KR102034281B1 - 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법 - Google Patents

단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법 Download PDF

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정진우
김인환
임동우
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동국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 토사물이 담긴 굴삭기 버켓의 이미지를 정면에서 촬영하여, 촬영된 굴삭기 버켓 이미지 내 토사물 영역의 특징점들을 추출하고, 추출한 특징점들의 기하학적 구조 및 정보에 기반한 단순화 과정을 통해, 버켓 내 토사가 쌓인 상태를 분류하고, 분류된 토사 상태에 따라 각각 해당 상태에 최적화된 체적 산출 방식을 적용함으로서, 3차원 영상이 아닌 단일 카메라 이미지만으로도 굴삭기 버캣 내 토사물의 체적을 효과적으로 산출할 수 있어 체적 계측 처리의 고속화 및 저비용의 실현을 도모할 수 있으며, 작업된 토공량을 실시간으로 산출할 수 있게 되어, 토목 사업에서 굴착 작업의 작업 효율을 향상시킬 수 있는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법에 관한 것이다.

Description

단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법{Method of calculating soil volume in excavator bucket using single camera}
본 발명은 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 토사물이 담긴 굴삭기 버켓의 이미지를 정면에서 촬영하여, 촬영된 굴삭기 버켓 이미지 내 토사물 영역의 특징점들을 추출하고, 추출한 특징점들의 기하학적 구조 및 정보에 기반한 단순화 과정을 통해, 버켓 내 토사가 쌓인 상태를 분류하고, 분류된 토사 상태에 따라 각각 해당 상태에 최적화된 체적 산출 방식을 적용함으로서, 3차원 영상이 아닌 단일 카메라 이미지만으로도 굴삭기 버캣 내 토사물의 체적을 효과적으로 산출할 수 있어 체적 계측 처리의 고속화 및 저비용의 실현을 도모할 수 있으며, 작업된 토공량을 실시간으로 산출할 수 있게 되어, 토목 사업에서 굴착 작업의 작업 효율을 향상시킬 수 있는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법에 관한 것이다.
토공사는 도로, 공항, 단지 조성 등과 같이 대부분의 토목 및 건축 공사에 필요한 가장 기본적인 공종으로 주로 굴삭기, 로더, 도저와 같은 건설장비를 활용하여 수행되고 있다. 그리고, 이러한 여러 건설장비 중 굴삭기는 가장 널리 사용되는 토공장비로서 전체 건설기계 중 약 31%를 차지하고 있으며 매년 등록대수가 증가하고 있는 실정이다.
굴삭기는 주로 땅을 파는 굴삭작업, 토사를 운반하는 적재작업, 건물을 해체하는 파쇄작업, 지면을 정리하는 정지작업 등을 행하며, 크게 굴삭장비 및 굴삭장비와 착탈가능하게 결합되는 작업장치로 구분된다. 상기 작업장치는 대표적으로 버켓(bucket)이 될 수 있다.
그러나, 굴삭기를 통해 굴삭작업이나 적재작업을 수행하는 경우, 정확한 작업 진행을 위해서는 굴삭 작업에 따른 토공량의 산출이 매우 중요한데, 현재 토공량의 산출은 대부분 굴삭기 작업운전자의 경험적인 판단에 의존하거나, 토사 운반을 위한 트럭을 통한 단순계산으로 이루어지고 있다.
즉, 굴삭작업의 경우 공사현장에 투입된 측량 기사가 말뚝을 삽입하여 작업 범위를 지정하고, 이를 기준으로 장비 운전자가 자신의 경험적인 판단에 의해 굴삭 작업을 진행함으로써 노동인력에 전적으로 의존하고 있는 실정이며, 정확한 작업 진행을 위하여 굴삭작업 중 빈번하게 측량작업을 수행하고, 이러한 측량작업은 정확한 계획 깊이를 맞출때까지 반복됨에 따라 굴삭 작업 중에 잦은 작업 중단이 발생되고, 이에 따라 전체 굴삭 작업 시간이 길어지는 문제점이 있었다.
또한, 토공량 산출의 경우, 토사 운반 트럭의 수에 트럭의 용량을 단순 곱하여 연산하는 방법이 이용되고 있다. 예를 들어, 1톤 트럭 6대가 굴삭한 흙을 싣고 출발한 경우에는 1톤×6 = 6톤으로 토공량을 산출하는 방법이 이용되고 있다. 그러나, 굴삭기의 버켓에 실리는 토사량은 항상 일정하지 않고, 이에 따라 굴삭기에 의해 같은 횟수로 토량 배분을 수행한다해도 토사운반 트럭에 실리는 토사량이 일정하지 않아, 토공량 산출의 정확성 및 신뢰도가 저하됨에 따라 작업 효율성이 감소하는 등의 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 한국등록특허 제916,638호에는 구조광을 이용하여 3D 지반 형상 이미지를 통해 토공량을 실시간으로 산출하는 방법을 개시하고 있다.
