KR20170053909A - 휠로더의 적재 중량 측정 방법 및 측정 시스템 - Google Patents

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Abstract

휠로더의 적재 중량 측정 방법은 소정의 경사를 갖는 지면의 경사각을 검출한다. 지면상에서 어태치먼트에 적재물이 적재된 상태로 붐을 회전시키면서 붐의 각도 변화 및 붐 실린더의 압력 변화를 검출한다. 그리고, 지면의 경사각, 붐의 각도 변화, 및 붐 실린더의 압력 변화를 붐의 회전에 관한 회전 동역학 방정식에 변수로서 적용하여 적재물의 중량을 산출한다.

Description

휠로더의 적재 중량 측정 방법 및 측정 시스템{LOAD WEIGHING METHOD AND SYSTEM FOR WHEEL LOADER}
본 발명은 휠로더의 적재 중량 측정 방법 및 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경사지에서 작업 중인 휠로더의 적재물 중량을 측정하는 방법 및 이를 수행하기 위한 측정 시스템에 관한 것이다.
휠로더는 건설 현장에서 흙, 모래 등을 굴삭하여 운반하고, 덤프트럭과 같은 화물 차량에 상차하는 작업 등을 수행하는 데 널리 사용되고 있다.
그런데, 상기 덤프트럭은 상차된 양에 따라 비용이 산정되며, 규정된 적재 중량을 초과한 경우에는 벌금을 물게 될 수도 있다. 뿐만 아니라, 버켓의 정격 용량 이상으로 적재물을 적재하는 것은 휠로더 파손의 원인이 될 수 있다. 따라서, 상기 덤프트럭의 과적을 방지하고 휠로더의 유지 보수비용을 절감하기 위해서는 적재물의 정확한 중량을 계측하는 것이 요구된다.
본 발명의 일 목적은 경사지에서 작업 중인 휠로더의 적재물 중량을 측정할 수 있는 측정 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 경사지에서 작업 중인 휠로더의 적재물 중량을 측정하기 위한 측정 장치를 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 휠로더의 적재 중량 측정 방법에 있어서, 소정의 경사를 갖는 지면의 경사각을 검출한다. 상기 지면상에서 어태치먼트에 적재물이 적재된 상태로 붐을 회전시키면서 상기 붐의 각도 변화 및 붐 실린더의 압력 변화를 검출한다. 그리고 상기 지면의 경사각, 상기 붐의 각도 변화, 및 상기 붐 실린더의 압력 변화를 상기 붐의 회전에 관한 회전 동역학 방정식에 변수로서 적용하여 상기 적재물의 중량을 산출한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 지면의 경사각을 검출하는 단계는 기울기 센서가 장착된 스마트폰, 또는 지도 어플리케이션으로부터 상기 지면의 경사각을 수신할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 지면의 경사각을 검출하는 단계는, 상기 지면상에서 어태치먼트에 적재물이 적재되지 않은 상태로 상기 붐을 회전시키면서 상기 붐의 각도 변화 및 상기 붐 실린더의 압력 변화를 측정하는 단계, 및 상기 붐의 각도 변화 및 상기 붐 실린더의 압력 변화를 이용하여 상기 붐의 회전에 관한 동역학 방정식으로부터 상기 지면의 경사각을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 지면의 경사각을 검출하는 단계는 기울기 센서가 장착된 스마트폰, 또는 지도 어플리케이션으로부터 상기 지면의 경사각을 수신하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 수신된 경사각과 상기 산출된 경사각 간의 차이가 기 설정된 범위 이상인 경우 상기 경사각 수신 단계 또는 상기 경사각 산출 단계 중에서 적어도 하나의 단계를 다시 수행할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 적재물의 중량을 산출하는 단계는 기 설정된 감쇠 계수(damping coefficient)맵 및 탄성 계수(modulus of elasticity)맵으로부터 상기 붐 실린더의 압력 변화에 대응하는 감쇠 계수 및 탄성 계수를 각각 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 회전 동역학 방정식은 상기 붐, 상기 붐 실린더, 및 상기 어태치먼트 간의 기하학적 관계로부터 도출되는 무부하 토크 및 부하 토크의 차이에 관한 방정식일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 휠로더의 적재 중량 측정 방법은 상기 산출된 적재물의 중량값을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 제어 시스템은, 휠로더의 붐에 설치되어 상기 붐의 회전에 따른 각도 변화를 검출하기 위한 각도 센서 및 붐 실린더에 설치되어 상기 붐 실린더에 가해지는 압력의 변화를 검출하기 위한 압력 센서를 포함하는 측정부, 및 상기 붐의 각도 변화 및 상기 붐 실린더의 압력 변화를 이용하여 상기 붐의 회전에 관한 동역학 방정식으로부터 상기 지면의 경사각 또는 상기 적재물의 중량을 산출하기 위한 연산부를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 연산부는, 어태치먼트에 적재물이 적재되지 않은 경우에는 상기 휠로더가 작업 중인 상기 지면의 경사각을 산출할 수 있고, 상기 어태치먼트에 적재물이 적재된 경우에는 상기 적재물의 중량을 산출할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 휠로더의 적재 중량 측정 시스템은 기울기 센서가 장착된 스마트폰, 또는 지도 어플리케이션으로부터 상기 지면의 경사각을 수신하기 위한 입력부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 휠로더의 적재 중량 측정 시스템은 붐 실린더의 압력 변화에 대응하는 감쇠 계수(damping coefficient) 및 탄성 계수(modulus of elasticity)가 각각 정의된 감쇠 계수맵 및 탄성 계수맵을 갖는 계수 산출부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 휠로더의 적재 중량 측정 시스템은 상기 연산부에서 산출된 상기 적재물의 중량 정보를 운전자에게 제공하기 위한 출력부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 휠로더의 적재 중량 측정 방법은 경사지에서 작업 중인 휠로더에 적재된 적재물의 중량을 정확히 파악할 수 있다. 이에 따라, 상차 작업 시 덤프트럭의 과적을 방지할 수 있고, 버켓의 정격 용량을 준수함으로써 휠로더의 유지 보수비용을 절감할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 휠로더를 나타내는 측면도이다.
