KR100913690B1 - 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템 및3차원 모델링 구축방법 - Google Patents

지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템 및3차원 모델링 구축방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 험지용 사륜구동차량에 3D 레이저 스캐너와 카메라, GPS, CDMA 무선 송수시신기등의 첨단장치를 이용하여 비정형의 지반과 현장환경에 산재한 지장물을 3차원으로 모델링하여 결과물을 지능형 굴삭장비의 원격조정장치에 무선 송수신할 수 있는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템 및 3차원 모델링 구축방법에 관한 것이다.
본 발명은, 험지용 사륜구동차량; 상기 사륜구동차량의 상부에 설치되어 비정형 지반과 현장환경에 산재한 지장물을 읽어들이도록 구동하는 3D 레이저 스캐닝장치; 360°회전이 가능한 채로 상기 3D 레이저 스캐닝장치에 연결되며, 비정형 지반을 확대하여 3D 레이저 스캐닝장치에 전송하는 텔레스코핑장치; 상기 사륜구동차량의 상부에 설치되며, 3D 레이저 스캐닝 장치로부터 습득된 지형 데이타의 상대거리 좌표를 절대거리좌표로 변환하기 위한 GPS장치; 상기 사륜구동차량의 상부에 설치되며, 외부의 컨트롤 스테이션과 데이터를 송수신하기 위한 CDMA 무선 송수신기; 상기 3D 레이저 스캐닝장치, GPS 장치 및 CDMA 무선 송수신기에 각각 연결되어 데이타를 송수신하며, 이들 각 장치의 구동을 제어하는 제어수단; 및 상기 사륜구동차량으로부터 전원을 공급받아 3D 레이저 스캐닝장치, GPS 장치, CDMA 무선 송수신기 및 제어수단에 각각 전원을 제공하는 전원공급수단을 포함하는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템을 제공한다.
지능형 굴삭시스템, 3D 레이저 스캐너, 험지용 사륜구동차량, GPS 장치, CDMA 무선송수신기, 텔레스코핑장치, API

Description

지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템 및 3차원 모델링 구축방법{3 dimension modeling systems and construction method of 3 dimension modeling for remote controlling of a intelligence excavator}
본 발명은 토공 작업환경을 대상으로 한 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비정형 지반과 현장환경에 산재한 지장물을 3차원으로 모델링하여 결과물을 지능형 굴삭시스템의 원격조정장치로 무선 송수신할 수 있는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템 및 3차원 모델링 구축방법에 관한 것이다.
일반적으로, 건설용차량은 다양한 용도로 광범위하게 사용되어 왔다. 특히, 특정 응용을 위한 건설용차량, 예를 들면, 굴삭기등은 여러가지 조건하에서 일정한 작업을 수행하도록 이용되어 왔으며, 작업위치, 환경 및 조건등에 따라서는 조작자가 탑승하여 조종하기가 대단히 어려운 경우가 종종 있었다. 건설기계 관련사고 실태 조사에 따르면 20%정도가 굴삭기 관련 사고로 크레인 다음으로 사고가 많으며 사고 중 50% 정도가 버킷 주위의 접촉사고임을 감안하여 접근 검지 기술개발 및 작업범위 제한 굴삭 기술에 따라 감속 영역 및 정지 영역을 설정하여 안전성을 확보하고 있다.
따라서, 위험한 지역, 열악한 환경등과 같은 조건하에서 작업이 이루어지는 경우에는 조종자의 보호를 위해, 조종자의 탑승없이도 정상적인 작업을 수행할 수 있는 굴삭기가 요구되어 왔다.
이러한 요구에 따라 조정자가 직접 탑승하지 않고도 제어가 가능한 원격제어 굴삭기가 제안되어 왔다. 즉, 원격조종시, 조작레버와는 별개로 직접 동력장치에 대해 조작레버의 조종과 동일한 효과를 주는 특별한 장치를 부착하여 원격제어하는 방식이 알려져 있으며, 대표적으로 유압을 동력원으로 하는 건설용 차량에 대해서는 조작레버와는 별개의 서브 모터를 이용하여 직접 유압을 제어하는 원격제어 시스템이 제안되었다.
