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레이저 레이더형 적설센서의 원리와 실용화 실험
Development of snow cover sensor using laser radar
 

자료집필/저작권자: 국제테크노정보연구소/후쿠이현건설기술연구소

동절기 노면을 관리하는데 있어서, 도로에 설치된 해설(解雪) 설비의 제어에는 강설센서가 흔히 사용되고 있다. 이 센서는 구조가 간단하고 저가격이라고 하는 특징이 있지만, 쓰레기 등의 오류검출에 의한 오작동도 많아서, 지하수 보전이나 에너지 절약 등의 관점에서 필요없는 작동이 문제가 되고 있다. 본고에서는 후쿠이현 건설기술연구소에서 자동차용 부품으로 개발된 레이저 레이더를 이용하여 노면의 적설상태를 검지하는 새로운 수법의 적설센서 시스템에 대하여 그 기술자료를 인용하여 소개한다.

 

서론

폭설이 심한 선진국의 고속도로나 주요 간선도로 곳곳에는 해설(解雪), 노면 살수 등을 위한 해설장치가 설치되어 있는 경우가 많은데, 이들은 강설센서 또는 적설센서중 어느 것인가에 의해 자동제어가 실시되고 있다.
강설센서는 눈이 내리고 있는 상태를 감지하여 장치를 동작시키는 것이지만, 실제로는 노면의 지열을 고려하지 않기 때문에 적설의 유무에 관계없이 동작하는 경우가 있으며, 또 강설 종료후에도 잔설을 고려하여 동작시간을 길게 설정하므로, 이 강설센서에 의한 동작제어는 무용한 경우가 많아서, 지하수 낭비 등, 환경문제로 이어지기 쉽다.
한편, 노면의 적설 유무를 판정하는 적설센서는 이와 같은 손실은 적지만, 현재 도로 해설장치에 사용할 수 있는 적설센서는 강설센서에 비해 10배 이상의 높은 가격이며, 이것이 걸림돌이 되어 좀처럼 보급되지 않고 있다. 비교 시험에 의하면, 적설센서는 강설센서에 비해 동작시간이 1/3 정도이며, 대폭적인 절수와 에너지 절약을 실현할 수 있으므로, 저가격의 고성능 적설센서의 개발이 요망되고 있다.

                 

레이저 레이더의 개요

이 센서 부품은 자동차의 속도제어장치(크루즈컨트롤)의 차간 거리측정을 목적으로, 자동차 부품 메이커에 의해 개발되어 수십 센티 사방의 직방체속에 근적외선 레이저 스캔부와 거리계산 및 통신을 하기 위한 마이크로프로세서가 내장되어 있다(사진 1).
통상은 자동차의 앞 범퍼내 등에 장착되어 그림 1에 나타낸 바와 같이, 전방 약 100미터 앞에 있는 물체를 종횡으로 합계 630 포인트의 2차원 평면에서 순간적으로 계측하여 얻어진 데이터를 외부기기에 송신하는 첨단 기기이다. 따라서, 대상물로서 노면으로 향하면, 그 노면까지의 거리정보 등을 면적으로 얻을 수 있으므로, 적설센서로서의 응용이 가능하게 된다. 이 센서는 이미, 일본의 국토교통성이 추진하는 ITS(고도정보교통시스템) 중에서, 노면상황 센서로 응용할 수 있도록 실용화하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 시스템 그 자체가 매우 복잡하고, 고비용(1~2억원)이며, 보급에 대해서도 우선은, 고규격의 고속도로 등이 그 설치 대상으로 되어 있다.
일반도로에 보급이 시작되려면 아직도 수년 후가 되겠지만, 해설설비에 사용할 수 있는 코스트로는 너무 높다는 생각이 든다. 그래서, 본 연구소에서는 적설센서로서 필요한 기능을 압축하여 시스템의 간략화, 저가격화, 실용화를 목표로 연구 개발에 착수했다.

 

적설센서의 응용

그림 2는 본 연구의 추진에 있어서 실험장치의 개념도이다. 레이저 레이더에 의해 직하 노면상을 스캐닝하여, 거리 및 반사율의 데이터를 제어장치에 전송한다. 제어장치에서는 그 데이터에 의해 적설 상황을 판단한다. 적설 비율이 임계값을 넘었을 경우에는 지하수 우물의 펌프에 운전지령이 출력되고, 노면을 살수한다. 또, 적설이 임계값을 밑돌면 펌프는 정지하고, 살수는 종료한다. 또한 제어장치에는 범용 프로그램 시퀸서를 이용하여 시스템의 소형화를 목표로 했다.

