가속도센서를 이용한 도로비탈면 실시간 센싱 시스템 구현

가속도센서를 이용한 도로비탈면 실시간 센싱 시스템 구현

유 소 월

^*

, 강 동 식

^**

, 배 상 현

^†

*조선대학교 일반대학원, 전산통계학과

**류큐대학교, 정보공학과

†조선대학교, 컴퓨터통계학과

Implementation of Real Time Road Slopes Sensing System using Acceleration Sensor So-Wol Yoo

^*

, Dong-Shik Kang

^**

, Sang-Hyun Bae

^†

*

Department of Computer Science and Statistics, Graduate School of Chosun University, Gwangju, Korea

**

Department of Information Engineering, Ryukyus University, Okinawa, Japan

†

Department of Computer Science and Statistics, Chosun University, Gwangju, Korea

(Received : Feb. 20, 2017, Revised : Mar. 24, 2017, Accepted : Mar. 27, 2017)

Abstract : A real time road slopes sensing system using acceleration sensor implemented in this study is able to sense the slope and risk conditions along expressways and highways in real time, to detect slope collapse and a dangerous situation on the basis of the sensing data, and thereby to notify the sensing system of the state in real time and give a warning to drivers on road to minimize damage. This study produced a sensor unit to detect the slope state along road and a control unit, and designed a photovoltaic unit to supply power in consideration of difficult power supply situation. To evaluate the performance of the implemented system, the sensor unit connected through RS-485 communication line was fixed at an experimental model slope. In the experiment, an impact was imposed on the sensor unit in various motion directions. As a result, the monitoring system displayed a sensor warning message when there was continuous oscillation more than 5 seconds or an inclination of more than 5 degrees, and displayed a rockfall detection message when there was a upper falling rock impact.

Keyword : Slope, Real time, Acceleration sensor, Tilt, RS-485 communication

1. 서 론

1)

우리나라는 산지의 비중이 높아 국토개발이 산지인근 에서 많이 이루어지고 있어 도로 및 철도를 건설시 비 탈면이 불가피하게 존재하고 있다. 산지에서 일어날 수 있는 재해는 산사태나 낙석, 홍수 등 매우 다양하지만 지구온난화로 인한 기후변화의 영향으로 인해 집중호우, 강풍, 폭설 등으로 고속도로 유지 관리시 피해가 지속 되고 있는 실정이다[1]. 2016년 제18호 태풍 ‘차바

†Corresponding Author 성 명 : 배 상 현

소 속 : 조선대학교 컴퓨터통계학과 주 소 : 광주 동구 필문대로 309 조선대학교 전 화 : 062-230-6623

E-mail : shbae@chosun.ac.kr

(CHABA)’의 영향으로 산사태 및 토석류로 인하여 교 통이 차단되고 인명 및 재산 피해가 발생하는 등 사회 적 이슈 및 관심이 급증하였다.

붕괴위험으로 인하여 국가에서 관리중인 고속도로 및 국도 비탈면은 2014년 5월을 기준으로 고속도로 8,240개, 국도 29,850개로 총 38,090개소에 달하고 있다. 고속도로 비탈면 붕괴는 매년 100건 이상 발생하 며 교통량이 많아 점검 등의 유지관리가 어려운 실정이 고, 국도 비탈면 붕괴는 발생건수가 연간 80건 미만으 로 발생하고 있다[2].

이와 같은 산사태나 비탈면 붕괴는 빈번히 발생하는 자연재해․재난이며, 실시간 모니터링을 통해 체계적이 고 지속적으로 관리하여야 할 분야에 해당된다[3]. 이 를 예방하기 위해서는 장기간에 걸쳐 주기적이고 연속 적인 계측 및 예측을 통한 예방이 필요하다[4].

본 논문에서는 유실 가능성이 있는 국도, 고속도로 등의 도로비탈면에 여러 개의 센서 유닛을 설치하고,

센서 유닛에 내장된 가속도센서를 이용하여 도로비탈면 에 기울기가 발생하였는지 실시간으로 센싱하고, 센싱 한 데이터를 기반으로 도로비탈면의 붕괴 및 위험상황 을 감지하는 시스템을 구현하고자 한다.