한국등록특허 제916,638호는 굴삭기의 암의 각 절곡점에 제어센서부를 각각 설치하여 굴삭기 암의 위치 및 굴절각을 감지하고, 제어센서부의 출력으로 굴삭기 암의 일측 단부에 구비된 버켓의 작업 영역인 지반영상을 촬영하며, 촬영된 영상을 3차원 이미지로 변환하여 이전 3D 지반 형상 이미지와 현재 3D 지반 형상 이미지를 비교하여 변화된 지형의 레벨 및 부피를 산출함으로써, 굴삭기 버켓으로 굴삭된 토공량을 산출한다.
그러나, 한국등록특허 제916,638호는 이전 3D 지반 형상 이미지와 현재 3D 지반 형상 이미지를 비교하여 변화된 지형의 레벨 및 부피를 산출하고, 이를 기반으로 굴삭된 토공량을 산출함에 따라 굴삭기 버켓 내 토사물의 체적을 실시간으로 확인할 수 없으며, 버켓 작업 영역의 영상을 3차원 이미지로 획득하기 위해서는 카메라 2대 이상을 활용한 스테레오 카메라가 구비되어야 함에 따라 비용이 상승함과 동시에 3차원 이미지를 생성하기 위한 복잡한 처리가 필요해, 계측효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
1. 한국등록특허 제916,638호(등록일 : 2006. 5. 16) "체적 계측 방법 및 체적 계측 프로그램"
본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 토사물이 담긴 굴삭기 버켓의 이미지를 정면에서 촬영하여, 촬영된 굴삭기 버켓 이미지 내 토사물 영역의 특징점들을 추출하고, 추출한 특징점들의 기하학적 구조 및 정보에 기반한 단순화 과정을 통해, 버켓 내 토사가 쌓인 상태를 분류하고, 분류된 토사 상태에 따라 각각 해당 상태에 최적화된 체적 산출 방식을 적용함으로서, 3차원 영상이 아닌 단일 카메라 이미지만으로도 굴삭기 버캣 내 토사물의 체적을 효과적으로 산출할 수 있어 체적 계측 처리의 고속화 및 저비용의 실현을 도모할 수 있으며, 작업된 토공량을 실시간으로 산출할 수 있게 되어, 토목 사업에서 굴착 작업의 작업 효율을 향상시킬 수 있는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명은, 버켓이 촬영된 이미지 내에서 토사물의 기하학적 구조를 파악하기 위한 특징점을 추출하는 단계; 상기 추출된 특징점들의 기하학적 관계를 통해 토사물의 적하상태를 분류하는 단계; 버켓이 촬영된 이미지 내에서 카메라 중심선에 따른 버켓의 회전각도를 산출하는 단계; 및 분류된 토사물의 적하상태에 따라, 상기 산출된 버켓의 회전 각도를 미리 설정된 각각의 체적 산출 방식에 적용하여, 버켓 내 위치하는 토사물의 체적을 산출하는 단계;를 포함하여 구성되어, 단일 카메라를 통한 영상만으로 각각의 개별 굴삭 작업에서 굴삭기 버켓에 적하되어 운반되는 토공량을 실시간으로 산출하여 제공하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법은, 굴삭기 버켓 내 토사물의 체적을 실시간으로 산출할 수 있으며, 이를 누적하여 작업된 토공량을 산출할 수 있게 되어, 토목 사업에서 굴착 작업의 작업 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 3차원 영상이 아닌 단일 카메라 이미지만으로도 굴삭기 버캣 내 토사물의 체적을 산출할 수 있어, 체적 계측 처리의 고속화 및 저비용의 실현을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 굴삭기에 토사물 체적 산출 장치가 배치된 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법을 도시한 순서도이다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 굴삭기에 토사물 체적 산출 장치가 배치된 실시예를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 토사물 체적 산출 장치는, 굴삭기(100) 상부에 구비되어 굴삭기 암의 일측 단부에 구비된 버켓(200)을 정면으로 촬영하는 카메라(300) 및 굴삭기의 조작부와 연동되어, 운전자의 조작을 통해 굴삭기의 암이 작동하는 것을 인지하며, 굴삭 작업이 진행되는 동안 카메라(300)를 통해 버켓(200)의 작업영상을 정면으로 촬영하도록 제어하고, 카메라(300)를 통해 촬영된 영상을 분석하여 버켓 내 토사물의 체적을 산출하는 제어부(400)를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 카메라(300)는 도 1에 도시된 바와 같이, 버켓(200)의 작업영상이 정면으로 촬영되도록 굴삭기(100) 상부에 구비된다. 이때, 카메라(300)는 제어부(400)의 제어를 통해 좌우조절, 상하조절, 전후조절 등이 굴삭 작업 전에 수행되어 정확한 버켓 영역을 촬영할 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 굴삭기 암의 일측 단부에 구비된 버켓(200)에는 일측 상단에 굴삭용 톱니가 형성되며, 버켓의 색상은 촬영 시 토사의 색과 구분이 용이하도록 토사의 색과 대비도가 높은 색을 가지는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법을 도시한 순서도이며, 도 3 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 제어부는 운전자의 조작을 통해 굴삭기의 암이 작동하는 것을 인지하는 경우(S210), 카메라를 통해 버켓의 작업영상을 정면으로 촬영하도록 제어한다. 즉, 제어부는 매회의 굴삭작업마다 카메라를 통해 작업영상을 촬영하고(S220), 각각의 굴삭작업별로 버캣 내 위치하는 토사물의 체적을 산출한다.
