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WO2014088364A1 - 적설량 측정 방법 및 장치 - Google Patents

적설량 측정 방법 및 장치 Download PDF

Info

Publication number
WO2014088364A1
WO2014088364A1 PCT/KR2013/011267 KR2013011267W WO2014088364A1 WO 2014088364 A1 WO2014088364 A1 WO 2014088364A1 KR 2013011267 W KR2013011267 W KR 2013011267W WO 2014088364 A1 WO2014088364 A1 WO 2014088364A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
snow
distance
measuring
measurement
snowfall
Prior art date
Application number
PCT/KR2013/011267
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김병무
Original Assignee
주식회사 웨더피아
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020130029615A external-priority patent/KR20140073385A/ko
Application filed by 주식회사 웨더피아 filed Critical 주식회사 웨더피아
Publication of WO2014088364A1 publication Critical patent/WO2014088364A1/ko

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology
    • G01W1/14—Rainfall or precipitation gauges

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for measuring snowfall, and more particularly, to a method and apparatus for more practically and reliably measuring and calibrating the depth (snowfall) of snow accumulated on the ground.
  • Snowfall measurement is one of the interesting areas in the field of automatic measurement because of the importance and necessity of automation, especially when the location of the target point is far from the weather center or residential area.
  • Snowfall measurement equipment based on the currently launched or proposed laser distance measurement technology uses one or two lasers and a receiver connected thereto (for example, Republic of Korea Patent No. 348574). This raises complaints about inconsistent measurement results and vulnerabilities to various environments in the actual measurement site. For example, if a target point of a laser transmitter is obscured or obstructed by foreign matter such as fallen leaves, dust or flying snowflakes, the measurement results may not show the desired information about the snowfall at that point. In addition, measuring only one or two points in an area of 3 feet by 3 feet does not represent the total area.
  • Some models based on image processing use various signal / image processing techniques to recognize the location of several points representing the depth of the eye.
  • One of the problems with these models arises from unclear or blurred images due to snow or ice formed at target points, such as scaled bars, and multiple light sources on a straight line.
  • Another trivial problem is that if it gets too dark, it should be lit properly. (E.g. U.S. Patent Publication No. 2011/0219868)
  • Methods based on mechanical measurements present a potential big problem of mechanical malfunction due to cold weather, strong winds, and ice formation.
  • the measurement result is remarkably changed depending on the type of eye. For example, if the eye is soft, mechanical devices in contact with the eye may press the eye and affect the measurement data.
  • the present invention has been made in view of this point, and provides a snow quantity measuring method and apparatus which is less affected by the surrounding environment while using a single laser range finder and has high reliability.
  • the present invention proposes a method for solving the conventional problems by performing a multi-point measurement of the amount of snow using a single laser range finder combined with a rotating mirror.
  • the rotating mirror is tilted slightly so as to point to different points on a circle (ellipse) generated by laser light projection.
  • This method makes it possible to measure snowfall on a number of points scattered along a circle on the snow surface.
  • the size of the circle (ellipse) can vary depending on the tilt angle and the distance of the mirror from the plane perpendicular to the motor axis that rotates the mirror.
  • the invention also provides a method of calibrating the device of the invention. Boxes or jigs are used that allow the target area to be raised by a predetermined height to allow the calibration procedure to calculate the angle of arrival at each point of the circle on the ground or snow surface.
  • the proposed method calculates the average depth of the area defined by this circle. Abnormal measurements are discarded and averaged only with meaningful measurement data.
  • the snowfall measuring apparatus of the present invention includes a laser range finder, a target point changing means for changing a distance measuring target point of the laser range finder, and a controller for controlling the target point changing means to measure distances from a plurality of target points. .
  • the target point changing means is connected to a step motor including a rotation axis, inclined at a predetermined angle with respect to a plane perpendicular to the rotation axis of the step motor, and comprises a mirror for reflecting a laser beam to and from the laser range finder. Include.
  • the controller measures the distance by controlling the laser range finder while controlling the step motor to rotate the mirror.
  • the controller controls the laser range finder to measure the distance, rotates the step motor by a predetermined rotation angle ⁇ , and then repeats the process of measuring the distance until the mirror rotates one by one, and calculates the amount of snow from the measured distance data.
  • the measurement distance t from the mirror to the surface of the eye at an arbitrary measurement point t is Ls ( t )
  • the distance from the mirror to the ground surface is Lg ( t )
  • the angle where the laser beam meets the surface is ⁇ ( t ).
  • control unit calculates the average snow amount using only the remaining measured value after removing a value that is higher or lower by a certain ratio or more than the average value of the measured snow amount value.
  • the snowfall measuring apparatus of the present invention may further include communication means for transmitting the measured distance value to the external device.
  • the snowfall measuring device of the present invention can be housed in a protective cover for protecting the device.
