KR102040335B1 - 건설 기계의 적재물 무게 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예는 건설 기계의 적재물 무게 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건설 기계의 지오메트리(Geometry) 정보와 구비된 센서로부터 측정된 정보를 건설 기계의 회전동역학방정식(Rotational Dynamic Equation)에 반영하여 적재물의 무게를 측정함으로써, 적재되는 적재물의 중량을 정확하게 측정할 수 있고 운송차량의 적재시에도 과적을 방지할 수 있으며, 어테치먼트의 정격용량대로 리프팅할 수 있어 유지보수 비용도 절감할 수 있는, 건설 기계의 적재물 무게 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

건설 기계의 적재물 무게 측정 장치 및 그 방법{LOAD WEIGHING APPARATUS OF CONSTRUCTION EQUIPMENT AND METHOD THEREOF}
본 발명의 실시 예는 건설 기계의 적재물 무게 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건설 기계의 지오메트리(Geometry) 정보와 구비된 센서로부터 측정된 정보를 건설 기계의 회전동역학방정식(Rotational Dynamic Equation)에 반영하여 적재물의 무게를 측정함으로써, 적재되는 적재물의 중량을 정확하게 측정할 수 있고 운송차량의 적재시에도 과적을 방지할 수 있으며, 어테치먼트의 정격용량대로 리프팅할 수 있어 유지보수 비용도 절감할 수 있는, 건설 기계의 적재물 무게 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 들어 건설 기계의 적재물 무게 추정 시스템(Weighing system) 개발에 대한 필요성이 부각되고 있다.
특히, 휠로더를 이용하여 상차작업을 할 경우, 어테치먼트에 적재되어 리프팅되는 적재물의 중량을 계측하는 것이 필요하다. 즉, 덤프트럭의 적재함에 적재물을 상차 작업하는 경우 그 덤프트럭에 대응되는 규정된 적재 중량만큼을 적재하는 것이 요구된다. 이에 따라 운전자는 상차 작업시 적재물의 중량을 확인할 수 있으면 상차 작업의 능률을 높일 수 있는 것이다.
건설 기계의 작업 현장에서 덤프 트럭에 적재물로 담아가는 양에 따라 비용이 산정된다. 덤프 트럭으로 적재물을 상차시키는 경우, 덤프 트럭 1대당 비용 및 출하량을 정확하게 산정되어야 한다. 여기서, 덤프 트럭 운전자뿐만 아니라 휠로더 운전자 모두는 상차된 적재물의 양과 무게를 알아야 한다. 이를 위해서는 덤프 트럭에 상차되는 무게가 정확히 산출되어야 한다. 그러므로 무게 추정 시스템이 건설 기계에 필수적으로 필요한 상황이다.
이때, 덤프 트럭 운전자는 작업장에 들어오고 나갈 때 덤프 트럭의 무게를 잴 수 있는 장치가 있다. 하지만, 휠로더 운전자는 이러한 적재물의 무게를 확인하지 못하고 있다.
이와 같이, 덤프 트럭에 상차된 적재물의 무게를 아는 것은 비용 산정과 관련하여 중요하다. 그렇기 때문에 이를 측정할 수 있는 무게 추정 시스템이 필수적으로 필요하다.
한편, 작업장으로 들여오는 원자재의 양과 나가는 자재의 출하량을 정확히 계산하려면 어느 정도의 적재물이 덤프 트럭에 상차되었는지를 확인해야 한다. 이를 통해 작업장에서는 작업 공정에 맞게 필요한 원자재를 미리 구입할 수 있다.
하지만, 종래에는 휠로더 운전자가 작업물을 리프팅하여 운송차량에 적재하는 작업할 때, 어테치먼트에 적재되는 작업물의 중량을 정확하게 측정할 수 없었다. 따라서 휠로더 운전자는 매번 중량 측정이 불가능하여 운송차량에 적재된 총 무게를 알지 못했다. 또한, 휠로더 운전자가 어테치먼트에 작업물을 리프팅할 때도 어테치먼트의 정격용량보다 과중하게 리프팅을 반복해서 작업을 수행하면, 붐이 무리한 힘이 가해져 프레임에 균열이 생겨 과다한 유지보수 비용이 소비되는 등의 문제점이 있었다.
이를 위해, 종래의 어테치먼트의 중량을 감지하기 위하여 유압실린더 내부에 발생하는 압력을 센서에 의해 감지하여 하중을 측정하는 방법이 있다. 이러한 중량 측정 방법은 실제 중량측정에 편차가 발생할 수 있고, 비용이 증가하여 경제성이 취약한 단점이 있었다.
중량물을 적재한 어테치먼트부가 소정의 높이에 이른 것을 검출하는 센서와, 중량물을 적재한 어테치먼트를 들어올리는 유압실린더의 유압을 검출하는 유압센서를 설치하고, 중량물을 적재한 어테치먼트가 소정의 높이에 이른 시점을 중심으로 전후 소정 샘플링 시간에 걸쳐 소정의 샘플링 간격마다 유압을 측정하며, 그 측정된 유압 데이터의 평균치에 근거하여 어테치먼트에 적재된 중량물의 중량을 산출하여 표시하고 있다.
그러나 상기의 선행기술에서는 어테치먼트가 미리 설정된 소정의 위치까지 상승하여야 중량을 측정할 수 있기 때문에 덤프 트럭의 높이가 미리 설정된 높이보다 낮을 경우에는 적재물에 대한 측정이 곤란하다. 이에 따라 선행기술에서는 소정의 위치까지 붐을 상승시켜야 하는 불편함이 따랐을 뿐만 아니라 그 붐의 상승 작업으로부터 적재물의 적재 시간이 오래 걸리는 등의 구조적인 단점을 가지게 되었다.
