KR102260018B1 - Method of monitoring damage to concrete structures - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 콘크리트 구조물의 손상 모니터링 방법에 관한 것으로, 콘크리트 구조물에 발생한 손상을 탐지할 수 있는 콘크리트 구조물의 손상 모니터링 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for monitoring damage to a concrete structure, and to a method for monitoring damage to a concrete structure capable of detecting damage to the concrete structure.
오늘날의 각종 콘크리트 구조물은 운송수단의 대형화로 인한 동적 하중의 증가와, 가혹한 산업환경에 노출되어 탄산가스, 아황산 가스, 각종 염화물, 또는 산성물질의 침입으로 열화되기 쉽다.Today's various concrete structures are prone to deterioration due to the increase in dynamic load due to the enlargement of transportation means and the intrusion of carbon dioxide gas, sulfur dioxide gas, various chlorides, or acidic substances due to exposure to harsh industrial environments.
이에 따라, 강알칼리성인 콘크리트 구조물은 중성화되고, 철근의 부식을 초래하여, 설계상의 안전강도를 보장할수 없으며, 미관이 손상된다.Accordingly, the strong alkaline concrete structure is neutralized and causes corrosion of the reinforcing bars, so safety strength cannot be guaranteed in design, and the aesthetics is damaged.
그러나, 대부분의 경우에 있어 콘크리트 구조물의 손상 모니터링을 위한 정기 점검이 수행되지 않고 있으며, 손상 모니터링이 이루어지는 경우에도 육안에 의존하여 검사자나 검사 여건에 따른 편차가 심하므로 안정적이고 효과적인 결함 검사가 이루어지지 못하는 실정이다.However, in most cases, regular inspection for damage monitoring of concrete structures is not performed, and even when damage monitoring is performed, reliable and effective defect inspection is not performed because there is a large deviation depending on the inspector or inspection conditions depending on the naked eye. it is not possible.
본 발명의 목적은 드론을 이용하여 촬영한 영상을 분석하는 방식으로 콘크리트 구조물에 발생한 손상을 탐지할 수 있는 콘크리트 구조물의 손상 모니터링 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for monitoring damage to a concrete structure capable of detecting damage to the concrete structure by analyzing an image taken using a drone.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.Other objects and advantages of the present invention will be set forth below and will be learned by way of example of the present invention. Furthermore, the objects and advantages of the present invention may be realized by means and combinations indicated in the claims.
본 발명의 일측면에 따르면, 콘크리트 구조물의 손상 모니터링 방법에 있어서, 카메라(23), 레이저 센서(24), 및 RF 리더기(25)를 구비하는 드론(20)을 통해 진단 대상이 되는 구조물(10)에 부착된 RF 태그(12)의 식별정보를 판독하여 메인서버(30)로 전송하는 단계(S10); 상기 메인서버(30)에서 해당 식별정보에 따른 구조물(10)의 벽면 영상정보가 저장되는 DB 데이터를 로딩하여 해당 구조물(10)의 벽면 영상정보가 저장되어 있는지 여부를 확인하는 단계(S20); 상기 메인서버(30)에 해당 구조물(10)의 벽면 영상정보가 존재하지 않을 경우, 드론(20)이 진단 대상이 되는 구조물(10)에 접근하여 미리 설정된 프레임 및 해상도로 구조물(10)의 벽면 영상을 촬영하고, 촬영된 벽면 영상정보를 상기 메인서버(30)로 전송하는 단계(S30); 및 상기 메인서버(30)에서 상기 드론(20)으로부터 촬영된 벽면 영상정보를 수신하고, 수신된 벽면 영상정보의 영상처리 및 분석을 수행하여 진단 대상이 되는 구조물(10)의 손상 여부를 판단하는 단계(S40)를 포함하고, 상기 단계(S30)에서 구조물(10)의 벽면 영상을 촬영하는 과정은, 상기 드론(20)이 상기 구조물(10)에 접근하여 상기 구조물(10)의 벽면을 인식하는 단계(S310); 상기 구조물(10)의 벽면에 밀착 가능한 형태로 상기 드론(20)의 비행자세를 변경하기 위한 궤적을 계산하는 단계(S320); 및 상기 궤적에 따라 상기 드론(20)이 자세 변환하여 상기 구조물(10)의 벽면으로 접근하여 벽면 영상을 촬영하는 단계(S330)를 포함하고, 상기 드론(20)은 평면 형상의 구조를 가지며, 상승 방향으로 추진력을 발생시키는 복수의 로터들을 포함하고, 상기 단계(S330)에서, 드론 제어부(36)가, 상기 복수의 로터들 중 적어도 일부가 회전하여 구조물(10)의 벽면에 평행한 형태로 자세 변경된 후 촬영을 수행하도록 제어하며, 상기 구조물(10)에는 상기 구조물(10)의 손상을 감지하기 위한 다수의 측정 센서유닛(14)이 설치되며, 상기 드론(20)은 상기 측정 센서유닛(14)으로부터의 센싱값을 수신하여 상기 메인서버(30)로 전송하고, 상기 측정 센서유닛(14)은 상기 구조물(10)의 벽면 내에 내장되며 수직 철근 및 수평 철근이 서로 접하는 연결점에 설치되어 온도, 진동 및 압력을 측정하는 제1 측정 센서유닛(141) 및 상기 구조물(10)에 작용하는 변형을 측정하기 위한 제2 측정 센서유닛(143)을 포함하고, 상기 제2 측정 센서유닛(143)은 전기활성고분자를 사용하여 제조된 직물센서이며, 상기 전기활성고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드 트리플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride trifluoroethylene)을 포함하고, 상기 직물센서의 직조패턴은 평직이며, 하기 3가지의 구성요소를 가지는 것을 특징으로 한다.
