KR101063673B1 - 관성센서를 이용한 굴진경로 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지하 터널 또는 관로 굴착작업에서 반복적인 정보수집을 통해 보다 정확한 터널링 장비의 굴진경로를 측정하는 굴진경로 수집장치에 관한 것으로서, 터널링 장비가 굴착한 터널 내에 설치되며, 그 일단이 상기 터널링 장비에 결합되고, 그 타단이 지상에 노출되는 연결 호스; 및 상기 연결 호스의 내부에 삽입된 상태에서 외부 공기의 주입에 의해 상기 연결 호스의 내부를 따라 이동되고, 지상에서 회수가 가능하도록 회수용 줄이 결합되며, 시간에 따른 위치정보를 파악하는 관성센서가 내장된 정보 수집기를 포함하되, 상기 정보 수집기는, 직경이 점차적으로 커지는 나팔관 형상의 공기 저항부가 일측에 형성된 하우징을 포함한다. 따라서, 본 발명의 굴진경로 측정장치는 터널링 장비의 굴진경로 정보를 연결 호스(30)의 내에서 정보 수집기(10)가 반복적으로 이동 측정함으로써, 터널링 장비의 실제 굴진경로에 근접한 데이터 정보를 파악할 수 있다. 이로 인해, 터널링 장비는 상기 굴진경로에 대한 데이터 정보를 토대로 목표 굴진경로를 따라 용이하게 수정 제어될 수 있는 장점이 있다.

Description

관성센서를 이용한 굴진경로 측정장치{Tunneling Route Information Measurer for Using Inertia Sensor}
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 관성센서를 이용한 굴진경로 측정장치를 나타낸 개략도이고,
도 2는 도 1에 도시된 굴진경로 측정장치에서 굴진경로 수집기의 내부를 투영하여 나타낸 사시도이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
10 : 정보 수집기 13 : 관성센서
14 : A/D 컨버터(converter) 15 : 메모리
20 : 회수용 줄 30 : 연결 호스
40 : 완충재
본 발명은 지하 터널 또는 관로 굴착작업에서 터널링 장비의 굴진경로를 파악하는 굴진경로 측정장치에 관한 것이며, 특히, 관성센서가 설치된 정보 수집기를 지상에서 회수 가능하게 구성함으로써, 반복적인 정보수집을 통해 보다 정확한 굴 진경로를 측정하는 관성센서를 이용한 굴진경로 측정장치에 관한 것이다.
최근 급격하게 발전되는 사회를 살펴보면, 초고속 정보통신망을 비롯하여 상하수도, 전기, 가스 시설 등의 사회 기반설비의 수요가 폭발적으로 증가하는 추세에 있다. 이렇게 새로 구축되는 사회 기반설비들은 지상에 기존의 설비들이 복잡하게 밀집되어 있기 때문에, 마이크로 터널링 장비인 터널링 장비를 이용한 비개착공법이 도심의 환경, 교통 등을 고려하여 지하 터널 또는 관로 굴착작업에 일반적으로 사용되고 있다.
마이크로 터널링 장비는 터널의 설계된 목표경로를 따라 굴진하도록 구성된다. 하지만, 마이크로 터널링 장비는 목표경로로 추진하는 과정에서 오차가 발생되는데, 그 주요한 원인으로는 연약지반에서의 굴착시 수십톤에 달하는 자체 중량으로 인해 장비가 침하되거나, 성질이 다른 두 토질이 만나는 지층을 굴착할 경우에 두 지층의 토압차에 의해 굴진 방향이 상하 또는 좌우로 변경됨으로써 발생된다. 이 밖에도, 마이크로 터널링 장비는 굴착을 담당하는 면판부의 회전에 의한 롤링(Rolling) 현상 및, 기계적 구조상의 비대칭 요인에 의해서도 그 굴진방향이 변경된다.