현재 주로 상용화되고 있는 굴삭기 원격 조정 시스템은 단방향 제어방식으로서 운전자가 작업현상으로부터 근거리에서 직접 굴삭기의 작업상황을 보면서 각종 어태치먼트(붐, 암, 버켓, 선회장치)를 조정하여야 하며 운전자측은 작업명령을 송신하고 굴삭기측은 명령내용을 수신하여 작업을 실행한다.
그러나, 무인 굴삭시스템은 주로 산악지대나 광산 등과 같은 위험도가 높은 장소에서도 작업을 하여야 하는데, 이러한 장소에서 작업을 할 경우 현장 작업지형이나 지장물에 대한 사전 조사가 불가능하기 때문에, 작업도중 굴삭기가 전락, 전도되거나 충돌이 발생할 수 있는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 험지용 사륜구동차량에 3D 레이저 스캐너와 카메라, GPS, CDMA 무선 송수시신기등의 첨단장치를 이용하여 비정형의 지반과 현장환경에 산재한 지장물을 3차원으로 모델링하여 결과물을 지능형 굴삭장비의 원격조정장치에 무선 송수신할 수 있는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 험지용 사륜구동차량; 상기 사륜구동차량의 상부에 설치되어 비정형 지반과 현장환경에 산재한 지장물을 읽어들이도록 구동하는 3D 레이저 스캐닝장치; 360°회전이 가능한 채로 상기 3D 레이저 스캐닝장치에 연결되며, 비정형 지반을 확대하여 3D 레이저 스캐닝장치에 전송하는 텔레스코핑장치; 상기 사륜구동차량의 상부에 설치되며, 3D 레이저 스캐닝 장치로부터 습득된 지형 데이타의 상대거리 좌표를 절대거리좌표로 변환하기 위한 GPS장치; 상기 사륜구동차량의 상부에 설치되며, 외부의 컨트롤 스테이션과 데이터를 송수신하기 위한 CDMA 무선 송수신기; 상기 3D 레이저 스캐닝장치, GPS 장치 및 CDMA 무선 송수신기에 각각 연결되어 데이타를 송수신하며, 이들 각 장치의 구동을 제어하는 제어수단; 및 상기 사륜구동차량으로부터 전원을 공급받아 3D 레이저 스캐닝장치, GPS 장치, CDMA 무선 송수신기 및 제어수단에 각각 전원을 제공하는 전원공급 수단을 포함하는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 사륜구동차량에 시동을 걸어 전원공급장치로부터 전원이 3차원 모델링 구축을 위한 제반기기에 공급하여 초기화하는 제1 단계; 3D 레이저 스캐닝장치를 구동시켜 목표영역에 대한 스캐닝을 실시하는 제2 단계; GPS 장치가 위성(satellite)과 교신하여 습득된 상기 목표영역 지형의 스캐닝 데이타를 절대거리좌표로 변환하는 제3 단계; 상기 노트북에 스캔 데이타를 입력하여 점군(point cloud)데이타, 영상(image) 데이타, GPS장치로부터 측정된 위도, 경도 데이타를 함께 측정하여 데이타 프로세싱(data processing)부분으로 전송하는 제4 단계; 상기 데이타 프로세싱에서 데이타를 분석하고, 최종 처리된 데이타는 ASCⅡ 형식 또는 3D 캐드 데이타 형식으로 변환하여 출력하는 제5 단계; 및 CDMA 무선 송수신기의 인터페이스를 통해 지능형 굴삭시스템의 컨트롤 스테이션으로 송신하는 제6 단계를 포함하는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링 구축방법을 제공한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 특징에 따르면, 굴삭을 위한 비정형 지반 및 지장물을 3차원으로 모델링하고, 이 3차원 데이타를 지능형 굴삭 시스템의 원격조정장치와 연동하여 무선 송수신함으로써, 사전 굴삭지형을 인지할 수 있어 굴삭이 어려운 지형이라도 상기 3차원 모델링을 통하여 지능적으로 최적의 굴삭자세를 유지할 수 있으며, 비정형 지반에서의 굴착과정에서 전락 또는 전복사고를 방지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도1 내지 도3을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템 및 그의 3차원 모델링 시현방법은 비정형 지반과 지장물을 3차원으로 모델링화하고 이를 무선 송수신을 통하여 지능형 굴삭시스템에 제공함으로써, 작업환경과 특성에 따라 최적화 상태에서 굴삭작업을 수행할 수 있도록 구현한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링 시스템의 구성이 도1에 도시되었다.
