KR102346816B1 - 무인 굴삭용 드론 - Google Patents

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KR102346816B1
KR102346816B1 KR1020210054442A KR20210054442A KR102346816B1 KR 102346816 B1 KR102346816 B1 KR 102346816B1 KR 1020210054442 A KR1020210054442 A KR 1020210054442A KR 20210054442 A KR20210054442 A KR 20210054442A KR 102346816 B1 KR102346816 B1 KR 102346816B1
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서자호
윤성규
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서자호
윤성규
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Abstract

일 실시 예에 의한 무인 굴삭용 드론은 본체와, 상기 본체의 둘레를 따라 소정 간격으로 연장 형성되는 다수의 지지대와, 상기 지지대의 단부에 장착되어 추진력을 발생시키는 다수의 로터를 포함하는 드론부; 상기 본체의 전방을 향하여 외측으로 인출되는 어태치먼트와, 상기 어태치먼트를 구동하는 전동실린더를 포함하는 작업부; 및 상기 어태치먼트를 상기 본체에 대하여 좌우로 선회 가능하게 결합하는 결합부;를 포함할 수 있다.

Description

무인 굴삭용 드론{DRONE FOR UNMANNED EXCAVATION}
본 발명은 무인 굴삭용 드론에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고소산비탈이나 갱도와 같이 건설장비의 접근이 어려운 험지(險地)에서 토공작업을 수행하고 작업환경 및 작업특성을 고려한 자율 제어가 가능한 무인 굴삭용 드론에 관한 것이다.
일반적으로 굴삭기는 주로 흙을 파는 작업을 하기 위한 중장비로서 경우에 따라서는 산악지대나 광산과 같은 사고 위험이 높은 작업장 및 심도 깊은 터널 공사에 이르기까지 다양하게 운용되고 있지만, 이러한 위험 장소에서 작업을 할 경우 굴삭기가 전복되는 사고나 갱도가 무너지는 등의 각종 재해로 인하여 굴삭기 탑승자가 사고를 당하는 문제점이 있었다.
최근 이러한 문제점을 해결하기 위해 굴삭기를 무인화하고 지상 관제실에서 사용자가 원격 조정할 수 있도록 하는 무인 굴삭 시스템이 연구되고 있다. 현재 상용화된 무인 굴삭 시스템은 단방향 제어방식으로서 이것은 사용자가 작업현장을 볼 수 있는 근거리에서 직접 굴삭기의 작업상황을 지켜보면서 굴삭기 측에 각종 명령을 송신하면, 상기 굴삭기 측은 사용자의 명령내용을 수신하여 그에 따라 작업을 수행하는 방식이다.
이러한 시스템은 구조적으로나 구현성 측면에서 가장 간단하므로 제조원가가 저렴한 장점은 있으나 작업 중 사용자가 작업상황을 계속해서 면밀히 관측하여야 하므로 사용자의 높은 집중력이 요구될 뿐만 아니라 사용자가 직접 굴삭기의 작업상황을 볼 수 없게 되는 경우에는 전혀 사용이 불가능한 문제점이 있다.
즉, 상술한 무인 굴삭 시스템은 굴삭기가 붕괴 우려가 있는 광산의 갱도나 터널 등에 들어가 작업을 하게 되는 경우에는 사용자가 굴삭기를 직접 볼 수 없어 굴삭작업 자체가 불가한 문제점이 있는 것이다.
또한, 작업 응답성이 떨어져 주변 구조물이나 장애물과 충돌하는 사고가 증가하게 되고, 특히 경사로나 저지대에 대한 식별이 잘 이루어지지 않아 굴삭기가 전복되거나 낙하하는 중대 사고가 빈번하여 무인 굴삭기의 운용을 위태롭게 하고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 굴삭 어태치먼트가 구비된 드론을 이용하여 고소산비탈이나 갱도와 같이 건설장비의 접근이 어려운 험지에서 토공작업을 수행하고, 작업환경과 작업특성을 고려하여 굴삭 어태치먼트를 자율 제어함으로써 작업의 정확도와 안정성을 증대시킬 수 있는 무인 굴삭용 드론을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무인 굴삭용 드론은 본체와, 상기 본체의 둘레를 따라 소정 간격으로 연장 형성되는 다수의 지지대와, 상기 지지대의 단부에 장착되어 추진력을 발생시키는 다수의 로터를 포함하는 드론부; 상기 본체의 전방을 향하여 외측으로 인출되는 어태치먼트와, 상기 어태치먼트를 구동하는 전동실린더를 포함하는 작업부; 및 상기 어태치먼트를 상기 본체에 대하여 좌우로 선회 가능하게 결합하는 결합부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 다수의 지지대는 상기 본체의 외측에서 방사상으로 돌출되는 복수의 제1 지지대와, 서로 인접하는 복수의 제1 지지대 사이에 형성되는 복수의 제2 지지대;를 포함하고, 상기 다수의 로터는 상기 복수의 제1 지지대 각각의 단부에 장착되는 복수의 제1 로터와, 상기 복수의 제2 지지대 각각의 단부에서 상기 제1 로터의 축방향에 대하여 직교하는 방향으로 설치되는 복수의 제2 로터;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 어태치먼트는 상기 결합부의 회전브라켓에 결합되는 붐과, 상기 붐과 회동 가능하게 연결되는 암과, 상기 암의 말단에 연결되는 버켓을 포함하고, 상기 작업부는 상기 붐의 각도와, 상기 붐과 암 사이의 각도, 및 상기 암과 버켓 사이의 각도를 측정하는 경사센서;를 더 포함할 수 있다.
상기 본체는 사용자 단말로부터 목표위치 및 굴삭정보를 수신하는 통신부; 상기 본체 주변의 굴삭환경을 인식하는 센서부; 및 상기 목표위치까지의 비행경로를 생성하고, 상기 비행경로를 추종하도록 상기 다수의 로터 각각의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 굴삭환경에 기반하여 소정의 제어신호를 생성하고, 상기 제어신호를 바탕으로 상기 굴삭정보에 상응하도록 상기 전동실린더의 구동을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 붐과, 암과, 버켓 각각의 길이와 상기 경사센서에서 측정된 각도를 이용하여 상기 버켓의 위치를 연산할 수 있다.
여기서, 상기 전동실린더는 내측으로 로드홈이 형성된 실린더 몸체와, 상기 실린더 몸체의 내부에 고정 설치되는 작동로드와, 상기 작동로드를 상기 실린더 몸체의 전방으로 인출시키는 액추에이터를 포함하고, 상기 액추에이터는 모터와, 상기 모터의 회전운동을 상기 작동로드의 직선운동으로 변환하는 동력전달부재를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 무인 굴삭용 드론은 고소산비탈이나 갱도, 인체에 유해한 방사능 물질이 존재하는 위험지대 등과 같은 지리적 제약조건에 관계없이 토공작업을 수행할 수 있고. 버켓과의 충돌사고나 토사붕괴로 인한 안전사고의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 굴삭 어태치먼트의 실시간 위치를 추적하여 작업환경 및 작업특성에 적합한 제어 알고리즘을 제공함으로써 토공작업의 생산성과 정확성을 향상시키고, 작업시간의 단축 및 시공품질의 균일성을 확보할 수 있다.
