KR101755383B1 - 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치 및 방법 - Google Patents

수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치 및 방법 Download PDF

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김태성
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김기석
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(주)희송지오텍
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Abstract

본 발명은 수상 운영실에서 수중에서 작업하는 수중 고르기 장비와 유선 통신하면서 수중 고르기 장비의 버킷을 수중 지형에 접촉해나가면서 상대적인 지형 정보를 획득하고 이를 이용하여 지형의 형상정보를 3차원 그래픽으로 시각화함으로써 수중 지형을 모니터링할 수 있는, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치는 순기구학 해석을 통해 상기 수중 고르기 장비의 암 끝단의 좌표를 획득하도록 구성된 좌표 획득부; 상기 좌표 획득부에서 획득된 암 끝단의 좌표를 이용하여 복수의 타겟 좌표를 결정하도록 구성된 타겟 결정부; 상기 타겟 결정부에서 결정된 복수의 타겟 좌표까지의 상기 수중 고르기 장비의 액츄에이터 변화량을 계산하도록 구성된 액츄에이터 변화량 계산부; 상기 액츄에이터 변화량 계산부에서 계산된 상기 액츄에이터 변화량에 따라 상기 액츄에이터를 구동하도록 구성된 액츄에이터 구동부; 상기 수중 고르기 장비의 버켓이 지형에 접촉하는 지의 여부를 결정하도록 구성된 접촉 여부 결정부; 상기 접촉 여부 결정부에서 상기 버켓이 지형에 접촉하면 상기 버켓의 끝단 좌표를 순기구학 해석을 통해 획득하도록 구성된 버켓 끝단 좌표 획득부; 상기 버켓 끝단 좌표 획득부에서 획득된 상기 버켓의 끝단 좌표로부터 상기 수중 고르기 장비의 원점으로부터의 상대적인 지형 정보를 획득하도록 구성된 상대적인 지형 정보 획득부; 및 상기 접촉 여부 결정부에서 결정된 지형 접촉 정보 및 상기 상대적인 지형 정보 획득부에서 획득된 상대적인 지형 정보를 이용하여 지형의 형상정보를 그래픽으로 시각화하도록 구성된 디스플레이부를 포함한다.

Description

수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR RECOGNIZING TOPOGRAPHY USING BUCKET OF UNDERWATER CONSTRUCTION EQUIPMENT FOR RUBBLE MOUND LEVELING WORK}
본 발명은 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 수상 운영실에서 수중에서 작업하는 수중 고르기 장비와 유선 통신하면서 수중 고르기 장비의 버킷을 수중 지형에 접촉해나가면서 상대적인 지형 정보를 획득하고 이를 이용하여 3차원 그래픽으로 시각화함으로써 수중 지형을 모니터링할 수 있는, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치 및 방법에 관한 것이다.
항만 구조물인 케이슨 및 블록 등을 수중에 거치하기 위해서는 기초사석을 투하하고 이 위에 구조물을 설치한다. 이때 기초 사석은 상부구조물을 지지하기 위한 기초토대로서 사석의 규격, 비중, 중량 모양 및 치수 등이 균일하고 치밀하여야 하며 선정시험을 통과한 사석만을 사용하여 시공하야 한다. 또한 이러한 기초 사석을 고르게 만들어 주는 작업은 구조물의 거치 이전에 반드시 이루어져야 한다. 기초 사석은 매우 중요하기 때문에 항만 및 어항설계기준은 편평하거나 세장하지 않고 견정, 치밀, 내구적이며, 풍화나 동결융해로 파괴가 될 염려가 없는 것으로 정의하고 있다. 또한 압축강도가 30MPa 이상이면서 전단강도가 0.02MPa, 내부 마찰각이 35도로 성능 규정을 하고 있다. 기초 사석이 고르지 않고 제대로 다짐이 되지 않을 경우에 상부 구조물이 부등침하가 발생하여 구조물 안정성에 큰 문제가 될 수 있다.
현재 일반적으로 적용되고 있는 수중 고르기 작업은 사석 투하 이후에 잠수부들이 작업 위치에 들어가서 율석을 받고 비개 파이프를 밀고 다니면서 수중에서 고르기 작업을 수행한다. 이 시공 방법은 많은 위험성이 따르고 있기 때문에 수중 작업의 효율성이 상당히 떨어지고 건설 품질의 확인이 불가능하여 품질관리가 어려운 단점을 가지고 있다.