2. 시스템 구성 및 설계

본 논문에서 구현하고자 하는 도로비탈면 실시간 센 싱 시스템은 도로비탈면 상태를 감지할 수 있는 센서 유닛, 이를 컨트롤 할 수 있는 컨트롤 유닛, 전원공급을 위한 태양광 유닛으로 구성하였다. 그림 1은 제안하는 시스템 구성도이다.

Figure 1. System configuration.

2.1 가속도센서를 이용한 기울기 측정

중력가속도는 x, y, z 벡터의 합으로 나타낼 수 있 다. 이 때의 x, y, z 벡터가 가속도센서의 출력 값이 되는 것이다. 이 x, y, z 세 개의 벡터를 가지고 x축의 기울기 값을 Roll, y축의 기울기 값을 Pitch, z축의 기 울기 값을 Yaw 오일러 각을 구할 수 있다.

Figure 2. Tilt calculation.



_와



값은 각각 x축과 y축의 기울기 값인 Roll과 Pitch를 나타내고,



는 z축의 중력 축에 대한 기울기 값을 나타내는데, 중력가속도 방향과 일치하는 z축에

대한 회전은 감지할 수 없으므로 Yaw는 가속도센서로 부터 계산할 수 없다.

3축 가속도센서를 x축을 중심으로 기울여 바닥과 이루 는 각



는 y 벡터 값과 z 벡터 값, Arctan를 이용하여 추출하였다. 이러한 원리를 적용하면 아래 식 (1)과 (2) 와 같이 Roll과 Pitch를 구할 수 있다. 본 논문에서는 Roll과 Pitch값을 이용하여 경사각 측정을 진행하였다.



  arctan  ^ 

 

⁽¹⁾



  arctan  ^ 

 

⁽²⁾

가속도센서의 각 축은 다음 그림 3과 같다. 센서는 x, y, z의 좌표에 대해서 각각에 해당하는 값을 배열로 받아 처리할 수 있게 되어있다.

Figure 3. The axis of acceleration sensor.

2.2 측정값 보정

Figure 4. slope calculation.

센서 유닛으로부터 받은 값을 이용하여 기울기를 계 산하려면, 고정된 상태에서 6개의 측정데이터(x high, x low, y high, y low, z high, z low)가 필요하다.

축 별로 high, low 방향을 일치시킨 상태에서 측정데 이터를 얻는다. 6개의 측정데이터 벡터에 대응하는 정 지상태의 중력가속도 벡터를 1:1로 대응시켜 최소 자승 법 식을 세운다. 12개의 파라미터 값을 얻으면 그 값을 통해 측정된 raw data를 가공해 보정된 측정값 ADXL_X, ADXL_Y, ADXL_Z를 얻는다. 이렇게 보정 된 측정값은 각도로 변환하여 사용할 수 있다.

2.3 센서 유닛

센서 유닛은 데이터를 수집하는 센서, 센싱된 데이터 를 처리하는 프로세서, 그리고 수집된 데이터를 전송하 는 통신모듈로 구성된다. 그림 5는 최적 설계를 수행하 여 제작한 PCB와 센서 유닛이다.

Figure 5. Sensor unit.

3축 가속도센서가 내장되어 있으며 센서 네트워크 시스템에 적용할 수 있도록 설계하였고, 본 논문에서 제안하는 시스템은 바깥에 노출되어 있으므로 날씨 등 의 영향을 받을 수 있어 센서 유닛을 무선이 아닌 유선 으로 연결하여 통신이 가능하게 하였다.

컨트롤 유닛과 센서 유닛이 정상 작동을 하면 센서 유닛에서 가속도센서 값을 받는다. 배열로 받은 x high, x low, y high, y low, z high, z low 값을 상위 8bit와 하위 8bit를 합쳐서 보정하여 ADXL_X, ADXL_Y, ADXL_Z에 저장한다.

Figure 6. The code that stores the measured values.

그림 6은 보정된 측정값을 저장하는 프로그램 코드 이다. 이렇게 보정된 측정값은 각도로 변환하여 사용한 다. 센서 유닛의 가속도센서를 통해 도로비탈면의 상태

를 실시간으로 센싱하고, 일정한 주기로 ADXL_X, ADXL_Y, ADXL_Z 값을 컨트롤 유닛에 전송하도록 하였다.

