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[국내논문] 저가의 머신 비전 카메라를 이용한 2차원 진동의 측정 및 교정
Measurement of two-dimensional vibration and calibration using the low-cost machine vision camera 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.37 no.2, 2018년, pp.99 - 109  

김서우 (현대자동차) ,  이정권 (한국과학기술원 기계공학과)

초록
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현존하는 진동 측정 센서는 정밀도 면에서는 대부분의 진동을 측정하기에 충분하나, 센서 한 개로 하나의 지점이나 방향에 한정하여 측정할 수밖에 없다는 단점을 갖고 있다. 반면 카메라의 경우, 정밀도나 측정 가능한 주파수 영역의 면에서는 다소 불리하지만, 한 번에 광범위한 영역의 진동을 측정할 수 있고 가격 면에서 유리하며 다자유도의 진동을 동시에 측정할 수 있다는 큰 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는 저가의 머신 비전 카메라가 진동 측정 센서로서 어느 정도의 오차 범위 내에서 진동을 측정할 수 있는지 알아본 후, 실제 외팔보의 진동을 측정하였다. 카메라의 2차원 평면 이미지는 두 방향의 직선 운동과 한 방향의 회전 운동을 나타낼 수 있다. 먼저 단일 점의 진동을 카메라로 측정하고, LDV(Laser Doppler Vibrometer) 측정을 기준으로 한 카메라 측정의 오차를 실험적으로 교정하였다. 다음으로 다중점의 진동을 한 번에 측정하여 회전 진동과 외팔보 전체 형상의 진동을 측정하였다. 외팔보 전체 형상 진동은 주파수와 시간 영역 모두에 대하여 분석하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The precision of the vibration-sensors, contact or non-contact types, is usually satisfactory for the practical measurement applications, but a sensor is confined to the measurement of a point or a direction. Although the precision and frequency span of the low-cost camera are inferior to these sens...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 첫 번째 실험과 동일하게 먼저 랜덤 가진을 이용하여 주파수 응답 함수를 구했으며, 이를 통해 외팔보의 1, 2차 고유 진동수가 각각 5Hz, 30 Hz라는 결과를 얻었다. 본 실험에서는 2차 고유 진동수인 30 Hz로 가진하였을 때 각 지점의 시간축에 대한 변위가 어떻게 되는지 살펴보고 시간에따른 외팔보의 전체적인 형상을 살펴보았다. 각 표시 점의 시간에 따른 위치는 Fig.
  • 5 µm, 1 µm, 2 µm, 3 µm, 4 µm, 6 µm, 8 µm, 10 µm, 20 µm, 30 µm, 40 µm, 50 µm, 60 µm, 80 µm, 100 µm 총 45가지의 조건을 변화시켜 가진하였다. 본 실험의 목적은 진동체가 나이퀴스트 주파수 이하의 어느 주파수로 진동을 할 때, 진동의 진폭이 줄어듦에따라 LDV 측정과 비교한 카메라 측정의 오차를 계산하는 것이므로, 주파수보다 진폭을 더욱 세밀하게 나누었다. Fig.
  • 본 절에서는 일단 단일 점의 진동을 카메라로 측정한 내용을 다루기 위해, 먼저 진동체 움직임의 포착하는 방법을 연구하고, 외팔보를 대상으로 진동을 측정하였다. 카메라와 LDV 측정을 동시에 진행함으로써, LDV 측정값을 교정 기준으로 하여 진동 측정 기구로서의 카메라가 어느 정도의 오차를 갖고 진동을 측정할 수 있는지에 대하여 교정을 수행하였다.
  • 카메라와 LDV로 동시에 측정하였고, LDV 값을 교정 기준으로 하여 진동 측정 기구로서의 카메라에 대한 교정을 실험적으로 수행하였다. 여러 개의 표시 점을 이용하여 다중점과 방향에 대한 운동을 한 번에 측정하였고, 이를 이용하여 시간 및 주파수 영역에서의 진동을 분석하여 유용성을 보이고자 하였다.
  • 본 연구에서는 먼저 진동을 측정하기 위해 고려해야 할 카메라의 변수에 대하여 알아보고, 단일 표시 점을 이용하여 카메라의 교정을 다중 표시 점을 이용 하여 직접 카메라로 여러 지점과 방향의 진동을 한번에 측정하는 실험을 진행하였다. 이를 통하여 가우시안 곡선 맞춤을 이용하여 표시 점을 추적할 경우 어느 정도의 오차로 진동 측정이 가능한 지 알아 보았으며, 이를 이용하여 다중점과 여러 방향 진동의 카메라 측정의 가능성에 대하여 볼 수 있었다. 향후 더 많은 카메라 설정 조건과 진동 진폭과 주파수조건에 대하여 실험을 진행하여 교정을 일반화시켜 외팔보 이외의 실물의 진동을 측정하는 연구가 필요 하다.