이러한 수중 고르기 작업의 비효율성을 탈피하기 위해서 국내에서는 (유)한국해양개발공사에서는 유인 수중 미니굴삭기를 개발하여 암석과 자갈 등 사석제거 작업에 투입하였으나 수심이 10m 이내로 제한되고 유인으로 운영되기 때문에 시야확보가 되지 않을 경우에는 효율성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 이 밖에도 수중방파제 피복 작업할 수 있는 Stone Diver 등이 개발되었다. 국외의 경우 일본에서 적극적으로 개발을 하였는데 육상의 굴삭기를 수중에서 작업할 수 있도록 개발하였으나 유인으로 움직여야 하기 때문에 작업 효율성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 이에 일본의 PARI와 Toa건설은 무인 굴삭기를 개발하여 현장에 투입하여 시공을 하고 있다.
최근에는 국내의 수중 건설의 무인기계화 시공을 위하여 수상 원격제어, 수중 환경 모니터링 시스템, 수중 기초사석 고르기 및 굴삭용 무인 기계화 장비를 개발하였다.
그러나 이와 같은 무인 기계화 장비는 수중 초음파 센서를 이용하여 수중에서 장비의 위치를 인식하게 되고, 스캔소나센서 시스템을 이용하여 장비 주위 지형을 인식하게 된다. 따라서 노이즈로 인해 장비의 위치와 지형의 매칭이 이루어지지 않거나 수중 초음파 센서의 사각지대로 인해 장비가 사고의 위험에 노출된다는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 수중 지형을 외부에서 유입되는 노이즈나 전파 사각지대와 관계없이 장비위치에 대해서 상대적으로 측정할 수 있는, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 고가의 스캔소나센서 시스템 또는 수중 초음파 센서를 이용하지 않는 설치비용이 저가인, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시형태에 의한 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치는 수상 운영실에 설치되어 수중에서 작업하는 수중 고르기 장비와 유선 통신하면서 수중 고르기 장비의 버킷을 이용하여 지형 인식을 하는 장치로서: 순기구학 해석을 통해 상기 수중 고르기 장비의 암 끝단의 좌표를 획득하도록 구성된 좌표 획득부; 상기 좌표 획득부에서 획득된 암 끝단의 좌표를 이용하여 복수의 타겟 좌표를 결정하도록 구성된 타겟 결정부; 상기 타겟 결정부에서 결정된 복수의 타겟 좌표까지의 상기 수중 고르기 장비의 액츄에이터 변화량을 계산하도록 구성된 액츄에이터 변화량 계산부; 상기 액츄에이터 변화량 계산부에서 계산된 상기 액츄에이터 변화량에 따라 상기 액츄에이터를 구동하도록 구성된 액츄에이터 구동부; 상기 수중 고르기 장비의 버켓이 지형에 접촉하는 지의 여부를 결정하도록 구성된 접촉 여부 결정부; 상기 접촉 여부 결정부에서 상기 버켓이 지형에 접촉하면 상기 버켓의 끝단 좌표를 순기구학 해석을 통해 획득하도록 구성된 버켓 끝단 좌표 획득부; 상기 버켓 끝단 좌표 획득부에서 획득된 상기 버켓의 끝단 좌표로부터 상기 수중 고르기 장비의 원점으로부터의 상대적인 지형 정보를 획득하도록 구성된 상대적인 지형 정보 획득부; 및 상기 접촉 여부 결정부에서 결정된 지형 접촉 정보 및 상기 상대적인 지형 정보 획득부에서 획득된 상대적인 지형 정보를 이용하여 지형의 형상정보를 그래픽으로 시각화하도록 구성된 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태에 의한 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치에 있어서, 상기 접촉 여부 결정부는 상기 버켓의 조인트 부분에 결합된 하나 이상의 핀타입 로드셀의 부하를 검출하여 버켓의 지형에 대한 접촉 여부를 결정할 수 있다.
상기 실시형태에 의한 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치에 있어서, 상기 핀타입 로드셀은 상기 버켓의 조인트 부분에 설치되어 회전되도록 구성되며, 순기구학을 통해 중력방향에 대한 회전각도가 구해져 출력이 보상될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시형태에 의한 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 방법은 좌표 획득부가 순기구학 해석을 통해 상기 수중 고르기 장비의 암 끝단의 좌표를 획득하는 단계; 타켓 결정부가 상기 암 끝단 좌표 획득 단계에서 획득된 암 끝단의 좌표를 이용하여 복수의 타겟 좌표를 결정하는 단계; 액츄에이터 변화량 계산부가 상기 타겟 좌표 결정 단계에서 결정된 타겟 좌표까지의 상기 수중 고르기 장비의 액츄에이터 변화량을 계산하는 단계; 액츄에이터 구동부가 상기 액츄에이터 변화량 계산 단계에서 계산된 상기 액츄에이터 변화량에 따라 상기 액츄에이터를 구동하는 단계; 접촉 여부 결정부에 의해 상기 수중 고르기 장비의 버켓이 지형에 접촉하는 지의 여부가 결정되는 단계; 상기 접촉 여부 결정 단계에서 상기 버켓이 지형에 접촉하면, 버켓 끝단 좌표 획득부에 의해 상기 버켓의 끝단 좌표가 순기구학 해석을 통해 획득되는 단계; 상대적인 지형 정보 획득부가 상기 버켓의 끝단 좌표 획득 단계에서 획득된 상기 버켓의 끝단 좌표로부터 상기 수중 고르기 장비의 원점으로부터의 상대적인 지형 정보를 획득하는 단계; 및 디스플레이부가 상기 접촉 여부 결정 단계에서 결정된 지형 접촉 정보 및 상기 상대적인 지형 정보 획득 단계에서 획득된 상대적인 지형 정보를 이용하여 지형의 형상정보를 그래픽으로 시각화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 실시형태에 의한 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 방법은 상기 접촉 여부 결정 단계에서 상기 버켓이 지형에 접촉하지 않으면, 상기 액츄에이터 구동 단계로 진행될 수 있다.
