KR20100002896A - System for embodying shape of three dimension excavation ground using rotary type multiple ratio lens and method for computing pit excuvation volume using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 변화하는 비정형 지반을 주기적으로 매핑함에 있어 각 굴삭 거리 단계별 대응 배율 렌즈를 이용하여 지반형상을 인식하여 3차원 형상으로 모델링하고, 변화된 지반형상을 비교·검토함으로써 토공량을 산출하는 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템에 관한 것이다.In the present invention, in the periodic mapping of the changing atypical ground, the ground shape is recognized using a corresponding magnification lens for each excavation distance and modeled as a three-dimensional shape, and the three-dimensional ground is calculated by comparing and reviewing the changed ground shape. A shape image implementation system.
일반적으로, 건설공사의 토공작업에 있어 토량 배분 및 운반 계획은 일반적으로 설계자의 경험적인 판단에 의해서 수립되며, 이 계획에 근거하여 장비운전자가 토공작업을 수행하게 된다.In general, in the earthworks of construction works, the volume distribution and transportation plan is generally established by the designer's empirical judgment, and the equipment operator performs the earthwork based on this plan.
또, 기존의 인력에만 의존한 기존의 토공방식은 장비의 움직임이나 최적경로 같은 지능화된 기능을 고려하지 않고 운전자의 직관적인 판단에 의해 임의대로 작 업을 수행함으로써 실시간으로 변하는 지표면의 레벨에 대한 정확하고 신속한 대처가 미흡하게 된다.In addition, the existing earthwork method, which relies only on the existing manpower, does not take into account the intelligent functions such as the movement of the equipment or the optimal path, and performs the work arbitrarily by the driver's intuitive judgment. And quick response is insufficient.
이는 토공 작업의 생산성을 저해하는 요인으로 작용하게 되며, 궁극적으로는 작업의 효율성을 감소시키게 된다.This acts as a factor that hinders the productivity of earthworks, ultimately reducing the efficiency of the work.
여기에서, 토공작업에 필요한 굴삭기, 그레이더 (Grader) 등의 건설장비들은 부품의 기능 및 크기 그리고 성토 능력 등 하드웨어 측면에서의 지속적인 발전은 이루어졌으나, 토공작업과 관련된 지형레벨 측량 및 토공량 산출 등 소프트웨어 측면에서의 기술발전은 전무한 실정이다.Here, the construction equipment such as excavators and graders required for earthwork has been continuously developed in terms of hardware, such as the function and size of the parts and the embankment capacity, but the software aspects such as the terrain level surveying and earthwork calculation related to the earthwork work Esau's technological development is far from complete.
기존의 토공작업에서는 장비운전자의 작업수행을 위하여 측량기사가 각 지점에 필요한 측량말뚝들을 설치하는 등 부수적인 작업이 필요하게 되며, 장비운전자의 주관적 판단에 의존함으로써 이로 인한 많은 시간과 노력이 요구되는 노동집약적인 작업으로 분류되는 실정이다.Existing earthworks work requires additional work such as surveyor installing survey piles at each point for equipment operator's work, and it requires much time and effort by relying on subjective judgment of equipment operator. It is classified as a labor intensive work.
기존 토공작업의 토공량 산출은 토사 운반 트럭의 일일 운반 횟수에 트럭의 용량을 단순히 곱하는 산술적 계산방식이 현재 이용되고 있다. 하지만 트럭에 실리는 토사량은 항상 일정한 것이 아니며, 또한 굴삭기 운전자의 작업숙련도에 따라 그 양이 변할 수 있는 문제점으로 인하여 기존 토공량 산출방식의 정확성 및 신뢰성이 검토되어야 하는 실정이다.The earthwork calculation of the existing earthworks is currently using an arithmetic calculation method by simply multiplying the truck's capacity by the number of daily transport of the soil transport truck. However, the amount of soil on the truck is not always constant, and due to the problem that the amount can vary depending on the work experience of the excavator driver, the accuracy and reliability of the existing soil volume calculation method should be examined.
이상과 같이 위에서 언급된 기존 토공작업의 근본적인 작업 효율성 재고를 위해서는 실시간 변화되는 지반형상을 획득 및 3차원 형상 모델링 아울러 이를 이용한 정확한 토공량 산출이 가능한 신기술의 도입이 필요하다.As mentioned above, in order to reconsider the fundamental work efficiency of the existing earthworks, it is necessary to acquire a ground shape that changes in real time, model a three-dimensional shape, and introduce a new technology capable of accurate earthwork calculation using the same.
이러한 문제를 해결하기 위하여 실시간 지반형상 이미지 획득 및 토공량 산출을 위한 스테레오 비전 방식이 제시되고 있다.In order to solve this problem, a stereo vision method for real-time ground shape image acquisition and soil volume calculation has been proposed.
일본 공개특허 제2004-247805호에서는 스테레오비전 등의 디바이스에 미리 결정된 규칙에 기초하여 원점에서 방사상으로 3차원 공간 내의 대상물의 거리와 각도를 측정하여 체적을 산출하는 굴삭작업장치가 개시되었으며, 미국 등록특허 제4,924, 506호는 스테레오 비전에 의하여 주위표면 형상의 면적과 체적을 측정하여 직접적으로 지표면의 위상을 결정하는 방법을 제시한다.Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2004-247805 discloses an excavating device for calculating a volume by measuring the distance and angle of an object in a three-dimensional space radially from the origin based on a predetermined rule in a device such as stereovision, US registered Patents 4,924 and 506 propose a method of directly determining the phase of the ground surface by measuring the area and volume of the surrounding surface shape by stereo vision.