도 2는 도 1의 휠로더의 작업 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 휠로더의 적재 중량 측정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 휠로더의 적재 중량 측정 방법의 단계들을 나타내는 순서도이다.
도 5는 도 4의 지면의 경사각 검출 단계를 나타내는 순서도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 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.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 휠로더를 나타내는 측면도이다. 도 2는 도 1의 휠로더의 작업 장치를 나타내는 도면이다. 도 3은 예시적인 실시예들에 따른 휠로더의 적재 중량 측정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 휠로더(10)는 서로 회전 가능하도록 연결된 전방 차체(12) 및 후방 자체(14)를 포함할 수 있다. 전방 차체(12)는 작업 장치 및 전방 휠(70)을 포함하고, 후방 차체(14)는 운전실(40), 엔진 룸(50) 및 후방 휠(72)을 포함할 수 있다.
상기 작업 장치는 붐(20) 및 버켓(30)을 포함할 수 있다. 붐(20)은 전방 차체(12)에 회전 가능하도록 부착되고, 버켓(30)은 붐(20)의 일단부에 회전 가능하도록 부착될 수 있다. 이 때, 상기 작업 장치에는 작업 목적에 따라 버켓(30) 이외의 다양한 어태치먼트들이 부착될 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 상기 어태치먼트는 버켓(30)인 경우에 대하여만 설명하기로 한다.
붐(20)은 전방 차체(12)에 한 쌍의 붐 실린더들(22)에 의해 연결될 수 있다. 즉, 붐 실린더들(22)의 일단부는 전방 차체(12)에 회전 가능하도록 연결되고, 타단부는 붐(20)에 회전 가능하도록 연결될 수 있다. 붐(20)은 붐 실린더들(22)의 구동에 의해 상하 방향으로 회전할 수 있다.
붐(20)의 회전에 따라, 붐(20)은 지평면에 대하여 제1 각도(θ)를 가질 수 있다. 이 때, 상기 지평면은 중력 방향에 대하여 수직인 평면일 수 있다. 한편, 휠로더(10)가 경사지에 작업을 수행하는 경우에는, 지면의 상기 지평면에 대한 각도, 즉 상기 지면의 경사각은 제2 각도(α)이고, 상기 지면에 대한 붐(20)의 각도는 제3 각도(β)일 수 있다. 상기 제1 각도(θ)는 상기 제2 각도(α) 및 상기 제3 각도(β)의 합과 같을 수 있다.
붐(20)의 거의 중심부에는 틸트 암(34)이 회전 가능하도록 부착될 수 있다. 틸트 암(34)의 일단부는 전방 차체(12)와 한 쌍의 버켓 실린더들(32)을 매개로 연결되고, 타단부는 버켓(30)과 틸트 로드를 매개로 연결될 수 있다. 버켓(30)은 버켓 실린더(32)의 구동에 의해 상하 방향으로 회전(덤프 또는 크라우드)할 수 있다.
붐(20), 붐 실린더(22), 및 버켓(30)들 간의 연결 관계는 도 2에 구체적으로 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 붐(20)의 일단부에 위치한 붐 조인트(60)는 전방 차체(12)에 회전 가능하도록 연결되고, 붐(20)의 타단부에 위치한 버켓 조인트(64)에는 버켓(30)이 회전 가능하도록 연결될 수 있다. 붐 실린더(22)의 일단부에 위치한 붐 실린더 조인트(62)는 전방 차체(12)에 회전 가능하도록 연결되고, 붐 실린더(22)의 타단부에 위치한 붐 실린더 링크 마운트(64)는 붐(20)에 회전 가능하도록 연결될 수 있다.
이 경우에 있어서, 붐 조인트(60)와 붐 실린더 조인트(62)는 수평 방향 및 수직 방향으로 각각 제4 거리(x) 및 제5 거리(y)만큼 서로 이격될 수 있다. 또한, 붐 조인트(60)와 붐 실린더 링크 마운트(64) 사이의 거리는 제6 거리(lc)이고, 붐 실린더 조인트(62)와 붐 실린더 링크 마운트(64) 사이의 거리는 제7 거리(lcyl)일 수 있다. 상기 제7 거리(lcyl)는 붐 실린더(22)의 길이일 수 있다.