상기 다른 실시형태에 의한 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 방법에 있어서, 상기 접촉 여부 결정부는 상기 버켓의 조인트 부분에 결합된 하나 이상의 핀타입 로드셀의 부하를 검출하여 버켓의 지형에 대한 접촉 여부를 결정할 수 있다.
상기 다른 실시형태에 의한 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 방법에 있어서, 상기 핀타입 로드셀은 상기 버켓의 조인트 부분에 설치되어 회전되도록 구성되며, 순기구학을 통해 중력방향에 대한 회전각도가 구해져 출력이 보상될 수 있다.
본 발명의 실시형태들에 의한, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 방법에 의하면, 좌표 획득부가 순기구학 해석을 통해 상기 수중 고르기 장비의 암 끝단의 좌표를 획득하고, 타겟 결정부가 상기 좌표 획득부에서 획득된 암 끝단의 좌표를 이용하여 복수의 타겟 좌표를 결정하며, 액츄에이터 변화량 계산부가 상기 타겟 결정부에서 결정된 복수의 타겟 좌표까지의 상기 수중 고르기 장비의 액츄에이터 변화량을 계산하며, 액츄에이터 구동부가 상기 액츄에이터 변화량 계산부에서 계산된 상기 액츄에이터 변화량에 따라 상기 액츄에이터를 구동하며, 접촉 여부 결정부가 상기 수중 고르기 장비의 버켓이 지형에 접촉하는 지의 여부를 결정하며, 버켓 끝단 좌표 획득부가 상기 접촉 여부 결정부에서 상기 버켓이 지형에 접촉하면 상기 버켓의 끝단 좌표를 순기구학 해석을 통해 획득하며, 지형 정보 획득부가 상기 버켓 끝단 좌표 획득부에서 획득된 상기 버켓의 끝단 좌표로부터 상기 수중 고르기 장비의 원점으로부터의 상대적인 지형 정보를 획득하며, 디스플레이부가 상기 접촉 여부 결정부에서 결정된 지형 접촉 정보 및 상기 상대적인 지형 정보 획득부에서 획득된 상대적인 지형 정보를 이용하여 지형의 형상정보를 그래픽으로 시각화하도록 구성됨으로써; 수중 지형을 외부에서 유입되는 노이즈나 전파 사각지대와 관계없이 장비 위치에 대해 상대적으로 측정할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시형태들에 의한, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 방법에 의하면, 수상 운영실에서 수중에서 작업하는 수중 고르기 장비와 유선 통신하며, 수중 고르기 장비의 버킷의 지형 접촉 여부를 결정(즉, 버켓의 조인트 부분에 결합된 하나 이상의 핀타입 로드셀의 부하를 검출하여 버켓의 지형에 대한 접촉 여부를 결정)하여 지형을 인식하는 방식이므로, 고가의 스캔소나센서 시스템 또는 수중초음파 센서를 이용하지 않아 설치비용이 저가라는 다른 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 적용되는 수중 고르기 장비의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 버켓의 지형 접촉 여부를 결정하기 위해 이용되는 핀타입 로드셀이 수중 고르기 장비의 버켓 조인트 부분에 설치된 것을 나타내는 도면이다.
도 5는 지형 접촉시 핀타입 로드셀의 출력값 그래프이다.
도 6은 지형 인식시 수중 고르기 장비의 타겟 좌표(P01, P02, P03)를 나타내는 도면이다.
도 7은 지형인식을 위한 버켓의 타겟 좌표를 나타낸 도면이다.
도 8은 버켓을 이용한 지형인식 실험도이다.
도 9는 버켓의 접촉을 이용한 지형 생성도이다.