본 발명의 실시 예들은 건설 기계의 지오메트리 정보와 구비된 센서로부터 측정된 정보를 건설 기계의 회전동역학방정식에 반영하여 적재물의 무게를 측정함으로써, 적재되는 적재물의 중량을 정확하게 측정할 수 있고 운송차량의 적재시에도 과적을 방지할 수 있으며, 어테치먼트의 정격용량대로 리프팅할 수 있어 유지보수 비용도 절감할 수 있는, 건설 기계의 적재물 무게 측정 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 건설기계의 프런트부에 회동 가능하게 장착된 붐, 상기 붐을 회동시키는 붐실린더, 상기 붐의 일단에 회동가능하게 장착된 어테치먼트를 포함하는 건설기계에 있어서, 상기 붐, 붐실린더 및 어테치먼트 간의 기하학 정보를 이용하여 작성된 무부하 및 부하 토크 차이에 대한 회전동역학방정식을 저장하는 수식 저장부; 상기 붐의 각도, 엔진 속도, 붐실린더의 압력기울기를 측정하는 측정부; 상기 측정부에서 측정된 붐의 각도를 이용하여 상기 붐의 각속도 및 각가속도를 연산하는 연산부; 미리 설정된 감쇠계수맵 및 탄성계수맵에서 상기 엔진 속도와 붐실린더의 압력기울기에 대응하는 감쇠 계수 및 탄성 계수를 추출하는 계수관리부; 및 상기 측정부에서 측정한 붐의 각도, 상기 연산부에서 연산한 붐의 각속도, 각가속도, 상기 계수관리부에서 추출된 감쇠 계수, 탄성 계수를 상기 회전동역학방정식에 적용하여 상기 어테치먼트에 적재된 적재물 무게를 산출하는 무게산출부를 포함할 수 있다.
상기 계수관리부는 상기 어테치먼트에 적재되는 적재물 무게별로 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기에 따른 감쇠 계수 및 탄성 계수를 각각 연산하고, 상기 각각 연산된 감쇠 계수 및 탄성 계수를 이용하여 감쇠계수맵 및 탄성계수맵을 생성하는 계수맵생성부; 및 상기 생성된 감쇠계수맵 및 탄성계수맵을 저장하는 계수맵저장부;를 더 포함 할 수 있다.
상기 계수맵생성부는 선형보간법을 이용하여 선형 구간에 있는 제1지점과 제2 지점 사이의 제3 지점에 대한 붐실린더의 압력기울기 및 엔진 속도에 따른 감쇠 계수 및 탄성 계수를 산출하여 2차원 감쇠계수맵 및 탄성계수맵을 생성 할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 붐의 각도, 엔진 속도, 붐실린더의 압력기울기를 측정하는 측정 단계; 상기 측정 단계에서 측정된 붐의 각도를 이용하여 상기 붐의 각속도 및 각가속도를 연산하는 연산 단계; 미리 설정된 감쇠계수맵 및 탄성계수맵에서 상기 측정 단계에서 측정된 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기에 대응하는 감쇠 계수 및 탄성 계수를 추출하는 계수 추출 단계; 및 상기 측정 단계에서 측정된 붐의 각도와 상기 연산 단계에서 연산된 붐의 각속도, 각가속도와 상기 계수 추출 단계에서 추출된 감쇠 계수, 탄성 계수를 상기 회전동역학방정식에 적용하여 어테치먼트에 적재된 적재물 무게를 산출하는 무게 산출 단계를 포함할 수 있다.
상기 회전동역학방정식은 붐, 붐실린더 및 어테치먼트 간의 기하학 정보를 이용하여 작성된 무부하 및 부하 토크 차이에 대한 회전동역학방정식인 것을 특징으로 한다.
상기 감쇠계수맵 및 탄성계수맵은 상기 어테치먼트에 적재되는 적재물 무게별로 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기에 따른 감쇠 계수 및 탄성 계수에 따라 설정된 것;을 특징으로 한다.
상기 감쇠계수맵 및 탄성계수맵은 선형보간법을 이용하여 선형 구간에 있는 제1 지점과 제2 지점 사이의 제3 지점에 대한 붐실린더의 압력기울기 및 엔진 속도에 따른 감쇠 계수 및 탄성 계수를 산출하여 2차원 감쇠계수맵 및 탄성계수맵을 생성할 수 있다.
상기 회전동역학방정식은 상기 붐, 붐실린더, 어테치먼트 의 질량 및 붐 조인트로부터 상기 붐, 붐실린더, 어테치먼트의 무게중심 간의 거리 중 적어도 하나가 포함된 값을 적용할 수 있다.
상기 연산 단계는 상기 붐의 각도를 칼만 필터(Kalman Filter)에 적용하여 상기 붐의 각속도 및 각가속도를 연산할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 건설 기계의 지오메트리 정보와 구비된 센서로부터 측정된 정보를 건설 기계의 회전동역학방정식에 반영하여 적재물의 무게를 측정함으로써, 적재되는 적재물의 중량을 정확하게 측정할 수 있고 운송차량의 적재시에도 과적을 방지할 수 있는 효과가 있다. 예컨대, 본 발명의 실시 예들은 2 퍼센트의 오차율로 적재물의 중량을 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들은 어테치먼트의 정격용량대로 리프팅할 수 있어 유지보수 비용도 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들은 압력 센서, 위치 센서 이외의 비용은 들지 않기 때문에 가격 경쟁력을 가질 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 건설 기계의 적재물 무게 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 프론트 모델링을 위한 건설 기계의 기하학 정보에 대한 설명도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 건설 기계의 기하학 정보를 이용한 프론트 모델링에 대한 설명도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 감쇠계수맵 및 탄성계수맵 생성 과정에 대한 흐름도이다.