그러나 공개기술에 나타난 스테레오 비전 기술은 실내의 상황에 적합하도록 개발되었으며, 특히 측정거리 5m 이상의 경우에는 3차원 이미지 구현을 위한 특정 기준점에 대한 각기 다른 카메라 두 곳과의 초점거리가 길어지는 문제로 인하여 3차원 이미지 형상 구현이 현실적으로 불가능한 것으로 판명되었다.However, the stereo vision technology shown in the open technology was developed to be suitable for the indoor situation. Especially, when the measuring distance is 5m or more, the focal length of two different cameras with respect to a specific reference point for three-dimensional image realization is long. Three-dimensional image shape implementation turned out to be practically impossible.
따라서, 기존의 실내 짧은 측정거리 상에서의 대상체에 대한 3차원 이미지 구현에 널리 이용되고 있는 신기술의 하나인 스테레오 비전기술을 토공사에서의 지반형상 3차원 이미지 구현에 적용하기 위한 방안이 절실히 대두되게 되었다.Therefore, a method for applying stereo vision technology, which is one of the new technologies widely used for realizing three-dimensional images of an object over a short indoor measurement distance, to a ground-based three-dimensional image implementation in earthworks is urgently needed.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 회전식 측정거리보정기(렌즈 체인저) 방식의 스테레오 비전을 이용하여, 실시간으로 지반형상을 인식하고 토공량을 산출하는 시스템을 제공 하는 것이다. Accordingly, the present invention has been proposed to solve the conventional problems as described above, and an object of the present invention is to recognize the ground shape in real time and calculate the amount of earthwork using a stereo vision of the rotary measuring distance corrector (lens changer) method It is to provide a system.
본 발명의 또 다른 목적은 건설공사에서의 굴삭기(Excavator)에 의한 굴삭작업 중 작업 영역에 있어 시공 상황에 따라 지속적으로 변화되는 비정형(amorphous) 지반형상을 주기적으로 맵핑하여 계획도면 및 실시간으로 획득되어지는 각 변화된 3차원 지반형상 이미지들을 비교, 검토함으로써 토공 작업량을 산출하고, 이렇게 얻은 실시간 3차원 지반형상 이미지를 바탕으로 최적의 토공 작업 계획을 수립할 수 있는 지능형 Task Planning System을 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to obtain a plan drawing and real-time by periodically mapping an amorphous ground shape that is continuously changed according to the construction situation in the work area during the excavation work by the Excavator in construction work To calculate the earthwork workload by comparing and reviewing each changed three-dimensional ground geometry images, and to provide an intelligent task planning system that can establish the optimal earthwork work plan based on the real-time three-dimensional ground geometry images.
상기의 목적을 달성하기 위하여 스테레오 비전 시스템을 굴삭기 상부에 장착하여 굴삭영역에 대한 3차원 이미지를 실시간으로 획득하는 것을 기반으로 하고, 대상체가 5m 이상이 되더라도, 획득 이미지의 해상도에 심각한 문제가 발생하지 않도록, 각 거리 단계별 해당 렌즈 여러 개를 설치하여 굴삭영역과 비전 시스템과의 거리에 따라 적절한 배율의 렌즈가 교체, 설치되어 배율을 조정함으로써 대상체의 거리에 따라 보다 정확하고 효율적인 3차원 지반 형상 이미지 획득이 가능하도록 하는 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, a stereo vision system is mounted on an excavator to acquire a three-dimensional image of an excavation area in real time, and even if the object is 5 m or more, no serious problem occurs in the resolution of the acquired image. By installing several lenses for each distance, the lens with the proper magnification is replaced and installed according to the distance between the excavation area and the vision system to obtain more accurate and efficient three-dimensional ground shape image according to the distance of the object. Provides a system to make this possible.
본 발명에 따른 회전식 다중 배율 렌즈를 이용한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템은, 특정 위치에 설치되어 지반형상의 3차원 모델링을 가능하게 하는 스테레오 비전 카메라(120)를 포함한 스테레오 비전 시스템과, The three-dimensional ground shape image implementation system using a rotary multi-magnification lens according to the present invention, a stereo vision system including a
상기 스테레오 비전 카메라의 전면부에 설치되어 굴착 대상물의 거리 단계별 영상신호를 획득하는 다수의 렌즈부가 구동모터부(130)의 구동축(131)을 매개로, 회전 가능하게 지지된 회전형 몸체(110)에 구비된 측정거리보정기(100)와,
상기 측정거리보정기(100)를 회전하기 위한 회전모드 명령과 상기 대상물에 대한 영상신호 획득 명령을 입력하는 입력부와,An input unit for inputting a rotation mode command for rotating the
상기 입력부의 회전모드 명령에 따라 상기 측정거리보정기(100)를 회전시키는 구동모터부(130)와,A
상기 측정거리보정기(100)에서 배율 보정되어 획득된 대상물의 영상신호가 입력되는 이미지 감지부와,An image detector for inputting an image signal of an object obtained by magnification correction by the
상기 이미지 감지부에 입력된 대상물의 영상신호를 분석하여 상기 구동모터부의 구동축을 상기 측정거리보정기(100)의 회전각도 만큼 회전하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.And a controller configured to rotate the driving shaft of the driving motor unit by the rotation angle of the
또한, 본 발명의 회전식 다중 배율 렌즈를 이용한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템은, 회전식 다중 배율 렌즈를 구비한 배율조정기 및 상기 배율조정기가전방 배치된 스테레오 비전 카메라 하부에 패닝/틸팅기구를 구비하여 카메라가 굴삭기 버켓위치에 따라 조절가능 것을 특징으로 하며, 이를 위하여, 굴삭기 각 절점에 부착되어 굴삭기 버켓의 실시간 위치 및 굴절각도에 대한 정보를 획득하는 위치인식센서를 포함한다. 상기 위치인식센서에서 제공하는 정보를 토대로 버켓의 작업위치를 파악하여, 굴삭기 버켓의 위치에 맞춰 패닝/틸팅기구가 틸팅 작동(Tilting)하여 굴삭위치의 초점을 맞추고 위치인식센서로부터 전송되는 버켓 위치 정보에 의해 측정거리에 적합한 배율의 렌즈가 제어부에 의하여 배치된다.In addition, the three-dimensional ground image realization system using a rotary multi-magnification lens of the present invention, the camera is provided with a panning and tilting mechanism under the stereo vision camera with the multiplier with a rotary multi-magnification lens and the magnifier is disposed in front It is characterized in that the adjustable according to the excavator bucket position, for this purpose, it is attached to each node of the excavator includes a position sensor for obtaining information about the real-time position and the angle of refraction of the excavator bucket. Based on the information provided by the position recognition sensor to determine the working position of the bucket, the panning / tilting mechanism according to the position of the excavator bucket tilting (Tilting) to focus the excavation position and the bucket position information transmitted from the position recognition sensor By means of the control unit, a lens having a magnification suitable for the measurement distance is arranged.
