KR101576583B1 - 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위방법 및 장치 - Google Patents

스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위방법 및 장치에 관한 것으로, 레일을 따라 이동하는 스태커의 암 끝단에 한 개의 GPS 모듈을 설치하고, GPS모듈로부터 측정된 좌표값과 암의 길이를 이용하여 스태커의 회전각도 및 좌표점을 산출하고, 스태커의 이동좌표와 회전각을 이용하여 레이저스캐너를 통해 스캐닝된 각 좌표를 3차원 좌표계 변환을 통해 정확한 좌표점을 산출하도록 하며, 또한, 스태커의 상,하 기울기 각도를 GPS모듈로부터 측정된 고도값의 변화로부터 산출하고, 이에 연동하여 레이저스캐너의 기울기로 인해 발생된 조사각도 변화에 의한 회전 좌표계 변환값을 산출하는데 그 목적이 있다.

Description

스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위방법 및 장치{Method and Apparatus for Stock Pile Scanning by Position Measurement of Stacker}
본 발명은 야적장에 석탄이나 철광석 등 광물 자원의 야적파일(Stock pile)을 스캐닝하는 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위장치 및 방법에 관한 것으로, 하나의 GPS센서만으로 스태커의 이동위치와 회전각을 측정하여 레이저스캐너로부터의 스캔데이터를 3차원 좌표계 변환과정을 통해 보다 정확한 야적파일의 체적을 산출할 수 있도록 하는 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 석탄이나 철광석과 같은 광물 자원을 필드에 저장하는 야적장에서, 광물을 더미로 쌓아 올리는 작업과 퍼내는 작업을 위해서 스태커가 사용된다.
야적장 내에는 스태커가 이동할 수 있도록 하기 위해 레일이 설치되어 있고, 스태커는 레일을 따라 이동하며 레일의 좌측 혹은 우측에 있는 야적파일에 광물을 쌓거나 퍼내는 작업을 수행한다.
이를 위해 스태커는 레일 좌우측으로 90도 이상 회전할 수 있는 구조로 만들어져 있다.
야적장에 쌓여 있는 야적파일의 부피와 높이 등을 계측하기 위해서는 야적장의 지형을 3차원적으로 스캔하는 스캐닝 시스템이 필요하다.
이와 같은 3차원 스캐닝 시스템은 스태커 상단부에 2차원 레이저스캐너(laser scanner)를 설치하고 스태커를 움직이면서 3차원으로 야적장의 지형을 측정한다.
스캐닝 센서로는 레이저스캐너 외에 스테레오영상을 이용한 키넥트센서(kinect sensor) 등이 사용되기도 한다.
레이저스캐너가 스태커의 움직임에 따라 이동 혹은 회전하면서 야적장 지형을 스캔하기 때문에, 취득된 거리스캔 데이터를 3차원 데이터로 변환하기 위해서는 레이저스캐너와 함께 측위센서를 사용해야 한다.
상기 측위센서는 3차원 공간상에서 레이저스캐너의 이동좌표를 측정할 수 있어야 하고, 레이저스캐너가 향하고 있는 회전각도 측정할 수 있어야 한다.
상기 측위센서로 널리 활용되는 GPS(Global Positioning System)을 이용하는데, 이는 GPS 위성에서 보내 온 신호를 이용하여 실외에서 좌표를 측정하는 기술이다.
특히 위성으로부터 수신된 GPS 신호의 오차를 개선하기 위해 개발된 RTK-GPS 기술은 5cm 이내의 측위오차로 매우 정밀하게 위치를 측정할 수 있어 정밀 측량에 널리 활용되고 있다.
야적장 스캐닝도 지형 측량의 일종이므로, RTK-GPS 방식의 GPS 센서를 사용함으로써 위치를 정확하게 측정할 수 있다.
상기 GPS 센서는 GPS 위성신호를 수신하는 GPS안테나와 이 신호를 분석하여 위도,경도,고도 등의 위치정보를 출력하는 GPS수신기로 구성되며, GPS 안테나가 놓인 위치의 위치정보를 측정하는 센서이다.
회전각 측정을 위한 계측센서로는 상기 스태커의 회전축에 설치하여 회전에 따른 기계적 변량을 인코더를 통해 전기신호로 변환하는 회전각 계측센서를 사용할 수 있다.
