본 논문에서는 이단계 칼만필터를 활용한 구조물의 3 자유도 동적변위 계측 시스템을 소개한다. 개발 시스템은 센서 모듈, 베이스 모듈, 컴퓨테이션 모듈로 구성되어 있다. 센서 모듈은 100Hz 샘플주파수의 고정밀 가속도를 계측하는 포스피드백 가속도계와 10Hz의 샘플주파수의 저정밀도의 속도, 변위를 계측하는 저가의 RTK-GNSS로 구성되어 있다. 계측된 데이터는 LAN 케이블을 통하여 컴퓨테이션 모듈로 전송되고, 컴퓨테이션 모듈에서 이단계 칼만필터를 활용하여 100Hz 샘플주파수의 고정밀 변위를 실시간으로 산정한다. 개발 시스템의 변위 계측 정밀도를 검증하기 위해 미국, 캘리포니아에 위치한 San Francisco-Oaklmand Bay bridge 에서 현장 실험을 수행하였으며, 실험 결과 1.68mm RMS 오차를 보임을 확인하였다.
본 논문에서는 이단계 칼만필터를 활용한 구조물의 3 자유도 동적변위 계측 시스템을 소개한다. 개발 시스템은 센서 모듈, 베이스 모듈, 컴퓨테이션 모듈로 구성되어 있다. 센서 모듈은 100Hz 샘플주파수의 고정밀 가속도를 계측하는 포스피드백 가속도계와 10Hz의 샘플주파수의 저정밀도의 속도, 변위를 계측하는 저가의 RTK-GNSS로 구성되어 있다. 계측된 데이터는 LAN 케이블을 통하여 컴퓨테이션 모듈로 전송되고, 컴퓨테이션 모듈에서 이단계 칼만필터를 활용하여 100Hz 샘플주파수의 고정밀 변위를 실시간으로 산정한다. 개발 시스템의 변위 계측 정밀도를 검증하기 위해 미국, 캘리포니아에 위치한 San Francisco-Oaklmand Bay bridge 에서 현장 실험을 수행하였으며, 실험 결과 1.68mm RMS 오차를 보임을 확인하였다.
The paper presents a new dynamic displacement measurement system. The developed displacement measurement system consists of a sensor module, a base module and a computation module. The sensor module, which contains a force-balanced accelerometer and low-price RTK-GNSS, measures the high-precision ac...
The paper presents a new dynamic displacement measurement system. The developed displacement measurement system consists of a sensor module, a base module and a computation module. The sensor module, which contains a force-balanced accelerometer and low-price RTK-GNSS, measures the high-precision acceleration with sampling frequency of 100Hz, the low-precision displacement and velocity with sampling frequency of 10Hz. The measured data is transferred to the computation module through LAN cable, and precise displacement is estimated in real-time with 100Hz sampling frequency through a two stage Kalman filter. The field test was conducted at San Francisco-Oaklmand Bay bridge, CA, USA to verify the precision of the developed system, and it showed the RMSE was 1.68mm.
The paper presents a new dynamic displacement measurement system. The developed displacement measurement system consists of a sensor module, a base module and a computation module. The sensor module, which contains a force-balanced accelerometer and low-price RTK-GNSS, measures the high-precision acceleration with sampling frequency of 100Hz, the low-precision displacement and velocity with sampling frequency of 10Hz. The measured data is transferred to the computation module through LAN cable, and precise displacement is estimated in real-time with 100Hz sampling frequency through a two stage Kalman filter. The field test was conducted at San Francisco-Oaklmand Bay bridge, CA, USA to verify the precision of the developed system, and it showed the RMSE was 1.68mm.
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문제 정의
본 논문에서는 포스피드백 가속도계와 저가의 RTK-GNSS에서 계측한 가속도, 속도, 변위 데이터를 이단계 칼만필터로 융합하여 건설구조물의 3자유도 동적변위를 계측하는 시스템을 개발하였다. 개발 시스템은 비계와 같은 가설물을 필요로 하지 않고 상시모니터링이 가능하며, 기존 변위 센서인 LDV, RTKGNSS에 비해 저렴한 가격으로 제작이 가능하다.
제안 방법
RSV(remote sensing vibrometer, RSV-E-150)를 교각 기초에 설치하여 레퍼런스 변위를 계측하였으며, RSV의 레이저 수신 세기를 높이기 위하여 센서 모듈 설치 지점의 하부(RSV 계측 지점)에 반사판을 설치하였다. 실험은 2시간동안 진행하였으며, 개발 센서의 정밀도는 RSV로 계측한 변위를 레퍼런스 변위로 하여 계산하였다.