본 발명은 도면에 도시한 바와 같이, 지면이 고르지 못한 작업장에서 주행이 가능하도록 제작된 험지용 사륜구동차량(2)과; 상기 사륜구동차량(2)의 상면에 설치되며, CCD 카메라가 내장되어 비정형 지반과 현장환경에 산재한 지장물을 읽어들이도록 구동하는 3D 레이저 스캐닝장치(4)와; 360°회전이 가능한 채로 상기 3D 레이저 스캐닝장치(4)에 연결되며, 비정형 지반을 확대하여 3D 레이저 스캐닝장치(4)에 전송하는 텔레스코핑장치(6)와; 상기 3D 레이저 스캐닝장치(4)의 하단부에 설치되며, 텔레스코핑장치(6)로부터 동력을 제공받아 3D 레이저 스캐닝장치(4)의 회전과 경사각을 조정하는 경사각 보정장치(8)와; 상기 텔레스코핑장치(6)가 사륜구동차량(2) 내외로의 승강동작에 연동하여 사륜구동차량의 상면 개방부를 개폐하기 위 한 전동루프(10)와; 상기 사륜구동차량(2)의 상부에 설치되며, 3D 레이저 스캐닝장치(4)로부터 습득된 지형 데이타의 상대거리 좌표를 절대거리좌표로 변환하여 현장위치를 입력하는 GPS(Global Positioning System)장치(12)와; 상기 사륜구동차량(2)의 상부에 설치되며, 외부의 컨트롤 스테이션과 데이터를 송수신하기 위한 CDMA(Code Division Multiple Access) 무선 송수신기(14)와; 사륜구동차량의 운전석 우측에 설치되며, 상기 3D 레이저 스캐닝장치(4), GPS 장치(12) 및 CDMA 무선송수신기(6) 각각에 유선케이블로 연결되어 데이타를 수수하면서 실제 작업현장을 대상으로 한 3차원 모델링을 구축하고, 상기한 장치들의 작동을 제어하기 위한 노트북(16); 및 상기 사륜구동차량(2)으로부터 전원을 공급받아 3D 레이저 스캐닝장치(4), GPS 장치(12) 및 CDMA 무선 송수신기(14)에 각각 전원을 공급하는 전원공급장치(18)를 포함한다.
여기서, 상기 텔레스코핑장치(6)는 일단부측 즉 사륜구동차량(2)의 뒷자석 바닥에 설치된 구동모터(7)에 의해 승강동작으로 수행한다. 또한 상기 텔레스코핑장치(6)는 전동루프(10)와 하나의 온/오프(on/off) 스위치로 연동하여 제어된다.
상기 전원공급장치(18)는 통상 12v전압을 출력하는 배터리와, 과충전기능과 자동 전압조절기능을 구비한 회로를 포함한다.
상기 노트북(16)은 3D 레이저 스캐닝장치(4)를 제어할 수 있는 API(Application Programming Interface)를 구비하며, 상기 API에는 GPS 장치(12)의 데이타를 병합할 수 있는 모듈이 포함되어 있다. 따라서, 상기 3D 레이저 스캐닝장치(4)의 API를 이용하여 실제 작업 현장을 대상으로 3차원 스캐닝을 할 수 있 으며, 사용자가 스캐닝의 회전범위, 상하각도, 스캔율, 스캔속도 등을 제어할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 1인 운전자가 현장에서의 험지용 사륜구동차량(2)운행과 스캐닝, 3차원 모델링 업무등을 수행할 수 있으며, 현장의 3차원 모델링을 구축하고, 이 데이타를 무선송수신장치를 통해 전송하여 원격지의 지능형 굴착시스템을 원격 조종할 수 있게 되는 것이다.
이하에서는 도2 및 도3을 연계하여 3차원 모델링 구축방법에 대하여 설명한다.