최근 부두에서 사용하는 크레인의 경우 GPS 센서 2개를 사용하여 회전각을 측정하기도 한다. 크래인의 회전하는 암(arm)은 그 길이가 50m에 달하기 때문에, GPS 센서를 암의 회전축과 말단부에 각각 설치하여 2개의 좌표 위치를 측정하여 회전각을 계산할 수 있다.
종래기술에 따른 계측장치 및 방법은 일본특허공개 제2010-286436호에 개시되어 있으며, GPS센서를 레이저스캐너 가까이에 설치하여 레이저스캐너의 위치를 측정하고, 스태커 암의 회전축에 설치된 회전각 계측센서로 암의 회전각을 측정하여 레이저스캐너의 스캔방향을 측정한다.
회전각 측정센서는 슬립(slip)현상과 같은 기계적 오차 요인으로 인해 정밀도가 낮은 문제가 있는데, 회전각 계측센서 대신 3군데 이상에 GPS 안테나를 설치하여 각 GPS 안테나에서의 위치를 구함으로써 회전각을 산출하는 방법을 함께 제시하고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 계측장치의 구성도로서, 스태커 암(20)의 회전축 부근에 제1GPS센서(31)를 설치하고, 스태커 암(22) 종단부에 제2GPS센서(32)를 설치하여, 각 GPS센서(31)(32)에서 위치정보를 측정한다.
이때, 레일(21)의 방향에 대한 스태커 암(22)의 각도를 'θ'라고 할 때, 상기 각도(θ)는 상기 각 GPS센서(31)(32)로부터 측정된 위치정보로부터 산출이 가능하다.
도 2는 제1, 제2 GPS센서(31)(32)를 이용하여 방향을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도로서, 제1GPS센서(31)에서 측정한 좌표점을 PA라고 하고, 제2GPS센서(32)에서 측정한 좌표점을 PB라 할때, 상기 스태커(20)의 위치는 PA좌표점이 되고, 이 두 점을 잇는 직선의 각도는 다음 수학식 1에 의해 산출된다.
Figure 112014115743303-pat00001
그러나, 이러한 종래기술에서는 위치와 회전각을 측정하기 위해서 GPS 센서 1개와 회전각 계측센서 1개를 조합하거나, GPS 센서 2개 이상을 조합해야 하므로, 설치 및 계측의 복잡화 문제가 있으며, 고가의 센서를 여러 개 설치해야 하는 비용상의 문제점이 있었다.
또한, 종래기술은 2개의 센서가 정확히 같은 시점에 측정한 위치 데이터일 때라야 그 시점에서의 회전각이 정확히 계산될 수 있기 때문에 2개 이상의 센서들을 시간적으로 동기화시켜야 하므로, 제어가 복잡해지는 문제점이 있었다.
또한, 상기 레이저빔을 조사하는 레이저스캐너의 위치가 암의 끝단에 설치되어, 야드의 위에서 아래로 레이저빔을 조사하게 되는데, 일반적으로 적재물의 최대 높이가 10~20m 정도인데, 레이저스캐너의 위치는 그보다 높은 위치에서 레이저빔을 조사해야 되며, 계측을 위해 스태커 암의 높이를 높여야 하는 문제점이 있었다.
