KR101955213B1 - 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수위 계측기에 있어서, 상하로 길다란 형상으로 수면에 수직되게 직립 상향으로 설치되는 목측판 본체(10)와; 상기 목측판 본체(10)의 전방에 돌출 형성되고 수위 감지가 필요한 수위 상한점(L_max)부터 수위 하한점(L_low) 영역에 걸쳐 피촬상용 경사면이 연속되게 경사지게 형성되는 경사형 수위 감지판(20)과; 상기 수위 감지판(20) 및 목측판 본체(10)의 상부에서 상기 피촬상용 경사면의 영상을 촬영하여 영상처리부(40)로 전송하는 카메라(30)와; 상기 수위 감지판(20) 및 목측판 본체(10)의 상부에서 수면을 향해 초음파를 발사하고 반사되는 에코 초음파를 수신하는 초음파 센서(40)와; 상기 카메라(30)에 의해 촬상된 수위 감지판(20)의 영상을 처리하여 수위 감지판(20)의 에지선(E, E1), 및 수중영역(A2)과 공중 영역(A1)이 인접하는 수위선(경계선, C)으로 영상을 단순화, 이진화하는 영상처리부(50)와; 초음파 발사 신호를 생성하여 초음파 센서(40)에 전달하고 초음파 센서(40)에서 수신된 에코 초음파 신호를 증폭하는 초음파 제어회로(60)와; 영상처리부(40)에서 제공되는 상부에지선(E1)과 수위선(경계선, C) 사이의 거리, 공중 면적(A1), 픽셀수를 미리 입력된 수위 감지판 영역 전체의 거리, 전체 면적, 전체 픽셀수와 비교하여 수위를 연산하고, 초음파 센서(40)의 신호를 기초로 하여 수위를 연산하는 중앙처리부(70) 또는 관리서버와; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기에 관한 것이다.

Description

초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기 { Water Level Measurement Device using Ultrasonic sensor and Optic Camera }
본 발명은 초음파 센서 및 영상카메라를 구비한 수위 계측기에 관한 것이다.
공개특허 10-2005-0040899호(초음파 수위계측장치)는 수위측정을 위해 적어도 둘 이상의 서로 다른 주파수로 초음파를 방사하는 송신부; 상기 송신부로부터 방사되어 수면으로부터 반사된 초음파를 수신하는 수신부; 및 위상차에 의한 초음파 신호의 감쇄를 줄이기 위해 송수신되는 초음파를 적어도 둘 이상의 서로 다른 주파수로 변조하는 주파수 조절기를 가지며, 상기 송신부와 상기 수신부의 초음파 송수신을 제어하는 제어부를 포함하는 초음파 수위계측장치를 개시한다.
종래의 초음파 수위계측장치는 장비 가격이 대당 1천만원이 넘는 고가이기 때문에 수위계측지점을 다양하게 가져갈 수가 없고, 초음파 방식의 경우, 밀폐된 탱크가 아닌 오픈공간에 설치되었을 경우, 외부환경에 따라 측정 오차가 크며, 데이터 신뢰성 부분에서 오류가 빈번히 발생하고 있는 문제점이 있었다.
국내의 하천은 이수의 측면에서 인구 증가 및 급격한 도시화로 인한 물 부족 및 수질 오염의 문제를 치수의 측면에서는 이상기후 및 돌발 홍수에 의한 침수, 범람의 문제를 가지고 있으며 풍수해와 관련한 피해액 및 발생건수는 지속적으로 증가 추세에 있다. 과거에는 댐 건설, 제방의 증축 하천의 준설 등 주로 구조적인 대책에 치우쳐져 있었으나 한정된 자원과 각종 환경, 문화적 문제에 직면하여 구조적 대책만으로는 그 한계성을 들어내고 있다. 이런 이유로 근래에 들어서는 급격히 발전하는 IT기술을 활용한 방책이 그 대안으로 제시되고 있다. 최근 수문계측이나 농업용 조수지 저수위 계측을 위한 장비 개발이 많이 추진되어 왔다. 그 결과로 2004년 무전원 초음파 계측기가 개발되어 농업용 저수지 및 시험포장 등에 많이 설치되어 운용되고 있다.
초음파 센서만을 사용하는 경우 수면 파도에 의해 난반사에 의해 감지 오차가 발생하는 문제점이 있고 영상 수위계측의 경우 안개 등 시야 장애가 발생한 경우 감지가 불가능하다는 문제점이 있다.