도2는 본 발명에 의한 상기 3D 레이저 스캐닝장치(4)를 통해 읽어들인 현장 지형 데이타 GPS장치(12)를 통해 절대거리좌표로 변환하고 CDMA 무선송수신기(14)통해 지능형 굴삭장비에 전송하기 위한 데이타 흐름도이고, 도3은 본 발명에 의한 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링 구축방법을 구현하기 위한 데이타 처리흐름도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 먼저 사륜구동차량(2)의 시동을 걸게 되면, 전원공급장치(18)로부터 전원이 3차원 모델링 구축을 위한 제반기기에 공급되어 초기화가 된다(S11).
상기 3D 레이저 스캐닝장치(4)가 구동하여 목표영역에 대한 스캐닝을 실시하게 되면, GPS 장치(12)가 위성(satellite)과 교신하여 습득된 상기 목표영역 지형의 스캐닝 데이타를 절대거리좌표로 변환하게 된다(S12, S13). 상기 3D 레이져 스캐닝장치(4)에서 스캐닝된 지형 데이타는 노트북(16)에 입력되는데, 이때 상기 노 트북에는 3D 레이저 스캐닝장치(4)를 제어할 수 있는 API가 구비되어 있으므로 사용자가 3D 레이져 스캐닝장치(4)의 구동시 스캐닝의 회전범위, 상하각도, 스캔율, 스캔속도등을 제어하게 된다. 상기 노트북(16)의 스캔 콘트롤부분에서 측정되는 데이타는 모두 3종류로서 측정대상에 대한 점군(point cloud)데이타와 3D 레이저 스캐닝장치(1)에 내장된 CCD 카메라로 촬영된 영상(image) 데이타, 고정밀 GPS장치(5)로부터 측정된 위도, 경도 데이타가 함께 측정되어 데이타 프로세싱(data processing)부분으로 전송된다(S14).
상기 데이타 프로세싱 부분은 대용량의 데이타 처리 및 고기능의 분석을 요하기 때문에 전문화된 데이타 처리 및 분석 라이브러리를 일부 사용한다. 상기 데이타 프로세싱은 도시한 바와 같이 3차원 점군 데이타의 필터링(data filtering)기능, 여러 측정위치에서의 스캔데이타를 자동으로 정합(auto registration)하는 기능, 정합된 데이타를 삼각망(polygon mesh) 형태로 면처리하는 기능, 3D 레이저 스캐닝장치(4)에 내장된 CCD 카메라에 의해 여러위치에서 자동으로 촬영된 영상데이타를 하나의 이미지로 접합(stitching)하는 기능, 삼각망 형태의 면데이타와 접합된 이미지를 합성하는 기능(photogrammertry & image mapping), 합성된 데이타로부터 고유 알고리듬을 이용하여 지반과 지장물의 형태를 추출하는 객체인식(object recognition) 기능, 사전에 입력된 3D 캐드(CAD) 데이타와 비교하여 지반의 편차를 자동으로 분석(deviation analysis)하는 기능 등을 수행한다.
상기한 기능을 수행하는 데이타 프로세싱에서는 스캔데이타를 분석하고 3차원 모델링을 구축하게 된다(S15).
상기 데이타 프로세싱부분에서 최종 처리된 데이타는 ASCⅡ 형식이나 3D 캐드데이타 형식으로 변환되어 출력되며, 이 데이타는 CDMA 무선 송수신기(14)의 인터페이스를 통해 지능형 굴삭시스템의 컨트롤 스테이션으로 자동 송신된다(S16, S17).
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도1은 본 발명에 의한 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템의 일실시예 구성을 나타낸 개략도.
도2는 본 발명에 의한 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템의 데이타 흐름도.