본 실시 예에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 굴삭 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 무인 굴삭용 드론의 확대 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 무인 굴삭용 드론의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무인 굴삭용 드론을 구성하는 본체의 블록도이다.
도 5의 (a)는 도 2에 도시된 무인 굴삭용 드론을 구성하는 드론모듈의 분해 사시도이고, 도 5의 (b)는 도 5의 (a)에 도시된 드론모듈의 평면도이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동실린더를 나타내는 사시도이고, 도 6의 (b)는 도 6의 (a)에 도시된 전동실린더의 내부구성을 나타내기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무인 굴삭 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무인 굴삭용 드론의 어태치먼트를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 실시 예를 상세히 설명한다. 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 또한, 실시 예의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 실시 예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 실시 예의 범위를 한정하는 것이 아니다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시 예에 의한 무인 굴삭용 드론을 이용한 지능형 굴삭 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 굴삭 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 무인 굴삭용 드론(10)은 무선 통신망을 통해 사용자 단말(UE, User Equipment)과 서로 연결된다.
사용자 단말(UE)은 무선 통신망(Wireless Area Networks)에 접속하여 무인 굴삭용 드론(10)이 공사현장에서 토공작업을 수행하기 위해 필요한 각종 데이터를 송신할 수 있다. 예를 들어, 사용자 단말(UE)은 목표위치 P(x,y,z), 굴삭정보 또는 작업계획 등에 관한 데이터를 통신모듈(미도시)을 통해 무인 굴삭용 드론(10)에 전송할 수 있다. 여기서, 굴삭정보는 목표위치 P(x,y,z)에 대응하는 작업면의 굴삭깊이, 굴삭폭, 토공량(절토고 및 성토고를 포함함), 굴삭경사 등을 포함하고, 작업계획은 상기 공사현장에 대한 3차원 계획도면을 포함할 수 있다. 이러한 3차원 계획도면은 무인 굴삭용 드론(10)이 공사현장으로 이동하기 전에 측량기사 등으로부터 제공되어 미리 저장된다.
무인 굴삭용 드론(10)은 조종사 없이 사전에 입력된 프로그램에 따라 비행경로를 생성하고, 상기 비행경로를 추종하여 목표위치 P(x,y,z)까지 자율적으로 비행할 수 있다. 또한, 이동하는 동안 주변 환경을 인식하여 장애물을 탐지하고 안정된 자세를 유지하기 위한 자세 제어를 수행한다.
무인 굴삭용 드론(10)은 목표위치 P(x,y,z)에 도달하면 공사현장 주변의 지형을 스캐닝해 측량한 뒤 3차원으로 합성하여 작업공간에 대한 정보를 스스로 인식하고, 상기 정보를 바탕으로 효율적인 작업모드를 판단해 실행할 수 있다. 또한, 사용자 단말(UE)로부터 수신한 굴삭정보 또는 작업계획을 바탕으로 작업량과 작업경로 등을 파악한 후 굴삭작업을 위한 자율 제어를 수행한다.
이러한 무인 굴삭용 드론(10)은 고소 산비탈이나 광산의 갱도 등과 같은 험지(險地)나 인체에 유해한 화학물질이 존재하는 위험지대에 접근하여 토공작업을 수행할 있다. 이하에서는 도 2 내지 도 3을 함께 참조하여 전술한 무인 굴삭용 드론(10)에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 도 1에 도시된 무인 굴삭용 드론의 확대 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 무인 굴삭용 드론의 측면도이다.
일 실시 예에 따른 무인 굴삭용 드론(10)은 도시된 바와 같이 크게 드론모듈(100), 결합모듈(200), 및 작업모듈(300)을 포함하여 구성될 수 있다.
드론모듈(100)은 무인 굴삭용 드론(10)이 전후, 좌우 및 상하 방향으로 이동할 수 있도록 비행을 위한 양력을 발생시키는 구성요소로서, 적어도 하나의 센서와 제어부가 내장된 본체(110)와, 본체(110)의 둘레를 따라 소정 간격으로 연장 형성되는 다수의 지지대(120)와, 지지대(120)의 단부에 장착되어 추진력을 발생시키는 다수의 로터(130)와, 본체(110)의 하부에 결합되는 랜딩레그(140)를 포함할 수 있다.
본체(110)의 내측에는 전기회로(미도시)가 마련되고, 전기회로를 통해 복수의 로터(130) 및 렌딩레그(140)와 서로 전기적으로 연결된다. 본체(110)의 내부에는 각종 전자장치(미도시)가 구비되고, 상기 전자장치는 후술하는 바와 같이 통신부, 센서부, 인터페이스부, 메모리, 전원공급부, 제어부 등으로 구성될 수 있다.
본체(110)의 외주면에는 다수의 지지대(120)가 소정 간격을 두고 방사상으로 소정길이 돌출되게 형성된다.
다수의 지지대(120)는 본체(110)의 네 모서리에 각각 대각선 방향으로 돌출되게 구비되는 복수의 제1 지지대(121)와, 서로 인접하는 복수의 제1 지지대(121) 사이에 형성되는 복수의 제2 지지대(122)를 포함할 수 있다.
복수의 제1 지지대(121)는 각각 제1 길이(La)를 갖고 등간격으로 배치되며, 복수의 제2 지지대(122)는 각각 제2 길이(Lb)를 갖고 본체(110)의 둘레 방향을 따라 제1 지지대(121)와 서로 교번하여 배치된다. 이때, 제2 길이(Lb)는 제1 길이(La)보다 짧게 형성되는 것이 바람직하다(La>Lb)(도 5의 (b) 참조).
다수의 로터(130)는 본체(110)의 중앙으로부터 동일한 간격으로 이격되도록 각각의 지지대(120)에 고정된다. 다수의 로터(130)는 제1 지지대(121)의 단부에 각각 설치되는 복수의 제1 로터(131)와, 제2 지지대(122)의 단부에 각각 설치되는 복수의 제2 로터(132)를 포함한다.
복수의 제1 로터(131)는 추진 프로펠러(131a)와, 추진 프로펠러(131a)를 회전시키는 구동모터(131b)를 포함하여 본체(110)에 추진력을 발생시킨다. 구동모터(131b)는 제1 지지대(121)에 고정되고, 추진 프로펠러(131a) 각각의 회전 중심축(A)은 제1 지지대(121)에 대해 수직한 방향으로 모두 동일하며, 복수의 제1 로터(131)는 동일한 방향으로 추력을 발생한다.
제1 로터(131)의 동작은 제어부(미도시)에 의해 각각의 회전 방향과 회전 속도가 개별적으로 제어될 수 있다. 예컨대, 서로 마주하는 한 쌍의 제1 로터(131)는 정방향으로 회전하고, 서로 마주하는 나머지 한 쌍의 제1 로터(131)는 역방향으로 회전할 수 있다.