이때, 본 발명에서는 효율적 체적 산출을 위해, 버켓의 내부 형상을 반원기둥의 형상으로 단순화하여 모사하며, 버켓 상면에서 톱니 끝단까지의 토사물 적하영역은 삼각기둥의 형상으로, 버켓이 가득 찬 상태에서 과적되는 토사의 형태는 사각뿔 형상으로 단순화하여 모사한다. 모사된 버켓의 형상정보는 제어부에 저장된다.
토사물의 체적을 산출함에 있어, 제어부는 먼저 카메라를 통해 전송된 이미지로부터 버켓 이미지 내에서 토사물의 기하학적 구조를 산출하기 위한 특징점을 추출한다(S230).
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 톱니가 하부에 위치하는 형태인 2차원 이미지에서 버켓 영역의 가로, 세로 각 모서리 특징점(P1, P2, P4, P5)과, 버켓 톱니 끝단의 특징점(P3, P6)을 추출하여 버켓 내에 위치하는 토사물 영역을 확정한다. 또한, 토사물 영역의 상부와 버켓간의 경계선인
Figure 112018072980313-pat00001
을 생성하여,
Figure 112018072980313-pat00002
의 중심점인 U를 추출한다. 이때, V1은 버켓 영역 윗 선분의 중점(P1과 P2의 중점)이고, V2는 버켓 톱니 끝단 선분의 중점(P3와 P6의 중점)이며,
Figure 112018072980313-pat00003
은 카메라의 중심선을 의미한다. 또한, 도 4와 같이, 토사물 이미지 영역 내에 별도의 꼭지점이 존재하는 경우 이 점을 T로 생성한다.
이어서, 제어부는 도 5에 도시된 카메라 중심선에 따른 버켓의 회전각도인
Figure 112018072980313-pat00004
를 산출한다(S240). 본 발명은 단일 카메라를 사용하고, 이러한 카메라를 통해 전송되는 버켓 이미지는 버켓의 회전 각도에 따라 토사물이 보이는 이미지가 다르게 추출됨에 따라 카메라 중심선에 따른 버켓의 회전각도가 매우 중요하다.
이러한 카메라 중심선에 따른 버켓의 회전각도인
Figure 112018072980313-pat00005
는 하기의 [수학식 1]을 통해 산출된다.
Figure 112018072980313-pat00006
여기서,
Figure 112018072980313-pat00007
(
Figure 112018072980313-pat00008
는
Figure 112018072980313-pat00009
의 중점)이고,
Figure 112018072980313-pat00010
의 길이,
Figure 112018072980313-pat00011
의 길이,
Figure 112018072980313-pat00012
카메라 초점거리
a = 반원기둥으로 모사된 버켓 반원형 부분의 반지름
b = 버켓상면의 가로 길이(반원기둥의 높이)
C = 카메라 중심선과 버켓 상면이 만나는 점이다.
이어서, 제어부는 생성된 특징점들의 기하학적 관계를 통해 버켓 내에 토사물이 쌓여있는 상태인 적하상태를 크게 세가지 종류로 분류한다(S250). 즉, 버켓 이미지 내에서 생성된 특징점의 관계들을 통해, 버켓에 토사가 꽉 찬 상태인 정적상태(正積, struck)인지, 버켓에 토사가 적게 쌓인 상태인 미적상태(未積, under-struck)인지, 버켓에 토사가 과하게 쌓인 상태인 과적상태(過積, heaped)인지를 구분한다.