가설 설정

  • 이를 결정하는 요소는 두 가지가 있는데 첫 번째는 이미지 센서의 해상도이고 두 번째는 카메라와 피사체 사이의 거리이다.[5] 해상도가 높아질수록, 거리가 가까워질수록 픽셀 하나가 나타내는 실제 길이는 점점 작아진다. 진동체의 움직임을 측정하는 것은 프레임속도가 N fps일 때 기준점이 1/N초 동안 픽셀 단위에서 어떻게 움직였는가를 측정하는 것이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
구조물의 진동 측정은 어디에 사용되는가? 구조물의 진동 측정은 구조물의 안전 진단 또는 운동 특성 파악 등 여러 분야에서 사용되고 있다. 구조물의 진동을 정확히 측정하기 위해 가속도계나 LDV(Laser Doppler Vibrometer) 등의 장비가 사용되며, 이러한 진동 측정 방법들은 특정한 지점에서의 진동을 매우 정확하게 측정할 수 있다는 큰 장점을 갖고 있다.
진동 측정 센서의 단점은 무언인가? 현존하는 진동 측정 센서는 정밀도 면에서는 대부분의 진동을 측정하기에 충분하나, 센서 한 개로 하나의 지점이나 방향에 한정하여 측정할 수밖에 없다는 단점을 갖고 있다. 반면 카메라의 경우, 정밀도나 측정 가능한 주파수 영역의 면에서는 다소 불리하지만, 한 번에 광범위한 영역의 진동을 측정할 수 있고 가격 면에서 유리하며 다자유도의 진동을 동시에 측정할 수 있다는 큰 장점을 갖고 있다.
가속도계나 LDV의 단점은 무엇인가? 구조물의 진동을 정확히 측정하기 위해 가속도계나 LDV(Laser Doppler Vibrometer) 등의 장비가 사용되며, 이러한 진동 측정 방법들은 특정한 지점에서의 진동을 매우 정확하게 측정할 수 있다는 큰 장점을 갖고 있다. 그러나 이는 센서 하나당 한 지점이나 방향에 한정하여 측정할 수밖에 없다는 단점이 있다. 예를 들어, LDV 한 대를 이용하면 레이저가 조사되는 지점과 방향에 한정된 진동만 측정할 수 있다.
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참고문헌 (10)

  1. P. Castellini, M. Martaarelli, and E. Tomasini, "Review: laser doppler vibrometer: development of advanced solutions answering to technology's needs," Mechanical Systems and Signal Processing 20, 1265-1285 (2006). 

  2. J. Chen, A. Davis, N. Wadhwa, F. Durand, W. Freeman, and O. Buyukozturk, "Video camera-based vibration measurement for civil infrastructure applications," J. Infrastructure Systems, B4016013 (2016). 

  3. K. S. Son, H. S. Jeon, J. H. Park, and J. W. Park, "Vibration displacement measurement technology for cylindrical structures using camera images," Nuclear Engineering and Technology, 47, 488-499 (2015). 

  4. H. S. Jeon, Y. C. Choi, J. H. Park, and J. W. Park, "Parameter studies for measuring vibration by using camera," Trans. KSNVE. 20, 1033-1037 (2010). 

  5. R. E. Jacobson, S. F. Ray, and G. G. Attridge, The Manual of Photography: Photographic and Digital Imaging, 9th edition (Focal Press, Oxford, 2000), pp.72-82. 

  6. J. S. Bendat and A. G. Piersol, Random Data: Analysis and Measurement Procedures, 4th edition (John Wiley & Sons, New Jersey, 2010), Chap. 10. 

  7. M. Irani and P. Anandan, "About direct methods," IWVA, 267-277 (1999). 

  8. P. H. S. Torr and A. Zisserman, "Feature based methods for structure and motion estimation," IWVA, 278-294 (1999). 

  9. A. M. Wahbeh, J. P. Caffrey, and S. F. Masri, "A vision-based approach for the direct measurement of displacements in vibrating systems," Smart Materials and Structures, 12, 785-794 (2003). 

  10. R. C. Gonzalez and R. E. Woods, Digital Image Processing, 2nd edition (Prentice Hall, Upper Saddle River, 2002), Chaps. 2, 3. 

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