[논문]비전 및 IMU 융합 기반 대형 구조물 6자유도 변위 측정 기법

명현; 전해민; 김영재

비전 및 IMU 융합 기반 대형 구조물 6자유도 변위 측정 기법 원문보기

소음진동 = Journal of KSNVE, v.24 no.4, 2014년, pp.7 - 13

명현 (한국과학기술원) , 전해민 (한국과학기술원) , 김영재 (한국과학기술원)

초록이 없습니다.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이 글에서는 대형 구조물의 변위를 측정하는 방법들에 대해서 전반적으로 살펴보고, 특히 6자유도 변위 즉, 선형 및 회전 변위 측정이 가능한 비전 기반의 양립형 구조 광 시스템인 ViSP 및 샘플링 주파수를 향상시키기 위한 ViSP-IMU 시스템에 대해서 소개하였다. 이 시스템은 레이저 포인터, 카메라, 스크린, 그리고 레이저의 움직임을 제어하는 2자유도 매니퓰레이터가 한 면을 구성하고 마주보는 두 면이 쌍을 이루어 한 모듈을 이룬다.
그러나, 이 시스템은 각 면간에 데이터를 주고받아야 하므로 이로 인한 통신 지연, 영상처리 시간 지연 등으로 인해 만족할 만한 샘플링 주파수를 얻을 수 없었다. 이를 극복하기 위해 이 글에서는 IMU(inertial measurement unit) 정보를 융합하여 빠른 샘플링 주파수를 얻을 수 있는 시스템을 소개한다.

제안 방법

ViSP의 샘플링 주파수를 높이기 위하여 이 글에서는 관성측정장치(IMU)와의 데이터 퓨전을 실시하였다. 전체적인 구조는 칼만 필터를 따르며, 예측 과정에서는 샘플링 주파수가 높은 3축가속도계 및 자이로스코프를 바탕으로 이중 적분 또는 적분 하여 선형 및 회전 변위를 예측한다.
그림에서 보는 바와 같이 각 모듈은 서로 마주보는 두 면으로 구성 되어 있으며, 각 면은 한 개 혹은 두 개의 레이저, 카메라, 그리고 스크린으로 구성되어 있다. 각 면의 레이저는 반대편 스크린을 향하여 조사하고, 스크린 내 투영된 레이저 빔의 위치는 인접한 카메라를 이용하여 계산한다. 이 때, 카메라와 스크린 사이의 거리가 20 cm 정도로 가깝기 때문에 이 변위 측정 시스템의 경우 외부환경의 변화에 강인하도록 설계되어 있다.
ViSP의 경우 고속 변위 측정시 카메라 두 개의 영상획득의 시간차로 인하여 오차가 발생할 수 있다. 따라서 공분산 교차 알고리즘을 사용하였으며, 도출된 6자유도 변위 값을 바탕으로 IMU의 바이어스를 보정하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 우리 연구팀은 카메라와 스크린 사이가 매우 가까운 양립형 구조 광 시스템을 제안하였다⁽⁵⁾. 시스템의 각 면은 스크린, 레이저 그리고 카메라로 구성되어 있으며 두 면이 서로 마주 보도록 설계되었다. 이 시스템의 경우 카메라와 스크린 사이의 거리가 짧기 때문에 안개나 조도와 같은 외부 환경 변화에 거의 영향을 받지 않아서 기존 비전 기반의 구조물 변위 측정 시스템의 한계점을 극복할 수 있었다.
알고리즘의 성능을 검증하기 위하여 진동 테이블을 이용하여 인위적인 움직임을 발생시 고, 이를 관측하였다.
우리 연구팀은 기존 변위 측정 센서들의 단점을 극복할 수 있는, 다시 말해 외부환경의 변화에 강인하고, 가격이 저렴하며, 높은 정밀도를 보장하는 6자유도 변위 측정 시스템을 개발하였다. 개발한 양립형 구조광 시스템(paired structured light system)은 그림 1과 같다⁽⁵⁾.
이후 ViSP 데이터과 관측되는 경우, 레이저 포인터의 위치 및 매니퓰레이터의 회전각도를 바탕으로 관측 및 업데이트를 수행한다. 관측식은 식 (5)와 같다.
ViSP의 샘플링 주파수를 높이기 위하여 이 글에서는 관성측정장치(IMU)와의 데이터 퓨전을 실시하였다. 전체적인 구조는 칼만 필터를 따르며, 예측 과정에서는 샘플링 주파수가 높은 3축가속도계 및 자이로스코프를 바탕으로 이중 적분 또는 적분 하여 선형 및 회전 변위를 예측한다. ViSP의 데이터가 수령되기 전까지 가속도 및 각속도를 바탕으로 6자유도 변위를 예측하며, 예측식은 식 (4)와 같다.

