KR102237407B1 - 3d 센서 탑재형 dgnss 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 관한 것으로서, 자율 운항이 가능하도록 위성항법보정시스템(DGNSS)을 탑재하고, 자율 운항하면서 시설물 측 손상 부위를 검출 및 영상정보를 획득하기 위한 손상검출장비를 탑재한 무인이동체; 상기 무인이동체로 운항정보를 보내 자동항법 제어를 수행하고, 무인이동체로부터 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보를 실시간으로 전송받으며, 지상관제센터로서 기능하도록 구비되는 지상제어장치; 상기 지상제어장치에 탑재하거나 또는 연결 접속하도록 구비되고, 상기 무인이동체로부터 획득한 시설물 측 손상 부위에 대한 영상정보를 기초로 균열을 비롯한 손상 정도를 추정하기 위한 AI기반 손상검출엔진;을 포함하며, 상기 무인이동체는, 육상에서 무인 비행이 가능하고, 고정밀 측위를 위한 3D 센서 내장형 위성항법보정시스템(DGNSS)을 탑재하여 GPS 비수신구역에서도 자율 운항이 가능하도록 구비되며, 시설물 측 육상부에 대한 손상부위 촬영이 가능하도록 촬영카메라가 장착된 육상 드론; 및 수상에서 무인 이동이 가능하고, 고정밀 측위를 위한 3D 센서 내장형 위성항법보정시스템(DGNSS)을 탑재하여 GPS 비수신구역에서도 자율 운항이 가능하도록 구비되며, 시설물 측 수상부에 대한 손상부위 촬영이 가능하도록 사이드스캔소나가 장착된 수상 드론; 중에서 적어도 1종을 구비하거나 또는 두 가지 모두를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 교량과 같이 점검이 어렵거나 용이하지 못한 시설물은 물론 험지 부위까지 상시 점검 및 안전진단을 통한 유지관리를 수행할 수 있고, 교량 시설물에 대한 자동 안전점검 및 용이함을 발휘할 수 있을 뿐만 아니라 교량 시설물 측 점검 및 안전진단에 따른 신뢰성을 높일 수 있으며, 교량 시설물 측 유지관리비용을 절감할 수 있는 등 기존의 방식에 비해 교량 시설물을 보다 효율적으로 유지관리할 수 있다.
본 발명에 따르면, 교량과 같이 점검이 어렵거나 용이하지 못한 시설물은 물론 험지 부위까지 상시 점검 및 안전진단을 통한 유지관리를 수행할 수 있고, 교량 시설물에 대한 자동 안전점검 및 용이함을 발휘할 수 있을 뿐만 아니라 교량 시설물 측 점검 및 안전진단에 따른 신뢰성을 높일 수 있으며, 교량 시설물 측 유지관리비용을 절감할 수 있는 등 기존의 방식에 비해 교량 시설물을 보다 효율적으로 유지관리할 수 있다.
Description
본 발명은 3D 센서 탑재형 DGNSS(Differential Global Navigation Satellite System; 위성항법보정시스템) 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3D 센서를 탑재한 위성항법보정시스템(DGNSS) 기반 자율운항이 가능한 육상 드론 및/또는 수상 드론 등의 무인이동체를 활용하고 이를 이용하여 측위한 교량 시설물 측 점검 데이터에 대해 인공지능(AI; Artificial Intelligence) 기반으로 안전진단을 수행할 수 있도록 구성함으로써 교량 시설물의 점검 및 안전진단에 대한 신뢰성을 확보할 수 있도록 하며 교량 시설물을 보다 효율적으로 유지관리할 수 있도록 한 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 시설물은 크게 교량, 터널, 항만, 댐, 건축물, 하천, 상하수도, 옹벽 및 절토사면, 공동구로 분류되며, 각각은 구조형식과 규모에 따라서 제1종 시설물과 제2종 시설물로 분류된다.
이러한 시설물은 안전한 사용을 위해 점검 및 유지관리가 매우 중요한데, 종래에 있어 시설물 유지관리는 아직까지 인력기반 방식을 고수하고 있는데, 급경사지(사면), 고가 교량, 댐 체제 등 인력이 접근하기 힘든 시설은 라펠(Rappel) 또는 고소차 등을 이용해 직접 점검하고 있다.
그러나, 종래와 같은 인력기반 방식의 점검은 비용과 시간이 많이 소요됨은 물론 효율성이 떨어지고 장비 탑승으로 인해 추락 및 충돌 등 안전사고 발생 우려가 높은 문제점이 있었으며, 계측 데이터의 신뢰성을 높지 않는 문제점이 있었다.
또한, 종래 시설물 유지관리에 있어서는 교량의 안전성과 밀접하여 교좌장치와 신축이음장치 등은 상시 관리가 필요한데, 점검이 어려워 이를 해결할 수 있는 기술이 필요한 실정에 있다.
이에, 최근에는 인력기반 방식의 시설물 유지관리 방법과 계측 데이터에 대한 신뢰성을 보완하기 위해 시설물에 접촉 또는 내장된 센서를 활용한 구조물 모니터링 시스템이 제안된 바 있다.
하지만, 이러한 센서를 통한 시설물 점검 및 유지관리 방식은 센서의 설치 영역 주변으로 검사 영역이 제한되고, 관리대상 구조물의 개수 증가에 따른 관리 비용이 증가되며, 설치된 센서 및 케이블에 대한 추가적인 유지보수가 요구되는 부분이 한계점으로 지적되고 있다.