도 5는 도 4의 감쇠계수맵 및 탄성계수맵 생성 방법에 따라 생성된 감쇠계수맵 및 탄성계수맵에 대한 설명도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 선형 구간에 대한 감쇠 계수 및 탄성 계수 계산 과정에 대한 설명도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 2차원 감쇠계수맵 및 탄성계수맵에 대한 설명도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 건설 기계의 적재물 무게 측정 방법에 대한 흐름도이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 적재물 무게 측정 장치에서의 무게 측정 결과에 대한 설명도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 건설 기계의 적재물 무게 측정 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 건설 기계의 적재물 무게 측정 장치(100)는 수식 저장부(110), 측정부(120), 연산부(130), 계수 관리부(140) 및 무게 산출부(150)를 포함한다. 여기서, 건설기계는 건설기계의 프런트부에 회동 가능하게 장착된 붐, 붐을 회동시키는 붐실린더, 붐의 일단에 회동가능하게 장착된 어테치먼트를 포함한다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 건설 기계의 적재물 무게 측정 장치(100)의 구성요소 각각에 대하여 설명하기로 한다.
수식 저장부(110)는 건설 기계에 구비된 붐, 붐실린더 및 어테치먼트 간의 기하학 정보(Geometry Information)를 이용하여 작성된 무부하 및 부하 토크 차이에 대한 회전동역학방정식을 저장한다. 여기서, 기하학 정보에는 붐, 어테치먼트 질량 및 질량 중심거리와, 붐 조인트로부터 붐실린더 링크 마운트까지의 거리 등과 건설 기계의 프론트 장비의 실제 기하학 정보 등이 포함될 수 있다.
수식 저장부(110)는 건설 기계의 프론트 장비에 해당하는 붐, 어테치먼트 및 붐실린더의 질량 및 붐 조인트로부터 각 무게중심 간의 거리 중 적어도 하나가 포함된 거리가 기하학적으로 모델링된 결과를 저장한다. 측정부(120)는 어테치먼트에 적재물이 적재된 상태로 붐이 이동하는 경우, 이동하는 붐의 각도와, 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기를 측정한다. 여기서, 측정부(120)는 건설 기계에 구비된 센서(Sensor)로부터 감지된 데이터로부터 붐의 각도, 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기를 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정부(120)는 붐실린더에 구비된 압력 센서(Pressure sensor)에서 감지된 데이터를 통해 붐실린더의 압력을 측정한다. 측정부(120)는 붐 조인트에 구비된 각도 센서(Angle sensor)로부터 붐 위치를 측정하거나 붐이 상승하거나 하강하는 속도 및 가속도를 측정할 수 있다. 또한, 측정부(120)는 건설 기계의 엔진에서 출력되는 정보를 통해 엔진 속도(Engine speed)를 측정할 수 있다.
연산부(130)는 건설 기계에서 이동하는 붐의 각도를 이용하여 붐의 각속도 및 각가속도를 연산한다. 여기서, 연산부(130)는 붐의 각도를 칼만 필터(Kalman Filter)에 적용하여 붐의 각속도 및 각가속도를 연산할 수 있다.
계수 관리부(140)는 미리 설정된 감쇠계수맵(Coefficient Map) 및 탄성계수맵에서 측정부(120)에서 측정된 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기에 대응하는 감쇠 계수(Damping coefficient) 및 탄성 계수(Spring coefficient)를 추출한다.
여기서, 계수 관리부(140)는 감쇠계수맵 및 탄성계수맵에서 감쇠 계수 및 탄성 계수를 추출하는 기능 이외에 계수맵을 생성하고 그 생성된 감쇠계수맵 및 탄성계수맵을 저장할 수 있다.
이를 위해, 계수 관리부(140)는 계수맵 생성부(141) 및 계수맵 저장부(142)를 더 포함할 수 있다.
계수맵 생성부(141)는 어테치먼트에 적재되는 적재물 무게별로 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기에 따른 감쇠 계수 및 탄성 계수를 각각 연산한다. 감쇠계수맵 및 탄성계수맵은 어테치먼트에 적재되는 적재물 무게별로 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기에 따른 감쇠 계수 및 탄성 계수에 따라 설정될 수 있다.
그리고 계수맵 생성부(141)는 각각 연산된 감쇠 계수 및 탄성 계수를 이용하여 감쇠계수맵 및 탄성계수맵을 생성한다. 여기서, 계수맵 생성부(141)는 선형보간법을 이용하여 선형 구간에 있는 제1지점과 제2지점 사이의 제3지점에 대한 붐실린더의 압력기울기 및 엔진 속도에 따른 감쇠 계수 및 탄성 계수를 산출하여 2차원 감쇠계수맵 및 탄성계수맵을 생성한다.
계수맵 저장부(142)는 계수맵 생성부(141)에서 생성된 감쇠계수맵 및 탄성계수맵을 저장한다.
한편, 무게 산출부(150)는 측정부(120)에서 측정한 붐의 각도, 연산부(130)에서 연산한 붐의 각속도, 각가속도와 계수 관리부(140)에서 추출된 감쇠 계수 및 탄성 계수를 회전동역학방정식에 적용하여 어테치먼트에 적재된 적재물 무게를 산출한다. 무게 산출부(150)는 계수 관리부(140)에서 추출된 감쇠 계수 및 탄성 계수를 각속도에 대한 탄성 계수와 각가속도에 대한 감쇠 계수를 가지는 회전동역학방정식에 적용하여 어테치먼트에 적재된 적재물 무게를 산출할 수 있다. 여기서, 회전동역학방정식은 붐, 붐실린더, 어테치먼트의 질량 및 붐 조인트로부터 붐, 붐실린더, 어테치먼트의 무게중심 간의 거리 중 적어도 하나가 포함된 값을 적용한다.
