KR20210132518A - 비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법 Download PDF

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KR20210132518A
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최해진
한순영
도민득
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중앙대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 스테레오 비전을 이용한 워크피스(Workpiece)의 형상 추정 및 진동 측정으로 노이즈 영향을 억제하고 측정 신뢰도를 높일 수 있도록 한 비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 진동 측정대상체에 부착된 마커를 포함하는 제 1,2 이미지를 획득하는 이미지 획득부;이미지 왜곡 보정 및 이미지 크기 변환을 하고 포인트 추출을 위한 마커를 중심으로 한 이미지를 선택 추출하는 이미지 전처리부;마커의 중심 포인트를 검출하고 제 1 이미지의 2차원 좌표를 구하고, 제 2 이미지의 2차원 좌표를 구하는 포인트 검출 및 2차원 좌표 산출부;3각 측량법(Triangulation)으로 3차원 매칭을 하여 3차원 좌표 산출을 하여 좌표 정보를 3차원 진동정보 산출부로 제공하는 3차원 좌표 산출부;프레임 단위 이미지 전처리를 하고 3차원 매칭을 하여 프레임 단위 3차원 좌표 산출을 하여 3차원 기준 좌표와 비교하여 3차원 움직임 산출을 하고 3차원 좌표 산출부에서 제공받은 진동 정보를 반영 변환하여 3차원 진동정보를 산출하는 3차원 진동정보 산출부;를 포함하는 것이다.

Description

비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법{Non contact vibration detection system and Method for controlling the same}
본 발명은 비접촉 진동감지 기술에 관한 것으로, 구체적으로 스테레오 비전을 이용한 워크피스(Workpiece)의 형상 추정 및 진동 측정으로 노이즈 영향을 억제하고 측정 신뢰도를 높일 수 있도록 한 비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
산업 현장에서 사용되는 기계 장치들은 동작특성상 어느 정도의 진동은 발생하는데, 특정 임계치를 초과하는 진동이 발생할 경우 조기 진단 및 대응이 이루어지지 않으면 기계가 급속히 열화되어 수리가 불가능한 상황이 발생할 수 있다.
이러한 기계의 진동을 측정하기 위한 장비로는 접촉식 진동 측정장비가 널리 사용되고 있다. 접촉식 진동 측정장비는 기계의 물리적인 진동을 감지하여 측정한 변수에 비례하는 전기적 출력신호로 변환함으로써 이상 진동 여부를 판단할 수 있도록 한다. 이러한 장비는 감지 후 전기적 신호로 변환하는 변환기(transducer)를 구비하며, 장비에 따라 증폭회로나 변환회로(conversion electronics)를 필요로 한다.
기계의 진동상태를 감시하는데 사용하는 진동변환기로는 비접촉식 변위 변환기, 속도 검출기, 가속도계 등이 있으며, 이러한 변환기들은 한정적인 측정 범위를 가진다는 문제점이 있다.
일반적으로 산업현장에서는 다양한 장비들이 상호 영향을 미치면서 운영되는 관계로 측정 주파수에 따른 장비가 한정적이라는 것은 많은 측정장비와 많은 전문가를 보유해야 하는 불편함을 야기한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 레이저 도플러 편이현상을 이용한 광학 파이버 진동측정장비가 개발된 바 있다.
도 1은 종래 기술의 LDV 개념을 나타낸 구성도이다.