또한, 2018년 1월 18일 시행된 ‘시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법’은 기존 중대형 규모의 시설물뿐만 아니라 소규모 시설물까지 전문가의 안전관리를 받도록 규정하고 있으며, 기존 제1종 및 제2종 시설물과 더불어 신규 제3종 시설물에 대한 안전점검 및 유지관리까지 실시하여야 한다.
이에 따라, 기존 인력기반의 시설물 유지관리 방법이 갖는 인명사고 등의 문제점과, 센서를 활용한 구조물 모니터링 방법이 갖는 신뢰성 확보 등의 문제점을 해결하기 위한 새로운 시스템 및 방법들의 도출이 요구되고 있으며, 실질적으로 실용화 및 상용화가 가능한 시설물 유지관리 시스템 및 방법의 개발이 요구되는 실정에 있다.
한편, 시설물 점검 및 유지관리 시스템 및 방법에 관한 종래 선행기술문헌을 살펴보았을 때, 국내등록특허공보 제10-2012288호에서는 "장착된 촬영수단, 센서를 이용해 주변 정보를 수집하고, 내부에 저장하는 드론, 드론에 저장된 정보를 수신하여 안전 점검하는 서버, 드론에서 수집한 영상정보를 모니터링하는 모니터링부를 포함하는 구조물 안전 점검 시스템에 있어서, 드론이 이착륙하며, 내부에 수용공간이 형성되어 착륙한 드론을 보관하며, 드론에 저장된 정보를 수신하여 저장 및 서버에 전송하고, 내부에 저장된 드론의 전원을 충전하는 드론 저장장치, 드론의 이동 범위에 설치되어 드론의 위치 오차를 보상하는 실시간 이동측위 송수신기를 더 포함하는 구성을 통해 안전 점검 시간 및 비용을 감소하는 효과를 제공하며, 드론에 고정밀 센서 시스템을 적용하여 3차원 지도를 작성하고, 3차원 지도를 이용해 누락된 구조물이 있는지 점검하는 드론을 이용한 구조물 안전 점검 시스템을 제안 및 개시하고 있다.
또한, 국내등록특허공보 제10-1765235호에서는 "유지관리 및 안전점검이 필요한 시설물에 각각 설치되어 시설물의 이상 거동을 계측하는 적어도 하나 이상의 사물인터넷(IoT) 기반 센서유닛; 상기 IoT 기반 센서유닛과 IoT 통신네트워크를 통해 연결되고, 상기 IoT 기반 센서유닛에서 계측된 신호를 수집 분석하여 상기 시설물의 거동 이상 유무를 판단하며, 이에 대응하는 조치를 지시하는 계측결과 분석 및 조치 단말; 상기 시설물에 근접하도록 비행하여 상기 시설물의 이상 유무를 확인하도록 영상을 촬영하는 무인비행체; 상기 계측결과 분석 및 조치 단말의 조치에 대응하여 상기 무인비행체의 출동과 복귀, 비행, 충전, 시설물 인식 및 영상촬영을 원격 지시하는 무인비행체 비행 및 조종 단말; 및 상기 무인비행체(140)의 배터리를 충전하기 위한 충전장치를 구비하고, 상기 무인비행체를 격납하는 무인비행체 스테이션;을 포함하는 구성을 통해 시설물에 다수 구비된 사물인터넷(IoT) 기반 센서에 의해 1차적으로 시설물의 이상 거동을 실시간으로 계측하고, 이상 거동이 감지된 경우 또는 필요시 무인비행체의 영상 촬영에 의해 2차적으로 시설물의 이상 거동을 정밀 계측함으로써 시설물의 현재 상태와 이상 거동 유무를 판단할 수 있고, IoT 기반 센서유닛과 무인비행체를 통해 이중 점검을 수행함으로써 계측센서의 오류 등에 의한 오경보를 방지할 수 있는 사물인터넷 기반 센서와 무인비행체를 이용한 시설물 유지관리 시스템 및 방법을 제안 및 개시하고 있다.
