KR20210060967A - 건설기계의 주변 환경 인지 시스템 - Google Patents

건설기계의 주변 환경 인지 시스템 Download PDF

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KR20210060967A
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이희진
김동목
홍희승
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두산인프라코어 주식회사
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Abstract

건설기계의 환경 인지 시스템은, 운전실 상면에 설치되어 전방 지면 상의 형상 정보 데이터를 획득하기 위한 제1 센서 및 상기 건설기계의 붐의 하면에 설치되어 굴삭 영역에서의 형상 정보 데이터를 획득하기 위한 제2 센서를 포함한다. 상기 제2 센서는, 암을 최대한 접은 상태에서 버켓 끝단이 그리는 원의 궤적과 중첩되지 않은 영역에 설치된다.

Description

건설기계의 주변 환경 인지 시스템{ENVIRONMENTAL COGNITION SYSTEM FOR CONSTRUCTION MACHINERY}
본 발명은 주변 환경 인지 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 자율 굴삭기와 같은 건설기계의 작업 과정에서 주변 환경을 인지할 수 있는 센서들을 갖는 인지 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. 예를 들면, 상기 자동화 굴삭기의 굴삭 작업 중 굴삭 영역의 지형을 파악하기 위한 센서의 경우, 붐, 암 및 버켓과의 간섭을 회피하고 최적의 지형 해상도를 갖도록 최적의 설치 위치를 선정할 필요가 있다.
본 발명의 일 과제는 측정 사각 지대를 최소화하고 정확한 측정 결과를 제공할 수 있는 건설기계의 주변 환경 인지 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 건설기계의 환경 인지 시스템은, 건설기계의 운전실 상면에 설치되어 전방 지면 상의 형상 정보 데이터를 획득하기 위한 제1 센서 및 상기 건설기계의 붐의 하면에 설치되어 굴삭 영역에서의 형상 정보 데이터를 획득하기 위한 제2 센서를 포함한다. 상기 제2 센서는, 암을 최대한 접은 상태에서 버켓 끝단이 그리는 원의 궤적과 중첩되지 않은 영역에 설치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 센서는 상기 영역에서 상기 암 핀에 상대적으로 가까운 영역에 설치될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 및 제2 센서들은 라이다(LiDAR) 센서를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 건설기계의 환경 인지 시스템은 상기 제1 및 제2 센서들로부터 상기 데이터를 수집하고 처리하여 상기 건설기계의 주변 환경 데이터를 제공하기 위한 데이터 처리 장치를 더 포함할 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 제어 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 제2 센서의 설치 위치를 나타내는 측면도이다.
도 4는 상기 제2 센서의 설치 위치에 따른 해상도의 차이를 나타내는 측면도이다.
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 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 액추에이터의 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.
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.
도 2에 도시된 바와 같이, 건설기계의 제어 시스템은 건설기계의 환경 인지 시스템을 포함할 수 있다. 상기 건설기계의 환경 인지 시스템은 건설기계에 설치된 복수 개의 센서들(100, 110), 및 상기 센서들로부터 데이터를 수집하고 처리하여 주변 환경 데이터를 제공하기 위한 데이터 처리 장치(200)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 건설기계의 제어 시스템은 상기 주변 환경 데이터에 기초하여 작업해야 할 면적, 체적 또는 경로를 결정하기 위한 제어 장치(300) 및 상기 건설기계의 자동화 작업을 위한 작업 지형의 지형 정보 및 작업 정보를 제공하기 위한 관제부(400)를 더 포함할 수 있다.