또한, 본 발명의 또 다른 특징은, 회전식 다중 배율 렌즈를 이용한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템에 있어서, 굴삭기 각 절점에 부착된 위치인식센서에서 굴삭기 버켓의 실시간 위치 및 굴절각도에 대한 정보를 획득하고, 여기서 획득된 실시간 측정값을 토대로 버켓의 작업위치를 파악하는 단계와, 상기 굴삭기 절점에 배치된 위치인식센서에서 제공하는 굴삭기 위치값을 기준으로 적정 거리 렌즈를 선택하여 셋팅하는 단계와, 회전식 다중 배율 렌즈가 굴삭기 차실 상부에 회전 가능하게 지지되어 이루어지는 배율조정기가 전방 배치된 스테레오 비전 카메라를, 굴삭기 버켓의 위치에 맞춰 패닝/틸팅기구를 매개로 틸팅 작동(Tilting)하여 굴삭위치의 초점을 맞추는 단계와, 상기 굴삭기의 버켓이 지반의 흙을 퍼낼 때 마다 굴삭기의 조정석 위에 설치된 스테레오 비전 카메라가 변화하는 지반형상을 매회 촬영하고, 촬영된 지반형상을 3차원 지반형상 이미지로 변환하는 단계와, 상기 획득된 실시간 3차원 지반형상 이미지 데이터의 비교를 통해 변화된 지형의 레벨 및 부피를 계산하여 실제 굴삭된 토공량을 자동으로 산출토록 하는 것을 특징으로 하는 회전식 다중 배율 렌즈를 이용한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템을 이용한 토공량 산출방법을 제공함에 있다.In addition, another feature of the present invention, in the three-dimensional ground image forming system using a rotary multi-magnification lens, to obtain information about the real-time position and the angle of refraction of the excavator bucket in the position sensor attached to each node of the excavator Determining a working position of the bucket based on the obtained real-time measurement value, selecting and setting an appropriate distance lens based on an excavator position value provided by a position recognition sensor disposed at the excavator node, and rotating multiplexing. Focusing the excavation position by tilting the stereo vision camera with the magnifier in front of the excavator cabin rotatably supported by the magnification lens by the pan / tilting mechanism according to the position of the excavator bucket. And, whenever the bucket of the excavator excavates the soil of the ground installed on the cockpit of the excavator The stereo vision camera photographs the changing ground shape every time, converts the photographed ground shape into a three-dimensional ground shape image, and compares the level and volume of the changed terrain by comparing the obtained real-time three-dimensional ground shape image data. The present invention provides a method for calculating a soil volume using a three-dimensional ground shape image implementation system using a rotary multi-magnification lens, which calculates and automatically calculates the actual excavated soil volume.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.In order to help the understanding of the three-dimensional ground image forming system according to the present invention configured as described above is presented a preferred embodiment. However, the following examples are merely provided to more easily understand the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the examples.
본 발명은 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템으로서, 굴착기 차실 전방 상부의 스테레오 비전 카메라의 전면부에 설치되어 굴착 대상물의 거리 단계별 영상신호를 획득하는 다수의 렌즈부가 구비된 측정거리보정기를 이용한 굴착기의 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템을 구성한 일예로서, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템은, 굴착기 차실 전방 상부에 설치된 스테레오 비전 카메라(120)를 포함한 스테레오 비전 시스템과, 상기 스테레오 비전 카메라의 전면부에 설치되어 굴착 대상물의 거리 단계별 영상신호를 획득하는 다수의 렌즈부(L1, L2, L3)가 구동모터부(130)의 구동축(131)을 매개로, 회전 가능하게 지지된 회전형 몸체(110)에 구비된 측정거리보정기(100)와, 상기 측정거리보정기를 회전하기 위한 회전모드 명령과 상기 대상물에 대한 영상신호 획득 명령을 입력하는 입력부(10)와, 상기 입력부의 회전모드 명령에 따라 상기 측정거리보정기(100)를 정역 회전하는 구동모터부(130)와, 상기 측정거리보정기(100)에서 배율 보정되어 획득된 대상물의 영상신호가 입력되는 이미지 감지부(20)와, 상기 이미지 감지부에 입력된 대상물의 영상신호를 분석하여 상기 구동모터부의 구동축을 상기 측정거리보정기(100)의 회전각도 만큼 회전하는 제어부(30)를 포함하여 이루어진다. 또한 본 발명은 여기에 회전식 다중 배율 렌즈를 구비한 배율조정기 및 상기 배율조정기가 전방 배치된 스테레오 비전 카메라 하부에 패닝/틸팅기구를 구비한다.The present invention is a three-dimensional ground shape image implementation system, three of the excavator using a measurement distance corrector equipped with a plurality of lens unit is installed on the front of the stereo vision camera of the upper part of the excavator cabin to obtain the image signal according to the distance of the excavation target As an example of configuring a dimensional ground shape image implementing system, a three-dimensional ground shape image implementing system according to an embodiment of the present invention includes a stereo vision system including a
또, 상기 측정거리보정기(100)의 회전형 몸체(110)는 외주 하측면을 가이드하는 가이드부재와 이 가이드부재에 결합된 회전롤러(R, R)에 의해 지지되어 있다.In addition, the
또한, 상기 렌즈부는 측정거리 1m에서 5m 까지의 영역에는 표준 렌즈(L1)를, 측정거리 5m에서 8m 까지는 중배율 렌즈(L2)를, 측정거리 8m에서 12m 까지는 고배율 렌즈(L3)를 채용하여, 굴삭기 절점에 설치된 위치인식센서로부터 전송되는 굴삭기 버켓 위치 정보에 의해 측정거리에 적합한 배율의 렌즈가 제어부의 명령에 의해 변경 배치되도록 구성되어 있다.In addition, the lens unit employs a standard lens (L1) in the area of the measurement distance 1m to 5m, a medium magnification lens (L2) from 5m to 8m, and a high magnification lens (L3) from 8m to 12m, According to the excavator bucket position information transmitted from the position sensor installed at the excavator node, a lens having a magnification suitable for the measurement distance is configured to be changed and arranged by a command of the controller.