도 2는 본 발명에 적용되는 프론트 모델링을 위한 건설 기계의 기하학 정보에 대한 설명도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 프론트 모델링을 위해 필요한 기하학(Geometry) 정보에는 어테치먼트 및 붐 질량(m1), 붐 조인트부터 붐 및 어테치먼트의 무게중심까지 거리(r1), 붐 조인트부터 적재물 무게중심까지 거리(r2), 붐 조인트부터 붐, 어테치먼트 및 적재물의 무게중심까지 거리(r3), 붐 조인트부터 붐실린더 링크 마운트까지 거리(lc) 및 실린더 링크 길이(lcyl)가 포함된다.
수식 저장부(110)는 건설 기계에 구비된 붐, 붐실린더 및 어테치먼트 간의 기하학 정보를 사용자로부터 입력받거나, 미리 기하학 정보를 입력받아 저장한다. 예를 들어, 수식 저장부(110)는 붐 및 어테치먼트의 무게(m1)를 사용자로부터 입력받거나, 붐 및 어테치먼트의 무게(m1)를 저장한다.
도 3은 본 발명에 적용되는 건설 기계의 기하학 정보를 이용한 프론트 모델링에 대한 설명도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 수식 저장부(110)는 건설 기계의 기하학 정보를 이용하여 프론트 장비가 모델링된 결과를 저장한다. 이때, 수식 저장부(110)는 실린더의 길이를 수학적 모델링(Mathematical Modeling)을 이용하여 모델링한 결과를 저장한다.
우선, 수식 저장부(110)는 실린더 링크 길이(lcyl)를 하기의 [수학식 1]과 같이 모델링한 결과를 저장될 수 있다.
Figure 112013118532491-pat00001
여기서,
Figure 112013118532491-pat00002
은 실린더 링크 길이,
Figure 112013118532491-pat00003
은 붐 조인트부터 붐실린더 링크 마운트까지 거리,
Figure 112013118532491-pat00004
및
Figure 112013118532491-pat00005
는 붐 조인트까지의 거리 및 높이를 나타내고,
Figure 112013118532491-pat00006
는 각도를 나타낸다.
다음으로, 수식 저장부(110)는 실린더 압력에 의해 발생하는 힘을 프론트 장비의 기하학적 관계에 의한 토크로 전환하여 모델링한 결과를 저장할 수 있다. 여기서, 수식 저장부(110)는 발생하는 힘이 전환된 토크(
Figure 112013118532491-pat00007
)를 하기의 [수학식 2]와 같이 모델링한 결과를 저장할 수 있다.
Figure 112013118532491-pat00008
여기서,
Figure 112013118532491-pat00009
은 실린더 링크 길이,
Figure 112013118532491-pat00010
은 붐 조인트부터 붐실린더 링크 마운트까지 거리,
Figure 112013118532491-pat00011
및
Figure 112013118532491-pat00012
는 붐 조인트까지의 거리 및 높이를 나타내고,
Figure 112013118532491-pat00013
는 실린더 압력에 의해 발생하는 힘,
Figure 112013118532491-pat00014
는 힘이 전환되는 토크를 나타낸다.
수식 저장부(110)는 붐, 어테치먼트 및 적재물의 무게 중심거리(
Figure 112013118532491-pat00015
)를 하기의 [수학식 3]과 같이 모델링한 결과를 저장할 수 있다.
Figure 112013118532491-pat00016
여기서,
Figure 112013118532491-pat00017
는 붐, 어테치먼트 및 적재물의 무게 중심거리,
Figure 112013118532491-pat00018
은 붐 및 어테치먼트 질량,
Figure 112013118532491-pat00019
는 적재물 질량,
Figure 112013118532491-pat00020
은 붐 조인트부터 붐 및 어테치먼트의 무게중심까지 거리,
Figure 112013118532491-pat00021
는 붐 조인트부터 적재물 무게중심까지 거리를 나타낸다.
수식 저장부(110)는 붐, 어테치먼트 및 적재물의 회전 관성(
Figure 112013118532491-pat00022
)을 하기의 [수학식 4]와 같이 모델링한 결과를 저장할 수 있다.
Figure 112013118532491-pat00023
여기서,
Figure 112013118532491-pat00024
는 붐, 어테치먼트 및 적재물의 회전 관성,
Figure 112013118532491-pat00025
은 붐 및 어테치먼트 질량,
Figure 112013118532491-pat00026
는 적재물 질량,
Figure 112013118532491-pat00027
은 붐 조인트부터 붐 및 어테치먼트의 무게중심까지 거리,
Figure 112013118532491-pat00028
는 붐 조인트부터 적재물 무게중심까지 거리를 나타낸다.
수식 저장부(110)는 붐, 어테치먼트 및 적재물의 부하 토크(
Figure 112013118532491-pat00029
)를 하기의 [수학식 5]와 같이 모델링한 결과를 저장할 수 있다.
Figure 112013118532491-pat00030
여기서,
Figure 112013118532491-pat00031
은 붐, 어테치먼트 및 적재물의 부하 토크,
Figure 112013118532491-pat00032
은 붐 및 어테치먼트 질량,
Figure 112013118532491-pat00033
는 적재물 질량,
Figure 112013118532491-pat00034
는 붐, 어테치먼트 및 적재물의 무게 중심거리를 나타낸다.
한편, 수식 저장부(110)는 붐실린더를 하기의 [수학식 6]과 같이 모델링한 결과를 저장할 수 있다. 여기서, 모델링되는 건설 기계에는 헤드(Head)에만 압력 센서가 있는 경우에는 정확한 모델링이 불가능할 수 있다. 이때, 점성 마찰(Viscous Friction)이 매우 작다고 가정될 수 있다.
