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문제 정의
- 또한 전자탐사 분야에서는 지하에 대한 정밀한 입체 정보 획득을 위해 시추공 3차원 시간영역 전자탐사법(TEM, Time domain Electromagnetic Method)을 수행하고 있으며 이 때 시추공 편차 및 기울기 정보의 정밀한 결합은 필수적이다. 본 논문에서는 범위가 가장 넓은 시추공 응용에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다. 시추공 응용의 경우 자원탐사 뿐만 아니라 지하공동탐지, 지반침하 모니터링(Choi et al.
- 본 논문에서는 이러한 노력의 일환으로 산업용 제어계측에 주로 활용되고, 원칩 컴퓨터 혹은 마이컴으로 불리는 CMOS 초저전력 · 고성능 MCU를 도입하여 지구물리 · 물리탐사 장비에 유용하게 사용될 수 있는 야외 시험용 다용도 실시간 저전력 경사각과 방위각 측정시스템 개발에 관한 연구결과를 제시하고자 한다.
- 본 논문에서는 이러한 발전 추세를 적극 고려하여 지구물리·물리탐사 분야에 다양하게 응용될 수 있는 다용도 야외시험용 실시간 저전력 경사각과 방위각 측정 시스템 개발 연구를 진행하였다.
제안 방법
- 5에 나타내었다. 4층 기판형태로 제작되었으며 전원과 그라운드 층이 차폐 역할을 하여 노이즈 저감 효과를 주면서 리턴 경로를 최소화하여 전자기 방사를 최소화하였다.
- 개발된 시스템은 지름 42 mm의 존데 안에 전원, 센서, MCU 제어 모듈이 모두 장착될 수 있도록 제작되었다. 또한 CMOS 저전력, 초소형 MCU를 도입하여 기존 임베디드 보드로는 구현할 수 없는 크기로 제어 보드를 제작하였다.
- 개발한 시스템의 성능을 평가하기 위해 정밀 측정장비를 제작하였다. 실험을 위해 제작된 장비는 roll, pitch용 정밀 눈금자와 yaw 시험용 정밀 눈금 회전자이다.
- 따라서 본 연구에서 개발할 시스템에는 이러한 기존 기술의 단점들을 보완하기 위해 자력센서, 가속도 센서, 자이로스코프를 모두 사용한 자세센서 AHRS (Altitude Heading Reference System)를 도입하여 지구물리·물리탐사용 다용도 경사각과 방위각 측정 시스템을 개발하기로 하였다.
- 따라서 센서 A를 가능한 모든 방향으로 회전시켜 센서 보정 변수를 획득하는 캘리브레이션 과정을 거친 후 360º 범위에서 다시 5º 간격으로 측정하였다.
- 개발된 시스템은 지름 42 mm의 존데 안에 전원, 센서, MCU 제어 모듈이 모두 장착될 수 있도록 제작되었다. 또한 CMOS 저전력, 초소형 MCU를 도입하여 기존 임베디드 보드로는 구현할 수 없는 크기로 제어 보드를 제작하였다. 외부와는 RS-485통신으로 최대 1200 m까지 통신이 가능하도록 하였고, 데이터 통합 및 제어 모듈을 따로 설계하여 시추공용으로 확장이 가능하도록 하였다.
- 이 센서들은 특별한 제어신호 없이도 연속적으로 경사각과 방위각 정보를 출력하기 때문에 센서 모듈의 MCU 보드에 저장된 펌웨어는 시리얼 수신 인터럽트를 사용하여 동시에 입력되는 3개의 센서 문자열을 유실 없이 버퍼에 저장하도록 하였다. 버퍼의 데이터는 실시간으로 업데이트 되다가 데이터 통합 및 제어 MCU 보드에서 데이터 획득 명령을 받으면 그 순간의 버퍼데이터를 출력하도록 하였다(Fig. 8b).
- 센서 모듈 플랫폼에는 3종류의 선정한 AHRS 센서와 센서제어를 위한 MCU 보드를 장착하였고 외부와는 RS-485로 통신하여 최대 1200 m, 최대 16 Mbps의 속도로 데이터를 전송할 수 있도록 하였다. 본 논문에서 개발된 시스템에서 센서 모듈은 2개의 3.3 V 레벨 UART와 1개의 RS-232 인터페이스로 센서들과 115200 bps의 속도로 데이터를 주고받고 RS-485 인터페이스를 통해 115200 bps의속도로 외부와 통신하도록 하였다.