도 10은 버켓의 긁기 공정을 나타낸 도면으로서, (a)는 긁기 전, (b)는 긁기 중, (c)는 긁기 후를 나타낸 도면이다.
도 11은 지형 인식도이다.
도 12는 수중 고르기 장비의 사석 마운드 제거 공정을 나타낸 도면이다.
도 13은 수중 고르기 장비의 고르기 공정을 나타낸 도면으로서, (a)는 고르기 작업 중, (b)는 작업 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 수중 고르기 장비의 좌표계 및 각도를 정의한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치의 블록 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 적용되는 수중 고르기 장비의 구성을 나타내는 도면이며, 도 4는 도 1의 버켓의 지형 접촉 여부를 결정하기 위해 이용되는 핀타입 로드셀이 수중 고르기 장비의 버켓 조인트 부분에 설치된 것을 나타내는 도면이며, 도 5는 지형 접촉시 핀타입 로드셀의 출력값 그래프이며, 도 6은 지형 인식시 수중 고르기 장비의 타겟 좌표(P01, P02, P03)를 나타내는 도면이며, 도 7은 지형인식을 위한 버켓의 타겟 좌표를 나타낸 도면이다.
먼저, 본 발명의 실시예에 적용되는 수중 고르기 장비에 대해 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 수중 고르기 장비는, 도 3에 도시된 바와 같이, 하부에 지면과 맞닿는 위치에 설치되는 무한궤도로서의 트랙(50), 트랙(50) 상부에 배치되어 360도 회전 운동하는 스윙(60), 스윙(60)에 조립되어 스윙과 함께 회전운동을 하는 상부플랫폼(70), 상부플랫폼(70)에 일단부가 장착되어 지지봉의 역할을 하는 붐(20), 붐(20)의 일단에 부착되어 버켓(40)을 지지하는 역할을 하는 암(30), 암(30)의 선단에 장착되어 토사 또는 사석들을 운반하며 본 발명에서는 특히 지형을 인식하기 위해 지형에 접촉하는 역할을 하는 버켓(40), 및 붐(20)과 상부플랫폼(70) 사이 및 붐(20)과 암(30) 사이에 각각 양단부가 장착되어 붐(20), 암(30) 및 버켓(40)의 구동을 제어하는 액츄에이터(10)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의한, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치는 수상 운영실에 설치되어 수중에서 작업하는 수중 고르기 장비와 유선 통신하면서 수중 고르기 장비의 버킷을 이용하여 지형 인식을 하는 장치이다.
본 발명의 실시예에 의한, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 좌표 획득부(100), 타겟 결정부(200), 액츄에이터 변화량 계산부(300), 액츄에이터 구동부(400), 접촉 여부 결정부(500), 버켓 끝단 좌표 획득부(600), 상대적인 지형 정보 획득부(700) 및 디스플레이부(800)를 포함한다.
좌표 획득부(100)는 순기구학 해석을 통해 수중 고르기 장비의 암(30) 끝단의 좌표를 획득하는 역할을 한다.
타겟 결정부(200)는 좌표 획득부(100)에서 획득된 암(30) 끝단의 좌표를 이용하여 복수의 타겟 좌표를 결정하는 역할을 한다. 도 6은 지형 인식시 수중 고르기 장비의 타겟 좌표(P01, P02, P03)를 나타내는 도면으로서, 여기서 타켓 좌표가 3개인 것을 예로 들었으나 2개 또는 4개 이상도 가능하다.
액츄에이터 변화량 계산부(300)는 타겟 결정부(200)에서 결정된 복수의 타겟 좌표까지의 수중 고르기 장비의 액츄에이터(10) 변화량을 계산하는 역할을 한다.
접촉 여부 결정부(500)는 수중 고르기 장비의 버켓(40)이 지형에 접촉하는 지의 여부를 결정하는 역할을 한다. 접촉 여부 결정부(500)는 버켓(40)의 조인트 부분에 결합된 하나 이상의 핀타입 로드셀의 부하를 검출하여 버켓(40)의 지형에 대한 접촉 여부를 결정하는 역할을 한다.
도 4는 도 1의 버켓(40)의 지형 접촉 여부를 결정하기 위해 이용되는 핀타입 로드셀(L)이 수중 고르기 장비의 버켓 조인트(33) 부분에 설치된 것을 나타내는 도면이다. 핀타입 로드셀(L)은 2Boom 쪽과 4Bar 쪽 조인트에 총 2개를 설치하여 그 측정범위를 넓혔다. 각각의 핀타입 로드셀(L)은 4 ~ 20mA 출력을 내며 최대 10T의 하중을 측정할 수 있다. 일반적으로 핀타입 로드셀(L)은 설치방향이 고정되어 있으나 본 발명에서는 버켓(40)에 설치되어 회전하므로 동일하중에 대해 다른 출력을 내게 된다.