또한, 버켓에 토사가 적게 쌓인 상태인 미적상태의 경우에도, 버켓 내에 쌓인 토사의 높이에 따라 세가지 분류로 각각 구분할 수 있다. 즉, 토사의 높이가 제1기준선보다 낮을 경우 제1미적상태(under-struck 1)로, 제1기준선보다 높고 제2기준선보다 낮을 경우 제2미적상태(under-struck 2)로, 제2기준선보다 높고 꽉 찬 상태보다 낮을 경우 제3미적상태(under-struck 3)로 구분할 수 있다. 더불어, 버켓에 토사가 과하게 쌓인 과적상태인 경우에도, 버켓에 토사가 꽉 찬 상태(Struck)에서 그 위에 쌓인 토사의 형태에 따라 급경사로 과적된 상태(sharply-heaped)와 완만하게 과적된 상태(smoothly-heaped)로 각각 구분할 수 있다.
본 발명은 이와 같이, 버캣 이미지 내에서 생성된 특징점들의 관계를 통해 버켓의 적하상태를 분류하고, 분류된 토사의 적하상태에 따라 각각 해당 상태에 최적화된 체적 산출 방식을 적용(S260)함으로써, 버켓 내 위치하는 토사물의 체적을 보다 정확하게 산출할 수 있게 된다.
첫번째로, 특징점 U가 버켓영역의 윗 선분의 중점(P1과 P2의 중점)인 V1과 일치하고, 토사물 이미지 영역 내에 별도의 꼭지점 T가 존재하지 않는 경우, 제어부는 해당 버켓의 적하상태를 버켓에 토사가 넘치지도 모자라지도 않는 꽉찬 상태인 정적상태(struck)로 분류한다.
본 발명에서는 효율적 체적 산출을 위해, 버켓의 내부 형상을 반원기둥의 형상으로, 버켓 상면에서 톱니 끝단까지의 토사물 적하영역은 삼각기둥 형상으로 단순화하여 모사함에 따라, 정적상태로 분류된 경우, 버켓의 반원기둥과 삼각기둥의 부피를 합산하여 버캣 내 토사의 체적 산출을 수행할 수 있게 된다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 선분 BD가 버켓의 반원형 부분이고, 선분 AD부분이 톱니부분일 경우, 지름이
Figure 112018072980313-pat00013
(2a)인 반원기둥과 삼각기둥 ABD의 부피를 합산하여, 버켓 내 토사의 체적 산출을 수행한다. 이를 수학식으로 정리하면 하기의 [수학식 2]와 같다.
Figure 112018072980313-pat00014
이때, a = 버켓 반원형 부분의 반지름이고,
b = 버켓 상면의 가로 길이(반원기둥의 높이),
c = 버켓 상면에서 톱니 끝단까지의 길이이다.
두번째로, 특징점 U가 버켓영역의 윗 선분의 중점(P1과 P2의 중점)인 V1보다 작을 경우, 제어부는 해당 버켓의 적하상태를 버켓에 토사가 정적상태보다 미달된 상태인 미적상태(under-struck)로 분류한다.
이때, 제어부는 미적상태(under-struck)에서의 버켓 내 위치하는 토사물의 체적을 효율적으로 산출하기 위해, 버켓에 토사가 꽉 찬 상태(struck)에서의 높이를 미리 설정된 기준에 따라 삼등분으로 구분하고, 삼등분으로 구분된 버켓의 형상을 각각 반원과 부채꼴, 삼각형 등의 조합으로 단순화하여 모사함으로써, 버켓 내 토사의 체적 산출을 수행하게 된다.
즉, 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 버켓 상면과 버켓 톱니가 직각으로 만나는 접점(D)을 지나는 수평선을 제1기준선으로 설정하고, 버켓 상면의 중심점(O)을 지나는 수평선을 제2기준선으로 설정하여 버켓에 토사가 꽉 찬 상태에서의 높이를 삼등분으로 구분한다. 또한, 버켓 톱니 끝단에서 토사물이 존재하는 곳까지의 수직높이인 h를 산출하여, 산출된 h가 제1기준선보다 작을 경우 제1미적상태(under-struck 1)로 분류하고, 산출된 h가 제1기준선보다는 크고 제2기준선보다는 작을 경우에는 제2미적상태(under-struck 2)로 분류하며, 산출된 h가 제2기준선보다는 크고, 버켓에 토사가 꽉찬 상태보다는 작을 경우, 제3미적상태(under-struck 3)로 분류한다.
