Over the past several decades, structural health monitoring(SHM) have been emerging as one of important research fields for assessing structural performance, safety and integrity. However, the displacement measurement which is one of important factor for estimating the condition of the structures was not popular due to inaccessibility of the civil infrastructures and high installation cost. In this thesis, a paired structured light system for measuring the direct displacement of large scale structures is presented. The proposed system incorporates a cheap camera, lasers and a screen and it can directly measure the relative displacement between any two selectable locations. Various simulations and experiments are performed to show the feasibility of the system. These simulations and experimental results validate that the proposed paired structured light system has the potential of leading cost-effective and robust displacement measurement system for large structures such as long-span bridges or high-rise buildings.
본 연구는 거대 교량이나 고층 건물과 같이 규모가 큰 구조물의 처짐을 측정하기 위하여 영상 기반의 변위 측정 시스템을 고안하고 이를 이용하여 6자유도 변위 값을 예측하는 것에 관한 연구이다. 레이저, 카메라 그리고 스크린이 한 모듈로 구성되었으며, 두 모듈이 한 시스템을 이루는 방식이다.
두 모듈 사이의 변위를 예측하기 위하여 변환 행렬식을 바탕으로 기구학 방정식을 바탕으로 기구학 방정식을 도출하였으며 검출된 레이저 포인터의 위치 정보를 바탕으로 Newton-Raphson 혹은 EKF 기법을 사용하여 변위 값을 계산하였다. 또한 다양한 시뮬레이션 및 실험을 통하여 고안한 시스템으로의 확장 가능성에 대해서 살펴 보았다. 첫 번째 실험에서는 정적 변위 값을 임의로 설정하고 예측 값과 비교함으로써 시스템의 정확도를 살펴보았다. 이때, Newton-Raphson 과 EKF 기법을 사용하면서 각 기법에 따른 예측 정확도를 NRMSE 와 CORR을 통해 비교하였으며 두 기법 모두 작은오차 범위 내에서 정확하게 변위가 예측됨을 확인할 수 있었다. 나머지 실험에서는 시스템이 실제 실외 대형 구조물에 적용가능한지 여부를 살펴보기 위하여 실내 50m 거리와 비교적 영상처리가 어려운 실외 환경에서 동적 변위 예측 실험을 수행하였다.
본 연구로부터 레이저와 비컨 쌍을 이용한 비전 시스템이 구조물의 처짐을 직접적으로 계산하는데 사용될 수 있다는 가능성을 증명하였으며 제안한 시스템은 향후 대규모 구조물의 변위 측정에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