- 플랫폼의 형태는 센서 모듈을 시추공, 이동형 측정 등에 사용할 수 있게 CNC 선반으로 정밀 가공하여 길이 560 mm, 직경 42 mm의 원통형으로 제작하였다. 본 논문에서 진행될 실험을 위해 MCU 모듈을 상부에 부착하였고 센서들을 설치할 목적으로 각각의 크기에 맞도록 소켓 형태로 공간을 마련하였다. 센서들의 중심축을 플랫폼의 가운데에 정렬하였기 때문에 상하 위치가 다르더라도 기울어졌을 때 닮은꼴 삼각형의 원리로 동일한 각도를 가진다.
- 센서 모듈은 길이 560 mm, 직경 42 mm의 폴리프로필랜 재질 초슬림 원통형 플랫폼에 전원 소자와 초소형 MCU 보드, 선정한 AHRS 센서를 장착하여 구성한다. 본 논문에서는 최근 시중에 출시된 3종류의 AHRS를 선정하여 센서 모듈에 장착하였다. 센서 들은 디지털로 데이터를 출력하고 MCU와는 UART로 통신하며 baud rate은 115200bps로 설정하였다.
- AHRS 센서는 시중에 판매되는 수많은 센서들 중 직경 42 mm의 존데에 설치될 수 있는 크기이면서 측정 범위가 heading과 roll에 대해서 ±180°, pitch는 ±90°를 보장하고 2010년 이후에 출시된 제품으로 선정하였다. 선정된 센서들은 기본으로 DOF (Degree of Freedom)가 9 이상이고 쿼터니언 연산을 통해 각도를 계산한다. 가격적인 측면에서는 센서 A가 고가의 제품군에 속하며 센서 B는 중가, 센서 C는 저가에 속한다.
- 9). 센서 모듈 플랫폼에는 3종류의 선정한 AHRS 센서와 센서제어를 위한 MCU 보드를 장착하였고 외부와는 RS-485로 통신하여 최대 1200 m, 최대 16 Mbps의 속도로 데이터를 전송할 수 있도록 하였다. 본 논문에서 개발된 시스템에서 센서 모듈은 2개의 3.
- 센서들의 효율적인 데이터 획득을 위해 저전력 고성능 MCU를 선정하여 기존 임베디드 보드로는 구현할 수 없는 크기와 성능으로 보드를 설계하였다. 제한된 공간 내에 설치될 수 있도록 주변 소자를 최소화하여 17×64 mm 크기로 제작하였으며, 완성된 회로의 layout을 Fig.
- 외부 인터페이스용으로 2개 SPI, 2개 TWI, 5개 USART 통신 포트를 기본으로 가지고 있어 다양한 센서를 구동하기 적합하며 야외 장거리 통신이 가능하도록 2개의 RS-485포트를 추가하였다. 선정한 RS-485 송수신 드라이버는 자동으로 송수신 방향제어가 가능하며 최대 16 Mbps까지 송수신이 가능하고 ±15 kV의 정전기 보호를 제공한다.
- 또한 CMOS 저전력, 초소형 MCU를 도입하여 기존 임베디드 보드로는 구현할 수 없는 크기로 제어 보드를 제작하였다. 외부와는 RS-485통신으로 최대 1200 m까지 통신이 가능하도록 하였고, 데이터 통합 및 제어 모듈을 따로 설계하여 시추공용으로 확장이 가능하도록 하였다. MEMS AHRS를 도입하여 개발된 시스템의 성능과 AHRS 자체의 성능 또한 검증할 수 있었다.
- 사용자가 데이터를 요청하면 데이터 통합 및 제어 MCU 보드가 엔코더와 센서 모듈의 데이터를 획득하여 사용자에게 데이터를 반환하는 구조이다. 이 기능을 구현하기 위해 데이터 통합 및 제어 MCU 보드와 센서 모듈에 설치된 MCU 보드의 펌웨어를 각각 설계하였다.
- 3 V 레벨의 UART와 RS-232 인터페이스로 ASCII코드의 데이터를 출력한다. 이 센서들은 특별한 제어신호 없이도 연속적으로 경사각과 방위각 정보를 출력하기 때문에 센서 모듈의 MCU 보드에 저장된 펌웨어는 시리얼 수신 인터럽트를 사용하여 동시에 입력되는 3개의 센서 문자열을 유실 없이 버퍼에 저장하도록 하였다. 버퍼의 데이터는 실시간으로 업데이트 되다가 데이터 통합 및 제어 MCU 보드에서 데이터 획득 명령을 받으면 그 순간의 버퍼데이터를 출력하도록 하였다(Fig.
- 전체적으로 야외 장시간 운용, 원거리 통신을 위해 저전력으로 구성하였고 다용도, 실시간 처리기능을 위해 폴리프로필렌 재질의 플랫폼과 초소형 MCU 보드, 센서 제어용 임베디드 펌웨어를 직접 설계 및 제작하였다. 각 핵심 구성요소와 시스템의 설계 및 제작에 관하여 아래에 상세히 기술한다.