2.4 컨트롤 유닛

센서 노드의 계측 데이터를 수집·처리하고 가공된 데 이터를 최종 서버로 전송하는 게이트웨이는 센서 유닛 의 데이터를 수신하는 RS-485 베이스스테이션, 베이스 스테이션과의 RS-485통신을 통해 데이터를 축적 및 가공하여 최종 서버로 전송하는 Host PC로 구성하였 다. 그림 7은 최적 설계를 수행하여 제작한 PCB와 컨 트롤 유닛이다.

Figure 7. Control unit.

RS-485 통신은 마스터가 하나인 1:N 또는 마스터 가 복수인 N:N 통신 둘 다 가능하며, 하나 이상의 마 스터 장치에서 32대까지의 슬레이브 장치를 컨트롤 할 수 있고, 노이즈에 다소 취약하지만 유니트 로드가 낮 게 설계된 RS-485 IC에 따라서는 최대 128개까지도 확장이 가능하다[4]. 그림 8은 RS-485통신의 구성도 이다.

Figure 8. RS-485 communication configuration.

본 논문에서 제안한 도로비탈면 실시간 센싱 시스템 은 한 개의 컨트롤 유닛과 다수개의 센서 유닛을 485통 신으로 연결하고, RS485 통신을 통해서 10Mbit/s의 속도로 최대 10km까지 유선 통신이 가능하게 하였다.

센서 유닛으로부터 받아드린 센서 값이 초기 값이면 ADXL_X, ADXL_Y, ADXL_Z에 저장하고 새로운 센 서값을 받는다. 새로 받은 센서 값을 받아드리면 기존 에 저장된 센서 값을 OLD_ADXL_X, OLD_ADXL_Y,

OLD_ADXL_Z에 저장하고, 새로운 센서 값은 ADXL_X, ADXL_Y, ADXL_Z에 저장한다. 초기 값이 아니면 새 로 측정하여 저장한 ADXL_X, ADXL_Y, ADXL_Z의 값과 이전에 측정하여 저장한 OLD_ADXL_X, OLD_ADXL_Y, OLD_ADXL_Z의 값을 비교한다. 그 림 9는 기울기 값을 비교하는 코드이다.

Figure 9. The code comparing the tilt.

ADXL_X, ADXL_Y, ADXL_Z의 값과 이전에 측정 하여 저장한 OLD_ADXL_X, OLD_ADXL_Y, OLD_ADXL_Z의 값을 비교하여 다른 값을 받아 드렸 을 때, ADXL_X, ADXL_Y, ADXL_Z에 저장된 값을 가지고 식(1)과 식(2)를 이용하여 x축의 기울기 값 Roll, y축의 기울기 값 Pitch를 계산한다. z축의 기울 기 값은 측정할 수 없으므로 Yaw는 제외한다. 그림 10은 기울기 계산하는 프로그램 코드이다.

Figure 10. The code that calculates the tilt.

사면에 경고 또는 이상이 있을 때 컨트롤 유닛의 8- 세그먼트를 통해 확인 가능하도록 하였다. 세그먼트 모 듈은 그림 11과 같이 구성되어 있다.

Figure 11. Segment module PCB.

8-세그먼트는 총 3개로 되어있으며, 첫 번째 세그먼 트에는 센서 유닛의 상태를 알 수 있는 알파벳을 표시 하고, 두 번째, 세 번째 세그먼트에는 센서 유닛의 개수 혹은 번호(숫자)를 표시해 준다.

2.5 태양광유닛

센서 유닛은 배터리에 의해 작동되므로 영구적으로 사용할 수 없다는 제한사항이 있다. 또한 도로비탈면에 전원을 공급하기 어려움을 고려하여 태양광유닛을 설계 하였다. 태양광 유닛은 태양열 판, 컨트롤러, 배터리 그 리고 인버터로 구성된다. 그림 12와 같이 솔라 패널의 경사각을 수평면으로부터 30도 정도로 맞추었으며, 남 향에 설치하고 태양광 판에 그림자가 생기지 않도록 하 였다.

Figure 12. Solar unit.