본 발명은 상기의 종래 문제점들을 개선 및 이를 감안하여 안출된 것으로서, 3D 센서를 탑재한 위성항법보정시스템(DGNSS) 기반 자율운항이 가능한 육상 드론 및 수상 드론의 무인이동체를 활용하여 교량 시설물 측 손상부위를 촬영하고 이를 이용하여 측위한 교량 시설물 측 점검 데이터에 대해 인공지능(AI; Artificial Intelligence) 기반으로 분석 및 안전진단을 수행할 수 있도록 한 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 교량 시설물에 대한 자동 안전점검을 수행할 수 있도록 하면서 점검 및 안전진단에 따른 신뢰성을 높일 수 있도록 하며, 교량 시설물의 유지관리비용을 절감할 수 있도록 하는 등 교량 시설물을 보다 효율적으로 유지관리할 수 있도록 한 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 교량과 같이 점검이 어렵거나 용이하지 못한 시설물은 물론 험지 부위까지 상시 점검 및 유지관리할 수 있도록 하며, 인공지능(AI; Artificial Intelligence)을 이용한 분석을 통해 3D Mapping 처리와 더불어 시설물의 상태평가 등급까지 산출할 수 있도록 한 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템은, 자율 운항이 가능하도록 위성항법보정시스템(DGNSS)을 탑재하고, 자율 운항하면서 시설물 측 손상 부위를 검출 및 영상정보를 획득하기 위한 손상검출장비를 탑재한 무인이동체; 상기 무인이동체로 운항정보를 보내 자동항법 제어를 수행하고, 무인이동체로부터 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보를 실시간으로 전송받으며, 지상관제센터로서 기능하도록 구비되는 지상제어장치; 상기 지상제어장치에 탑재하거나 또는 연결 접속하도록 구비되고, 상기 무인이동체로부터 획득한 시설물 측 손상 부위에 대한 영상정보를 기초로 균열을 비롯한 손상 정도를 추정하기 위한 AI기반 손상검출엔진;을 포함하며, 상기 무인이동체는, 육상에서 무인 비행이 가능하고, 고정밀 측위를 위한 3D 센서 내장형 위성항법보정시스템(DGNSS)을 탑재하여 GPS 비수신구역에서도 자율 운항이 가능하도록 구비되며, 시설물 측 육상부에 대한 손상부위 촬영이 가능하도록 촬영카메라가 장착된 육상 드론; 및 수상에서 무인 이동이 가능하고, 고정밀 측위를 위한 3D 센서 내장형 위성항법보정시스템(DGNSS)을 탑재하여 GPS 비수신구역에서도 자율 운항이 가능하도록 구비되며, 시설물 측 수상부에 대한 손상부위 촬영이 가능하도록 사이드스캔소나가 장착된 수상 드론; 중에서 적어도 1종을 구비하거나 또는 두 가지 모두를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 지상제어장치에 탑재하거나 또는 연결 접속하도록 구비되고, 무인이동체로부터 전송받은 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보와 더불어 AI기반 손상검출엔진을 통해 추정한 시설물 측 손상 정도 추정데이터를 관리 및 시설물 측 상태평가를 자동으로 수행하는 sm-PED(Portable Electronic Device for safety & maintenance) 기반 상태평가 플랫폼;을 더 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 위성항법보정시스템(DGNSS)은, GPS 기준국에서 생성된 보정정보를 이용하여 GNSS 수신기의 오차를 보정함으로써 이를 탑재한 육상 드론 또는 수상 드론의 위치와 고도 및 속도를 정밀하게 측위하기 위한 구성이며; 3축 가속도센서, 3축 자이로센서, 3축 지자기센서를 조합한 9축 센서를 탑재하되, 각 센서들의 출력을 개별적으로 내보내는 IMU(Inertial Measurement Unit)로 구비되는 3D 센서를 포함하여 육상 드론 또는 수상 드론의 이동 위치는 물론 방위까지 정밀하게 측위할 수 있도록 하며; 육상 드론 또는 수상 드론의 이동시 시설물 측 오픈(Open) 또는 음영 공간에서도 안정적인 데이터의 생성을 가능하게 함으로써 시설물의 점검 및 안전진단에 따른 신뢰성을 높이면서 유지관리효율을 높일 수 있도록 구성할 수 있다.
여기에서, 상기 지상제어장치는, 상기 무인이동체와 무선통신은 물론 양방향 데이터통신이 가능하도록 구비되는 것으로서, 화면 출력이 가능한 노트북, 태블릿 PC, 개인휴대단말기, 모바일단말기 중에서 선택된 어느 1종일 수 있다.
여기에서, 상기 AI기반 손상검출엔진은, 시설물의 균열을 비롯한 손상은 일정 패턴을 가지므로 기존 시설물 측 손상 사진을 AI(Artificial Intelligence)로 신경망 기반 딥러닝 학습한 상태에 상기 무인이동체로부터 획득한 시설물 측 손상 부위에 대한 영상정보와 비교 및 분석하여 균열 폭과 길이를 비롯한 손상 정도 추정데이터를 출력하도록 구성할 수 있다.
여기에서, 상기 sm-PED(Portable Electronic Device for safety & maintenance) 기반 상태평가 플랫폼에서는, 상기 무인이동체로부터 전송받은 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보와 더불어 AI기반 손상검출엔진을 통해 추정한 시설물 측 손상 정도 추정데이터를 기초로 3D Mapping 처리하여 화면 출력함과 더불어 현재 시설물에 대한 상태평가 등급까지 자동 산출하여 화면 출력하도록 구성할 수 있다.
여기에서, 상기 sm-PED(Portable Electronic Device for safety & maintenance) 기반 상태평가 플랫폼에는 시설물에 대한 기초정보가 기 저장되고, 3D Mapping 처리 및 와관조사망도 처리가 가능한 전자망도가 탑재되며; 상기 무인이동체로부터 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보와 더불어 AI기반 손상검출엔진을 통해 추정한 시설물 측 손상 정도 추정데이터를 입력받은 경우, 기 저장된 시설물 기초정보를 불러와서 전자망도를 통해 화면 출력하되, 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보와 손상 정도 추정데이터를 반영하여 3D Mapping으로 화면 출력하고, 시설물 측 손상 정도를 양호, 주의, 불량 상태로 구분하여 외관조사망도를 작성하여 자동 출력하며, 외관조사망도 데이터를 기반으로 최저값 분석을 통해 시설물에 대한 종합상태점수를 산정함과 더불어 상태평가 등급을 자동 산출하여 화면 출력하도록 구성할 수 있다.