본원 발명은 지반 굴착 변형 형태에 따라 맞게 배율을 보정을 할 수 있기 때문에 시간을 절약하고 신뢰도 높은 형상 정보를 획득할 수 있는 등 효율성이 향상되는 효과가 발생하는 등의 이점이 있다.According to the present invention, since the magnification can be corrected according to the ground excavation deformation form, there is an advantage that the efficiency is improved, such as saving time and obtaining reliable shape information.
먼저, 토공작업 중 변화하는 지반형상의 실시간 인식을 위해, Stereo Vision 기술을 사용하는 바, 스테레오 비전(Stereo Vision) 기술은 2차원 영상으로부터 3차원 정보를 추출하는 과정으로 2대의 카메라(120)를 이용하는 방법으로서, 입체영상은 최소 좌ㅇ우로 구성된 2장 이상의 평면영상이 필요하며, 일반적으로 2대 이상의 영상센서를 이용하여 동시에 촬영하여 얻는다.First, for real-time recognition of the changing ground shape during earthwork, Stereo Vision technology is used, and Stereo Vision technology extracts three-dimensional information from two-dimensional images. As a method of use, a stereoscopic image requires two or more planar images composed of at least left and right, and is generally obtained by simultaneously photographing two or more image sensors.
스테레오의 원리는 한 쪽 카메라(120)의 영상상의 임의의 패턴을 삼차원 공간상의 같은 지점으로 맵핑 (Mapping) 되는 다른 카메라(120) 영상 상에서 찾아내는 것으로서, 이러한 패턴의 대응관계와 삼각기법을 사용하여 역으로 삼차원 공간상의 위치를 알아낼 수 있고, 여기서 패턴은 픽셀, 윈도블록, 피쳐 (Feature: (edge, 궤적) 등 여러 가지를 사용한 방법들이 시도된다.The principle of stereo is to find an arbitrary pattern on the image of one
두 대의 카메라(120, 120)를 이용한 스테레오 매칭 기법의 원리는 도 1에 예시된 바와 같이 간략히 설명될 수 있다. 임의의 base(b)의 거리를 두고 배치된 두 대의 카메라(120, 120)를 통해 촬영된 두 개 영상에서의 피사체 간 거리차 (변위, disparity)를 구하고 렌즈의 초점거리(f)를 알면 카메라(120)로부터 피사체 사이의 거리(도 1)의 기하학적 구조를 통해 다음 [수학식1]을 이용하여 추출할 수 있다.The principle of the stereo matching technique using two
여기서, r은 피사체와 카메라(120)와의 거리, b는 두 대 카메라(120) 사이의 base line 거리, f는 카메라(120) 렌즈의 초점 거리이고, d는 두 개 영상에 맺힌 동일 피사체 사이의 거리차로서 이다.Where r is the distance between the subject and the
또한, 도 2에 예시된 바와 같이, 토공사의 굴삭작업 시 변화하는 실시간 지반형상을 획득하기 위한 기술 구현의 전제조건으로는 1회의 굴삭작업이 이루어지는 평균 15초 이내에 신속한 3차원 형상 구현이 이루어져야 한다. 사진촬영으로 영상을 얻고 그 영상을 분석하여 3차원 형상 이미지를 구현하는 스테레오 비전 방식은 형상이미지 구현 시간이 현재 최대 3초 미만이며, 이는 1회의 굴삭작업 시 평균 10~15초 소요되는 굴삭작업의 특성상 실시간 변화형상으로 충분히 인식될 수 있다.In addition, as illustrated in Figure 2, as a prerequisite for the implementation of the technology for obtaining a real-time ground shape changes during the excavation work of earthworks, the rapid three-dimensional shape must be implemented within an average of 15 seconds when one excavation work. The stereo vision method that obtains images by taking photographs and analyzes the images to realize the 3D shape image has a shape image implementation time of less than 3 seconds at present, which is an average of 10-15 seconds in one excavation work. Due to its characteristics, it can be sufficiently recognized as a real-time change shape.