일본공개특허공보 특허 제2010-286436호(2010.12.24일자 공개)
따라서, 본 발명은 레일을 따라 이동하는 스태커의 암 끝단에 한 개의 GPS 모듈을 설치하고, GPS모듈로부터 측정된 좌표값과 암의 길이를 이용하여 스태커의 회전각도 및 좌표점을 산출하고, 스태커의 이동좌표와 회전각을 이용하여 레이저스캐너를 통해 스캐닝된 각 좌표를 3차원 좌표계 변환를 통해 정확한 좌표점을 산출하도록 하는 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 스태커의 상,하 기울기 각도를 GPS모듈로부터 측정된 고도값의 변화로부터 산출하고, 이에 연동하여 레이저스캐너의 기울기로 인해 발생된 조사각도 변화에 의한 회전 좌표계 변환값을 산출하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위장치는 야적파일 작업을 위해 레일을 타고 이동하는 스태커 및 스태커 암에 야적 파일 스캐닝시스템을 탑재하고, 야적파일의 체적을 산출하는 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위장치에 있어서, 상기 스태커 암의 끝단의 GPS 값을 측정하는 GPS모듈; 상기 스태커의 상부 끝단에 위치하고, 상기 야적 파일까지의 거리측정을 위해 상기 야적 파일에 레이저를 조사하여 스캐닝하는 레이저스캐너; 및 상기 GPS모듈로부터 입력된 GPS데이터로부터 스태커의 위치 및 회전각도를 산출하고, 상기 스태커의 회전각도 및 레이저스캐너의 측정거리를 이용하여 3차원 좌표계변환 과정을 통해 해당 측정된 위치의 좌표값을 산출하는 중앙처리장치;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 중앙처리장치는 상기 GPS값으로부터 스태커 암 끝단의 좌표값을 산출하고, 상기 스태커 암 끝단의 좌표값 및 레일의 양끝단 좌표값을 이용하여 상기 스태커의 위치, 수평회전각도를 산출하며, 상기 GPS값으로부터 스태커 암 끝단의 고도값을 산출하고, 상기 스태커 암 끝단의 고도값 및 상기 스태커 암이 지표면과 평형을 이뤘을 때의 고도값을 이용하여 스태커 암의 상,하 경사각도를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위과정은 야적 파일 작업을 위해 레일을 타고 이동하는 스태커의 상부 끝단에 레이저스캐너와, 스태커 암 끝단에 GPS(Global Positioning System)모듈을 탑재하고, 상기 레이저스캐너의 스캔데이터 및 GPS모듈로부터 GPS데이터를 입력받은 중앙처리장치에서 상기 야적 파일의 공간데이터를 획득하는 스태커의 위치변화에 따른 야적 파일 측위방법에 있어서, 상기 중앙처리장치는 상기 GPS모듈로부터 입력된 GPS모듈의 GPS데이터를 TM(Transverse Mercator)좌표 데이터로 변환하는 제1과정; 상기 TM좌표데이터로부터 스태커의 위치(Po) 및 수평회전각도(θ)를 산출하는 제2과정; 및 상기 레이저스캐너에 의하여 상기 야적 파일의 측정포인트까지 측정된 거리데이터와 상기 스태커의 위치(Po) 및 회전각도(θ)로 인한 상기 레이저스캐너의 레이저 조사각도를 이용하여 측정지점의 좌표데이터를 산출하는 제3과정;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제2과정에서 스태커의 위치 및 수평회전각도는 레일의 양 끝단의 좌표점(Pa)(Pb)을 잇는 직선(R)과 상기 GPS모듈의 좌표점(Pg)에서 직선(R)으로의 법선이 교차하는 교차점을 산출하는 1단계; 상기 GPS모듈의 좌표점(Pg)를 원점으로 하고, 상기 스태커 회전축과 GPS모듈 길이(L)를 반경(L)으로 이루어진 원호와 상기 직선(R)이 교차하는 두 점(Po)(Po')을 산출하는 2단계; 상기 교차하는 각 점(Po)(Po')과 상기 GPS모듈의 좌표점(Pg)를 잇는 각 직선을 산출하는 3단계; 상기 3단계에서 산출한 각 직선과 상기 1단계에서의 직선(R)과의 각도(θ)(180-θ)를 산출하는 4단계; 상기 4단계에서 산출한 각도(θ)를 상기 스태커의 회전각도(θ)로 결정하는 5단계; 및 상기 2단계 및 5단계에서 산출한 교차점(Po)를 상기 스태커의 위치(Po)로 결정하는 6단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3과정의 상기 레이저스캐너의 레이저 조사각도 및 측정지점까지의 거리를 이용한 극좌표를 산출하고, 상기 극좌표를 이동 및 회전 좌표계변환을 통해 