여기에서, 상기 수상 드론은, 수상 이동이 가능하도록 추진부를 갖는 소형 보트타입의 무인수상선과, 상기 무인수상선에 연결되어 수중에 위치되고 시설물 측 수상부에 대한 손상부위를 탐색 및 촬영하는 사이드 스캔 소나를 포함하며; 상기 사이드 스캔 소나는, 2MHz의 초고주파대역 주파수를 이용하여 시설물 측 수상부에 대한 수중 탐색 및 측량의 세부적인 정밀 조사를 수행하기 위한 것으로서, 정밀도 및 분해능 10mm 이하를 갖는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 3D 센서를 탑재한 위성항법보정시스템(DGNSS) 기반 자율운항이 가능한 육상 드론 및 수상 드론의 무인이동체를 활용하여 교량 시설물 측 손상부위를 촬영하며, 이를 이용하여 측위한 교량 시설물 측 점검 데이터에 대해 인공지능(AI; Artificial Intelligence) 기반으로 분석하고 안전진단을 정밀하게 수행할 수 있는 새로운 구성의 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 교량과 같이 점검이 어렵거나 용이하지 못한 시설물은 물론 험지 부위까지 상시 점검 및 안전진단을 통한 유지관리를 수행할 수 있으며, 딥러닝 기반 학습을 갖는 인공지능(AI; Artificial Intelligence)을 이용한 분석을 통해 3D Mapping 처리와 더불어 시설물의 상태평가 등급까지 산출할 수 있는 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 교량 시설물에 대한 자동 안전점검을 수행할 수 있도록 하면서 점검 및 안전진단에 따른 신뢰성을 높일 수 있으며, 교량 시설물 측 유지관리비용을 절감할 수 있도록 하는 등 기존의 방식에 비해 교량 시설물을 보다 효율적으로 유지관리할 수 있는 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템을 설명하기 위해 나타낸 개락적 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템을 통해 교량 측 점검을 실시하는 사용상태를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 육상드론을 나타낸 개략적 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 육상드론을 통해 교량 측 교좌장치에 대한 변위를 조사하는 상태를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 육상드론을 통해 교량 측 신축이음부를 조사하는 상태를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 수상드론을 나타낸 개략적 블록 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 사이드스캔소나가 탑재된 수상드론을 나타낸 개략적 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 사이드스캔소나 및 소나장착지그를 나타낸 구성도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 AI기반 손상검출엔진을 통해 교량 측 균열상태를 추정하는 예시를 나타낸 예시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 sm-PED기반 상태평가 플랫폼을 통해 시설물 측 상태평가를 자동 수행하는 예시를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템을 통해 교량 측 점검을 실시하는 사용상태를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 육상드론을 나타낸 개략적 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 육상드론을 통해 교량 측 교좌장치에 대한 변위를 조사하는 상태를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 육상드론을 통해 교량 측 신축이음부를 조사하는 상태를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 수상드론을 나타낸 개략적 블록 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 사이드스캔소나가 탑재된 수상드론을 나타낸 개략적 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 사이드스캔소나 및 소나장착지그를 나타낸 구성도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 AI기반 손상검출엔진을 통해 교량 측 균열상태를 추정하는 예시를 나타낸 예시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어 sm-PED기반 상태평가 플랫폼을 통해 시설물 측 상태평가를 자동 수행하는 예시를 나타낸 예시도이다.
본 발명에 대해 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같으며, 이와 같은 상세한 설명 및 도면을 통해서 본 발명의 목적과 구성 및 그에 따른 특징들을 보다 잘 이해할 수 있게 될 것이다.
이하, 도 1 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS(Differential Global Navigation Satellite System; 위성항법보정시스템) 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS(Differential Global Navigation Satellite System; 위성항법보정시스템) 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템은 위성항법보정시스템(DGNSS) 기반 자율운항이 가능한 육상 드론 및/또는 수상 드론 등의 무인이동체를 활용하여 교량 시설물 측 손상부위를 촬영하고 이를 이용하여 측위한 교량 시설물 측 점검 데이터에 대해 이를 인공지능(AI; Artificial Intelligence) 기반으로 분석 및 안전진단을 수행하여 신뢰성을 확보하기 위한 주요 목적성을 구현하기 위한 것으로서, 도 1 내지 도 10에 나타낸 바와 같이, 무인이동체(100), 지상제어장치(200), AI기반 손상검출엔진(300), 및 sm-PED기반 상태평가 플랫폼(400)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
상기 무인이동체(100)는 자율 운항 및 정밀 측위가 가능하도록 위성항법보정시스템(DGNSS)을 탑재하고, 자율 운항하면서 시설물 측 손상 부위를 용이하게 검출 및 영상정보를 획득하기 위한 손상검출장비를 탑재한다.
상기 무인이동체(100)는 육상드론(110)과 수상드론(120) 중에서 적어도 1종을 구비하거나 또는 두 가지 모두를 구비하는 구성을 갖게 할 수 있다.
특히, 시설물 중에서 수상에 설치되어 육상구조물과 수중구조물을 동시에 갖는 교량을 점검함에 있어서는 육상 드론(110)과 수상 드론(120)을 모두 구비하는 구성이 바람직하다.
상기 육상 드론(110)은 육상부에서 무인 비행이 가능하고, 고정밀 측위를 위한 3D 센서 내장형 위성항법보정시스템(DGNSS)을 탑재하여 GPS 비수신구역에서도 자율 운항이 가능하도록 구비되는 것으로서, 시설물 측 육상부에 대한 손상부위 촬영이 가능하도록 촬영카메라가 장착된 구성을 포함한다.