이와 같은 원인들에 의해, 마이크로 터널링 장비는 목표경로와 다르게 굴진하게 되고, 목표경로의 최종 도착점인 도달구에 안착되지 못하기도 하며, 이로 인해 공사비용은 대폭적으로 증대되는 문제점이 있다. 따라서, 지하 터널 또는 관로의 굴착작업에서는 마이크로 터널링 장비가 목표경로를 따라 진행 제어되도록, 실제 굴진경로가 정확하게 파악되어야 한다.
그 일예로 비개착 공법에 의한 굴착작업에는 작업자가 시각적인 판단을 할 수 없는 지하에서 실시되는 이유로 인해, 터널링 장비에 그 위치를 파악할 수 있는 자이로 센서 또는 전자파 발신기가 부착 설치된다.
즉, 자이로 센서를 이용하는 굴진경로 측정장치는 마이크로 터널링 장비의 내부에 일체로 부착되어, 마이크로 터널링 장비의 굴진에 따른 위치정보를 수집한다. 하지만, 마이크로 터널링 장비는 추진력없이 유압잭에 의해 밀려서 추진되는 형식으로 자체 속도가 느리기 때문에, 굴진경로 측정장치의 자이로 센서는 기기 자체의 특성상 시간에 따른 직진 가속도와 회전 각속도에 큰 차이가 없다. 이로 인해, 굴진경로 측정장치의 자이로 센서는 굴진경로에 대한 정보가 정확하게 측정되지 못하는 문제점이 있다.
또한, 전자파 발신기를 이용한 굴진경로 측정장치는 마이크로 터널링 장비의 굴진에 따른 그 위치정보를 지상의 전파 수신기로 송출하도록 구성된다. 하지만, 전자파 발신기를 이용한 굴진경로 측정장치는 전자파가 난반사되는 지반을 통과하는 경우에 그 위치정보가 정확하게 전달되지 않으며, 굴착 심도가 깊어지는 경우에 지상의 수신기에 전자파가 더욱 도달되지 못하는 문제점이 있다.
이 외에도 굴진경로 측정장치는 자이로 센서 또는 전자파 발신기가 이용되는 경우에 마이크로 터널링 장비와 일체로 거동되기 때문에, 한번 지나간 굴진경로를 다시 측정할 수 없는 문제점이 있다. 이로 인해, 종래의 굴진경로 측정장치는 측정여건에 따라서 실제 굴진경로와 큰 오차가 있는 데이터 정보가 측정될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 터널링 장비가 굴착한 터널 내에 연결 호스가 설치되고, 상기 연결 호스의 내부에 위치정보를 수집하는 정보 수집기가 삽입되어, 상기 정보 수집기가 압축공기의 주입에 따라 이동되면서 터널링 장비의 굴진경로가 측정되고, 상기 정보 수집기가 회수용 줄에 의해 지상으로 회수조치됨으로써, 반복적인 굴진경로의 측정이 가능해져서 실제 굴진경로에 근접한 위치정보를 파악할 수 있는 관성센서를 이용한 굴진경로 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 굴진경로 측정장치는, 터널링 장비가 굴착한 터널 내에 설치되며, 그 일단이 상기 터널링 장비에 결합되고, 그 타단이 지상에 노출되는 연결 호스; 및 상기 연결 호스의 내부에 삽입된 상태에서 외부 공기의 주입에 의해 상기 연결 호스의 내부를 따라 이동되고, 지상에서 회수가 가능하도록 회수용 줄이 결합되며, 시간에 따른 위치정보를 파악하는 관성센서가 내장된 정보 수집기를 포함하되, 상기 정보 수집기는, 직경이 점차적으로 커지는 나팔관 형상의 공기 저항부가 일측에 형성된 하우징을 포함한다.
아래에서는 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 굴진경로 측정장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 관성센서를 이용한 굴진경로 측정장치를 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 굴진경로 측정장치에서 굴진경로 수집기의 내부를 투영하여 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 굴진경로 측정장치는 터널링 장비가 굴착한 터널 내에 연결 호스(30)가 설치되고, 상기 연결 호스(30)의 내부에 위치정보를 수집하는 정보 수집기(10)가 삽입되어, 상기 정보 수집기(10)가 압축공기의 주입에 따라 연결 호스(30) 내에서 이동되면서 터널링 장비의 굴진경로가 측정된다. 그리고, 본 발명은 상기 정보 수집기(10)가 회수용 줄(20)에 의해 지상으로 회수조치됨으로써, 반복적으로 굴진경로의 측정이 가능해져서, 실제 굴진경로에 근접한 위치정보가 파악된다.