(1) 센서섬유다발: 트위스트-신장 방법으로 제작된 PVDF-TrFE 섬유 10가닥을 꼬아 제작된 섬유다발, (2) 전극섬유: 1가닥의 섬유 직경이 약 7 ㎛인 탄소섬유 1k 토우, 및 (3) 절연섬유: 전극섬유 사이의 전기적 단락 및 안전성 확보를 위한 폴리에스터 섬유.According to one aspect of the present invention, in a method for monitoring damage to a concrete structure, a structure 10 to be diagnosed through a
(1) sensor fiber bundle: a fiber bundle made by twisting 10 PVDF-TrFE fibers produced by twist-stretching method, (2) electrode fiber: 1k tow of carbon fiber having a fiber diameter of about 7 μm in one strand, and ( 3) Insulation fiber: Polyester fiber to secure electrical short circuit and safety between electrode fibers.
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본 발명의 콘크리트 구조물의 손상 모니터링 방법에 의하면, 드론을 통해 구조물 표면의 이상 상태를 모니터링하므로, 관리자가 직접 진단 및 점검을 하지 않아도 되므로 안전사고 발생이 방지되도록 하는 효과가 있다.According to the method for monitoring damage to a concrete structure of the present invention, since the abnormal state of the surface of the structure is monitored through a drone, there is no need for an administrator to directly diagnose and check, thereby preventing a safety accident from occurring.
도 1은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 손상 모니터링 장치의 구성도이고,
도 2는 도 1에 따른 드론의 예를 도시하는 도면이고,
도 3은 도 1에 따른 메인서버의 구성도이고,
도 4는 도 3에 따른 영상처리 및 분석부의 구성도이고,
도 5는 도 4에 따른 흔들림 추정부의 구성도이고,
도 6은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 손상 모니터링 방법을 설명하기 위한 순서도이고,
도 7은 본 발명에 따라 구조물의 벽면 영상을 촬영하는 과정을 설명하기 위한 순서도이고,
도 8은 본 발명에 따라 구조물의 벽면을 인식하는 단계를 설명하기 위한 순서도이고,
도 9는 본 발명에 따라 영상처리 및 분석을 수행하여 구조물의 손상 여부를 판단하는 단계를 설명하기 위한 순서도이며,
도 10은 본 발명에 따른 직물센서의 일례를 나타내는 도면이다.1 is a block diagram of a device for monitoring damage to a concrete structure according to the present invention;
2 is a view showing an example of the drone according to FIG. 1,
Figure 3 is a block diagram of the main server according to Figure 1,
4 is a block diagram of the image processing and analysis unit according to FIG. 3;
5 is a block diagram of the shake estimation unit according to FIG. 4;
6 is a flowchart for explaining a method for monitoring damage to a concrete structure according to the present invention;
7 is a flowchart for explaining the process of photographing a wall image of a structure according to the present invention;
8 is a flowchart for explaining the step of recognizing the wall surface of the structure according to the present invention,
9 is a flowchart for explaining the step of determining whether a structure is damaged by performing image processing and analysis according to the present invention;
10 is a view showing an example of a fabric sensor according to the present invention.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the spirit of the present invention is not limited to the presented embodiments, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention may add, change, delete, etc. other components within the scope of the same spirit, through addition, change, deletion, etc. Other embodiments included within the scope of the invention may be easily proposed, but this will also be included within the scope of the invention.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.In addition, components having the same function within the scope of the same idea shown in the drawings of each embodiment will be described using the same reference numerals.
이하 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 통해 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings showing preferred embodiments.
본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 손상 모니터링 장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에 따른 드론의 예를 도시하는 도면이고, 도 3은 도 1에 따른 메인서버의 구성도이고, 도 4는 도 3에 따른 영상처리 및 분석부의 구성도이고, 도 5는 도 4에 따른 흔들림 추정부의 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 손상 모니터링 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 7은 본 발명에 따라 구조물의 벽면 영상을 촬영하는 과정을 설명하기 위한 순서도이고, 도 8은 본 발명에 따라 구조물의 벽면을 인식하는 단계를 설명하기 위한 순서도이고, 도 9는 본 발명에 따라 영상처리 및 분석을 수행하여 구조물의 손상 여부를 판단하는 단계를 설명하기 위한 순서도이며, 도 10은 본 발명에 따른 직물센서의 일례를 나타내는 도면이다.1 is a block diagram of an apparatus for monitoring damage to a concrete structure according to the present invention, FIG. 2 is a view showing an example of the drone according to FIG. 1, FIG. 3 is a block diagram of the main server according to FIG. 1, FIG. 4 is a configuration diagram of the image processing and analysis unit according to FIG. 3 , FIG. 5 is a configuration diagram of the shake estimation unit according to FIG. 4 , FIG. 6 is a flowchart for explaining a method for monitoring damage to a concrete structure according to the present invention, and FIG. 7 is a flowchart for explaining the process of taking an image of a wall of a structure according to the present invention, FIG. 8 is a flowchart for explaining the step of recognizing a wall of a structure according to the present invention, and FIG. 9 is an image processing according to the present invention And it is a flow chart for explaining the step of determining whether the structure is damaged by performing the analysis, Figure 10 is a view showing an example of the fabric sensor according to the present invention.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 손상 모니터링 장치는 구조물(10)의 건전성을 모니터링하기 위한 드론(20)과, 구조물(10)의 손상 여부를 판단하는 메인서버(30)를 포함하여 구성된다.1 to 5 , the apparatus for monitoring damage to a concrete structure according to the present invention includes a
진단 대상이 되는 구조물(10)은 교량(강교량), 건물 등을 포함하는 콘크리트로 이루어진 다양한 구조물을 의미할 수 있다. 예를 들면, 상기 구조물(10)은 건물과 같은 구조물일 수 있다.The structure 10 to be diagnosed may refer to various structures made of concrete including bridges (steel bridges), buildings, and the like. For example, the structure 10 may be a structure such as a building.