상기 육상 드론(110)은 온도 시험(-20 ~ 50℃)과 내풍성 시험(6~10m/s)을 통해 비행환경 적용성을 확보하도록 구비된다.
여기에서, 상기 위성항법보정시스템(DGNSS)은 GPS 기준국에서 생성된 보정정보를 이용하여 GNSS수신기의 오차를 보정하는 DGNSS모듈을 포함하는 구성요소로서, 이를 통해 육상 드론(110)의 위치와 고도 및 속도를 정밀하게 측위할 수 있다.
여기에서, 상기 위성항법보정시스템(DGNSS)에 탑재되어 함께 이용되는 3D 센서는 3축 가속도센서와 3축 자이로센서 및 3축 지자기센서를 조합한 9축 센서를 탑재하되, 상기 각 센서들의 출력을 개별적으로 내보내는 IMU(Inertial Measurement Unit)로 구비할 수 있다.
즉, 상기 위성항법보정시스템(DGNSS)과 3D 센서를 활용함으로써 육상 드론(110)에 대한 이동 위치는 물론 방위까지 정밀하게 측위할 수 있으며, GPS 비수신구역에서도 자율 운항을 가능하게 한다.
또한, 상기 육상 드론(110)은 위성항법보정시스템(DGNSS)과 3D 센서로부터 출력되는 데이터를 입력받아 제어 및 관리하기 위한 MCU와, 지상제어장치(200)와의 무선통신을 위한 무선통신모듈 및 동작전원을 공급하고 충전이 가능하도록 구비되는 충전배터리를 포함한다.
상기 육상 드론(110)을 통해서는 예를 들어, 교량 시설물을 점검시 도 4에서 보여주는 바와 같이 교량 상판과 교각/교대에 설치되어 상판을 지지하고 충격을 완화하는 교좌장치의 이동량 등 변위에 대한 측정작업 및 조사를 수행할 수 있으며, 도 5에서 보여주는 바와 같이 교량 시설물 상판의 온도변화나 하중에 의한 탄성 변형으로부터 발생되는 상판의 균열을 방지하기 위해 설치되는 신축이음부의 퇴적물 및 유격 등을 조사하여 용이하게 확인할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
상기 수상 드론(120)은 수상부에서 무인 이동이 가능하고, 고정밀 측위를 위한 3D 센서 내장형 위성항법보정시스템(DGNSS)을 탑재하여 GPS 비수신구역에서도 자율 운항이 가능하도록 구비되는 것으로서, 시설물 측 수상부에 대한 손상부위 촬영이 가능하도록 사이드스캔소나가 장착된 구성을 포함한다.
상기 수상 드론(120)에 탑재되는 3D 센서 내장형 위성항법보정시스템(DGNSS)은 앞서 설명한 내용에서와 같은 구성 및 동일 작용을 하는 것으로서, 이를 준용하기로 한다.
즉, 상기 위성항법보정시스템(DGNSS)과 3D 센서를 활용함으로써 수상 드론(110)에서도 이동 위치는 물론 방위까지 정밀하게 측위할 수 있으며, GPS 비수신구역에서도 자율 운항을 가능하게 하는 장점을 제공할 수 있다.
상기 사이드스캔소나는 수중에서 음파를 통해 목표물의 방위 및 거리를 알아내는 기술로서, 고주파수대역의 적용을 통해 수중 등 수상부에 대한 손상검출 및 촬영이 가능한 구성요소이다.
상기 수상 드론(120)은 도 7에 나타낸 바와 같이, 사이드스캔소나(122)의 수중 배치에 의한 수상 운항을 위해 무인수상선(121)을 포함한다.
즉, 상기 수상 드론(120)은 수상 이동이 가능하도록 추진부를 갖는 소형 보트타입의 무인수상선(121)과, 상기 무인수상선(121)에 연결되어 수중에 위치되고 교량 시설물 측 수상부에 대한 손상부위를 탐색 및 촬영하기 위한 사이드스캔소나(122)를 포함한다.
이때, 상기 사이드스캔소나(122)는 2MHz의 초고주파대역 주파수를 이용하여 교량 시설물 측 수상부에 대한 수중 탐색 및 측량의 세부적인 정밀 조사를 수행하기 위한 것으로서, 정밀도 및 분해능 10mm 이하를 갖도록 구비함이 바람직하다.
상기 무인수상선(121)은 경량화와 부식방지 및 내구성을 구비하도록 섬유강화플라스틱으로 제작함이 바람직한데, 다양한 형체로 이루어질 수 있으며, 상기 사이드스캔소나(122)로부터 전송받은 수중 탐색 및 측량 데이터를 지상제어장치(200) 측에 실시간으로 송신하는 기능을 담당한다.
이를 위해, 상기 수상 드론(110)에서도 무인수상선(121) 상에 위성항법보정시스템(DGNSS)과 3D 센서로부터 출력되는 데이터를 입력받아 제어 및 관리하기 위한 MCU와, 지상제어장치(200)와의 무선통신을 위한 무선통신모듈 및 동작전원을 공급하고 충전이 가능하도록 구비되는 충전배터리가 구비된다.
부연하여, 상기 무인수상선(121) 측 추진부에 대해서는 무인수상선(121)의 후미 하부에 연결 장착되어 수상 이동을 위한 추진력을 제공하는 구성으로서, 알루미늄 방수하우징에 모터가 내장되고 알루미늄 프로펠러가 연결 장착되는 구성을 통해 수중에서의 사용에 따른 부식을 방지하고 방향 조절이 용이하도록 한다.