그러나 이러한 진동측정장비는 광학 파이버를 사용하므로 반사되는 표면의 재질에 영향을 받을 수 있고, 얻어진 데이터의 분석은 기존의 접촉식 장비와 마찬가지로 Time domain과 FFT domain 방식을 그대로 사용하며, 무엇보다 장비가 고가라는 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 측정된 데이터는 신호 대비 노이즈 비율(SNR)이 커서 결과를 왜곡시키며, 센서 자체의 노이즈, 공장 환경에서의 환경 노이즈 등을 모두 고려하여 원하는 데이터를 얻어내기가 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 비접촉 방식으로 신속한 진동 측정 결과의 제공이 가능한 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1984070호 대한민국 공개특허 제10-2014-0074630호 대한민국 등록특허 제10-1063565호
본 발명은 종래 기술의 비접촉 진동감지 시스템의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스테레오 비전을 이용한 워크피스(Workpiece)의 형상 추정 및 진동 측정으로 노이즈 영향을 억제하고 측정 신뢰도를 높일 수 있도록 한 비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 단일 카메라 또는 스테레오 카메라에서 2개의 이미지를 획득하여 위치 판단을 위한 2차원 포인트, 3차원 포인트 검출을 하고 이를 이용하여 3차원 좌표를 산출하여 프레임 단위로 산출 좌표를 이용하여 신뢰성 있는 진동 정보를 제공할 수 있도록 한 비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 체커 보드 형상의 마커의 사용으로 다중 포인트 검출을 이용한 3차원 좌표 산출 및 진동 정보를 산출하는 것에 의해 측정의 신속성 및 정확도를 높일 수 있도록 한 비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 다중 포인트 검출이 가능한 마커의 사용으로 획득된 이미지에서 여러 개의 포인트를 검출하고 평면 움직임이 아닌 3차원 움직임을 검출할 수 있어 정확하고 신속하게 비접촉 진동 측정이 가능하도록 한 비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 비접촉 진동 측정 방식으로 극한환경 및 정밀제조 시스템의 상태기반 정비를 위한 영상 활용 건전성 진단 및 예측 분야에서의 활용성을 높인 비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템은 진동 측정을 위한 포인트 검출을 위하여 진동 측정대상체에 부착되는 2차원 마커를 포함하는 제 1,2 이미지를 획득하는 이미지 획득부;이미지 왜곡 보정 및 이미지 크기 변환을 하고 포인트 추출을 위한 마커를 중심으로 한 이미지를 선택 추출하는 이미지 전처리부;마커의 중심 포인트를 검출하고 제 1 이미지의 2차원 좌표를 구하고, 제 2 이미지의 2차원 좌표를 구하는 포인트 검출 및 2차원 좌표 산출부;3각 측량법(Triangulation)으로 3차원 매칭을 하여 3차원 좌표 산출을 하여 좌표 정보를 3차원 진동정보 산출부로 제공하는 3차원 좌표 산출부;프레임 단위 이미지 전처리를 하고 3차원 매칭을 하여 프레임 단위 3차원 좌표 산출을 하여 3차원 기준 좌표와 비교하여 3차원 움직임 산출을 하고 3차원 좌표 산출부에서 제공받은 진동 정보를 반영 변환하여 3차원 진동정보를 산출하는 3차원 진동정보 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, CAD 모델을 이용한 3차원 좌표의 포인트 클라우드 피팅으로 워크피스의 위치를 검출하는 워크피스 위치 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 이미지 획득부는, 스테레오 카메라를 통하여 마커를 포함하는 제 1,2 이미지를 획득하거나, 미러를 이용하여 단일 카메라를 이용하여 마커를 포함하는 제 1,2 이미지를 획득하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 마커는, 진동에 따라 촬상되는 이미지에서 가우시안 분포가 달라지는 것을 이용하여 워크피스의 위치 확인 및 워크피스 형상 추정에 이용하기 위한 가우시안 분포 형상 또는 다중 포인트 검출을 하여 진동 정보 산출에 이용하기 위한 체크보드 형상인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 체크보드 형상 마커는, 1차 검출 영역이 되는 원형의 제 1 영역(A)과, 제 1 영역(A) 내에 사각 형상을 갖고 내측에 서로 다른 크기의 사각 영역으로 분할되어 중앙을 중심으로 흑과 백의 영역이 대칭적으로 위치되고 어느 한 부분에서 동일 색의 영역의 모서리가 접하는 형태를 갖고, 모서리가 