  • the protective cover is fitted with glass in front of the mirror of the snow level measuring device.
  • the snowfall measurement method of the present invention is a snowfall measurement method using a snowfall measurement device that measures snowfall on a plurality of points scattered along a circle or ellipse on an eye surface, the distance from the measuring device to a plurality of points on the circle or ellipse. Sequentially measuring and calculating snowfall from the measured plurality of distance values.
  • the measurement distance from the measuring device to the surface of the eye at an arbitrary measuring point t is Ls ( t ), the distance from the measuring device to the ground surface is Lg ( t ), and the angle where the laser beam meets the ground surface is ⁇ ( t ).
  • the average snow amount it is preferable to calculate the average snow amount using only the snow amount remaining after removing the snow amount value by a certain ratio or more than the average value of the snow quantity values at the plurality of points measured.
  • the rotating mirror for reflecting the laser beam is slightly inclined, snow quantity measurement on a plurality of points scattered along a circle on the eye surface is possible. It is also possible to detect erroneous measurement data over time and isolate the affected point (s) until the erroneous action is corrected. Also, because more samples can be obtained for the oval on the eye surface, the average snowfall measured may be closer to the actual snowfall value compared to other methods based on one or less samples.
  • the size of the target area can be more easily changed by relocating the equipment or changing the tilt angle of the mirror.
  • only one low-cost device including a laser range finder, a stepper motor and a mirror can be used, which can be made in a relatively smaller housing with higher cost efficiency and lower complexity.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing the configuration of the snow amount measuring apparatus of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a laser beam reflection operation of the snowfall measuring apparatus of the present invention.
  • FIG. 3 is a view for explaining the snowfall measurement principle of the snowfall measuring apparatus of the present invention.
  • FIG. 4 is a view for explaining the operation of the snow amount measurement device of the present invention to measure the snow amount along the circle on the eye surface.
  • 5 is an example of a measurement data graph having protrusion values and depression values.
  • FIG. 8 is a view for explaining a method of performing the calibration of the present invention using a jig having a height Lref.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a calibration process according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows an embodiment using an enclosure and glass to protect from wind and dust.
  • depth of the eye means the height of the eye from the ground surface
  • circles and “ellipses” refer to the pattern formed on the eye surface by laser reflected light reflected by the tilt mirror. It is used interchangeably.
  • the amount of movement by the stepper motor in degrees is expressed by the measurement point (or measurement point) "t” or the rotation angle " ⁇ ".
  • the snowfall measurement system includes four components: a laser range finder module 10 and a mirror 11 tilted from a plane perpendicular to the axis of the step motor. ), A step motor 12 connected to the mirror, and a processing module or computer module 13 as a control unit.
  • the laser beam reflected by the mirror 11 which is tilted and rotated by the step motor 12 is projected onto the plane 22 formed by the stacked eyes to form an ellipse (or circle) 21.
  • the laser range finder module 10 under the control of the processing module 13 emits a laser signal and receives a signal reflected through the mirror 11 from the eye.
  • the processing module 13 determines the distance from the received signal from the reference point to the point on the eye surface to which the mirror 11 points and records the data.
  • the processing module 13 outputs a control signal for rotating the stepper motor 12 by a predetermined rotation angle ⁇ , and performs laser signal firing, reception, and depth measurement processes for the next position. By repeating this process, an elliptic scan is projected onto the eye.
  • the mirror 11 is connected to the step motor 12 via the shaft 14 in a state inclined by an angle ⁇ with respect to the plane 15 perpendicular to the shaft 14.
  • the motor 12 rotates, the inclination angle of the mirror 11 is changed, and thus the direction of light reflected from the mirror 11 is also changed.
  • the eye depth d ( t ) at time t can be obtained by the following equation.
  • ⁇ ( t ) is the angle at which the laser beam meets the ground surface at time t .
  • the processing module 13 repeats the above steps for the next point on the circle 21.
  • the processing module 13 may store all the measurement data in a local storage or transmit it to an external server through a communication channel for further analysis.
  • the processing module 13 or the external server analyzes the data by averaging the measured raw data. At this time, it is desirable to remove the abnormally high or low value from the measurement data compared to the reference value.
  • the reference value may be taken as the final average value of the snow quantity measured during the last one rotation (or more) (an average value obtained by removing the protrusion value and the depression value). Therefore, the reference value is updated at every measurement of the rotation.
  • Exemplary graphs measured for 24 points along a circle are shown in FIG. 5.
  • the spikes 51 and 52 and the recessed dip 53 are removed.
  • Meaningful data can be obtained by removing significant abnormalities and then averaging the remaining values.
  • the measurement data at a certain point is steadily abnormally high or low, this abnormality may have been caused by obstacles, interference by foreign matter or impurities on the glass cover.
  • the protrusion value 61 shows a consistent abnormality while the depression 62 and the protrusion value 63 are temporary. This may be caused by moving fallen leaves or flying snow.