개발 센서의 정밀도와 현장 적용성을 검증하기 위하여 미국 캘리포니아주에 위치한 San Francisco-Oakland Bay Bridge의 East span에서 현장실험을 수행했다. 해당 교량은 미국의 대표적인 자정식 현수교로 주경간 길이 430m이다.
본 논문에서는 포스피드백 가속도계, RTK-GNSS에서 각각 측정한 가속도, 속도, 변위 데이터를 이단계 칼만필터로 융합하여 고정밀 변위를 산정하는 시스템을 개발하고, 실제 교량에서 실험을 수행하여 변위 계측 정확도를 검증하였다. 개발 시스템은 고층빌딩, 해상교량에 일반적으로 사용하는 RTK-GNSS(샘플주파수: 최대 20Hz, 정밀도: 8~20mm)에 비해, (1) 샘플주파수가 100Hz로 높고, (2) 정밀도 1.
베이스 모듈은 저가의 RTK-GNSS 칩셋(piksi multi), GNSS안테나(GPS500), 무선 통신용 모듈(FreeWave, DDM2T)로구성되어 있다. 센서 모듈에서 RTK연산을 수행하기 위하여,베이스 모듈은 GNSS 안테나를 통하여 수신되는 GPS L1/L2,GLONASS G1,G2 신호의 관측메시지를 무선 통신용 모듈을 통하여 센서 모듈로 전송한다. 베이스 모듈은 변위가 거의 발생하지 않는 지점에 설치하고, 센서모듈과 거리가 멀어질수록 센서 모듈의 RTK연산 결과의 정확도가 저하되기 때문에 가능한 센서 모듈과 가까운 거리에 설치하여야 한다.
센서 모듈의 RTK 연산을 위한 베이스 모듈은 교량의 변위가 거의 생기지 않는 교각 상부에 설치하였다. 센서 모듈은 컴퓨테이션 모듈과 같이 교량의 최대 처짐이 발생하는 주경간 중앙부 부근에 설치하여 해당 지점의 변위를 계측하였다,본래 개발 센서 모듈은 GNSS 안테나와 센서 모듈이 일체화되어 구조물에 설치된 4~5m 높이의 폴대 위에 설치되어야 하나,현장 실험 시에는 GNSS 안테나와 센서 모듈이 분리되어 센서모듈은 교량의 바닥판에, GNSS 안테나는 삼각대 위에 설치하였다.
RSV(remote sensing vibrometer, RSV-E-150)를 교각 기초에 설치하여 레퍼런스 변위를 계측하였으며, RSV의 레이저 수신 세기를 높이기 위하여 센서 모듈 설치 지점의 하부(RSV 계측 지점)에 반사판을 설치하였다. 실험은 2시간동안 진행하였으며, 개발 센서의 정밀도는 RSV로 계측한 변위를 레퍼런스 변위로 하여 계산하였다.
제안된 변위 계측 시스템에서는 고정밀 동적변위를 실시간으로 산정하기 위해 가속도계 데이터에 내재된 바이어스를 보정하고, 실시간 연산이 가능한 이단계 칼만필터가 적용된다(Kim et al., 2016).
대상 데이터
개발 시스템은 베이스 모듈, 센서 모듈, 컴퓨테이션 모듈로 구성되어 있다. 베이스 모듈은 RTK-GNSS 칩셋, GNSS안테나, 무선 통신용 모듈로 구성되어 있다. 베이스 모듈은 센서 모듈 내 RTK-GNSS 칩셋의 RTK 연산을 통한 정밀변위 산출을 위하여, 베이스 모듈의 위성 신호 정보가 포함된 관측 메시지를 센서 모듈로 전송한다.
개발 센서의 정밀도와 현장 적용성을 검증하기 위하여 미국 캘리포니아주에 위치한 San Francisco-Oakland Bay Bridge의 East span에서 현장실험을 수행했다. 해당 교량은 미국의 대표적인 자정식 현수교로 주경간 길이 430m이다.
