교량 내부 진단 시스템{System for Inspecting Inside of Bridge}

본 발명은 교량 내부 진단 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 피에스씨 박스거더 (Prestressed Concrete Box Girder) 교량 또는 SBG(Steel Box Girder) 교량 등 500m이상의 긴 교량에 있어서, 교량 외부에 대한 진단뿐만 아니라 교량의 효과적인 검사를 위해서는 교량 내부에 대한 진단도 반드시 필요하다.

상기 교량 내부로 접근할 수 있는 출입구는 교량의 양끝 단에만 위치하고 있으며, 교량의 양 끝단 사이에는 외부로 통하는 출입구가 거의 없기 때문에 기존의 검사자의 육안 검사 방법으로 교량 내부 진단을 수행하는 것은 많은 시간이 소요되고, 밀폐된 공간에서 작업하는 특성상 작업자의 안전을 위협할 수 있다. 또한 육안으로만 검사가 수행되기 때문에 검사 결과의 신뢰성도 낮다.

그래서 상기 교량 내부를 이동하는 이동체를 사용하는 특허문헌의 기술이 제안되어 있고, 이 문헌의 기술은 로봇이 교량 내부에 연속적으로 설치된 레일 위로 이동하며 장착된 카메라를 사용해 교량 내부의 균열지점을 촬영하도록 하고 있다.

그러나 특허문헌에서는 레일 위의 로봇에서만 촬영하기 때문에 레일 위에서 시야가 닿지 않는 부분은 촬영할 수가 없다는 문제가 있다.

또한, 특허문헌에서는 레일 위로 로봇이 이동하기 때문에 로봇의 균형을 위해 두 줄의 고중량 레일을 교량 내에 설치해야 하므로 설치비용이 증가하는 문제가 있다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 무인 시스템으로 교량 내부의 모든 부위를 촬영하여 교량 내부 진단의 신뢰성 향상시킬 수 있는 교량 내부 진단 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 교량 내부 진단 시스템은 교량 내부를 비행하며, 상기 교량 내부를 촬영하는 무인항공기 및 상기 무인항공기의 이착륙부가 구비되고 상기 교량 내부를 이동하며, 상기 무인항공기에 전력을 공급하는 이동충전스테이션을 포함한다.

또한, 상기 무인항공기는 상기 교량 내부에서 상기 무인항공기의 각 위치와 각 자세를 인지하는 항법모듈과, 상기 교량 내부를 촬영하여 촬영 데이터를 생성하는 영상/열화상 촬영모듈과, 상기 영상/열화상 촬영모듈의 촬영 데이터를 입력받는 데이터 수신모듈 및 상기 항법모듈에서 인지된 데이터에 따라 상기 무인항공기의 위치를 계산하여 상기 무인항공기의 비행 및 이착륙을 제어하고, 상기 영상/열화상 촬영모듈의 촬영을 제어하는 자동비행제어모듈을 포함할 수 있다.

또한, 상기 이동충전스테이션은 상기 교량 내부에 설치된 하나의 레일을 따라 이동하는 레일 이동형 로봇일 수 있다.

또한, 상기 레일 이동형 로봇은 상기 하나의 레일을 따라 회전하는 이동체 및 상기 이동체를 통하여 이동하는 로봇 본체를 포함할 수 있다.

또한, 상기 레일 이동형 로봇은 상기 이동체인 회전하는 두 개의 바퀴를 상기 레일 위에 위치시키고, 상기 로봇 본체를 상기 레일 아래에 위치시켜 이동할 수 있다.

또한, 상기 로봇 본체는 상기 무인항공기의 이착륙지인 이착륙부 및 상기 무인항공기에 전력을 충전하고 상기 바퀴의 회전을 제어하는 동작부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 교량 내부는 복수의 박스거더가 설치되어 이루어질 수 있다.

또한, 상기 로봇 본체는 상기 박스거더간 이동시 상기 무인항공기를 수송할 수 있다.

또한, 상기 이동충전스테이션은 상기 박스거더 내 또는 상기 박스거더간에 연결되어 설치된 레일을 따라 이동할 수 있다.