복수의 제2 로터(132)는 피치 프로펠러(132a)와, 피치 프로펠러(132a)를 회전시키는 서보모터(132b)를 포함하여 본체(110)의 자세를 유지시킨다. 서보모터(132b)는 제2 지지대(122)에 고정되고, 피치 프로펠러(132a) 각각의 회전 중심축(B)은 제2 지지대(122)의 길이 방향으로 평행할 수 있다. 즉, 피치 프로펠러(132a)의 회전 중심축(B)은 추진 프로펠러(131a)의 회전 중심축(A)과 수직 방향으로 교차하게 된다(도 5의 (a) 참조).
제2 로터(132)의 동작은 제어부(미도시)를 통해 독립적으로 제어될 수 있다. 제어부(미도시)는 적어도 하나의 센서를 통해 감지되는 본체(110)의 자세(예컨대, 무인 굴삭용 드론(10)의 굴삭작업 시 자체적으로 발생되는 각종 유동으로 본체(110)의 기울기 즉, 롤링(rolling), 피칭(pitching), 요잉(yawing) 등을 포함함)가 수평상태를 유지하도록 복수의 제2 로터(132) 각각의 회전 방향과 회전 속도를 개별적으로 구동 제어함으로써 무인 굴삭용 드론(10)의 전복을 방지할 수 있다.
랜딩레그(140)는 이착륙시 본체(110)가 지면에 접촉되지 않도록 이격시키는 지지수단으로, 무인 굴삭용 드론(10)의 무게를 분산시켜 안정적으로 지지할 수 있도록 본체(110)의 하방으로 복수 개가 장착된다.
랜딩레그(140)는 본체(110)의 하면에 고정 장착되는 고정브라켓(141)과, 고정브라켓(141)에 지지되어 하향 연장되는 지지 프레임(142)과, 지지 프레임(142)의 하단에 설치되어 지면을 지지되는 지지판(143)을 포함하여 구비된다. 지지판(143)은 지면을 파지(把持)할 수 있도록 측면의 원주방향을 따라 “Λ”형상의 절개홈(143a)이 다수 개 형성되고 전체적으로 갈퀴 구조를 이룬다.
한편, 도시하지는 아니하였으나 상기 랜딩레그(140)는 지면이 평탄하지 못한 경우에도 본체(110)의 기울기가 최소화될 수 있도록 높이 변화가 가능하게 구성될 수도 있다. 예를 들어, 지면이 일측으로 하향 경사진 경우 적어도 하나의 센서가 지면의 경사진 상태를 검출하여 감지신호를 출력하면 제어부(미도시)는 이를 기초로 기울어진 부위의 랜딩레그(140)에 장착된 지지 프레임(142)을 구동제어하여 그 길이를 증가시킴으로써 본체(110)을 수평상태로 유지할 수 있다.
결합모듈(200)은 후술하는 작업모듈(300)을 드론모듈(100)의 본체(110)에 대하여 좌우로 선회 가능하게 결합하는 구성요소로서, 베이스 플레이트(210), 연결부재(220), 선회모터(230), 회전브라켓(240), 및 링크부재(250)를 포함할 수 있다.
베이스 플레이트(210)는 본체(110)와 소정 간격으로 이격 배치되고, 베이스 플레이트(210)의 수직 하방으로 연결부재(220)가 돌출 형성된다.
연결부재(220)는 베이스 플레이트(210)와 본체(110) 사이에 수납공간(S)이 형성되도록 베이스 플레이트(210)의 가장자리에서 하부로 절곡되어 연장된다.
선회모터(230)는 베이스 플레이트(210)의 하면에 고정 설치되며, 과열 방지를 위해 상기 수납공간(S) 내에서 본체(110)의 상면과 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다.
회전브라켓(240)은 베이스 플레이트(210)의 상측에 구비되며, 상기 수납공간(S)에 수용된 선회모터(230)로부터 회전력을 전달받아 구동된다.
회전브라켓(240)은 선회모터(230)의 축상에 형성된 연결바(241)가 수직 관통하는 바닥판(242)과, 연결바(241)의 선단에 일체로 결합되는 상판(243)과, 상판(243)의 외측 단부가 하향 절곡되는 측판(244)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 바닥판(242)과, 상판(243)과, 측판(244)은 일체로 형성될 수 있다. 선회모터(230)의 회전축(C)은 베이스 플레이트(210)와 바닥판(242)을 관통하여 상판(243)에 고정된 연결바(241)와 직설되며, 선회모터(230)의 회전력이 회전브라켓(240)에 전달되면 회전브라켓(240)은 상기 회전축(C)을 중심으로 베이스 플레이트(210)에 대해 0도에서 360도 범위 내에서 회전할 수 있다.
회전브라켓(240)의 측판(244) 하단에는 힌지핀(미도시)을 통해 붐(311)의 일단과 접속하는 제1 핀홀(244a)이 설치된다. 힌지핀(미도시)은 붐(311)의 일단에 형성된 제1 핀홀(244a)을 관통하여 삽입 고정되며, 상기 붐(311)은 회전브라켓(240)의 일측에 설치된 제1 핀홀(244a)을 중심으로 호를 그리며 상하로 회동할 수 있다.
링크부재(250)는 회전브라켓(240)의 상판(243)에서 전방을 향하여 경사지게 돌출 형성되고, 단부에는 연결핀(미도시)에 의해 제1 전동실린더(320a)의 타측과 접속하는 제2 핀홀(250a)이 천공된다.
작업모듈(300)은 결합모듈(200)로부터 일방향으로 인출되는 어태치먼트(attachment, 310)와, 어태치먼트(310)를 구동하는 전동실린더(320)와, 어태치먼트(310)에 장착되는 경사센서(330)를 포함하여 구성될 수 있다.
어태치먼트(310)는 회전브라켓(240)의 일측에서 작업공간의 전방으로 연장되는 붐(311)과, 붐(311)의 선단에 힌지로 결합되는 암(312)과, 암(312)의 선단에 장착되어 작업면과 직접 접촉하는 버켓(313)을 포함할 수 있다. 여기서, 붐(311), 암(312), 버켓(313)은 어태치먼트(310)의 일례로서의 굴삭 어태치먼트를 구성하고 있으나, 본 발명의 범주가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
전동실린더(320)는 붐(311)의 일단과 암(312)의 일단, 그리고 버켓(313)의 일단을 각각 개별적으로 구동하며, 도시된 바와 같이 제1 전동실린더(320a)와, 제2 전동실린더(320b)와, 제3 전동실린더(320c)로 구성될 수 있다. 붐(311)은 제1 전동실린더(320a)에 의하여 구동되고, 암(312)은 제2 전동실린더(320b)에 의하여 구동되며, 버켓(313)은 제3 전동실린더(320c)에 의하여 구동된다. 이에 대한 상세한 설명은 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.