  • the measurement system may report an event to an external server or generate an alarm signal.
  • a box or table-like jig as shown in FIG. 7 is used to provide a predetermined eye depth (height) Lref.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a calibration method of the present invention for a specific time t
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating an example of a calibration procedure.
  • Lg ( t ) be the distance from time t to the ground and Lr ( t ) be the distance to the jig surface.
  • Lg ( t ) and Lr ( t ) are the distance measured from the laser rangefinder minus the distance (Lm) from the laser rangefinder to the mirror.
  • the calculated sin ⁇ ( t ) and the measured Lg ( t ) are used to calculate snowfall d ( t ) using the measured Ls ( t ) to calculate the actual snowfall.
  • the point used in the calibration is one point higher than the ground (Lref), which is higher than the ground, and the closer the higher point is to the laser measuring device, the higher the parallelism with the ground.
  • the measurement error is reduced and convenient to implement.
  • Figure 10 shows the protective cover 100 and glass 101 surrounding the measuring device of the present invention.
  • the entire assembly can be secured to a pole or structure to prevent the device from shaking or moving when the wind is blowing.
  • the processing module 13 may be connected to the communication module and configured to communicate with an external server for further processing of data.
  • the shape of the circle in the present invention is not critical and may be a complete circle or an ellipse depending on where the device is installed and the angle at which the laser signal is projected.
  • the use of non-flat mirrors can measure for any pattern projected on the eye surface.
  • the present invention is not necessarily limited to these embodiments, although all components constituting the embodiments of the present invention have been described as being combined or operating in combination. In other words, within the scope of the present invention, all of the components may be selectively operated in combination with one or more. In addition, although all of the components may be implemented in one independent hardware, each or all of the components may be selectively combined to perform some or all functions combined in one or a plurality of hardware. It may be implemented as a computer program having a. Codes and code segments constituting the computer program may be easily inferred by those skilled in the art. Such a computer program may be stored in a computer readable storage medium and read and executed by a computer, thereby implementing embodiments of the present invention.

Landscapes

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  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
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Abstract

단일 레이저 거리 측정기를 사용한 적설량 측정방법 및 적설량 측정장치가 제공된다. 본 발명의 적설량 측정장치는 레이저 거리측정기, 회전축을 포함하는 스텝 모터, 상기 스텝 모터의 상기 회전축에 수직인 평면에 대해서 소정 각도로 기울어져 연결되어 있으며 상기 레이저 거리측정기로부터의/로의 레이저 빔을 반사시키기 위한 거울, 상기 스텝 모터를 제어하여 상기 거울을 회전시키면서 상기 레이저 거리측정기를 제어하여 거리를 측정하는 제어부를 구비한다. 본 발명에 따르면, 레이저 빔을 반사시키기 위한 거울이 약간 기울여져 회전하므로, 눈 표면 상의 원을 따라 흩어져 있는 다수의 지점 상에서의 적설량 측정이 가능해진다.

Description

적설량 측정 방법 및 장치
본 발명은 적설량 측정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 땅 위에 쌓인 눈의 깊이(적설량)를 보다 실용적이고 신뢰성 있게 측정하고 캘리브레이션(calibration) 하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
인터넷과 통신망의 발달에 따라 기상과 관련된 데이터 측정은 컴퓨터, 통신장비 및 센서 등을 이용하여 많이 자동화되고 있다.
적설량의 측정은 자동화의 중요성과 필요성 때문에 자동 측정 분야에서 흥미로운 영역 중 하나인데, 특히 목표 지점의 위치가 기상 센터나 거주 지역에서 멀리 떨어져 있는 경우에 더욱 그러하다.
이러한 점 때문에 많은 제조사가 레이저 거리 측정기(laser distance meter), 초음파 측정, 시각 신호 (이미지 신호) 프로세싱, 및 기계적 측정 방법을 포함하는 다양한 기술에 근거하여 적설량 측정장비를 개발해오고 있다.
현재 출시되거나 제안된 레이저 거리 측정 기술에 근거한 적설량 측정장비는 하나 또는 두 개의 레이저와 그에 연계된 수신기를 사용한다(예: 대한민국 등록특허 제348574호). 이러한 점 때문에, 일관적이지 않은 측정결과와 실제 측정장소에서의 다양한 환경에 대한 취약성과 관련된 불만이 제기되고 있다. 예를 들면, 레이저 송신기의 목표 지점이 낙엽, 먼지, 흩날리는 눈송이와 같은 외부 물질에 의해 가려지거나 방해되는 경우에는 측정결과가 그 지점의 적설량에 대한 원하는 정보를 나타내지 못하게 된다. 또한, 3 피트 x 3 피트 면적에서 한두 지점에 대해서만 측정을 하는 것은 전체 면적을 대표하지 않는다.