또, 스테레오 비전 기법은 스테레오 비전 카메라(120) 촬영을 기반으로 한 기술로서 셔터스피드가 millisecond 단위이므로 굴삭기의 작업이나 이동 중 발생하는 진동에 영향을 받지 않는다.In addition, the stereo vision technique is a technique based on the
여기에서, 굴삭기의 굴삭작업은 최대반경 약 12m 이내의 범위에서 다양하게 이루어질 수 있다.Here, the excavation work of the excavator can be made in a variety of within a maximum radius of about 12m.
이때, 굴삭기의 최대 굴삭작업 영역까지의 확대를 위하여 대상체와 스테레오 비전 카메라(120)까지의 측정거리를 12m 까지는 고려되어야 하는 바, 스테레오 비전 카메라의 전면부에 설치되어 굴착 대상물의 거리 단계별 영상신호를 획득하는 다수의 렌즈부가 구비된 본원 발명의 회전식 측정거리보정기를 구비한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템은, 실외, 특히 5m 이상의 거리에서도 정확한 3차원영상 획득이 가능하게 되는 것으로, 측정거리 5m~12m 측정영역구간의 지반형상을 정확하게 3차원 이미지로 획득할 수 있게 되는 것이다.In this case, in order to enlarge the excavator's maximum digging area, the measurement distance between the object and the
본 발명의 스테레오 비전 카메라(120)는, 굴삭기 버켓 위치에 따른 회전식 측정거리보정기(100, 렌즈 체인저)를 적용함과 동시에, 패닝/틸팅(Pan/Tilt) 구동 장치(140, Pan/Tilt Stage는 500mm/sec의 Speed 사용)를 채용하고 있기 때문에, 카메라(120)를 적절한 방향으로 조정이 가능하다.The
또한, 굴삭기의 각 절점에 설치된 위치인식센서에서 제공하는 정보를 이용하여 굴삭기 버켓의 위치 추적이 가능하다.In addition, it is possible to track the location of the excavator bucket using the information provided by the position recognition sensor installed at each node of the excavator.
또, 굴삭기의 굴삭위치로 카메라(120)를 틸팅하고 스테레오 비전 카메라(120)에서 굴삭영역까지의 거리에 맞춰, 회전식 측정거리보정기(100, 렌즈 체인저)로 세팅(표준, 8m, 12m중 선택) 한 후 촬영하여 3차원영상을 획득한다.In addition, tilt the
이때, 카메라(120)의 셔터스피드는 1/60~1/10,000초이므로 설정에 따라 60Hz~10KHz의 진동에 영향을 받지 않고 영상 획득이 가능하다.At this time, since the shutter speed of the
또한, 굴삭 후 흙을 운반트럭에 상차시키는 동작시간 안에 틸트/렌즈 체인지 동작을 완료하고, 굴삭 직후 변화된 지반형상의 촬영을 완료한다.In addition, the tilt / lens change operation is completed within the operation time of loading the soil onto the transport truck after the excavation, and the photographing of the changed ground shape is completed immediately after the excavation.
도 3에 도시된 바와 같이, 스테레오 비전 카메라(120)를 굴삭기의 차실 상부에 설치한 후 변화하는 지반 형상을 실시간으로 인식 및 획득함에 있어, 본 발명은, 굴착 거리 단계별로 배율이 설정된 다수개의 렌즈를 회전시키는 측정거리보정기(100, 렌즈 체인저) 방식으로 스테레오 비전 카메라(120) 전면부에 배치함으로써, 토공 작업 특성상 수시로 변화되는 굴삭영역과 카메라(120)와의 측정거리에 따른 기술적 한계를 보완하고자, 측정거리 1m에서 최대 12m 까지의 영역을 크게 3부분으로 나누어 이에 적합한 세 개의 단계별 배율 렌즈를 측정거리보정기(100, 렌즈 체인저)에 설치하였다.As shown in FIG. 3, in the present invention, the
다시 말해서, 도 3에 도시된 바와 같이, 측정거리 1m에서 5m 까지의 영역에는 표준 렌즈를, 측정거리 5m에서 8m 까지는 중배율 렌즈, 측정거리 8m에서 12m 까지는 고배율 렌즈를 설치하여, 굴삭기 절점에 설치된 위치인식센서로부터 전송되는 버켓 위치 정보에 의해 측정거리에 적합한 배율의 렌즈가 제어부의 명령에 의해 변경 배치되는 것이다.In other words, as shown in FIG. 3, a standard lens is installed in a range of 1m to 5m, a medium magnification lens is measured from 5m to 8m, and a high magnification lens is measured at 8m to 12m. According to the bucket position information transmitted from the position sensor, the lens having a magnification suitable for the measurement distance is changed and arranged by the command of the controller.
