굴착공사로 인한 관로 파손, 로봇이 있어 안심!
관성측정장치 센싱 기법 활용한
지중관로 위치파악 로봇시스템
최근 지반공사 중 맨홀 등 지하 케이블을 안전하게 보호하기 위한 지중관로의 절단사고 발생이 잦아지며 인명 및 재산 피해가 속출하고 있다. 이는 관의 파손 및 노후화 위치 파악이 어려워 미연에 방지할 수 없었기 때문인데, 이로 인해 정확한 지중관로와 노후배관에 관한 위치 정보의 중요성이 대두되고 있다. 이러한 시점에 한국건설기술연구원이 지중관로 위치파악 로봇시스템을 개발해 이목이 집중되고 있다. 이 시스템은 현재 플로토 타입으로 제작·완료된 상태로, 본문은 지중관로 위치파악 로봇시스템에 대한 기술적인 사항들을 다뤄보았다.
한국건설기술연구원, IMU센서를 로봇시스템에 적용
한국건설기술연구원은 가스관, 상하수도관, 전기선 등 지중관로의 위치를 파악할 수 있는 ‘관성측정장치(IMU; Inertial Measurement Unit) 센싱 기법을 활용한 위치파악 로봇시스템’을 개발했다. IMU센서는 항공기, 잠수함, 미사일 등의 항로를 파악할 때 사용되는 장치로서, 자이로센서와 가속도센서로 구성되어 있어 동체의 움직임에 따른 선형 가속도와 회전 각속도를 측정한다.
지중관로 위치파악 로봇시스템은 IMU센서를 이용, 로봇의 이동에 따른 지중관로의 3차원 축을 중심으로 하는 각각의 회전각(Yaw, Pitch, Roll)을 측정해 3D 좌표를 추정하는 방법론을 제시하고 있다. 즉, 로봇이 지중관 내부를 일정한 간격으로 이동하면서 측정한 거리와 회전각을 삼각함수를 이용, 임의 축에 대한 3D 좌표 값으로 환산하는 방법을 적용하고 변환 과정에서 누적오차에 대한 보정작업을 수행하는 연구가 진행됐다.
IMU 센서 내장형 좌표인식 시스템, 3개의 주요 기술 개발
IMU 센서 내장형 좌표인식 시스템에서는 IMU 센서 데이터 로거와 관로이동장치, 손상검출시스템 개발이 이루어졌다. 우선, 개발된 IMU 센서 데이터 로거는 이동장치와 IMU 센서, 카메라 장치, 포토 센서, 데이터 획득 보드 부분 등으로 구성돼 있으며, IMU센서와 이동 장치의 바퀴부분에 부착된 포토센서를 제어하고 데이터를 수집, 저장해 이를 사용자에게 전송하는 역할을 한다.
이러한 제어 부분은 데이터 로거에 설치된 소형 MCU(Micro control Unit) 칩이 담당하게 되며, 획득된 데이터는 임시로 데이터 로거에 부착된 2MB 용량의 플래쉬 메모리에 저장된 후, 사용자의 요청이 있을 경우에 무선 통신 방식을 이용해 전송된다. 이와 함께 개발된 관로이동장치는 3개의 바퀴가 120° 간격으로 설치된 바퀴장치가 앞뒤로 장착돼 있고, 본체 중앙에 센서와 데이터 획득 보드 등을 설치, 지중관로를 이동하는 역할을 한다. 특히, 관로이동장치는 부식을 방지하고 무게를 줄이기 위해 알루미늄 재질로 제작됐으며, 전체적인 길이 61cm, 직경 15cm로 제작됐다.
한편, 개발된 손상검출시스템의 손상 검출은 관로 이동장치에 부착된 소형 카메라를 사용, 이동장치가 관로를 이동 시 촬영한 영상을 육안으로 확인하는 방식으로 이를 위해 관로이동장치에 소형 카메라를 부착했다. 카메라 작동은 바퀴에 부착된 포토센서에서 신호를 받아 수행되며, 소형 카메라의 성능상 촬영된 영상이 저장되는데 약 5초의 시간이 소요돼 바퀴가 10회 회전할 때마다 촬영되도록 설정했다.이렇게 촬영된 영상은 4GB 용량의 SD 메모리에 순차적인 파일 이름으로 저장돼 촬영된 영상과 관로 위치와의 동기화는 영상의 파일이름을 바탕으로 측정된 거리를 계산, 쉽게 매칭할 수 있다.