또한, 구조물(10)의 벽면은 도장면(도장외관)일 수 있다. 이에 따르면, 본 발명의 구조물의 건전성 모니터링 장치는 도장면에 대한 열화를 진단할 수 있다. 여기서, 열화는 부식, 박리, 체킹, 쵸킹 등을 포괄하는 넓은 개념으로 이해될 수 있다.In addition, the wall surface of the structure 10 may be a painted surface (painting exterior). According to this, the health monitoring apparatus of the structure of the present invention can diagnose deterioration of the painted surface. Here, deterioration may be understood as a broad concept encompassing corrosion, peeling, checking, chalking, and the like.
상기 드론(20)은 무인 비행체로서, 무인기라고도 표현될 수 있다.The
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 드론(20)은 평면 형상의 구조를 가지며, 상승 방향으로 추진력을 발생시키는 복수의 로터들(예: 4개)을 포함하고, 이들 로터들 중 적어도 일부가 회전하여 구조물 벽면에 밀착 가능한 형태로 변경된 후 벽면에 평행하게 자세 변환될 수 있다.As shown in FIG. 2 , the
상기 구조물(10)에는 구조물(10)의 식별을 위한 RF 태그(12), 구조물(10)의 손상을 감지하기 위한 다수의 측정 센서유닛(14)가 부착 또는 설치되어 있다.An RF tag 12 for identification of the structure 10 and a plurality of measurement sensor units 14 for detecting damage to the structure 10 are attached or installed to the structure 10 .
상기 드론(20)은 센서값 수신부(21), 제어부(22), 카메라(23), 레이저 센서(24), 및 RF 리더기(25)를 구비하고 있다.The
상기 드론(20)은 진단 대상이 되는 구조물(10)에 부착된 RF 태그(12)의 식별정보를 판독하여 메인서버(30)로 전송할 수 있다.The
상기 RF 태그(12)에는 구조물(10)을 식별할 수 있는 식별정보가 저장되어 있으며, 드론(20) 측의 RF 리더기(25)가 RF 태그(12)에 저장된 식별정보를 판독하여 RF 태그(12)에 대응하는 구조물(10)을 식별할 수 있도록 한다.Identification information for identifying the structure 10 is stored in the RF tag 12 , and the RF reader 25 of the
상기 메인서버(30)와 드론(20)은 통신이 가능하도록 유선 또는 무선 네트워크를 통해 연결되어 있다.The
상기 메인서버(30)는 센싱값 및 영상 수신부(32)와, 영상 처리 및 분석부(34)와, 드론 제어부(36)를 포함한다.The
상기 센싱값 및 영상 수신부(32)는 센싱값 및 영상을 수신하고, 영상 처리 및 분석부(34)는 수신한 영상을 처리 및 분석한다.The sensing value and image receiving unit 32 receives the sensing value and the image, and the image processing and analyzing
상기 영상 처리 및 분석부(34)는 영상 처리를 위해 영상밝기 조정부(341)와, 흔들림 추정부(343)와, 디블러링(deblurring) 수행부(345)를 포함한다.The image processing and
상기 영상밝기 조정부(341)는 촬영된 벽면 영상의 밝기를 조정하고, 상기 흔들림 추정부(343)는 밝기가 조정된 벽면 영상의 흔들림 정도를 추정하며, 상기 디블러링 수행부(345)는 추정된 흔들림 정도에 따라 촬영된 벽면 영상에 대한 디블러링을 수행한다.The image brightness adjustment unit 341 adjusts the brightness of the photographed wall image, the
상기 흔들림 추정부(343)는 입력된 영상의 흔들림 정도를 나타내는 PSF 파라미터를 추정할 수 있다. 이때, 상기 PSF 파라미터는 흔들림 각도와 흔들림 크기로 구성될 수 있다.The
상기 흔들림 추정부(343)는 영상변환부(3431)와, 영근사점 추출부(3432)와, PSF(point spread function) 파라미터 산출부(3433)를 포함한다.The
여기서, 상기 영상변환부(3431)는 영상이 갖는 주기성을 확인하기 위하여 이산 푸리에 변환을 통해 영상을 주파수 영역으로 변환하고, 상기 영근사점 추출부(3432)는 2차원 좌표 상에서 상기 주파수 영역의 영근사점을 추출하며, 상기 PSF 파라미터 산출부(3433)는 상기 영근사점을 이용하여 상기 흔들림 정도를 나타내는 PSF 파라미터를 산출한다.Here, the image conversion unit 3431 transforms the image into a frequency domain through discrete Fourier transform in order to check the periodicity of the image, and the zero-approximate point extraction unit 3432 is the zero of the frequency domain on the two-dimensional coordinates. An approximate point is extracted, and the PSF parameter calculating unit 3433 calculates a PSF parameter indicating the degree of shaking by using the near dead point.