접하는 부분들이 검출 포인트가 되는 제 2 영역(B)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 이미지 전처리부는, 진동 측정대상체에 부착된 마커를 포함하는 제 1,2 이미지의 왜곡을 보정하는 이미지 왜곡 보정부와,마커 포인트 검출 정확도를 높이기 위하여 이미지 크기를 확대 처리하는 이미지 크기 변환부와,포인트 추출을 위한 마커를 중심으로 한 이미지 영역을 선택하여 추출하는 관심 영역 선택부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 3차원 진동정보 산출부는, t번째 프레임의 이미지 크기 변환 및 2차원 포인트 검출을 하여 프레임 단위의 이미지 전처리를 하는 프레임 단위 이미지 전처리부와,3각 측량법(Triangulation)으로 프레임 단위 3차원 매칭을 하는 프레임 단위 3차원 매칭부와,프레임 단위 3차원 매칭 결과를 이용하여 프레임 단위 3차원 좌표 산출을 하는 프레임 단위 3차원 좌표 산출부와,프레임 단위 3차원 좌표 산출부에서 산출된 3차원 좌표와 3차원 기준 좌표 제공부에서 제공되는 3차원 기준 좌표와 비교하여 3차원 움직임 산출을 하는 3차원 움직임 산출부와,3차원 좌표 산출부에서 제공받은 좌표 정보를 반영하여 변환을 하는 진동 정보 반영 변환부와,진동에 따른 좌표 정보를 반영하여 3차원 진동정보를 산출하는 최종 3차원 진동정보 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 제어 방법은 진동 측정을 위한 포인트 검출을 위하여 진동 측정대상체에 부착되는 2차원 마커를 포함하는 제 1,2 이미지를 획득하는 이미지 획득 단계;이미지 왜곡 보정 및 이미지 크기 변환을 하고 포인트 추출을 위한 마커를 중심으로 한 이미지를 선택 추출하는 이미지 전처리 단계;마커의 중심 포인트를 검출하고 제 1 이미지의 2차원 좌표를 구하고, 제 2 이미지의 2차원 좌표를 구하는 포인트 검출 및 2차원 좌표 산출 단계;3각 측량법(Triangulation)으로 3차원 매칭을 하여 3차원 좌표 산출을 하여 좌표 정보를 3차원 진동정보 산출을 위하여 제공하는 3차원 좌표 산출 단계;프레임 단위 이미지 전처리를 하고 3차원 매칭을 하여 프레임 단위 3차원 좌표 산출을 하여 3차원 기준 좌표와 비교하여 3차원 움직임 산출을 하고 3차원 좌표 산출 단계에서 제공받은 진동 정보를 반영 변환하여 3차원 진동정보를 산출하는 3차원 진동정보 산출 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 이미지 전처리 단계는, 진동 측정대상체에 부착된 마커를 포함하는 제 1,2 이미지의 왜곡을 보정하는 이미지 왜곡 보정 단계와,마커 포인트 검출 정확도를 높이기 위하여 이미지 크기를 확대 처리하는 이미지 크기 변환 단계와,포인트 추출을 위한 마커를 중심으로 한 이미지 영역을 선택하여 추출하는 관심 영역 선택 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 3차원 진동정보 산출 단계는, t번째 프레임의 이미지 크기 변환 및 2차원 포인트 검출을 하여 프레임 단위의 이미지 전처리를 하는 프레임 단위 이미지 전처리 단계와,3각 측량법(Triangulation)으로 프레임 단위 3차원 매칭을 하는 프레임 단위 3차원 매칭 단계와,프레임 단위 3차원 매칭 결과를 이용하여 프레임 단위 3차원 좌표 산출을 하는 프레임 단위 3차원 좌표 산출 단계와,프레임 단위 3차원 좌표 산출 단계에서 산출된 3차원 좌표와 3차원 기준 좌표 제공부에서 제공되는 3차원 기준 좌표와 비교하여 3차원 움직임 산출을 하는 3차원 움직임 산출 단계와,3차원 좌표 산출 단계에서 제공받은 좌표 정보를 반영하여 변환을 하는 진동 정보 반영 변환 단계와,진동에 따른 좌표 정보를 반영하여 3차원 진동정보를 산출하는 최종 3차원 진동정보 산출 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 마커는, 1차 검출 영역이 되는 원형의 제 1 영역(A)과, 제 1 영역(A) 내에 사각 형상을 갖고 내측에 서로 다른 크기의 사각 영역으로 분할되어 중앙을 중심으로 흑과 백의 영역이 대칭적으로 위치되고 어느 한 부분에서 동일 색의 영역의 모서리가 접하는 형태를 갖고, 모서리가 접하는 부분들이 검출 포인트가 되는 제 2 영역(B)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 스테레오 비전을 이용한 워크피스(Workpiece)의 형상 추정 및 진동 측정으로 노이즈 영향을 억제하고 측정 신뢰도를 높일 수 있도록 한다.
둘째, 단일 카메라 또는 스테레오 카메라에서 2개의 이미지를 획득하여 위치 판단을 위한 2차원 포인트, 3차원 포인트 검출을 하고 이를 이용하여 3차원 좌표를 산출하여 프레임 단위로 산출 좌표를 이용하여 신뢰성 있는 진동 정보를 제공할 수 있다.
