지상제어기의 가장 중요한 부분은 탐지장비부로 전원을 공급하는 전원 제어부와 탐지 장비부에서 측정되는 센서 및 영상 정보를 PC로 전송하기 위해 Ethernet으로 변환시키기 위한 영상수신부와 통신제어부로 구성된다. 탐사장비를 최대 200 m 깊이까지 운영하기 위해서는 케이블 길이가 200 m 이상되어야 한다. 케이블의 길이가 길어지면 도선 저항이 증가하여 전원 공급시 전류량에 따라 전압 강하현상이 발생하게 된다. 이러한 현상을 최소화 하기 위하여 일반적으로 지상부에서 고전압을 인가해줘서 전류량을 최소화 하고 이에 따른 전압 강하도 최소화 시켜 사용하게 된다. 본 시스템에서는 192V의 전압을 지상에서 인가해 주었다. 탐사장비의 무게를 견디면서 아울러 케이블이 전개 되었을때 케이블자체 무게도 견뎌야 하기 때문에 일반 케이블은 적용이 불가능 하여 보통 인장력이 강한 2중 장복 철선 케이블이 사용된다. 2중 장복 철선 케이블은 2중으로 되어 있는 견인용 강철 와이어 내부에 전선이 내장되어 있는 케이블로서 Rochester사의 A240185 모델이 사용되었다. 영상수신부는 아날로그 비디오 신호인 CVBS 신호를 H.264로 인코딩해서 TCP데이터로 변환해 주는 Vivotek사 VS8100 모델이 사용되었다. 200 m 케이블을 통해 데이터 전송을 위해서는 RS485신호 체계를 사용하였다. 케이블은 케이블릴에 감겨 있으며 모터로 구동하여 상승과 하강 운동을 할 수 있도록 제작되었다. 이 때 케이블 인출된 양을 측정하기 위하여 로터리 엔코더를 적용하여 이동거리를 산출하여 지상제어기를 통해 PC로 전송된다.

탐사장비는 몸통와 헤드로 구성되어 있다. 몸통은 케이블과 연결되는 부분으로써 회전되는 헤드부의 고정축 역할을 한다. 몸통부에는 케이블을 통해 공급되는 고전압 전원을 센서부에서 쓸 수 있는 저전압으로 변환해 주는 전원보드와 RS485통신과 영상 신호를 지상제어기로 전달하는 I/F회로로 구성되어 있다. 헤드부는 모터제어에 의해 360도 회전할 수 있는 구조로 되어 있다. 이러한 회전기능을 구현하기 위해 기어부와 모터 및 모터 제어기로 구성되어 있으며 고정된 몸통부와의 회전하는 센서부를 전기적으로 연결하기 위하여 슬립링이 장착되어 있다. 센서제어기는 내장된 관성센서 데이터와 고속Lidar 측정 결과를 수집하여 지상제어기로 전달하기 위한 패킷을 생성한다. 아울러 PC의 명령에 따라 센서부의 회전 모터를 제어하는 신호를 생성한다. 센서의 자세를 결정하기 위하여 관성센서로서 [Table 1]에 나열한 것과 같이 센서의 Heading정보를 얻기 위하여 Honeywell사의 3축 자기장센서인 HMC5843과 Invensense사의 3축 자이로센서인 ITG-3200이 사용되었다. 그리고 센서의 기울기 정보를 얻기 위한 센서로서 2축 경사센서가 사용되었다. 마지막으로 단면의 형상을 고속으로 스캔하는 Lidar장비로는 Slamtec사의 RPLidar-A3모델이 사용되었다. 최대 25 m까지 측정가능하며 측정속도는 1초에 16K points를 측정한다. 매 측정시마다 측정되는 각도가 다르기 때문에 1도 간격으로 360개의 데이터를 획득하기 위해서는 10회전 이상 필요하다. 센서제어기에서 모든 각도 데이터가 획득되는데 걸리는 시간은 0.5초가 소요되어 실제 획득속도는 초당 2회 데이터가 획득된다. 아울러 필요시 카메라와 조명을 제어하여 원하는 방향의 영상획득도 가능하도록 제작되었다. 실제 구현된 탐사장비를 [Fig. 4]에 나타내었다.

