KR20230001808A - 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파일 일측에 부착된 파일 마커의 이미지를 카메라로 촬영하고, 데이터 처리부에서 촬영된 파일 마커의 이미지를 분석하여 3차원 좌표상 상대 변위를 직접 연산함으로써, 별도의 가속도 센서 없이 파일의 관입량과 리바운드량을 정확하게 측정할 수 있는 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템에 대한 것이다.
본 발명 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템은 지반에 근입된 파일 항타 시 관입량 및 리바운드량을 측정하기 위한 것으로, 측정 대상 파일의 일측에 부착되는 파일 마커; 상기 파일 마커를 촬영하는 카메라; 상기 카메라에 의해 촬영된 파일 마커의 이미지를 분석하여 파일 마커에 표시된 도형의 크기 및 뒤틀림 방향의 변화에 따라 파일 마커의 3차원 좌표상 상대 변위를 연산함으로써 파일의 관입량 및 리바운드량을 측정하는 데이터 처리부; 및 상기 데이터 처리부로부터 산출된 파일의 관입량 및 리바운드량을 출력하는 디스플레이부; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템{Measurement system of pile penetration and rebound}
본 발명은 파일 일측에 부착된 파일 마커의 이미지를 카메라로 촬영하고, 데이터 처리부에서 촬영된 파일 마커의 이미지를 분석하여 3차원 좌표상 상대 변위를 직접 연산함으로써, 별도의 가속도 센서 없이 파일의 관입량과 리바운드량을 정확하게 측정할 수 있는 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템에 대한 것이다.
상부 지반이 풍화토 등의 연약지반인 경우, 직접 기초를 사용하면 침하 우려가 있어 깊은 기초인 파일 기초(pile foundation)가 주로 사용된다.
파일 기초는 상부의 연약층을 관통하여 하부의 단단한 지층까지 파일을 관입하여 구조물 하중을 지지하는 방식으로 구조적으로 안정된 기초 공법이다.
이와 같이 지반에 근입된 파일은 극한 하중이나 허용 침하량 범위에서 지지 가능한 하중의 크기를 구하기 위해 동재하시험이나 정재하시험과 같은 파일 재하시험이 실시된다.
그 중 동재하시험은 지지력 확인을 위해 가장 일반적으로 적용되는 시험 방법이다. 동재하시험은 관입량과 리바운드량 등 항타 시 파일에 발생하는 변위를 측정하여 파일 관입량을 관리한다.
기존에는 파일 항타 시 관입량 및 리바운드량 측정을 위해 파일에 모눈종이와 같은 기록지를 부착하고, 기록지 전방에 가이드를 설치한 후 가이드에 지지시킨 펜을 기록지에 밀착시킨 다음 파일을 항타함으로써 파일의 수직 변위가 기록지에 표시되도록 하였다.
이에 따라 파일 1회 타격 시마다 작업자가 펜을 직접 수평 이동시켜 기록되도록 하고, 최종 10회 이상의 타격에 의한 평균값으로 관입량 및 리바운드 동적 지지력을 산출하였다.
그러나 이러한 재래식 방법은 정확도가 떨어지고, 기록지를 별도로 분석하여야 하는 번거로움이 있다. 또한, 작업자가 시험 대상 파일에 근접하여 측정하여야 하므로 작업자 안전사고의 우려가 있다.
이러한 종래 재래식 측정 방법의 문제점을 해결하고자 파일 전면에 촬영 타겟을 부착하여 카메라로 촬영 타겟을 촬영함으로써 촬영 타겟의 변위량을 측정하고, 촬영 타겟에는 가속도 센서를 부착하여 파일 항타 후 리바운드량을 측정하는 기술이 개발되었다(등록특허 제10-2200824호).
상기 등록기술에서는 가속도 센서가 항타 파일의 항타에 의한 진동을 진폭으로 측정하여 리바운드량을 측정한다. 그리고 측정된 가속도 값은 FFT(Fast Fourier Transform) 과정을 통해 변위로 변환된다.
이러한 변환 과정에서 2회의 적분 과정을 거쳐야 하는데, 센서 자체의 노이즈로 인해 적분 시 누적 오차에 따른 편향(Bias) 발생이 불가피하다. 또한, 이러한 편향을 보정하기 위해 복잡한 후처리 과정을 거쳐야 하므로, 정확한 관입량 및 리바운드량 측정에 한계가 있다.