대상 데이터
- AHRS 센서는 시중에 판매되는 수많은 센서들 중 직경 42 mm의 존데에 설치될 수 있는 크기이면서 측정 범위가 heading과 roll에 대해서 ±180°, pitch는 ±90°를 보장하고 2010년 이후에 출시된 제품으로 선정하였다.
- 따라서 단일 공급 전원을 분배하면서 동시에 여러 센서를 구동할 수 있을 만큼 강력한 출력의 전원소자가 필요하다. 개발된 장비는 야외 장시간 운용을 고려하여 효율이 최대 93%에 달하는 SMPS (Switched Mode Power Supply)를 선정하였다. SMPS는 전압 강하가 되는 만큼 전력이 손실되는 LDO (Low Drop Out) 레귤레이터에 비하여 월등한 전력 효율을 보이기 때문에 이 시스템에 적합하다.
- 분해능 0.025 mm, 반복 정밀도 ±0.01 mm의 2축 CNC 정밀 레이저 가공기로 아크릴 소재를 조각 하여 제작하였다.
- 선정한 RS-485 송수신 드라이버는 자동으로 송수신 방향제어가 가능하며 최대 16 Mbps까지 송수신이 가능하고 ±15 kV의 정전기 보호를 제공한다.
- 센서 모듈은 내경 42 mm의 존데에 삽입이 가능하도록 길이 560 mm, 직경 42 mm의 원통형 플랫폼을 사용하였고, 케이블을 장착하여 외부와 통신이 가능하도록 하였다(Fig. 9). 센서 모듈 플랫폼에는 3종류의 선정한 AHRS 센서와 센서제어를 위한 MCU 보드를 장착하였고 외부와는 RS-485로 통신하여 최대 1200 m, 최대 16 Mbps의 속도로 데이터를 전송할 수 있도록 하였다.
- 센서와 MCU 보드를 장착할 플랫폼을 제작하기 위해 자기장 간섭을 일으키지 않는 폴리프로필랜을 선정하였다. 플랫폼의 형태는 센서 모듈을 시추공, 이동형 측정 등에 사용할 수 있게 CNC 선반으로 정밀 가공하여 길이 560 mm, 직경 42 mm의 원통형으로 제작하였다.
- 개발한 시스템의 성능을 평가하기 위해 정밀 측정장비를 제작하였다. 실험을 위해 제작된 장비는 roll, pitch용 정밀 눈금자와 yaw 시험용 정밀 눈금 회전자이다. 분해능 0.
- 01 mm의 2축 CNC 정밀 레이저 가공기로 아크릴 소재를 조각 하여 제작하였다. 제품은 사용된 볼트 및 너트까지 모두 자장의 왜곡을 일으키지 않는 비자성 소재를 사용하였다.
- 센서와 MCU 보드를 장착할 플랫폼을 제작하기 위해 자기장 간섭을 일으키지 않는 폴리프로필랜을 선정하였다. 플랫폼의 형태는 센서 모듈을 시추공, 이동형 측정 등에 사용할 수 있게 CNC 선반으로 정밀 가공하여 길이 560 mm, 직경 42 mm의 원통형으로 제작하였다. 본 논문에서 진행될 실험을 위해 MCU 모듈을 상부에 부착하였고 센서들을 설치할 목적으로 각각의 크기에 맞도록 소켓 형태로 공간을 마련하였다.
성능/효과
- 외부와는 RS-485통신으로 최대 1200 m까지 통신이 가능하도록 하였고, 데이터 통합 및 제어 모듈을 따로 설계하여 시추공용으로 확장이 가능하도록 하였다. MEMS AHRS를 도입하여 개발된 시스템의 성능과 AHRS 자체의 성능 또한 검증할 수 있었다. 특히 센서의 캘리브레이션을 통해 성능 명세 이상의 결과를 얻어 개발한 시스템이 무자장 공간에서만이 아닌 야외 환경에서도 기존 요구 범위 내에서 측정 가능함을 확인하였다.
- 개발된 경사각과 방위각 측정 센서 모듈은 존데 내에서 시추공 중요 정밀 계측모듈과 일체화되어 시추공 편차의 동시측정으로 탐사효율을 극대화 시킬 수 있다. 여기서 시추공 정밀 계측모듈이란 여러 물리검층장비 혹은 시추공 물리탐사장비를 말한다.