직교좌표 데이터로 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 스태커의 위치변화에 따른 야적 파일 측위과정은 야적 파일 작업을 위해 레일을 타고 이동하는 스태커의 상부 끝단에 레이저스캐너와, 스태커 암 끝단에 GPS(Global Positioning System)모듈을 탑재하고, 상기 레이저스캐너의 스캔데이터 및 GPS모듈로부터 GPS데이터를 입력받은 중앙처리장치에서 상기 야적 파일의 공간데이터를 획득하는 스태커의 위치변화에 따른 야적 파일 측위방법에 있어서, 상기 중앙처리장치는 상기 GPS모듈로부터 입력된 GPS모듈의 GPS데이터를 TM(Transverse Mercator)좌표 데이터로 변환하는 제1과정; 상기 TM좌표데이터로부터 스태커의 고도데이터를 산출하는 제2과정; 및 상기 레이저스캐너에 의하여 상기 야적 파일의 측정포인트까지 측정된 거리데이터와 상기 스태커의 위치(Po) 및 경사각도(Φ)로 인한 상기 레이저스캐너의 레이저 조사각도를 이용하여 측정지점의 좌표데이터를 산출하는 제3과정;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제2과정은 GPS 고도 데이터를 이용하여 상기 스태커 암의 상,하 경사각도(Φ)를 측정하는 1단계; 상기 스태커 암의 상,하 경사각도(Φ)로부터 상기 레이저스캐너의 경사각도를 산출하는 2단계; 및 상기 경사각도(Φ) 및 상기 레이저스캐너의 측정포인트까지의 측정된 거리데이터를 이용한 회전 좌표계변환을 통해 직교좌표 데이터를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 경사각도(Φ)는 스태커 암이 지상과 평형을 이룬 상태에서 상기 GPS모듈의 높이(ho)와, 상기 스태커 암이 상,하 방향으로 경사진 상태에서의 GPS모듈의 높이(hg)를 산출하는 1단계; 상기 산출된 평행상태의 GPS모듈의 높이(ho)에서 경사진상태의 GPS모듈 높이(hg)를 감산하여, 스태커암의 수직변량(h)을 산출하는 2단계; 및 상기 산출된 스태커암의 수직변량(h)와 기 설정된 스태커 암의 길이(L)를 파라미터로 경사각도(Φ)를 산출하는 3단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위방법 및 장치는 야적장에 야적파일의 체적을 측정하기 위하여, 1개의 GPS센서 만을 이용하여 스태커의 이동위치와 회전각을 측정할 수 있으므로, 2개의 GPS 센서 혹은 1개의 GPS 센서와 별도의 회전각 계측장치를 필요로 하던 기존 방식에 비해 설치비용이 절감되는 효과가 있을 뿐만 아니라, 또한 여러 센서를 사용하는데 따른 시간동기화의 조건이 없어져 제어가 단순해지는 효과가 있다.
또한, 스태커 암이 상,하로 기울어짐으로 인해 레이저스캐너의 조사각도가 기울어지게 되는데, 이에 대하여도 기울어짐에 의한 경사각도를 GPS의 고도데이터를 통해 산출하여 레이저 스캔 좌표의 회전좌표계변환을 하므로, 야적파일의 보다 정확한 3차원 데이터를 산출할 수 있는 효과가 있다.
도 1, 도 2는 종래기술에 따른 2개의 GPS센서를 이용한 스태커암의 위치 및 회전각 산출을 설명하기 위한 도이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위장치의 전체 구성도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위장치의 블록 구성도이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위과정의 흐름도이고,
도 6, 도 7은 본 발명에 따른 스태커의 상단에 구비된 레이저스캐너에 의해 야적파일을 스캔하는 실시예를 보인 도이고,
도 8은 본 발명에 따른 스태커의 상단에 구비된 레이저스캐너가 레일을 따라 이동하면서 야적파일을 스캔하는 일 실시예를 보인 도이고,
도 9는 본 발명에 따른 스태커가 회전함에 따라 레이저스캐너의 조사방향이 회전되어 도 7과 비교하여 측정위치가 우측으로 이동된 상태를 보인 도이고,
도 10은 도 9의 평면도이고,
도 11, 도 12는 도 9, 도 10에서 스태커의 회전에 따른 회전각 및 위치좌표를 산출하기 위한 과정을 설명하기 위한 도이고,
도 13은 본 발명에 따른 스태커가 상측으로 기울어짐에 따라 레이저스캐너의 조사방향이 도 7과 비교하여 스태커의 경사각 만큼 기울어진 상태를 보인 도이고,
도 14는 도 13과 같이 스태커암이 상측으로 경사진 경우 경사각도 산출을 설명하기 위한 도이다.