또한, 상기 무인수상선(121)에는 충전배터리에 대해 리튬코발트망간/리튬인산철 파워팩의 2차 배터리를 탑재함으로써 동작전원을 안정적으로 공급할 수 있도록 함과 더불어 교체하여 사용 가능하도록 한다.
상기 사이드스캔소나(122)는 상기 무인수상선(121)에 연결되어 수중에 배치되는 소나장착지그에 장착하여 사용하도록 구비되며, 이를 통해 사이드스캔소나(122)를 보호 및 수중 환경에 따라 용이하게 방향 조절하여 사용하도록 한다.
상기 소나장착지그는 도 8에 나타낸 바와 같이, 수중 환경에 사용되므로 이동에 따른 저항성을 최소화하기 위해 일자형 구조의 파이프 몸체로 구비함이 바람직하다.
상기 소나장착지그는 상기 무인수상선(121)의 하측에 위치하여 연결 장착하되, 연결부에 대해 승강 가능하도록 구비하여 사이드스캔소나(122)에 대한 수중 배치 위치를 조절하도록 구성할 수 있으며, 서버모터와 베벨기어를 이용한 회전수단을 결합하여 회전 제어에 의한 사이드스캔소나(122)의 방향성을 조절하도록 구성할 수 있다.
상기 소나장착지그는 지그본체(10)와 지그본체(210)의 후단에 연결 조립되는 후미결합부(20)로 구성할 수 있다.
상기 지그본체(10)는 일자형 구조를 갖는 파이프 몸체의 중간부에 양측면 및 하부 개방형 구조의 절개부(11)를 형성하여 사이드스캔소나(122)에 대해 삽입 배치를 가능하게 하고, 후단부에 양측면 절삭에 의한 측방개구부(12)를 형성하여 전체적인 중량을 절감할 수 있도록 구비한다.
상기 후미결합부(20)에는 상면에 무인수상선(121)이 갖는 데이터케이블과의 연결 조립에 사용하기 위한 케이블커넥터를 체결하여 구비할 수 있다.
이때, 소나장착지그에 사이드스캔소나(122)를 삽입 장착시 후미결합부(20)에 체결된 케이블커넥터에 사이드스캔소나(122) 측 출력을 연결함으로써 사이드스캔 소나(122)로부터 획득되는 수중 탐색 및 측량 데이터(영상데이터)를 무인수상선(121)으로 전송토록 구비할 수 있다.
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이와 같이, 상술한 구성을 갖는 상기 무인이동체(100)는 3D 센서를 내장한 위성항법보정시스템(DGNSS)을 접목함으로써 육상 드론(110) 또는 수상 드론(120)의 자동 운항을 위한 항법 제어시 교량 시설물 측 오픈(Open) 또는 음영 공간에서도 안정적인 데이터를 생성해낼 수 있는 장점을 발휘할 수 있으며, 교량 시설물의 점검 및 안전진단에 따른 신뢰성을 높이면서 유지관리효율을 높일 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
상기 지상제어장치(200)는 상기 무인이동체(100)로 운항정보를 보내 자동항법 제어를 수행하고, 무인이동체(100)로부터 교량 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보를 실시간으로 전송받으며, 지상관제센터로서 기능하도록 구비된다.
상기 지상제어장치(200)는 상기 무인이동체(100)에 대해 육상 드론(110)과 수상 드론(120) 각각을 개별 제어하도록 구비된다.
상기 지상제어장치(200)는 상기 무인이동체(100), 즉 육상 드론(110) 또는 수상 드론(120) 측과 각각 구별된 무선통신이 가능하도록 구비되어 각각에서의 데이터를 획득하도록 함은 물론 양방향 데이터통신이 가능하도록 구비된다.
상기 지상제어장치(200)는 화면 출력이 가능하고 휴대가 가능한 노트북, 태블릿 PC, 개인휴대단말기, 모바일단말기 중에서 선택된 어느 1종일 수 있으며, 때로는 모니터를 갖는 데스크탑PC나 서버PC 등이 사용될 수 있다.
상기 지상제어장치(200)에는 기본적인 운영체제를 비롯하여 무인이동체(100) 측 자동항법 제어를 위한 프로그램이 탑재된다. 즉, 육상 드론(110)과 수상 드론(120) 각각에 대한 자동항법 제어를 위한 프로그램이 각각 탑재된다.
여기에서, 상기 지상제어장치(200)에는 메쉬 네트워크(mesh network)를 구성하여 육상 드론(110) 및/또는 수상 드론(120)을 갖는 무인이동체(100)와의 데이터통신을 가능하게 하고, 일정 주파수대역에 의한 운영주파수를 갖는 APC(Acess Point Controller)를 포함할 수 있다.
상기 APC는 상기 무인이동체(100)에 대한 기준기지국의 기능을 하며, 무선이지만 안정성과 확장성 및 보안성을 구현하는 장점을 제공할 수 있으며, 2.4GHz 주파수대역과 5GHz 주파수대역을 운영주파수로 사용할 수 있다.
또한, 상기 지상제어장치(200)에는 육상 드론(110) 및/또는 수상 드론(120)을 갖는 무인이동체(100)에 대해 각각을 수동으로 무선 조정하기 위한 각각의 무선조정기를 포함할 수 있다.