경사센서(330)는 붐(311)과, 암(312), 버켓(313)이 서로 접하는 절점마다 설치되며 개개의 회전각도를 검출하도록 구성되어 있다. 즉, 경사센서(330)는 어태치먼트(310) 상에 복수 개의 제1 내지 제3 경사센서(331~333)가 구비토록 구성된다. 본 명세서에서는 제1 내지 제3 경사센서(331~333) 각각이 로터리 엔코더(Rotar Encoder)인 것으로 가정하고 설명하지만, 실시 형태에 따라 가변저항을 이용한 퍼텐쇼미터, 실린더 변위측정센서, 가속도센서, 자이로센서, 또는 가속도센서와 자이로센서의 조합 등으로 구현될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
제1 경사센서(331)는 회전브라켓(240)과 붐(311)이 서로 연결된 절점에 설치되어 베이스 플레이트(210)에 대한 붐(311)의 회전각도(이하, "붐각도"라고 함)를 검출하도록 구성된다. 붐각도는 붐(311)을 가장 하강시켰을 때에 최소가 되고, 붐(311)을 상승시킴에 따라 커진다.
제2 경사센서(332)는 붐(311)과 암(312)이 서로 연결된 절점에 설치되어 붐(311)에 대한 암(312)의 회전각도(이하, "암각도"라고 함)를 검출하도록 구성된다. 암각도는 암(312)을 가장 접었을 때에 최소가 되고, 암(312)을 펼침에 따라 커진다.
제3 경사센서(333)는 암(312)과 버켓(313)이 서로 연결된 절점에 설치되어 암(312)에 대한 버켓(313)의 회전각도(이하, "버켓각도"라고 함)를 검출하도록 구성된다. 버켓각도는 버켓(313)을 가장 접었을 때에 최소가 되고, 버켓(313)을 펼침에 따라 커진다.
한편, 버켓(313)과 제3 전동실린더(323)는 버켓링크(BL)를 통하여 서로 연결되고, 버켓링크(BL)와 버켓(313) 사이에는 힘센서(340)가 더 구비될 수 있다. 굴삭작업 시 작업환경에 따른 효율적이고 안전한 제어를 위해서는 지면과 버켓(313)의 반작용에 따른 반력을 고려하여야 하며, 이를 위해 힘센서(340)는 버켓(313)에 가해지는 힘을 측정하여 제어부(미도시)로 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무인 굴삭용 드론을 구성하는 본체의 블록도이다.
도 5의 (a)는 도 2에 도시된 무인 굴삭용 드론을 구성하는 드론모듈의 분해 사시도이고, 도 5의 (b)는 도 5의 (a)에 도시된 드론모듈의 평면도이다.
이하에서는 도 4 내지 도 5를 함께 참조하여 본체(110)에 구비되는 각종 전자장치에 대해 보다 상세히 설명하되, 드론모듈(100)을 구성하는 지지대(120), 로터(130), 및 랜딩레그(140)는 이미 전술하였는바 중복되는 설명을 피하기 위해 본 지면에서는 생략하기로 한다.
본체(110)의 내부에는 통신부(111), 센서부(112), 인터페이스부(113), 메모리(114), 전원공급부(115), 및 제어부(116)가 구비될 수 있다. 다만, 실시 예에 따라 본체(110)는 본 명세서에서 설명되는 구성요소 외에 다른 구성요소를 더 포함하거나, 설명되는 구성요소 중 일부를 포함하지 않을 수 있다.
통신부(111)는 외부 디바이스와 통신을 수행하기 위한 장치이다. 여기서, 외부 디바이스는 사용자 단말(UE) 또는 관제 서버(미도시)일 수 있다. 통신부(111)는 블루투스(Bluetooth™), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), UWB(Ultra Wideband), ZigBee, NFC(Near Field Communication), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi Direct, Wireless USB(Wireless Universal Serial Bus), LTE(Long Term Evolution), LTE-A(Long Term Evolution-Advanced), 5G 기술 중 적어도 하나를 이용하여 통신을 지원할 수 있다. 특히, 5G 기술을 이용하여 데이터를 송수신함으로써 보다 빠른 응답이 가능하다.
통신부(111)는 무선 통신망을 형성하여 무인 굴삭용 드론(10)과 적어도 하나의 외부 디바이스 사이의 통신을 수행하며, 제어부(116)의 제어에 따라 동작될 수 있다.
센서부(112)는 GPS 수신기(112a), 비전 카메라(112b), 라이다 센서(112c), 및 자세 센서(112d)를 포함할 수 있다.
GPS 수신기(112a)는 측위 위성을 통해 수신된 신호를 이용하여 실시간으로 무인 굴삭용 드론(10)의 현재위치를 획득할 수 있다. 예컨대, 지구 상공에 위치한 적어도 하나의 GPS(Global Positioning System) 위성으로부터 발사되는 전파의 지연시간을 계측하는 방법으로 무인 굴삭용 드론(10)의 현재위치에 대한 좌표정보를 수집한다.
GPS 수신기(112a)는 본체의 내부에 구비되거나, 도시된 바와 같이 복수의 제1 지지대(121) 중 어느 하나에 고정 설치될 수 있다.
비전 카메라(112b)는 무인 굴삭용 드론(10) 주변의 공사현장을 촬상하여 영상 데이터를 획득하도록 구성된다. 비전 카메라(112b)는 적어도 하나의 광학렌즈와, 광학렌즈를 통과한 광에 의해 상이 맺히는 다수 개의 광 다이오드를 포함하여 구성된 이미지 센서와, 광 다이오드로부터 출력된 신호를 바탕으로 영상을 구성하는 디지털 신호 처리기를 포함할 수 있다.
라이다 센서(112c)는 상기 공사현장을 스캐닝하여 포인트 클라우드 형태의 라이다 데이터를 취득하는 기능을 수행한다. 라이다 센서(112c)는 레이저 펄스를 지상에 발사한 후 지면 또는 지물로부터 반사되어 되돌아오는 레이저 펄스의 도달시간을 측정하여 무인 굴삭용 드론(10)를 둘러싸는 주변환경을 정밀하게 인지할 수 있다. 특히, 반사지점의 공간위치정보를 분석하여 지형을 측량하면 지면 또는 지물에 따라 반사되어 되돌아오는 시간이 각기 다르므로 이로부터 광학영상으로는 얻기 어려운 지형정보를 파악할 수 있다.
라이다 센서(112c)는 공사현장에 대한 라이다 데이터를 취득하기 위하여 본체(110)의 내부에서 작업모듈(200)의 전방에 장착되는 것이 바람직하나, 라이다 센서(112c)의 장착 위치가 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
자세 센서(112d)는 본체(110)의 일측에 설치되어 무인 굴삭용 드론(10)의 자세, 속도, 가속도 등을 측정하여 비행자세 또는 비행상태를 측정할 수 있도록 3축 자이로 센서(Gyroscopes)와 3축 가속도 센서(Accelerometers)를 포함하여 구성된다. 자이로 센서와 가속도 센서는 무인 굴삭용 드론(10)이 지구관성좌표에 대해 회전한 상태와 가속된 상태를 측정하며, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 반도체 공정기술을 이용하여 관성 측정기(IMU, Inertial Measurement Unit)라 부르는 단일 칩(Single Chip)으로 제작될 수도 있다.