대상 데이터

송신부는 LRF(laser range finder), 2자유도 매니퓰레이터(manipulator), 그리고 두 개의 레이저 포인터로 구성되어 있으며, 수신부는 카메라와 스크린으로 구성되어 있다. 송신부의 LRF와 레이저로부터 나오는 빔은 수신부의 스크린을 향해 평행하게 조사되고 수신부에 부착된 카메라는 스크린의 영상을 획득한다. 송신부의 경우 모터를 제어하고 PC와 통신을 하기 위해 컨트롤 보드가 추가로 구성되어 있다.

이론/모형

각 레이저 포인터는 2D 스크린에 투영되므로 X 및 Y 축 위치 정보를 갖는다. 따라서 총 3개의 레이저 포인터의 위치정보를 바탕으로 6개의 식을 도출할 수 있으며, 이는 뉴튼-랍슨(Newton-Raphson) 기법 또는 확장형 칼만 필터(extended Kalman filter) 기법 등을 이용하여 6 자유도 변위를 계산할 수 있다.

성능/효과

다양한 실험을 통하여 제안한 양립형 구조광시스템 외부 환경의 변화에 강인하며, 가격이 저렴하고, 6자유도 변위를 모두 측정할 수 있음을 검증하였다. 하지만, 스크린의 크기가 한정적이기 때문에 측정 가능한 변위의 범위 역시 한정적이라는 단점이 있다.
이는 상대적으로 가격이 저렴하다는 장점이 있으나, 온도와 같은 외부환경의 변화에 민감하며 각 신호를 변위로 변환하는 과정에서 신호 드리프트(drift)로 인하여 오차가 누적될 수 있다는 단점이 있다. 마지막으로, LDV 또는 토탈 스테이션의 경우 정밀도가 매우 높은 반면, 장착이 어렵고, 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다.
이 시스템은 레이저 포인터, 카메라, 스크린, 그리고 레이저의 움직임을 제어하는 2자유도 매니퓰레이터가 한 면을 구성하고 마주보는 두 면이 쌍을 이루어 한 모듈을 이룬다. 이 시스템은 비주얼 서보잉 기술을 도입함으로써 한정된 스크린 크기로 인한 한정된 변위 측정 범위의 문제점을 극복하였다.

후속연구

4 Hz 정도인 ViSP 시스템의 샘플링 주파수를 IMU 센서와의 융합을 통해 더 빠르게 변위를 측정할 수 있도록 향상시켰고, 현장 실험을 통해 검증이 된다면, 향후 다양한 6자유도 변위 측정 시스템에 활발히 응용되리라 생각한다.
또한 양측에 센서와 레이저가 설치되는 불편함을 없애고 병렬적으로 ViSP를 이용할 수 있는 one-way ViSP 시스템을 소개하였으며, 이 시스템은 대형 공간과 같은 넓은 지역의 변위를 측정하는 데 유용하게 활용될 것으로 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	변위 측정에 사용될 수 잇는 센서에는 무엇이 있는가?	구조물의 건전도 상태를 파악할 수 있는 중요한 요소 중 하나인 변위 측정(1)에 사용될 수 있는 센서로는 LVDT, GPS(2), 가속도계(6), LDV, 토탈 스테이션(total-station), 비전 센서(3,4,7) 등이 있다. LVDT 는 구조물과 고정점 사이를 연결하여 두 지점 사이의 1축 선형 변위를 측정한다.
	LDV 또는 토탈 스테이션의 단점은 무엇인가?	이는 상대적으로 가격이 저렴하다는 장점이 있으나, 온도와 같은 외부환경의 변화에 민감하며 각 신호를 변위로 변환하는 과정에서 신호 드리프트(drift)로 인하여 오차가 누적될 수 있다는 단점이 있다. 마지막으로, LDV 또는 토탈 스테이션의 경우 정밀도가 매우 높은 반면, 장착이 어렵고, 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다.
	가속도계를 이용한 간접적인 변위 측정 방식의 장점과 단점은 무엇인가?	가속도계를 이용한 간접적인 변위 측정 방식의 경우 이중 적분하여 변위를 예측할 수 있다. 이는 상대적으로 가격이 저렴하다는 장점이 있으나, 온도와 같은 외부환경의 변화에 민감하며 각 신호를 변위로 변환하는 과정에서 신호 드리프트(drift)로 인하여 오차가 누적될 수 있다는 단점이 있다. 마지막으로, LDV 또는 토탈 스테이션의 경우 정밀도가 매우 높은 반면, 장착이 어렵고, 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다.