본 발명의 교량 내부 진단 시스템은 교량 내부 진단용 무인항공기와 상기 무인항공기의 전원을 충전하기 위한 레일 이동형 로봇을 포함함으로써, 교량 내부의 모든 부위를 촬영하여 교량 내부 진단의 신뢰성 향상 및 진단 시스템의 경제성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 교량의 박스거더를 나타낸 사시도,
도 2는 실시 예에 따른 교량 내부 진단 시스템을 도시한 개략도,
도 3은 도 1의 무인항공기를 개략적으로 나타낸 블록구성도,
도 4는 도 1의 레일 이동형 로봇을 도시한 개략도,
도 5는 도 4의 레일 이동형 로봇의 동작부를 나타낸 블록도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1은 교량의 박스거더를 나타낸 사시도이다. 실시 예에 따른 교량 내부 진단 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 교량용 박스거더(box girder)(10)가 서로 연결되어 이루어진 교량의 내부를 진단하기 위한 시스템이다. 여기서, 상기 박스거더(10)는 외부에 가해지는 외압 및 진동을 흡수하기 위한 것으로서, 그 상측에 교량 슬레이브(100)가 설치된다. 또한, 도시하지는 않았지만 지면에 지지 되어 고정된 다수개의 교각 상측 면에 결합 고정된다. 그리고 상기 각 박스거더(10)의 양 측면에는 박스거더(10) 서로 간의 연결을 위하여 다이아프램(30)이 설치된다. 이때, 상기 다이아프램(30)은 중앙 공동(空洞)(예를 들어, 약 500mm × 500mm)(50)이 포함되도록 형상된다.

도 2는 실시 예에 따른 교량 내부 진단 시스템을 도시한 개략도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 실시 예에 따른 교량 내부 진단 시스템은 박스거더(10) 내부를 진단하기 위해서 무인항공기(11) 및 이동충전스테이션을 포함한다. 여기서, 상기 박스거더(10) 내부에는 복수의 진단센서(A)가 부착된다. 그리고 상기 이동충전스테이션은 박스거더(10) 내부를 이동하며 무인항공기(11)의 이착륙이 가능하고 무인항공기(11)에 전력을 충전하기 위한 장치로써, 예를 들어 다이아프램(30)을 통과하여 박스거더(10) 내에 연결되어 설치된 레일(15)을 따라 이동하는 레일 이동형 로봇(13)일 수 있다. 이때, 상기 레일(15)이 설치될 위치의 다이아프램(30)에 설치된 레일접합부(C)를 통하여 레일(15)은 각 다이아프램(30)을 통과할 수 있다.

이하에서는 상기 무인항공기(11) 및 레일 이동형 로봇(13)에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 도 1의 무인항공기를 개략적으로 나타낸 블록구성도이다. 상기 무인항공기(11)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 무인항공기는 데이터 수신모듈(111), 영상/열화상 촬영모듈(113), 항법모듈(115), 전원모듈(117) 및 자동비행제어모듈(119)을 포함하며, 박스거더(10) 내부를 비행하여 영상/열화상 촬영을 수행하고, 박스거더(10) 내부에 기 설치된 진단센서(A)에 접근하여 축적된 측정 데이터를 수신한다.

여기서, 상기 무인항공기(11)는 박스거더(10) 내부를 비행하여 검사하기에 적합하도록, 좁은 실내에서도 이착륙이 가능하며 정밀한 위치를 따라 비행이 가능 한 무인항공기 예를 들어 쿼드로콥터(Quadrocopter)일 수 있다. 상기 쿼드로콥터는 네 개의 로터를 사용함에 따라 동작원리가 기존의 헬리콥터에 비해 간단하고 제어가 용이하며 그 구조가 간단하다.

상기 데이터 수신모듈(111)은 진단센서(A)의 축적된 측정 데이터를 무선으로 수신하고, 영상/열화상 촬영모듈(113)의 촬영 데이터를 입력받는다.

상기 영상/열화상 촬영모듈(113)은 박스거더(10) 내부를 진단하기 위해서, 박스거더(10) 내부를 촬영하여 촬영 데이터를 생성한다. 여기서, 상기 영상/열화상 촬영모듈(113)은 예를 들어 영상/열화상 카메라일 수 있다.

상기 항법모듈(115)은 박스거더(10) 내부에서 무인항공기(11)의 각 위치와 각 자세 및 충돌위험 장애물을 인지한다. 예를 들어, 상기 항법모듈(115)은 GPS 신호의 수신 불가능한 실내 환경인 경우 무인항공기(11)의 각 위치와 각 자세 및 충돌위험 장애물을 스스로 인지할 수 있다.