초음파 신호에 기반한 모델들은 널리 사용되고는 있으나, 이들 모델들은 초음파 신호 자체의 특성상, 그리고 온도 변화에 따른 변동으로 인하여 측정 정확도라는 점에서 약점이 있다.
영상처리에 기반한 몇몇 모델들은 눈의 깊이를 나타내는 몇가지 지점의 위치를 인식하기 위하여 다양한 신호/영상 처리 기술을 사용한다. 이들 모델이 갖는 문제점 중 하나는, 눈금이 형성된 막대기와 같은 목표지점에 형성된 눈 또는 얼음과, 일직선 상에 비치는 다수의 광원 등에 기인한 불명확하거나 흐린 영상에 의해 발생한다. 또다른 사소한 문제점으로는, 너무 어두워지면 적절한 조명을 해줘야 한다는 점이 있다. (예: 미국특허공개 제2011/0219868호)
기계적인 측정에 기반한 방법들은 추운 날씨, 강한 바람, 그리고 얼음의 형성 등에 따른 기계적인 오동작이라는 잠재적인 큰 문제를 안고 있다. 게다가, 눈의 종류에 따라 측정결과가 현저하게 변할 가능성이 있다. 예를 들어 눈이 부드럽다면, 눈에 접촉되는 기계 장치는 눈을 눌러버려서 측정 데이터에 영향을 줄 우려가 있다.
용기를 사용하여 물로 치환된 등가량으로 눈의 양을 측정하는 방법(예: 미국특허 제6,044,699호)이나, GPS 신호를 사용하여 넓은 지역에 대해서 측정하는 방법(예: 미국특허 제5,761,095호)에 관한 몇몇 연구들이 있지만, 이들 방법들은 본 발명이 제공하는 해결책이 적용되는 응용분야와는 다른 응용분야에 관한 것이다.
요구되는 정확도와 일관성을 유지하면서 이들 문제점을 해결하기 위해서는 다수의 레이저 발신기와 수신기를 갖는 구조에 기반한 레이저 거리 측정기를 시도해볼 수도 있을 것이다. 예상되는 것처럼, 이 방법은 더 많은 비용이 들 것이고, 특히, 실생활에 적용하기 위한 요구조건들을 만족시키기 위해 많은 지점들을 측정할 필요가 있을 때에 더욱 그러할 것이다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 단일 레이저 거리 측정기를 사용하면서도 주변 환경의 영향을 덜 받고 측정 결과의 신뢰성이 높은 적설량 측정 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 회전거울을 결합한 단일 레이저 거리 측정기를 사용하여 적설량의 다지점 측정을 하도록 함으로써 종래의 문제점들을 해결하기 위한 방법을 제안한다. 서로 다른 시점(회전각)에 반사 레이저 신호가 레이저 광 투사에 의해 생성되는 원(타원) 상의 서로 다른 지점을 가리키도록 회전거울이 약간 기울여져 있다. 이 방법에 따르면 눈 표면 상의 원을 따라 흩어져 있는 다수의 지점 상에서의 적설량 측정이 가능해진다. 원(타원)의 크기는 거울을 회전시키는 모터 축에 수직한 평면으로부터의 거울의 거리와 틸트 각에 따라 달라질 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명의 장치를 캘리브레이션(calibration)하는 방법을 제공한다. 목표 영역을 소정의 높이만큼 들어올려서 캘리브레이션 절차에서 땅 또는 눈 표면 상의 원의 각 지점에의 도달 각도를 계산할 수 있도록 하는 상자나 지그(jig)가 사용된다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 제안된 방법은 이 원에 의해 정의되는 영역의 평균 깊이를 계산한다. 비정상적인 측정치는 파기되고 유의미한 측정 데이터만으로 평균을 계산한다.
본 발명의 적설량 측정장치는 레이저 거리측정기, 레이저 거리측정기의 거리측정 목표지점을 변경하기 위한 목표지점 변경수단, 상기 목표지점 변경수단을 제어하여 다수의 목표지점에서의 거리를 측정하는 제어부를 포함한다.
상기 목표지점 변경수단은 회전축을 포함하는 스텝 모터, 상기 스텝 모터의 상기 회전축에 수직인 평면에 대해서 소정 각도로 기울어져 연결되어 있으며, 상기 레이저 거리측정기로부터의/로의 레이저 빔을 반사시키기 위한 거울을 포함한다. 제어부는 스텝 모터를 제어하여 거울을 회전시키면서 상기 레이저 거리측정기를 제어하여 거리를 측정한다.
제어부는 레이저 거리측정기를 제어하여 거리를 측정하고, 소정의 회전각 φ만큼 스텝 모터를 회전시킨 다음에 거리를 측정하는 과정을 상기 거울이 일회전할 때까지 반복하고, 측정된 거리 데이터로부터 적설량을 계산한다.