인터페이스부(113)는 본체(110)에 연결되는 다양한 종류의 외부 기기와의 통로 역할을 수행할 수 있다. 예를 들면, 인터페이스부(113)는 사용자 단말(UE)과 연결 가능한 포트를 구비할 수 있고, 포트를 통해 사용자 단말(UE)과 연결할 수 있다. 이 경우, 인터페이스부(113)는 사용자 단말(UE)과 비행경로, 굴삭정보, 작업계획, 또는 작업경로 등에 관한 데이터를 교환할 수 있다.
메모리(114)는 제어부(116)와 전기적으로 연결된다. 메모리(114)는 어태치먼트(310)의 각 부재(예컨대, 붐(311), 암(312), 및 버켓(313) 각각을 포함함)에 대한 길이정보, 인터페이스부(113)를 통해 입출력되는 정보, 및 지도 DB 등을 저장할 수 있다. 메모리(114)는 하드웨어적으로 ROM, RAM, EPROM, 플래시 드라이브, 하드 드라이브 등과 같은 다양한 저장기기 일 수 있다. 메모리(114)는 제어부(116)의 처리 또는 제어를 위한 프로그램 등 무인 굴삭용 드론(10) 전반의 동작을 위한 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 실시 예에 따라 메모리(114)는 제어부(116)와 일체형으로 형성되거나, 제어부(116)의 하위 구성 요소로 구현될 수 있다.
전원공급부(115)는 제어부(116)의 제어에 따라 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급할 수 있다. 전원공급부(115)는 본체(110) 내부의 재충전 가능한 배터리를 포함하여 구성될 수 있다. 전원공급부(115)는 무인 굴삭용 드론(10)이 특정 장소로 이동하면 별도의 설치 또는 결합 없이도 충전이 가능할 수 있도록 무선충전모듈을 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같이 구성된 경우, 사용자가 직접 충전하지 않더라도 무선충전지역으로 비행하여 착륙하고 자동으로 충전이 진행되도록 구성될 수 있다.
제어부(116)는 각각의 구성요소와 전기적으로 연결되어 신호처리를 수행하고, 자율비행 또는 굴삭작업과 같은 특정 상황에서 무인 굴삭용 드론(10)이 특정한 기능을 발휘할 수 있도록 각각 개별 제어하는 비행 제어기(116a)와 굴삭작업 제어기(116b)를 포함하여 구성될 수 있다. 비행 제어기(116a)는 자율비행 시 현재위치와 목표위치 사이의 비행경로를 생성하고, 상기 비행경로를 추종하여 제1 로터(131)의 구동을 제어한다. 굴삭작업 제어기(116b)는 굴삭작업 시 공사현장 주변의 3차원 지형 데이터를 생성하고, 상기 데이터를 토대로 효율적인 작업모드를 판단하여 제2 로터(132) 또는 랜딩레그(140)의 구동을 제어한다. 또한, 기구학(kinetic) 해석을 통해 버켓(313) 끝점의 위치를 연산하고 미리 코딩된 힘 제어 알고리즘에 기초하여 굴삭정보에 상응하도록 전동실린더(320)의 구동을 제어한다.
이러한 제어부(116)는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 전술한 통신부(111), 센서부(112), 인터페이스부(113), 메모리(114), 및 전원공급부(115)는 개별적인 프로세서를 갖거나 제어부(116)에 통합될 수 있다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동실린더를 나타내는 사시도이고, 도 6의 (b)는 도 6의 (a)에 도시된 전동실린더의 내부구성을 나타내기 위한 단면도이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 전동실린더(320)는 전체적으로 원기둥 형상을 갖고 일측에는 내측으로 움푹하게 패인 로드홈(미도시)이 형성되는 실린더 몸체(321)와, 봉 형상으로 형성되며 실린더 몸체(321) 내부에 고정 설치되는 작동로드(322)와, 작동로드(322)를 실린더 몸체(321)의 전방으로 인출시키는 액추에이터(323)를 포함하여 구성된다.
실린더 몸체(321)의 타측에는 연결핀(미도시)을 통해 링크부재(250)의 제2 핀홀(250a)과 접속하는 제1 연결구(H1)가 천공되고, 액추에이터(323)의 단부에는 붐(311)이 고정 설치되어 작동로드(322)가 신축됨에 따라 붐(311)은 회전브라켓(240)의 일측에 힌지 결합된 부분을 중심으로 호를 그리며 회동할 수 있다.
작동로드(322)의 일단은 로드홈(미도시)의 내부에 인입된 상태로 고정되고, 타단에는 외주면의 둘레에 단차를 갖는 너트부재(322a)가 형성된다. 그리고 너트부재(322a)가 위치하는 작동로드(322)의 타단 내측면에는 스크류부재(3233d)와 결합하기 위한 나사홈(미도시)이 형성된다.
액추에이터(323)는 케이싱(3231)과, 모터(3232)와, 동력전달부재(3233)를 포함한다.
케이싱(3231)은 일측으로 작동로드(322)의 일단이 관통하는 가이드홀(h)이 형성되고, 작동로드(322)를 수납하기 위한 중공부(3231a)가 가이드홀(h)의 중심축 방향을 따라 내부에 형성된다.
케이싱(3231)은 작동로드(322)가 중공부(3231a)의 내부에서 슬라이드 이동되는 것을 가이드하기 위하여 작동로드(322)의 외주면이 진퇴 가능하게 끼워지는 가이드링(3231b)이 내측으로 구비된다.
케이싱(3231)은 중공부(3231a)의 적어도 일측에 구비되어 너트부재(322a)의 길이 방향 이동을 멈추는 스토퍼(3231c)를 포함한다. 스토퍼(3231c)는 작동로드(322)의 길이 방향으로 중공부(3231a)의 양측에 구비되는 것이 바람직하다.
케이싱(3231)은 타측으로 접속부(3231d)가 돌출되고, 접속부(3231d)의 단부에는 붐(311)의 타단과 접속되도록 핀홀이 천공된 제2 연결구(H2)가 형성된다.
도 6의 (b)를 참조하면, 동력전달부재(3233)는 모터(3232)의 회전운동을 작동로드(322)의 직선운동으로 변환하기 위한 구동기어(3233a), 피동기어(3233b), 중간기어(3233c), 및 스크류부재(3233d)를 포함하여 구성될 수 있다.
구동기어(3233a)는 중공부(3231a)의 상측에 배치된 모터(3232)의 일단과 축결합되어 회전력을 전달받는다.