본 발명의 실시예에 따른 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위장치 및 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 야적파일 스캐너시스템을 탑재한 스태커의 전체 구성도로서, 야적장에 야적파일을 쌓아 올리거나, 퍼내는 작업을 위해 버킷이 탑재된 스태커(20)는 야적파일 작업을 위해 스태커(20)의 수평 이동을 위한 레일(21)과, 상기 스태커(20)의 회전축을 중심으로 회전하며, 야적파일을 이동시키는 컨베어밸트가 구비된 스태커암(22)와, 상기 스태커(20)에 탑재되어, 상기 레일(21)을 따라 이동하면서 야적파일의 체적을 산출하기 위하여 레이저 빔을 조사하여 스캐닝하는 야적파일 스캐닝시스템(100~130)으로 구성된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스캐닝시스템의 상세 블록 구성도로서, 상기 스태커암(22)의 끝단에서 GPS 값을 측정하는 GPS모듈(110)과, 상기 스태커(20)의 상부 끝단에 위치하고, 상기 야적파일(10)까지의 거리측정을 위해 상기 야적파일(10)에 레이저빔을 조사하여 스캐닝하는 레이저스캐너(120)와, 상기 GPS모듈(110)로부터 입력된 GPS데이터로부터 스태커(20)의 위치 및 수평회전각도(θ)를 산출하고, 상기 스태커(20)의 수평회전각도(θ) 및 레이저스캐너(120)의 측정거리를 이용하여 3차원 좌표계변환 과정을 통해 측정된 위치의 좌표값을 산출하는 중앙처리장치(100)와, 상기 중앙처리장치(100)로부터 산출된 각 데이터 및 상기 레일(21)의 양 끝단의 좌표값, 스태커암(22)의 길이(L) 등의 데이터를 저장하고, 상기 중앙처리장치(100)로 제공하는 데이터베이스(DB)(130)로 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위장치의 작용을 첨부된 도 3 내지 도 14를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위과정의 흐름도로서, 상기 스태커 암(22)의 끝단에 설치된 GPS모듈(110)로부터 실시간 GPS신호를 수신하여 상기 중앙처리장치(100)로 입력한다.
이와 동시에 상기 스태커(20)의 상부 끝단에 설치된 레이저스캐너(120)는 야적파일(10)의 표면에 레이저빔을 조사하여 반사된 시간에 따른 거리를 산출한다.
상기 중앙처리장치(100)는 상기 GPS모듈(110)로부터 입력된 GPS 데이터인 위도,경도 및 해발고도 데이터를 공간좌표로 활용하기 위해서는 TM좌표 데이터 변환을 통해 직교좌표계 데이터를 산출한다.
이하, GPS데이터는 GPS모듈(110)의 위치에 대한 직교좌표 데이터를 의미한다.
도 6, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 레이저스캐너(120)가 야적파일(10)을 향해 레이저빔을 조사하여 해당 면의 거리를 측정하기 위한 도로서, 레이저스캐너(120)는 야적파일(10)에 대하여 수직방향을 유지하여 레이저빔을 조사하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 스태커암(22)가 좌,우회전 또는 상,하로 기울어짐 없이, 레일(21)과 평행을 이루면서 상기 레이저스캐너(120)가 상기 야적파일(10)을 스캔하여 2차원 스캔데이터를 획득하게 된다.
도 8은 스태커(20)가 레일(21)을 따라 이동하면서, 레이저스캐너(120)가 야적파일을 향하여 수직방향을 유지하고 레이저빔을 조사하므로, 일정간격으로 2차원 스캔 데이터를 수집하면서, 이동함에 따라 일정 간격의 2차원 스캔 데이터들로부터 상기 야적파일(10)의 전체 3차원 스캔 데이터를 산출할 수 있게 된다.
만약, 스태커암(22)이 좌,우 회전할 경우에는 이에 연동하여 상기 레이저스캐너(120)의 조사방향이 회전하게 되는데, 이때 회전각도에 대한 스캔 데이터를 산출해야 한다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 스태커암(22)이 일정 각도 회전할 경우 회전각도를 산출 과정을 설명하기 위한 도로서, 상기 스태커암(22)의 끝단에 설치된 하나의 GPS모듈(110)로부터 측정된 GPS데이터 만으로 상기 스태커암(22)의 회전각을 산출할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 레이저스캐너(120)의 야적파일(10)에 대하여 직각일 경우의 조사위치와 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 스태커암(22)이 일정 각도 수평회전된 상태일 경우의 조사위치가 우측으로 편향되어 측정된다.