본 발명의 초음파와 영상 분석을 겸용하여 초음파 센서만을 사용하는 경우 수면 파도에 의해 난반사에 의해 감지 오차가 발생하는 경우 영상 수위 인식으로 보완하고 안개 등 시야 장애가 발생한 경우 초음파 수위 감지를 사용하여 서로의 단점을 보완할 수 있는 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기는, 수위 계측기에 있어서,
상하로 길다란 형상으로 수면에 수직되게 직립 상향으로 설치되는 목측판 본체(10)와;
상기 목측판 본체(10)의 전방에 돌출 형성되고 수위 감지가 필요한 수위 상한점(L_max)부터 수위 하한점(L_low) 영역에 걸쳐 피촬상용 경사면이 연속되게 경사지게 형성되는 경사형 수위 감지판(20)과;
상기 수위 감지판(20) 및 목측판 본체(10)의 상부에서 상기 피촬상용 경사면의 영상을 촬영하여 영상처리부(40)로 전송하는 카메라(30)와;
상기 수위 감지판(20) 및 목측판 본체(10)의 상부에서 수면을 향해 초음파를 발사하고 반사되는 에코 초음파를 수신중하는 초음파 센서(40)와;
상기 카메라(30)에 의해 촬상된 수위 감지판(20)의 영상을 처리하여 수위 감지판(20)의 에지선(E, E1), 및 수중영역(A2)과 공중 영역(A1)이 인접하는 수위선(경계선, C)으로 영상을 단순화, 이진화하는 영상처리부(50)와;
초음파 발사 신호를 생성하여 초음파 센서(40)에 전달하고 초음파 센서(40)에서 수신된 에코 초음파 신호를 증폭하는 초음파 제어회로(60)와;
영상처리부(40)에서 제공되는 상부에지선(E1)과 수위선(경계선, C) 사이의 거리, 공중 면적(A1), 픽셀수를 미리 입력된 수위 감지판 영역 전체의 거리, 전체 면적, 전체 픽셀수와 비교하여 수위를 연산하고, 초음파 센서(40)의 신호를 기초로 하여 수위를 연산하는 중앙처리부(70) 또는 관리서버와;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 경우, 초음파와 영상 분석을 겸용하여 초음파 센서만을 사용하는 경우 수면 파도에 의해 난반사에 의해 감지 오차가 발생하는 경우 영상 수위 인식으로 보완하고 안개 등 시야 장애가 발생한 경우 초음파 수위 감지를 사용하여 서로의 단점을 보완할 수 있는 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기 장치 구성도.
도 2는 본 발명의 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기 전체 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 경사형 수위 감지판 상세도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 경사형 수위 감지판의 맵핑에 의한 영상 인식 개념 설명도.
도 5는 본 발명의 수위 감지판 영상 인식 개념 설명 및 카메라 촬영영역 상세도.
이하에서 본 발명의 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기 장치 구성도, 도 2는 본 발명의 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기 전체 구성도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 경사형 수위 감지판 상세도, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 경사형 수위 감지판의 맵핑에 의한 영상 인식 개념 설명도이고, 도 5는 본 발명의 수위 감지판 영상 인식 개념 설명 및 카메라 촬영영역 상세도이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기는 목측판 본체(10)와 경사형 수위 감지판(20)과 카메라(30)와 초음파 센서(40)와 영상처리부(50)와 초음파 제어회로(60)와 초음파 제어회로(60)를 포함한다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 목측판 본체(10)는 상하로 길다란 형상으로 수면에 수직되게 직립 상향으로 설치된다. 목측판 본체(10)는 본체판(10) 또는 수위 감지판(20)을 고정 파지하는 고정프레임이란 용어로 대체될 수 있다. 육안으로 인식할 수 있는 눈금이 있는 것이 바람직하다. 본체판(10)은 상단에서 다리 또는 난간 쪽으로 수평되게 향하는 지지다리를 구비하는 것이 바람직하다. 도 3과 같이 목측용 눈금은 본체판(10) 또는 수위 감지판(20) 중 하나에 접근자 인식이 용이하게 노출 새겨진다.