상기 디블러링 수행부(345)는 카메라(23)의 떨림에 의해 발생하는 모션 블러를 제거하는 것으로, 영상에 포함된 적어도 하나의 객체에 의한 에지 정보를 추정하고, 상기 추정된 에지 정보와 상기 촬영된 영상을 서로 비교하여 상기 영상을 촬영하는 과정에서 발생된 모션블러를 제거한다.The deblurring performing unit 345 removes motion blur caused by shaking of the camera 23, estimates edge information by at least one object included in an image, and combines the estimated edge information and the By comparing the captured images with each other, motion blur generated in the process of capturing the image is removed.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 영상 처리 및 분석부(34)는 손상 영역 검출 모델에 기반하여 구조물(10), 특히 벽면의 손상(균열 또는 결함을 포함함)을 검출할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the image processing and
상기 손상 영역 검출 모델은 복수의 벽면 이미지, 벽면 이미지 내에 균열 또는 결함이 발생된 부분을 포함하는 바운딩 박스, 및 바운딩 박스의 특성을 나타내는 레이블(균열, 비균열, 결함, 비결함, 누수, 부식 등)을 이용한 종단간 학습(end-to-end training)이 가능하다. 즉, 심층 신경망인 손상 영역 검출 모델을 학습시킴에 있어서, 각 기능에 따른 다수의 신경망 학습을 대체하여 전체 네트워크를 일괄 학습시킬 수 있어, 메모리 부하를 최소화할 수 있다.The damage area detection model includes a plurality of wall images, a bounding box including a crack or a defective portion in the wall image, and a label (crack, non-crack, defect, non-defect, leak, corrosion, etc.) indicating the characteristics of the bounding box. ) using end-to-end training is possible. That is, in training the damaged region detection model, which is a deep neural network, it is possible to collectively train the entire network by replacing the learning of a plurality of neural networks according to each function, thereby minimizing the memory load.
더욱이, 본 발명의 손상 영역 검출 모델은 합성공 신경망(CNN)만을 이용하여 벽면에 발생한 균열을 검출하는 종래의 방식보다 결함 인식 처리 속도를 크게 향상시킬 수 있으며, 콘크리트 구조물의 균열 결함 이외에도 박리, 탈락, 누수, 철근노출 등 다양한 유형의 결함 및 손상에도 적용 가능하다는 장점이 있다.Moreover, the damage area detection model of the present invention can significantly improve the defect recognition processing speed compared to the conventional method of detecting cracks on the wall using only a synthetic neural network (CNN), and in addition to crack defects in concrete structures, peeling and dropping It has the advantage that it can be applied to various types of defects and damage such as leaks, leaks, and rebar exposure.
본 발명의 일 실시 예에 따른 손상 영역 검출 모델은 구조물의 균열 결함을 최적으로 인식하도록 하기 위하여, 미니배치 경사하강법(MBGD, Mini Batch Gradient Descent)를 이용하여 학습될 수 있다. 미니배치 경사 하강법은 일정 크기의 데이터 세트를 무작위로 뽑아내어 학습하는 경사 하강법(gradient descent)의 일종으로, 연산 비용과 학습 효과를 적절히 안배할 수 있다는 특징이 있다. 경사 하강법은 설정 오차함수가 작아지는 방향으로 변수를 조정하는 최적화 기법으로, 학습시 신경망의 가중치 갱신에 사용된다.The damage region detection model according to an embodiment of the present invention may be trained using Mini Batch Gradient Descent (MBGD) in order to optimally recognize crack defects in a structure. The mini-batch gradient descent method is a type of gradient descent that randomly selects and learns a data set of a certain size, and has the characteristic of being able to properly allocate computational cost and learning effect. Gradient descent is an optimization technique that adjusts variables in a direction in which the setting error function becomes smaller, and is used to update the weights of neural networks during training.
만약 구조물 손상이 검출되면, 점검 및 진단을 정밀하게 실행할지 여부를 결정하고, 관리자가 메인서버(20)에서 전송되는 손상이력을 확인하여 이상부위의 점검 및 진단을 정밀하게 실행할지 여부를 결정하고, 이를 실행하게 된다.If damage to the structure is detected, it is determined whether to precisely execute inspection and diagnosis, and the administrator determines whether to precisely execute inspection and diagnosis of abnormal parts by checking the damage history transmitted from the
상기 드론 제어부(36)는 드론(20)의 작동을 제어하는데, 상기 드론(20)이 복수의 로터들 중 적어도 일부가 회전하여 구조물(10)의 벽면에 평행한 형태로 자세 변경된 후 촬영을 수행하도록 제어할 수 있다.The drone control unit 36 controls the operation of the
예를들면, 상기 드론 제어부(36)는 상기 드론(20)이 상기 구조물(10)에 접근하여 상기 구조물(10)의 벽면을 인식하게 하고, 상기 구조물(10)의 벽면에 밀착 가능한 형태로 상기 드론(20)의 비행자세를 변경하기 위한 궤적을 계산하며, 상기 궤적에 따라 상기 드론(20)이 자세 변환하여 상기 구조물(10)의 벽면으로 접근하여 영상을 촬영하도록 제어할 수 있다.For example, the drone control unit 36 allows the
이때, 상기 구조물(10)의 벽면 인식은 상기 드론(20)에 구비된 레이저 센서(24)에 의해 감지된 값을 이용하여 상기 구조물(10)의 벽면과 상기 드론(20) 사이의 거리를 산출하고, 상기 산출된 거리를 요구 거리와 비교하여, 상기 드론(20)이 상기 구조물(10)의 벽면과 상기 요구 거리를 유지하도록 상기 드론(20)을 상기 구조물(10)의 벽면에 대해 일정하게 유지하면서 비행시킬 수 있다.In this case, the wall recognition of the structure 10 calculates the distance between the wall surface of the structure 10 and the