한편, 붐(20) 및 버켓(30)의 무게 중심은 제1 무게 중심(G1)이고, 적재물(80)의 무게 중심은 제2 무게 중심(G2)일 수 있다. 이 때, 상기 제2 무게 중심(G2)은 버켓(30)의 중심부에 위치할 수 있다. 또한, 붐(20), 버켓(30), 및 적재물(80)을 모두 포함하는 시스템의 무게 중심은 제3 무게 중심(G3)일 수 있다. 이 경우에 있어서, 붐 조인트(60)로부터 상기 제1 내지 제3 무게 중심들(G1, G2, G3)까지의 거리는 각각 제1 거리(r1), 제2 거리(r2), 및 제3 거리(r3)일 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제3 거리(r3)는 상기 제1 거리(r1)보다 크고 상기 제2 거리(r2)보다 작을 수 있다.
붐 실린더(22)의 실린더 로드가 전진하면 붐(20)은 붐 조인트(60)를 중심으로 회전할 수 있고, 이에 따라 버켓(30) 및 적재물(80)은 상승할 수 있다. 이 때, 상기 실린더 로드가 전진한다는 것은 붐 실린더(22)의 길이(lcyl, 제7 거리)가 커지는 방향으로 상기 실린더 로드가 이동하는 것을 의미한다. 붐 실린더(22)의 길이(lcyl, 제7 거리)가 증가함에 따라, 붐(20), 버켓(30), 및 적재물(80)을 포함하는 시스템은 붐 조인트(60)를 중심으로 시계 방향으로 회전하게 된다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 붐(20), 버켓(30), 및 적재물(80)을 합하여 회전 시스템(200)으로 명명하기로 한다.
후방 차체(14)에는 휠로더(10)를 주행시키기 위한 엔진 및 주행 장치가 탑재될 수 있다. 상기 엔진은 엔진 룸(50) 내에 배치되고 상기 주행 장치에 파워 출력을 공급할 수 있다. 상기 주행 장치는 예를 들어, 토크 컨버터, 트랜스미션, 프로펠러 샤프트, 액슬 등을 포함할 수 있다.
전방 차체(12)와 후방 차체(14)는 센터 핀(16)에 의해 서로 회전 가능하게 연결되고, 스티어링 실린더(도시되지 않음)의 신축에 의해 전방 차체(12)가 후방 차체(14)에 대하여 좌우로 굴절될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 휠로더(10)는 적재물의 중량을 측정하기 위한 적재 중량 측정 시스템(100)을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 적재 중량 측정 시스템(100)은 측정부(110), 계수 산출부(120), 입력부(130), 연산부(140), 및 출력부(150)를 포함할 수 있다.
측정부(110)는 붐(20)의 각도(β), 붐 실린더(22)의 압력(P1, P2), 및 상기 엔진의 회전 속도를 측정할 수 있다. 상기 측정된 값들은 계수 산출부(120) 및 연산부(140)로 입력될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 측정부(110)는 복수 개의 센서들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 측정부(110)는 적어도 하나의 각도 센서(112) 및 적어도 하나의 압력 센서(114)를 포함할 수 있다.
각도 센서(112)는 붐 조인트(60)에 설치되며, 붐(20)의 각도(β)를 측정할 수 있다. 예를 들면, 상기 각도 센서는 홀 효과(Hall effect)를 이용한 홀 센서일 수 있다. 상기 홀 센서는 붐(20)의 회전축인 붐 조인트(60)에 설치되며, 붐(20)의 회전에 따른 자기장 변화를 이용하여 붐(20)의 각도(β)를 측정할 수 있다. 상기 측정된 붐(20)의 각도는 연산부(140)로 입력될 수 있다.
압력 센서(114)는 붐 실린더(22) 내부에 설치되어 붐 실린더(22)의 압력(P1, P2)을 측정할 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 압력 센서(114)는 붐 실린더(22) 내부의 실린더 헤드 측에 설치된 제1 압력 센서(114a), 및 실린더 로드 측에 설치된 제2 압력 센서(114b)를 포함할 수 있다. 제1 압력 센서(114a)는 상기 실린더 헤드 측의 압력(P1)을 측정할 수 있고, 제2 압력 센서(114b)는 상기 실린더 로드 측의 압력(P2)을 측정할 수 있다. 붐 실린더(22)의 압력은 제1 및 제2 압력 센서들(114a, 114b)로부터 측정된 압력들의 차이일 수 있다. 상기 측정된 붐 실린더(22)의 압력은 계수 산출부(120) 및 연산부(140)로 입력될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 측정부(110)는 상기 엔진의 회전 속도를 측정하기 위한 엔진 속도 측정 센서(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 상기 엔진 속도 측정 센서는 상기 엔진의 회전축에 설치되는 기계식 회전계, 전기식 회전계, 홀 센서, 광학식 센서 등을 포함할 수 있다. 상기 측정된 엔진의 속도는 계수 산출부(120) 및 연산부(140)로 입력될 수 있다. 이와 다르게, 측정부(110)가 별도의 엔진 속도 측정 센서를 구비하지 않고, 엔진 제어 장치(Engine Control Unit, ECU) 등으로부터 입력받을 수도 있다.
