KR20210060966A - 건설기계의 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

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이희진
김동목
홍희승
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두산인프라코어 주식회사
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Abstract

건설기계의 제어 방법에 있어서, 건설기계의 작업 중 주변 장애물의 위치를 검출한다. 상기 장애물이 안전 영역 또는 상기 안전 영역보다 상기 건설기계에 접근한 감속 영역 내에 존재하는 지 여부를 판단한다. 상기 장애물이 상기 감속 영역 내에 존재하는 경우, 상기 장애물과의 거리에 따라 스윙 모터의 선회 속도를 감속시킨다.

Description

건설기계의 제어 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING CONSTRUCTION MACHINERY}
본 발명은 건설기계의 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 자율 굴삭기와 같은 건설기계를 제어하기 위한 방법 및 이를 수행하기 위한 건설기계의 제어 시스템에 관한 것이다.
자동화 굴삭기 시스템은 주어진 환경에서 스스로 판단하여 굴삭 작업을 수행할 수 있다. 무인 굴삭기는 신뢰성 있고 효율적인 방식으로 최적의 운동을 생성할 수 있는 성능을 가져야 한다. 특히, 사람이 작업 반경 내에 들어왔을 때에는 작업을 중단해야 하며, 사람이 아닌 다른 동물이나 사물이 작업 반경 내에 들어오게 되었을 경우, 사람, 동물, 사물에 대한 구체적인 안전대책이 필요하다.
본 발명의 일 과제는 장애물과의 충돌 가능성을 추측하고 충돌을 미연에 방지할 수 있는 건설기계의 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 상술한 제어 방법을 수행하기 위한 건설기계의 제어 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 제어 방법에 있어서, 건설기계의 작업 중 주변 장애물의 위치를 검출한다. 상기 장애물이 안전 영역 또는 상기 안전 영역보다 상기 건설기계에 접근한 감속 영역 내에 존재하는 지 여부를 판단한다. 상기 장애물이 상기 감속 영역 내에 존재하는 경우, 상기 장애물과의 거리에 따라 스윙 모터의 선회 속도를 감속시킨다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 장애물의 위치를 검출하는 것은 상기 건설기계에 설치된 복수 개의 센서들을 이용하는 것을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 센서들은 라이다(LiDAR) 센서, 스테레오 카메라 센서, 레이다(Radar) 센서 및 초음파 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 장애물이 상기 안전 영역 내에 있을 때, 상기 장애물이 상기 건설기계에 도달하는 제1 시간(t1)이 최대 선회 속도로 회전하고 있는 상기 스윙 모터에 정지 명령 신호를 입력한 후 상기 스윙 모터가 정지할 때까지 걸리는 제2 시간(t2)보다 더 크게 되도록 상기 안전 영역을 설정할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 스윙 모터의 선회 속도를 감속시키는 것은, 상기 장애물이 상기 감속 영역 내에 있을 때, 상기 장애물이 상기 건설기계에 도달하는 제1 시간(t1)이 상기 감속된 선회 속도로 회전하고 있는 상기 스윙 모터에 정지 명령 신호를 입력한 후 상기 스윙 모터가 정지할 때까지 걸리는 제3 시간(t3)보다 더 크게 되도록 상기 선회 속도를 감속시키는 것을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 스윙 모터의 선회 속도를 감속시키는 것은 상기 장애물과의 거리에 따라 상기 스윙 모터의 최대 선회 속도를 감소시키도록 제어하는 것을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 스윙 모터의 선회 속도를 감속시키는 것은 상기 장애물과의 거리에 비례하여 상기 스윙 모터의 최대 선회 속도를 감소시키는 것을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 스윙 모터의 선회 속도를 감속시키는 것은 상기 스윙 모터에 대하여 입력된 조이스틱 변위량을 상기 장애물과의 거리에 비례하여 감소된 값을 갖는 2차적인 조이스틱 변위량으로 변환하고, 그리고 상기 2차적인 조이스틱 변위량에 따른 제어 신호를 출력하는 것을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어 방법은, 상기 장애물이 상기 건설기계의 작업 반경 내에 존재하는 경우, 상기 스윙 모터를 정지시키는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 제어 시스템은, 건설기계의 작업 중 주변 장애물의 위치를 검출하기 위한 센싱부, 상기 센싱부로부터 획득한 위치 데이터로부터 상기 장애물이 안전 영역 또는 상기 안전 영역보다 상기 건설기계에 접근한 감속 영역 내에 존재하는 지 여부를 판단하고, 상기 장애물이 상기 감속 영역 내에 존재하는 경우 상기 장애물과의 거리에 따라 스윙 모터의 선회 속도를 감속시키기 위한 제어 신호를 출력하는 제어 장치, 및 상기 제어 신호에 따라 상기 스윙 모터를 제어하기 위한 작업 제어 장치를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 센싱부는 상기 건설기계에 설치된 복수 개의 센서들을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 센서들은 라이다(LiDAR) 센서, 스테레오 카메라 센서, 레이다(Radar) 센서 및 초음파 