아래의 표 1은 핀타입 로드셀(L)의 하중 방향에 따른 출력변화를 나타내는 것으로 10T의 하중을 인가하고, 하중의 방향에 대해 핀타입 로드셀의 방향(각도)를 변경했을 때 출력값을 측정한 것으로 본발명의 실시에서 순기구학을 통해 중력방항에 대한 핀타입 로드셀(L)의 회전각도를 구해 출력을 보상하면 버켓(40)의 회전각도에 상관없이 정확한 부하 측정을 할 수 있다.
[표 1]
Figure 112017031967233-pat00001
도 5는 지형 접촉시 핀타입 로드셀(L)의 출력값 그래프이다. 실제 버켓(40)이 지면에 접촉하였을 때 핀타입 로드셀(L)의 값을 관찰하였으며 도 5는 이때의 부하를 그래프로 나타낸 것이다. 버켓(40)이 지면에 접촉하기 전에는 버켓(40)의 무게에 의해 약 0.4t의 하중을 받다가 접촉한 시점부터 2Boom쪽 핀타입 로드셀은 약 1.8t, 4Bar쪽 핀타입 로드셀은 약 1.3t으로 값이 변함을 알 수 있다. 이 값의 변화를 통해 버켓(40)의 지형 접촉 여부를 판단할 수 있다.
버켓 끝단 좌표 획득부(600)는 접촉 여부 결정부(500)에서 버켓(40)이 지형에 접촉할 경우 버켓(40)의 끝단 좌표를 순기구학 해석을 통해 획득하는 역할을 한다.
상대적인 지형 정보 획득부(700)는 버켓 끝단 좌표 획득부(600)에서 획득된 버켓(40)의 끝단 좌표로부터 수중 고르기 장비의 원점으로부터의 상대적인 지형 정보를 획득하는 역할을 한다.
디스플레이부(800)는 접촉 여부 결정부(500)에서 결정된 지형 접촉 정보 및 상대적인 지형 정보 획득부(700)에서 획득된 상대적인 지형 정보를 이용하여 지형의 형상정보를 그래픽으로 시각화하는 역할을 한다.
한편, 버켓(40)을 이용한 지형인식은 대략적인 지형의 고저/사석 마운드의 유무를 판단하는 용으로 주행하는데 안전상의 문제가 없는지, 버켓(40)을 이용하여 마운드를 깎을지를 판단하게 된다. 지형 접촉점이 많으면 많을수록 더 정밀한 지형을 획득할 수 있으나 본 발명에서는 대략적인 지형 형상만 있으면 되므로 도 7과 같이 타겟 좌표(20개)를 정의하였다. 이와 같이 좌표를 정의할 경우 넓은 지역의 지형을 인식할 수 있고 스윙(60)의 운동을 최소화 할 수 있어 지형 인식 시간을 단축할 수 있다. 타겟 좌표가 20개인 경우를 예로 들었으나, 실질적으로는 스윙(60)이 360도 회전 가능하므로 타겟 좌표의 수는 얼마든지 증가될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치를 이용한 지형 인식 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 방법을 설명하기 위한 플로우챠트로서, 여기서 S는 스텝(step)을 의미한다.
먼저, 좌표 획득부(100)이 순기구학 해석을 통해 수중 고르기 장비의 암(30) 끝단의 좌표를 획득한다(S10).
이어서, 타켓 결정부(200)가 상기 스텝(S10)에서 획득된 암(30) 끝단의 좌표를 이용하여 복수의 타겟 좌표를 결정한다(S20).
스텝(S30)에서는 액츄에이터 변화량 계산부(300)가 상기 스텝(S20)에서 결정된 타겟 좌표까지의 수중 고르기 장비의 액츄에이터(10) 변화량을 계산한다.
스텝(S40)에서는 액츄에이터 구동부(400)가 상기 스텝(S30)에서 계산된 액츄에이터 변화량에 따라 액츄에이터(10)을 구동시킴으로써 버킷(40)은 타겟 좌표로 이동되기 시작한다.
스텝(S50)에서는 접촉 여부 결정부(500)가 수중 고르기 장비의 버켓(40)이 지형에 접촉하는 지의 여부를 결정한다.
상기 스텝(S50)에서 버켓(40)이 지형에 접촉하면(YES), 버켓 끝단 좌표 획득부(600)은 버켓(40)의 끝단 좌표를 순기구학 해석을 통해 획득한다(S60).
이어서, 상대적인 지형 정보 획득부(700)가 상기 스텝(S60)에서 획득된 버켓(40)의 끝단 좌표로부터 수중 고르기 장비의 원점으로부터의 상대적인 지형 정보를 획득한다(S70).