계수 산출부(120)는 측정부(110)로부터 입력된 정보들을 이용하여 상기 작업 장치의 감쇠 계수(damping coefficient) 및 탄성 계수(modulus of elasticity)를 결정할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 계수 산출부(120)는 실험을 통해 미리 생성된 감쇠 계수맵 및 탄성 계수맵을 포함할 수 있다. 상기 감쇠 계수맵은 상기 엔진 속도, 붐 실린더(22)의 압력 변화율, 및 상기 감쇠 계수들 간의 관계를 나타낼 수 있고, 상기 탄성 계수맵은 상기 엔진 속도, 붐 실린더(22)의 압력 변화율, 및 상기 탄성 계수들 간의 관계를 나타낼 수 있다. 계수 산출부(120)는 측정부(110)로부터 상기 엔진의 회전 속도 및 붐 실린더(22)의 압력을 입력받고, 상기 붐 실린더(22)의 압력으로부터 시간에 따른 붐 실린더(22)의 압력 변화율을 산출할 수 있다. 계수 산출부(120)는 상기 엔진의 회전 속도 및 상기 붐 실린더(22)의 압력 변화율에 대응하는 감쇠 계수 및 탄성 계수를 상기 감쇠 계수맵 및 상기 탄성 계수맵으로부터 각각 추출할 수 있다. 상기 추출된 감쇠 계수 및 탄성 계수는 연산부(140)로 입력될 수 있다.
입력부(130)는 운전자로부터 지면의 경사각(α)에 대한 정보를 입력받아 연산부(140)로 전달할 수 있다. 예를 들면, 상기 입력부는 운전실(40) 내부에 설치되는 계기 판넬(도시되지 않음)일 수 있다. 즉, 운전자는 스마트폰에 포함된 기울기 센서, 또는 구글 맵 등의 인터넷상의 지도 어플리케이션을 통하여 작업 지역의 지면 경사각(α) 정보를 획득할 수 있고, 이를 상기 계기 판넬을 통해 직접 입력할 수 있다. 이와 다르게, 후술하는 경사각 측정 모드를 이용하여 지면의 경사각(α)을 측정하는 경우에는, 적재 중량 측정 시스템(100)은 별도의 입력부(130)를 포함하지 않을 수도 있다.
연산부(140)는 측정부(110)로부터 입력된 정보들을 이용하여 적재물(80)의 중량을 계산할 수 있다. 구체적으로, 연산부(140)는 측정부(110)로부터 붐(20)의 각도(β) 및 붐 실린더(22)의 압력을 입력 받고, 계수 산출부(120)로부터 감쇠 계수 및 탄성 계수 값을 입력 받고, 입력부(130)로부터 지면의 경사각(α)을 입력 받을 수 있다. 연산부(140)는 상기 입력된 정보들을 이용하여 적재물(80)의 중량을 계산할 수 있다. 이하에서는, 연산부(140)가 적재물(80)의 중량을 계산하는 과정을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2를 다시 참조하면, 붐 실린더(22)의 상기 실린더 로드가 전진함에 따라 붐(20), 버켓(30), 및 적재물(80)을 포함하는 회전 시스템(200)은 시계 방향으로 회전할 수 있다. 이 때, 회전 시스템(200)에 작용하는 회전력에 관한 회전 동역학 방정식은 다음의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, J는 회전 시스템(200)의 관성 모멘트(moment of inertia)를 나타내고, c 및 k는 각각 회전 시스템(200)의 감쇠 계수(damping coefficient) 및 탄성 계수(modulus of elasticity)를 나타낸다. T는 빈 버켓(30)을 상승시켰을 때 회전 시스템(200)에 작용하는 회전력(torque), 즉, 회전 시스템(200)에 작용하는 무부하 토크 값을 나타내고, TL은 버켓(30)에 적재물(80)이 적재된 경우 회전 시스템(200)에 작용하는 부하 토크 값을 나타낸다. 또한, θ는 붐(20)의 지평면에 대한 각도를 나타낸다. 따라서,
Figure pat00002
및
Figure pat00003
은 각각 붐(20)의 각속도 및 각가속도를 나타낼 수 있다.
먼저, 회전 시스템(200)의 관성 모멘트(J)는 다음의 [수학식 2]를 이용하여 계산될 수 있다.
Figure pat00004
여기서, m1은 붐(20) 및 버켓(30)의 질량이고, m2는 적재물(80)의 질량이다. r1(제1 거리)은 붐 조인트(60)로부터 제1 무게 중심(G1)까지의 거리이고, r2(제2 거리)는 붐 조인트(60)로부터 제2 무게 중심(G2)까지의 거리를 나타낸다.
무부하 토크(T)는 붐(20) 및 붐 실린더(22) 사이의 기하학적 관계(geometry)를 이용하여 다음의 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00005
여기서, F는 붐 실린더(22)에 작용하는 힘으로서, 제1 및 제2 압력 센서들(114a, 114b)로부터 각각 측정된 붐 실린더(22) 내부의 압력값들을 이용하여 계산될 수 있다. 구체적으로 상기 힘 F는 다음의 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00006
여기서, P1은 제1 압력 센서(114a)로부터 측정된 붐 실린더(22)의 실린더 헤드 측 내부 압력이고, A1은 상기 실린더 헤드 측의 면적을 나타낸다. 그리고, P2는 제2 압력 센서(114b)로부터 측정된 붐 실린더(22)의 실린더 로드 측 내부 압력이고, A2는 상기 실린더 로드 측의 면적을 나타낸다.