상기 건설기계의 환경 인지 시스템은 상기 굴삭기의 무인 또는 자동화 작업을 수행하기 위하여 작업 환경을 파악하고 장애물을 포함한 주변 사물을 감지할 수 있다. 이를 위하여, 상기 건설기계의 주변 환경 인지 스템은 각 기능별로 요구되는 시야각(FoV, Field of View)을 갖는 다양한 센서들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 센서들은 운전실(50) 상면에 설치되는 제1 센서(100) 및 프론트 작업 장치(60) 중에서 붐(70)의 하면에 설치되는 제2 센서(110)를 포함할 수 있다.
제1 센서(100)는 운전실(50) 상면에 설치되어 굴삭기의 전방 지면 상의 형상 정보 데이터를 획득할 수 있다. 제1 센서(100)는 라이다(LiDAR) 센서를 포함할 수 있다. 상기 라이다(LiDAR) 센서는 브라켓에 의해 운전실(50) 상면 상에 설치될 수 있다. 상기 라이다(LiDAR) 센서는 주행 동작 및 선회 동작 중 전방 지면을 스캔하여 획득한 형상 정보 데이터를 데이터 처리 장치(200)로 출력할 수 있다.
상기 제1 센서는 굴삭기의 이동 중에 장애물을 감지하고 지형 형상 데이터를 취득할 수 있다. 상기 취득한 데이터는 상기 무인 자동화 작업의 주행 가능 여부를 판단하는데 이용할 수 있다. 또한, 선회 동작 및 주행 동작 중에 획득한 점군 데이터(PCD, Point Cloud Data)를 수집하여 주변 지형 환경 정보를 획득하는데 이용할 수 있다.
제2 센서(110)는 붐(70)의 하면에 설치되어 굴삭 영역에서의 형상 정보 데이터를 획득할 수 있다. 제2 센서(110)는 라이다(LiDAR) 센서를 포함할 수 있다. 상기 라이다(LiDAR) 센서는 브라켓에 의해 붐(70)의 하면 상에 설치될 수 있다. 상기 라이다(LiDAR) 센서는 굴삭 영역을 스캔하여 획득한 형상 정보 데이터를 데이터 처리 장치(200)로 출력할 수 있다.
상기 제1 센서는 운전실(50) 상면에 위치하여 측정 방향을 전방 방향으로 유지하여 일정한 시야각(FoV, Field)을 유지할 수 있다. 이에 따라, 좌표 계산이 간편해질 수 있다. 하지만, 평지 또는 사면 굴삭 작업에서 상기 제1 센서의 해상도가 떨어지고 측정 사각 지대가 발생할 수 있다. 상기 제2 센서는 붐(70)의 하면에 설치되어 상기 해상도를 향상시키고 프론트 작업 장치(60)의 조작과 연계하여 상기 사각 지대의 발생을 최소화할 수 있다. 상기 제2 센서에 의해 취득한 점군 데이터(PCD)는 굴삭 작업, 상차 작업과 같은 자동화 굴삭기의 작업 계획에 사용될 수 있다.
이하에서는, 상기 제2 센서의 설치 위치에 대하여 설명하기로 한다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 제2 센서의 설치 위치를 나타내는 측면도이다. 도 4는 상기 제2 센서의 설치 위치에 따른 해상도의 차이를 나타내는 측면도이다.
도 3을 참조하면, 제2 센서(110)의 설치 위치는 붐(70), 암(80) 및 버켓(90) 간의 간섭 및 제2 센서(110)의 지면에 대한 레이저의 입사각을 고려하여 결정할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제2 센서(110)는, 암(80)을 최대한 접은 상태에서 버켓(90) 끝단(P4)이 그리는 원(Cb)의 궤적과 중첩되지 않은 영역(R2)에 설치될 수 있다.
먼저, 라이다 크기(두께 T)를 기준으로 프론트 작업 장치(붐, 암, 버켓)와의 간섭을 확인하기 위하여 간섭 가능성이 가장 크도록 암(80)을 끝까지 접은 상태를 가정할 수 있다. 이어서, 버켓 핀(P3)을 중심으로 버켓(90)이 움직일 때의 버켓 투스(P4)의 원의 궤적(Cb)을 그릴 수 있다. 이 때, 붐(70)과 버켓 투스(P4)의 궤적(Cb) 사이에 생기는 공간이 라이다가 설치되는 공간일 수 있다. 상기 라이다 크기에 따라 간섭이 발생하는 공간(OR)과 간섭이 발생하지 않는 공간으로 나눌 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 버켓 핀(회전 중심점)(P3)의 좌표와 버켓의 회전 반경(rb)이 결정되면, 라이다가 설치될 면은 붐(70)의 하부면이 평면으로 유지되는 구간, 즉, 시작 지점(a)과 끝 점(b) 사이의 면(R1)으로 결정될 수 있다. 상기 라이다의 두께(T)가 결정되면, 상기 라이다가 설치면(R1)을 따라 이동시키면 형성되는 설치 공간(P)에서 원의 궤적(Cb)이 가로지는 교차점들(c, d)이 결정될 수 있다. 이로부터 원의 할선의 방정식을 이용하여 교차점들(c, d)의 위치를 구하여 간섭 구간(OR)을 구할 수 있다. 이에 따라, 설치면(R1)에서 간섭 구간(OR)을 제외하면 간섭이 없는 영역(R2)을 설치 영역으로 결정할 수 있다.