따라서, 상기 스태커암(22)의 수평회전각도(θ)를 상기 GPS모듈(110)의 GPS데이터와 기 설정된 레일(21)의 끝점 위치좌표(Pa(xa',ya')(Pb(xb',yb') 및 스태커암의 길이(L) 데이터를 파라미터로 하여 산출하게 된다.
여기서, 상기 설정된 레일(21)의 끝점 위치좌표(Pa(xa',ya')(Pb(xb',yb') 및 스태커암의 길이(L) 데이터는 상기 데이터베이스(130)에 기 산출되어 저장한다.
상기 산출된 파라미터를 이용하여 스태커암(22)의 수평회전각도(θ) 산출과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 레일(21)의 양 끝단의 좌표점(Pa)(Pb)을 잇는 직선(R)과 상기 GPS모듈(110)의 좌표점(Pg)에서 직선(R)으로의 법선이 교차하는 교차점을 산출한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상기 GPS모듈(110)의 좌표점(Pg)를 원점으로 하고, 상기 스태커 회전축과 GPS모듈의 길이(L)를 반경(L)으로 이루어진 원호와 상기 직선(R)이 교차하는 두 점(Po)(Po')을 산출한다.
상기 원호와 직선(R)이 교차하는 각 점(Po)(Po')과 상기 GPS모듈(110)의 좌표점(Pg)를 잇는 각 직선(S)(S')을 산출한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 상기 산출한 각 직선(S)(S')과 상기 직선(R)과의 각도(θ)(180-θ)를 산출한다.
한편, 상기 스태커암(22)의 수평회전각도(θ)는 다음 수학식 2에 의해 기 산출된 파라미터를 이용하여 산출하게 된다.
Figure 112014115743303-pat00002
여기서, 'd'는 상기 GPS 좌표점(Pg)에서 직선(R)로의 최단거리이고, 'L'은 스태커 회전축과 GPS모듈(110) 간의 길이이다.
또한, 스태커암(22)의 수평회전각도(θ)는 상기 산출된 각 각도(θ)(180-θ)중 90ㅀ이내인 것으로 결정되며, 산출한 교차점(Po)(Po') 중 상기 수평회전각도(θ)를 이루는 직선(S)와의 교차점(Po)를 스태커의 위치로 결정한다.
이와 같이 산출된 스태커 암(20)의 수평회전각도(θ)와, 상기 레이저스캐너(120)의 레이저빔 조사로 측정된 측정지점까지의 거리데이터를 파라미터로 하여 3차원 회전좌표계변환 과정을 통해 측정지점의 위치에 대한 직교좌표 데이터를 산출한다.
보다 상세하게는 상기 레이저스캐너(120)의 레이저빔 조사각도인 수평회전각도(θ) 및 측정지점까지의 거리를 이용한 극좌표를 산출한다.
상기 측정지점의 극좌표를 이동 및 회전 좌표계변환 과정을 통해 직교좌표(x',y',z') 데이터로 산출하게 된다.
상기 레이저스캐너(120)의 수평회전각도(θ)에 의한 회전좌표계변환은 다음 수학식 3에 의해 산출하게 된다.
Figure 112014115743303-pat00003
여기서, 상기 x,y,z는 회전좌표계변환 전의 좌표값이고, x',y',z'은 회전좌표계변환 후의 직교좌표 데이터이다.
이러한 과정을 통해 야적파일(10)의 3차원 공간데이터를 획득하여 상기 데이터베이스(130)에 저장하게 된다.
한편, 상기 스태커암(22)이 상하로 기울어진 경우에는 상기 레이저스캐너(120)의 조사방향 또한 동일한 각도로 기울어지게 된다.
도 13은 본 발명에 따른 스태커가 상측으로 기울어짐에 따라 레이저스캐너의 조사방향이 도 7과 비교하여 스태커의 경사각 만큼 기울어진 상태를 측정되고 있다.
도 14는 도 13과 같이 스태커암이 상측으로 경사진 경우 경사각도 산출을 설명하기 위한 도로서, 먼저, 상기 중앙처리장치(100)는 상기 GPS모듈(110)로부터 입력된 상기 GPS모듈(110)의 GPS데이터를 TM좌표 데이터로 변환하여, 스태커 암(21)의 고도좌표를 산출한다.