Figure 112013118532491-pat00035
여기서,
Figure 112013118532491-pat00036
는 붐실린더에 의해 발생하는 힘,
Figure 112013118532491-pat00037
는 붐실린더의 압력,
Figure 112013118532491-pat00038
는 붐실린더의 면적을 나타낸다.
이하, 도 2 및 도 3과 [수학식 1] 내지 [수학식 6]을 통해 프론트 장비의 모델링이 완료된 결과를 하기의 회전동역학방정식인 [수학식 7]에 적용하면 다음과 같다.
Figure 112013118532491-pat00039
여기서,
Figure 112013118532491-pat00040
,
Figure 112013118532491-pat00041
및
Figure 112013118532491-pat00042
는 각각 각도, 각속도 및 각가속도를 나타내고,
Figure 112013118532491-pat00043
및
Figure 112013118532491-pat00044
는 무부하 및 부하 토크를 나타내고,
Figure 112013118532491-pat00045
및
Figure 112013118532491-pat00046
는 감쇠 계수 및 탄성 계수를 나타내고,
Figure 112013118532491-pat00047
는 붐, 어테치먼트 및 적재물의 회전 관성을 나타낸다.
상기의 [수학식 7]은 건설 기계의 프론트 장비에 대한 무부하 및 부하 토크 차이에 대한 회전동역학방정식으로 본 발명에 적용될 수 있다. 여기서, 상기의 회전동역학방정식인 [수학식 7]에 해당되는 값이 대입된 후, 적재물의 무게 측정값은
Figure 112013118532491-pat00048
에 관해 정리하면 하기의 [수학식 8]과 같이 정리된다.
Figure 112013118532491-pat00049
여기서,
Figure 112013118532491-pat00050
는 적재물의 무게 측정값을 나타내고,
Figure 112013118532491-pat00051
,
Figure 112013118532491-pat00052
및
Figure 112013118532491-pat00053
는 각각 각도, 각속도 및 각가속도를 나타내고,
Figure 112013118532491-pat00054
은 붐 및 어테치먼트 질량을 나타내고,
Figure 112013118532491-pat00055
은 붐 조인트부터 붐 및 어테치먼트의 무게중심까지 거리,
Figure 112013118532491-pat00056
는 붐 조인트부터 적재물 무게중심까지 거리를 나타내고,
Figure 112013118532491-pat00057
은 실린더 링크 길이,
Figure 112013118532491-pat00058
은 붐 조인트부터 붐실린더 링크 마운트까지 거리를 나타내고,
Figure 112013118532491-pat00059
및
Figure 112013118532491-pat00060
는 감쇠 계수 및 탄성 계수를 나타낸다.
무게 산출부(150)는 상기의 [수학식 8]을 통해 적재물의 무게를 측정할 수 있다. 이를 위해서는, 감쇠 계수(C) 및 탄성 계수(K), 각속도 및 각가속도가 필요하다. 건설 기계에 속도 센서가 구비되지 않은 경우, 연산부(130)는 칼만 필터(Kalman Filter)를 통해 각속도 및 각가속도를 연산한다.
이하, 도 4 내지 도 8을 통해 계수 관리부(140)에서 감쇠 계수(C) 및 탄성 계수(K)를 구하고 감쇠계수맵 및 탄성계수맵을 생성하는 과정을 살펴보기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 감쇠계수맵 및 탄성계수맵 생성 과정에 대한 흐름도이다.
계수 관리부(140)에서 계수맵 생성이 선행되어야 무게 산출부(150)에서의 무게 측정이 가능하다. 계수 관리부(140)는 어테치먼트에 적재되는 적재물 무게별로 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기에 따른 감쇠 계수 및 탄성 계수를 각각 연산한다. 그리고 계수맵 생성부(141)는 각각 연산된 감쇠 계수 및 탄성 계수를 이용하여 감쇠계수맵 및 탄성계수맵을 생성한다.
이하, 계수 관리부(140)에서 수행되는 계수맵 생성 과정을 살펴보기로 한다.
우선, 계수 관리부(140)는 비어 있는 어테치먼트, 엔진 속도가 950, 1450 및 2100 RPM일 때, 센서 정보로부터 각각의 감쇠 계수(C), 탄성 계수(K) 및 붐실린더의 압력기울기를 계산한다(S402).
그리고 계수 관리부(140)는 계산된 붐실린더의 압력기울기, 엔진 속도 RPM, 감쇠 계수(C) 및 탄성 계수(K)를 [붐실린더 기울기, RPM. C, K]로 계수맵 저장부(142)에 저장한다(S404).
다음으로, 계수 관리부(140)는 어테치먼트의 허용무게×1/3인 적재물을 적재한 후, 엔진 속도가 950, 1450 및 2100 RPM일 때, 센서 정보로부터 각각의 감쇠 계수(C), 탄성 계수(K) 및 붐실린더의 압력기울기를 계산한다(S406).
이어서, 계수 관리부(140)는 계산된 붐실린더의 압력기울기, 엔진 속도 RPM, 감쇠 계수(C) 및 탄성 계수(K)를 [붐실린더 기울기, RPM. C, K]로 계수맵 저장부(142)에 저장한다(S408).
이후, 계수 관리부(140)는 어테치먼트의 허용무게×2/3인 적재물을 적재한 후, 엔진 속도가 950, 1450 및 2100 RPM일 때, 센서 정보로부터 각각의 감쇠 계수(C), 탄성 계수(K) 및 붐실린더의 압력기울기를 계산한다(S410).