이어서, 간섭이 없는 범위 내에서 해상도를 최적화할 수 있는 위치를 결정할 수 있다. 제2 센서(110)는 간섭이 없는 영역(R2)에서 암 핀(P2)에 상대적으로 가까운 영역에 설치될 수 있다.
도 4에서는, 상기 라이다의 설치 위치에 따른 측정 타겟 영역에 대한 측정 해상도의 차이가 도시되어 있다. 상기 라이다는 내부 레이저 모듈이 회전하면서 측정하므로 일정한 각도 간격으로 샘플들을 획득할 수 있다. 따라서, 지면에 대한 상기 라이다의 설치 각도가 작아질수록(비스듬하게 설치될수록) 측정 샘플들 사이의 간격이 멀어지게 되어 해상도가 저하될 수 있다. 도 4에서 상기 라이다가 암 핀(P2)에 상대적으로 가까운 A 지점에 설치된 경우 8개의 샘플들을 획득함으로써 해상도가 상대적으로 향상될 수 있고 상기 라이다가 붐 센터 핀(P1c)에 상대적으로 가까운 B 지점에 설치된 경우 5개의 샘플들을 획득함으로써 해상도가 상대적으로 떨어질 수 있다.
따라서, 상기 라이다는 가능한 수직에 가깝게 설치되어야 한다. 즉, 상기 라이다는 설치면(R1) 상에서 가능한 암(80)에 가깝게 설치될 수 있다. 그러나, 상기 라이다가 암에 가까워질수록 원거리의 지면 측정시 암(80)과 버켓(90)을 들어올려야 하는 단점이 있다. 그러므로, 기본적으로 암(80)에 가깝게 설치하되, 상기 라이다의 시야갹(FOV) 사양에 따라 붐 센터 핀(P1c) 쪽으로 설치 위치를 이동하도록 결정할 수 있다.
데이터 처리 장치(200)는 상기 제1 및 제2 센서들로부터 상기 데이터를 수집하고 처리하여 상기 건설기계의 주변 환경 데이터를 제공할 수 있다. 데이터 처리 장치(200)는 상기 기능들을 수행하기 위한 지정된 하드웨어, 소프트웨어 및 회로를 포함할 수 있다. 상기 데이터 처리 장치는 로직 회로, 마이크로프로세서, 메모리 장치들 등과 같은 전기적 회로들에 의해 물리적으로 수행될 수 있다.
데이터 처리 장치(200)는 획득한 PCD 정보를 면 속성을 갖는 데이터로 처리할 수 있다. 굴삭기 주변 영역에 있는 점들은 후처리 연산과정을 거쳐 면 속성을 가진 데이터로 변환될 수 있다. 예를 들면, 상기 PCD 점들은 보간을 통해 균일한 격자 간격으로 재구성되고, 상기 점들은 비정규 삼각망(Triangulated Irregular Networks, TIN) 알고리즘을 통해 삼각형 형태로 연결되며 각 삼각형은 하나의 면 데이터가 될 수 있다. 상기 면 데이터(관심 영역의 지형 정보 데이터)는 지형 특성 판단 및 굴삭 계획을 수립하기 위한 지형 데이터로 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 무인 또는 자동화 굴삭기의 환경 인지 시스템은 굴삭기 주변의 지형 정보 취득 및 주변 사물 감지 기능을 구현하는 과정에서 필요한 시야각을 확보하도록 배치된 복수 개의 라이다 센서들을 포함할 수 있다. 특히, 상기 라이다 센서를 붐(70)의 하면의 최적의 위치에 배치함으로써 프론트 작업 장치(60)의 움직임에 따른 센서의 파손을 최소화하고 동시에 지면 측정의 해상도를 최적 상태로 향상시켜 굴삭 작업의 효율성과 작업 결과의 정확성을 확보할 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: 프론트 작업 장치 70: 붐
72: 붐 실린더 80: 암
82: 암 실린더 90: 버켓
92: 버켓 실린더 100: 제1 센서
110: 제2 센서 200: 데이터 처리 장치
300: 제어 장치 400: 관제부

Claims (4)

  1. 건설기계의 운전실 상면에 설치되어 전방 지면 상의 형상 정보 데이터를 획득하기 위한 제1 센서; 및
    상기 건설기계의 붐의 하면에 설치되어 굴삭 영역에서의 형상 정보 데이터를 획득하기 위한 제2 센서를 포함하고,
    상기 제2 센서는, 암을 최대한 접은 상태에서 버켓 끝단이 그리는 원의 궤적과 중첩되지 않은 영역에 설치되는 건설기계의 환경 인지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 센서는 상기 영역에서 상기 암 핀에 상대적으로 가까운 영역에 설치되는 건설기계의 환경 인지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 센서들은 라이다(LiDAR) 센서를 포함하는 건설기계의 환경 인지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 센서들로부터 상기 데이터를 수집하고 처리하여 상기 건설기계의 주변 환경 데이터를 제공하기 위한 데이터 처리 장치를 더 포함하는 건설기계의 환경 인지 시스템.
KR1020190148615A 2019-11-19 2019-11-19 건설기계의 주변 환경 인지 시스템 KR20210060967A (ko)

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