아울러 카메라는 촬영 타겟의 촬영 이미지로부터 수직 변위를 측정하는 것으로, 카메라는 촬영 타겟과 일정한 거리를 유지하여야 한다. 그런데 파일 항타 시 지면 진동으로 인해 카메라의 흔들림이 매우 심해 측정값을 신뢰하기 어렵다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 별도의 가속도 센서 없이 파일 마커 이미지를 분석하여 파일의 3차원 상대 변위를 직접 연산함으로써 파일의 관입량과 리바운드량을 정확하게 측정할 수 있는 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템을 제공하고자 한다.
바람직한 실시예에 따른 본 발명은 지반에 근입된 파일 항타 시 관입량 및 리바운드량을 측정하기 위한 것으로, 측정 대상 파일의 일측에 부착되는 파일 마커; 상기 파일 마커를 촬영하는 카메라; 상기 카메라에 의해 촬영된 파일 마커의 이미지를 분석하여 파일 마커에 표시된 도형의 크기 및 뒤틀림 방향의 변화에 따라 파일 마커의 3차원 좌표상 상대 변위를 연산함으로써 파일의 관입량 및 리바운드량을 측정하는 데이터 처리부; 및 상기 데이터 처리부로부터 산출된 파일의 관입량 및 리바운드량을 출력하는 디스플레이부; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템을 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 측정 대상 파일의 인접한 위치에는 기준 마커가 더 구비되고, 상기 카메라는 파일 마커와 기준 마커를 동시에 촬영하며, 상기 데이터 처리부는 기준 마커에 대한 파일 마커의 3차원 상대 좌표를 연산하여 파일의 관입량 및 리바운드량을 측정하는 것을 특징으로 하는 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템을 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 파일의 전방에는 기준 마커가 고정되는 거치구가 구비되는 것을 특징으로 하는 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템을 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 카메라는 거치구에 설치되는 것을 특징으로 하는 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면 지반에 근입된 파일 항타 시 파일 일측에 부착된 파일 마커의 이미지를 카메라로 촬영하되, 데이터 처리부에서 촬영된 파일 마커의 이미지를 분석하여 3차원 좌표상 상대 변위로 연산함으로써 파일의 관입량 및 리바운드량을 측정할 수 있는 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템을 제공할 수 있다.
따라서 별도의 가속도 센서 없이도 파일 마커 이미지를 분석하여 파일의 3차원 상대 변위를 직접 연산할 수 있으며, 파일 관입량과 리바운드량을 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템을 도시하는 도면.
도 2는 파일 마커 이미지를 나타내는 도면.
도 3은 데이터 처리부에서 인식된 파일 마커의 이미지를 3차원 좌표로 나타낸 도면.
도 4는 파일 마커와 기준 마커가 구비된 실시예를 도시하는 도면.
도 5는 기준 마커와 파일 마커에 의한 상대 변위 측정 결과를 나타내는 도면.
도 6은 기준 마커와 파일 마커에 의한 상대 변위 측정 개념을 도시하는 도면.
도 7은 기준 마커와 카메라가 장착된 거치구가 설치된 실시예를 도시하는 도면.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템을 도시하는 도면이고, 도 2는 파일 마커 이미지를 나타내는 도면이며, 도 3은 데이터 처리부에서 인식된 파일 마커의 이미지를 3차원 좌표로 나타낸 도면이다.
도 1 등에 도시된 바와 같이, 본 발명 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템은 지반에 근입된 파일(1) 항타 시 관입량 및 리바운드량을 측정하기 위한 것으로, 측정 대상 파일(1)의 일측에 부착되는 파일 마커(2); 상기 파일 마커(2)를 촬영하는 카메라(4); 상기 카메라(4)에 의해 촬영된 파일 마커(2)의 이미지를 분석하여 파일 마커(2)에 표시된 도형의 크기 및 뒤틀림 방향의 변화에 따라 파일 마커(2)의 3차원 좌표상 상대 변위를 연산함으로써 파일(1)의 관입량 및 리바운드량을 측정하는 데이터 처리부(5); 및 상기 데이터 처리부(5)로부터 산출된 파일(1)의 관입량 및 리바운드량을 출력하는 디스플레이부(6); 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 별도의 가속도 센서 없이 파일 마커(2)의 이미지를 분석하여 파일(1)의 3차원 상대 변위를 직접 연산함으로써, 파일(1)의 관입량과 리바운드량을 정확하게 측정할 수 있는 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 지반에 근입된 파일(1)을 항타하여 파일(1)의 관입량 및 리바운드량을 측정하기 위한 것이다.