- 센서들을 정상상태에서 측정한 결과 상대적으로 센서 A의 안정도와 정확도가 가장 높다는 것을 알 수 있었다. 고전적인 기존의 시추공 편차검층용 경사각과 방위각 측정 센서 모듈과 비교할 때 본 논문에서 실험한 3가지 모듈 중에서 센서 A가 그에 준하는 성능을 보임을 검증하였다. 또한 센서 A의 자체 캘리브레이션을 수행한 후 성능 명세 이상의 결과를 얻어 무자장공간이 아니라 실제 야외현장 응용에서도 개발된 시스템을 신뢰할 수 있다는 것을 확인하였다.
- 고전적인 기존의 시추공 편차검층용 경사각과 방위각 측정 센서 모듈과 비교할 때 본 논문에서 실험한 3가지 모듈 중에서 센서 A가 그에 준하는 성능을 보임을 검증하였다. 또한 센서 A의 자체 캘리브레이션을 수행한 후 성능 명세 이상의 결과를 얻어 무자장공간이 아니라 실제 야외현장 응용에서도 개발된 시스템을 신뢰할 수 있다는 것을 확인하였다. 개발 센서 모듈은 기존의 것보다 초소형, 저전력의 장점을 살려 운용될 것이다.
- 또한 센서 B는 최대 오차 5.428º를 나타내어 센서 A, 센서 B 모두 방위각 정확도가 성능명세에 근사한 결과를 얻을 수 있었다.
- 센서들을 정상상태에서 측정한 결과 상대적으로 센서 A의 안정도와 정확도가 가장 높다는 것을 알 수 있었다. 고전적인 기존의 시추공 편차검층용 경사각과 방위각 측정 센서 모듈과 비교할 때 본 논문에서 실험한 3가지 모듈 중에서 센서 A가 그에 준하는 성능을 보임을 검증하였다.
- 실험결과 센서 A는 최대 오차가 2.41º를 나타내어 상대적으로 가장 정확한 결과를 얻을 수 있었다(Fig. 14).
- 실험결과 센서 C는 roll, pitch에 대해서 모두 1° 이상의 가장 큰 오차를 나타낸 것을 확인하였다.
- 자세히 분석한 결과 최대오차 0.795º ,최소오차 −0.859º 를 나타내어 정확도가 1.65º 로 나타나 성능명세를 상회함을 알 수 있었다.
- 전체적으로 Fig. 12a의 센서 A는 yaw, pitch, roll의 표준편차가 0.01552°, 0.00394°, 0.0041°로 가장 안정하며 Fig. 12b의 센서 B에서는 0.12321°, 0.06839°, 0.04584° 수준의 표준편차를 보이지만 지속적인 드리프트 현상을, Fig. 12c의 센서 C에서는 0.07887°, 0.7559° , 0.08551° 수준으로 무작위한 잡음을 관찰할 수 있었다.
- MEMS AHRS를 도입하여 개발된 시스템의 성능과 AHRS 자체의 성능 또한 검증할 수 있었다. 특히 센서의 캘리브레이션을 통해 성능 명세 이상의 결과를 얻어 개발한 시스템이 무자장 공간에서만이 아닌 야외 환경에서도 기존 요구 범위 내에서 측정 가능함을 확인하였다.
후속연구
- 또한 지하구조물의 설치 시 공동현상 및 지하수위의 변화 등의 영향으로 인한 수평방향의 이동속도 모니터링이나 지반의 함몰을 막기 위해 벽체에 일어나는 응력을 모니터링 할 때에도 사용된다. 이와 같이 본 연구에서 개발한 다용도 야외시험용 실시간 저전력 경사각과 방위각 측정 시스템은 지구물리·물리탐사분야에서 응용범위가 넓기 때문에 앞으로의 다양한 응용이 기대된다.
- 지구물리탐사 현장계측기술은 근래 전자공학 및 IT기술의 급속한 발전에 힘입어 과거 대비 눈부시게 향상되었으며 이러한 경향은 향후 더욱 가속화될 것이다. 특히 반도체 공정기술 기반의 초소형 정밀기계 제작기술인 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)의 발달로 다양한 센서의 초소형화, 초경량화, 저전력 동작이 가능하게 되었다.
- 본 논문에서는 이러한 발전 추세를 적극 고려하여 지구물리·물리탐사 분야에 다양하게 응용될 수 있는 다용도 야외시험용 실시간 저전력 경사각과 방위각 측정 시스템 개발 연구를 진행하였다. 특히 개발 모듈은 시추공 편차검층용 경사각과 방위각 측정 모듈 응용사례에 초점을 맞추어 실험결과를 제시하였는데, 기존의 것보다 초소형, 저전력으로 제작되어 더욱 정밀하고 다양한 응용이 기대된다.
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