부하 토크(TL)는 붐(20) 및 붐 실린더(22) 사이의 기하학적 배열(geometry)을 이용하여 다음의 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00007
여기서, m3는 붐(20), 버켓(30), 및 적재물(80)을 모두 포함하는 회전 시스템(200)의 질량이고, r3(제3 거리)는 붐 조인트(60)로부터 회전 시스템(200)의 무게 중심(G3, 제3 무게 중심)까지의 거리를 나타낸다. 또한, g는 중력가속도를 나타낸다.
이 때, 제3 거리(r3)는 제1 및 제2 거리들(r1, r2)과 다음의 [수학식 6]과 같은 관계를 만족할 수 있다.
Figure pat00008
상기 [수학식 6]을 상기 [수학식 5]에 대입하면, 상기 부하 토크(TL)는[수학식 7]과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00009
한편, 제1 각도(θ)는 제2 각도(α) 및 상기 제3 각도(β)의 합과 동일하고, 제2 각도(α)는 일정하므로, 붐(20)의 각속도(
Figure pat00010
) 및 각가속도(
Figure pat00011
)는 다음의 [수학식 8]과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00012
상기 [수학식 2], 상기 [수학식 3], 상기 [수학식 4], 상기 [수학식 7], 및 상기 [수학식 8]을 상기 [수학식 1]에 대입하여, 적재물(80)의 질량(m2)에 관하여 정리하면 다음과 같은 [수학식 9]를 얻을 수 있다.
Figure pat00013
감쇠 계수(c) 및 탄성 계수(k)는 계수 산출부(120)로부터 입력받을 수 있다. 계수 산출부(120)는 측정부(110)로부터 상기 엔진의 회전 속도 및 붐 실린더(22)의 압력 정보들을 입력받을 수 있다. 계수 산출부(120)는 시간에 따른 압력값들에 선형 보간법 등을 적용함으로써 압력 변화율을 산출하고, 상기 압력 변화율 및 상기 엔진 회전 속도에 대응하는 감쇠 계수(c) 및 탄성 계수(k)를 각각 추출할 수 있다. 상기 추출된 감쇠 계수값 및 탄성 계수값은 연산부(140)로 제공할 수 있다.
지면의 경사각(α)은 입력부(130)를 통해 입력받을 수 있고, 붐(20)의 각도(β) 및 붐 실린더(22) 내부의 압력(P1, P2)은 측정부(110)를 통해 입력받을 수 있다.
또한, 연산부(140)는 입력된 붐(20)의 각도(β) 정보로부터 붐(20)의 각속도(
Figure pat00014
) 및 각가속도(
Figure pat00015
)를 산출할 수 있다. 예를 들면, 상기 연산부는 상기 입력된 붐(20)의 각도(β)를 칼만 필터(Kalman filter)에 적용함으로써 붐(20)의 각속도(
Figure pat00016
) 및 각가속도(
Figure pat00017
)를 산출할 수 있다.
즉, 상기 [수학식 9]는 이미 알고 있는 값들(lc, lcyl, x, y, A1, A2, m1, r1, r2, g), 측정부(110)를 통해 입력받은 값들(P1, P2, β), 입력부(130)를 통해 입력받은 값(α), 계수 산출부(120)로부터 입력받은 값들(c, k), 및 연산부(140)에서 계산된 값들(
Figure pat00018
,
Figure pat00019
)만을 포함할 수 있다. 따라서, 연산부(140)는 상기 [수학식 9]를 이용하여 경사지에서 작업 중인 휠로더(10)에 적재된 적재물(80)의 중량을 계산할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 연산부(140)는 붐(20) 상승 조작을 통해 지면의 경사각(α)을 계산할 수 있다. 즉, 연산부(140)는 입력부(130)를 통해 지면의 경사각(α)을 입력받지 못하는 경우에도, 붐(20) 상승 과정 동안 측정부(110)로부터 측정된 정보들을 이용하여 지면의 경사각(α)을 직접 계산할 수 있다.
예를 들면, 적재물(80)이 적재되지 않은 빈 버켓(30)을 상승시키면서 측정부(110)를 이용해 붐(20)의 각도(β) 및 붐 실린더(22)의 압력(P1, P2)을 측정하고, 연산부(140)는 상기 측정된 정보들을 이용하여 지면의 경사각(α)을 계산할 수 있다. 이하에서는, 연산부(140)가 지면의 경사각(α)을 계산하는 과정에 대하여 보다 자세히 설명하기로 한다.
버켓(30)에는 적재물(80)이 적재되지 않은 상태이므로, 상기 [수학식 9]에서 적재물(80)의 질량(
Figure pat00020
)은 0으로 치환할 수 있다. 이 후, 상기 [수학식 9]를 지면의 경사각(α)에 대하여 정리한다. 이 때, 다음 두 가지 가정들을 사용하여 선형화 및 수식 간소화를 도모할 수 있다.
[가정 1]
Figure pat00021
[가정 2]
Figure pat00022
이에 따라, 다음과 같은 [수학식 10]을 얻을 수 있다.