셋째, 체커 보드 형상의 마커의 사용으로 다중 포인트 검출을 이용한 3차원 좌표 산출 및 진동 정보를 산출하는 것에 의해 측정의 신속성 및 정확도를 높일 수 있도록 한다.
넷째, 다중 포인트 검출이 가능한 마커의 사용으로 획득된 이미지에서 여러 개의 포인트를 검출하고 평면 움직임이 아닌 3차원 움직임을 검출할 수 있어 정확하고 신속하게 비접촉 진동 측정이 가능하도록 한다.
다섯째, 비접촉 진동 측정 방식으로 극한환경 및 정밀제조 시스템의 상태기반 정비를 위한 영상 활용 건전성 진단 및 예측 분야에서의 활용성을 높인다.
도 1은 종래 기술의 LDV 개념을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 이미지 획득을 위한 스테레오 비전의 개념을 나타낸 구성도
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 마커 부착에 따른 카메라 뷰의 문제 및 이를 해결하기 위한 3차원 좌표 변환을 나타낸 구성도
도 4는 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 전체 구성도
도 5는 본 발명에 따른 이미지 전처리부의 상세 구성도
도 6은 본 발명에 따른 포인트 검출 및 2차원 좌표 산출부의 상세 구성도
도 7은 본 발명에 따른 3차원 좌표 산출부의 상세 구성도
도 8은 본 발명에 따른 3차원 진동정보 산출부의 상세 구성도
도 9는 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 제어 방법을 나타낸 플로우 차트
도 10은 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템에 적용되는 마커 형상을 나타낸 구성도
도 11은 본 발명에 따른 마커의 사용에 따른 다중 포인트 검출 특성을 나타낸 구성도
도 12a와 도 12b는 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 시뮬레이션 세트 및 마커 중심 포인트의 3차원 좌표 구성도
도 13 및 도 14는 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 시뮬레이션 결과 그래프
이하, 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 이미지 획득을 위한 스테레오 비전의 개념을 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법은 다중 포인트 검출이 가능한 마커의 사용 및 스테레오 비전을 이용한 워크피스(Workpiece)의 형상 추정 및 진동 측정으로 노이즈 영향을 억제하고 측정 신뢰도를 높일 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 도 2에서와 같이, 스테레오 카메라에서 2개의 이미지를 획득하여 위치 판단을 위한 2차원 포인트, 3차원 포인트 검출을 하고 이를 이용하여 3차원 좌표를 산출하여 프레임 단위로 산출 좌표를 이용하여 진동 정보를 추출하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 다중 포인트 검출이 가능한 마커의 사용으로 획득된 이미지에서 여러 개의 포인트를 검출하고 평면 움직임이 아닌 3차원 움직임을 검출하여 진동 측정을 하는 구성을 포함할 수 있다.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 마커 부착에 따른 카메라 뷰의 문제 및 이를 해결하기 위한 3차원 좌표 변환을 나타낸 구성도이다.
진동 측정 대상체에 마커를 부착하고 카메라를 이용한 촬상으로 획득된 이미지는 카메라 관점에서의 이미지이다.
이와 같은 카메라 뷰 이미지를 그대로 사용하는 경우에는 도 3a에서와 같이 정확한 마커 포인트 추출 및 좌표 검출이 어렵다.
따라서, 이를 해결하기 위하여 도 3b에서와 같이 변환 과정을 진행한다.
이와 같은 변환 과정에서 회전 행렬(Rotation matrix) 및 마커의 거리는 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
그리고 카메라 좌표 시스템(Camera coordinate system)에서의 X,Y축 기저 벡터(Base vector)는 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00003
그리고 마커 좌표 시스템(Marker coordinate system)에서의 X,Y,X축의 3차원 좌표는 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00004
본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 구성을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 전체 구성도이다.