이후, 디스플레이부(800)가 상기 스텝(S50)에서 결정된 지형 접촉 정보 및 상기 스텝(S70)에서 획득된 상대적인 지형 정보를 이용하여 지형의 형상정보를 그래픽으로 시각화한다(S80).
한편, 상기 스텝(S50)에서 버켓(40)이 지형에 접촉하지 않으면(NO), 상기 스텝(S40)으로 진행된다.
이하, 본 발명에 적용된 순기구학 및 역기구학에 대해서 설명하기로 한다.
[순기구학]
1. 고르기 장비의 좌표부여
고르기 장비를 이용한 지형인식을 하기 위해 우선 고르기 장비에 대한 좌표를 부여해야한다(도 14 참조).
작업영의 기준이 되는 월드좌표 {W}를 부여한다. 트랙의 좌표계의 원점은 {
Figure 112017031967233-pat00002
}로 명명하며 {W}에 대해 이동하고 지형에 따라 방위를 가지며, 방위
Figure 112017031967233-pat00003
는 AHRS 센서(자세방위 장치로서 3차원 방위를 계산한다)에 의해 측정된다. {
Figure 112017031967233-pat00004
}는 트랙과 지면이 맞닿는 부분과 스윙의 중심축 교점에 부여하며 좌표{
Figure 112017031967233-pat00005
}은 스윙의 중심축에 부여한다. 좌표{15}는 좌표{1}과 방위는 같고 원점은
Figure 112017031967233-pat00006
에 위치한다. 좌표{2}는 암의 메인 붐(Main Boom)의 회전 중심축에 부여하며, 좌표{3}은 암의 투 붐(Two Boom)의 회전 중심축에 부여하고, 좌표{4}는 버켓의 회전 중심축에 부여하고, 마지막 좌표{5}는 버켓의 끝단에 부여한다.
조인트 각도의 경우,
Figure 112017031967233-pat00007
은 스윙 모터(Swing Motor)가 회전한 각도로 좌표{
Figure 112017031967233-pat00008
}이 {
Figure 112017031967233-pat00009
}에 대해 회전한 각도이다.
Figure 112017031967233-pat00010
는 좌표{2}의 X-축이 좌표{15}의 X-축에 대해 회전한 각도이고,
Figure 112017031967233-pat00011
는 좌표{3}의 X-축이 좌표{2}의 X-축에 대해 회전한 각도,
Figure 112017031967233-pat00012
는 좌표{4}의 X-축이 좌표{3}의 X-축에 대해 회전한 각도라 정의 한다.
고르기 장비의 경우 유압에 의한 액츄에이터(실린더라고도 함) 길이의 조정으로 버켓이 움직인다. 액추에이터 각도 및 길이정보로부터 움직여진 버켓의 좌표정보를 얻기 위해 순방향 기구학이 필요하다. 순방향 기구학은 관련 분야의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 일반적으로 공개된 분야이므로 그 상세내용은 본 명세서에서는 생략하기로 한다.
[역기구학]
고르기 장비의 버켓의 끝단부의 위치와 자세(Euler angle)가 주어질 때 이에 대응하는 액츄에이터의 구동 길이 및 각도를 계산하는 방법으로 이 또한 관련 분야의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 일반적으로 공개된 분야이므로 그 상세내용은 본 명세서에서는 생략하기로 한다.
[지형인식/긁기 실험]
위와 같이 구성된 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치 및 방법을 이용하여 버켓이 지형을 접촉한 위치를 구할 수 있고 이를 화면에 3D로 표현하면 접촉한 지형을 시각화 할 수 있다.
도 8과 같이 사석 지형과 장비 측면에 옹벽이 있는 곳에서 지형인식 실험을 수행하였다.
도 9의 (a)는 임의로 지형을 듬성듬성 접촉하고 이를 지형으로 나타낸 것이다. 지형의 색을 이용하여 높낮음을 판단할 수 있으나 접촉된 점들의 연결이 없어 지형의 형태를 쉽게 판단할 수 없다. 그러므로 각 접촉점을 연결하여 지형이 면으로 나타나도록 선형 보간 방법을 적용하였다.
도 9의 (b)는 그 결과로 지형 형상을 더 쉽게 확인할 수 있었다. 장비 좌측부에 높은 지형이 있으며 우측부로 올수록 지형이 점점 낮아짐을 알 수 있다.
지형인식으로 전방에 사석 마운드가 있을 경우 버켓을 이용하여 이를 적당히 고르는 작업을 수행해야 한다. 도 10은 사석 마운드가 검출되었을 경우 긁기 공정으로 사석 마운드가 제거되는 장면이다. 3D 화면의 노란색 사석 마운드가 긁기 작업 후 제거됨을 볼 수 있다.
