김태수와 아이들조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 아두이노 기반 터널 내공변위 측정 시스템..

영문 : tunnel convergence measurement system based Arduino..

과제 팀명

서태수와 아이들..

지도교수

조수진 교수님

개발기간

2018년 3월 ~ 2018년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학부·과 2013XXX009 김태수(팀장)

서울시립대학교 토목공학부·과 2013XXX002 길상균

서울시립대학교 토목공학부·과 2013XXX025 안승빈

서울시립대학교 토목공학부·과 2013XXX035 장석민

서울시립대학교 토목공학부·과 2015XXX030 이예인

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

터널내공변위의 효과적이고 경제적인 측정을 위한 장치

개발 과제의 배경

토목공사기술의 발전과 4차산업기술의 도입으로 인해, 터널 시공기술 또한 나날이 발전하고 있는 추세다. TBM공법과 같은 기술력을 통해 안전하고 정밀한 터널 시공이 가능하지만, 경우를 고려하여 발파를 이용한 NATM공법 또한 현재 널리 사용되고 있다. NATM과 같이 발파작업으로 이루어지는 터널공사의 경우, 지속적인 유지관리와 터널공사 과정 중에 보강계획을 검토하는 것은 필수이다. 때에 따라서 숏크리트를 좀 더 타설할 수도 있고, 철근 지보재의 강도를 조정하고, 락볼트의 개수를 조절할 수 도 있다. 이러한 보강계획의 검토와 지속적인 유지관리를 위해 할 수 있는 계측항목은 내공변위 측정이다. 터널시공중, 혹은 완공 후에도 실시해야 하는 계측 항목으로 일반적으로는 내공변위계를 이용하여 측정하거나, 광섬유 케이블을 이용하여 수치 값을 실시간으로 계측하는 경우가 있다. 두 가지 항목에 대해서 공통적인 부분은 준공과정 중에서 직접 설치를 해야한다는 번거로움이 있다. 또한 내공변위측정계의 경우는 오래전부터 사용했던 방법으로서 일일이 측정해야 하고 천공위치 변화에 따른 오차가 발생할 가능성과 추후 발파작업으로 인해 천공 위치가 바뀔 수도 있는 가능성이 있다. 광파기를 이용한 측정법도 위와 같은 번거로움이 있으며 사람이 직접 들어가서 계측하기 때문에 안전에 관한 위험성 또한 무시할 수 없는 부분이기에 만들었다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 프로젝트에서는 위에 언급한 내용들을 개선하는 방향으로 진행했다. ‘아두이노‘라는 하드웨어와 무선통신 장비, 그리고 레이저 센서를 이용하여 무인 측정하는 방법이다. 레이저 센서를 이용하여 실제로 측정하는 방법보다 오차를 줄이고, 무선센서를 이용하여 사람이 직접 측정하지 않고 기계가 측정하는 방법을 통해 안전성과 정밀함을 추구할 수가 있다. 터널공사의 경우 수차례의 보강과 정밀한 측정으로 인해, 붕괴의 위험이 매우 적다고 할 수가 있다. 하지만 기술의 발전에 따라 깊은 심도의 해저터널 공사와 대규모의 하중이 주어지는 산속 터널 공사와 같은 위험할 수도 있는 경우에 따라서는 보강뿐 만아니라 공사중 일어나는 변위에 따라서 계획을 수정하고 검토해야하는 경우가 생길 가능성이 매우 높다고 사료된다. 본 프로젝트를 이용하고 더욱 개선시킨다면 위의 경우에 대해서 정밀함은 물론, 안전성 또한 이룰 수 있음을 우선 강조하고 싶다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

내용 물리적인 세계를 감지하고 제어할 수 있는 인터랙티브 객체들과 디지털 장치를 만들기 위한 도구로, 간단한 마이크로컨트롤러(Microcontroller) 보드를 기반으로 한 오픈 소스 컴퓨팅 플랫폼과 소프트웨어 개발 환경을 말한다. 아두이노는 다양한 스위치나 센서로부터 입력 값을 받아들여 LED나 모터와 같은 전자 장치들로 출력을 제어함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어 낼 수 있다. 예를 들어 단순한 로봇, 온습도계, 동작 감지기, 음악 및 사운드 장치, 스마트 홈 구현, 유아 장난감 및 로봇 교육 프로그램 등의 다양한 제품들이 아두이노를 기반으로 개발 가능하다. 또한 아두이노는 회로가 오픈소스로 공개되어 있으므로 누구나 직접 보드를 만들고 수정할 수 있다.