3. 시스템 구현 및 성능평가 3.1 실험모형

본 논문에서 제안한 시스템을 실험하기 위해 그림 13과 같이 실험모형을 구성하였다. 실험모형에 사면은 화강풍화토를 사용하였으며, 일반적으로 알려진 흙의 불균질 특성 및 수리전도도 등은 고려하지 않고 단지 균질한 사면으로만 실험 조건을 고려하였다. 사면 높이 는 사면의 선단부로부터 70cm 높이를 가지며 사면 폭 은 100cm로 일정하게 제작하였다. 사면의 경사각은 35°가 되도록 하였으며, 이는 비교적 낮은 사면에서 파 괴가 발생되는 자연 흙사면의 경사를 대표하는 것을 알 려져 있기 때문에 실험 조건으로 적용하였다[5].

Figure 13 Experimental model configuration.

실험에 사용한 센서 유닛은 6개이다. 다수개의 센서 유닛을 사용하기 때문에 각 센서 유닛의 switch에 번호 가 중복되지 않도록 그림 14와 같이 ID를 설정한다.

Figure 14. Control-Sensor unit id setting.

6개의 센서 유닛을 사용하므로 1번부터 6번까지 순 서대로 설정한다. 컨트롤 유닛의 switch에는 사용하는 센서 유닛의 개수 6을 설정한다. ID 설정 후에 그림 15와 같이 485 통신선으로 연결한다.

Figure 15. Control-Sensor unit linked RS485.

컨트롤 유닛과 1번 센서 유닛과 485 통신선으로 연 결하고, 1번 센서 유닛과 2번 센서 유닛, 2번 센서 유 닛과 3번 센서 유닛, 3번 센서 유닛과 4번 센서 유닛, 4번 센서 유닛과 5번 센서 유닛, 5번 센서 유닛과 6번 센서 유닛을 차례대로 485 통신선으로 연결한다.

유선으로 연결한 센서 유닛을 실험모형 사면에 20cm

깊이로 고정시킨 후, 다양한 운동방향으로 센서 유닛에 충격을 가하는 방식으로 실험을 구성하였다.

3.2 실험결과

본 논문에서 구현한 시스템의 성능평가를 위하여 센 서 유닛의 다양한 운동방향 변화에 따른 x, y, z 축의 기울기 값을 측정하는 실험하였다.

본 논문에서 제안하는 시스템은 도로비탈면의 유실을 조기 감지하여 피해를 줄이는 데 목적이 있으므로 x축 과 y축의 기울기가 30도 이상 발생하는 것은 강한 산 사태나 지진이 심하게 발생한 것으로 보고, 본 실험에 서는 30도 이내에, 진동이 지속적으로 5초 이상 발생하 거나 약 5도 이상 기울기가 발생한 경우 기울기를 측정 하고, 그 이상의 기울기 측정은 제외하였다. 또한, 사면 에 고정시킨 채로 실험을 하였기 때문에 중력가속도 방 향과 일치하는 z축에 대한 회전은 감지할 수 없으므로 z축의 출력 값은 0으로 고정되어 있다.

센서 유닛을 실험모형 사면에 고정시켜 기울어지지 않은 초기 상태로 측정하였을 때, 그림 16과 같이 x, y, z 축의 기울기가 모두 0에 측정되었다.

Figure 16. Tilt change at initial 3-axis.

첫 번째로 x축 단일 방향으로 움직였을 때 x, y, z 축의 기울기 값을 측정하는 실험하였다. x축으로 10~30° 기울기가 발생한 경우 기울기를 측정하였다.

센서 유닛을 x축 방향으로 +10도, +20도, +30도 기운 상태에서 측정하였을 때, 그림 17 (a), (c), (e) 와 같이 x축의 기울기의 변화만 측정되었다. x축만을 고려하여 실험하였으므로 y축의 기울기가 0으로 측정되 었다.반대 –10도, -20도, -30도로 기울였을 때는 그림 17 (b), (d), (f)와 같이 x축의 기울기는 이전 기울기 와 반대로 측정되고, y축의 기울기는 0으로 측정되었다.

(a) x-axis +10° (b) x-axis -10°

(c) x-axis +20° (d) x-axis -20°

(e) x-axis +30° (f) x-axis -30°

Figure 17. Tilt change at x-axis.

두 번째로 y축 단일 방향으로 움직였을 때 x, y, z 축의 기울기 값을 측정하는 실험하였다. y축으로 10~30° 기울기가 발생한 경우 기울기를 측정하였다.