본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템은 도 4에서와 같이, 진동 측정을 위한 포인트 검출을 위하여 진동 측정대상체에 부착되는 2차원 마커를 포함하는 제 1,2 이미지를 획득하는 이미지 획득부(10)와, 이미지 왜곡 보정 및 이미지 크기 변환을 하고 포인트 추출을 위한 마커를 중심으로 한 이미지를 선택 추출하는 이미지 전처리부(20)와, 마커의 중심 포인트를 검출하고 제 1 이미지의 2차원 좌표를 구하고, 제 2 이미지의 2차원 좌표를 구하는 포인트 검출 및 2차원 좌표 산출부(30)와, 3각 측량법(Triangulation)으로 3차원 매칭을 하여 3차원 좌표 산출을 하여 좌표 정보를 3차원 진동정보 산출부(50)로 제공하는 3차원 좌표 산출부(40)와, 프레임 단위 이미지 전처리를 하고 3차원 매칭을 하여 프레임 단위 3차원 좌표 산출을 하여 3차원 기준 좌표와 비교하여 3차원 움직임 산출을 하고 3차원 좌표 산출부(40)에서 제공받은 진동 정보를 반영 변환하여 3차원 진동정보를 산출하는 3차원 진동정보 산출부(50)를 포함한다.
여기서, CAD 모델을 이용한 3차원 좌표의 포인트 클라우드 피팅으로 워크피스의 위치를 검출하는 워크피스 위치 검출부(60)를 더 포함할 수 있다.
그리고 이미지 획득부(10)는 도 2의 구성에서와 같이 스테레오 카메라를 통하여 마커를 포함하는 제 1,2 이미지를 획득하거나, 미러를 이용하여 단일 카메라를 이용하여 마커를 포함하는 제 1,2 이미지를 획득할 수 있다.
이미지 전처리부(20)의 상세 구성은 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 이미지 전처리부의 상세 구성도이다.
이미지 전처리부(20)는 도 5에서와 같이, 진동 측정대상체에 부착된 마커를 포함하는 제 1,2 이미지의 왜곡을 보정하는 이미지 왜곡 보정부(51)와, 마커 포인트 검출 정확도를 높이기 위하여 이미지 크기를 확대 처리하는 이미지 크기 변환부(52)와, 포인트 추출을 위한 마커를 중심으로 한 이미지 영역을 선택하여 추출하는 관심 영역 선택부(53)를 포함한다.
포인트 검출 및 2차원 좌표 산출부(30)의 상세 구성은 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 포인트 검출 및 2차원 좌표 산출부의 상세 구성도이다.
포인트 검출 및 2차원 좌표 산출부(30)는 도 6에서와 같이, 마커의 중심 포인트를 검출하는 포인트 검출부(61)와, 제 1 이미지의 2차원 좌표를 구하는 2차원 좌표 제 1 산출부(62)와, 제 2 이미지의 2차원 좌표를 구하는 2차원 좌표 제 2 산출부(63)를 포함한다.
3차원 좌표 산출부(40)의 상세 구성은 다음과 같다.
도 7은 본 발명에 따른 3차원 좌표 산출부의 상세 구성도이다.
3차원 좌표 산출부(40)는 도 7에서와 같이, 3각 측량법(Triangulation)으로 3차원 매칭을 하는 3차원 매칭부(71)와, 3차원 매칭부(71)의 매칭 결과를 이용하여 3차원 좌표 산출을 하여 좌표 정보를 3차원 진동정보 산출부(50)로 제공하는 3차원 좌표 산출 및 좌표 정보 제공부(71)를 포함한다.
3차원 진동정보 산출부(50)의 상세 구성은 다음과 같다.
도 8은 본 발명에 따른 3차원 진동정보 산출부의 상세 구성도이다.
3차원 진동정보 산출부(50)는 도 8에서와 같이, t번째 프레임의 이미지 크기 변환 및 2차원 포인트 검출을 하여 프레임 단위의 이미지 전처리를 하는 프레임 단위 이미지 전처리부(81)와, 3각 측량법(Triangulation)으로 프레임 단위 3차원 매칭을 하는 프레임 단위 3차원 매칭부(82)와, 프레임 단위 3차원 매칭 결과를 이용하여 프레임 단위 3차원 좌표 산출을 하는 프레임 단위 3차원 좌표 산출부(83)와, 프레임 단위 3차원 좌표 산출부(83)에서 산출된 3차원 좌표와 3차원 기준 좌표 제공부(84)에서 제공되는 3차원 기준 좌표와 비교하여 3차원 움직임 산출을 하는 3차원 움직임 산출부(85)와, 3차원 좌표 산출부(40)에서 제공받은 좌표 정보를 반영하여 변환을 하는 진동 정보 반영 변환부(86)와, 진동에 따른 좌표 정보를 반영하여 3차원 진동정보를 산출하는 최종 3차원 진동정보 산출부(87)를 포함한다.