피동기어(3233b)는 스크류부재(3233d)의 일단과 축결합하고, 스크류부재(3233d)에 모터(3232)의 회전력을 전달하기 위하여 중간기어(3233c)를 사이에 두고 구동기어(3233a)와 맞물려 배치된다. 이때, 피동기어(3233b)의 적어도 일측으로 회전운동을 지지하는 베어링부재(3233e)가 배치될 수 있다. 액추에이터(323)는 구동기어(3233a)와 피동기어(3233b) 간의 기어비를 제어함으로써 작동로드(322) 이동 속도와 힘을 조절할 수 있다.
중간기어(3233c)는 구동기어(3233a)와 치합되는 제1 중간기어(3233c-1)와, 피동기어(3233b)와 치합되는 제2 중간기어(3233c-2)를 포함하며, 이들은 동일한 회전축을 중심으로 회전한다. 이때, 제1 및 제2 중간기어(3233c-1, 3233c-2)는 서로 일체로 회전하는 것이 바람직하다.
스크류부재(3233d)는 타단이 작동로드(322)의 타단에 형성된 너트부재(322a)와 결합하고, 구동방향에 따라 작동로드(322)의 내부로 인입되거나 외부로 인출되면서 작동로드(322)가 중공부(3231a) 내에서 직선 왕복운동을 할 수 있게 한다. 여기서, 외경면에 나사산이 형성된 스크류부재(3233d)는 내경면에 나사홈(미도시)이 형성된 너트부재(322a)와 나사 결합된다.
스크류부재(3233d)는 볼 스크류(Ball-screw)로 구현되는 것이 바람직하나, 본 발명의 범주가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 스크류부재(3233d)가 모터(3232)에 의해 회전하면 내부에 형성된 나선형 통로를 따라 볼(미도시)이 구름운동하여 순환함으로써 스크류부재(3233d)를 따라 길이 방향으로 너트부재(322a)가 직선운동하게 된다.
한편, 도 6의 (a) 내지 (b)는 제1 전동실린더(320a)의 일례를 설명하고 있으나, 제2 및 제3 전동실린더(320b, 320c)도 이와 실질적으로 동일한 구조 및 기능을 가지므로 중복되는 설명은 생략한다.
이하에서는 도 7을 참조하여 전술한 무인 굴삭용 드론(10)을 이용한 지능형 무인 굴삭 제어방법을 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지능형 무인 굴삭 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 제어부(116)는 통신부(111)를 통해 사용자 단말(UE)로부터 목표위치, 굴삭정보 및 작업계획에 관한 데이터를 수신할 수 있다(S701). 여기서, 제어부(116)는 무인 굴삭용 드론(10)의 자율 동작을 제어하는 비행 제어기(116a)와 굴삭작업 동작을 제어하는 굴삭작업 제어기(116b)를 포함하며, 이들은 특정 상황에서 특정한 기능을 발휘하도록 개별적으로 실행될 수 있다.
이후, 비행 제어기(116a)는 메모리(114)에 미리 저장된 지도 DB에 기반하여 현재위치와 목표위치 사이의 비행경로를 생성하고, 상기 비행경로를 추종하도록 복수의 제1 로터(131) 각각의 구동을 개별적으로 제어할 수 있다(S702).
S702 단계에서, 비행 제어기(116a)는 제1 로터(131)를 구성하는 4개의 추진 프로펠러(131a) 각각의 회전 방향과 회전 속도를 별개로 제어하여 무인 굴삭용 드론(10)의 고도와 자세를 일정하게 유지하면서 목표위치로 이동시킨다. 이때, 비행 제어기(116a)는 비전 카메라(112b) 및/또는 라이다 센서(112c)를 통해 주변환경을 인식하고 장애물 회피기동을 위한 구동 제어를 수행할 수도 있다.
그리고, 비행 제어기(116a)는 GPS 수신기(112a)로부터 실시간으로 수집되는 현재위치의 좌표를 이용하여 무인 굴삭용 드론(10)이 목표위치에 도달하였는지 여부를 판단할 수 있다(S703).
상기 판단 결과 무인 굴삭용 드론(10)이 목표위치에 도달한 경우(S703의 Yes), 비행 제어기(116a)는 굴삭작업 제어기(116b)로 상태 천이를 위한 트리거 신호를 송신한다. 굴삭작업 제어기(116b)는 S701 내지 S703 단계에서 슬립상태(sleep-state)로 유지되고, 상기 비행 제어기(116a)로부터 트리거 신호를 수신함에 따라 비로소 활성상태(active-state)로 천이될 수 있다.
굴삭작업 제어기(116b)는 비전 카메라(112b)와 라이다 센서(112c)를 이용하여 무인 굴삭용 드론(10)의 주변환경을 인식하고, 다중 센서 융합을 통해 주변지형을 맵핑(mapping)하여 공사현장의 작업면에 대한 3차원 지형 데이터를 생성한다(S704). 여기서, 작업면은 목표위치에 대응하는 굴삭면을 의미한다.
S704 단계에서, 굴삭작업 제어기(116b)는 비전 카메라(112b)가 촬상한 영상 데이터에 존재하는 기하학적 왜곡을 보정하여 정사영상을 생성하고, 라이다 센서(112c)가 측량한 라이다 데이터에 기반하여 공사현장의 지형에 대한 수치표고모형(DEM; Digital Elevation Model)을 생성한다. 그리고, 수치표고모형(DEM)에 정사영상을 정합하여 작업면에 대한 지반고 및 경사도 정보를 포함하는 3차원 지형 데이터를 생성할 수 있다.
또는, 사용자 단말(UE)은 비전 카메라(112b) 및 라이다 센서(112c)로부터 영상 데이터 및 라이다 데이터를 수신하고, 상기 데이터를 가공하여 공사현장에 대한 3차원 지형 데이터를 생성한 후, 이를 굴삭작업 제어기(116b)로 전송할 수도 있다. 즉, 센서(112b, 112c)에서 취득하는 데이터 량 및 굴삭작업 제어기(116b)의 처리속도를 고려하여 주변지형 맵핑의 수행주체를 선택적으로 전환시킴으로써 무인 굴삭용 드론(10)의 프로세싱 성능과 효율을 향상시킬 수 있다.
이후, 굴삭작업 제어기(116b)는 상기 3차원 지형 데이터에 기반하여 무인 굴삭용 드론(10)이 작업면에 착륙 가능한지 여부를 판단한다(S705).
만일, 상기 작업면이 무인 굴삭용 드론(10)의 착륙 가능한 지형 조건을 만족하는 경우(S705 단계의 Yes), 굴삭작업 제어기(116b)는 무인 굴삭용 드론(10)을 수직 방향으로 기 설정된 기준고도까지 하강시키고 호버링(Hovering) 상태로 전환한 후 랜딩레그(140)의 구동을 제어하여 작업면에 착륙시킬 수 있다(S706). 여기서, 착륙 가능한 지형 조건은 상기 작업면의 경사도와 장애물의 존재유무에 따라 결정될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 굴삭작업 제어기(116b)는 상기 3차원 지형 데이터를 사용자 단말(UE)로 전송하고, 상기 사용자 단말(UE)로부터 착륙 신호를 수신하는 경우에 S706 단계를 실행할 수도 있다.