상기 AI기반 손상검출엔진(300)은 상기 지상제어장치(200)에 탑재하거나 또는 연결 접속하도록 구비되고, 상기 무인이동체(100)로부터 획득한 교량 시설물 측 손상 부위에 대한 영상정보를 기초로 균열을 비롯한 손상 정도를 추정하기 위한 구성요소이다.
상기 AI기반 손상검출엔진(300)은 교량 시설물의 균열을 비롯한 손상은 거의 일정 패턴을 가지므로 이를 활용하여 손상을 검출하도록 구비되는데, 기존 교량 시설물 측 손상 사진을 AI(Artificial Intelligence)로 신경망 기반 딥러닝 학습한 상태로 구비하고, 상기 무인이동체(100)로부터 획득한 교량 시설물 측 손상 부위에 대한 영상정보와 비교 및 이를 분석하여 균열 폭과 길이를 비롯한 손상 정도 추정데이터를 출력하도록 구성할 수 있다.
상기 sm-PED(Portable Electronic Device for safety & maintenance) 기반 상태평가 플랫폼(400)은 상기 지상제어장치(200)에 탑재하거나 또는 연결 접속하도록 구비되고, 상기 무인이동체(100), 즉 육상 드론(110) 또는 수상 드론(120)으로부터 각각 전송받은 교량 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보와 더불어 상기 AI기반 손상검출엔진(300)을 통해 추정한 교량 시설물 측 손상 정도 추정데이터를 관리 및 교량 시설물 측 상태평가를 자동으로 수행하기 위한 구성요소이다.
상기 sm-PED(Portable Electronic Device for safety & maintenance) 기반 상태평가 플랫폼(400)에서는 상기 무인이동체(100), 육상 드론(110) 또는 수상 드론(120)으로부터 각각 전송받은 교량 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보와 더불어 AI기반 손상검출엔진을 통해 추정한 교량 시설물 측 손상 정도 추정데이터를 기초로 3D Mapping 처리하여 화면 출력함과 더불어 현재 점검하는 교량 시설물에 대한 상태평가 등급까지 자동 산출하여 화면 출력하도록 구비된다.
상기 sm-PED(Portable Electronic Device for safety & maintenance) 기반 상태평가 플랫폼(400)에는 교량 시설물에 대한 기초정보가 기 저장되고, 3D Mapping 처리 및 외관조사망도 처리가 가능한 전자망도가 탑재된다.
상기 sm-PED(Portable Electronic Device for safety & maintenance) 기반 상태평가 플랫폼(400)에서는 상기 무인이동체(100)로부터 획득되는 교량 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보와 더불어 AI기반 손상검출엔진(300)을 통해 추정한 시설물 측 손상 정도 추정데이터를 입력받은 경우, 기 저장된 교량 시설물의 기초정보를 불러와서 전자망도를 통해 화면 출력하되, 교량 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보와 손상 정도 추정데이터를 반영하여 3D Mapping으로 화면 출력한다.
교량 시설물 측 손상 정도를 양호, 주의, 불량 상태로 구분하여 외관조사망도를 작성하여 자동 출력한다.
이와 같은 외관조사망도 데이터를 기반으로 최저값 분석을 통해 시설물에 대한 종합상태점수를 산정함과 더불어 상태평가 등급을 자동 산출하여 화면 출력한다.
이와 같은 상술한 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 3D 센서 탑재형 DGNSS(Differential Global Navigation Satellite System; 위성항법보정시스템) 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템을 통해서는 교량과 같이 점검이 어렵거나 용이하지 못한 시설물은 물론 험지 부위까지 상시 점검 및 안전진단을 통한 유지관리를 수행할 수 있고, 교량 시설물에 대한 자동 안전점검 및 용이함을 발휘할 수 있을 뿐만 아니라 교량 시설물 측 점검 및 안전진단에 따른 신뢰성을 높일 수 있으며, 교량 시설물 측 유지관리비용을 절감할 수 있는 등 기존의 방식에 비해 정밀성을 높이고 교량 시설물을 보다 효율적으로 유지관리할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정과 변형 또는 단계의 치환 등이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 무인이동체 110: 육상 드론
120: 수상 드론 200: 지상제어장치
300: AI기반 손상검출엔진 400: sm-PED기반 상태평가 플랫폼
120: 수상 드론 200: 지상제어장치
300: AI기반 손상검출엔진 400: sm-PED기반 상태평가 플랫폼
Claims (8)
- 시설물 중에서 수상에 설치되어 육상구조물과 수중구조물을 동시에 갖는 교량을 점검하기 위한 것으로서, 3축 가속도센서와 3축 자이로센서 및 3축 지자기센서를 조합한 9축 센서를 탑재하되 각 센서들의 출력을 개별적으로 내보내는 IMU(Inertial Measurement Unit)로 구비된 3D 센서 내장형 위성항법보정시스템(DGNSS)을 각각 탑재한 육상 드론과 수상 드론의 무인이동체를 포함하는 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템에 있어서,