임의의 측정시점 t에서 상기 거울로부터 눈의 표면까지의 측정 거리를 Ls(t), 상기 거울로부터 지표면까지의 거리를 Lg(t), 레이저 빔과 지표면이 만나는 각도를 θ(t)라 할 때, 측정순번 t에서의 적설량 d ( t )는 d ( t ) = ((Lg(t) - Ls(t)) x sinθ(t)에 의해 구할 수 있다.
제어부는 측정된 적설량 값의 평균값보다 일정 비율 이상 높거나 낮은 값은 제거하고 남은 측정값만을 사용하여 평균 적설량을 계산하는 것이 바람직하다. 본 발명의 적설량 측정장치는 또한 측정된 거리값을 외부 장치로 송신하기 위한 통신수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 적설량 측정장치는 장치보호를 위한 보호커버 안에 수용될 수 있다. 보호커버는 적설량 측정장치의 거울 앞에 유리가 설치된다.
본 발명의 적설량 측정 방법은, 눈 표면 상의 원 또는 타원을 따라 흩어져 있는 다수 지점 상에서의 적설량을 측정하는 적설량 측정장치를 사용한 적설량 측정 방법으로서, 측정장치로부터 상기 원 또는 타원 상의 다수 지점까지의 거리를 순차적으로 측정하는 단계와, 측정된 다수의 거리값으로부터 적설량을 계산하는 단계를 구비한다.
임의의 측정지점 t에서 상기 측정장치로부터 눈의 표면까지의 측정 거리를 Ls(t), 상기 측정장치로부터 지표면까지의 거리를 Lg(t), 레이저 빔과 지표면이 만나는 각도를 θ(t)라 할 때, 측정지점 t에서의 적설량 d ( t )는 d ( t ) = ((Lg(t) - Ls(t)) x sinθ(t)에 의해 구할 수 있다.
적설량을 계산할 때는, 측정된 상기 다수의 지점에서의 적설량 값의 평균값보다 일정 비율 이상 높거나 낮은 적설량 값은 제거하고 남은 적설량 값만을 사용하여 평균 적설량을 계산하는 것이 바람직하다.
적설량 측정 단계 이전에, 상기 원 또는 타원 상의 상기 다수 지점에 대응되는 지표면 상의 다수 지점까지의 거리 Lg(t)를 순차적으로 측정하는 단계와, 높이 Lref인 지그를 놓고 상기 원 또는 타원 상의 상기 다수 지점에 대응되는 지그 표면 상의 다수 지점까지의 거리 Lr(t)를 순차적으로 측정하는 단계와, 상기 다수 지점에 대응되는 sinθ(t)=Lref/(Lg(t) - Lr(t))를 계산하는 단계를 포함하는 캘리브레이션 과정을 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 레이저 빔을 반사시키기 위한 회전거울이 약간 기울여져 있으므로, 눈 표면 상의 원을 따라 흩어져 있는 다수의 지점 상에서의 적설량 측정이 가능해진다. 또한, 시간의 경과에 따라 잘못된 측정 데이터를 감지하고 잘못된 동작이 고쳐질 때까지 영향받는 지점(들)을 분리시킬 수 있다. 또한, 눈 표면 상의 원(타원)형에 대해서 더 많은 수의 샘플을 얻을 수 있으므로 측정되는 평균 적설량은 하나 또는 적은 샘플에 기반하는 다른 방법들에 비해서 실제 적설량 값에 좀더 근접할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 장비의 위치를 옮기거나 거울의 틸트 각을 바꿈으로써 목표 영역의 크기를 좀더 쉽게 바꿀 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 하나의 레이저 거리 측정기와 스텝 모터와 거울을 포함하는 저가의 장치만을 사용하므로, 비용 효율이 높고 좀더 낮은 복잡도로 비교적 더 작은 하우징 안에 만들 수 있다.
도 1은 본 발명의 적설량 측정장치의 구성을 보여주는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 적설량 측정장치의 레이저 빔 반사 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 3은 본 발명의 적설량 측정장치의 적설량 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 적설량 측정장치가 눈 표면 상의 원을 따라서 적설량 측정을 하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 돌출값과 함몰값을 갖는 측정 데이터 그래프의 예이다.
도 6은 비정상치를 갖는 3개의 연속적인 측정치를 보여준다.
도 7은 캘리브레이션에 사용되는 지그(jig)의 예를 보여준다.
도 8은 높이 Lref를 갖는 지그를 사용하여 본 발명의 캘리브레이션을 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 캘리브레이션 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 10은 바람과 먼지로부터 보호하기 위하여 인클로져(enclosure)와 유리를 사용하는 실시예를 보여주고 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명한다.
이하의 설명에서, 눈의 "깊이"는 지표면으로부터의 눈의 높이를 의미하며, "원"과 "타원"은 틸트 거울에 의해 반사된 레이저 반사광에 의해 눈 표면 상에 형성되는 패턴을 나타내기 위하여 상호 호환적으로 사용된다. 각도로 나타낸 스텝 모터에 의한 이동량은 측정시점(또는 측정지점) "t" 또는 회전각 "φ"로 표현하였다.
