R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201717CTAP-C114630-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 드론을 이용한 암반사면경사의 오차범위 3도미만의 안정성평가 측정장비 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2016-06-24 ~ 2018-06-23 | |||||
| 연구책임자 | 이현철 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
10명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 50,000,000 원 기업 : 17,000,000 원 계 : 67,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 100,000,000 원 기업 : 34,000,000 원 계 : 134,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 주식회사 구주엔지니어링 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○ 우리나라의 지질특성상 산지가 약 70% 이기에 도로나 터널 등의 공사현장에서는 암반을 발견할 수 있다. 그러나 이 암반에서는 불연속면(암반에 나타나는 모든 연약면을 총칭함)을 포함한다. ○ 불연속면의 주향(성층면과 수평면의 교선의 방향을 말하며, 이 방향을 북을 기준으로 하여 나타냄)과 경 사(성층면이 주향선과 직각을 이루며 수평면과 이루는 각이 최대인 각을 나타냄)를 알기 위하여 종래에 는 클리노미터(Clinometer), 브란트컴파스 (Brunton compass), 클리노컴파스(Clino-compass) 등을 작업 자가 직접 암반의 절리면에 갖다 대고 측정을 한다. 이 경우에는 넓은 면적으로 이루어지는 도로사면이 나 터널에 있어서 주향과 경사의 측량에 시간이 많이 걸리며, 대절토 사면이나 위험구간에서는 작업자의 접근이 불가능하므로 주향과 경사의 측량이 어렵다. ○ 클리노미터는 야외 및 현장에서 지질조사 및 관련 산업계에서 여러 노두에 발달된 지질구조(층리, 엽리, 습곡,절리 및 단층 등)의 측정에 있어 필수 불가결한 휴대용 장비에 속한다. ○ 종래의 클리노미터 장치를 이용하여 지층면의 주향과 경사를 측정하는 경우, 주향을 측정하는 동작과 경사를 측정하는 동작을 분리하여 수행하여야 했다. 주향을 측정하는 동작과 경사를 측정하는 동작을 분리하여 수행하는 경우, 지층면의 주향과 경사를 측정하는 과정에서 측정 동작에 의한 오차가 발생하는 문제가 있었다. ○ 암반내에 포함되어 있는 불연속면의 방향과 강도 특성에 좌우된다. 특히, 암반 내 방향과 사면 방향의 상대적 위치는 암반사면의 불안정성에 중요한 영향을 준다. ○ 작업자의 사고방지에 대한 대책을 수립하는데 많은 시간과 비용이 발생한다는 문제점이 있으며, 또한 대책수립의 지연으로 인하여 사고발생을 전혀 예방할 수 없다는 문제점이 있다. ○ 암반사면에 대한 안정해석은 먼저 현장지질조사에서 얻은 불연속면의 주향과 경사 (또는 경사방향과 경사)를 측정 및 분석하여 평사투영법(Stereographic Projection Method)에 의해 붕괴가능 사면을 판단한 후 위험지역에 대해 불연속대 및 예상파괴 범위를 선정하여 한계평형해석법에 의한 붕괴 가능성 및 안전율을 구하는 방법으로 수행한다. 일반적으로 사면의 파괴형태는 원형파괴 (Circular Failure), 평면파괴 (Plane Failure), 쐐기파괴 (Wedge Failure) 및 전도파괴 (Topping Failure)가 있다. ○ 암반사면의 안정성 해석을 위해서는 암반사면의 경사방향 및 경사각의 측정이 필요하며 현재는 다수의 인원이 제한된 암반사면의 조사면적으로서 암반사면의 경사방향 및 경사각을 측정하여 안정성해석을 수행하고 있는 실정으로서 암반사면의 신뢰성이 높은 안정해석을 위해서는 암반사면의 전체면적에 대한 조사가 필요하며 이를 위해서 드론을 이용하여 암반사면 안정해석을 위한 기초자료획득 시스템을 개발할 필요가 있다. ○ 일반적으로 무인비행체는 사람이 타지 않고 무선전파의 유도에 의해서 비행하는 비행기나 헬리콥터 모양의 비행체로서 드론(drone)이라고도 한다. 드론의 활용목적에 따라 다양한 크기와 성능을 가진 비행체들이 다양 하게 개발되고 있는데 대형 비행체의 군사용 뿐만 아니라, 초소형 드론도 활발하게 개발 연구되고 있다. 또 한 개인의 취미활동으로 개발되어 상품화된 것도 많이 있다. 