[Fig. 4] 
Fabricated sinkhole scanning system: (a) Entire view and (b) Detail view of head part

대형 싱크홀을 조사하기 위해서는 [Fig. 5]와 같이 싱크홀의 최하단부로 부터 탐사장비를 상승시키면서 측정이 이루어진다. 전동으로 구동되는 케이블 윈치를 일정한 속도로 이동시키면서 일정 깊이 간격마다 데이터를 측정한다. 이때 측정되는 깊이를 D₀, D₁, ⋯, D_m이라고 할 때 m번째 깊이에서 결정된 점들을 P_m(ϕ)라고 하면 ϕ=0, 1, ⋯359로서 Lidar의 측정각도에 해당된다.

[Fig. 5] 
Scanning scenario of massive sinkhole site

[Fig. 6]은 관성센서에서 측정되는 센서값과 고속 Lidar센서의 측정값으로부터 P_m(ϕ)값을 결정하는 과정을 전 과정을 나타내었다. 측정전에 관성센서의 중심값G_Z,bias, I_x,bias, I_y,bias과 보정계수 S_x,mag, S_y,mag, S_z,gyro를 결정하는 과정을 각각 정지상태와 회전운동을 통해서 수행한다. 탐사장비를 측정가능한 최대 심도로 위치 시킨후 상승 이동 시키면서 윈치에 장착된 엔코더에서 측정되는 거리 D_m와 고속 Lidar센서의 측정값 L_m(ϕ)으로 형상을 결정하는 점 P_m(ϕ)을 계산한다. 이때 탐사장비는 케이블 제작시 강선이 2중으로 꼬여서 감겨있는 형태이므로 수직이동하면서 탐사장비 몸체가 계속 회전하게 되어 고속 Lidar센서의 측정 기준값이 회전하게 된다. 이러한 회전양 θ_rot,m을 측정하여 자북을 기준으로 보정하는 회전각 보정과정이 수행된다. 아울러 케이블이 길게 전개되고 싱크홀 내부에서 발생하는 상승기류에 의해 탐사장비가 좌우로 흔들리게 되는데 기울기 센서로부터 측정된 경사각을 바탕으로 중심으로부터 흔들리는 정도 d_xm, d_ym, d_zm를 계산하여 Lidar의 중심점을 보정하는 흔들림 보정과정이 아울러 요구된다. 이처럼 탐사장비의 자세 변동을 반영해야 보다 정확한 형상을 재구성할 수 있다. 회전각 보정 방법에 대해 3.2절에서 자세히 설명하고 흔들림 보정방법은 3.3절에서 설명한다. 마지막으로 3.4절에서는 최종 형상 결정 방법에 대해 자세히 설명한다.

[Fig. 6] 
3D reconstruction algorithm of sinkhole from data measured by IMU and lidar sensors

회전각은 고속 Lidar센서의 기준점이 자북을 기준으로회전된 양을 나타내는 각도이다. 이러한 회전각은 관성센서중 Gyro센서와 자기장센서값을 이용하여 측정된다. [Fig. 7]에 회전각을 결정하는 과정을 나타내었다.

[Fig. 7] 
Algorithm for determining rotation angle: (a) Calibration mode (b) Measurement mode (c) Calculation of rotation angle

Gyro센서와 자기장센서를 통해 회전각을 결정하기 위해서는 탐사전에 보정하는 과정이 선행되어야 한다. 탐사장비가 투입되기전에 도르레를 통해 매달려 있는 완전 정지 상태에서 Gyro센서값을 식 (1)과 같이 중심값 G_z,bias로 사용한다.

[Fig. 7(a)]와 같이 헤드부분을 1회전시키면서 수집된 Gyro센서값을 G_z,0, G_z,1, G_z,2, ⋯ , G_z,N-1라 할 때 Gyro 센서의 회전각을 구할 수 있는 변환값 S_z,gyro는 다음과 같이 식 (2)를 통해 결정할 수 있다.

회전하는 동안 자기장 센서의 x축 y축 값도 같이 측정하면서 각 축 값의 최대, 최소값을 획득한다. 예를 들어 x축의 최소값과 최대값을 결정하면 자기장 센서로부터 회전각을 결정하기 위한 중심값과 변환값은 식 (3)과 (4)와 같이 나타낼 수 있다. 같은 방법으로 y축의 중심값 M_y,bias과 변환값 S_y,mag도 결정할 수 있다.