이때, 버켓 톱니 끝단에서 토사물이 존재하는 곳까지의 수직높이인 h와, 버켓 상면 중심점 O부터 버켓 톱니 끝단까지의 수직높이인
Figure 112018072980313-pat00015
은 하기의 [수학식 3]을 통해 산출될 수 있다.
Figure 112018072980313-pat00016
Figure 112018072980313-pat00017
여기서,
Figure 112018072980313-pat00018
는 톱니 끝단의 수평한 면과 버켓 상면이 이루는 각도이고,
Figure 112018072980313-pat00019
는 앞서 도시된 도 3에서와 같이, 토사물 영역의 상부와 버켓간의 경계선인
Figure 112018072980313-pat00020
의 길이이며,
Figure 112018072980313-pat00021
,
Figure 112018072980313-pat00022
의 길이,
Figure 112018072980313-pat00023
,
Figure 112018072980313-pat00024
는 카메라 중심선인
Figure 112018072980313-pat00025
의 중점,
Figure 112018072980313-pat00026
의 길이
a = 버켓 반원형 부분의 반지름,
b = 버켓 상면의 가로길이(반원기둥의 높이)
f = 카메라 초점거리이다.
먼저, 앞서 도시된 도 7과 같이, 산출된 h가 버켓 상면 중심점(O)부터 버켓 톱니 끝단(A)까지의 수직높이인
Figure 112018072980313-pat00027
의 두배 길이보다 크거나 같을 경우, 버켓에 토사높이가 제1기준선보다 낮은 상태인 제1미적상태(under-struck 1)로 분류한다.
이와 같이, 해당 버켓의 적하상태가 제1미적상태로 분류된 경우, 버켓 상면의 중심점(O)부터 버켓 하부까지의 부채꼴 형상에서 토사물이 존재하지 않는 영역인 버켓의 상면 중심점부터 현재 토사물이 존재하는 높이까지의 이등변삼각형의 부피를 뺀 형상으로 단순화하여 모사할 수 있다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 버켓 상면 중심점(O)부터 버켓 하부까지의 부채꼴인 부채꼴 OXY 부피에서 이등변삼각형 OXY의 부피를 뺌으로써 버캣 내 토사의 체적 산출을 수행하게 된다. 이를 수학식으로 정리하면 하기의 [수학식 4]와 같다.
Figure 112018072980313-pat00028
이때, 이등변삼각형의 높이를 구하기 위해서는 버켓 상면의 중심점(O)으로부터 토사물이 존재하는 높이까지의 길이인
Figure 112018072980313-pat00029
을 구해야하는데,
Figure 112018072980313-pat00030
를 가지기 때문에,
Figure 112018072980313-pat00031
가 된다. 이에 따라, 버켓 상면의 중심점(O)으로부터 토사물이 존재하는 깊이까지의 거리인
Figure 112018072980313-pat00032
은 하기의 [수학식 5]를 통해 산출될 수 있다.
Figure 112018072980313-pat00033
여기서,
Figure 112018072980313-pat00034
=
Figure 112018072980313-pat00035
의 길이,
Figure 112018072980313-pat00036
의 길이,
Figure 112018072980313-pat00037
,
Figure 112018072980313-pat00038
의 길이이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 산출된 h가
Figure 112018072980313-pat00039
보다는 크고,
Figure 112018072980313-pat00040
의 두배 길이보다 작을 경우에는 해당 버켓의 적하상태를 제1기준선보다 높고 제2기준선보다는 낮은 상태인 제2미적상태(under-struck 1)로 분류한다.
이와 같이, 버켓의 적하상태가 제2미적상태로 분류된 경우, 버켓의 반원기둥의 부피에서 버켓 상면의 중심점(O)을 기준으로 토사물이 존재하지 않는 영역인 좌측의 부채꼴과 중심점(O) 하측의 삼각형 면적을 빼고, 추가로 토사물이 존재하는 영역인 우측의 직각삼각형 부피를 더한 형상으로 단순화하여 모사한다.
즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 버켓의 반원기둥 부피에서 BOY 부채꼴과 YOC 삼각형 면적을 빼고, CDX 직각삼각형 면적을 더함으로써, 버켓 내 토사의 체적 산출을 수행한다. 이를 수학식으로 정리하면 하기의 [수학식 6]과 같다.