상기 드론(20)의 비행 역학(Dynamics)은 각가속도, 각속도, 및 자세 변환에 대해 미분방정식으로 나타내고, 주어진 조건 및 부가적인 조건을 반영하여 최적 조건의 추진력을 계산할 수 있다. 이에 따라 드론(20)은 계산된 추진력과 궤적(trajectory)을 따라 빠른 자세 변환을 이행할 수 있다.The flight dynamics of the
이와 같이, 상기 궤적에 따라 상기 드론(20)이 자세 변환하여 상기 구조물(10)의 벽면으로 접근하여 영상을 촬영하도록 있기 때문에, 보다 더 품질좋은 벽면 영상의 확보가 가능해진다.In this way, since the
필요한 경우, 자세를 변환하는 과정에서 드론(20)의 비행과는 다른 제어기가 사용될 수 있다. 비행에 사용되는 제어기를 그대로 사용 시 자세를 변경하는 과정에서 드론(20)과 벽면 사이의 수직항력 및 마찰력을 충분히 확보하지 못하여 추락이 쉽게 발생할 수 있다. 따라서 드론(20)과 벽면 사이의 수직항력 및 마찰력을 고려하여 최대한 추락이 발생하지 않고 안정적으로 자세를 변환할 수 있는 제어기가 사용될 수 있다.If necessary, a controller different from the flight of the
드론 스테이션(40)은 드론(20)의 배터리 충전을 위한 전자기 유도 방식의 무선 충전 패드(42)가 구비되고, 비행 대기 상태에서 드론(20)이 착륙 상태로 위치한다.The drone station 40 is provided with an electromagnetic induction type wireless charging pad 42 for charging the battery of the
따라서, 드론(20)은 드론 스테이션(40)에 착륙해 있는 동안 별도의 충전 케이블을 사용하지 않고 배터리를 충전할 수 있다.Accordingly, the
한편, 상기 구조물(10)에는 상기 구조물(10)의 손상을 감지하기 위한 다수의 측정 센서유닛(14)이 설치될 수 있다. 이때, 상기 드론(20)은 상기 측정 센서유닛(14)으로부터의 센싱값을 수신하여 상기 메인서버(30)로 전송할 수 있다.Meanwhile, a plurality of measurement sensor units 14 for detecting damage to the structure 10 may be installed in the structure 10 . In this case, the
상기 측정 센서유닛(14)은 제1 측정 센서유닛(141) 및 제2 측정 센서유닛(143)을 포함할 수 있다.The measurement sensor unit 14 may include a first measurement sensor unit 141 and a second measurement sensor unit 143 .
상기 제1 측정 센서유닛(141)은 상기 구조물(10)의 벽면 내에 내장되며 수직 철근 및 수평 철근이 서로 접하는 연결점에 설치되어 온도, 진동 및 압력을 측정한다.The first measurement sensor unit 141 is built in the wall of the structure 10 and is installed at a connection point where vertical and horizontal reinforcing bars are in contact with each other to measure temperature, vibration and pressure.
일반적으로, 구조물(10)은 수직 방향으로 형성되는 수직 기둥과, 수직 기둥에서 수평 방향으로 연장되는 다수개의 수평 기둥을 포함하며, 각 기둥 내에는 강도 증진을 위해서 철근들이 매립되게 된다.In general, the structure 10 includes a vertical column formed in a vertical direction and a plurality of horizontal columns extending in a horizontal direction from the vertical column, and reinforcing bars are embedded in each column to increase strength.
상기 철근은 금속 도체로서 저항을 갖고, 구조물에 가해지는 진동을 전달하며, 열을 전달하는 물리적 특성이 있고, 진동 전달에 있어서 기둥(기둥을 이루는 콘크리트)과는 다른 공진 주파수를 가진다The reinforcing bar has resistance as a metal conductor, transmits vibration applied to the structure, has physical properties to transmit heat, and has a resonance frequency different from that of a column (concrete forming a column) in transmitting vibration
본 발명에서는 이러한 철근의 특성을 이용해 구조물 자체에 가해지는 온도, 진동 및 압력을 제1 측정 센서유닛(141)을 통해 측정하도록 구성하고 있다.The present invention is configured to measure the temperature, vibration and pressure applied to the structure itself through the first measurement sensor unit 141 by using the characteristics of the reinforcing bar.
바람직하게, 제1 측정 센서유닛(141)은 구조물(10)의 벽면 내에 내장되되, 수직 철근 및 수평 철근이 서로 접하는 연결점에 설치함으로써 최소의 비용으로 구조물의 노후, 파손 등을 파악할 수 있게 된다.Preferably, the first measurement sensor unit 141 is built in the wall of the structure 10, and by installing it at the connection point where the vertical and horizontal reinforcing bars are in contact with each other, it is possible to grasp the deterioration, damage, etc. of the structure at a minimum cost.
상기 제2 측정 센서유닛(143)은 상기 구조물(10)에 작용하는 변형을 측정할 수 있다.The second measurement sensor unit 143 may measure the deformation acting on the structure 10 .
상기 제2 측정 센서유닛(143)은 전기활성고분자를 사용하여 제조된 직물센서이며, 상기 전기활성고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드 트리플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride trifluoroethylene : PVDF-TrFE)을 포함한다.The second measurement sensor unit 143 is a fabric sensor manufactured using an electroactive polymer, and the electroactive polymer includes polyvinylidene fluoride trifluoroethylene (PVDF-TrFE).
상기 직물센서는 매우 유연하고 내구성이 강한 이점이 있다.The fabric sensor has the advantage of being very flexible and durable.
상기 직물센서는 외부에서 힘이 가해질 때 발생하는 기계적인 미세한 변화를 전기신호로 검출하여 수치화된 값으로 제공할 수 있다.The textile sensor may detect a mechanical minute change that occurs when an external force is applied as an electrical signal and provide it as a numerical value.
상기 직물센서의 제조는 전기활성고분자 섬유 제조과정과, 전기활성고분자 섬유를 활용한 직물센서 제조과정으로 구분될 수 있다.The manufacturing of the textile sensor may be divided into an electroactive polymer fiber manufacturing process and a fabric sensor manufacturing process using the electroactive polymer fiber.