보다 상세하게는 GPS 고도좌표 데이터를 이용하여 상기 스태커 암(22)의 상,하 경사각도(Φ)를 측정한 후, 상기 스태커 암(22)의 상,하 경사각도(Φ)로부터 상기 레이저스캐너(120)의 경사각도를 산출한다.
도 14는 스태커암이 상측으로 경사진 경우 경사각도 산출을 설명하기 위한 도로서, 경사각도(Φ)를 산출하기 위해서는 먼저, 기 저장된 스태커 암(22)이 지상과 평형을 이룬 상태에서 상기 GPS모듈(110)의 높이(ho)와, 측정된 상기 스태커 암(22)이 상,하 방향으로 경사진 상태에서의 GPS모듈의 높이(hg)를 산출한다.
상기 산출된 평행상태의 GPS모듈의 높이(ho)에서 경사진 상태의 GPS모듈 높이(hg)를 감산하여, 스태커 암의 수직변량(h)을 산출하게 된다.
상기 산출된 스태커 암의 수직변량(h)과 기 설정된 스태커 암(22)의 길이(L)를 파라미터로 경사각도(Φ)를 다음 수학식 4를 이용하여 산출한다.
Figure 112014115743303-pat00004
상기 산출된 경사각도(Φ) 및 상기 레이저스캐너(120)의 측정위치까지의 측정된 거리데이터를 이용한 회전 좌표계변환을 통해 직교좌표 데이터를 산출한다.
상기 경사각도(Φ)가 산출됨에 따라 다음 수학식 5를 이용하여 회전좌표계 변환과정을 통해 측정위치의 직교좌표 데이터를 산출하게 된다.
Figure 112014115743303-pat00005
여기서, 여기서, 상기 x,y,z는 회전좌표계변환 전의 좌표값이고, x',y',z'은 회전좌표계 변환 후의 직교좌표 데이터이다.
이와 같은 과정을 통해 상기 레이저스캐너(120)의 조사방향이 경사각도(Φ)만큼 기울어져 측정된 측정위치에 대한 각 직교좌표 데이터 수집을 통해 3차원 공간데이터를 획득하게 된다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위방법 및 장치는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
100 : 중앙처리장치 110 : GPS모듈
120 : 레이저스캐너 130 : 데이터베이스

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 야적 파일 작업을 위해 레일을 타고 이동하는 스태커의 상부 끝단에 레이저스캐너와, 스태커 암 끝단에 GPS(Global Positioning System)모듈을 탑재하고, 상기 레이저스캐너의 스캔데이터 및 GPS모듈로부터 GPS데이터를 입력받은 중앙처리장치에서 상기 야적 파일의 공간데이터를 획득하는 스태커의 위치변화에 따른 야적 파일 측위방법에 있어서,
    상기 중앙처리장치는 상기 GPS모듈로부터 입력된 GPS모듈의 GPS데이터를 TM(Transverse Mercator)좌표 데이터로 변환하는 제1과정;
    상기 TM좌표데이터로부터 스태커의 위치(Po) 및 수평회전각도(θ)를 산출하는 제2과정; 및
    상기 레이저스캐너에 의하여 상기 야적 파일의 측정포인트까지 측정된 거리데이터와 상기 스태커의 위치(Po) 및 회전각도(θ)로 인한 상기 레이저스캐너의 레이저 조사각도를 이용하여 측정지점의 좌표데이터를 산출하는 제3과정;을 포함하되,
    상기 제2과정에서 스태커의 위치 및 수평회전각도는 레일의 양 끝단의 좌표점(Pa)(Pb)을 잇는 직선(R)과 상기 GPS모듈의 좌표점(Pg)에서 직선(R)으로의 법선이 교차하는 교차점을 산출하는 1단계;
    상기 GPS모듈의 좌표점(Pg)를 원점으로 하고, 상기 스태커 회전축과 GPS모듈 길이(L)를 반경(L)으로 이루어진 원호와 상기 직선(R)이 교차하는 두 점(Po)(Po')을 산출하는 2단계;
    상기 교차하는 각 점(Po)(Po')과 상기 GPS모듈의 좌표점(Pg)를 잇는 각 직선을 산출하는 3단계;
    상기 3단계에서 산출한 각 직선과 상기 1단계에서의 직선(R)과의 각도(θ)(180-θ)를 산출하는 4단계;
    상기 4단계에서 산출한 각도(θ)를 상기 스태커 암의 회전각도(θ)로 결정하는 5단계; 및
    상기 2단계 및 5단계에서 산출한 교차점(Po)를 상기 스태커의 위치(Po)로 결정하는 6단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스태커의 위치변화에 따른 야적 파일 측위방법.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 5단계에서 스태커 암의 수평회전각도는 상기 4단계에서 산출한 수평회전각도(θ) 중 '90°'이내인 것으로 결정되며,
    상기 2단계에서 산출한 교차점(Po)(Po') 중 상기 5단계에서 결정한 스태커 암의 수평회전각도의 기준이 되는 교차점(Po)를 스태커의 위치로 결정되는 것을 특징으로 하는 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제3과정의 상기 레이저스캐너의 레이저 조사각도 및 측정지점까지의 거리를 이용한 극좌표를 산출하고,
    상기 극좌표를 이동 및 회전 좌표계변환을 통해 직교좌표 데이터로 산출하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 레이저스캐너의 수평회전각도(θ) 에 의한 회전좌표계변환은 다음 수학식에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위방법.