또한, 본 발명에 따른 회전식 다중 배율 렌즈를 이용한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템을 이용한 토공량 산출방법은, 굴삭기 각 절점에 부착된 위치인식센서에서 굴삭기 버켓의 실시간 위치 및 굴절각도에 대한 정보를 획득하고, 여기서 획득된 실시간 측정값을 토대로 버켓의 작업위치를 파악하는 단계와, 상기 굴삭기 절점에 배치된 위치인식센서에서 제공하는 굴삭기 위치값을 기준으로 적정 거리 렌즈를 선택하여 셋팅하는 단계와, 회전식 다중 배율 렌즈가 굴삭기 차실 상부에 회전 가능하게 지지되어 이루어지는 배율조정기가 전방 배치된 스테레오 비전 카메라 를 굴삭기 버켓의 위치에 맞춰 패닝/틸팅기구를 매개로 틸팅 작동(Tilting)하여 굴삭위치의 초점을 맞추는 단계와, 상기 굴삭기의 버켓이 지반의 흙을 퍼낼 때 마다 굴삭기의 조정석 위에 설치된 스테레오 비전 카메라가 변화하는 지반형상을 매회 촬영하고, 촬영된 지반형상을 3차원 지반형상 이미지로 변환하는 단계와, 상기 획득된 실시간 3차원 지반형상 이미지 데이터의 비교를 통해 변화된 지형의 레벨 및 부피를 계산하여 실제 굴삭된 토공량을 자동으로 산출토록 하는 단계를 포함한다.In addition, the soil volume calculation method using the three-dimensional ground image forming system using a rotary multi-magnification lens according to the present invention, obtains information about the real-time position and the angle of refraction of the excavator bucket from the position recognition sensor attached to each node of the excavator Determining a working position of the bucket based on the obtained real-time measurement value, selecting and setting an appropriate distance lens based on an excavator position value provided by a position recognition sensor disposed at the excavator node, and rotating multiplexing. Focusing the excavation position by tilting the stereo vision camera with the magnifier in front of the excavator cabin rotatably supported by the pan / tilting mechanism according to the position of the excavator bucket; Whenever the bucket of the excavator excavates the soil, the cockpit of the excavator The stereo vision camera installed in the camera photographs the changed ground shape every time, converts the photographed ground shape into the three-dimensional ground shape image, and compares the obtained terrain level with the real-time three-dimensional ground shape image data. Computing the volume to automatically calculate the actual excavated earth excavation.
본 발명에 따른 시스템은, 토공작업 수행 중 변화되어가는 지반형상을 실시간 3차원 형상으로 모델링하고, 그 결과를 설계도면 및 실시간으로 획득되어지는 변화된 지반형상 이미지와 비교, 검토함으로써 토공작업량 및 진척도 등을 추론가능하게 함으로써, 토공작업의 효율성 향상과 시공관리 측면에서 활용도 및 응용성이 매우 높은 기술인 동시에 건설공사의 다양한 분야에 적용될 응용가능성이 높은 원천기술이다.The system according to the present invention models the ground shape which is changed during the earthwork work in real time three-dimensional shape, and compares and examines the result with the ground plan image and the changed ground shape image obtained in real time, and the earthwork amount and progress. By making it possible to infer, it is a technology that is highly applicable and applicable in terms of improving the efficiency of construction work and construction management, and at the same time, it is a highly applicable original technology to be applied to various fields of construction work.
또한, 본 발명을 상용화하기 위해 도입된 스테레오 비전 카메라(120) 기술의 측정거리에 따른 한계성을 극복하기 위하여 측정거리 변화에 따른 적정 배율의 렌즈를 자동으로 변경, 배치하는 배율조절기(렌즈 체인저)를 제공함으로써, 스테레오 비전기술의 건설현장 특히 토공시의 지반형상에 대한 효과적인 3차원 모델을 구현가능하게 하였으며, 그동안 기술적 한계성으로 인해 적용이 제한되어 왔던 스테레오 비전을 건설기술로의 적용을 가능하게 하는 동시에 궁극적으로는 첨단 건설 기술의 개발 및 첨단기술의 융합을 선도하게 될 수 있음은 물론이다.In addition, in order to overcome the limitations of the measurement distance of the
따라서, 기존의 작업자의 주관적인 판단에 수행된 토공작업, 즉, 공사현장에 투입된 측량기사가 측량말뚝을 박아 작업범위를 지정한 후 장비 운전자가 이를 기준으로 굴삭작업을 진행하는 노동인력에 전적으로 의존하는 토공작업에 따른 생산성 및 효율성의 저하, 토공작업의 진척도 및 공사비용 산정의 중요한 잣대가 되는 , 토사 운반 트럭의 운반횟수에 트럭의 1회 운반 시 상차되는 토사량을 곱하는 산술적 토공량 계산법에 따른 자료에 의거한 부정확한 작업관리의 단점을 일거에 해소할 수 있다는 매우 뛰어난 효과가 있는 것이다.Therefore, the earthwork work carried out at the subjective judgment of the existing worker, that is, the earthworker that the surveyor put into the construction site pinches the survey pile and specifies the working range, and then the equipment driver depends entirely on the labor force who performs the excavation work based on this. Based on data based on arithmetic earthwork calculation method, which multiplies the number of soils loaded on a single truck transport by the number of transports of a soil transport truck, which is an important criterion for calculating productivity and efficiency, work progress, and cost of construction work. There is a very good effect of eliminating the shortcomings of one inaccurate task management.
이를 해소하기 위한 본 발명에 따른 시스템 및 방법에서는, 측정거리보정기(100, 렌즈 체인저)가 장착된 스테레오 비전 카메라(120) 시스템을 도입함으로써 건설현장 토공사의 실시간으로 변화되는 지반형상을 측정하고 이를 계획도면 및 실시간 변화 형상 이미지와 비교하여 장비운전자에게 작업영역 및 작업진도에 대한 정확한 정보를 제공함으로써 작업 중 발생 가능한 오차를 최소화시킬 수 있고 비숙련자도 쉽게 작업을 할 수 있는 등 토공작업의 작업효율 향상에 큰 효과가 발생하는 등의 매우 뛰어난 장점을 구할 수 있게 되는 것이다.In the system and method according to the present invention for solving this problem, by introducing a
본 발명에 따른 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템은, 건설교통기술개발사업의 일환인 지능형 굴삭시스템 개발을 위해 진행되고 있으며 궁극적 목표인 무인자동화 시스템과의 연계를 통해 그 파급효과가 크며, 실시간 지반형상 모델링 기술을 원격제어기술과 융합함으로써 토질특성을 고려한 작업지시 및 자율주행을 통한 굴삭로봇의 자동제어, 비탈면 각도 및 운전 방향에 따른 주행 속도 제어 등이 가능할 것이며, 현재 3차원업종으로 전락한 토공작업에 원격조정 시스템을 이용함으로써 다중의 굴삭로봇을 소수의 작업자가 작업수행을 함으로서 작업의 효율성을 극대 화시키고 쓰레기 매립지, 비무장 지대 등 위험지역에서의 안전사고를 방지함으로써 이에 대한 경제적 효과도 클 것이다.The three-dimensional ground shape image realization system according to the present invention is being progressed for the development of an intelligent excavation system that is part of the construction transportation technology development project. By combining the modeling technology with the remote control technology, it will be possible to automatically control the excavation robot through work orders and autonomous driving considering soil characteristics, and to control the traveling speed according to the slope angle and driving direction. The use of a remote control system in the construction of multiple excavation robots will increase the efficiency of the work by a few workers, which will be economically effective by preventing safety accidents in hazardous areas such as landfills and demilitarized zones.