도 1에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 적설량 측정시스템은 다음과 같은 네가지 구성요소를 구비한다: 레이저 거리측정기 모듈(10), 스텝 모터의 축에 수직인 평면으로부터 기울어져 있는 거울(11), 거울에 연결된 스텝 모터(12), 그리고 제어부로서의 처리모듈 또는 컴퓨터 모듈(13).
도 1에 도시한 것처럼, 스텝 모터(12)에 의해 기울어지고 회전되는 거울(11)에 의해 반사된 레이저 빔은 쌓인 눈에 의해 형성된 평면(22) 상에 투사되어 타원 (또는 원)(21)을 생성한다. 스캔이 시작되면, 처리모듈(13)의 제어에 의해 레이저 거리측정기 모듈(10)은 레이저 신호를 발사하고 눈으로부터 반사되어 거울(11)을 통해 들어오는 신호를 수신한다. 처리모듈(13)은 수신된 신호로부터 기준점으로부터 거울(11)이 가리키는 눈 표면 상의 지점까지의 거리를 결정하고 데이터를 기록한다. 그리고, 처리모듈(13)은 소정의 회전각 φ만큼 스텝 모터(12)를 회전하도록 하는 제어신호를 출력하고, 다음번 위치에 대해서 레이저 신호 발사, 수신 및 깊이 측정 과정을 수행한다. 이러한 과정을 반복함으로써 눈 위에 투사되는 타원 형태의 스캔이 이루어진다.
도 2는 스텝 모터(12)가 회전함에 따라 틸트된 거울(11)이 레이저 거리측정기 모듈(10)로부터의 레이저 신호의 반사 방향을 어떻게 변화시키는지를 보여주고 있다. 도 2에서 볼 수 있는 것처럼, 거울(11)은 축(14)에 수직인 평면(15)에 대해서 각도 Δ만큼 기울어진 상태로 축(14)을 통해 스텝 모터(12)에 연결되어 있으므로, 스텝 모터(12)가 회전하면 거울(11)의 기울어진 각도가 달라지고, 이에 따라서 거울(11)에서 반사되는 빛의 방향도 달라지게 된다.
도 3에 도시한 것처럼, 어떤 측정시점(측정지점) t에서 거울(11)로부터 눈의 표면까지의 측정 거리가 Ls(t)이고, 거울(11)로부터 지표면까지의 거리가 Lg(t)라면, 시점 t에서의 눈의 깊이 d ( t )는 다음 식에 의해 구할 수 있다. 여기에서, θ(t)는 시점 t에서 레이저 빔과 지표면이 만나는 각도이다.
d ( t ) = ((Lg(t) - Ls(t)) x sinθ(t)
처리모듈(13)은 원(21) 상의 다음 지점에 대해서 상기 단계를 반복한다. 타원 상의 모든 지점에 대한 측정을 완료하기 위하여 본 발명의 측정 시스템은 스텝 모터(12)에 의해 회전된 전체 각도가 360도가 될 때까지 t=0에서 t=n-1까지 동일한 단계를 반복하여 n개의 지점에 대해서 적설량을 계산한다. 각 인터벌을 각도로 나타낸 φ는 다음과 같다.
φ = 360 / n
도 4는 t = 0 에서 t = n-1까지의 눈 표면의 원(타원)(21) 상의 모든 지점, 즉 각도로는 φ = 0 에서 φ = 360x(n-1)/n 인 지점들에 대해서 측정이 어떻게 이루어지는지를 보여주고 있다. 각 시간 t (회전각 φ)에서 눈의 깊이(적설량) d ( t )는 다음과 같이 구할 수 있다.
d ( t ) = ((Lg(t) - Ls(t)) x sinθ(t),
(t = 0 에서 n-1 까지이고, n = 눈 위의 목표 표면 상의 원을 따라 측정되는 샘플의 수)
시점 t = 0 에서 t = n-1 (회전각 φ = 0 도에서 360x(n-1)/n 도)까지의 각 시점에서의 Lg(t)(지표면 상의 원(24) 상의 각 지점에 대해서 측정한 거리값)와 θ(t) 값은 캘리브레이션 과정(calibration procedure)에서 결정되며, 이에 대해서는 후술한다.
한 회전의 측정이 완료되면, 처리모듈(13)은 모든 측정 데이터를 로컬 저장소에 저장해두거나 통신 채널을 통해 외부 서버로 전송하여 추가적인 분석을 할 수 있다.