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 장애물이 상기 안전 영역 내에 있을 때, 상기 장애물이 상기 건설기계에 도달하는 제1 시간(t1)이 최대 선회 속도로 회전하고 있는 상기 스윙 모터에 정지 명령 신호를 입력한 후 상기 스윙 모터가 정지할 때까지 걸리는 제2 시간(t2)보다 더 크게 되도록 상기 안전 영역을 설정할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 장애물이 상기 감속 영역 내에 있을 때, 상기 장애물이 상기 건설기계에 도달하는 제1 시간(t1)이 상기 감속된 선회 속도로 회전하고 있는 상기 스윙 모터에 정지 명령 신호를 입력한 후 상기 스윙 모터가 정지할 때까지 걸리는 제3 시간(t3)보다 더 크게 되도록 상기 선회 속도를 감속시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 장애물과의 거리에 따라 상기 스윙 모터의 최대 선회 속도를 감소시키도록 제어할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 장애물과의 거리에 비례하여 상기 스윙 모터의 최대 선회 속도를 감소시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 장애물이 상기 감속 영역 내에 존재할 때 상기 장애물과의 거리에 따라 선회 속도 제한 비율을 결정하는 속도 제한 비율 결정부, 상기 스윙 모터에 대하여 입력된 조이스틱 변위량을 상기 선회 속도 제한 비율에 따라 감소된 값을 갖는 2차적인 조이스틱 변위량으로 변환하는 조이스틱 변위량 변환부, 및 상기 2차적인 조이스틱 변위량에 따른 제어 신호를 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 장애물이 상기 건설기계의 작업 반경 내에 존재하는 경우, 상기 스윙 모터를 정지시키기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 건설기계의 제어 장치는 무인화 작업 중 굴삭기 주변에서의 장애물을 실시간으로 감시하고, 상기 장애물과의 거리에 따라 굴삭기의 움직임을 제한하여 장애물과의 충돌을 미연에 방지할 수 있다. 이에 따라, 상기 장애물이 사물일 경우 경제적인 손실방지를, 사람 또는 동물일 경우 생명 사고를 방지할 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 건설기계를 나타내는 측면도이다.
도 2는 도 1의 건설기계의 유압 제어 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 제어 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 3의 제어 장치를 나타내는 블록도이다.
도 5는 도 4의 제어 장치에서 건설기계 주변에 정의된 안전 영역(R1), 감속 영역(R2) 및 정지 영역(R3)을 나타내는 평면도이다.
도 6은 도 5의 안전 영역(R1), 감속 영역(R2) 및 정지 영역(R3)에서의 스윙 모터의 최대 선회 속도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명에서 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 명세서 상에 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.
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 안 된다.
즉, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 건설기계를 나타내는 측면도이다. 도 2는 도 1의 건설기계의 유압 제어 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 건설기계(10)는 하부 주행체(20), 하부 주행체(20) 상에 선회 가능하도록 탑재되는 상부 선회체(30), 및 상부 선회체(30)에 설치된 운전실(50)과 작업 장치(60)를 포함할 수 있다.
하부 주행체(20)는 상부 선회체(30)를 지지하고, 엔진(110)에서 발생한 동력을 이용하여 굴삭기와 같은 건설기계(10)를 주행시킬 수 있다. 하부 주행체(20)는 무한궤도를 포함하는 무한궤도식 타입의 주행체일 수 있다. 이와 다르게, 하부 주행체(20)는 주행 휠들을 포함하는 휠 타입의 주행체일 수 있다. 상부 선회체(30)는 베이스로서의 상부 프레임(32)을 구비하고, 하부 주행체(20) 상에서 지면과 평행한 평면상에서 회전하여 작업 방향을 설정할 수 있다.
운전실(50)은 상부 프레임(32)의 좌측 전방부에 설치되고, 작업 장치(60)는 상부 프레임(32)의 전방부에 장착될 수 있다. 카운터 웨이트(40)는 상부 프레임(32)의 후방에 장착되어, 상기 건설기계가 하중을 상부로 올리는 작업을 수행할 때에 외력의 평형을 이루어 상기 건설기계를 안정시킬 수 있다.
작업 장치(60)는 붐(70), 암(80) 및 버켓(90)을 포함할 수 있다. 작업 장치(60)는 붐 실린더(72), 암 실린더(82) 및 버켓 실린더(92)와 같은 액추에이터(62)의 구동에 의해 작동될 수 있다. 구체적으로, 붐(70)과 상부 프레임(32) 사이에는 붐(70)의 움직임을 제어하기 위한 붐 실린더(72)가 설치될 수 있다. 붐(70)과 암(80) 사이에는 암(80)의 움직임을 제어하기 위한 암 실린더(82)가 설치될 수 있다. 그리고, 암(80)과 버켓(90) 사이에는 버켓(90)의 움직임을 제어하기 위한 버켓 실린더(92)가 설치될 수 있다. 붐 실린더(72), 암 실린더(82) 및 버켓 실린더(92)가 신장 또는 수축함에 따라 붐(70), 암(80) 및 버켓(90)은 다양한 움직임을 구현할 수 있고, 작업 장치(60)는 여러 가지 작업을 수행할 수 있다. 이 때, 붐 실린더(72), 암 실린더(82) 및 버켓 실린더(92)는 유압 펌프(120)로부터 공급되는 작동유에 의해 신장 또는 수축될 수 있다.