4개의 영역으로 구성된 지중관로 3D 좌표 및 영상데이터 연계 프로그램
지중관로 3D 좌표 및 영상데이터 연계 프로그램은 4개의 영역으로 구성돼 있다.
첫째 영역에서는 이동장치를 제어하고 데이터를 획득하는 영역으로 장치와 무선통신으로 접속, 측정 시작 명령과 종료 명령을 전송한다. 이처럼 이동장치에 저장된 측정데이터는 프로그램에서 ‘READ’ 버튼을 클릭하면 이동장치에서 저장된 데이터를 프로그램으로 전송하게 되며, 저장된 측정된 데이터는 측정데이터 플로팅 창에서 불러와 플로팅 할 수 있다.
또 다른 영역은 이동장치와 PC 프로그램을 연결하고, 제어하는 영역으로 이동장치에 부착된 데이터 로거에 저장된 데이터를 PC로 불러들여 저장하는 기능을 수행한다. 부가적으로 이동장치의 바퀴 직경과 실험 대상 관로의 시점과 종점 좌표를 입력하는 부분으로 구성돼 있다.
또한, 저장된 데이터(Pitch, Yaw 각도)확인은 측정데이터 플로팅 영역에서 저장된 데이터 파일을 선택, 확인 가능하고 이 영역에서는 평균 필터링기능을 부가해 1~10개의 데이터 평균을 대표값으로 표현, 데이터를 수정할 수 있다.
이러한 과정을 통해 이동장치가 촬영한 관 내부 영상은 이 프로그램에서 확인 가능하고 영상이 저장된 SD 메모리를 PC의 특정 폴더에 복사 후, 프로그램에서 영상이 복사된 폴더를 선택하면 영상 파일이 순차적으로 나열된다.
마지막 영역은 최종적으로 측정된 데이터로부터 관로의 3D좌표를 추출하고 그 결과를 디스플레이하는 영역으로 Pitch와 Yaw 회전각 입력란을 통해 추출 결과 데이터를 시점을 중심으로 회전할 수 있다.
특히, 데이터의 회전을 반복적으로 수행, 추출된 데이터 값의 종점 좌표 값과 대상관로의 실측 종점 좌표값의 오차를 최소화시킬 수 있다. 한편, 제작된 시스템의 성능 검증을 위한 실험을 수행하기 위해 같이 전체길이 약 52m, 재료는 직경 100mm PVC관을 사용한 실험선로를 제작하고 지상측량, 검증실험, 정확도 분석, 현장검증 실험 등이 진행됐다.
특히, 개발 시작품을 활용한 모형실험과 대전의 모 연구소 소재 통신관로에서의 현장 검증실험을 통해 상용화 가능성이 확인돼 큰 주목받고 있다. 또한, 정확한 좌표-손상위치 매핑 가능성 타진을 통한 지중관로 유지관리 효율화 가능성을 제시했다는 점도 눈여겨 볼만하다.
지중관로 위치파악 로봇시스템 기대효과
사회기반시설물에 대한 확충에서 유지관리 단계로 넘어가고 있는 현 시점에서 향후 유지관리에 대한 기술 수요가 급증할 것으로 예상돼 이 과제에서 제시된 기술의 응용을 통해 스마트한 유지관리 기술 조기 확보가 가능할 것으로 보인다. 이와 함께, 지중관로의 정확한 위치좌표에 대한 국가적 차원의 DB 구축으로 홍수, 태풍 등 국가적 피해 상황 발생 시 신속한 조치판단 자료로 활용 가능하다.
특히, 각종 원인으로 인해 설계·시공 위치에서 이탈한 지중관로의 위치를 정확히 관리할 수 있어 각종 굴착공사 시 발생하는 관로 손상을 미연에 방지해 건설과 유지관리 기술의 선진화와 함께 국민 정서 안정에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대되며, 부정확한 위치 정보에 기인한 굴착공사 시 관로 손상으로 발생하는 경제적 손실액을 절감시킬 수 있을 것으로 전망된다.