Figure pat00023
여기서, 상기 [수학식 10]은 이미 알고 있는 값들(lc, lcyl, x, y, A1, A2, m1, r1, g), 및 측정부(110)를 통해 입력받은 값들(P1, P2, β), 계수 산출부(120)로부터 입력받은 값(c), 및 연산부(140)에서 계산된 값들(
Figure pat00024
,
Figure pat00025
)만을 포함할 수 있다. 따라서, 연산부(140)는 상기 [수학식 10]을 이용하여 작업 지역의 지면 경사각(α)을 계산할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 적재 중량 측정 시스템(100)은 입력부(130)를 통해 입력된 지면의 경사각과 연산부(140)에서 계산된 지면의 경사각을 서로 비교하는 비교부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 즉, 적재 중량 측정 시스템(100)은 입력부(130)를 통해 지면의 경사각을 입력받는 경우에도, 측정부(110)를 통해 입력된 정보들을 이용하여 지면의 경사각을 직접 계산할 수 있다. 이후, 상기의 값들을 서로 비교하여, 그 차이가 기 설정된 범위보다 큰 경우에는 운전자로 하여금 경사각 정보를 다시 입력하도록 요구하거나, 또는 재연산을 실시함으로써 지면 경사각(α)에 대한 정확도를 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 결과적으로 적재물(80)의 중량(m2) 측정에 대한 정확도 역시 향상될 수 있다.
연산부(140)에서 계산된 적재물(80)의 중량(m2)은 출력부(150)를 통해 운전자에게 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 출력부는 계기 판넬 등의 시각 표시 장치, 및 스피커 등의 음성 출력 장치 등을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 적재 중량 측정 시스템(100)은 지면의 경사각을 획득하는 방법을 선택하기 위한 선택 스위치(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 선택 스위치는 외부로부터 상기 지면 경사각을 입력받는 경사각 입력 모드, 및 상기 지면 경사각을 직접 계산하는 경사각 측정 모드를 포함할 수 있다.
상기 경사각 입력 모드가 선택된 경우에는, 입력부(130)를 통해 지면의 경사각을 입력 받을 수 있다. 예를 들면, 운전자가 상기 계기 판넬 등을 통해 직접 경사각을 입력하거나, 또는 입력부(130)에 스마트폰이나 컴퓨터 등을 연결하여 경사각을 입력받을 수도 있다.
상기 경사각 측정 모드가 선택된 경우에는, 적재물(80)이 적재되지 않은 빈 버켓(30)을 상승시키면서 측정부(110)를 통해 붐(20)의 각도 및 붐 실린더(22)의 압력을 측정하고, 연산부(140)는 상기 측정된 정보들을 이용하여 지면의 경사각을 계산할 수 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 적재 중량 측정 시스템(100)은 경사지에서 작업 중인 휠로더(10)에 적재된 적재물(80)의 중량을 정확하게 측정할 수 있다. 이를 통하여, 상차 작업 시 덤프트럭에 로딩되는 적재물의 중량을 정확히 파악하여 상기 덤프트럭의 과적을 방지할 수 있다. 또한, 버켓(30)의 정격 용량을 준수함으로써 휠로더(10)에 대한 유지 보수비용을 절감할 수 있다.
이하에서는, 도 3의 적재 중량 측정 시스템(100)을 이용하여 휠로더(10)에 적재된 적재물(80)의 중량을 측정하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 휠로더의 적재 중량 측정 방법의 단계들을 나타내는 순서도이다. 도 5는 도 4의 지면의 경사각 검출 단계를 나타내는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 휠로더(10)에 대한 제원 정보를 수신한다(S100).
운전자는 휠로더(10)에 대한 각종 제원 정보들을 입력부(130)를 통해 입력할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제원 정보는 예를 들어, 붐(20) 및 버켓(30)의 질량(m1), 붐 조인트(60)로부터 붐(20) 및 버켓(30)의 무게 중심(G1)까지의 거리(r1), 붐 조인트(60)로부터 적재물(80)의 무게 중심(G2)까지의 거리(r2), 붐 조인트(60)와 붐 실린더 조인트(62) 간의 수평 거리(x) 및 수직 거리(y), 붐 조인트(60)와 붐 실린더 링크 마운트(64) 간의 거리(lc), 및 붐 실린더(22)의 내부 면적들(A1, A2)에 대한 정보를 포함할 수 있다. 이와 다르게, 상기 제원 정보들은 미리 입력되어 연산부(130)에 저장될 수도 있다.
이어서, 지면의 경사각을 검출한다(S110).
예를 들어, 운전자는 스마트폰에 포함된 기울기 센서, 또는 구글 맵 등의 지도 어플리케이션을 이용하여 작업 지역의 지면 경사각(α)을 검출할 수 있다. 운전자는 상기 획득한 지면 경사각(α)을 입력부(130)를 통해 입력할 수 있다.
이와 다르게, 스마트폰 등의 외부 장치를 사용하지 않고 측정부(110)를 이용하여 지면의 경사각을 검출할 수도 있다. 이는 도 5에 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 먼저, 버켓(30)이 비어있는지 여부를 확인하여(S200), 버켓(30)에 적재물(80)이 적재된 경우에는 경고 신호를 출력한다(S210).