또한 이 기술을 토공현장 뿐 아니라 향후 연구를 통해 중장비 중심의 지반 맵핑 또는 건축물 시공 시 활용 가능한 3차원 공간 맵핑 기술의 원천기술로서 적용될 경우 작업자의 안전 확보 및 생산성 증대에 기여효과가 클 것이다. In addition, if this technology is applied as a source technology of the 3D spatial mapping technology that can be used in the construction of heavy machinery-oriented ground mapping or building construction through future research as well as earthworks, it will greatly contribute to securing worker safety and increasing productivity.
본 발명은 건설공사에서의 굴삭기(Excavator)에 의한 굴삭작업 중 작업 영역에 있어 시공 상황에 따라 지속적으로 변화되는 비정형(amorphous) 지반형상을 주기적으로 맵핑하여 그 결과를 계획도면 및 획득된 실시간 변화하는 지반형상 이미지와 비교·검토함으로써 토공 작업량을 추출하고, 이렇게 얻은 지반형상을 굴삭기의 최적의 토공작업계획을 수립할 수 있는 지능형 Task Planning System을 개발하는데 활용할 수 있다.The present invention periodically maps the amorphous ground shape that is continuously changed according to the construction situation in the work area during the excavation work by the Excavator in the construction work, and the result is a plan drawing and the obtained real-time change The earthwork workload can be extracted by comparing and reviewing the ground geometry image, and the ground geometry thus obtained can be used to develop an intelligent task planning system that can establish an optimal earthwork work plan for an excavator.
본 발명은, 이러한 계획 설계도면 상의 지반 형상정보와 작업수행 중 변형된 지반형상을 3차원으로 모델링하여 맵핑하기 위하여 전자산업 분야의 대상체 3차원 모델링에 널리 사용되고 있는 스테레오 비전 기술의 도입을 제안한 것으로서, 측정거리 1m에서 최대 12m에 이르는 측정거리 범위내에서 실시간 수시로 변화하는 측정거리에 효과적으로 대응하고자, 회전식 측정거리보정기(100, 렌즈 체인저)를 스테레오 비전 카메라(120) 전면부에 설치하여, 측정거리 1m에서 최대 12m 까지의 영역을 크게 3부분으로 나누어 이에 적합한 세 개의 배율 렌즈로 이루어진 렌즈부(L)를 이용하되, 측정거리 1m에서 5m 까지의 영역에는 표준 렌즈(L1)를, 측정거리 5m에서 8m 까지는 중배율 렌즈(L2), 측정거리 8m에서 12m 까지는 고배율 렌즈(L3)를 설치 하여, 굴삭기 절점에 설치된 위치인식센서로부터 전송되는 버켓 위치 정보에 의해 측정거리에 적합한 배율의 렌즈가 제어부의 제어 명령에 의해 변경, 배치되도록 함으로써, 기존 건설현장에서의 짧은 측정거리의 기술적 한계성 때문에 적용이 제한되었던 스테레오 비전 기술의 사용을 용이화 할 수 있게 되는 것이다.The present invention proposes the introduction of stereo vision technology, which is widely used in 3D modeling of objects in the electronics industry, in order to model and map the ground shape information on the plan design drawing and the ground shape modified during the work in three dimensions. In order to respond effectively to the real-time changing measurement distance in real time within the measuring distance range of 1m to 12m, a rotary measuring distance corrector (100, lens changer) is installed on the front of the
본 발명에 따른 회전식 측정거리보정기(100, 렌즈 체인저) 장착의 스테레오 비전 기술의 적용은 본 기술과 원격제어기술과 융합함으로써 토질특성을 고려한 작업지시 및 자율주행을 통한 굴삭로봇의 자동제어, 비탈면 각도 및 운전 방향에 따른 주행 속도 제어 등이 가능할 것이며, 개발 기술은 안전한 작업환경 조성 및 건설산업의 이미지 제고, 토공 작업 시 측량 과정을 대체, 시공관리 업무의 효율성 제고 등 다양한 목적에 활용 가능할 것이다.The application of the stereo vision technology equipped with the rotary measuring distance corrector (100, lens changer) according to the present invention is an automatic control of the excavation robot through work orders and autonomous driving considering the soil characteristics by combining with the present technology and the remote control technology, and slope angle And the driving speed control according to the driving direction will be possible, and the development technology will be used for various purposes such as creating a safe working environment, enhancing the image of the construction industry, replacing the surveying process during earthwork, and improving the efficiency of construction management work.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.Although the above has been described as being limited to the preferred embodiment of the present invention, the present invention is not limited thereto and various changes, modifications, and equivalents may be used. Therefore, the present invention can be applied by appropriately modifying the above embodiments, it will be obvious that such applications also belong to the scope of the present invention based on the technical idea described in the claims below.