센서 유닛을 y축 방향으로 +10도, +20도, +30도 기운 상태에서 측정하였을 때, 그림 18 (a), (c), (e) 와 같이 x축의 기울기의 변화만 측정되었다. y축만을 고려하여 실험하였으므로 x축의 기울기가 0으로 측정되 었다.반대 –10도, -20도, -30도로 기울였을 때는 그림 18 (b), (d), (f)와 같이 y축의 기울기는 이전 기울기 와 반대로 측정되고, x축의 기울기는 0으로 측정되었다.

(a) y-axis +10° (b) y-axis -10°

(c) y-axis +20° (d) y-axis -20°

(e) y-axis +30° (f) x-axis -30°

Figure 18. Tilt change at y-axis.

도로비탈면 유실이 발생했을 경우 x축, y축 단일 방 향으로만 이동하지 않으므로 x축, y축 각각 다른 각도 를 주어 실험하였다. 센서 유닛을 x축 방향으로 +10 도, y축 방향으로 +10도 기운 상태에서 측정하였을 때, 그림 19와 같이 x축, y축의 기울기의 변화가 측정 되었다.

Figure 19. Tilt change at x-axis +10°, y-axis +10°.

센서 유닛을 x축 방향으로 -15도, y축 방향으로 +20도 기운 상태에서 측정하였을 때, 그림 20과 같이 x축, y축의 기울기의 변화가 측정되었다.

Figure 20. Tilt change at x-axis -15°, y-axis +20°.

센서 유닛을 x축 방향으로 +10도, y축 방향으로 -15도 기운 상태에서 측정하였을 때, 그림 21과 같이 x축, y축의 기울기의 변화가 측정되었다.

Figure 21. Tilt change at x-axis +10°, y-axis +15°.

위의 실험 결과 본 논문에서 구현한 센서 유닛이 다 양한 운동방향에 따른 기울기 변화 시에 정상 작동하고 있음을 알 수 있다. 위와 같이 센서 유닛이 다양한 운 동방향에 따른 기울기 변화가 생겼을 때 컨트롤 유닛의 8-세그먼트를 통해 다음과 같이 확인할 수 있는데, 센 서 유닛에 지속진동 5초 이상 발생하거나 약 5도 이상 기울기가 발생하면 센서 이상 경고를 발생하고, 약한 충격으로 5초 이하의 진동이나 5도 미만의 기울기는 무 시하도록 설계하였다.

(a)Normal (b)Contact failure (c)Tilt change Figure 22. 8-segment state.

센서 유닛이 정상작동 중일 때, 즉 컨트롤 유닛과 데 이터 송수신이 원활하게 되고 있는 상태일 때 첫 번째 세그먼트에 Number의 첫음절 N을 표시하고, 두 번째, 세 번째 세그먼트에는 센서 유닛의 개수를 표시해 준다.

6개의 센서 유닛을 가지고 실험을 하였으므로 6개의 센 서 유닛 모두가 정상작동 중일 때 그림 22 (a)와 같이 N06이라고 표시된다.

센서 유닛과 컨트롤 유닛 간의 데이터 송수신이 불량 상태일 경우, 즉 센서 유닛의 케이블이 결속불량이거나 절단되었거나 단선이 발생한 상태일 경우 첫 번째 세그 먼트에 Fault의 첫음절 F를 표시하고, 두 번째, 세 번 째 세그먼트에는 데이터 송수신 불량상태인 센서 유닛 의 번호를 표시해 준다. 6개의 센서 유닛 중 3번 센서 유닛이 컨트롤 유닛과 데이터 송수신에 문제가 있는 경 우 그림 22 (b)와 같이 F03이라고 표시된다.

센서 유닛이 이상 징후를 감시한 경우, 즉 진동이 지 속적으로 5초 이상 발생하거나 센서 유닛이 약 5도 이 상 기울기가 발생했을 때, 또한 상부 낙석으로 인한 충 격 시 경고가 발생했을 경우에 첫 번째 세그먼트에 Error의 첫음절 E를 표시하고, 두 번째, 세 번째 세그 먼트에는 이상 징후를 감지한 센서 유닛의 번호를 표시 해 준다. 6개의 센서 유닛 중 4번 센서 유닛이 사면의 움직임 감지했을 때 그림 22 (c)와 같이 E04이라고 표 시된다.표 1은 실험을 50회 반복 실시하여 획득한 데이터를 통해 실제 센서 유닛에서 측정한 시간과 컨트롤 유닛에 서 판단한 시간 오차를 나타낸 표이다.