Figure 112018072980313-pat00041
도 9에 도시된 바와 같이, 산출된 h가
Figure 112018072980313-pat00042
보다 작을 경우, 해당 버켓의 적하상태를 버켓에 토사가 제2기준선보다 높고 꽉 찬 상태보다 낮은 상태인 제3미적상태(under-struck 3)로 분류한다. 이와 같이, 해당 버켓의 적하상태가 제3미적상태로 분류된 경우, 버켓의 반원기둥 부피에서 버켓 상면의 중심점(O)을 기준으로 토사물이 존재하지 않는 영역인 상부의 부채꼴 면적을 뺀 후, 버켓 상면의 중심점을 기준으로 추가로 토사물이 존재하는 영역인 좌측의 삼각형과 우측의 삼각형 부피를 더한 형상으로 단순화하여 모사한다.
즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 버켓의 반원기둥 부피에서, BYO부채꼴 면적을 뺀 후, Y’YO 삼각형과 Y’DX 삼각형의 면적을 더함으로써, 버켓 내 토사의 체적 산출을 수행한다. 이를 수학식으로 정리하면 하기의 [수학식 7]과 같다.
Figure 112018072980313-pat00043
Figure 112018072980313-pat00044
세번째로, 특징점 U가 버켓영역의 윗 선분의 중점(P1과 P2의 중점)인 V1보다 크거나, 특징점 U가 버켓영역 윗 선분의 중점(P1과 P2의 중점)인 V1과 같지만, 토사물 이미지 내부에 별도의 꼭지점이 존재하는 경우, 제어부는 해당 버켓의 적하상태를 버켓에 토사가 과하게 쌓인 상태인 과적상태(Heaped)로 구분한다.
이때, 특징점 U가 버켓영역 윗 선분의 중점(P1과 P2의 중점)인 V1보다 클 경우에는, 급경사로 과적된 상태(sharply-heaped)로, 특징점 U가 버켓영역 윗 선분의 중점(P1과 P2의 중점)인 V1과 같지만, 토사물 이미지 내부에 별도의 꼭지점이 존재하는 경우, 완만하게 과적된 상태(smoothly-heaped)로 구분할 수도 있다.
본 발명에서는 효율적 체적 산출을 위해, 버켓이 가득 찬 상태에서 버켓 상부에 과적되는 토사의 형태는 사각뿔 형상으로 단순화하여 모사한다. 즉, 버켓의 적하상태가 과적상태로 분류되는 경우, 버켓 내 토사물이 꽉찬 상태인 정적상태(struck)에서 그 위에 사각뿔 형상의 토사물이 쌓여진 형태로 단순화하여 모사한다.
이와 같이, 과적상태로 분류된 경우, 앞서 도시된 도 5와 같이 버켓의 반원기둥과 톱니 끝단까지 토사물이 적하되는 영역인 삼각기둥의 부피를 더하고, 도 10에 도시된 바와 같이 정적상태에서 그 위에 적하되는 토사물의 사각뿔 부피를 합산함으로써 버켓 내 토사의 체적 산출을 수행한다. 이를 수학식으로 정리하면 하기의 [수학식 8]과 같다.
Figure 112018072980313-pat00045
이때,
Figure 112018072980313-pat00046
이고,
Figure 112018072980313-pat00047
(
Figure 112018072980313-pat00048
은
Figure 112018072980313-pat00049
,
Figure 112018072980313-pat00050
두 대각선의 교차점)
Figure 112018072980313-pat00051
이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 매회의 굴삭작업마다 버캣 내 위치하는 토사물의 체적을 파악함으로써, 굴삭기 버켓에 적하되어 운반되는 토공량을 실시간으로 산출할 수 있게 되며, 이를 누적하여 작업한 전체 토공량을 산출할 수 있게 된다. 또한, 촬영된 굴삭기 버켓 이미지 내 토사물 영역의 특징점들을 추출하고, 추출한 특징점들의 기하학적 구조 및 정보에 기반한 단순화 과정을 통해, 버켓 내 토사가 쌓인 상태를 분류하고, 분류된 토사 상태에 따라 각각 해당 상태에 최적화된 산출 방식을 적용함으로써, 버켓 내 위치하는 토사물의 체적을 효율적으로 산출할 수 있게 된다.
이에 따라, 3차원 영상이 아닌 단일 카메라 이미지만으로도 굴삭기 버캣 내 토사물의 체적을 실시간으로 산출할 수 있어, 체적 계측 처리의 고속화 및 저비용의 실현을 도모할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.