마이크로컨트롤러란 마이크로프로세서와 입출력 모듈을 하나의 칩으로 만들어 특정 기능을 수행하는 작은 컴퓨터를 말한다. 아두이노는 이러한 마이크로컨트롤러 보드와 관련된 개발 도구 및 환경을 모두 포함한다. 아두이노는 처음 아트멜(Atmel AVR) 마이크로컨트롤러를 기반으로 만들어졌지만, 용도에 따라 다양한 보드가 있으며 개발 툴과 여러 기능에 대한 라이브러리가 제공되고 있다. 아두이노와 유사하게 피지컬 컴퓨팅(Physical Computing)을 가능하게 하는 마이크로컨트롤러와 플랫폼은 다양하지만 아두이노는 마이크로컨트롤러를 기반으로 하는 작업을 단순화하였으며 다음과 같은 다양한 강점을 가진다.

1. 저비용 : 아두이노 보드는 다른 마이크로컨트롤러 플랫폼에 비해 저렴하다. 2. 크로스 플랫폼 : 아두이노 소프트웨어는 윈도우즈, 맥OSX, 리눅스 운영체제 모두에서 작동한다. 3. 간단하고 명확한 프로그래밍 환경 : 아두이노 프로그래밍 환경은 초보자들이 사용하기 쉬울 뿐 아니라 실력자들이 여러가지 다양한 시도를 하기 위한 유연성을 제공한다. 소프트웨어 개발을 위한 통합개발환경(IDE)가 제공되며 컴파일 된 펌웨어(특정 하드웨어 상에서 동작하는 소프트웨어)를 USB를 통해 손쉽게 업로드 할 수 있다. 4. 오픈 소스 : 아두이노 하드웨어 및 소프트웨어는 오픈 소스 툴이기 때문에 고급 프로그래머들에 의해 작성된 확장 소프트웨어 라이브러리들을 구할 수 있으며, 회로 설계자들이 손쉽게 자신만의 모듈을 만들고 개선할 수 있다.

최초의 아두이노는 2005년 이탈리아 이브레아(Ivrea)에서 시작되었다. 마시모 반지(Massimo Banzi) 교수와 데이비드 쿠아르티에예스(David Cuartielles) 교수는 인터랙션 디자인 전문학교(IDII)에서 공부하는 하드웨어 미숙련자 및 비전공 학도들을 위해 기초적인 지식만으로도 쉽게 프로그램 작성이 가능하고, 또한 저렴하게 구입 가능한 마이크로컨트롤러 보드를 개발하고자 하였다. 아두이노의 하드웨어와 소프트웨어가 오픈소스로 개방되면서 수많은 개인과 기업들이 아두이노를 기반으로 다양한 모양과 성능의 아두이노 및 아두이노 호환 보드를 개발하였으며, 2013년에는 70만 개의 아두이노 공식 보드를 사용할 수 있게 되었다.

아두이노 통합 개발 환경은 소스 코드를 작성하고 편집할 수 있도록 하며, 코드를 아두이노 하드웨어가 이해할 수 있는 명령어로 컴파일하여 보드에 이를 업로드 하는 기능을 제공한다. 소스코드는 C++ 언어를 기반으로 하기 때문에 아두이노에서는 C 언어의 표준라이브러리 함수가 사용 가능하다. 아두이노 하드웨어는 실세계와 연동되어 동작하는 센서, 가속도계, LED, 스피커, 디스플레이 등의 여러 구성품들이 쉽게 탈부착 가능하도록 핀들로 구성되어 있으며, 소프트웨어 개발 환경을 통해 작성되고 업로드 된 코드(명령어)가 실행된다.

다음의 그림은 아두이노 제품 중 megaAVR 시리즈 중 주요 모델인 Uno 보드이다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

광섬유센서

광섬유를 사용한 센서(감지기). 섬유 자체가 감지기능을 가진 것과 센서는 따로 있고 그 신호를 전달하는 경로로서 섬유를 사용하는 것이 있다. 특히 광섬유 자체가 센서가 되는 것은 주위의 전자기적 잡음에 영향 받지 않는 센서로서의 특징이 있다. 예컨대 온도나 압력으로 광섬유가 신축되는 성질을 이용하여 속을 통과하는 간섭요인 등을 검출하면 온도·압력 센서가 된다. 제트엔진의 제어에 사용된다. 회전 방향에 따라 진행하는 빛과 역방향으로 진행하는 빛의 위상차를 포착하는 광섬유자이로스코프도 있어 항공기에 탑재되고 있다. 빛의 도플러 효과를 응용한 것으로는 속도계, 혈액계, 진동센서 등이 고안되어 있다.