S706 단계에서, 굴삭작업 제어기(116b)는 지지 프레임(142)의 길이 및 방향을 제어하여 지지판(143)을 지면에 고정시킬 수 있다. 이때, 굴삭작업 제어기(116b)는 자세 센서(112d)로부터 본체(110)와 작업면이 이루는 기울기를 수신하고, 상기 기울기가 기 설정된 범위를 만족할 때까지 각 지지 프레임(142)의 구동을 개별 제어할 수 있다. 여기서, 기 설정된 범위는 본체(110)가 수평상태인 것으로 간주할 수 있을 정도의 기울기로서 대략 0° 이상 5° 이하의 범위에서 설정될 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하다.
한편, 상기 작업면이 무인 굴삭용 드론(10)의 착륙 가능한 지형 조건을 만족하지 않는 경우(S705 단계의 No), 굴삭작업 제어기(116b)는 복수의 제2 로터(132) 각각의 구동을 독립적으로 제어하여 무인 굴삭용 드론(10)의 자세를 안정하게 유지시킨 상태에서 공중 작업을 실행할 수 있다(S707).
S706 내지 S707 단계 이후, 굴삭작업 제어기(116b)는 기구학 해석을 통해 버켓(313) 끝점의 위치를 연산할 수 있다(S708). 이에 대한 상세한 설명은 도 8을 참조하여 이하에서 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무인 굴삭용 드론의 어태치먼트를 나타낸 것이다.
굴삭작업 제어기(116b)는 어태치먼트(310)의 각 부재에 대한 길이정보 및 상기 어태치먼트(310)의 각 절점 사이의 각도정보를 이용하여 버켓(313)의 위치를 연산할 수 있다. 미세한 오차 범위 내에서 이루어지는 정밀 굴삭작업을 수행하는 경우 버켓(313)의 궤적을 실시간으로 추적할 필요가 있으며, 버켓(313)의 위치를 정확히 파악하여야 작업 정확도와 작업효율이 향상될 수 있다.
이를 위해, 본 발명은 도 8에 도시된 바와 같이 붐(311)과, 암(312) 및 버켓(313)의 각 절점에 각각 경사센서(331, 332, 333)를 설치하고, 상기 경사센서(331, 332, 333)에서 측정한 붐(311)의 각도와, 붐(311)과 암(312) 사이의 각도 및 암(312)과 버켓(313) 사이의 각도, 및 메모리(114)에 저장된 붐(311)과 암(312) 및 버켓(313)의 길이를 이용하여 상기 버켓(313)의 위치 및 각도를 연산한다.
즉, 붐(311)의 일단이 무인 굴삭용 드론(10)의 회전브라켓(240)에 결합하는 점 A'의 좌표를 원점(0, 0)으로 하면, 붐(311)의 타단과 암(312)의 타단이 결합하는 점 B'의 좌표는 (L1cosα, L1sinα)이고, 암(312)의 타단과 버켓(313)의 일단이 결합하는 점 C'의 좌표는 (L1cosα+L2cos(β-α), L1sinα-L2sin(β-α))이다.
따라서, 굴삭작업 제어기(116b)는 티스(teeth)가 장착된 버켓(313) 타단의 위치 D(Dx, Dy) 및 각도(θBucket)를 아래의 수학식 1을 통해 산출하여 정밀작업이 가능하게 한다.
Figure 112021049252672-pat00001
(여기서, L1은 붐(311)의 길이, L2는 암(312)의 길이, L3는 버켓(313)의 길이, α는 붐(311)의 각도, β는 붐(311)가 암(312) 사이의 각도, γ는 암(312)과 버켓(313) 사이의 각도임)
다시 도 7로 돌아와서, 굴삭작업 제어기(116b)는 버켓링크(BL)와 버켓(313) 사이에 구비된 힘센서(340)로부터 지면과 버켓(313)의 반작용에 따른 반력을 측정한다(S709).
이후, 굴삭작업 제어기(116b)는 내부에 미리 코딩된 선형 액추에이터 제어 알고리즘 및 힘 제어 알고리즘에 기초하여 굴삭정보에 상응하도록 제1 내지 제3 전동실린더(321, 322, 323) 각각의 구동을 개별적으로 제어할 수 있다(S710).
S710 단계에서, 굴삭작업 제어기(116b)는 통신부(111)를 통해 수신한 굴삭정보-예컨대, 굴삭깊이, 굴삭폭, 토공량(절토고 및/또는 성토고), 굴삭경사 등을 포함함-에 기초하여 제어 알고리즘을 계산할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 굴삭작업 제어기(116b)는 통신부(111)를 통해 수신한 작업계획에 관한 데이터-예컨대, 3차원 계획도면-의 계획고를 추출하여, 3차원 지형 데이터에 매칭함으로써 지반고와 계획고의 차이를 통해 굴삭깊이, 토공량 등을 직접 산출하고, 산출된 정보에 기초하여 제어 알고리즘을 계산할 수도 있다.
마지막으로, 굴삭작업 제어기(116b)는 굴삭작업 후 비전 카메라(112b) 및 라이다 센서(112c)를 이용하여 시공면에 대한 3차원 지형 데이터를 생성하고, 3차원 계획도면과 비교하여 작업계획이 완료되었는지 여부를 판단할 수 있다(S711). 여기서, 시공면은 굴삭작업이 완료된 후의 작업면을 의미한다.
상기 판단 결과, 아직 작업계획이 완료되지 아니하면 S710 단계로 회귀하여 굴삭작업을 계속 진행하되, 완료된 것으로 판단되면 굴삭작업을 종료하고 원위치로 복귀할 수 있다.
상술한 실시 예에 따른 지능형 무인 굴삭 제어방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 포함될 수 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상술한 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
실시 예와 관련하여 전술한 바와 같이 몇 가지만을 기술하였지만, 이외에도 다양한 형태의 실시가 가능하다. 앞서 설명한 실시 예들의 기술적 내용들은 서로 양립할 수 없는 기술이 아닌 이상은 다양한 형태로 조합될 수 있으며, 이를 통해 새로운 실시 형태로 구현될 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
10: 무인 굴삭용 드론 UE: 사용자 단말
100: 드론모듈
110: 본체 120: 지지대
130: 로터 140: 랜딩레그
200: 결합모듈
210: 베이스 플레이트 220: 연결부재
230: 선회모터 240: 회전브라켓
250: 링크부재
300: 작업모듈
310: 어태치먼트 320: 전동실린더
330: 경사센서 340: 힘센서

Claims (16)

  1. 무인 굴삭용 드론에 있어서,
    본체와, 상기 본체의 둘레를 따라 소정 간격으로 연장 형성되는 다수의 지지대와, 상기 지지대의 단부에 장착되어 추진력을 발생시키는 다수의 로터를 포함하는 드론부;
    상기 본체의 전방을 향하여 외측으로 인출되는 어태치먼트와, 상기 어태치먼트를 구동하는 전동실린더를 포함하는 작업부; 및
    상기 어태치먼트를 상기 본체에 대하여 좌우로 선회 가능하게 결합하는 결합부;를 포함하고,
    상기 어태치먼트는 상기 결합부의 회전브라켓에 결합되는 붐과, 상기 붐과 회동 가능하게 연결되는 암과, 상기 암의 말단에 연결되는 버켓을 포함하고,
    상기 작업부는,
    상기 붐의 각도와, 상기 붐과 암 사이의 각도, 및 상기 암과 버켓 사이의 각도를 측정하는 경사센서;를 더 포함하는, 무인 굴삭용 드론.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 지지대는,
    상기 본체의 외측에서 방사상으로 돌출되는 복수의 제1 지지대와, 서로 인접하는 복수의 제1 지지대 사이에 형성되는 복수의 제2 지지대;를 포함하고,
    상기 다수의 로터는,
    상기 복수의 제1 지지대 각각의 단부에 장착되는 복수의 제1 로터와, 상기 복수의 제2 지지대 각각의 단부에서 상기 제1 로터의 축방향에 대하여 직교하는 방향으로 설치되는 복수의 제2 로터;를 포함하는, 무인 굴삭용 드론.