한편, 작업 목적에 따라 암(80)의 일단에는 버켓(90) 이외에도 다양한 어태치먼트들이 부착될 수 있다. 예를 들면, 상기 버켓은 굴삭 작업 또는 지면 평탄화 작업에 사용될 수 있고, 바위 등을 파쇄하기 위해서는 브레이커(도시되지 않음)가 사용될 수 있다. 또한, 고철 등을 자르기 위해서 절단기가 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 건설기계의 유압 제어 시스템은 엔진(110), 엔진(110)에 의해 구동되는 유압 펌프(120), 유압 펌프(120)로부터 토출된 작동유에 의해 동작 가능한 적어도 하나의 액추에이터(62), 유압 펌프(120)와 액추에이터(62) 사이에 설치되며 내부에 구비된 스풀의 변위량에 따라 유압 펌프(120)로부터 액추에이터(62)로 공급되는 작동유의 유량을 제어하기 위한 적어도 하나의 제어 밸브를 포함하는 메인 컨트롤 밸브(130), 및 입력된 제어 신호에 비례하여 상기 제어 밸브의 스풀의 변위량을 제어하기 위한 파일럿 신호압을 상기 스풀에 공급하는 스풀 변위 조정 밸브를 포함하는 스풀 변위 조정부(140)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 건설기계는 굴삭기, 휠 로더, 지게차 등을 포함할 수 있다. 이하에서는 상기 건설기계가 굴삭기인 경우에 대하여 설명하기로 한다. 다만, 이로 인하여 예시적인 실시예들에 따른 제어 시스템이 굴삭기를 제어하기 위한 것으로 한정되는 것은 아님을 이해할 수 있을 것이다.
유압 펌프(120)는 기계식 구동부로서의 엔진(110)의 출력축에 연결될 수 있다. 예를 들면, 유압 펌프(120)는 압력제어형 전자 유압펌프를 포함할 수 있다. 유압 펌프(120)의 토출 유량은 사판 각도에 의해 결정될 수 있다. 펌프 레귤레이터(122)는 입력되는 파일럿 압력에 따라 유압 펌프(120)의 사판 각도를 조절할 수 있다. 전자비례감압밸브(142)는 펌프 레귤레이터(122)는 입력되는 파일럿 압력을 제어할 수 있다. 펌프 레귤레이터(122)는 전자비례감압밸브(142)를 매개로 파일럿 펌프(150)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 제어 장치(200)로부터의 전류 지령치인 펌프 제어 신호가 전자비례감압밸브(142)에 입력되면 전자비례감압밸브(142)는 상기 펌프 제어 신호에 비례하는 파일럿 압력을 펌프 레귤레이터(122)에 출력하고, 펌프 레귤레이터(122)는 입력되는 파일럿 압력에 따라 유압 펌프(120)의 사판 각도를 조절할 수 있다.
유압 펌프(120)는 고압 유압 라인(124)을 통하여 메인 컨트롤 밸브(130)에 연결될 수 있다. 붐 실린더(72), 암 실린더(82), 버켓 실린더(92) 및 스윙 모터와 같은 액추에이터(62)는 고압 유압 라인을 통해 메인 컨트롤 밸브(130)에 연결될 수 있다.
파일럿 펌프(150)는 엔진(110)의 출력축에 연결되며, 상기 출력축이 회전함에 따라 구동되어 제어유를 토출할 수 있다. 예를 들면, 상기 파일럿 펌프는 기어펌프일 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 작동유 및 상기 제어유는 실질적으로 동일한 물질을 포함할 수 있다.
파일럿 펌프(150)로부터 토출된 제어유는 스풀 변위 조정부(140)의 상기 스풀 변위 조정 밸브를 거쳐 상기 제어 밸브의 스풀에 공급될 수 있다. 상기 스풀 변위 조정 밸브는 입력된 제어 신호에 비례하여 상기 제어 밸브의 스풀의 변위량을 제어하기 위한 파일럿 신호압을 상기 제어 밸브의 스풀에 공급할 수 있다.
예를 들면, 한 쌍의 스풀 변위 조정 밸브들이 대응하는 제어 밸브의 스풀의 양측에 각각 구비될 수 있다. 상기 스풀 변위 조정 밸브로부터 출력된 파일럿 신호압은 상기 대응하는 제어 밸브 내의 스풀의 양측에 선택적으로 공급됨으로써, 상기 제어 밸브)가 절환될 수 있다. 상기 스풀 변위 조정 밸브는 입력된 제어 신호에 비례하는 크기를 갖는 파일럿 신호를 공급할 수 있다. 상기 제어 밸브 내의 스풀의 이동은 상기 파일럿 신호압에 의해 제어될 수 있다. 즉, 상기 파일럿 신호압의 공급 방향에 따라 상기 스풀의 이동 방향이 결정되며, 상기 파일럿 신호압의 세기에 따라 상기 스풀의 변위량이 결정될 수 있다.