예를 들면, 압력 센서 등을 이용하여 버켓(30) 내부에 적재물(80)이 존재하는지 여부를 판단하고, 버켓(30)에 적재물(80)이 적재된 경우에는 부저, 램프, 디스플레이 장치 등을 이용하여 운전자에게 이를 알릴 수 있다.
버켓(30) 내부에 적재물(80)이 존재하지 않는 경우에는, 붐(20)을 회전시키면서(S220) 붐(20)의 각도 변화 및 붐 실린더(22)의 압력 변화를 검출한다(S230).
예를 들면, 붐 조인트(60)에 설치된 각도 센서(112)를 이용하여 지면에 대한 붐(20)의 각도(β)를 측정하고, 붐(22) 실린더 내부에 설치된 압력 센서(114)를 이용하여 붐 실린더(22) 내부의 압력(P1, P2)을 측정할 수 있다. 이후, 시간 경과에 따른 붐(20)의 각도 변화 및 붐 실린더(22)의 압력 변화를 모니터링할 수 있다. 상기 측정된 각도 및 압력들은 연산부(140)로 입력될 수 있다.
연산부(140)는 상기 입력된 붐(20)의 각도(β)를 이용하여 붐(20)의 각속도(
Figure pat00026
) 및 각가속도(
Figure pat00027
)를 산출하고, 상기 [수학식 10]을 이용하여 지면의 경사각(α)을 계산할 수 있다(S250).
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 휠로더의 적재 중량 측정 방법은 상기 계산된 지면 경사각을 입력된 지면 경사각과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 운전자는 스마트폰 등의 외부기기를 이용하여 작업 지역의 지면 경사각을 파악하고, 이를 입력부(130)를 통해 입력한다. 이어서, 적재물(80)이 적재되지 않은 버켓(30)을 상승시키면서 휠로더(10)의 동작 상태 정보를 획득한다. 연산부(140)는 이를 이용하여 지면의 경사각을 계산할 수 있다. 이후, 상기 입력된 지면 경사각과 상기 계산된 지면 경사각을 서로 비교한다. 상기 입력된 경사각과 상기 계산된 경사각의 차이가 기 설정된 범위보다 큰 경우에는, 운전자로 하여금 경사각 정보를 다시 입력하도록 경고 신호를 출력할 수 있다. 이와 다르게, 상기 입력된 경사각 정보는 정확한 것으로 보고, 재연산을 실시하여 상기 계산된 경사각에 대한 검증을 수행할 수도 있다. 이에 따라, 지면 경사각에 대한 정확도를 향상시킬 수 있고, 나아가 적재물(80)의 중량(m2)에 대한 정확도 역시 향상시킬 수 있다.
지면의 경사각 정보를 획득한 이후에는, 버켓(30)에 적재물(80)을 적재하고 붐(20)을 회전시킨다(S120). 이 때, 붐(20)의 각도 변화 및 붐 실린더(22)의 압력 변화를 검출한다(S130).
예를 들면, 붐 조인트(60)에 설치된 각도 센서(112)를 이용하여 지면에 대한 붐(20)의 각도(β)를 측정하고, 붐(22) 실린더 내부에 설치된 압력 센서(114)를 이용하여 붐 실린더(22) 내부의 압력(P1, P2)을 측정할 수 있다. 이후, 시간 경과에 따른 붐(20)의 각도 변화 및 붐 실린더(22)의 압력 변화를 모니터링할 수 있다. 또한, 엔진 속도 측정 센서 등을 이용하여 엔진의 속도에 대한 정보를 획득할 수 있다. 상기 획득된 정보들은 계수 산출부(120) 및 연산부(140)로 입력될 수 있다.
계수 산출부(120)는 입력받은 상기 엔진 속도 및 붐 실린더(22)의 압력 변화를 이용하여 이와 대응하는 감쇠 계수(c) 및 탄성 계수(k)를 산출할 수 있다. 상기 산출된 감쇠 계수(c) 및 탄성 계수(k)는 연산부(140)로 입력될 수 있다.
연산부(140)는 상기 입력된 붐(20)의 각도(β)를 이용하여 붐(20)의 각속도(
Figure pat00028
) 및 각가속도(
Figure pat00029
)를 산출하고, 상기 [수학식 9]를 이용하여 적재물(80)의 중량(m2)을 계산할 수 있다(S140).
상기 계산된 적재물(80)의 중량(m2)은 출력부(150)를 통해 운전자에게 제공될 수 있다(S150).