참고문헌 (15)

Balageas, D., Fritzen, C. P. and Guemes, A. (eds), 2006, Structural Health Monitoring, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.
Casciati, F. and Fuggini, C., 2011, Monitoring a Steel Building Using GPS Sensors, Smart Struct. Syst., Vol. 7, No. 5, pp. 349-363.

상세보기
Ji, Y. F. and Chang, C. C., 2008, Nontarget Stereo Vision Technique for Spatiotemporal Response Measurement of Line-like Structures, Int. J. Eng. Mech., Vol. 134, No. 6, pp. 466-474.
Lee, J. J. and Shinozuka, M., 2006, Real-time Displacement Measurement of a Flexible Bridge Using Digital Image Processing Techniques, Exp. Mech., Vol. 46, No. 1, pp. 105-114.

상세보기
Myung, H., Lee, S. M. and Lee, B. J., 2011, Paired Structured Light for Structural Health Monitoring Robot System, Structural Health Monitoring, Vol. 10, No. 1, pp. 49-64.

상세보기
Lee, H. S. and Hong, Y. H., 2009, An Application of the Displacement Reconstruction Scheme on Measured Acceleration from So- Rok Bridge, Proceedings of the KSNVE Annual Autumn Conference, pp. 318-319.
Park, J. W., Lee, J. J., Jung, H. J. and Myung, H., 2010, Vision-based Displacement Measurement Method for High-rise Building Structures Using Partitioning Approach, NDT & E Int., Vol. 43, No. 7, pp. 642-647.

상세보기
Marecos, J., Castanheta, M. and Trigo, J. T., , 1969, Field Observation of Tagus River Suspension Bridge, J. Struct. Div-ASCE., Vol. 95, No. 4, pp. 555-583.
Isyumov, J., Davenport, A. G. and Monbaliu, J., 1984, CN Tower: Model and Full-scale Response to Wind, in IABSE 12th Congress, Vancouver BC,.
Stephen, G. A., J. Brownjohn, M. W. and Taylor, C. A., 1993, Visual Monitoring of the Humber Bridge, Eng. Struct., Vol. 15, No. 3, pp. 197-208.

상세보기
Park, J. W., Lee, J. J. Jung, H. J. and Myung, H., 2010, Vision-based Displacement Measurement Method for High-rise Building Structures Using Partitioning Approach, NDT & E Int., Vol. 43, No. 7, pp. 642-647.

상세보기
Ni, Y. Q. and Wong, K. Y., 2009, Health Checks through Landmark Bridges to Skyhigh Structures, in 5th Int. Workshop on Advanced Smart Materials and Smart Structures Technology, Boston, pp. 9-22.
Chang, C. C. and Xiao, X. H., 2009, Accurate Displacement Measurement from Fusion of Vision-based Displacement and Acceleration with Kalman Filter, in 20th Int. Conf. on Adaptive Structures and Technologies, Hong Kong.
Jeon, H., Bang, Y. and Myung, H., 2011, A Paired Visual Servoing System for 6-DOF Displacement Measurement of Structures, Smart Materials and Structures, Vol. 20, No. 4, p.45019.

상세보기
Jeon, H., Shin, J. U. and Myung, H., 2012, Incremental Displacement Estimation of Structures Using Paired Structured Light, Smart Struct. Syst., Vol. 9, No. 3, pp. 273-286.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증