이와 같은 본 발명의 굴진경로 측정장치에 대해 보다 자세하게 살펴보면, 정보 수집기(10)는 외관을 형성하는 하우징(11)의 내부공간에 굴진경로를 파악하기 위한 구성요소가 설치된다. 정보 수집기(10)의 하우징(11)은 공기의 저항이 최소화되도록 유선 타원체로 형성되며, 이동 중에 과도하게 흔들리거나 회전되지 않도록 그 무게 중심이 하부측에 위치하게 형성된다. 또한, 하우징(11)에는 그 직경이 점차적으로 커지는 나팔관 형상의 공기 저항부(12)가 유선 타원체의 일측에 연결 형성된다. 그러면, 정보 수집기(10)의 전진시에는 공기 저항부(12)가 공기의 흐름을 방해하지 않지만, 정보 수집기(10)의 후방에서 압축공기가 공급되는 경우에는 공기 저항부(12)에 공기가 부딪치면서 압축공기에 의해 정보 수집기(10)가 이동된다.
그리고, 정보 수집기(10)에는 굴진경로를 파악하기 위한 관성센서(13)가 내장된다. 관성센서(13)는 멤스(MEMS)기술로 제작되는 소형 3축 자이로 가속도 센서로서, 하우징(11)의 부피 중심에 설치된다. 그러면, 관성센서(13)는 매 순간마다 3축에 각각 해당되는 가속도와 회전 각속도의 각 센서값들을 측정한다.
상기 관성센서(13)에서 측정된 6개의 센서값들은 회로기판(17)에 부착된 A/D 컨버터(14)에서 디지털 신호값들로 각각 변환되며, 회로기판(17)에 형성된 시간 설정기의 시간에 따라 디지털 신호값들이 메모리(15)에 저장 축적된다. 이 때, 정보 수집기(10)의 내부 구성요소는 회로기판(17)에 설치된 수은전지와 같은 배터리(16)에 의해 전원을 공급받게 된다. 즉, 정보 수집기(10)에는 시간에 따른 위치정보가 축적됨으로써, 터널링 장비의 굴진경로가 측정된다.
또한, 상기와 같이 구성된 정보 수집기(10)는 터널링 장비의 굴진경로를 따라 이동될 수 있도록, 터널링 장비와 지상을 연결하는 연결 호스(30)의 내부에 삽입되는데, 연결 호스(30)는 그 내부 직경이 정보 수집기(10)의 하우징(11)보다 약간 크게 형성된다. 이런 연결 호스(30)는 터널링 장비가 굴착한 터널의 벽면에 위치하며, 터널링 장비의 굴진에 따라 그 길이가 연장되게 구성된다. 그리고, 연결 호스(30)의 일측단에는 완충재(40)가 부착되는데, 완충재(40)는 정보 수집기(10)의 충돌에 따른 충격을 완화하도록 충격흡수 소재로 제작되며, 연결 호스(30)로 주입된 공기가 외부로 유출되도록 기포구멍이 형성된다. 그리고, 연결 호스(30)의 타측단에는 공기 압축기(도시생략)가 연결되어, 연결 호스(30)의 내로 압축공기가 주입된다.
또한, 상기 정보 수집기(10)는 공기 저항부(12)의 중심부에 회수용 줄(20)의 일단이 일체로 결합되며, 회수용 줄(20)은 지상에서 정보 수집기(10)가 회수되도록 그 타단이 지상에 노출된다.
아래에서는 본 발명의 굴진경로 측정장치를 이용한 터널링 장비의 굴진경로 측정방법에 대해 설명하겠다.