성능/효과
본 논문에서는 포스피드백 가속도계, RTK-GNSS에서 각각 측정한 가속도, 속도, 변위 데이터를 이단계 칼만필터로 융합하여 고정밀 변위를 산정하는 시스템을 개발하고, 실제 교량에서 실험을 수행하여 변위 계측 정확도를 검증하였다. 개발 시스템은 고층빌딩, 해상교량에 일반적으로 사용하는 RTK-GNSS(샘플주파수: 최대 20Hz, 정밀도: 8~20mm)에 비해, (1) 샘플주파수가 100Hz로 높고, (2) 정밀도 1.68mm내외로 우수하며 (3) 3,000만원 내외의 가격으로 상용화 가능할 것으로 예상된다.
본 논문에서는 포스피드백 가속도계와 저가의 RTK-GNSS에서 계측한 가속도, 속도, 변위 데이터를 이단계 칼만필터로 융합하여 건설구조물의 3자유도 동적변위를 계측하는 시스템을 개발하였다. 개발 시스템은 비계와 같은 가설물을 필요로 하지 않고 상시모니터링이 가능하며, 기존 변위 센서인 LDV, RTKGNSS에 비해 저렴한 가격으로 제작이 가능하다. 또한 대형구조물에 가장 보편적으로 사용되고 있는 RTK-GNSS와 비교하여 변위 계측 정확도, 샘플주파수 측면에서 우수한 성능을 보임을 실제 교량 실험을 통하여 검증하였다.
개발 시스템은 비계와 같은 가설물을 필요로 하지 않고 상시모니터링이 가능하며, 기존 변위 센서인 LDV, RTKGNSS에 비해 저렴한 가격으로 제작이 가능하다. 또한 대형구조물에 가장 보편적으로 사용되고 있는 RTK-GNSS와 비교하여 변위 계측 정확도, 샘플주파수 측면에서 우수한 성능을 보임을 실제 교량 실험을 통하여 검증하였다.
71mm이다. 반면, 개발시스템으로 계측한 변위는 기존 RTK-GNSS 로 계측한 변위의 낮은 주파수 변위 오차와 높은 주파수의 계측 잡음을 제거하여 1.68mm의 RMS 오차(2시간 계측데이터 기준)를 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구조물의 변위 측정이 중요한 이유는?
최근 국내에서 부실시공, 노후화 등으로 인해 시공 중 또는 시공 후에 구조물의 붕괴사고가 잇따라 발생함에 따라, 구조물건전도 모니터링에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히, 구조물의 변위는 구조물의 건전도를 파악하는데 중요한 물리적 계측치이다(Calvi et al., 1995, Crowley et al.
LVDT란 무엇인가?
LVDT는 대표적인 변위계측 센서로 정밀도는 1μm 이내로 정밀하지만, 실제 대형 구조물에 적용하기 위해서는 설치 시비계와 같은 가설물을 필요하기 때문에 해상교량 ,고층빌딩 등과 같은 대형 구조물에 적용하기 어렵다(Tariq et al., 2002).
LDV 장비의 장점과 단점은 무엇인가?
또 LDV는 레이저 빔을 대상 구조물의 변위 계측 지점에 주사하면 도플러 효과에 의해 해당 지점의 속도와 변위를 동시 측정할 수 있는 장비이다. 원거리에서 사용할 수 있고, 정확도가 0.3nm 이내로 정밀한 계측이 가능하다는 장점이 있지만, 레이저의 경로가 항상 확보되어야 상시 모니터링이 가능하고, 고가의 장비이므로 손·망실에 대한 위험도를 감수해야 한다(Gwashavanhu et al., 2016).
참고문헌 (8)
Calvi, G., Kingsley, G. (1995) Displacement-based Seismic Design of Multi-Degree-of-Freedom Bridge Structures, Earthq. Eng. & Struct. Dyn., 24, pp.1247-1266.
Dai, W., Huang, D., Cai, C. (2014) Multipath Mitigation Via Component Analysis Methods for GPS Dynamic Deformation Monitoring, GPS Solut., 18, pp.417-428.
Kwon, N.Y., Kang, D.Y., Sohn, H (2016) Application of High-precision Accelerometer Made in Korea to Health Monitoring of Civil Infrastructures, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 29(3), pp.277-284.
Tariq, H., Takamori, A., Vetrano, F., Wang, C., Bertolini, A., Calamai, G., DeSalvo, R., Gennai, A., Holloway, L., Losurdo, G., Marka, S., Mazzoni, M., Paoletti, F., Passuello, D., Sannibale, V., Stanga, R. (2002) The Linear Variable Differential Transformer (LVDT) Position Sensor for Gravitational Wave Interferometer Lowfrequency Controls, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detect. & Assoc. Equip., 489, pp.570-576.
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