처리모듈(13) 또는 외부 서버는 측정된 원 데이터에 평균을 취함으로써 데이터를 분석한다. 이때, 기준치와 비교하여 비정상적으로 높거나 낮은 값을 측정 데이터로부터 제거하는 것이 바람직하다. 기준치는 직전의 한 회전(또는 그 이상)동안 측정한 적설량의 최종 평균값(돌출값과 함몰값을 제거한 평균값)으로 취할 수도 있다. 따라서 기준치는 매 회전의 측정시마다 갱신되게 된다.
예시적으로 원을 따라 24개의 지점에 대해 측정한 그래프가 도 5에 도시되어 있다. 이 예에서는 돌출값(spike)(51, 52)과 함몰값(dip)(53)이 제거된다.
현저하게 비정상적인 값들을 제거한 후에 남아있는 값에 평균을 취함으로써 의미있는 평균 데이터를 얻을 수 있다. 데이터 분석이 완료되면, 처리모듈(13) 또는 외부 서버는 캘리브레이션 과정에서 생성된 t = 0 에서 t = n-1까지의 sinθ(t)를 적용함으로써 실제 적설량 d ( t )을 계산하고 시간, 평균 데이터, 계산된 적설량 및 원 측정 데이터를 저장한다.
특정 지점(시점 또는 회전각)에서의 측정 데이터가 꾸준하게 비정상적으로 높거나 낮다면, 이러한 비정상은 장애물, 외부 물질에 의한 방해 또는 유리 커버 상의 불순물에 의해 야기되었을 수 있다. 예를 들면, 도 6에서 돌출값 61은 일관성 있는 비정상성을 보이는 반면에 함몰값 62와 돌출값 63은 일시적이다. 이는 움직이는 낙엽이나 흩날리는 눈발에 의해 야기되었을 수 있다. 이러한 현상이 발생되면, 측정 시스템은 외부 서버에 이벤트를 보고하거나 알람 신호를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 측정 시스템을 처음 현장에 설치하고 측정을 실시하기 전에 다음과 같은 과정을 거쳐서 캘리브레이션(calibration)하여야 한다. 캘리브레이션을 위해서는 소정의 눈의 깊이(높이) Lref를 제공하기 위하여 도 7에 도시한 것과 같은 상자나 테이블 형상으로 된 지그가 사용된다.
도 8은 본 발명의 캘리브레이션 방식을 특정 시간 t에 대해서 도시한 도면이며, 도 9는 캘리브레이션 절차의 예를 보여주는 흐름도이다. 시간 t에서 지표면까지의 거리를 Lg(t)라 하고, 지그 표면까지의 거리를 Lr(t)라 하자. Lg(t)와 Lr(t)는 레이저 거리측정기에서 측정된 거리에서 레이저 거리측정기에서 거울까지의 거리(Lm)를 뺀 값이다.
캘리브레이션 과정의 첫번째 단계는 레이저 거리측정기 모듈(10)에서 지표면까지의 거리를 측정하는 것이다. t=0으로 초기화한 후에, 즉 거울(11)을 초기 위치에 놓은 후에(단계 S910), 지표면을 치우고(S920), Lg(t)를 측정하고 스텝 모터(12)를 φ만큼 회전함으로써 t를 하나 증가시킨다(단계 S930). 단계 S930을 t=n이 되기 전까지 반복함으로써(단계 S940) t=0에서 t=n-1까지의 Lg(t)를 측정하고 기록한다.
다음으로, 지표면에 Lref 높이의 지그(20)를 놓고 t=0으로 초기화시킨다(단계 S950). Lr(t)를 측정하고 스텝 모터(12)를 φ만큼 회전함으로써 t를 하나 증가시킨다(단계 S960). 이를 t=n이 되기 전까지 반복함으로써(단계 S970) t=0에서 t=n-1까지의 Lr(t)를 측정하고 기록한다.
각 시간 t에서의 Lg(t)와 Lr(t)를 측정하고 나서 t=0에서 t=n-1까지에 대해서 sinθ(t)에 해당하는 Lref/(Lg(t) - Lr(t))를 구하고 기록해둔다(단계 S980). 이렇게 계산된 sinθ(t)와 측정된 Lg(t)는 실제 적설량을 계산하기 위하여 측정된 Ls(t)를 사용하여 적설량 d ( t )를 계산할 때 사용된다.
이와 같이, 캘리브레이션을 할 때 사용되는 지점은 지면과 지면보다 더 높은 한 지점(Lref)이 되는데, 그 높은 지점이 레이저 측정 장치에 가까우면 가까울수록 지면과의 평행 정도 등의 캘리브레이션 과정의 오차에 의한 측정 오차가 줄어들고, 구현하는데에도 편리하다.
도 10은 보호 커버(100)와 유리(101)로 본 발명의 측정 장치를 둘러싼 것을 보여주고 있다. 전체 조립체를 장대나 구조물에 고정하여 바람이 불 때 장치가 흔들리거나 움직이는 것을 방지하도록 할 수 있다. 처리모듈(13)은 통신모듈에 연결되어, 데이터의 추가적인 처리를 위해 외부 서버와 통신하도록 구성할 수도 있다.