Measuring time

(sec) Judging time (sec) Error

(sec) Tilt change

warning 3 3.2 0.2

Table 1. Control unit judging time.

센서 이상 경고 시 약한 충격으로 5초 이하의 진동 이나 5도 미만의 기울기는 무시하도록 설계하였으므로

측정 시간과 판단 시간의 오차가 평균 0.2초 발생하였 다. 센서 이상 경고 판단 시 실제 센서 유닛에서 측정 시간과 컨트롤 유닛에서 판단시간의 오차가 적게 발생 하여 정확성이 높고 도로비탈면의 유실 변화를 명확히 판단할 수 있을 것으로 보인다. 이와 같이 명확하고 신 속한 판단을 통해 도로비탈면 유실 발생 유무를 빠르게 판단할 수 있으며, 그로 인한 인명 및 물질적 피해를 최소화할 수 있을 것이다.

4. 결 론

본 논문에서 구현한 도로비탈면 실시간 센싱 시스템 은 국도, 고속도로 등의 도로비탈면의 상태 및 위험상 황을 가속도센서를 이용하여 실시간으로 센싱하고, 센 싱한 데이터를 기반으로 기울기 발생 및 위험상황을 감 지하여 피해를 최소화하는 시스템이다.

본 논문에서 구현한 시스템은 센서 유닛에 부착된 가 속도센서를 통해 측정된 x, y, z축의 값을 이용하여 Roll과 Pitch 값을 얻을 수 있었고, 그 기울기를 통해 도로비탈면 유실이 발생함을 측정할 수 있었다. 컨트롤 유닛에는 지속진동이 5초 이상 발생하거나 약 5도 이상 의 기울기가 발생 시 센서 경고(Error) 메세지를 표시 하였다. 또한 센서 유닛의 케이블이 결속불량이거나 절 단되었거나 단선이 발생한 상태에는 연결오류(Fault) 메시지를 표시하였다. 본 논문에서 구현한 시스템에서 가장 중요한 것은 도로비탈면에 유실이 발생했을 때 그 정보를 센서 유닛에서 컨트롤 유닛으로 즉각 전달하는 것이다. 이를 위해서 센서 유닛과 컨트롤 유닛 간에 신 속성과 정확성이 요구된다. 이상 발생 시 센서 유닛에 서 측정 시간과 컨트롤 유닛의 판단 시간 오차가 평균 0.2초가 발생하였다. 비교적 오차가 적게 발생하여 정 확성이 높고 사면의 변화를 명확히 판단할 수 있을 것 으로 보인다.

본 논문에서 실험한 내용을 통하여 가속도센서를 이 용한 도로비탈면 실시간 센싱 시스템은 명확하고 신속 한 판단을 통해 유실 발생 유무를 빠르게 판단할 수 있 으며, 그로 인한 인명피해, 도로피해, 물질적 피해를 최 소화하는데 활용할 수 있을 것으로 보인다.

감 사

이 논문은 2016학년도 조선대학교 학술연구비의 지 원을 받아 연구되었음.

참고문헌

1. Jang Chang-Deok, Jeon Gye-Won “Analysis of domestic and foreign monitoring cases for mountainous disaster damage reduction”, Journar of Disaster Prevention, Vol.18 No.1, 2016.

2. Kwak Sang-Woo, “Improvement of the management system in risk areas with highway landslide”, Thesis, Sungkyunkwan University, 2015.

3. Kim Seung-Hyun, "Study on Behavior Characteristics

and Systematic Maintenance of Road Slopes in Korea"

, Dissertation, Pusan National University, 2013.

4. Yoo So-Wol, “The Design and Implementation of Slope Failure Monitoring System based on Sensor Network”, Dissertation, Chosun University, 2017.

5. Kim Hyun-dong, “A Study on the Practical Limits and Empirical Solution of the RS-485 based Data Communications”, Thesis, Korea Polytechnic University, 2014.

6. Campbell, R. H., 1975, Soil slips, debris flows, and rainstorms in the Santa Monica Mountains and vicinity, Southern California, U.S. Geol. Surv. Prof.

Pap., 851, 51p. Elsen, E.