예를 들면, 상기 제어 밸브를 갖는 조립체로서의 메인컨트롤밸브(130)는 전자유압식 메인컨트롤밸브일 수 있다. 상기 스풀 변위 조정 밸브는 입력되는 전기적 신호에 따라 제어 밸브 내의 스풀에 가해지는 파일럿 작동유를 제어하는 전자비례감암밸브(EPPRV)를 포함할 수 있다.
따라서, 입력된 제어 신호에 비례하여 메인컨트롤밸브(130)의 상기 제어 밸브의 스풀의 변위량을 제어하는 스풀 변위 조정부(140)는 작업 장치(60)를 제어하기 위한 작업 제어 장치로서 제공될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제어 장치(200)는 자율 굴삭기를 위한 굴삭 궤적을 산출하고 상기 산출된 굴삭 궤적에 따라 작업 장치(60)를 조작하기 위한 제어 신호로서 압력지령 신호를 상기 스풀 변위 조정 밸브로 출력할 수 있다. 상기 전자비례감압밸브는 상기 압력지령 신호에 비례하는 2차 압력을 대응하는 상기 스풀에 출력함으로써, 전기적 제어 신호로 상기 스풀을 제어할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 제어 방법에서 이용되는 3차원 직교 좌표계에 있어서, Z축은 상부 선회체(30)의 선회축에 대응하고, 원점(O)은 상기 선회축과 건설기계(10)의 설치면과의 교점에 대응할 수 있다. 또한, Z축과 직교하는 X축은 프론트 작업 장치(60)의 연장 방향으로 연장할 수 있다.
상부 선회체(30)에 대한 붐(70)의 장착 위치는, 붐 회전축으로서의 붐핀의 위치인 붐 조인트 위치(P1)로 나타낼 수 있다. 유사하게, 붐(70)에 대한 암(80)의 장착위치는, 암 회전축으로서의 암핀의 위치인 암 조인트 위치(P2)로 나타낼 수 있다. 암(80)에 대한 버켓(90)의 장착위치는, 버켓 회전축으로서의 버켓 핀의 위치인 버켓 조인트 위치(P3)로 나타낼 수 있다. 또한, 버켓(90)의 선단 위치는 버켓 선단 위치(P4)로 나타낼 수 있다.
붐 조인트 위치(P1)와 암 조인트 위치(P2)를 연결하는 선분과 수평면 사이에 형성되는 각도는 붐 회전 각도(θ1)로 나타낼 수 있고, 암 조인트 위치(P2)와 버켓 조인트 위치(P3)를 연결하는 선분과 수평면 사이에 형성되는 각도는 암 회전 각도(θ2)로 나타낼 수 있고, 버켓 조인트 위치(P3)와 버켓 선단 위치(P4)를 연결하는 선분과 수평면 사이에 형성되는 각도는 버켓 회전 각도(θ3)로 나타낼 수 있다.
붐 조인트 위치(P1)가 고정값이므로, 붐 회전 각도(θ1), 암 회전 각도(θ2) 및 버켓 회전 각도(θ3)가 결정되면, 버켓 선단 위치(P4)의 좌표값이 명시적으로 결정될 수 있다. 또한, X축 및 Y축은 상부 선회체(30)의 회전과 함께 Z축 둘레를 회전할 수 있다. 상부 선회체(30)의 선회 각도(θ4)는 Z축을 중심으로 하여 X축에 대하여 반시계 방향 또는 시계 방향으로 나타낼 수 있다. 버켓 선단 위치(P4)의 궤적은 작업 궤적이라 할 수 있고, 상기 작업 궤적은 붐 회전 각도(θ1), 암 회전 각도(θ2), 버켓 회전 각도(θ3) 및 선회 각도(θ4)에 의해 결정될 수 있다.