거울(11)을 사용하는 대신에 레이저 거리측정기 모듈(10) 자체를 약간 기울여서 회전시키도록 구성하는 것도 가능하다.
본 발명에서 원의 형태는 중요한 것은 아니며, 장치가 설치되는 곳에 따라 그리고 레이저 신호가 투사되는 각도에 따라 완전한 원이어도 되고 타원이어도 된다. 또한, 평평하지 않은 거울을 사용하면 눈 표면 상에 투사되는 임의의 패턴에 대해서 측정할 수 있다.
이상, 본 발명을 몇가지 예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
* 부호의 설명 *
10 레이저 거리측정기,
11 거울,
12 스텝모터,
13 처리모듈,
20 지그.

Claims (11)

  1. 레이저 거리측정기,
    레이저 거리측정기의 거리측정 목표지점을 변경하기 위한 목표지점 변경수단,
    상기 목표지점 변경수단을 제어하여 다수의 목표지점에서의 거리를 측정하는 제어부
    를 구비하는 적설량 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 목표지점 변경수단은
    회전축을 포함하는 스텝 모터,
    상기 스텝 모터의 상기 회전축에 수직인 평면에 대해서 소정 각도로 기울어져 연결되어 있으며, 상기 레이저 거리측정기로부터의/로의 레이저 빔을 반사시키기 위한 거울
    을 포함하며,
    상기 제어부는 상기 스텝 모터를 제어하여 상기 거울을 회전시키면서 상기 레이저 거리측정기를 제어하여 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 적설량 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 레이저 거리측정기를 제어하여 거리를 측정하고, 소정의 회전각 φ만큼 상기 스텝 모터를 회전시킨 다음에 거리를 측정하는 과정을 상기 거울이 일회전할 때까지 반복하고, 측정된 거리 데이터로부터 적설량을 계산하는 것을 특징으로 하는 적설량 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    임의의 측정시점 t에서 상기 거울로부터 눈의 표면까지의 측정 거리를 Ls(t), 상기 거울로부터 지표면까지의 거리를 Lg(t), 레이저 빔과 지표면이 만나는 각도를 θ(t)라 할 때, 측정순번 t에서의 적설량 d ( t )는
    d ( t ) = ((Lg(t) - Ls(t)) x sinθ(t)
    에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 적설량 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 기준치보다 일정 비율 이상 높거나 낮은 값은 제거하고 남은 측정값만을 사용하여 평균 적설량을 계산하며,
    상기 기준치는 직전의 적어도 한 회전동안 측정한 적설량의 최종 평균값인 것을 특징으로 하는 적설량 측정 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    측정된 거리값을 외부 장치로 송신하기 위한 통신수단을 더 포함하는 적설량 측정 장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적설량 측정장치는 장치보호를 위한 보호커버 안에 수용되며,
    상기 보호커버의 상기 적설량 측정장치의 상기 거울 앞에는 유리가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 적설량 측정장치.
  8. 눈 표면 상의 원 또는 타원을 따라 흩어져 있는 다수 지점 상에서의 적설량을 측정하는 적설량 측정장치를 사용한 적설량 측정 방법에 있어서,
    측정장치로부터 상기 원 또는 타원 상의 다수 지점까지의 거리를 순차적으로 측정하는 단계와,
    측정된 다수의 거리값으로부터 적설량을 계산하는 단계
    를 구비하는 적설량 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    임의의 측정지점 t에서 상기 측정장치로부터 눈의 표면까지의 측정 거리를 Ls(t), 상기 측정장치로부터 지표면까지의 거리를 Lg(t), 레이저 빔과 지표면이 만나는 각도를 θ(t)라 할 때, 측정지점 t에서의 적설량 d ( t )는
    d ( t ) = ((Lg(t) - Ls(t)) x sinθ(t)
    에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 적설량 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 적설량을 계산하는 단계는
    측정된 상기 다수의 지점에서의 적설량 값의 평균값보다 일정 비율 이상 높거나 낮은 적설량 값은 제거하고 남은 적설량 값만을 사용하여 평균 적설량을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적설량 측정 방법.
  11. 제9항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적설량 측정 단계 이전에
    상기 원 또는 타원 상의 상기 다수 지점에 대응되는 지표면 상의 다수 지점까지의 거리 Lg(t)를 순차적으로 측정하는 단계와,
    높이 Lref인 지그를 놓고 상기 원 또는 타원 상의 상기 다수 지점에 대응되는 지그 표면 상의 다수 지점까지의 거리 Lr(t)를 순차적으로 측정하는 단계와,
    상기 다수 지점에 대응되는 sinθ(t)=Lref/(Lg(t) - Lr(t))를 계산하는 단계를 포함하는 캘리브레이션 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 적설량 측정 방법.
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