[육상 모의 작업]
수중 고르기 작업은 운전자가 운전실에서 VR 시스템에서 제공하는 그래픽과 이미지 소나, 스캔 소나, 카메라 등의 영상을 보면서 원격으로 조종해 행하여진다. 육상실험을 통해 장비의 지형인식/긁기/고르기 작업 성향과 시공 정도를 확인하고자 한다. 즉, 자동 지형인식 알고리즘을 이용하여 주어진 좌표의 지형 높낮이를 측정하고 이를 지형으로 나타낸다. 사석 마운드를 긁기 작업으로 부분적으로 고르기 작업 후 블레이드를 이용하여 마무리 작업을 수행한다.
1) 자동 지형 인식 : 도 11은 지형인식 중의 3D 영상과 장비 영상이다. 임의로 생성한 사석 마운드를 버켓의 이빨로 접촉을 하므로 이빨이 사석 마운드 안으로 들어가 실제 높이보다 작게 나오는 문제가 있으나 마운드의 유무 및 대략적인 높이를 판단하는 데에는 문제가 없다. 또한 생성한 사석 마운드는 율석을 이용하였으므로 실제 작업 현장의 사석에서는 이 오차가 줄어들 것이다. 임의로 생성한 사석 마운드가 3D VR모니터에 붉은색으로 나타나 장비 전방에 사석 마운드가 있음을 알 수 있다.
2) 긁기 공정 : 이 작업은 블레이드를 이용한 고르기 작업이 좀 더 원활히 되도록 사석 마운드를 낮게 펼치는 공정이다. 지형인식 후 사석 마운드가 있을 경우 긁기 공정을 수행하여야 한다. 도 12는 자동 긁기 공정을 이용하여 마운드를 굴삭/긁기를 수행하고 수동으로 운전자가 마운드 측면에 사석을 이동하는 영상이다. VR 영상의 사석 마운드가 긁기 공정을 통해 조금씩 깎이는 것을 확인할 수 있다.
3) 고르기 공정 : 사석면을 블레이드로 평탄화 하는 공정으로 도 13의 (a)와 같이 수행되었으며 3회 반복한 결과 도 13의 (b)와 같이 사석 마운드가 제거되고 고르기 되었다.
이와 같이, 육상실험을 통해 버켓을 이용한 지형인식의 가능성을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 더 안전하게 수중 고르기 작업을 수행할 수 있다. 긁기 작업을 통해 높은 사석 마운드를 낮추므로 블레이드 작업 시 부하를 분산하여 고르기 정도를 높일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 방법에 의하면, 좌표 획득부가 순기구학 해석을 통해 상기 수중 고르기 장비의 암 끝단의 좌표를 획득하고, 타겟 결정부가 상기 좌표 획득부에서 획득된 암 끝단의 좌표를 이용하여 복수의 타겟 좌표를 결정하며, 액츄에이터 변화량 계산부가 상기 타겟 결정부에서 결정된 복수의 타겟 좌표까지의 상기 수중 고르기 장비의 액츄에이터 변화량을 계산하며, 액츄에이터 구동부가 상기 액츄에이터 변화량 계산부에서 계산된 상기 액츄에이터 변화량에 따라 상기 액츄에이터를 구동하며, 접촉 여부 결정부가 상기 수중 고르기 장비의 버켓이 지형에 접촉하는 지의 여부를 결정하며, 버켓 끝단 좌표 획득부가 상기 접촉 여부 결정부에서 상기 버켓이 지형에 접촉하면 상기 버켓의 끝단 좌표를 순기구학 해석을 통해 획득하며, 지형 정보 획득부가 상기 버켓 끝단 좌표 획득부에서 획득된 상기 버켓의 끝단 좌표로부터 상기 수중 고르기 장비의 원점으로부터의 상대적인 지형 정보를 획득하며, 디스플레이부가 상기 접촉 여부 결정부에서 결정된 지형 접촉 정보 및 상기 상대적인 지형 정보 획득부에서 획득된 상대적인 지형 정보를 이용하여 지형의 형상정보를 그래픽으로 시각화하도록 구성됨으로써; 수중 지형을 외부에서 유입되는 노이즈나 전파 사각지대와 관계없이 장비위치에 대해서 상대적으로 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 방법에 의하면, 수상 운영실에서 수중에서 작업하는 수중 고르기 장비와 유선 통신하며, 수중 고르기 장비의 버킷의 지형 접촉 여부를 결정(즉, 버켓의 조인트 부분에 결합된 하나 이상의 핀타입 로드셀의 부하를 검출하여 버켓의 지형에 대한 접촉 여부를 결정)하여 지형을 인식하는 방식이므로, 고가의 스캔소나센서 시스템 또는 수중초음파 센서를 이용하지 않아 설치비용이 저가이다.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 좌표 획득부