이하에서는, 상기 건설기계의 제어 시스템에 대하여 설명하기로 한다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 제어 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 4는 도 3의 제어 장치를 나타내는 블록도이다. 도 5는 도 4의 제어 장치에서 건설기계 주변에 정의된 안전 영역(R1), 감속 영역(R2) 및 정지 영역(R3)을 나타내는 평면도이다. 도 6은 도 5의 안전 영역(R1), 감속 영역(R2) 및 정지 영역(R3)에서의 스윙 모터의 최대 선회 속도를 나타내는 그래프이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 건설기계의 제어 시스템은 건설기계의 작업 중 주변 장애물의 위치를 검출하기 위한 센싱부(100), 상기 건설기계의 자동화 작업을 수행하기 위한 제어 장치(200) 및 작업 장치(60)를 제어하기 위한 작업 제어 장치를 포함할 수 있다. 또한, 상기 건설기계의 제어 시스템은 상기 건설기계의 자동화 작업을 위한 작업 지형의 지형 정보 및 작업 정보를 제공하기 위한 관제부(400)를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 센싱부(100)는 건설기계에 설치된 복수 개의 센서들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 센서들은 라이다(LiDAR) 센서, 스테레오 카메라 센서, 레이다(Radar) 센서, 초음파 센서 등을 포함할 수 있다. 상기 라이다 센서 및 상기 스테레오 카메라 센서는 운전실(50)의 상부면 또는 작업 장치(60)의 붐(70) 및 암(80)의 하면에 설치될 수 있다. 상기 레이다 센서는 상부 프레임(32)의 측면에 설치될 수 있다. 복수 개의 레이다 센서들은 상부 프레임(32)의 측면을 따라 이격 설치될 수 있다. 상기 초음파 센서는 상부 프레임(32)의 하방, 즉, 카운터 웨이터(40)의 측면에 설치될 수 있다. 복수 개의 상기 초음파 센서들은 카운더 웨이터(40)의 측면을 따라 이격 설치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 건설기계의 제어 장치(200)는 관제부(400)로부터 자동화 작업을 위한 작업 지역의 지형 정보 및 작업 정보를 수신할 수 있다. 상기 작업 지역은 굴삭기가 이동하고 작업하기 위한 구역으로 정의될 수 있다. 관제부(400)는 위성신호 수신기의 일종인 GNSS 로버(rover)를 이용하여 상기 작업 지역의 복수 개의 지점들에 대한 위도, 경도, 고도를 포함하는 좌표 정보를 수집하여 작업지역에 대한 원시 데이터(raw data)를 획득할 수 있다. 또는 항공 사진 촬영 등의 알려진 다양한 방법을 통해 작업지역의 지형 정보를 획득할 수 있다. 예를 들면, 관제부(400)는 상기 지형 정보를 수집 및 처리하여 점군 데이터(Point Cloud Data, PCD)의 형태로 건설기계의 제어 장치(200)로 제공할 수 있다.
건설기계의 제어 장치(200)는 관제부(400)와 무선으로 연결될 수 있다. 예를 들면, 건설기계(10)는 관제부(400)와의 무선 통신을 위한 무선 송수신부를 포함할 수 있다. 상기 무선 송수신부는 CDMA, GSM과 같은 셀룰러 통신, Wi-Fi, 라디오 통신과 같이 공지의 통신 규격을 이용할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 건설기계의 제어 장치(200)는 자동화 작업을 위한 작업 궤적을 생성하고 상기 작업 궤적을 위한 제어 신호를 출력할 수 있다. 건설기계의 제어 장치(200)는 궤적 생정부(210), 속도 제한 비율 결정부(220), 조이스틱 변위량 변환부(230) 및 출력부(240)를 포함할 수 있다.
궤적 생정부(210)는 관제부(400)로부터의 지형 데이터로부터 상기 작업 궤적을 생성할 수 있다. 속도 제한 비율 결정부(220)는 센싱부(100)로부터의 측정 데이터를 수신하고 상기 장애물과의 거리에 따른 선회 속도 제한 비율을 결정할 수 있다. 조이스틱 변위량 변환부(230)는 상기 작업 궤적을 위한 선회 명령 신호 중에서 상기 스윙 모터에 대하여 입력된 조이스틱 변위량을 상기 선회 속도 제한 비율에 따라 감소된 값을 갖는 2차적인 조이스틱 변위량으로 변환할 수 있다. 궤적 생정부(210), 속도 제한 비율 결정부(220) 및 조이스틱 변위량 변환부(230)는 여기서 설명되는 기능들을 수행하기 위한 지정된 하드웨어, 소프트웨어 및 회로를 포함할 수 있다. 이러한 구성 요소들은 로직 회로, 마이크로프로세서, 메모리 장치들 등과 같은 전기적 회로들에 의해 물리적으로 수행될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 건설기계(10)의 주변 영역은 안전 영역(R1), 감속 영역(R2) 및 정지 영역(R3)으로 정의되고, 제어 장치(200)는 센싱부(100)로부터 획득한 위치 데이터로부터 상기 장애물이 안전 영역(R1) 또는 감속 영역(R2) 내에 존재하는 지 여부를 판단하고, 상기 장애물이 감속 영역(R2) 내에 존재하는 경우 상기 장애물과의 거리에 따라 상기 스윙 모터의 선회 속도를 감속시키기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.
안전 영역(R1)은 상부 선회체(30)의 선회 중심으로부터 제2 거리(L2) 이상의 영역이고, 감속 영역(R2)은 상부 선회체(30)의 선회 중심으로부터 제1 거리(L1) 이상이고 제2 거리(L2) 미만의 영역일 수 있다.
안전 영역(R1)은 아래와 같이 정의될 수 있다. 상기 장애물이 건설기계(10)에 일정 속도(예를 들면, 10km/h)로 접근하고 있을 때, 상기 장애물이 건설기계(10)에 도달하는 시간을 제1 시간(t1)이라 하고, 최대 선회 속도로 회전하고 있는 상기 스윙 모터에 정지 명령 신호를 입력한 후 상기 스윙 모터가 정지할 때까지 걸리는 시간을 제2 시간(t2)이라 하면, 안전 영역(R1)에서는 제1 시간(t1)이 제2 시간(t2)보다 더 크게 설정될 수 있다(t1 = t2 + α, α는 여유 시간).