그리고 계수 관리부(140)는 계산된 붐실린더의 압력기울기, 엔진 속도 RPM, 감쇠 계수(C) 및 탄성 계수(K)를 [붐실린더 기울기, RPM. C, K]로 계수맵 저장부(142)에 저장한다(S412).
계수 관리부(140)는 어테치먼트의 허용무게인 적재물을 적재한 후, 엔진 속도가 950, 1450 및 2100 RPM일 때, 센서 정보로부터 각각의 감쇠 계수(C), 탄성 계수(K) 및 붐실린더의 압력기울기를 계산한다(S414).
이어서, 계수 관리부(140)는 계산된 붐실린더의 압력기울기, 엔진 속도 RPM, 감쇠 계수(C) 및 탄성 계수(K)를 [붐실린더 기울기, RPM. C, K]로 계수맵 저장부(142)에 저장한다(S416).
이후, 계수 관리부(140)는 계수맵 저장부(142)에 저장된 총[12×4]개의 데이터를 정렬하여 감쇠계수맵 및 탄성계수맵(C, K)을 생성한다(S418).
도 5는 도 4의 감쇠계수맵 및 탄성계수맵 생성 방법에 따라 생성된 감쇠계수맵 및 탄성계수맵에 대한 설명도이다.
감쇠계수맵 및 탄성계수맵 생성 과정을 살펴보면, 계수 관리부(140)는 어테치먼트가 비어 있는 경우, 어테치먼트의 허용 무게×1/3, 허용 무게×2/3 및 허용 무게가 적재된 다양한 적재물 무게로 구분하여 데이터를 저장한다. 또한, 계수 관리부(140)는 적재물의 무게별로 각각 950 RPM, 1450, RPM 및 2100 RPM으로 작동하여 데이터 저장한다. 즉, 계수 관리부(140)는 해당 작동 시의 [붐실린더의 압력기울기, 엔진 RPM, 감쇠 계수(C), 탄성 계수(K)]를 저장한다. 이때, 엔진 속도는 상기와 같은 특정 엔진 속도로 한정되지 않으며, 건설 기계별로 데이터 획득이 가능한 임의의 엔진 속도가 될 수 있다. 여기서, 감쇠계수맵 및 탄성계수맵은 건설 기계의 비선형성을 보상하기 위해 적재물 무게 측정 장치(100)에 적용된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 계수 관리부(140)는 총 [12 X 4]개의 데이터를 저장하고, 이를 정렬하여 감쇠계수맵(C)(501) 및 탄성계수맵(K)(502)을 각각 생성한다. 감쇠계수맵(C)(501) 및 탄성계수맵(K)(502)에는 붐실린더의 압력기울기(Pressure Slop)[12 X 1], 엔진 속도(Engine RPM)[1 X 3], 감쇠 계수(C)[12 X 3], 탄성 계수(K)[12 X 3]가 포함된다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 선형 구간에 대한 감쇠 계수 및 탄성 계수 계산 과정에 대한 설명도이다.
계수 관리부(140)는 상기의 [수학식 7]로부터 유도된 하기의 [수학식 9] 및 [수학식 10]로부터 지점 1(601) 및 지점 2(602)를 통해 감쇠 계수(C) 및 탄성 계수(K)를 각각 계산한다. 그리고 계수 관리부(140)는 계산된 감쇠 계수(C) 및 탄성 계수(K)를 저장한다. 여기서, 지점 1(601) 및 지점 2(602)는 선형 구간에 위치하고 있다. 또한, 지점 3(603)은 지점 1(601) 및 지점 2(602) 사이의 선형 구간에 위치한다.
Figure 112013118532491-pat00061
Figure 112013118532491-pat00062
여기서,
Figure 112013118532491-pat00063
,
Figure 112013118532491-pat00064
및
Figure 112013118532491-pat00065
는 각각 지점 1(601)에 대한 각도, 각속도 및 각가속도를 나타내고,
Figure 112013118532491-pat00066
,
Figure 112013118532491-pat00067
및
Figure 112013118532491-pat00068
는 각각 지점 2(602)에 대한 각도, 각속도 및 각가속도를 나타내고,
Figure 112013118532491-pat00069
및
Figure 112013118532491-pat00070
는 지점 1(601)에 대한 무부하 및 부하 토크를 나타내고,
Figure 112013118532491-pat00071
및
Figure 112013118532491-pat00072
는 지점 2(602)에 대한 무부하 및 부하 토크를 나타내고,
Figure 112013118532491-pat00073
는 붐, 어테치먼트 및 적재물의 회전 관성을 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 계수 관리부(140)는 지점 1(601) 및 지점 2(602)에 대한 지점 1(601) 및 지점 2(602) 사이의 선형 구간에 위치한 지점 3(603)의 붐실린더 압력기울기를 계산하여 저장할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 2차원 감쇠계수맵 및 탄성계수맵에 대한 설명도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 계수 관리부(140)는 붐실린더의 압력기울기 및 엔진 속도(RPM)에 따른 감쇠 계수(C)에 대한 2차원 감쇠계수맵을 생성한다. 예를 들어, 계수 관리부(140)는 엔진 속도가 950RPM, 1200RPM, 1450RPM, 1700RPM, 19500RPM 및 2100RPM이고 붐실린더의 압력기울기일 때, 감쇠 계수(C)에 대한 2차원 감쇠계수맵을 생성한다. 여기서, 엔진 속도 또는 붐실린더의 압력기울기의 각 브레이크 포인트 사이 지점은 선형보간법(Linear Interpolation)을 적용하여 2차원 감쇠계수맵을 생성할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 계수 관리부(140)는 붐실린더의 압력기울기 및 엔진 속도(RPM)에 따른 탄성 계수(K)에 대한 2차원 탄성계수맵을 생성한다. 감쇠계수맵 생성과 마찬가지로, 계수 관리부(140)는 엔진 속도가 950RPM, 1200RPM, 1450RPM, 1700RPM, 19500RPM 및 2100RPM이고 붐실린더의 압력기울기일 때, 탄성 계수(K)에 대한 2차원 탄성계수맵을 생성한다. 여기서, 엔진 속도 또는 붐실린더의 압력기울기의 각 브레이크 포인트 사이 지점은 선형 보간법을 적용하여 2차원 탄성계수맵을 생성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 건설 기계의 적재물 무게 측정 방법에 대한 흐름도이다.