자율 운항하면서 교량 시설물 측 손상 부위를 검출 및 영상정보를 획득하기 위한 손상검출장비를 탑재한 무인이동체; 상기 무인이동체로 운항정보를 보내 자동항법 제어를 수행하고, 무인이동체로부터 교량 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보를 실시간으로 전송받으며, 지상관제센터로서 기능하도록 구비되는 지상제어장치; 상기 지상제어장치에 탑재하거나 또는 연결 접속하도록 구비되고, 상기 무인이동체로부터 획득한 교량 시설물 측 손상 부위에 대한 영상정보를 기초로 균열을 비롯한 손상 정도를 추정하기 위한 AI기반 손상검출엔진; 상기 지상제어장치에 탑재하거나 또는 연결 접속하도록 구비되고, 무인이동체로부터 전송받은 교량 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보와 더불어 AI기반 손상검출엔진을 통해 추정한 교량 시설물 측 손상 정도 추정데이터를 관리 및 교량 시설물 측 상태평가를 자동으로 수행하는 sm-PED(Portable Electronic Device for safety & maintenance) 기반 상태평가 플랫폼;을 포함하며,
상기 무인이동체는, 육상에서 무인 비행이 가능하고, 3D 센서 내장형 위성항법보정시스템(DGNSS)을 통해 GPS 비수신구역에서도 자율 운항이 가능하며, 교량 시설물 측 육상부에 대한 손상부위 촬영이 가능하도록 촬영카메라가 장착된 육상 드론; 및 수상에서 무인 이동이 가능하고, 3D 센서 내장형 위성항법보정시스템(DGNSS)을 통해 GPS 비수신구역에서도 자율 운항이 가능하며, 교량 시설물 측 수상부에 대한 손상부위 촬영이 가능하도록 사이드스캔소나가 장착된 수상 드론;을 구비하되,
상기 육상 드론은 -20℃~50℃ 범주의 온도 시험과 6m/s~10m/s 범주의 내풍성 시험을 통해 비행환경 적용성을 확보하도록 구비하고,
상기 육상 드론을 통해서는 시설물 중에서 수상에 설치되어 육상구조물과 수중구조물을 동시에 갖는 교량을 점검시, 교량 상판과 교각/교대에 설치되어 상판을 지지하고 충격을 완화하는 교좌장치의 이동 변위에 대한 측정작업 및 조사를 수행하고, 교량 상판의 온도변화나 하중에 의한 탄성 변형으로부터 발생되는 상판의 균열을 방지하는 신축이음부의 퇴적물 및 유격을 조사하며,
상기 수상 드론은, 수상 이동이 가능하도록 추진부를 갖는 소형 보트타입의 무인수상선과, 무인수상선에 연결되어 수중에 위치되고 교량 시설물 측 수상부에 대한 손상부위를 탐색 및 촬영하는 사이드 스캔 소나를 포함하고,
상기 사이드스캔소나는 상기 무인수상선에 연결되어 수중에 배치되는 소나장착지그에 장착하되, 상기 소나장착지그는 일자형 구조의 파이프 몸체로서 무인수상선의 하측에 위치하여 연결 장착 및 승강 가능하도록 구비함으로써 사이드스캔소나에 대한 수중 배치 위치를 조절하도록 구성함과 더불어 서버모터와 베벨기어를 이용한 회전수단을 결합함으로써 회전 제어에 의한 사이드스캔소나의 방향성을 조절하도록 구성하며,
상기 AI기반 손상검출엔진은, 교량 시설물의 균열을 비롯한 손상은 일정 패턴을 가지므로 기존 교량 시설물 측 손상 사진을 AI(Artificial Intelligence)로 신경망 기반 딥러닝 학습한 상태에 상기 무인이동체로부터 획득한 교량 시설물 측 손상 부위에 대한 영상정보와 비교 및 분석하여 균열 폭과 길이를 비롯한 손상 정도를 추정데이터를 출력하는 것을 특징으로 하는 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템.
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- 제 1항에 있어서,
상기 sm-PED(Portable Electronic Device for safety & maintenance) 기반 상태평가 플랫폼에서는,
상기 무인이동체로부터 전송받은 교량 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보와 더불어 AI기반 손상검출엔진을 통해 추정한 교량 시설물 측 손상 정도 추정데이터를 기초로 3D Mapping 처리하여 화면 출력함과 더불어 현재 교량 시설물에 대한 상태평가 등급까지 자동 산출하여 화면 출력하는 것을 특징으로 하는 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 sm-PED(Portable Electronic Device for safety & maintenance) 기반 상태평가 플랫폼에는 교량 시설물에 대한 기초정보가 기 저장되고, 3D Mapping 처리 및 외관조사망도 처리가 가능한 전자망도가 탑재되며;
상기 무인이동체로부터 교량 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보와 더불어 AI기반 손상검출엔진을 통해 추정한 교량 시설물 측 손상 정도 추정데이터를 입력받은 경우,
기 저장된 교량 시설물 기초정보를 불러와서 전자망도를 통해 화면 출력하되, 교량 시설물 측 손상 부위 검출 및 영상정보와 손상 정도 추정데이터를 반영하여 3D Mapping으로 화면 출력하고,
교량 시설물 측 손상 정도를 양호, 주의, 불량 상태로 구분하여 외관조사망도를 작성하여 자동 출력하며,
외관조사망도 데이터를 기반으로 최저값 분석을 통해 시설물에 대한 종합상태점수를 산정함과 더불어 상태평가 등급을 자동 산출하여 화면 출력하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 3D 센서 탑재형 DGNSS 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템. - 삭제
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| KR1020200097437A KR102237407B1 (ko) | 2020-08-04 | 2020-08-04 | 3d 센서 탑재형 dgnss 기반 드론을 이용한 교량 시설물 유지관리 시스템 |
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- 2020-08-04 KR KR1020200097437A patent/KR102237407B1/ko active IP Right Grant
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