정글이나 오지, 화산지역, 자연재해지역, 원자 력 발전소 사고지역 등 인간이 접근할 수 없는 지역에 드론을 투입하여 운용한다. 드론의 구성요소는 크게 8가지 정도로 구분할 수 있다. 드론의 뼈대가 되어줄 프레임과 배터리를 이용하여 동력을 만드는 모터, 드론을 떠오르게 하는 프로펠러, 모터의 회전속력을 정밀하게 조절해줄 전 자변속기, 자이로, 지자계 등의 센서들을 탑재하여 기체가 수평비행 할 수 있도록 해주는 비행제어유닛, 무선조종기가 송신한 무선신호를 받아 비행제어유닛에 전달해줄 무선 수신기, 드론을 원격조종하는 무선조종기, 드론을 작동시키기 위한 배터리로 구분할 수 있다. [최종목표] 드론을 이용하여 조사시 기존 절리 조사법의 단점인 지형적 제약의 문제점을 해결할 수 있으며, 조사자의 안전성을 확보하여 조사의 효율성을 극대화할 수 있다고 판단된다. 또한 측정된 자료는 컴퓨터 파일로 남아있기 때문에 사면보강공사 후에도 조사된 자료로 체계적인 사면관리가 가능하고, 사면 붕괴가 발생하였을 때 신속하고 정확한 대안을 강구하는 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 암반사면의 안정성을 해석하기 위해 드론에 클리노미터를 설치하여 암반사면에 접촉하여 클리노미터를 무인조정을 통해서 암반사면의 경사방향 및 경사각을 측정하므로서 암반사면 안정성해석의 기초자료를 제공하는 데 그 목적이 있다. [연구내용 및 범위] ○ 드론에 클리노미터를 장착할 수 있는 연결부 설계 및 제작 클리노미터를 드론의 기체하부에 결합하기 위한 고정부재를 마련하되, 연결부재 및 고정부재에는 상기 연결부재를 90도 이내의 범위로 회전시킬 때 서로 맞물리는 돌기 및 홈을 구비하여 흔들림 없이 견고한 고정이 이뤄지고 또한 간편하게 분리할 수 있는 고정장치를 설계 및 제작한다. ○ 클리노미터가 암반사면에 밀착되도록 하는 힌지 연결부 설계 및 제작 클리노미터가 암반사면에 완전히 밀착되도록 카메라를 이용하여 반복적인 미세조정을 통해서 클리노미터가 고정되게 하는 힌지 연결부를 만든다. ○ 클리노미터 측정 시 결과값을 촬영하는 카메라 카메라를 이용하여 클리노미터의 결과값을 촬영하고, 촬영된 영상을 준비된 모니터를 통해 실시간으로 확인하여 저장한다. ○ 본 연구개발 추진전략 및 방법은 드론과 클리노미터를 결합하는 기술, 드론을 조종하여 클리노미터를 암반에 밀착시키는 기술, 클리노미터를 무인조정으로 측정하는 기술이며, 연구기간은 2년으로서 1차년도에는 시작품을 제작하고 2차년도에는 시작품을 실험 및 검증하며, 연구자는 암반사면 안정해석관련업무 및 암반사면의 유지관리업무를 수행하여 연구수행에 필요한 기술적인 소양을 갖추었다고 판단되며, 암반사면의 유지관리관련자료를 용이하게 확보할 수 있으며 암반사면의 안정해석, 드론의 조종기술, 클리노미터의 측량등을 종합적으로 파악 및 운영한다. ○ 세부적인 방법은 1단계 AHRS센서를 장착한 사진기를 이용하여 사진촬영은 거치대를 활용하여 외부의 영향이 없도록 한다. 2단계 목표지점인 암반사면에 카메라를 확인하여 반복적인 미세조정을 통하여 클리노미터를 거치한다. 3단계 클리노미터로부터 측정한 암반사면의 경사방향 및 경사각을 카메라로 촬영한다. 4단계 카메라 촬영을 통해 얻어진 3차원좌표 및 암반사면의 경사방향 및 경사각을 준비된 모니터를 통해서 확인 및 검증한다. ○ 1차 연도의 개발목표는 드론과 클리노미터의 세부도면 및 결합도면을 작성하고 클리노미터를 드론에 장착한 시제품을 제작하여 암반사면조사용 장비를 개발한다. 개발 내용 및 범위는 1단계 : 드론과 클리노미터의 세부도면 및 결합도면 작성, 2단계 : 클리노미터를 드론에 장착한 시제품 완성도 작성, 단계 : 클리노미터를 장착한 드론의 시제품 제작을 제작한다. ○ 2차 연도의 개발 목표는 클리노미터를 드론에 장착한 시제품의 실험 및 검증을 완료하고 암반사면 측정시스템을 개발한다. 개발 내용 및 범위는 1단계 : 시제품에 대한 실험 및 검증, 2단계 : 실험 및 검증결과를 반영한 암반사면 측정시스템을 개발, 3단계 : 암반사면 측정시스템의 현장적용한다. |
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| 색인어 | 한글 | 드론 | 암반사면 | 절리의 방향성 | 클리노미터 | 안전점검 |
| 영문 | Drone | Rock slope | Joint orientation | Clinometer | Safety inspection | |
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