전기활성고분자 섬유 제조과정을 살펴보면 다음과 같다. 여기서, 전기활성고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드 트리플루오로에틸렌이 사용된다.The manufacturing process of the electroactive polymer fiber is as follows. Here, as the electroactive polymer, polyvinylidene fluoride trifluoroethylene is used.
(1) PVDF-TrFE 파우더를 용제(Methyl ethyl ketone)에 녹여 용액 제조, (2) 10 wt% 용액을 유리판 위에 적당량 부은 뒤 자동 도포장치(ZAA 2300, Zehntner, Switzerland)와 초정밀 도포 막대(ZWA 2121, Zehntner, Switzerland)를 사용하여 필름 제조, (3) 제조된 PVDF-TrFE 필름을 가로(2 mm) × 세로(50 mm) 크기의 스트립으로 자른 후 40π 라디안만큼 꼬아준 뒤 길이방향으로 450% 만큼 신장시킴.(1) Prepare a solution by dissolving PVDF-TrFE powder in a solvent (Methyl ethyl ketone), (2) Pour an appropriate amount of 10 wt% solution on a glass plate, and then use an automatic applicator (ZAA 2300, Zehntner, Switzerland) and an ultra-precise application rod (ZWA 2121) , Zehntner, Switzerland) was used to prepare a film, (3) cut the prepared PVDF-TrFE film into strips of width (2 mm) × length (50 mm) size, twist it by 40π radians, and 450% in the longitudinal direction. elongate.
이후에, 제조된 PVDF-TrFE 섬유 내의 잔여 용제제거와 결정화 향상을 위해 위해 140℃에서 24시간동안 열처리를 수행했으며, 전기적 분극(Electrical poling) 처리와 기계적 신장(Mechanical stretching) 처리를 수행하여 압전성능을 극대화시켰다.Thereafter, heat treatment was performed at 140° C. for 24 hours to remove residual solvent in the PVDF-TrFE fiber and improve crystallization, and electrical poling treatment and mechanical stretching treatment were performed to perform piezoelectric performance. was maximized.
다음에, 전기활성고분자 섬유를 활용한 직물센서 제조과정을 살펴보면 다음과 같다.Next, the manufacturing process of the fabric sensor using the electroactive polymer fiber is as follows.
직물센서의 직조패턴은 평직이며, 3가지의 구성요소를 가지고 있다. (1) 센서섬유다발: 트위스트-신장 방법으로 제작된 PVDF-TrFE 섬유 10가닥을 꼬아 제작된 섬유다발, (2) 전극섬유: 1가닥의 섬유 직경이 약 7 ㎛인 탄소섬유 1k 토우, 및 (3) 절연섬유: 전극섬유 사이의 전기적 단락 및 안전성 확보를 위한 폴리에스터 섬유. The weave pattern of the fabric sensor is plain weave and has three components. (1) sensor fiber bundle: a fiber bundle made by twisting 10 PVDF-TrFE fibers produced by twist-stretching method, (2) electrode fiber: 1k tow of carbon fiber having a fiber diameter of about 7 μm in one strand, and ( 3) Insulation fiber: Polyester fiber to secure electrical short circuit and safety between electrode fibers.
도 10에 도시된 바와 같이, PVDF-TrFE 섬유 다발은 날실에 정렬됐으며, 전극섬유와 절연섬유는 씨실에 각각 위치하였다. 즉, 센서섬유다발은 PVDF-TrFE 섬유 10가닥을 서로 꼬아서 제작했으며, SEM 분석결과 평균 폭은 625 ㎛로 관찰됐다. 여기서, 날실은 직물을 짤 때 직물의 길이 방향, 즉 세로로 놓인 실이며, 씨실은 가로방향으로 날실과 교차되면서 짜여지는 실이다.As shown in FIG. 10 , the PVDF-TrFE fiber bundles were aligned on the warp yarns, and electrode fibers and insulating fibers were positioned on the weft yarns, respectively. That is, the sensor fiber bundle was produced by twisting 10 PVDF-TrFE fibers with each other, and as a result of SEM analysis, the average width was observed to be 625 μm. Here, the warp yarn is a yarn laid vertically in the longitudinal direction of the fabric when weaving the fabric, and the weft yarn is a yarn woven while crossing the warp yarn in the horizontal direction.
도 6은 본 발명에 따른 구조물의 건전성 모니터링 방법을 설명하기 위한 순서도이다.6 is a flowchart illustrating a method for monitoring the health of a structure according to the present invention.