본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 제어 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 9는 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 제어 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 제어 방법은 도 9에서와 같이 크게, 진동 측정을 위한 포인트 검출을 위하여 진동 측정대상체에 부착되는 2차원 마커를 포함하는 제 1,2 이미지를 획득하는 이미지 획득 단계(S801)와, 이미지 왜곡 보정 및 이미지 크기 변환을 하고 포인트 추출을 위한 마커를 중심으로 한 이미지를 선택 추출하는 이미지 전처리 단계(S802)와, 마커의 중심 포인트를 검출하고 제 1 이미지의 2차원 좌표를 구하고, 제 2 이미지의 2차원 좌표를 구하는 포인트 검출 및 2차원 좌표 산출 단계(S803)와, 3각 측량법(Triangulation)으로 3차원 매칭을 하여 3차원 좌표 산출을 하여 좌표 정보를 3차원 진동정보 산출을 위하여 제공하는 3차원 좌표 산출 단계(S804)와, 프레임 단위 이미지 전처리를 하고 3차원 매칭을 하여 프레임 단위 3차원 좌표 산출을 하여 3차원 기준 좌표와 비교하여 3차원 움직임 산출을 하고 3차원 좌표 산출 단계에서 제공받은 진동 정보를 반영 변환하여 3차원 진동정보를 산출하는 3차원 진동정보 산출 단계(S805)를 포함한다.
여기서, 이미지 전처리 단계(S802)는 진동 측정대상체에 부착된 마커를 포함하는 제 1,2 이미지의 왜곡을 보정하는 이미지 왜곡 보정 단계와, 마커 포인트 검출 정확도를 높이기 위하여 이미지 크기를 확대 처리하는 이미지 크기 변환 단계와, 포인트 추출을 위한 마커를 중심으로 한 이미지 영역을 선택하여 추출하는 관심 영역 선택 단계를 포함할 수 있다.
그리고 3차원 진동정보 산출 단계(S805)는, t번째 프레임의 이미지 크기 변환 및 2차원 포인트 검출을 하여 프레임 단위의 이미지 전처리를 하는 프레임 단위 이미지 전처리 단계와, 3각 측량법(Triangulation)으로 프레임 단위 3차원 매칭을 하는 프레임 단위 3차원 매칭 단계와, 프레임 단위 3차원 매칭 결과를 이용하여 프레임 단위 3차원 좌표 산출을 하는 프레임 단위 3차원 좌표 산출 단계와, 프레임 단위 3차원 좌표 산출 단계에서 산출된 3차원 좌표와 3차원 기준 좌표 제공부에서 제공되는 3차원 기준 좌표와 비교하여 3차원 움직임 산출을 하는 3차원 움직임 산출 단계와, 3차원 좌표 산출 단계에서 제공받은 좌표 정보를 반영하여 변환을 하는 진동 정보 반영 변환 단계와, 진동에 따른 좌표 정보를 반영하여 3차원 진동정보를 산출하는 최종 3차원 진동정보 산출 단계를 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템에 적용되는 마커 형상을 나타낸 구성도이고, 도 11은 본 발명에 따른 마커의 사용에 따른 다중 포인트 검출 특성을 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템에 적용되는 마커 형상은 도 10의 좌측에서와 같이 진동에 따라 촬상되는 이미지에서 가우시안 분포가 달라지는 것을 이용하여 워크피스의 위치 확인 및 워크피스 형상 추정에 이용하기 위한 가우시안 분포 형상과, 우측에서와 같이 다중 포인트 검출을 하여 진동 정보 산출에 이용하기 위한 체크보드 형상으로 제작될 수 있고, 마커의 형상은 이로 제한되지 않는다.
여기서, 체크보드 형상 마커는 도 11에서와 같이, 1차 검출 영역이 되는 원형의 제 1 영역(A)과, 제 1 영역(A) 내에 사각 형상을 갖고 내측에 서로 다른 크기의 사각 영역으로 분할되어 중앙을 중심으로 흑과 백의 영역이 대칭적으로 위치되고 어느 한 부분에서 동일 색의 영역의 모서리가 접하는 형태를 갖고, 모서리가 접하는 부분들이 검출 포인트가 되는 제 2 영역(B)을 포함하는 것이다.
본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 시뮬레이션 결과를 설명하면 다음과 같다.
도 12a와 도 12b는 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 시뮬레이션 세트 및 마커 중심 포인트의 3차원 좌표 구성도이다.