상기 전원모듈(117)은 무인항공기(11)의 비행을 위해서 그리고 무인항공기(11)에 포함된 각 내부 모듈의 구동을 위해서 전원을 공급한다. 여기서, 상기 전원모듈(117)은 예를 들어 배터리일 수 있다.

상기 자동비행제어모듈(119)은 데이터 수신모듈(111), 영상/열화상 촬영모듈(113), 항법모듈(115) 및 전원모듈(117)을 포함하여 무인항공기(11)를 총괄적으로 제어한다. 예를 들어, 상기 자동비행제어모듈(119)은 박스거더(10) 내부에서 무인항공기(11)가 스스로의 위치와 자세를 확인할 수 있으며 장애물을 인지하고 비행경로를 판단하여 비행할 수 있도록, 항법모듈(115)에서 인지된 데이터에 따라 무인항공기(11)의 위치를 계산할 수 있다. 또한, 상기 자동비행제어모듈(119)은 박스거더(10) 서로 간의 좁은 연결부를 비행해야 하는 경우인지 또는 전원모듈(117)에 전력을 충전해야 하는 경우인지 등을 판단하여 레일 이동형 로봇(13)에 무인항공기(11)의 이착륙 여부를 제어할 수 있다. 여기서, 상기 무인항공기(11)는 전력 충전, 비행시간 연장 및 중앙 공동(空洞)(50)의 좁은 공간을 안전하고 신속하게 통과하기 위해서 레일 이동형 로봇(13)에 착륙한다.

도 4는 도 1의 레일 이동형 로봇을 도시한 개략도이고, 도 5는 도 4의 레일 이동형 로봇의 동작부를 나타낸 블럭도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 레일 이동형 로봇(13)은 레일(15)에 따라 회전하는 이동체인 바퀴(130) 및 상기 바퀴(130)를 통하여 이동하는 로봇 본체(150)를 포함한다. 여기서, 도 4(a)는 도 1의 레일 이동형 로봇을 나타낸 정면도이고, 도 4(a)는 도 1의 레일 이동형 로봇을 나타낸 측면도이다.

상기 레일 이동형 로봇(13)은 케이블카 방식으로 이동한다. 즉, 상기 레일 이동형 로봇(13)은 회전하는 두 개의 바퀴(130)를 레일(15) 위에 두고 로봇 본체(150)는 레일(15) 아래에 위치시켜 무게 중심을 아래에 두어 균형을 유지하며 이동한다.

상기 두 개의 바퀴(130)에는 도시하지는 않았지만 회전속도 제어가 가능한 모터 및 엔코더가 장착되어 원하는 속도 및 위치로 이동할 수 있다.

상기 로봇 본체(150)는 이착륙부(151) 및 동작부(153)를 포함하여, 무인항공기(11)와 도킹할 수 있고, 무인항공기(11)의 전원모듈(117)에 전력을 충전할 수 있으며, 무인항공기(11)를 수송하여 박스거더(10) 간을 이동할 수 있다.

상기 이착륙부(151)는 무인항공기(11)의 하단과 대응면을 갖는 이착륙지로써, 무인항공기(11)의 이착륙이 가능하다.

상기 동작부(153)는 도 5에 도시된 바와 같이, 커넥터모듈(1531) 및 제어모듈(1533)을 포함한다.

상기 커넥터모듈(1531)은 무인항공기(11)에 도킹하여 전력을 충전한다. 이때, 상기 도킹 시에는 무인항공기(11)의 추력을 정지할 수 있다. 또한 무인항공기를 탑재한 채로 레일을 따라 이동할 수 있으므로 검사가 필요치 않은 박스거더(10)에서는 비행에 따른 전력 손실을 줄일 수 있다. 여기서, 상기 커넥터모듈은 무인항공기(11)의 전원모듈(117)에 전력을 충전하기 위하여 예를 들어 도 4에 도시된 고용량 배터리(b)를 포함할 수 있다.