본 발명에 따른 시스템은, 토공작업 수행 중 변화되어가는 지반형상을 실시간 3차원 형상으로 모델링하고, 그 결과를 설계도면 및 실시간으로 획득되어지는 변화된 지반형상 이미지와 비교, 검토함으로써 토공작업량 및 진척도 등을 추론가능하게 함으로써, 토공작업의 효율성 향상과 시공관리 측면에서 활용도 및 응용성 이 매우 높은 기술인 동시에 건설공사의 다양한 분야에 적용될 수 있다.The system according to the present invention models the ground shape which is changed during the earthwork work in real time three-dimensional shape, and compares and examines the result with the ground plan image and the changed ground shape image obtained in real time, and the earthwork amount and progress. By making it possible to infer, the technology is very useful and applicable in terms of improving the efficiency of construction work and construction management, and can be applied to various fields of construction work.
향후 궁극적 목표인 무인자동화 시스템과의 연계를 통해 실시간 지반형상 모델링 기술을 원격제어기술과 융합함으로써 토질특성을 고려한 작업지시 및 자율주행을 통한 굴삭로봇의 자동제어, 비탈면 각도 및 운전 방향에 따른 주행 속도 제어 등이 가능할 것이며, 현재 3차원업종으로 전락한 토공작업에 원격조정 시스템을 이용함으로써 다중의 굴삭로봇을 소수의 작업자가 작업수행을 함으로서 작업의 효율성을 극대화시키고 쓰레기 매립지, 비무장 지대 등 위험지역에서의 안전사고를 방지함으로써 이에 대한 경제적 효과도 클 것이다.By combining real-time ground shape modeling technology with remote control technology through linkage with unmanned automation system, which is the ultimate goal in the future, automatic control of excavation robot through work order and autonomous driving considering soil characteristics, driving speed according to slope angle and driving direction By using remote control system for earthwork work that has been turned into 3D industry, it is possible to control multiple excavation robots with a few workers to maximize the efficiency of work and in hazardous areas such as landfill and DMZ. By preventing safety accidents, economic effects will be great.
또한 이 기술을 토공현장 뿐 아니라 향후 연구를 통해 중장비 중심의 지반 맵핑 또는 건축물 시공 시 활용 가능한 3차원 공간 맵핑 기술의 원천기술로서 적용될 경우 작업자의 안전 확보 및 생산성 증대에 기여효과가 클 것이다. In addition, if this technology is applied as a source technology of the 3D spatial mapping technology that can be used in the construction of heavy machinery-oriented ground mapping or building construction through future research as well as earthworks, it will greatly contribute to securing worker safety and increasing productivity.
본 발명은 건설공사에서의 굴삭기(Excavator)에 의한 굴삭작업 중 작업 영역에 있어 시공 상황에 따라 지속적으로 변화되는 비정형(amorphous) 지반형상을 주기적으로 맵핑하여 그 결과를 계획도면 및 획득된 실시간 변화하는 지반형상 이미지와 비교·검토함으로써 토공 작업량을 추출하고, 이렇게 얻은 지반형상을 굴삭기의 최적의 토공작업계획을 수립할 수 있는 지능형 Task Planning System을 개발하는데 활용할 수 있다.The present invention periodically maps the amorphous ground shape that is continuously changed according to the construction situation in the work area during the excavation work by the Excavator in the construction work, and the result is a plan drawing and the obtained real-time change The earthwork workload can be extracted by comparing and reviewing the ground geometry image, and the ground geometry thus obtained can be used to develop an intelligent task planning system that can establish an optimal earthwork work plan for an excavator.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 회전식 다중 배율 렌즈를 이용한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템의 스테레오 비전 측정원리를 설명한 개념도,1 is a conceptual diagram illustrating a stereo vision measurement principle of a three-dimensional ground image forming system using a rotating multi-magnification lens according to an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템의 측정거리보정기(100, 렌즈 체인저) 방식의 스테레오 비전 촬영 주기를 설명한 순서도,2 is a flowchart illustrating a stereo vision photographing cycle of a measuring distance corrector 100 (lens changer) method of a 3D ground image forming system according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템이 채용된 굴삭기의 굴삭영역에 따른 3차원 영상획득 방식을 설명한 개념도,3 is a conceptual diagram illustrating a 3D image acquisition method according to an excavation area of an excavator employing a 3D ground image forming system according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 다중 배율 렌즈를 이용한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템의 개략 구성도,4 is a schematic structural diagram of a three-dimensional ground image forming system using a rotating multi-magnification lens according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템의 측정거리보정기(100, 렌즈 체인저), 스테레오 비전 카메라 및 PAN/TILTING 장비를 탑재한 굴삭기를 예시한 도면,FIG. 5 is a view illustrating an excavator equipped with a measurement distance corrector 100 (lens changer), a stereo vision camera, and a PAN / TILTING device of a 3D ground image forming system according to an embodiment of the present invention;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템의 측정거리보정기(100, 렌즈 체인저) 및 가이드의 정면 구조도,6 is a front structural diagram of a measurement distance corrector 100 (lens changer) and a guide of a 3D ground image forming system according to an embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템의 측정거리보정기(100, 렌즈 체인저)의 측면 구조도, 및7 is a side structural diagram of a measurement distance corrector 100 (lens changer) of a three-dimensional ground image forming system according to an embodiment of the present invention; and
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 다중 배율 렌즈를 이용한 3차원 지반형상 이미지 구현 시스템을 이용한 굴삭작업을 예시한 순서도.8 is a flow chart illustrating an excavation operation using a three-dimensional ground image forming system using a rotary multi-magnification lens according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100 : 측정거리보정기 100: measuring distance corrector
110 : 회전몸체 110: rotating body
120 : 스테레오 비전 카메라 120: stereo vision camera
130 : 구동모터부 130: drive motor unit
131 : 구동축 131: drive shaft
140 : 패닝/틸팅 기구 140: panning and tilting mechanism
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