감속 영역(R2)은 안전 영역(R3)보다 건설기계(10)에 인접한 영역이므로, 감속 영역(R2) 내에서 상기 장애물이 건설기계(10)에 충돌하는 것을 방지하기 위하여 상기 스윙 모터가 정지할 때까지 걸리는 시간을 줄여야 한다.
제어 장치(200)의 속도 제한 비율 결정부(220)는 감속 영역(R2) 내에서 선회 속도 제한 비율을 결정할 수 있다. 예를 들면, 상기 장애물이 상기 건설기계에 도달하는 시간을 제1 시간(t1)이라 하고, 상기 감속된 선회 속도로 회전하고 있는 상기 스윙 모터에 정지 명령 신호를 입력한 후 상기 스윙 모터가 정지할 때까지 걸리는 시간을 제3 시간(t3)이라 하면, 감속 영역(R2)에서는 제1 시간(t1)이 제3 시간(t3)보다 더 크게 설정될 수 있다(t1 = t3 + α, α는 여유 시간).
제어 장치(200)는 감속 영역(R2) 내에서 상기 장애물과의 거리에 따라 상기 스윙 모터의 최대 선회 속도를 감소시키도록 제어할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제어 장치(200)는 감속 영역(R2) 내에서 상기 장애물과의 거리에 비례하여 상기 스윙 모터의 최대 선회 속도를 감소시킬 수 있다. 또한, 제어 장치(200)는 작업 영역인 정지 영역(R3)에서는 스윙 모터를 정지시키기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.
조이스틱 변위량 변환부(230)는 궤적 생성부(210)로부터 상기 작업 궤적을 위한 선회 명령 신호 중에서 상기 스윙 모터에 대한 조이스틱 변위량을 수신하고, 속도 제한 비율 결정부(220)로부터 상기 선회 속도 제한 비율값을 수신할 수 있다. 조이스틱 변위량 변환부(230)는 상기 스윙 모터에 대하여 입력된 조이스틱 변위량을 상기 선회 속도 제한 비율에 따라 감소된 값을 갖는 2차적인 조이스틱 변위량으로 변환할 수 있다.
출력부(240)는 상기 2차적인 조이스틱 변위량에 따른 제어 신호를 스풀 변위 조정부(140)로 출력할 수 있다. 스풀 변위 조정부(140)의 스풀 변위 조정 밸브는 상기 입력된 제어 신호에 비례하여 메인컨트롤밸브(130)의 스윙 모터 제어 밸브의 스풀의 변위량을 제어할 수 있다. 이에 따라, 상기 스윙 모터의 상기 최대 선회 속도는 상기 선회 속도 제한 비율에 따라 감소될 수 있다.
상술한 바와 같이, 건설기계의 제어 장치(200)는 무인화 작업 중 굴삭기 주변(360도)에서의 장애물을 실시간으로 감시하고, 상기 장애물과의 거리에 따라 굴삭기의 움직임을 제한하여 장애물과의 충돌을 미연에 방지할 수 있다. 이에 따라, 상기 장애물이 사물일 경우 경제적인 손실방지를, 사람 또는 동물일 경우 생명 사고를 방지할 수 있다.
이하에서는, 도 3의 건설 기계의 제어 시스템을 이용하여 건설 기계를 제어하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 먼저, 건설기계(10)의 작업 중 주변 장애물의 위치를 검출하고(S100), 상기 장애물과의 거리에 따른 선회 속도 제한 비율을 결정할 수 있다(S110).
예시적인 실시예들에 있어서, 건설기계(10)에 설치된 복수 개의 센서들을 이용하여 상기 장애물의 위치를 검출할 수 있다. 상기 센서들은 라이다(LiDAR) 센서, 스테레오 카메라 센서, 레이다(Radar) 센서, 초음파 센서 등을 포함할 수 있다.
건설기계(10)의 주변 영역을 안전 영역(R1), 감속 영역(R2) 및 정지 영역(R3)으로 구분하고, 상기 장애물이 감속 영역(R2) 내에 존재하는 경우 상기 장애물과의 거리에 따라 상기 스윙 모터의 선회 속도를 감속시키기 위하여 상기 선회 속도 제한 비율을 결정할 수 있다.
안전 영역(R1)은 아래와 같이 정의될 수 있다. 상기 장애물이 건설기계(10)에 일정 속도(예를 들면, 10km/h)로 접근하고 있을 때, 상기 장애물이 건설기계(10)에 도달하는 시간을 제1 시간(t1)이라 하고, 최대 선회 속도로 회전하고 있는 상기 스윙 모터에 정지 명령 신호를 입력한 후 상기 스윙 모터가 정지할 때까지 걸리는 시간을 제2 시간(t2)이라 하면, 안전 영역(R1)에서는 제1 시간(t1)이 제2 시간(t2)보다 더 크게 설정될 수 있다(t1 = t2 + α, α는 여유 시간).
