빠른 자동차에 대응하는 빠른 카메라

모든 자동차는 양산 단계에 들어가기 전 프로토타입으로 수백만 킬로미터의 테스트과정을 거친다. 이때 차량을 혹독하게 시험 운전하면서 휠이 어떻게 거동하는지 체크하는데, 이 과정에서 고속 카메라를 장착한 3D 측정 시스템이 필요하다.

미나 스몰제이(Mina Smolej): Mikrotron GmbH 마케팅 매니저,

카밀로 바이스(Kamillo Weiß): KW-PR 오너

포장 도로에서 테스트 주행 중인 BMW i 시리즈

독일과 자동차는 긴 역사를 함께 해왔다. 1886년 카를 벤츠는 4행정 엔진을 장착한 휘발유로 구동되는 자동차에 대한 특허를 출원하였다. 이 특허는 „벤츠 자동차 특허 1호“로 기록되어 있다. 오늘날 VW, Porsche, Mercedes, BMW 같은 브랜드들은 세계적으로 유명하며, 최고의 퀄리티와 혁신을 상징하고 있다. 자동차 산업은 독일 경제의 견인차이자, 다른 수많은 산업 분야의 동력원이었다. 그러한 경제 분야 가운데 하나가 측정 기술이 자리하고 있는데, 이 측정 기술 분야에 Aicon 3D Systems GmbH(아이콘)이 전문업체로서 자리하고 있다. 1990년 브라운슈바이크에 설립한 이 회사는 카메라 기반 광학 3D 측정 시스템을 개발, 제작, 판매하고 있다. Aicon은 2012년에 Breuckmann GmbH(브로이크만)을 인수하여 제품 포트폴리오에 고정밀 3D 스캐너를 추가하였다.

차량을 혹독하게 조작하다

도로의 웅덩이를 지날 때에 휠 중앙 위치 X, Y, Z의 결과 예시 그래프.

Aicon은 자사의 광학 측정 시스템 Wheel-Watch(휠 와치)로 자동차 개발에 새로운 척도를 세웠다. 모든 자동차는 양산 단계에 도달하기 전에 프로토타입으로 수백만 킬로미터의 테스트 과정을 거친다. 이 과정에서 차량을 극심하게 조작하는 경우 휠이 어떻게 거동하는지를 다음과 같이 세심하게 조사한다.

■ 바닥의 요철이나 젖은 도로를 휠이 어떻게 극복하는가?

■ 추월 시나 속도가 높아지는 경우에 휠의 윤거가 안정적으로 유지되는가?

■ 급한 커브에서도 휠 하우스가 충분한 공간을 제공하는가?

이때 문제가 되는 매개변수는 토우, 캠버, 스프링 디플렉션, 조향각 등이다. 휠 와치의 핵심 콤포넌트는 Mikrotron(미크로트론)의 고속 카메라이다. CMOS 센서를 장착한 Eo-Sens 카메라는 1초당 약 500개의 이미지를 촬영하며, 1280 x 1024 픽셀의 해상도를 제공한다. 이 카메라는 차량 속도가 250km/h가 넘어도 선명하고 자세한 이미지를 포착할 수 있다. 극히 짧은 마이크로초 범위의 노출 시간은 내장된 고성능 플래시를 통해 확보한다.

수시간에 걸친 지루한 테스트

소프트웨어 Wheel-Watch의 라이브 스크린

이 카메라는 극심한 외부 힘에 노출되고 가속, 방향 조작, 급작스러운 환경을 견뎌야 한다. 또한 수 시간에 걸친 험한 테스트에도 믿을만하게 작동해야 한다. 그에 따라 Aicon의 엔지니어들은 내구성과 장기 안정성에 까다로운 요건을 수용한다. „이 카메라는 부분적으로 혹독한 작동 조건에도 불구하고 신뢰할 수 있게 작동합니다. 이 카메라는 휠 운동 측정 영역뿐만이 아니라 다양한 응용 사례에서 어려운 과제들을 잘 극복했고, 항상 최고 품질의 이미지 데이터를 제공합니다.“(로버트 고딩, Aicon 3D Systems GmbH 이사) 휠 하나당 하나의 카메라를 각각 부착하여, 휠과 휀더의 이미지를 빠짐없이 포착한다. 휀더에는 특수하게 코딩된 측정 마크를 고정하고, 이 마크는 차량 좌표계를 표시한다. 휠에는 개별적인 포인트 패턴이 인쇄된 어댑터를 장착한다. 카메라가 휠을 포착하고 동시에 휠을 감싸는 휀더로 방향을 조정한다. 따라서 휀더는 안정적으로 유지되지 않아도 된다. 또한 진동과 충격이 측정 데이터에 영향을 끼치지 않는다. 이 시스템은 측정 속도로 차량 자체에 대해 기본 위치로 이동하고, 그로 인해 약 ±0.1 mm의 최고의 위치 정확도와 약 ±0.015°의 각도 정확도를 달성한다.

다른 센서와 동기화

휠 하나당 각각 하나의 카메라를 부착하여, 카메라가 휠과 휀더를 빠짐없이 이미지를 포착한다. 휀더에 부칙되는 측정 마크는 차량 좌표계를 표시하고, 휠에 부착되는 어댑터를 휠 움직임을 표시한다.

네 대의 카메라는 상호 간에 동기화되고, 다른 센서들과도 동기화된다. 따라서 엔진 와치 시스템을 이용하여 추가로 엔진 블록 내 움직임도 파악할 수 있다. 이 경우 Eo-Sens 카메라의 콤팩트한 크기의 장점이 엔진 와치 시스템에 도움이 된다. Eo-Sens 카메라의 치수는 63mm x 63mm x 47mm이며, 따라서 좁은 공간에 사용할 수 있는 하우징을 개발할 수 있다. 측정 이미지는 FPGA 이미지 평가 프로세서를 통해 직접 카메라 센서에서 평가되고, Gig-E 인터페이스를 통해 실시간으로 컴퓨터에 전송된다. 결과는 촬영 직후 제공된다. 로버트 고딩은 내장된 FPGA 기술을 이 카메라가 지닌 최고의 특성으로 꼽았다. „미크로트론 카메라를 선택한 이유는 카메라 내부의 FPGA를 이미지 처리를 위해 사용할 수 있다는 것입니다. 이를 위해 필요한 협력이 성공적으로 이루어졌습니다.“

테스트 벤치 및 테스트 구간을 위한 시스템

이 시스템은 테스트벤치와 테스트 구간 상의 시험 주행에도 사용할 수 있다. 그러나 다음과 같은 다른 모션 분석에도 적합하다.

■ 3D 모션 분석 및 위치 분석: 도어 여닫기 테스트, 플랩, 덮개, 윈도우의 닫힘 거동 조사, 구성품의 진동 분석, 로봇 및 기계 컨트롤러의 경로 측정

■ 3D 변형 분석: 생산 라인 오류 분석 (예, 용접 절차), 풍동 또는 환경 챔버 내에서 콤포넌트 거동, 충돌 시험, 재료 시험, 구조 분석

■ 6D 포지셔닝 및 개별 포인트와 강체 정렬.

„우리는 FPGA 기술이 내장되어 있고, 사이즈가 작으며, 촬영 속도와 높은 해상도 때문에 Eo-Sens 카메라를 선택했습니다. 이 카메라는 2007년부터 사용해왔으며, 매우 신뢰할 만하게 작동합니다.“ (로버트 고딩)