도 6을 참조하면, 드론을 이용한 구조물의 건전성 모니터링 방법은, 카메라(23), 레이저 센서(24), 및 RF 리더기(25)를 구비하는 드론(20)을 통해 진단 대상이 되는 구조물(10)에 부착된 RF 태그(12)의 식별정보를 판독하여 메인서버(30)로 전송하는 단계(S10); 상기 메인서버(30)에서 해당 식별정보에 따른 구조물(10)의 벽면 영상정보가 저장되는 DB 데이터를 로딩하여 해당 구조물(10)의 벽면 영상정보가 저장되어 있는지 여부를 확인하는 단계(S20); 상기 메인서버(30)에 해당 구조물(10)의 벽면 영상정보가 존재하지 않을 경우, 드론(20)이 진단 대상이 되는 구조물(10)에 접근하여 미리 설정된 프레임 및 해상도로 구조물(10)의 벽면 영상을 촬영하고, 촬영된 벽면 영상정보를 상기 메인서버(30)로 전송하는 단계(S30); 및 상기 메인서버(30)에서 상기 드론(20)으로부터 촬영된 벽면 영상정보를 수신하고, 수신된 벽면 영상정보의 영상처리 및 분석을 수행하여 진단 대상이 되는 구조물(10)의 손상 여부를 판단하는 단계(S40)를 포함하고, 상기 단계(S30)에서 구조물(10)의 벽면 영상을 촬영하는 과정은, 상기 드론(20)이 상기 구조물(10)에 접근하여 상기 구조물(10)의 벽면을 인식하는 단계(S310); 상기 구조물(10)의 벽면에 밀착 가능한 형태로 상기 드론(20)의 비행자세를 변경하기 위한 궤적을 계산하는 단계(S320); 및 상기 궤적에 따라 상기 드론(20)이 자세 변환하여 상기 구조물(10)의 벽면으로 접근하여 벽면 영상을 촬영하는 단계(S330)를 포함하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 6 , in a method for monitoring the health of a structure using a drone, a structure 10 to be diagnosed through a
도 7를 참조하면, 상기 구조물(10)의 벽면을 인식하는 단계(S310)는, 상기 드론(20)에 구비된 레이저 센서(24)에 의해 감지된 값을 이용하여 상기 구조물(10)의 벽면과 상기 드론(20) 사이의 거리를 산출하는 단계(S312); 및 상기 산출된 거리를 요구 거리와 비교하여, 상기 드론(20)이 상기 구조물(10)의 벽면과 상기 요구 거리를 유지하도록 상기 드론(20)을 상기 구조물(10)의 벽면에 대해 일정하게 유지하면서 비행시키는 단계(S314)를 포함하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 7 , in the step of recognizing the wall surface of the structure 10 ( S310 ), the wall surface of the structure 10 is performed using a value detected by the laser sensor 24 provided in the
도 8를 참조하면, 본 발명에 따라 구조물의 벽면을 인식하는 단계로서, 상기 단계(S40)는, 촬영된 벽면 영상의 밝기를 조정하는 단계(S410); 밝기가 조정된 벽면 영상의 흔들림 정도를 추정하는 단계(S420); 및 추정된 흔들림 정도에 따라 촬영된 벽면 영상에 대한 디블러링(deblurring)을 수행하는 단계(S430)를 포함하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 8 , as a step of recognizing the wall of the structure according to the present invention, the step (S40) includes: adjusting the brightness of the photographed wall image (S410); estimating the degree of shaking of the wall image whose brightness has been adjusted (S420); and performing deblurring on the photographed wall image according to the estimated degree of shaking (S430).
도 9를 참조하면, 본 발명에 따라 영상처리 및 분석을 수행하여 구조물의 손상 여부를 판단하는 단계로서, 밝기를 조정하는 단계(S410)에서는 영상처리 및 분석 수행에 이용하는 제1 영역과 상기 영상처리 및 분석 수행에 이용하지 않는 제2 영역으로 분할하고, 상기 제1 영역에 대해서만 영상밝기를 조정하고, 흔들림 정도를 추정하는 단계(S420)에서는 벽면 영상을 주파수 영역으로 변환하고, 2차원 좌표 상에서 상기 주파수 영역의 영근사점을 추출하고, 상기 영근사점을 이용하여 상기 흔들림 정도를 나타내는 PSF 파라미터를 산출하며, 디블러링을 수행하는 단계(S430)에서는 상기 벽면 영상에 포함된 적어도 하나의 객체에 의한 에지 정보를 추정하고, 상기 추정된 에지 정보와 상기 촬영된 벽면 영상을 서로 비교하여 상기 벽면 영상을 촬영하는 과정에서 발생된 모션블러를 제거하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 9 , the image processing and analysis are performed according to the present invention to determine whether the structure is damaged, and in the step of adjusting the brightness ( S410 ), the first region used for image processing and analysis and the image processing are performed. and dividing the image into a second region not used for analysis, adjusting the image brightness only for the first region, and estimating the degree of shaking (S420), converting the wall image into a frequency domain, In the step (S430) of extracting the near-death point in the frequency domain, calculating a PSF parameter indicating the degree of shaking by using the near-death point, and performing deblurring (S430), at least one object included in the wall image is It is characterized in that the motion blur generated in the process of photographing the wall image is removed by estimating the edge information by means of a method and comparing the estimated edge information and the photographed wall image with each other.
또한, 상기 구조물(10)에는 상기 구조물(10)의 손상을 감지하기 위한 다수의 측정 센서유닛이 설치되며, 상기 드론(20)은 상기 측정 센서유닛으로부터의 센싱값을 수신하여 상기 메인서버(30)로 전송하는 것을 특징으로 한다.In addition, a plurality of measurement sensor units for detecting damage to the structure 10 are installed in the structure 10 , and the
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.In the above, the configuration and features of the present invention have been described based on the embodiments according to the present invention, but the present invention is not limited thereto, and it is understood that various changes or modifications can be made within the spirit and scope of the present invention. It is intended that such changes or modifications will be apparent to those skilled in the art, and therefore fall within the scope of the appended claims.