Figure pat00005
Figure pat00006
표 1은 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 시뮬레이션 세트 사양을 나타낸 것이고, 표 2는 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 시뮬레이션 결과를 나타낸 FFT 분석 결과를 나타낸 것이다.
그리고 도 13 및 도 14는 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
체커 보드 형상의 마커의 사용으로 다중 포인트 검출을 이용한 3차원 좌표 산출 및 진동 정보를 산출하는 것에 의해 비접촉 진동 측정 방식으로 극한환경 및 정밀제조 시스템의 상태기반 정비를 위한 영상 활용 건전성 진단 및 예측 분야에서의 활용성을 높일 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 비접촉 진동감지 시스템 및 이의 제어 방법은 스테레오 비전을 이용한 워크피스(Workpiece)의 형상 추정 및 진동 측정으로 노이즈 영향을 억제하고 측정 신뢰도를 높일 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10. 이미지 획득부
20. 이미지 전처리부
30. 포인트 검출 및 2차원 좌표 산출부
40. 워크피스 위치 검출부
50. 3차원 좌표 산출부
60. 3차원 진동정보 산출부

Claims (11)

  1. 진동 측정을 위한 포인트 검출을 위하여 진동 측정대상체에 부착되는 2차원 마커를 포함하는 제 1,2 이미지를 획득하는 이미지 획득부;
    이미지 왜곡 보정 및 이미지 크기 변환을 하고 포인트 추출을 위한 마커를 중심으로 한 이미지를 선택 추출하는 이미지 전처리부;
    마커의 중심 포인트를 검출하고 제 1 이미지의 2차원 좌표를 구하고, 제 2 이미지의 2차원 좌표를 구하는 포인트 검출 및 2차원 좌표 산출부;
    3각 측량법(Triangulation)으로 3차원 매칭을 하여 3차원 좌표 산출을 하여 좌표 정보를 3차원 진동정보 산출부로 제공하는 3차원 좌표 산출부;
    프레임 단위 이미지 전처리를 하고 3차원 매칭을 하여 프레임 단위 3차원 좌표 산출을 하여 3차원 기준 좌표와 비교하여 3차원 움직임 산출을 하고 3차원 좌표 산출부에서 제공받은 진동 정보를 반영 변환하여 3차원 진동정보를 산출하는 3차원 진동정보 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 진동감지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, CAD 모델을 이용한 3차원 좌표의 포인트 클라우드 피팅으로 워크피스의 위치를 검출하는 워크피스 위치 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 진동감지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 이미지 획득부는,
    스테레오 카메라를 통하여 마커를 포함하는 제 1,2 이미지를 획득하거나, 미러를 이용하여 단일 카메라를 이용하여 마커를 포함하는 제 1,2 이미지를 획득하는 것을 특징으로 하는 비접촉 진동감지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 마커는,
    진동에 따라 촬상되는 이미지에서 가우시안 분포가 달라지는 것을 이용하여 워크피스의 위치 확인 및 워크피스 형상 추정에 이용하기 위한 가우시안 분포 형상 또는 다중 포인트 검출을 하여 진동 정보 산출에 이용하기 위한 체크보드 형상인 것을 특징으로 하는 비접촉 진동감지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 체크보드 형상 마커는,
    1차 검출 영역이 되는 원형의 제 1 영역(A)과,
    제 1 영역(A) 내에 사각 형상을 갖고 내측에 서로 다른 크기의 사각 영역으로 분할되어 중앙을 중심으로 흑과 백의 영역이 대칭적으로 위치되고 어느 한 부분에서 동일 색의 영역의 모서리가 접하는 형태를 갖고, 모서리가 접하는 부분들이 검출 포인트가 되는 제 2 영역(B)을 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 진동감지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 이미지 전처리부는,
    진동 측정대상체에 부착된 마커를 포함하는 제 1,2 이미지의 왜곡을 보정하는 이미지 왜곡 보정부와,
    마커 포인트 검출 정확도를 높이기 위하여 이미지 크기를 확대 처리하는 이미지 크기 변환부와,
    포인트 추출을 위한 마커를 중심으로 한 이미지 영역을 선택하여 추출하는 관심 영역 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 진동감지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 진동정보 산출부는,
    t번째 프레임의 이미지 크기 변환 및 2차원 포인트 검출을 하여 프레임 단위의 이미지 전처리를 하는 프레임 단위 이미지 전처리부와,
    3각 측량법(Triangulation)으로 프레임 단위 3차원 매칭을 하는 프레임 단위 3차원 매칭부와,
    프레임 단위 3차원 매칭 결과를 이용하여 프레임 단위 3차원 좌표 산출을 하는 프레임 단위 3차원 좌표 산출부와,
    프레임 단위 3차원 좌표 산출부에서 산출된 3차원 좌표와 3차원 기준 좌표 제공부에서 제공되는 3차원 기준 좌표와 비교하여 3차원 움직임 산출을 하는 3차원 움직임 산출부와,
    3차원 좌표 산출부에서 제공받은 좌표 정보를 반영하여 변환을 하는 진동 정보 반영 변환부와,
    진동에 따른 좌표 정보를 반영하여 3차원 진동정보를 산출하는 최종 3차원 진동정보 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 진동감지 시스템.