본 발명은 파일 마커(2), 카메라(4), 데이터 처리부(5) 및 디스플레이부(6)를 포함하여 구성된다.
상기 파일 마커(2)는 측정 대상 파일(1)의 일측에 부착된다.
상기 파일 마커(2)에는 도형이 표시되어 있다.
상기 카메라(4)는 파일 마커(2)를 촬영한다.
상기 카메라(4)는 파일(1)에 부착된 파일 마커(2) 측 전방에 파일(1)과 소정 간격 이격된 위치에 구비될 수 있다.
상기 카메라(4)는 일반 디지털 카메라(4)뿐 아니라 스마트폰 등일 수 있다.
상기 카메라(4)는 파일(1) 항타 시 파일 마커(2)를 동영상으로 촬영 가능하다.
상기 데이터 처리부(5)는 카메라(4)에 의해 촬영된 파일 마커(2)의 이미지를 분석하여 파일 마커(2)에 표시된 도형의 크기 및 뒤틀림 방향의 변화에 따라 파일 마커(2)의 3차원 좌표상 상대 변위를 연산함으로써 파일(1)의 관입량 및 리바운드량을 측정한다.
즉, 상기 데이터 처리부(5)는 카메라(4)에서 촬영된 동영상 데이터에서 추출된 각 단위 시간별 이미지로부터 파일 마커(2)를 인식하고, 파일 마커(2)의 위치, 크기 및 형상의 변화를 분석한다.
상기 데이터 처리부(5)는 이러한 분석 데이터로부터 파일 마커(2)의 3차원 좌표상 상대 변위를 연산한다.
다시 말하면, 상기 파일 마커(2) 자체는 2D 이미지이나 파일(1) 항타 시 파일(1)의 위치 변화에 따라 카메라(4)에서 촬영되는 이미지의 2차원 형상은 파일 마커(2)의 원래 2차원 형상과는 차이가 발생하게 된다. 상기 데이터 처리부(5)는 이러한 2D 이미지들의 형상 변경을 연산함으로써 3D 공간 내 좌표로 변환한다.
이를 위해 상기 파일 마커(2)는 ArUco 마커를 사용할 수 있다.
ArUco 마커는 n×n 크기의 2차원 비트 패턴과 이를 둘러싸고 있는 검은색 테두리 영역으로 구성된다(도 2).
ArUco 마커의 검은색 테두리 영역은 마커를 신속하게 인식할 수 있게 한다.
검은색 테두리 내부의 2차원 비트 패턴은 흰색 셀과 검은색 셀의 조합으로 마커의 고유 ID를 표현한다.
이러한 ArUco 마커의 각 셀은 각 모서리가 직각인 정사각형이므로, 셀의 각 변의 길이 비 및 셀의 뒤틀림(각 변 사이 각도)을 측정하여 3차원 좌표를 설정할 수 있다(도 3).
이에 따라 카메라(4) 방향과 수직인 면인 X, Y축뿐 아니라 Z축 방향의 진동이나 움직임도 인식 가능하여 좀 더 정확한 변위를 계산할 수 있다.
또한, 파일(1)과 카메라(4)가 엄격하게 서로 수평을 이룰 필요도 없어 측정 장비 셋팅이 용이하다.
상기 디스플레이부(6)는 데이터 처리부(5)로부터 산출된 파일(1)의 관입량 및 리바운드량을 출력한다.
상기 디스플레이부(6)는 데이터 처리부(5)에서 연산한 파일(1)의 상대 변위를 수치 또는 그래프로 제공하여 표시할 수 있다.
이로부터 작업자는 파일(1) 항타 시 파일(1)의 관입량 및 리바운드량을 확인할 수 있다.