감속 영역(R2)은 안전 영역(R3)보다 건설기계(10)에 인접한 영역이므로, 감속 영역(R2) 내에서 상기 장애물이 건설기계(10)에 충돌하는 것을 방지하기 위하여 상기 스윙 모터가 정지할 때까지 걸리는 시간을 줄여야 한다.
제어 장치(200)의 속도 제한 비율 결정부(220)는 감속 영역(R2) 내에서 선회 속도 제한 비율을 결정할 수 있다. 예를 들면, 상기 장애물이 상기 건설기계에 도달하는 시간을 제1 시간(t1)이라 하고, 상기 감속된 선회 속도로 회전하고 있는 상기 스윙 모터에 정지 명령 신호를 입력한 후 상기 스윙 모터가 정지할 때까지 걸리는 시간을 제3 시간(t3)이라 하면, 감속 영역(R2)에서는 제1 시간(t1)이 제3 시간(t3)보다 더 크게 설정될 수 있다(t1 = t3 + α, α는 여유 시간).
이어서, 상기 장애물이 안전 영역(R1) 내에 있을 경우(S120), 선회 속도를 제한하지 않고 최초의 최대 선회 속도로 스윙 모터를 제어할 수 있다(S130), 상기 장애물이 감속 영역(R2) 내에 있을 경우(S122), 상기 선회 속도 제한 비율에 따른 상기 스윙 모터를 제어할 수 있다(S132). 상기 장애물이 정지 영역(R3) 내에 있을 경우, 상기 스윙 모터를 정지시키도록 제어할 수 있다(S134).
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 장애물이 안전 영역(R1) 내에 있을 경우, 상기 스윙 모터에 대한 조이스틱 변위량에 따른 제어 신호를 스풀 변위 조정부(140)로 출력할 수 있다. 이에 따라, 상기 스윙 모터의 상기 최대 선회 속도는 최초의 최대 선회 속도값을 유지할 수 있다.
상기 장애물이 감속 영역(R2) 내에 있을 경우, 상기 스윙 모터에 대한 조이스틱 변위량을 상기 선회 속도 제한 비율에 따라 감소된 값을 갖는 2차적인 조이스틱 변위량으로 변환하고, 상기 2차적인 조이스틱 변위량에 따른 제어 신호를 스풀 변위 조정부(140)로 출력할 수 있다. 따라서, 상기 스윙 모터의 상기 최대 선회 속도는 상기 장애물과의 거리에 따라 감소될 수 있다. 예를 들면, 상기 스윙 모터의 상기 최대 선회 속도는 상기 장애물과의 거리에 비례하여 감소될 수 있다.
상기 장애물이 정지 영역(R3) 내에 있을 경우, 상기 스윙 모터에 대한 조이스틱 변위량을 정지 명령을 위한 2차적인 조이스틱 변위량으로 변환하고, 상기 스윙 모터에 정지 명령 신호를 스풀 변위 조정부(140)로 출력할 수 있다.
상술한 바와 같이, 장애물의 위치를 위험한 작업 반경(R3)에 들어왔을 때가 아닌 안전 영역(R1)에서부터 주기적으로 파악함으로써 상기 장애물이 접근해오면 사전에 선회 속도를 제한함으로써 갑작스러운 충돌을 미연에 방지할 수 있다. 또한, 감속 영역(R2)에서는 완전히 정지하지 않고 장애물과의 거리에 따라 적절히 감속하여, 긴급정지 알고리즘과 같이 장애물에 대한 극단적인 과도 반응을 회피함으로써, 작업 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 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: 건설기계 20: 하부 주행체
30: 상부 선회체 32: 상부 프레임
40: 카운터웨이트 50: 운전실
60: 작업 장치 62: 액추에이터
70: 붐 72: 붐 실린더
80: 암 82: 암 실린더
90: 버켓 92: 버켓 실린더
100: 센싱부
110: 엔진 120: 유압 펌프
122: 펌프 레귤레이터 124: 고압 유압 라인
130: 메인 컨트롤 밸브 140: 스풀 변위 조정부
150: 파일럿 펌프 200: 제어 장치
210: 궤적 생성부 220: 속도 제한 비율 결정부
230: 조이스틱 변위량 변환부 240: 출력부
400: 관제부

Claims (18)

  1. 건설기계의 작업 중 주변 장애물의 위치를 검출하고;
    상기 장애물이 안전 영역 또는 상기 안전 영역보다 상기 건설기계에 접근한 감속 영역 내에 존재하는 지 여부를 판단하고; 그리고
    상기 장애물이 상기 감속 영역 내에 존재하는 경우, 상기 장애물과의 거리에 따라 스윙 모터의 선회 속도를 감속시키는 것을 포함하는 건설기계의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 장애물의 위치를 검출하는 것은 상기 건설기계에 설치된 복수 개의 센서들을 이용하는 것을 포함하는 건설기계의 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 센서들은 라이다(LiDAR) 센서, 스테레오 카메라 센서, 레이다(Radar) 센서 및 초음파 센서 중 적어도 하나를 포함하는 건설기계의 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 장애물이 상기 안전 영역 내에 있을 때, 상기 장애물이 상기 건설기계에 도달하는 제1 시간(t1)이 최대 선회 속도로 회전하고 있는 상기 스윙 모터에 정지 명령 신호를 입력한 후 상기 스윙 모터가 정지할 때까지 걸리는 제2 시간(t2)보다 더 크게 되도록 상기 안전 영역을 설정하는 