[Fig. 7(b)]와 같이 측정하면서 회전각은 자북을 기준으로 θ_rot,m로 정의하였다. 우선 자기장센서를 이용해 회전각을 결정하기 위해서는 중심값과 변환값을 적용하여 센서값을 식 (5)를 통해 M_x,m^′, M_y,m^′로 보정하게 된다.

보정된 자기장 센서값을 이용하여 결정된 자기장 회전각 θ_mag,m과 자기장의 세기 M_n은 식 (6)과 (7)에 의해 결정된다.

이 때 Gyro센서로부터 회전각을 결정하는 방법은 식 (8)과 같다. 초기값은 자기장센서에서 결정된 값이 사용되며 단위거리당 회전 변화량을 결정하여 누적된 값이 사용된다.

탐사과정중에 금속이나 자성체 주위를 지나갈 경우 자기장센서의 값은 급변하게 된다. 이러한 급변정도는 자기장 세기가 1보다 커질 때 자기장이 급변했다는 것을 나타내게 된다. 이러한 점을 이용하여 최종 θ_rot,m은 식 (9)와 같이 나타낼 수 있다.

케이블이 전개될수록 탐사장비는 무게추 역할을 하게되어 진자운동을 하게 된다. 특히 싱크홀이 깊이가 100 m이상일 경우 지표면쪽과 지하내부의 온도와 기압이 다르기 때문에 주로 싱크홀 내부에서부터 지표면쪽으로 상승기류가 발생하여 흔들림이 발생한다. 이러한 흔들림은 Lidar 센서 측정값의 중심점 위치가 변경되어 3차원 형상 결정시 오차를 발생시키는 요소가 된다. 이러한 흔들림 정도 dx_m, dy_m는 [Fig. 8]과 같이 경사계를 이용하여 센서장비가 기울어진 정도 θ_x,m, θ_y,m를 통해 결정할 수 있다.

[Fig. 8] 
Algorithm for determining deviation value: (a) Measurement mode (b) Calculation of deviation value

앞절의 Gyro센서와 자기장 센서와 같이 기울기 센서도 탐사전에 정지상태에서 센서 보정을 위한 중심값을 결정해야 한다. 정지상태에서 측정된 x, y축 측정값을 I_x,bias, I_y,bias로 사용한다. 이때 x축 및 y축방향으로 기울어진 각도 θ_x,m, θ_y,m는 식 (10)에 의해 결정된다.

여기에서 I_x,m과 I_y,m은 현 측정값을 의미하고 819는 사용된 경사계 SCA100T-200모델의 고유보정계수 값이다.

앞 절에서 결정된 회전각 θ_rot,m를 이용하여 흔들림에 의한 변화량 ∆dm→는 수직으로 D_m만큼 이동한 탐사장비를 식 (11)과 같이 θ_x,m, θ_y,m, θ_rot,m에 의한 연속적인 회전운동으로 계산할 수 있다.

여기에서

이다.

앞절에서 정의된 회전각 θ_rot,m과 흔들림 정도 ∆dm→을 고려하여 단면을 결정하는 과정은 다음과 같다. [Fig. 9]와 같이 m번째 심도 D_m에서 측정된 데이터를 L_m(ϕ_n)라 할 때 우선 회전각 θ_rot,m를 고려하여 자북을 중심으로 보정된 데이터 L_m^′(ϕ_n^′)를 식 (12)를 통해 결정한다.

[Fig. 9] 
Algorithm for reconstruction of sectional diagram

이때 싱크홀 벽면의 점 P_m(ϕ_n^′)을 식 (13)과 같이 정의할 때 식 (14)를 통해 결정할 수 있다.

일정한 깊이 간격으로 획득되는 단면 점들은 [Fig. 10(a)]와 같이 strip line이 적층된 형태로 구성된다. 이러한 점들점부터 면을 구성하기 위해서는 (b)와 같이 2 단면점들을 3각형 mesh로 만들어 표현하게 되고 (c)와 같이 면을 구성할 수 있다.

[Fig. 10] 
Type of 3D graphic representation: (a) Strip line (b) Mesh (c) Surface