도 4는 파일 마커와 기준 마커가 구비된 실시예를 도시하는 도면이고, 도 5는 기준 마커와 파일 마커에 의한 상대 변위 측정 결과를 나타내는 도면이며, 도 6은 기준 마커와 파일 마커에 의한 상대 변위 측정 개념을 도시하는 도면이다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 측정 대상 파일(1)의 인접한 위치에는 기준 마커(3)가 더 구비되고, 상기 카메라(4)는 파일 마커(2)와 기준 마커(3)를 동시에 촬영하며, 상기 데이터 처리부(5)는 기준 마커(3)에 대한 파일 마커(2)의 3차원 상대 좌표를 연산하여 파일(1)의 관입량 및 리바운드량을 측정하도록 구성할 수 있다.
상기 기준 마커(3)는 카메라(4)의 진동이나 움직임에 상관없이 파일(1)의 관입량 및 리바운드량을 정확하게 측정하기 위해 측정 대상 파일(1)의 인접한 위치에 설치할 수 있다.
상기 기준 마커(3)의 설치 위치는 카메라(4)의 화면 내에 포함되기만 하면 임의의 어느 위치든 상관 없다.
상기 기준 마커(3) 역시 ArUco 마커를 사용 가능하다.
도 5에는 기준 마커(3)와 파일 마커(2)의 3차원 좌표상에서의 상대 거리 및 이로부터 산출된 파일 마커(2)의 수직 변위값이 나타난다.
상기 데이터 처리부(5)는 카메라(4)에서 촬영된 이미지로부터 파일 마커(2)와 기준 마커(3)를 인식하여, 각 마커의 원점과 3차원 축을 설정한다.
도 5에서 빨간색 선은 X축, 초록색 선은 Y축, 파란색 선은 Z축을 나타낸다.
X축과 Y축은 ArUco 마커에서 정사각형 셀의 가로 및 세로 변과 일치하고, Z축은 이미지에서 셀의 형상이 각 모서리가 직각인 정사각형인 경우를 기준으로 설정된다.
도 6을 참고하여 기준 마커(3)와 파일 마커(2)에 의한 상대 변위 측정 개념을 설명하면 다음과 같다.
카메라(4)에서 파일 마커(2), 카메라(4)에서 기준 마커(3) 시점으로 본 상대벡터는 각각 파일 마커벡터(a) 및 기준 마커벡터(b)가 된다.
이중 파일 마커벡터(a)를 파일 마커(2)에서 카메라(4) 시점으로 본 상대벡터로 역전시킨다(-a).
시점 역전을 위해 회전행렬 변환(Rodrigues) 및 행렬 곱을 활용한다.
이후, 파일 마커(2)에서 카메라(4) 시점의 상대벡터와 카메라(4)에서 기준 마커(3) 시점의 상대벡터를 합성하면, 파일 마커(2)에서 기준 마커(3) 시점의 상대벡터(c)를 얻을 수 있다.
따라서 카메라(4)의 상태와는 독립적인 상대벡터가 산출된다. 그리고 파일 마커(2)에서 기준 마커(3) 시점의 상대벡터를 원점으로 설정하고, 이동 변위를 계속해서 추적하면 카메라(4)의 떨림이나 지면 진동 여부와 상관없이 파일(1)의 관입량 및 리바운드량을 측정 가능하다.
이에 따라 카메라(4)를 삼각대와 같은 별도의 지지부재에 고정하지 않고 작업자가 직접 손에 들고 촬영하더라도 정확한 측정값을 얻을 수 있다. 이 경우 카메라(4)의 손떨림 보정 역시 필요 없다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 파일(1)의 전방에는 기준 마커(3)가 고정되는 거치구(7)가 구비될 수 있다.
상기 기준 마커(3)는 파일 마커(2)의 상대 변위를 측정하는 기준점이 되는 것으로, 파일(1)과 분리되어 지반 상부에 별도로 설치되어야 한다.
이를 위해 지면에 거치구(7)를 설치하고, 상기 거치구(7)에 기준 마커(3)를 고정할 수 있다.
상기 거치구(7)는 삼각대 또는 별도의 프레임 등일 수 있다.
도 7은 기준 마커와 카메라가 장착된 거치구가 설치된 실시예를 도시하는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 카메라(4)는 거치구(7)에 설치될 수 있다.