100 : 굴삭기 200 : 버켓
300 : 카메라 400 : 제어부

Claims (13)

  1. 굴삭기 상부에 구비되는 카메라 및 상기 카메라를 통해 촬영된 버켓 영상을 분석하여 토사물의 부피를 산출하는 제어부로 이루어지는 토사물 체적 산출 장치를 통하여, 버켓 내 토사물의 부피를 산출하는 방법에 있어서,
    버켓이 촬영된 이미지 내에서 토사물의 기하학적 구조를 파악하기 위한 특징점을 추출하는 단계;
    상기 추출된 특징점들의 기하학적 관계를 통해 토사물의 적하상태를 분류하는 단계;
    버켓이 촬영된 이미지 내에서 카메라 중심선에 따른 버켓의 회전각도를 산출하는 단계; 및
    분류된 토사물의 적하상태에 따라, 상기 산출된 버켓의 회전 각도를 미리 설정된 각각의 체적 산출 방식에 적용하여, 버켓 내 위치하는 토사물의 체적을 산출하는 단계;
    를 포함하여 구성되되,
    상기 토사물의 체적을 산출하는 단계에서는,
    버켓의 내부 형상을 반원기둥의 형상으로 모사하고, 버켓 상면에서 톱니 끝단까지의 토사물 적하영역은 삼각기둥의 형상으로 모사하여,
    단일 카메라를 통한 영상만으로 각각의 개별 굴삭 작업에서 굴삭기 버켓에 적하되어 운반되는 토공량을 실시간으로 산출하여 제공하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 버켓이 촬영된 이미지 내에서 토사물의 기하학적 구조를 파악하기 위한 특징점을 추출하는 단계에서는,
    버켓영역의 가로, 세로 각 모서리 특징점(P1, P2, P4, P5)과, 버켓 톱니 끝단의 특징점(P3, P6)을 추출하고,
    상기 추출된 특징점(P1~P6)들을 통해 버켓영역 윗 선분의 중점(P1과 P2의 중점)인 V1과 아래 선분의 중점(P3와 P6의 중점)인 V2를 생성하며,
    토사물 영역의 상부 특징점(P7, P8)을 생성하여, 토사물 영역의 상부와 버켓간의 경계선(
    Figure 112019070596775-pat00052
    )의 중점인 U를 추출하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 버켓이 촬영된 이미지 내에서 카메라 중심선에 따른 버켓의 회전각도를 산출하는 단계에서는,
    하기의 [수학식 9]를 통해 카메라 중심선에 따른 버켓의 회전각도(
    Figure 112018072980313-pat00053
    )를 산출하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법.
    [수학식 9]
    Figure 112018072980313-pat00054

    이때,
    Figure 112018072980313-pat00055
    (
    Figure 112018072980313-pat00056
    는
    Figure 112018072980313-pat00057
    의 중점)이고,
    Figure 112018072980313-pat00058
    의 길이,
    Figure 112018072980313-pat00059
    의 길이,
    Figure 112018072980313-pat00060
    카메라 초점거리,
    a = 반원기둥으로 모사된 버켓 반원형 부분의 반지름,
    b = 버켓상면의 가로 길이(반원기둥의 높이),
    C = 카메라 중심선과 버켓 상면이 만나는 점이다.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 추출된 특징점들의 기하학적 관계를 통해 토사물의 적하상태를 분류하는 단계에서는,
    버켓에 토사가 꽉 찬 상태인 정적상태(正積, struck), 버켓에 토사가 적게 쌓인 상태인 미적상태(未積, under-struck) 또는 버켓에 토사가 과하게 쌓인 상태인 과적상태(過積, heaped)로 분류하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 추출된 특징점들의 기하학적 관계를 통해 토사물의 체적을 분류하는 단계에서, 미적상태(未積, under-struck)로 분류되는 경우,
    이를 다시 버켓 내에 쌓인 토사의 높이가 버켓 상면과 버켓 톱니가 직각으로 만나는 접점을 지나는 수평선인 제1기준선보다 작은 상태인 제1미적상태(under-struck 1),
    상기 버켓 내에 쌓인 토사의 높이가 제1기준선보다 높고 버켓 상면의 중심점을 지나는 수평선인 제2기준선보다 작은 상태인 제2미적상태(under-struck 2), 또는
    상기 버켓 내에 쌓인 높이가 제2기준선보다 높고 정적상태보다 작은 상태인 제3미적상태(under-struck 3)로 분류하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 토사물 영역의 상부와 버켓간의 경계선(
    Figure 112019070596775-pat00087
    )의 중점인 U가 버켓영역 윗 선분의 중점(P1과 P2의 중점)인 V1과 일치하고, 토사물 이미지 영역 내에 별도의 꼭지점이 존재하지 않는 경우,
    해당 버켓의 적하상태를 버켓에 토사가 꽉찬 상태인 정적상태(struck)로 분류하여,
    반원기둥으로 모사된 버켓의 내부체적과 삼각기둥 형식으로 모사된 버켓 상면에서 톱니 끝단까지의 토사물 적하영역의 부피를 합산하여 버켓 내 토사의 체적 산출을 수행하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 토사물 영역의 상부와 버켓간의 경계선(
    Figure 112019070596775-pat00088
    )의 중점인 U가 버켓영역의 윗 선분의 중점(P1과 P2의 중점)인 V1보다 작을 경우,
    해당 버켓의 적하상태를 버켓에 토사가 정적상태보다 미달된 미적상태(under-struck)로 분류하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 버켓의 적하상태가 미적상태(under-struck 상태)로 분류된 경우,
    하기의 [수학식 10]을 통해 버켓 톱니 끝단에서 토사물이 존재하는 곳까지의 수직높이인 h와, 버켓 상면 중심점부터 버켓 톱니 끝단까지의 수직높이인
    Figure 112018072980313-pat00061
    을 산출하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법.