광파거리측량기

측점에 세운 기계로부터 광파(가시광선, 적외선, 레이저 광선 등)를 발사하여 이것이 목표점의 반사경에 반사되어 되돌아오는 반사파의 위상과, 반사파의 위상차 및 시간차로부터 거리를 구하는 장비. 광파는 전파와 달라서 구름과 비의 장애에 약하고, 또 관측 가능 거리가 짧지만 측량의 정밀도는 전파거리 측량기보다 높다.

• 마케팅 전략 제시

내용 경쟁제품과 비교하여 보았을때 훨씬 경제적이고, 지속적인 내공변위측정을 사용자에게 전송이 가능하므로 안정성이 더 뛰어나다. 그리고 기계자체의 자동화로인해 편리성을 추구 할 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용 토목공사기술의 발전과 4차산업기술의 도입으로 인해, 터널 시공기술 또한 나날이 발전하고 있는 추세다. 정밀한 터널 시공에 있어서 지속적인 유지관리와 터널공사 과정 중에 보강계획을 검토하는 것은 필수이다. 이러한 터널 유지관리 및 관측에 있어서 해당 기술을 발전 시킴으로써 전에 사용해왔던 내공변위 측정방법에서의 안전 위험성과 경제성 일의 효율성 측면에서 긍정적인 효과가 기대된다

구성원

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용 -기존의 내공 변위계보다 합리적인 시스템 유지 관리 비용-

(아두이노 = 저전력, 저비용)

가. 데이터 송신 노드 (아두이노 = 저전력, 저비용) 노드B : 데이터를 전송 받아서 컴퓨터에 출력 및 저장하는 노드 (아두이노 메가, 지그비 쉴드, Xbee PRO, 안테나)

나. 거리측정 노드 : 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 노드 (아두이노 메가, 지그비 쉴드, Xbee PRO, 안테나, 레이저)

설계 사양

내용

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용 공학적이고 정량적인 계산결과를 포함, 시뮬레이션의 경우 방법과 결과를 제시

(1). TINKER CAD를 이용하여 3D 프린팅 모델 설계

아두이노 키트가 안전한 상태로 들어갈 수 있도록 프로그램을 통해 케이스 모형을 설계 후, 3D프린트를 이용하여 모형 제작

(2). MATLAB을 이용하여 계측한 결과를 모니터에 출력

차후 GUI를 이용한 커버피팅을 위한 결과값을 산출

센서로부터 들어온 결과값을 MATLAB을 이용하여 산출 및 도시하여, 그래프화 함과 동시에, 향후 센서의 개수를 늘려서 타원형의 그래프를 이용하여 변위모양을 실시간으로 계측 가능하다.

(3). GUI를 이용하여 커버피팅&실시간 그래프 산출 가능

실시간 변위 모형 그래프를 통해 터널 내부의 변위상태를 알 수 있고, 이를 통해서 보강계획을 검토하고 실시할 수가 있다.

상세설계 내용

내용 1. 내공변위를 실측하는 하드웨어 소개.

가. 사용 센서 : 레이저 거리측정센서 [VL53L0X], 1) 필요전압 : 3.3V~5V 2) 전원공급 : 전원 공급 : AA 건전지 4구 3) 측정거리 : 30mm-1000mm / mm단위 측정.

나. 본체 : Arduino Uno 다. 보조체 : Arduino Wireless sd shield 라. 통신 : XBee 모듈

마. 케이스 : 플라스틱 재질. 아두이노 부품 보호 및 각도 고정 용도 2. 내공변위 측정 메커니즘. 가. 터널 내부의 한점에 센서 노드 고정. 나. 정해놓은 각도에 맞게 총 3개의 센서노드 설치.

다. 레이저 거리측정 센서를 통한 거리 측정. 총 3개의 변위값 추출 라. MATLAB을 이용하여 사용자인터페이스(Graphical User Interface, GUI)를 구현. GUI 상에 실시간으로 내공변위를 그래프로 나타냄.

마. 나타낸 변위값을 토대로 터널 지점의 좌표값 환산

바. 환산된 좌표값을 토대로 터널의 형상 추출.(with curve fitting

사. 터널 형상을 그래프와 하여 GUI에 실시간으로 나타냄.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용 -본 설계 모델은 실제 터널을 모형화 하여 터널의 내공변위를 주어 측정기의 작동성 파악 -산속 터널 공사와 같은 위험할 수도 있는 경우에 따라서는 보강뿐 만 아니라 공사중 일어나는 변위에 따라서 계획을 수정하고 검토해야하는 경우가 생길 가능성이 매우 높다고 사료된다. 본 프로젝트를 이용하고 더욱 개선시킨다면 위의 경우에 대해서 정밀함은 물론, 안전 성 또한 이룰 수 있음을 우선 강조하고 싶다.