상기 제어모듈(1533)은 바퀴(130)의 회전, 이착륙부(151) 및 동작부(153)를 포함하여 레일 이동형 로봇(13)을 총괄적으로 제어한다. 예를 들어, 상기 제어모듈(1533)은 상기 엔코더를 통하여 바퀴(130)의 회전을 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어모듈(1533)은 무인항공기(11)에 전력을 충전하도록 커넥터모듈(1531)을 제어할 수 있다. 이때, 상기 무인항공기(11)가 이착륙부(151)에 고정되어 있는 동안 무인항공기(11)에 전력을 충전하기 때문에, 무인항공기(11)가 이착륙부(151)에서 이륙 되기 전까지는 무인항공기(11)의 전력 소비를 방지하게 되어 무인항공기(11)의 비행시간을 연장할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 제어모듈(1533)은 상기 충전이 끝난 후 무인항공기(11)가 이륙하기에 적합한 추력과 주위환경을 가질 경우에만 무인항공기(11)를 이륙시키도록 이착륙부(151)를 제어할 수 있다. 그리고 상기 제어모듈(1533)은 무인항공기(11)의 이착륙시 이착륙부(151)가 기울지 않고 수평을 유지하도록 제어할 수 있다.

이하, 실시 예에 따른 교량 내부 진단 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 이착륙부(151)에 무인항공기(11)가 착륙 된 레일 이동형 로봇(13)이 박스거더(10) 내로 이동하면, 상기 무인항공기(11)는 제어모듈(1533)의 제어를 받는 이착륙부(151)로부터 이륙하여 박스거더(10) 내부를 비행하며, 영상/열화상 촬영을 수행하고, 박스거더(10) 내부에 기 설치된 진단센서(A)에 접근하여 축적된 측정 데이터를 수신한다.

그리고 상기 무인항공기(11)는 교량 박스(10) 내부를 비행하는 중에 자동비행제어모듈(119)의 제어를 받아 박스거더(10) 서로 간의 좁은 연결부를 비행해야 하는 경우이거나 전원모듈(117)에 전력을 충전해야 하는 경우일 때, 레일 이동형 로봇(13)의 이착륙부(151)에 착륙한다.

상기 이착륙부(151)에 무인항공기(11)가 착륙한 후, 레일 이동형 로봇(13)은 제어모듈(1533)의 제어를 받아 무인항공기(11)의 전원모듈(117)에 전력을 충전하고, 무인항공기(11)가 이륙하기에 적합한 추력과 주위환경을 가질 경우에만 무인항공기(11)를 이륙시킨다.

상기 이착륙부(151)로부터 이륙한 무인항공기(11)는 다시 박스거더(10) 내부를 비행하며, 영상/열화상 촬영을 수행하고, 박스거더(10) 내부에 기 설치된 진단센서(A)에 접근하여 축적된 측정 데이터를 수신한다. 여기서, 상술한 작용은 진단대상인 박스거더(10) 전 구간에 걸쳐 반복된다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 실시 예에 따른 교량 내부 진단 시스템은 교량 내부 진단용 무인항공기와 상기 무인항공기의 전원을 충전하기 위한 레일 이동형 로봇을 포함함으로써, 교량 내부의 모든 부위를 촬영하여 효과적으로 교량 내부를 진단할 수 있다.

또한, 실시 예에 따른 교량 내부 진단 시스템은 무인항공기를 이용하여 교량 내부의 모든 부위를 촬영하기 때문에, 효과적으로 교량 내부를 진단할 수 있어 교량 내부 진단의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 실시 예에 따른 교량 내부 진단 시스템은 무인항공기를 이용하여 교량 내부의 모든 부위를 촬영하기 때문에, 적은 시간으로 교량 내부를 진단할 수 있어 문제 발생시 빠른 조치가 가능할 수 있다.

또한, 실시 예에 따른 교량 내부 진단 시스템은 하나의 레일을 통하여 이동하는 레일 이동형 로봇을 포함하기 때문에, 복수의 레일을 이용한 진단 시스템보다 저렴한 비용으로 교량의 내부를 진단할 수 있어 진단 시스템의 경제성을 향상시킬 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변경이나 변형 및 치환이 가능하다.

10: 박스거더 11: 무인항공기
13: 레일 이동형 로봇 15: 레일
30: 다이아프램 50: 중앙 공동
100: 교량 슬레이브 111: 데이터 수신모듈
113: 영상/열화상 촬영모듈 115: 항법모듈
117: 전원모듈 119: 자동비행제어모듈
130: 바퀴 150: 로봇 본체
151: 이착륙부 153: 동작부
1531: 커넥터모듈 1533: 제어모듈