step

Claims (1)

암반사면의 안정성을 해석하기 위해 아두이노를 드론의 기체하부에 연결하여 암반사면의 경사방향과 경사각을 용이하게 측정하는 장치로서,
아두이노 보드와 센서모듈을 결합하여 통신을 설정하는 단계;
수신부 컴퓨터에 아두이노 보드와 Xbee센서모듈을 연결하여 통신을 설정하는 단계;
드론을 비행하여 초음파 센서부를 암반사면에 일정거리 내로 접근시키는 단계;
초음파 센서부가 감지한 암반사면과의 수평거리정보를 Xbee센서모듈을 통하여 수신부로 전송하는 단계;
9축 모션 센서부가 감지한 암반사면의 고도정보 및 경사방향정보를 Xbee센서모듈을 통하여 수신부로 전송하는 단계;
아두이노에서 송신한 수평거리정보와 경사방향정보를 수신하여 측정된 수평거리정보와 경사방향정보를 수신기로 확인하는 단계;
소프트웨어를 이용하여 수평거리정보를 경사각으로 변환하는 단계;
경사각 및 9축 모션 센서부에서 수신받은 고도정보 및 경사방향을 사용자에게 디스플레이 하는 단계;
In order to analyze the stability of a rock slope, an apparatus for easily measuring an inclined direction and an inclination angle of a rock slope by connecting an udino to a lower portion of a dron,
Establishing communication by combining the sensor module and the add-on board;
Establishing communication by connecting an XBee sensor module to an adonyno board in a receiver computer;
Flying the drone to approach the ultrasonic sensor part to the slope of the rock within a certain distance;
Transmitting information of the horizontal distance to the rock slope detected by the ultrasonic sensor to the receiver through the Xbee sensor module;
Transmitting the altitude information and the slope direction information of the rock slope detected by the 9 axis motion sensor to the receiver through the Xbee sensor module;
Receiving horizontal distance information and oblique direction information transmitted from the Arduino, and verifying the measured horizontal distance information and oblique direction information with a receiver;
Converting the horizontal distance information to an inclination angle using software;
Displaying the altitude information and the oblique direction received by the tilt angle and the 9-axis motion sensor to the user;
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KR102217627B1 (en) * 2019-12-23 2021-02-19 메타빌드(주) Dron waytpoint creating system and method for monitoring road slope using dron
KR20220103498A (en) 2021-01-15 2022-07-22 주식회사 놀만 Battery charging protection circuit

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