건설기계의 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 스윙 모터의 선회 속도를 감속시키는 것은, 상기 장애물이 상기 감속 영역 내에 있을 때, 상기 장애물이 상기 건설기계에 도달하는 제1 시간(t1)이 상기 감속된 선회 속도로 회전하고 있는 상기 스윙 모터에 정지 명령 신호를 입력한 후 상기 스윙 모터가 정지할 때까지 걸리는 제3 시간(t3)보다 더 크게 되도록 상기 선회 속도를 감속시키는 것을 포함하는 건설기계의 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 스윙 모터의 선회 속도를 감속시키는 것은 상기 장애물과의 거리에 따라 상기 스윙 모터의 최대 선회 속도를 감소시키도록 제어하는 것을 포함하는 건설기계의 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 스윙 모터의 선회 속도를 감속시키는 것은 상기 장애물과의 거리에 비례하여 상기 스윙 모터의 최대 선회 속도를 감소시키는 것을 포함하는 건설기계의 제어 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 스윙 모터의 선회 속도를 감속시키는 것은
    상기 스윙 모터에 대하여 입력된 조이스틱 변위량을 상기 장애물과의 거리에 비례하여 감소된 값을 갖는 2차적인 조이스틱 변위량으로 변환하고; 그리고
    상기 2차적인 조이스틱 변위량에 따른 제어 신호를 출력하는 것을 포함하는 건설기계의 제어 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 장애물이 상기 건설기계의 작업 반경 내에 존재하는 경우, 상기 스윙 모터를 정지시키는 것을 더 포함하는 건설기계의 제어 방법.
  10. 건설기계의 작업 중 주변 장애물의 위치를 검출하기 위한 센싱부;
    상기 센싱부로부터 획득한 위치 데이터로부터 상기 장애물이 안전 영역 또는 상기 안전 영역보다 상기 건설기계에 접근한 감속 영역 내에 존재하는 지 여부를 판단하고, 상기 장애물이 상기 감속 영역 내에 존재하는 경우 상기 장애물과의 거리에 따라 스윙 모터의 선회 속도를 감속시키기 위한 제어 신호를 출력하는 제어 장치; 및
    상기 제어 신호에 따라 상기 스윙 모터를 제어하기 위한 작업 제어 장치를 포함하는 건설기계의 제어 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 센싱부는 상기 건설기계에 설치된 복수 개의 센서들을 포함하는 건설기계의 제어 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 센서들은 라이다(LiDAR) 센서, 스테레오 카메라 센서, 레이다(Radar) 센서 및 초음파 센서 중 적어도 하나를 포함하는 건설기계의 제어 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 장애물이 상기 안전 영역 내에 있을 때, 상기 장애물이 상기 건설기계에 도달하는 제1 시간(t1)이 최대 선회 속도로 회전하고 있는 상기 스윙 모터에 정지 명령 신호를 입력한 후 상기 스윙 모터가 정지할 때까지 걸리는 제2 시간(t2)보다 더 크게 되도록 상기 안전 영역을 설정하는 건설기계의 제어 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 장애물이 상기 감속 영역 내에 있을 때, 상기 장애물이 상기 건설기계에 도달하는 제1 시간(t1)이 상기 감속된 선회 속도로 회전하고 있는 상기 스윙 모터에 정지 명령 신호를 입력한 후 상기 스윙 모터가 정지할 때까지 걸리는 제3 시간(t3)보다 더 크게 되도록 상기 선회 속도를 감속시키는 건설기계의 제어 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 장애물과의 거리에 따라 상기 스윙 모터의 최대 선회 속도를 감소시키도록 제어하는 건설기계의 제어 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 장애물과의 거리에 비례하여 상기 스윙 모터의 최대 선회 속도를 감소시키는 건설기계의 제어 시스템.
  17. 제 10 항에 있어서, 상기 제어 장치는,
    상기 장애물이 상기 감속 영역 내에 존재할 때 상기 장애물과의 거리에 따라 선회 속도 제한 비율을 결정하는 속도 제한 비율 결정부;
    상기 스윙 모터에 대하여 입력된 조이스틱 변위량을 상기 선회 속도 제한 비율에 따라 감소된 값을 갖는 2차적인 조이스틱 변위량으로 변환하는 조이스틱 변위량 변환부; 및
    상기 2차적인 조이스틱 변위량에 따른 제어 신호를 출력하는 출력부를 포함하는 건설기계의 제어 시스템.
  18. 제 10 항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 장애물이 상기 건설기계의 작업 반경 내에 존재하는 경우, 상기 스윙 모터를 정지시키기 위한 제어 신호를 출력하는 건설기계의 제어 시스템.
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