10 : 구조물
12 : RF 태그
14 : 측정 센서유닛
20 : 드론
21 : 센서값 수신부
22 : 제어부
23 : 카메라
24 : 레이저 센서
25 : RF 리더기
30 : 메인서버
32 : 센싱값 및 영상 수신부
34 : 영상 처리 및 분석부
36 : 드론 제어부10: structure
12: RF tag
14: measurement sensor unit
20 : drone
21: sensor value receiving unit
22: control unit
23 : camera
24: laser sensor
25 : RF reader
30: main server
32: sensing value and image receiving unit
34: image processing and analysis unit
36: drone control unit
Claims (8)
상기 메인서버(30)에서 해당 식별정보에 따른 구조물(10)의 벽면 영상정보가 저장되는 DB 데이터를 로딩하여 해당 구조물(10)의 벽면 영상정보가 저장되어 있는지 여부를 확인하는 단계(S20);
상기 메인서버(30)에 해당 구조물(10)의 벽면 영상정보가 존재하지 않을 경우, 드론(20)이 진단 대상이 되는 구조물(10)에 접근하여 미리 설정된 프레임 및 해상도로 구조물(10)의 벽면 영상을 촬영하고, 촬영된 벽면 영상정보를 상기 메인서버(30)로 전송하는 단계(S30); 및
상기 메인서버(30)에서 상기 드론(20)으로부터 촬영된 벽면 영상정보를 수신하고, 수신된 벽면 영상정보의 영상처리 및 분석을 수행하여 진단 대상이 되는 구조물(10)의 손상 여부를 판단하는 단계(S40)를 포함하고,
상기 단계(S30)에서 구조물(10)의 벽면 영상을 촬영하는 과정은,
상기 드론(20)이 상기 구조물(10)에 접근하여 상기 구조물(10)의 벽면을 인식하는 단계(S310);
상기 구조물(10)의 벽면에 밀착 가능한 형태로 상기 드론(20)의 비행자세를 변경하기 위한 궤적을 계산하는 단계(S320); 및
상기 궤적에 따라 상기 드론(20)이 자세 변환하여 상기 구조물(10)의 벽면으로 접근하여 벽면 영상을 촬영하는 단계(S330)를 포함하고,
상기 드론(20)은 평면 형상의 구조를 가지며, 상승 방향으로 추진력을 발생시키는 복수의 로터들을 포함하고, 상기 단계(S330)에서, 드론 제어부(36)가, 상기 복수의 로터들 중 적어도 일부가 회전하여 구조물(10)의 벽면에 평행한 형태로 자세 변경된 후 촬영을 수행하도록 제어하며,
상기 구조물(10)에는 상기 구조물(10)의 손상을 감지하기 위한 다수의 측정 센서유닛(14)이 설치되며,
상기 드론(20)은 상기 측정 센서유닛(14)으로부터의 센싱값을 수신하여 상기 메인서버(30)로 전송하고,
상기 측정 센서유닛(14)은 상기 구조물(10)의 벽면 내에 내장되며 수직 철근 및 수평 철근이 서로 접하는 연결점에 설치되어 온도, 진동 및 압력을 측정하는 제1 측정 센서유닛(141) 및 상기 구조물(10)에 작용하는 변형을 측정하기 위한 제2 측정 센서유닛(143)을 포함하고,
상기 제2 측정 센서유닛(143)은 전기활성고분자를 사용하여 제조된 직물센서이며, 상기 전기활성고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드 트리플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride trifluoroethylene)을 포함하고,
상기 직물센서의 직조패턴은 평직이며, (1) 센서섬유다발: 트위스트-신장 방법으로 제작된 PVDF-TrFE 섬유 10가닥을 꼬아 제작된 섬유다발, (2) 전극섬유: 1가닥의 섬유 직경이 약 7 ㎛인 탄소섬유 1k 토우, 및 (3) 절연섬유: 전극섬유 사이의 전기적 단락 및 안전성 확보를 위한 폴리에스터 섬유의 3가지 구성요소를 가지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 손상 모니터링 방법.
The main server by reading the identification information of the RF tag 12 attached to the structure 10 to be diagnosed through the drone 20 including the camera 23, the laser sensor 24, and the RF reader 25 transmitting to (30) (S10);
Loading the DB data in which the wall image information of the structure 10 according to the identification information is stored in the main server 30 to check whether the wall image information of the structure 10 is stored (S20);
When there is no image information on the wall of the structure 10 in the main server 30, the drone 20 approaches the structure 10 to be diagnosed and the wall of the structure 10 with a preset frame and resolution. Taking an image and transmitting the photographed wall image information to the main server 30 (S30); and
Receiving the wall image information photographed from the drone 20 in the main server 30, and performing image processing and analysis of the received wall image information to determine whether the structure 10 to be diagnosed is damaged (S40),
The process of photographing the wall image of the structure 10 in the step (S30) is,
Recognizing the wall of the structure 10 by the drone 20 approaching the structure 10 (S310);
calculating a trajectory for changing the flight posture of the drone 20 in a form that can be closely attached to the wall surface of the structure 10 (S320); and
The drone 20 changes its posture according to the trajectory and approaches the wall of the structure 10 to take a wall image (S330),
The drone 20 has a planar structure and includes a plurality of rotors that generate thrust in an upward direction, and in step S330 , the drone control unit 36 determines that at least some of the plurality of rotors It rotates to change the posture in a form parallel to the wall of the structure 10, and then controls to perform shooting,
A plurality of measurement sensor units 14 for detecting damage to the structure 10 are installed in the structure 10,
The drone 20 receives the sensing value from the measurement sensor unit 14 and transmits it to the main server 30,
The measurement sensor unit 14 is built into the wall surface of the structure 10 and is installed at a connection point where vertical and horizontal reinforcing bars are in contact with each other to measure temperature, vibration and pressure. A first measurement sensor unit 141 and the structure ( 10) including a second measuring sensor unit 143 for measuring the deformation acting on the
The second measurement sensor unit 143 is a fabric sensor manufactured using an electroactive polymer, and the electroactive polymer includes polyvinylidene fluoride trifluoroethylene,
The weave pattern of the textile sensor is plain weave, (1) sensor fiber bundle: a fiber bundle made by twisting 10 PVDF-TrFE fibers produced by twist-stretching method, (2) electrode fiber: 1 strand has a fiber diameter of about A method of monitoring damage to a concrete structure, characterized in that it has three components: a carbon fiber 1k tow of 7 μm, and (3) insulating fiber: polyester fiber for electrical short circuit between electrode fibers and securing safety.
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