먼저, 완충재(40)는 터널링 장비에 부착되며, 완충재(40)에 연결된 연결 호스(30)는 터널 내의 벽면에 접하면서 터널링 장비의 굴진에 따라 점차적으로 이동되게 설치된다.
그런 다음에 작업자는 상기 정보 수집기(10)를 연결 호스(30)의 내부로 삽입하고, 공기 압축기를 연결하여 연결 호스(30)의 내부로 압축공기를 주입한다. 그러면, 정보 수집기(10)는 압축공기에 밀려서 연결 호스(30)를 따라 이동하는데, 이 때 정보 수집기(10)는 관성센서(11)가 3축에 각각 해당되는 가속도와 회전 각속도의 센서값을 측정하고, 이런 측정된 센서값을 시간에 따른 데이터 정보로 변환하여 메모리(15)에 저장한다.
그리고, 작업자는 정보 수집기(10)가 완충재(40)에 도달된 경우에 터널링 장비의 굴진경로 상의 위치정보가 축적된 상태임으로, 정보 수집기(10)를 회수용 줄(20)로 잡아 당겨짐으로써 지상으로 회수한다. 이 때, 정보 수집기(10)의 메모리(15)에 축적된 데이터 정보는 시간에 대한 6개의 센서값들이 수치 이중적분 방식에 의해 계산된 것으로서, 시간에 대한 정보 수집기(10)의 자세와 위치가 파악될 수 있다.
그리고, 본 발명의 굴진경로 측정장치를 이용한 굴진경로 측정방법은 상기 과정을 반복적으로 실행하여, 터널링 장비의 굴진경로에 대한 많은 데이터 정보를 축적한다. 이와 같은 방법에 의해 터널링 장비의 실제 굴진경로에 근접한 데이터 정보가 파악될 수 있으며, 이런 굴진경로에 대한 데이터 정보를 토대로 터널링 장비가 목표 굴진경로로 수정 제어될 수 있다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 굴진경로 측정장치는 터널링 장비의 굴진경로 정보를 정보 수집기가 반복적으로 측정함으로써, 터널링 장비의 실제 굴진경로에 근접한 데이터 정보가 파악되어, 터널링 장비가 목표 굴진경로로 용이하게 제어될 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 관성센서를 이용한 굴진경로 측정장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (6)

  1. 지하 터널 또는 관로 굴착작업을 실시하는 터널링 장비의 굴진경로를 측정하는 굴진경로 측정장치로서,
    상기 터널링 장비가 굴착한 터널 내에 설치되며, 그 일단이 상기 터널링 장비에 결합되고, 그 타단이 지상에 노출되는 연결 호스; 및
    상기 연결 호스의 내부에 삽입된 상태에서 외부 공기의 주입에 의해 상기 연결 호스의 내부를 따라 이동되고, 지상에서 회수가 가능하도록 회수용 줄이 결합되며, 시간에 따른 위치정보를 파악하는 관성센서가 내장된 정보 수집기를 포함하되,
    상기 정보 수집기는,
    직경이 점차적으로 커지는 나팔관 형상의 공기 저항부가 일측에 형성된 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 굴진경로 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결 호스에는 상기 터널링 장비에 결합되는 일단측에 외부 충격을 흡수하면서 공기가 통과될 수 있는 소재의 완충재가 설치되는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 굴진경로 측정장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연결 호스에는 지상에 노출되는 타단측에 압축공기를 주입하는 공기 압축기가 연결되는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 굴진경로 측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 정보 수집기에는 상기 관성센서에서 측정된 3축에 각각 해당되는 가속도와 회전 각속도의 센서값을 디지털 신호들로 변환하는 A/D 컨버터와, 상기 변환된 디지털 신호값을 시간에 따른 위치정보로 저장하는 메모리가 각각 내장되는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 굴진경로 측정장치.
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KR101695648B1 (ko) * 2016-05-09 2017-01-12 성보전설 주식회사 길이가 다른 각각의 측정장비를 이용하여 전력관로의 내경을 측정하는 측정방법

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