    [수학식 10]
    Figure 112018072980313-pat00062
    ,
    Figure 112018072980313-pat00063

    여기서,
    Figure 112018072980313-pat00064
    는 톱니 끝단의 수평한 면과 버켓 상면이 이루는 각도이고,
    Figure 112018072980313-pat00065
    =
    Figure 112018072980313-pat00066
    의 길이,
    Figure 112018072980313-pat00067
    ,
    Figure 112018072980313-pat00068
    의 길이,
    Figure 112018072980313-pat00069
    ,
    Figure 112018072980313-pat00070
    는 카메라 중심선인
    Figure 112018072980313-pat00071
    의 중점,
    Figure 112018072980313-pat00072
    의 길이
    a = 버켓 반원형 부분의 반지름,
    b = 버켓 상면의 가로길이(반원기둥의 높이)
    f = 카메라 초점거리이다.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 산출된 h가
    Figure 112018072980313-pat00073
    의 두배 길이보다 크거나 같을 경우,
    버켓의 적하상태를 제1미적상태(under-struck 1)로 분류하고,
    버켓의 상면 중심점부터 버켓 하부까지의 부채꼴 형상에서 토사물이 존재하지 않는 영역인 버켓의 상면 중심점부터 현재 토사물이 존재하는 높이까지의 이등변 삼각형의 부피를 뺀 형상으로 모사함으로써 버켓 내 토사의 체적 산출을 수행하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 산출된 h가
    Figure 112018072980313-pat00074
    보다는 크고
    Figure 112018072980313-pat00075
    의 두배 길이보다 작을 경우,
    버켓의 적하상태를 제2미적상태(under-struck 2)로 분류하고,
    버켓의 반원기둥 부피에서 버켓 상면의 중심점을 기준으로 토사물이 존재하지 않는 영역인 좌측의 부채꼴과 중심점 하측의 삼각형 면적을 빼고, 추가로 토사물이 존재하는 영역인 우측의 직각삼각형 부피를 더한 형상으로 모사함으로써 버켓 내 토사의 체적 산출을 수행하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 산출된 h가
    Figure 112018072980313-pat00076
    보다 작을 경우,
    버켓의 적하상태를 제3미적상태(under-struck 3)로 분류하고,
    버켓의 반원기둥 부피에서 버켓 상면의 중심점을 기준으로 토사물이 존재하지 않는 영역인 상부의 부채꼴 면적을 뺀 후, 버켓 상면의 중심점을 기준으로 추가로 토사물이 존재하는 영역인 좌측의 삼각형과 우측의 삼각형 부피를 더한 형상으로 단순화하여 모사함으로써 버켓 내 토사의 체적 산출을 수행하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법.
  13. 제 5항에 있어서,
    상기 토사물 영역의 상부와 버켓간의 경계선(
    Figure 112019070596775-pat00089
    )의 중점인 U가 버켓영역의 윗 선분의 중점(P1과 P2의 중점)인 V1보다 크거나, 또는 U가 버켓영역의 윗 선분의 중점(P1과 P2의 중점)인 V1과 같지만, 토사물 이미지 내부에 별도의 꼭지점이 존재하는 경우,
    해당 버켓의 적하상태를 버켓에 토사가 과하게 쌓인 상태인 과적상태(Heaped)로 분류하고,
    버켓 내 토사물이 꽉 찬 상태 위에 사각뿔 형상의 토사물이 쌓여진 형태로 모사하며,
    버켓의 반원기둥과 삼각기둥의 부피를 더하고, 그 위에 쌓여진 사각뿔형태의 토사물의 부피를 합산하여 버켓 내 토사의 체적 산출을 수행하는 것을 특징으로 하는 단일 카메라 기반 굴삭기 버켓 내 토사물 체적 산출 방법.
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