200: 타켓 결정부
300: 액츄에이터 변화량 계산부
400: 액츄에이터 구동부
500: 접촉 여부 결정부
600: 버켓 끝단 좌표 획득부
700: 상대적인 지형 정보 획득부
800: 디스플레이부

Claims (4)

  1. 수상 운영실에 설치되어 수중에서 작업하는 수중 고르기 장비와 유선 통신하면서 수중 고르기 장비의 버킷을 이용하여 지형 인식을 하는 장치로서:
    순기구학 해석을 통해 상기 수중 고르기 장비의 암 끝단의 좌표를 획득하도록 구성된 좌표 획득부;
    상기 좌표 획득부에서 획득된 암 끝단의 좌표를 이용하여 복수의 타겟 좌표를 결정하도록 구성된 타겟 결정부;
    상기 타겟 결정부에서 결정된 복수의 타겟 좌표까지의 상기 수중 고르기 장비의 액츄에이터 변화량을 계산하도록 구성된 액츄에이터 변화량 계산부;
    상기 액츄에이터 변화량 계산부에서 계산된 상기 액츄에이터 변화량에 따라 상기 액츄에이터를 구동하도록 구성된 액츄에이터 구동부;
    상기 수중 고르기 장비의 버켓이 지형에 접촉하는 지의 여부를 결정하도록 구성된 접촉 여부 결정부;
    상기 접촉 여부 결정부에서 상기 버켓이 지형에 접촉하면 상기 버켓의 끝단 좌표를 순기구학 해석을 통해 획득하도록 구성된 버켓 끝단 좌표 획득부;
    상기 버켓 끝단 좌표 획득부에서 획득된 상기 버켓의 끝단 좌표로부터 상기 수중 고르기 장비의 원점으로부터의 상대적인 지형 정보를 획득하도록 구성된 상대적인 지형 정보 획득부; 및
    상기 접촉 여부 결정부에서 결정된 지형 접촉 정보 및 상기 상대적인 지형 정보 획득부에서 획득된 상대적인 지형 정보를 이용하여 지형의 형상정보를 그래픽으로 시각화하도록 구성된 디스플레이부를 포함하는, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉 여부 결정부는
    상기 버켓의 조인트 부분에 결합된 하나 이상의 핀타입 로드셀의 부하를 검출하여 버켓의 지형에 대한 접촉 여부를 결정하는, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 핀타입 로드셀은
    상기 버켓의 조인트 부분에 설치되어 회전되도록 구성되며,
    순기구학을 통해 중력방향에 대한 회전각도가 구해져 출력이 보상되는, 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치.
  4. 제 1 항에 기재된 수중 고르기 장비의 버킷을 이용한 지형 인식 장치를 이용한 지형 인식 방법으로서:
    좌표 획득부가 순기구학 해석을 통해 상기 수중 고르기 장비의 암 끝단의 좌표를 획득하는 단계;
    타켓 결정부가 상기 암 끝단 좌표 획득 단계에서 획득된 암 끝단의 좌표를 이용하여 복수의 타겟 좌표를 결정하는 단계;
    액츄에이터 변화량 계산부가 상기 타겟 좌표 결정 단계에서 결정된 타겟 좌표까지의 상기 수중 고르기 장비의 액츄에이터 변화량을 계산하는 단계;
    액츄에이터 구동부가 상기 액츄에이터 변화량 계산 단계에서 계산된 상기 액츄에이터 변화량에 따라 상기 액츄에이터를 구동하는 단계;
    접촉 여부 결정부에 의해 상기 수중 고르기 장비의 버켓이 지형에 접촉하는 지의 여부가 결정되는 단계;
    상기 접촉 여부 결정 단계에서 상기 버켓이 지형에 접촉하면, 버켓 끝단 좌표 획득부에 의해 상기 버켓의 끝단 좌표가 순기구학 해석을 통해 획득되는 단계;
    상대적인 지형 정보 획득부가 상기 버켓의 끝단 좌표 획득 단계에서 획득된 상기 버켓의 끝단 좌표로부터 상기 수중 고르기 장비의 원점으로부터의 상대적인 지형 정보를 획득하는 단계; 및
    디스플레이부가 상기 접촉 여부 결정 단계에서 결정된 지형 접촉 정보 및 상기 상대적인 지형 정보 획득 단계에서 획득된 상대적인 지형 정보를 이용하여 지형의 형상정보를 그래픽으로 시각화하는 단계를 포함하는 지형 인식 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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