    [수학식]
    Figure 112014115743303-pat00006

    여기서, 상기 x,y,z는 회전좌표계변환 전의 좌표값이고, x',y',z'은 회전좌표계변환 후의 직교좌표 데이터이다.
  9. 야적 파일 작업을 위해 레일을 타고 이동하는 스태커의 상부 끝단에 레이저스캐너와, 스태커 암 끝단에 GPS(Global Positioning System)모듈을 탑재하고, 상기 레이저스캐너의 스캔데이터 및 GPS모듈로부터 GPS데이터를 입력받은 중앙처리장치에서 상기 야적 파일의 공간데이터를 획득하는 스태커의 위치변화에 따른 야적 파일 측위방법에 있어서,
    상기 중앙처리장치는 상기 GPS모듈로부터 입력된 GPS모듈의 GPS데이터를 TM(Transverse Mercator)좌표 데이터로 변환하는 제1과정; 및
    상기 TM좌표데이터로부터 스태커 암의 고도데이터를 산출하는 제2과정; 및
    상기 레이저스캐너에 의하여 상기 야적 파일의 측정포인트까지 측정된 거리데이터와 상기 스태커의 위치(Po) 및 스태커 암의 경사각도(Φ)로 인한 상기 레이저스캐너의 레이저 조사각도를 이용하여 측정지점의 좌표데이터를 산출하는 제3과정;을 포함하되,
    상기 경사각도(Φ)는 스태커 암이 지상과 평형을 이룬 상태에서 상기 GPS모듈의 높이(ho)와, 상기 스태커 암이 상,하 방향으로 경사진 상태에서의 GPS모듈의 높이(hg)를 산출하는 1단계;
    상기 산출된 평행상태의 GPS모듈의 높이(ho)에서 경사진상태의 GPS모듈 높이(hg)를 감산하여, 스태커 암의 수직변량(h)을 산출하는 2단계; 및
    상기 산출된 스태커 암의 수직변량(h)와 기 설정된 스태커 암의 길이(L)를 파라미터로 경사각도(Φ)를 산출하는 3단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스태커의 위치변화에 따른 야적 파일 측위방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2과정은 GPS 고도 데이터를 이용하여 상기 스태커 암의 상,하 경사각도(Φ)를 측정하는 1단계;
    상기 스태커 암의 상,하 경사각도(Φ)로부터 상기 레이저스캐너의 경사각도를 산출하는 2단계; 및
    상기 경사각도(Φ) 및 상기 레이저스캐너의 측정포인트까지의 측정된 거리데이터를 이용한 회전 좌표계변환을 통해 직교좌표 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 스태커의 위치변화에 따른 야적 파일 측위방법.
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 3단계의 경사각도(Φ)는 다음 수학식에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 스태커의 위치변화에 따른 야적 파일 측위방법.
    [수학식]
    Figure 112015112654526-pat00007
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제3과정에서 경사각도(Φ)에 의한 회전좌표계 변환은 다음 수학식에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 스태커의 위치변화에 따른 야적파일 측위방법.
    [수학식]
    Figure 112015112654526-pat00008

    여기서, 여기서, 상기 x,y,z는 회전좌표계변환 전의 좌표값이고, x',y',z'은 회전좌표계 변환 후의 직교좌표 데이터이다.
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