측정부(120)는 붐의 각도와, 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기를 측정한다(S902).
연산부(130)는 측정부(120)에서 측정된 건설 기계의 붐의 각도를 이용하여 붐의 각속도 및 각가속도를 연산한다(S904). 여기서, 연산부(130)는 어테치먼트에 적재물이 적재된 상태로 붐이 이동하는 경우, 이동하는 붐의 각도를 칼만 필터에 적용하여 붐의 각속도 및 각가속도를 연산할 수 있다.
계수 관리부(140)는 미리 설정된 감쇠계수맵 및 탄성계수맵에서 측정부(120)에서 측정된 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기에 대응하는 감쇠 계수 및 탄성 계수를 추출한다(S906).
무게 산출부(150)는 측정부(120)에서 측정된 붐의 각도와 연산부(130)에서 연산된 붐의 각속도 및 각가속도와 계수 관리부(140)에서 추출된 감쇠 계수 및 탄성 계수를 회전동역학방정식에 적용하여 어테치먼트에 적재된 적재물 무게를 산출한다(S910). 여기서, 회전동역학방정식은 붐, 붐실린더 및 어테치먼트 간의 기하학 정보를 이용하여 작성된 무부하 및 부하 토크 차이에 대한 회전동역학방정식이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 적재물 무게 측정 장치에서의 무게 측정 결과에 대한 설명도이다.
도 10에는 엔진 속도가 950RPM이고 적재물이 5톤(5000kg)인 경우, 적재물 무게 측정 장치(100)가 시간 흐름에 따라 적재물의 무게가 측정된 결과가 도시되어 있다. 이와 유사하게, 도 11 및 도 12에는 적재물이 5톤(5000kg)이고 엔진 속도가 각각 1700RPM 및 2100RPM인 경우, 적재물 무게 측정 장치(100)가 시간 흐름에 따라 적재물의 무게가 측정된 결과가 도시되어 있다.
도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 적재물이 측정되기 시작하는 구간에서는 7 내지 8 톤이 측정되다가 시간이 지남에 따라 점차 적재물의 무게인 5톤으로 수렴하는 결과가 나타난다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 적재물 무게 측정 장치(100)는 건설 기계에 구비된 압력 센서, 위치 센서 및 프론트 장비의 기하학 정보를 통해 회전동역학방정식을 유도하여 무게를 측정하고자 한다. 이때, 측정부(120)에서 이용되는 압력 센서, 위치 센서 이외의 비용은 들지 않기 때문에 가격 경쟁력을 가질 수 있다. 또한, 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 적재물 무게 측정 장치(100)의 오차율이 2 퍼센트의 오차율을 보이고 있다.
한편, 상술한 건설 기계의 적재물 무게 측정 방법은 소프트웨어적인 프로그램으로 구현하여 컴퓨터로 읽을 수 있는 소정 기록 매체에 기록해 둘 수 있다.
예컨대, 기록 매체는 각 재생 장치의 내장형으로 하드 디스크, 플래시 메모리, RAM, ROM 등이거나, 외장형으로 CD-R, CD-RW와 같은 광디스크, 콤팩트 플래시 카드, 스마트 미디어, 메모리 스틱, 멀티미디어 카드일 수 있다.
이 경우, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 기록한 프로그램은, 건설 기계에 구비된 붐, 붐실린더 및 어테치먼트 간의 기하학 정보를 이용하여 건설 기계의 프론트 장비를 모델링하는 모델링 과정, 상기 이동하는 붐의 각도와, 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기를 측정하는 측정 과정, 상기 어테치먼트에 적재물이 적재된 상태로 붐이 이동하는 경우, 상기 측정된 붐의 각도를 통해 상기 이동하는 붐의 각속도 및 각가속도를 연산하는 연산 과정, 상기 측정된 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기에 대응하는 감쇠 계수 및 탄성 계수를 감쇠계수맵 및 탄성계수맵에서 추출하는 계수 추출 과정 및 상기 연산된 붐의 각속도 및 각가속도와 상기 추출된 감쇠 계수 및 탄성 계수를 무부하 및 부하 토크 차이에 대한 회전동역학방정식에 적용하여 상기 어테치먼트에 적재된 적재물 무게를 산출하는 무게 산출 과정을 포함하는 방법을 실행할 수 있다.
본 발명의 명세서에서 설명하는 기능적 동작과 구현물은 디지털 전자회로로 구현되거나 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어 혹은 하드웨어로 구현되거나 이들 중 하나 이상의 조합으로 구현될 수 있다. 본 발명의 명세서에서 설명하는 구현물은 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 제품, 다시 말해 데이터 처리 장치의 동작을 제어하기 위하여 또는 이것에 의한 실행을 위하여 유형의 프로그램 저장매체 상에 인코딩된 컴퓨터 프로그램 명령에 관한 하나 이상의 모듈로서 구현될 수 있다.
본 발명의 도면은 동작과정을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 특정한 순서로 그러한 동작들을 수행해야 한다거나 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해해서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다.