예를 들면, 상기 계기 판넬 등에 문자 또는 숫자로 적재물(80)의 중량(m2)을 표시하거나, 또는 스피커를 통해 운전자에게 알릴 수 있다. 이와 다르게, 적재물(80)의 중량(m2)이 버켓(30)의 정격 용량을 초과한 경우에만 운전자에게 경고 신호를 출력할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 휠로더의 적재 중량 측정 방법은 경사지에서 작업 중인 휠로더(10)에 적재된 적재물(80)의 중량을 정확하게 측정할 수 있다. 이를 통하여, 상차 작업 시 덤프트럭에 로딩되는 적재물의 중량을 정확히 파악하여 상기 덤프트럭의 과적을 방지할 수 있다. 또한, 버켓(30)의 정격 용량을 준수함으로써 휠로더(10)에 대한 유지 보수비용을 절감할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 휠로더 12: 전방 차체
14: 후방 차체 16: 센터 핀
20: 붐 22: 붐 실린더
30: 버켓 32: 버켓 실린더
34: 틸트 암 40: 운전실
50: 엔진 룸 60: 붐 조인트
62: 붐 실린더 조인트 64: 붐 실린더 링크 마운트
66: 버켓 조인트 70: 전방 휠
72: 후방 휠 80: 적재물
100: 적재 중량 측정 장치 110: 측정부
112: 각도 센서 114: 압력 센서
114a: 제1 압력 센서 114b: 제2 압력 센서
120: 계수 산출부 130: 입력부
140: 연산부 150: 출력부
200: 회전 시스템 G1: 제1 무게중심
G2: 제2 무게중심 G3: 제3 무게중심
r1: 제1 거리 r2: 제2 거리
r3: 제3 거리 x: 제4 거리
y: 제5 거리 lc: 제6 거리
lcyl: 제7 거리 θ: 제1 각도
α: 제2 각도 β: 제3 각도

Claims (12)

  1. 소정의 경사를 갖는 지면의 경사각을 검출하는 단계;
    상기 지면상에서 어태치먼트에 적재물이 적재된 상태로 붐을 회전시키면서 상기 붐의 각도 변화 및 붐 실린더의 압력 변화를 검출하는 단계; 및
    상기 지면의 경사각, 상기 붐의 각도 변화, 및 상기 붐 실린더의 압력 변화를 상기 붐의 회전에 관한 회전 동역학 방정식에 변수로서 적용하여 상기 적재물의 중량을 산출하는 단계를 포함하는 휠로더의 적재 중량 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 지면의 경사각을 검출하는 단계는 기울기 센서가 장착된 스마트폰, 또는 지도 어플리케이션 중에서 선택된 적어도 하나로부터 상기 지면의 경사각을 수신하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 적재 중량 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 지면의 경사각을 검출하는 단계는,
    상기 지면상에서 어태치먼트에 적재물이 적재되지 않은 상태로 상기 붐을 회전시키면서 상기 붐의 각도 변화 및 상기 붐 실린더의 압력 변화를 측정하는 단계; 및
    상기 붐의 각도 변화 및 상기 붐 실린더의 압력 변화를 이용하여 상기 붐의 회전에 관한 동역학 방정식으로부터 상기 지면의 경사각을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 적재 중량 측정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 지면의 경사각을 검출하는 단계는 기울기 센서가 장착된 스마트폰, 또는 지도 어플리케이션 중에서 선택된 적어도 하나로부터 상기 지면의 경사각을 수신하는 단계를 더 포함하고,
    상기 수신된 경사각과 상기 산출된 경사각 간의 차이가 기 설정된 범위 이상인 경우, 상기 경사각 수신 단계 또는 상기 경사각 산출 단계 중에서 적어도 하나의 단계를 다시 수행하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 적재 중량 측정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 적재물의 중량을 산출하는 단계는 기 설정된 감쇠 계수(damping coefficient)맵 및 탄성 계수(modulus of elasticity)맵으로부터 상기 붐 실린더의 압력 변화에 대응하는 감쇠 계수 및 탄성 계수를 각각 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 적재 중량 측정 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 회전 동역학 방정식은 상기 붐, 상기 붐 실린더, 및 상기 어태치먼트 간의 기하학적 관계로부터 도출되는 무부하 토크 및 부하 토크의 차이에 관한 방정식인 것을 특징으로 하는 휠로더의 적재 중량 측정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 산출된 적재물의 중량값을 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 적재 중량 측정 방법.
  8. 휠로더의 붐에 설치되어 상기 붐의 회전에 따른 각도 변화를 검출하기 위한 각도 센서, 및 붐 실린더에 설치되어 상기 붐 실린더에 가해지는 압력의 변화를 검출하기 위한 압력 센서를 포함하는 측정부; 및
    상기 붐의 각도 변화 및 상기 붐 실린더의 압력 변화를 이용하여 상기 붐의 회전에 관한 동역학 방정식으로부터 상기 지면의 경사각 또는 상기 적재물의 중량을 산출하기 위한 연산부를 포함하는 휠로더의 적재 중량 측정 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 연산부는,
    어태치먼트에 적재물이 적재되지 않은 경우에는 상기 휠로더가 작업 중인 상기 지면의 경사각을 산출하고,
    상기 어태치먼트에 적재물이 적재된 경우에는 상기 적재물의 중량을 산출하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 적재 중량 측정 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서, 기울기 센서가 장착된 스마트폰, 또는 지도 어플리케이션 중에서 선택된 적어도 하나로부터 상기 지면의 경사각을 수신하기 위한 입력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 적재 중량 측정 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서, 붐 실린더의 압력 변화에 대응하는 감쇠 계수(damping coefficient) 및 탄성 계수(modulus of elasticity)가 각각 정의된 감쇠 계수맵 및 탄성 계수맵을 갖는 계수 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 적재 중량 측정 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 연산부에서 산출된 상기 적재물의 중량 정보를 운전자에게 제공하기 위한 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휠로더의 적재 중량 측정 시스템.
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