As the era of COVID-19 and the 4th industrial revolution progresses, people's interest in virtual reality is increasing day by day. Accordingly, the importance of metaverse (ie, virtual world platform) technology as a core technology for digitalization is increasing, and the scope of its application is expanding with the development of various technologies. Modeling becomes increasingly important for precise implementation with the real world, which is important for understanding dynamic characteristics. Dynamic characteristics of a system can be identified through the modal analysis. The modal analysis is the method of the dynamic properties of structures under vibrational excitation. The modal analysis system can be applied to a variety of applications and ways, depending on the sensor that measures vibration. Recently, there have been many studies in the field of the non-contact measurement technique. Among them, vision-based vibration measurement has the great advantage that the displacement response of a whole point, not a point or a line, can be measured at one time. However, the measurement using a camera has a problem in that the sampling rate is insufficient as compared with the conventional contact type sensor. The sampling rate is determined by the limited frame rate of the camera hardware, and modes above the Nyquist frequency cannot be measured according to Nyquist theorem. Therefore, in this research, we propose a phase axis-based vibration measurement method instead of the conventional time axis-based vibration measurement method using time-phase transformation. In order to apply the proposed method, among the various excitation methods used in the modal analysis, we utilize the excitation method of changing the single excitation frequency stepwise. The single-frequency excitation method has a feature that a response frequency equal to the frequency of the excitation signal when the response of the excited system reaches a steady state. Using this feature together with time-to-phase transformation, we can perform modal analysis on the hyper-Nyquist frequency range that was previously impossible to measure. To implement the proposed method in hardware, we used a FPGA board which is widely used in various fields. Internal logic of FPGA board can be designed in parallel, making it suitable for time critical systems. In this modal testing system, all signals are acquired using phase-based event triggering of excitation signals. And it can be used with any image processing that extracts displacement from vision information. The image processing technique for extracting displacement information from the acquired image has high accuracy and uses the commonly used DIC technology. Using the implemented vision-based modal analysis system, the trigger method and system were verified through a modal testing experiment on a thin cantilever beam made of aluminum that was applied with step excitation that sequentially changes a single frequency. However, the step excitation method is a method used for precision modal testing and has a disadvantage in that it takes a long time as a method of measuring vibration through a single frequency excitation in a frequency region of interest. Therefore, the results were confirmed by using the system proposed and constructed in this study for modal analysis using a very slow swept sine excitation that can satisfy the quasi-steady-state response. Furthermore, the effectiveness of the new measurement technique and device was verified by comparing the measurement results with the commonly used accelerometer and LDV sensor. Finally, a sensitivity analysis was performed to determine the effect of the jitter on the phase synchronization technique in this study during device implementation and measurement experiments. Based on the sensitivity analysis results, when the experimenter conducts a measurement experiment using this technique and system, the measurement frequency limit according to the jitter level and tolerance level is organized and presented.
코로나 19와 4차 산업혁명 시대가 진행되면서 가상 현실에 대한 사람들의 관심이 나날이 증가하고 있다. 이에 따라 디지털화의 핵심기술로 메타버스, 즉 가상세계 플랫폼 기술의 중요성이 제고되고 있으며 다양한 기술이 개발되면서 그 적용 범위가 확대되고 있다. 점점 실제 세상과의 정밀한 구현을 위해 모델링이 중요해지며 이는 동역학적 특성을 파악하는데 그 중요성이 있다. 이러한 시스템의 동역학적 특성은 모드해석을 통해 알 수 있다. 모드해석은 시스템의 동적 특성을 알아보는 방법으로 모드해석 시스템은 가진 하의 물체의 진동을 측정하는 센서에 따라 다양한 응용 및 방법이 가능하다. 다양한 측정 기술 중에서도 카메라 비전 정보를 이용한 3차원 진동 측정 방법은 한 점이나 선이 아닌 면 전체의 변위 응답을 한번에 측정할 수 있으며, 가격적인 측면에서도 비 접촉식 측정 방법 중 하나인 레이저 장비를 이용한 방법과 비교할 때 큰 이점을 갖는다. 하지만 가속도계와 같은 일반적으로 많이 사용되는 접촉식 센서와 대표적인 비 접촉식 센서인 레이저 장비와 비교할 때 진동 측정을 위한 샘플링 레이트가 현저히 부족하다는 단점이 있다. 카메라 기반의 측정 방법은 카메라 자체의 하드웨어 성능인 최대 프레임 레이트에 따라 측정가능한 최대 주파수가 결정되게 되는데 나이키스트 이론에 따라 나이키스트 주파수 이상의 고차 모드는 카메라를 이용하여 측정할 수 없다. 모드해석을 위한 실험 단계에서 시스템을 강제 가진 시키기 위한 입력 신호는 실험자가 인위적으로 선택하여 인가해 줄 수 있으며, 단일 주파수 신호 입력, 랜덤 신호 입력, 스윕 신호 입력 등의 방법이 있다. 본 연구에서는 강제 가진 된 시스템의 응답 신호가 정상 상태에 도달하면 입력 가진 신호의 주파수와 동일한 응답 주파수를 갖는 특징을 활용하여 카메라 비전 기반의 측정법의 한계를 극복하고자 한다. 정확히 알고 있는 가진 입력신호를 변환하여 카메라의 외부 트리거링 신호로써 활용한다면 한정된 샘플링 레이트 하에서 나이키스트 주파수 이상의 고차 모드 진동 측정이 가능하다. 따라서, 본 연구에서는 비전 기반의 모드해석을 위하여 카메라를 이용하여 시스템의 진동을 측정할 때 카메라에 인가해주는 외부 트리거링 신호를 생성하는 방법을 제시하고, FPGA 개발용 보드를 활용하여 가진 입력신호를 기반으로 카메라 이미지 습득을 위한 트리거링 신호를 생성하는 장치를 구현하였다. 습득한 이미지로부터 변위 정보를 추출하기 위한 이미지처리 기법은 정확도가 높고 보편적으로 많이 사용되고 있는 디지털 화상 상관법 기술을 사용하였다. 구현한 비전 기반의 모드해석 시스템을 사용하여 단일주파수를 순차적으로 변화시키는 디지털 스텝 사인 가진 방법을 이용해 알루미늄 재질의 얇은 캔틸레버 보 대하여 모드해석 실험 검증을 수행하였다. 다만 디지털 스텝 사인 가진 방법은 정밀한 모드해석을 위해서 사용되는 방법으로써, 관심 주파수 영역에 대해 순차적인 단일 주파수 가진을 이용해 진동을 측정하는 방식으로써 긴 시간이 소요되는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서 제안하고 구축한 시스템을 준 정상상태 응답을 만족할 수 있는 매우 느린 스윕 사인 가진에 적용하여 이러한 시간 효율성 문제를 개선하고자 하였으며, 적절한 주파수 변화율을 선정하여 실험적으로 스윕 사인 가진 방법을 적용한 모드해석이 가능함을 확인하였다. 이 때, 기존의 일반적으로 흔히 사용되는 가속도계 센서, LDV 센서와의 측정 결과 비교를 수행함으로써 새로운 측정 기법과 장치에 대한 효용성을 검증하였다. 마지막으로 본 연구에서의 위상 동기화 기법이 실제 장치구현 및 계측 실험 시 존재하는 지터에 의한 영향을 파악하고자 민감도 분석을 수행하였다. 민감도 분석 결과를 토대로 실험자가 본 기법 및 시스템을 사용한 계측 실험을 수행할 때, 지터 수준과 허용 오차 수준에 따른 측정 주파수 한계에 대해 정리하고 제시하였다.