도시된 바와 같이, 경사형 수위 감지판(20)은 목측판 본체(10)의 전방에 돌출 형성되고 수위 감지가 필요한 수위 상한점(L_max)부터 수위 하한점(L_low) 영역에 걸쳐 피촬상용 경사면이 연속되게 경사지게 형성된다. 도 3과 같이 하나의 판에 수위 감지판(20) 부위를 단턱지게 돌출시켜 형성할 수 있다. 카메라(30)는 수위 감지판(20) 및 목측판 본체(10)의 상부에서 상기 피촬상용 경사면의 영상을 촬영하여 영상처리부(40)로 전송한다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기에서, 초음파 센서(40)는 수위 감지판(20) 및 목측판 본체(10)의 상부에서 수면을 향해 초음파를 발사하고 반사되는 에코 초음파를 수신한다. 영상처리부(50)는 카메라(30)에 의해 촬상된 수위 감지판(20)의 영상을 처리하여 수위 감지판(20)의 에지선(E, E1), 및 수중영역(A2)과 공중 영역(A1)이 인접하는 수위선(경계선, C)으로 영상을 단순화, 이진화한다.
초음파 제어회로(60)는 초음파 발사 신호를 생성하여 초음파 센서(40)에 전달하고 초음파 센서(40)에서 수신된 에코 초음파 신호를 증폭한다. 증폭된 초음파 에코신호는 중앙처리부(70) 또는 관리서버로 전달된다.
중앙처리부(70) 또는 관리서버는 영상처리부(40)에서 제공되는 상부에지선(E1)과 수위선(경계선, C) 사이의 거리, 공중 면적(A1), 픽셀수를 미리 입력된 수위 감지판 영역 전체의 거리, 전체 면적, 전체 픽셀수와 비교하여 수위를 연산하고, 초음파 센서(40)의 신호를 기초로 하여 수위를 연산한다.
Figure 112016107748435-pat00001
Figure 112016107748435-pat00002
도시된 바와 같이, 본 발명의 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기에서, 카메라(30)는 팬틸팅 또는 2자유도 회전 수단을 구비하여 임의의 방향을 촬상할 수 있으며, 조사용 광학 조명(LED)를 구비한다. 카메라(30)는 상시에 상기 사형 수위 감지판(20)을 조향 촬상하지만, 중앙처리부(70) 또는 관리서버의 지령에 의해 지정되는 임의의 방향을 조행 촬상하여 비상시 주변 상황 모니터링이 가능하게 된다.
도시된 바와 같이, 목측판 본체(10)과 수위 감지판(20)은 조립식으로 구성되어 일체화 되거나 처음부터 일체로 성형되고, 카메라(30)는 목측판 본체(10)의 상부에서 하향 수직으로 상기 수위 감지판(20)을 촬영하여, 목측판 본체(10) 상단과 카메라(30) 사이의 설치 거리를 최소화하는 것이 바람직하다.
도 3(a, b)에 도시된 바와 같이, 수위 감지판(20)의 피촬상용 경사면(20a)과 수면이 이루는 각도(각도a)는 50 ~ 80도 인 것이 바람직하다. 각도가 너무 큰 경우 촬영역이 작아져 해상도가 떨어지고 각도가 너무 작으면 수위 감지판(20)의 폭이 너무 커져 물의 흐름 저항이 커지는 문제가 있다.
도시된 바와 같이, 영상처리부(40)는 상기 카메라(30)에 의해 촬상된 수위 감지판(20)의 영상프레임의 인접하는 픽셀 값들의 명암값 또는 칼라데이터의 차이가 일정 범위 이상인 경우에 수위 감지판(20)의 에지영역(E, E1) 또는 수중영역(A2)과 공중 영역(A1)이 인접하는 수위선(경계선, C)으로 처리한다. 밤 안개 또는 화상 인식이 용이하도록 상기 수위 감지판(20)의 피촬상용 경사면(20a)에 야광물질, UV 발광물질이 코팅되고, 카메라(30)는 적외선 카메라 인 것이 바람직하다.
영상처리부(50)와 중앙처리부(70)는 제어박스 내에 구성될 수 있다. 또는 영상 데이터는 제어박스에 내장된 송신 수단에 의해 관리컴퓨터로 전송되어 관리컴퓨터 / 관리 서버의 영상처리부와 중앙처리부에 의해 처리될 수 있다. 장치를 가동하는 제어박스의 전원은 태양광발전장치(80)에 의해 전원을 공급받는다.