필드 시험

그림 3은 실험을 위해 설치한 레이저 레이더형 적설센서의 설치 상황을 나타낸 것이다. 이 현장은 편도 2차선도로이며, 보도로부터 도로에 가로등이 세워져 있다. 레이저센서는 사진 1, 2와 같이 온도센서 및 수분검지기와 함께 수지제 박스에 수납되어 있으며, 이 가로등 기둥을 이용하여 높이 9m의 위치에 설치했다. 도로와 레이저광의 중심광축은 거의 수직이다. 이때, 적설 검지영역의 넓이는 다음 식으로 구할 수 있다.

가로폭: 9m×tan(8.0°)×2≒2.5m
내부길이: 9m×tan(2.2°)×2≒0.7m

이 가로폭 2.5m는 1차선을 커버하기에는 충분한 길이이다. 도로에 설치하는 경우, 최저라도 높이는 5m 이상 필요하며, 이 경우의 가로폭은 1.4m가 된다. 통상 차량의 축간거리가 1.4m 정도임을 감안하면 이 크기로도 충분히 사용 가능할 것으로 생각된다.

시험 결과

그림 4는 2003년 1월~3월에 있어서 바깥 공기온도의 변화 및 레이저 레이더 적설센서·스노우아이(강설센서)·소설(消雪) 펌프의 각 동작 상황을 나타낸 것이다. 여기서, 1월1일~6일 및 1월29일은 기설의 강설센서(스노우아이)에 의해 자동제어를 실시하고 있다. 이 경우, 적설하기 전에 살수가 개시되어 버리므로, 적설 검지는 거의 되고 있지 않다.
1월15일에 강설이 검지되고 있지만, 적설센서는 검지하고 있지 않다. 단, 이때는 강설이 약하고, 통과 차량의 확산작용에 의해 적설이 몇분 정도밖에 유지되고 있지 않는 상황이었다는 것이 비디오카메라에 의해 확인되고 있다. 다음에, 2월은 시험조정을 위해 테스트 운전을 몇 차례 실시했으므로, 강설이 없음에도 불구하고, 적설검지 및 펌프 동작이 기록되어 있다. 또, 나중에 언급하겠지만, 오작동도 약간 있었다. 그리고 3월은 거의 강설에 맞추어 적설이 검지되어 펌프가 동작하고 있다. 강설센서에 비해 펌프 운전시간이 짧아져, 절수의 효과는 얻어지고 있는 것 같지만, 적설검지에 이르기까지 시간에 지연이 발생하는 경우가 있었다.

문제점과 과제

이상의 실험 결과, 현 단계에서의 문제점으로, 다음 3가지를 들 수 있다.

  • ①습윤(濕潤)에서 건조로 이행하는 경우, 일시적으로 반사율이 적설시와 같은 정도까지 높아진다.→오인식에 의해 살수한다.
  • ②강설센서에 의해 제어되고 있는 다른 구간으로부터 이미 살수를 지연시켜 외관상 노면 노출률이 높아진다.→살수가 지연되거나, 살수하지 않는다.
  • ③강설시, 레이저광이 노면에 도달하기 전에 강설입자에 히트하여 에러 판정으로 된다.→살수가 지연되거나, 살수하지 않는다.

이 중에서, ①에 대해서는 살수에 의해 노면이 수막(水膜) 상태가 되므로, 그 상태변화를 검출함으로써 거의 해결할 수 있다고 생각된다. 한편, ②에 대해서는 노면 노출률의 반응을 일으키는 최소의 물리량을 높게 설정하는 것이 대응책이다. 그러나 그렇게 하면 오작동하기 쉬워지므로 적설부와 비적설부를 보다 양호한 정밀도로 판정할 수 있도록 개량하는 것이 과제이다. 또, ③에 대해서는 거리정보에 의해 통행차량 등의 장해를 판정하고 있는데, 이것과 어떻게 잘 구별할 것인가가 과제이다.

종론

이번 시험에서는 유감스럽게도, 양호한 결과는 나타나지 않았지만, 과제를 얻을 수 있었으므로 성과는 있었다고 할 수 있다. 향후, 계속 개량해 나가면서 해결할 생각이다. 이 레이저 레이더에 의한 적설센서는 매우 컴팩트하고, 내구성도 뛰어나기 때문에 실용화함으로써 지하수 보전이나 에너지 절약 등의 환경 문제에도 크게 기여할 것으로 기대한다.
 

 

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