도3은 본 발명에 의한 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링 구축방법을 구현하기 위한 데이타 처리흐름도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2: 험지용 사륜구동차량 4: 3D 레이저 스캐닝장치
6: 텔레스코핑장치 8: 경사각 보정장치
10: 전동루프 12: GPS 장치
14: CDMA 무선 송수신기 16: 노트북
18: 전원공급장치

Claims (9)

  1. 험지용 사륜구동차량;
    상기 사륜구동차량의 상부에 설치되어 비정형 지반과 현장환경에 산재한 지장물을 읽어들이도록 구동하는 3D 레이저 스캐닝장치;
    360°회전이 가능한 채로 상기 3D 레이저 스캐닝장치에 연결되며, 비정형 지반을 확대하여 3D 레이저 스캐닝장치에 전송하는 텔레스코핑장치;
    상기 사륜구동차량의 상부에 설치되며, 3D 레이저 스캐닝 장치로부터 습득된 지형 데이타의 상대거리 좌표를 절대거리좌표로 변환하기 위한 GPS장치;
    상기 사륜구동차량의 상부에 설치되며, 외부의 컨트롤 스테이션과 데이터를 송수신하기 위한 CDMA 무선 송수신기;
    상기 3D 레이저 스캐닝장치, GPS 장치 및 CDMA 무선 송수신기에 각각 연결되어 데이타를 송수신하며, 이들 각 장치의 구동을 제어하는 제어수단; 및
    상기 사륜구동차량으로부터 전원을 공급받아 3D 레이저 스캐닝장치, GPS 장치, CDMA 무선 송수신기 및 제어수단에 각각 전원을 제공하는 전원공급수단
    을 포함하는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 3D 레이저 스캐닝장치의 하단부에 설치되며, 텔레스코핑장치의 동력을 제공받아 3D 레이저 스캐닝장치의 회전과 경사각을 조정하는 경사각 보정수단을 더 포함하는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 텔레스코핑장치의 승강동작에 따라 연동하여 사륜구동차량의 상면 개방부를 개폐하기 위한 전동루프를 더 포함하는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어수단이 노트북인 것을 특징으로 하는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전원공급수단이 12v전압을 출력하는 배터리와, 과충전기능과 자동 전압조절기능을 구비된 회로를 포함하는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 노트북은 3D 레이저 스캐닝장치를 제어할 수 있는 API(Application Programming Interface)를 포함하되, 상기 API에는 GPS 장치의 데이타를 병합할 수 있는 모듈이 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링시스템.
  7. 사륜구동차량에 시동을 걸어 전원공급장치로부터 전원이 3차원 모델링 구축을 위한 제반기기에 공급하여 초기화하는 제1 단계;
    3D 레이저 스캐닝장치를 구동시켜 목표영역에 대한 스캐닝을 실시하는 제2 단계;
    GPS 장치가 위성(satellite)과 교신하여 습득된 상기 목표영역 지형의 스캐닝 데이타를 절대거리좌표로 변환하는 제3 단계;
    상기 노트북에 스캔 데이타를 입력하여 점군(point cloud)데이타, 영상(image) 데이타, GPS장치로부터 측정된 위도, 경도 데이타를 함께 측정하여 데이타 프로세싱(data processing)부분으로 전송하는 제4 단계;
    상기 데이타 프로세싱에서 데이타를 분석 및 3차원 모델링을 구축하고, 최종 처리된 데이타는 ASCⅡ 형식 또는 3D 캐드 데이타 형식으로 변환하여 출력하는 제5 단계; 및
    CDMA 무선 송수신기의 인터페이스를 통해 지능형 굴삭시스템의 컨트롤 스테이션으로 송신하는 제6 단계
    를 포함하는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링 구축방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 단계는
    3D 레이저 스캐닝장치를 제어할 수 있는 API를 이용하여 사용자가 3D 레이져 스캐닝장치의 구동시 스캐닝의 회전범위 상하각도, 스캔율, 스캔속도를 제어하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링 구축방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 제4 단계의 데이타 프로세싱은
    3차원 점군 데이타의 필터링(data filtering)기능, 여러 측정위치에서의 스캔데이타를 자동으로 정합(auto registration)하는 기능, 정합된 데이타를 삼각망(polygon mesh) 형태로 면처리하는 기능, 3D 레이저 스캐닝장치에 내장된 CCD 카메라에 의해 여러위치에서 자동으로 촬영된 영상데이타를 하나의 이미지로 접합(stitching)하는 기능, 삼각망 형태의 면데이타와 접합된 이미지를 합성하는 기능(photogrammertry & image mapping), 합성된 데이타로부터 고유 알고리듬을 이용하여 지반과 지장물의 형태를 추출하는 객체인식(object recognition) 기능, 사전에 입력된 3D 캐드(CAD) 데이타와 비교하여 지반의 편차를 자동으로 분석(deviation analysis)하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 지능형 굴삭장비의 원격조종을 위한 3차원 모델링 구축방법.
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