본 발명은 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명됐지만, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위에 의하여 정하여지는 것으로 본 발명과 균등 범위에 속하는 다양한 수정 및 변형을 포함할 것이다.
아래의 특허청구범위에 기재된 도면부호는 단순히 발명의 이해를 보조하기 위한 것으로 권리범위의 해석에 영향을 미치지 아니함을 밝히며 기재된 도면부호에 의해 권리범위가 좁게 해석되어서는 안될 것이다.
10 : 목측판 본체
20 : 경사형 수위 감지판
30 : 카메라
40 : 초음파 센서
50 : 영상처리부
60 : 초음파 제어회로
70 : 중앙처리부
80 : 태양광발전장치

Claims (6)

  1. 수위 계측기에 있어서,
    상하로 길다란 형상으로 수면에 수직되게 직립 상향으로 설치되는 목측판 본체(10)와;
    상기 목측판 본체(10)의 전방에 돌출 형성되고 수위 감지가 필요한 수위 상한점(L_max)부터 수위 하한점(L_low) 영역에 걸쳐 피촬상용 경사면이 연속되게 경사지게 형성되는 경사형 수위 감지판(20)과;
    상기 수위 감지판(20) 및 목측판 본체(10)의 상부에서 상기 피촬상용 경사면의 영상을 촬영하여 영상처리부(40)로 전송하는 카메라(30)와;
    상기 수위 감지판(20) 및 목측판 본체(10)의 상부에서 수면을 향해 초음파를 발사하고 반사되는 에코 초음파를 수신하는 초음파 센서(40)와;
    상기 카메라(30)에 의해 촬상된 수위 감지판(20)의 영상을 처리하여 수위 감지판(20)의 에지선(E, E1), 및 수중영역(A2)과 공중 영역(A1)이 인접하는 수위선(경계선, C)으로 영상을 단순화, 이진화하는 영상처리부(50)와;
    초음파 발사 신호를 생성하여 초음파 센서(40)에 전달하고 초음파 센서(40)에서 수신된 에코 초음파 신호를 증폭하는 초음파 제어회로(60)와;
    영상처리부(40)에서 제공되는 상부에지선(E1)과 수위선(경계선, C) 사이의 거리, 공중 면적(A1), 픽셀수를 미리 입력된 수위 감지판 영역 전체의 거리, 전체 면적, 전체 픽셀수와 비교하여 수위를 연산하고, 초음파 센서(40)의 신호를 기초로 하여 수위를 연산하는 중앙처리부(70) 또는 관리서버;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카메라(30)는 팬틸팅 또는 2자유도 회전 수단을 구비하여 임의의 방향을 촬상할 수 있으며, 조사용 광학 조명(LED)를 구비하며,
    상기 카메라(30)는 상시에 상기 경사형 수위 감지판(20)을 조향 촬상하지만,
    중앙처리부(70) 또는 관리서버의 지령에 의해 지정되는 임의의 방향을 조행 촬상하여 비상시 주변 상황 모니터링이 가능하게 되는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 목측판 본체(10)과 수위 감지판(20)은 조립식으로 구성되어 일체화 되거나 처음부터 일체로 성형되고,

    상기 카메라(30)는 목측판 본체(10)의 상부에서 하향 수직으로 상기 수위 감지판(20)을 촬영하여, 목측판 본체(10) 상단과 카메라(30) 사이의 설치 거리를 최소화하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수위 감지판(20)의 피촬상용 경사면(20a)과 수면이 이루는 각도(각도a)는 50 ~ 80도 인 것을 특징으로 하는 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 영상처리부(40)는 상기 카메라(30)에 의해 촬상된 수위 감지판(20)의 영상프레임의 인접하는 픽셀 값들의 명암값 또는 칼라데이터의 차이가 일정 범위 이상인 경우에 수위 감지판(20)의 에지영역(E, E1) 또는 수중영역(A2)과 공중 영역(A1)이 인접하는 수위선(경계선, C)으로 처리하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기.
  6. 제1항에 있어서,
    밤 안개 또는 화상 인식이 용이하도록 상기 수위 감지판(20)의 피촬상용 경사면(20a)에 야광물질, UV 발광물질이 코팅되고,

    상기 카메라(30)는 적외선 카메라 인 것을 특징으로 하는 초음파 센서 및 영상 분석 겸용 수위 계측기.
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