상기 기준 마커(3)와 파일 마커(2)를 이용하는 경우, 카메라(4)의 움직임이나 진동이 발생하더라도 파일 마커(2)의 관입량 및 리바운드량 측정값에는 영향이 없어 카메라(4)와 기준 마커(3)의 상대위치를 굳이 고정할 필요는 없다. 그러나 측정 작업의 편의성을 도모하고 파일(1) 항타 시 작업자의 안전을 확보하기 위해 기준 마커(3)가 설치된 거치구(7)에 카메라(4)를 동시에 설치할 수 있다.
이에 따라 복수의 파일(1)에 대해 관입량 및 리바운드량 측정 시, 기준 마커(3)와 카메라(4)가 장착된 거치구(7)만을 이동시켜 신속하게 셋팅할 수 있다.
또한, 카메라(4)로 기준 마커(3)와 파일 마커(2)를 동시에 촬영하여야 하는데 작업자가 카메라(4)를 직접 들고 촬영하는 경우, 작업자 실수 등으로 기준 마커(3)가 카메라(4) 화면 밖으로 벗어나는 경우가 있다.
이에 상기 거치구(7)에 기준 마커(3)와 카메라(4)를 모두 장착하면, 기준 마커(3)와 카메라(4)의 상대위치가 고정되어 기준 마커(3)가 항상 카메라(4) 화면 내에 위치하도록 셋팅 가능하다. 그러므로 기준 마커(3)가 화면에서 누락되지 않는다.
상기 거치구(7)는 지반 상부에 거치되는 메인프레임(71), 상기 메인프레임(71)의 상부에 구비되어 카메라(4)가 장착되는 카메라거치부(72) 및 상기 메인프레임(71)의 전방으로 돌출되어 기준 마커(3)가 카메라(4)의 전방에 위치하도록 장착되는 기준 마커 거치부(73)로 구성할 수 있다(도 7).
1: 파일
2: 파일 마커
3: 기준 마커
4: 카메라
5: 데이터 처리부
6: 디스플레이부
7: 거치구
71: 메인프레임
72: 카메라거치부
73: 기준 마커 거치부

Claims (4)

  1. 지반에 근입된 파일(1) 항타 시 관입량 및 리바운드량을 측정하기 위한 것으로,
    측정 대상 파일(1)의 일측에 부착되는 파일 마커(2);
    상기 파일 마커(2)를 촬영하는 카메라(4);
    상기 카메라(4)에 의해 촬영된 파일 마커(2)의 이미지를 분석하여 파일 마커(2)에 표시된 도형의 크기 및 뒤틀림 방향의 변화에 따라 파일 마커(2)의 3차원 좌표상 상대 변위를 연산함으로써 파일(1)의 관입량 및 리바운드량을 측정하는 데이터 처리부(5); 및
    상기 데이터 처리부(5)로부터 산출된 파일(1)의 관입량 및 리바운드량을 출력하는 디스플레이부(6); 로 구성되는 것을 특징으로 하는 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 측정 대상 파일(1)의 인접한 위치에는 기준 마커(3)가 더 구비되고, 상기 카메라(4)는 파일 마커(2)와 기준 마커(3)를 동시에 촬영하며, 상기 데이터 처리부(5)는 기준 마커(3)에 대한 파일 마커(2)의 3차원 상대 좌표를 연산하여 파일(1)의 관입량 및 리바운드량을 측정하는 것을 특징으로 하는 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 파일(1)의 전방에는 기준 마커(3)가 고정되는 거치구(7)가 구비되는 것을 특징으로 하는 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템.
  4. 제3항에서,
    상기 카메라(4)는 거치구(7)에 설치되는 것을 특징으로 하는 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템.
KR1020210084806A 2021-06-29 2021-06-29 파일 관입량 및 리바운드량 측정 시스템 KR102507543B1 (ko)

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JP2017015445A (ja) * 2015-06-29 2017-01-19 成隆 柾 画像処理による計測方法及び計測プログラム
KR102039443B1 (ko) * 2019-07-29 2019-11-01 정창식 항타기에 의한 파일 관입량 자동 측정시스템
JP6693616B1 (ja) * 2019-12-11 2020-05-13 計測技研株式会社 測量システム及び測量方法

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