또한, 본 발명의 명세서에서 특정한 실시형태를 설명하였다. 실시형태들은 이하의 특허청구범위에 속한다. 예컨대, 청구항에 기재된 동작들은 상이한 순서로 수행되면서 여전히 바람직한 결과를 성취할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
본 발명은 건설 기계의 지오메트리 정보와 구비된 센서로부터 측정된 정보를 건설 기계의 회전동역학방정식에 반영하여 적재물의 무게를 측정함으로써, 적재되는 적재물의 중량을 정확하게 측정할 수 있고 운송차량의 적재시에도 과적을 방지할 수 있으며, 어테치먼트의 정격용량대로 리프팅할 수 있어 유지보수 비용도 절감할 수 있다. 이러한 점에서 기존 기술의 한계를 뛰어 넘음에 따라 관련 기술에 대한 이용만이 아닌 적용되는 장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용 가능성이 있는 발명이다.
100: 적재물 무게 측정 장치 110: 수식 저장부
120: 측정부 130: 연산부
140: 계수 관리부 141: 계수맵 생성부
142: 계수맵 저장부 150: 무게 산출부

Claims (9)

  1. 건설기계의 프런트부에 회동 가능하게 장착된 붐, 상기 붐을 회동시키는 붐실린더, 상기 붐의 일단에 회동가능하게 장착된 어테치먼트를 포함하는 건설기계에 있어서,
    상기 붐, 붐실린더 및 어테치먼트 간의 기하학 정보를 이용하여 작성된 무부하 및 부하 토크 차이에 대한 회전동역학방정식을 저장하는 수식저장부;
    상기 붐의 각도, 엔진 속도, 붐실린더의 압력기울기를 측정하는 측정부;
    상기 측정부에서 측정된 붐의 각도를 이용하여 상기 붐의 각속도 및 각가속도를 연산하는 연산부;
    미리 설정된 감쇠계수맵 및 탄성계수맵에서 상기 엔진 속도와 붐실린더의 압력기울기에 대응하는 감쇠 계수 및 탄성 계수를 추출하는 계수관리부; 및
    상기 측정부에서 측정한 붐의 각도, 상기 연산부에서 연산한 붐의 각속도, 각가속도, 상기 계수관리부에서 추출된 감쇠 계수, 탄성 계수를 상기 회전동역학방정식에 적용하여 상기 어테치먼트에 적재된 적재물 무게를 산출하는 무게산출부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 기계의 적재물 무게 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 계수관리부는
    상기 어테치먼트에 적재되는 적재물 무게별로 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기에 따른 감쇠 계수 및 탄성 계수를 각각 연산하고, 상기 각각 연산된 감쇠 계수 및 탄성 계수를 이용하여 감쇠계수맵 및 탄성계수맵을 생성하는 계수맵생성부; 및
    상기 생성된 감쇠계수맵 및 탄성계수맵을 저장하는 계수맵저장부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 기계의 적재물 무게 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 계수맵생성부는
    선형보간법을 이용하여 선형 구간에 있는 제1지점과 제2 지점 사이의 제3 지점에 대한 붐실린더의 압력기울기 및 엔진 속도에 따른 감쇠 계수 및 탄성 계수를 산출하여 2차원 감쇠계수맵 및 탄성계수맵을 생성하는 것을 특징으로 하는 건설 기계의 적재물 무게 측정 장치.
  4. 붐의 각도, 엔진 속도, 붐실린더의 압력기울기를 측정하는 측정 단계;
    상기 측정 단계에서 측정된 붐의 각도를 이용하여 상기 붐의 각속도 및 각가속도를 연산하는 연산 단계;
    미리 설정된 감쇠계수맵 및 탄성계수맵에서 상기 측정 단계에서 측정된 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기에 대응하는 감쇠 계수 및 탄성 계수를 추출하는 계수 추출 단계; 및
    상기 측정 단계에서 측정된 붐의 각도와 상기 연산 단계에서 연산된 붐의 각속도, 각가속도와 상기 계수 추출 단계에서 추출된 감쇠 계수, 탄성 계수를 회전동역학방정식에 적용하여 어테치먼트에 적재된 적재물 무게를 산출하는 무게 산출 단계
    를 포함하는 건설 기계의 적재물 무게 측정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 회전동역학방정식은
    붐, 붐실린더 및 어테치먼트 간의 기하학 정보를 이용하여 작성된 무부하 및 부하 토크 차이에 대한 회전동역학방정식
    인 것을 특징으로 하는 건설 기계의 적재물 무게 측정 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 감쇠계수맵 및 탄성계수맵은
    상기 어테치먼트에 적재되는 적재물 무게별로 엔진 속도 및 붐실린더의 압력기울기에 따른 감쇠 계수 및 탄성 계수에 따라 설정된 것;을 특징으로 하는 건설 기계의 적재물 무게 측정 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 감쇠계수맵 및 탄성계수맵은
    선형보간법을 이용하여 선형 구간에 있는 제1 지점과 제2 지점 사이의 제3 지점에 대한 붐실린더의 압력기울기 및 엔진 속도에 따른 감쇠 계수 및 탄성 계수를 산출하여 2차원 감쇠계수맵 및 탄성계수맵을 생성하는 것을 특징으로 하는 건설 기계의 적재물 무게 측정 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 회전동역학방정식은
    상기 붐, 붐실린더, 어테치먼트 의 질량 및 붐 조인트로부터 상기 붐, 붐실린더, 어테치먼트의 무게중심 간의 거리 중 적어도 하나가 포함된 값을 적용하는 것을 특징으로 하는 건설 기계의 적재물 무게 측정 방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 연산 단계는
    상기 붐의 각도를 칼만 필터(Kalman Filter)에 적용하여 상기 붐의 각속도 및 각가속도를 연산하는 것을 특징으로 하는 건설 기계의 적재물 무게 측정 방법.
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