  8. 진동 측정을 위한 포인트 검출을 위하여 진동 측정대상체에 부착되는 2차원 마커를 포함하는 제 1,2 이미지를 획득하는 이미지 획득 단계;
    이미지 왜곡 보정 및 이미지 크기 변환을 하고 포인트 추출을 위한 마커를 중심으로 한 이미지를 선택 추출하는 이미지 전처리 단계;
    마커의 중심 포인트를 검출하고 제 1 이미지의 2차원 좌표를 구하고, 제 2 이미지의 2차원 좌표를 구하는 포인트 검출 및 2차원 좌표 산출 단계;
    3각 측량법(Triangulation)으로 3차원 매칭을 하여 3차원 좌표 산출을 하여 좌표 정보를 3차원 진동정보 산출을 위하여 제공하는 3차원 좌표 산출 단계;
    프레임 단위 이미지 전처리를 하고 3차원 매칭을 하여 프레임 단위 3차원 좌표 산출을 하여 3차원 기준 좌표와 비교하여 3차원 움직임 산출을 하고 3차원 좌표 산출 단계에서 제공받은 진동 정보를 반영 변환하여 3차원 진동정보를 산출하는 3차원 진동정보 산출 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 진동감지 시스템의 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 이미지 전처리 단계는,
    진동 측정대상체에 부착된 마커를 포함하는 제 1,2 이미지의 왜곡을 보정하는 이미지 왜곡 보정 단계와,
    마커 포인트 검출 정확도를 높이기 위하여 이미지 크기를 확대 처리하는 이미지 크기 변환 단계와,
    포인트 추출을 위한 마커를 중심으로 한 이미지 영역을 선택하여 추출하는 관심 영역 선택 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 진동감지 시스템의 제어 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 3차원 진동정보 산출 단계는,
    t번째 프레임의 이미지 크기 변환 및 2차원 포인트 검출을 하여 프레임 단위의 이미지 전처리를 하는 프레임 단위 이미지 전처리 단계와,
    3각 측량법(Triangulation)으로 프레임 단위 3차원 매칭을 하는 프레임 단위 3차원 매칭 단계와,
    프레임 단위 3차원 매칭 결과를 이용하여 프레임 단위 3차원 좌표 산출을 하는 프레임 단위 3차원 좌표 산출 단계와,
    프레임 단위 3차원 좌표 산출 단계에서 산출된 3차원 좌표와 3차원 기준 좌표 제공부에서 제공되는 3차원 기준 좌표와 비교하여 3차원 움직임 산출을 하는 3차원 움직임 산출 단계와,
    3차원 좌표 산출 단계에서 제공받은 좌표 정보를 반영하여 변환을 하는 진동 정보 반영 변환 단계와,
    진동에 따른 좌표 정보를 반영하여 3차원 진동정보를 산출하는 최종 3차원 진동정보 산출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 진동감지 시스템의 제어 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 마커는,
    1차 검출 영역이 되는 원형의 제 1 영역(A)과,
    제 1 영역(A) 내에 사각 형상을 갖고 내측에 서로 다른 크기의 사각 영역으로 분할되어 중앙을 중심으로 흑과 백의 영역이 대칭적으로 위치되고 어느 한 부분에서 동일 색의 영역의 모서리가 접하는 형태를 갖고, 모서리가 접하는 부분들이 검출 포인트가 되는 제 2 영역(B)을 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 진동감지 시스템의 제어 방법.
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