  3. 삭제
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 본체는,
    사용자 단말로부터 목표위치, 굴삭정보, 및 작업계획 중 적어도 하나를 수신하는 통신부;
    상기 본체 주변의 굴삭환경을 인식하는 센서부; 및
    상기 목표위치까지의 비행경로를 생성하고, 상기 비행경로를 추종하도록 상기 다수의 로터 각각의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 굴삭환경에 기반하여 소정의 제어신호를 생성하고, 상기 제어신호를 바탕으로 상기 굴삭정보에 상응하도록 상기 전동실린더의 구동을 제어하며,
    상기 붐과, 암과, 버켓 각각의 길이와 상기 경사센서에서 측정된 각도를 이용하여 상기 버켓의 위치를 연산하는, 무인 굴삭용 드론.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 전동실린더는,
    내측으로 로드홈이 형성된 실린더 몸체와, 상기 실린더 몸체의 내부에 고정 설치되는 작동로드와, 상기 작동로드를 상기 실린더 몸체의 전방으로 인출시키는 액추에이터를 포함하고,
    상기 액추에이터는,
    모터와, 상기 모터의 회전운동을 상기 작동로드의 직선운동으로 변환하는 동력전달부재를 포함하는, 무인 굴삭용 드론.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 본체의 하부에 결합되는 랜딩레그;를 더 포함하고,
    상기 랜딩레그는,
    상기 본체의 하면에 고정 장착되는 고정브라켓과, 상기 고정브라켓에 지지되어 하향 연장되는 복수의 지지 프레임과, 상기 복수의 지지 프레임 각각의 하단에 설치되는 지지판을 포함하는, 무인 굴삭용 드론.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 지지판은 측면의 원주방향을 따라 다수 개의 절개홈이 구비되고 전체적으로 갈퀴 구조로 형성되는, 무인 굴삭용 드론.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 본체의 현재위치를 획득하는 GPS 수신기;
    상기 본체 주변의 공사현장을 촬상하여 영상 데이터를 수집하는 비전 카메라;
    상기 공사현장을 스캐닝하여 포인트 클라우드 형태의 라이다 데이터를 취득하는 라이다 센서; 및
    상기 본체의 기울기, 속도 및 가속도 중 적어도 하나의 정보를 측정하는 자세 센서;를 포함하는, 무인 굴삭용 드론.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 본체의 내부에 미리 저장된 지도 DB를 기반으로 현재위치로부터 목표위치까지의 비행경로를 생성하는 제1 제어부; 및
    상기 영상 데이터 및 상기 라이다 데이터를 융합하여 상기 공사현장의 작업면에 대한 3차원 지형 데이터를 생성하는 제2 제어부;를 포함하는, 무인 굴삭용 드론.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비행경로를 추종하여 자율비행을 수행하도록 상기 복수의 제1 로터 각각의 구동을 제어하는 제1 제어부; 및
    상기 공사현장의 작업면에 대하여 굴삭작업을 수행하도록 상기 전동실린더의 구동을 제어하는 제2 제어부;를 포함하고,
    상기 사용자 단말은,
    상기 비전 카메라 및 상기 라이다 센서 각각으로부터 수신된 데이터들 간의 맵핑을 통해 상기 작업면에 대한 3차원 지형 데이터를 생성하고, 상기 3차원 지형 데이터를 상기 제2 제어부로 전송하는, 무인 굴삭용 드론.
  11. 제9 항 또는 제10 항에 있어서,
    상기 제1 제어부는 상기 GPS 수신기를 통해 상기 무인 굴삭용 드론이 목표위치에 도달한 것으로 판단되면 상기 제2 제어부를 슬립상태에서 활성상태로 천이시키기 위한 트리거 신호를 생성하고,
    상기 제2 제어부는 상기 제1 제어부로부터 상기 트리거 신호를 수신하면 상기 3차원 지형 데이터에 기반하여 상기 무인 굴삭용 드론이 상기 작업면에 착륙 가능한지 여부를 판단하는, 무인 굴삭용 드론.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 제어부는,
    상기 무인 굴삭용 드론이 상기 작업면에 착륙 가능하다고 판단되면, 상기 본체를 미리 설정된 기준고도까지 하강시켜 호버링 상태로 전환하고, 상기 지지판이 지면을 파지할 수 있도록 상기 복수의 지지 프레임 각각의 구동을 개별 제어하는, 무인 굴삭용 드론.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 제어부는,
    상기 무인 굴삭용 드론이 상기 작업면에 착륙 가능하지 않다고 판단되면, 상기 본체의 자세가 안정하게 유지되도록 상기 복수의 제2 로터 각각의 구동을 독립적으로 제어하는, 무인 굴삭용 드론.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 버켓과 상기 전동실린더 사이에 구비되어, 굴삭작업 시 상기 버켓에 가해지는 힘을 측정하는 힘센서;를 더 포함하는, 무인 굴삭용 드론.
  15. 제5 항에 있어서,
    상기 동력전달부재는,
    상기 모터와 축결합되는 구동기어와, 일단이 상기 작동로드와 결합되는 스크류부재와, 상기 스크류부재의 타단과 축결합하는 피동기어와, 상기 구동기어 및 상기 피동기어 각각과 치합되는 중간기어;를 포함하고,
    상기 액추에이터는 상기 굴삭정보에 상응하도록 상기 구동기어와 상기 피동기어 간의 기어비를 제어하여 상기 작동로드의 이동속도와 힘을 조절하는, 무인 굴삭용 드론.
  16. 제9 항 또는 제10 항에 있어서,
    상기 제2 제어부는,
    굴삭작업이 진행됨에 따라 상기 3차원 지형 데이터를 갱신하고, 갱신된 3차원 지형 데이터를 토대로 상기 굴삭작업이 상기 작업계획 대비 목표량에 도달하였는지 여부를 판단하는, 무인 굴삭용 드론.
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