Tech Trend - ICT 기술을 활용하여 실시간 작업위치 측정이 가능한
건설장비용 cm급 계측시스템 개발
서경열 연구소장/부사장 / 태하메카트로닉스(주) / sky@taeha.co.kr
TECH TREND는 기술을 선도하는 혁신기업으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
기술개발 배경
토목공사를 비롯한 대부분의 건설현장에서 건설장비를 사용하여 측량 계측한 후 토목공사나 구조물의 구축을 진행한다.
굴삭기와 같은 대량 작업이 가능한 건설기계의 개발로 대형토목 공사가 가능하게 되었다.
토목공사나 건설공사는 원시지형에 도로나 교량과 같은 구조물을 구축하기 위해 측량전문가에 의해 사전 지형측량이 필수적이고 작업 도중에도 지형과 설계도면과의 계측이 반복적으로 수행되면서 공사가 이루어진다.
건설기계의 특징인 대량에너지를 소비하는 건설 중장비는 에너지 비용의 상승으로 효율 개선 등의 노력이 이루어지며, 전자제어 기술의 발달로 연비 개선뿐 아니라 작업 편의성과 같은 성능개선이 이루어져왔다.
대량에너지 소비가 요구되는 건설장비의 특성상 에너지 효율뿐만 아니라 탄소배출량 감소와 같은 친환경적인 요인에 의해서도 전자제어 장치의 중요성 및 필요성이 크게 요구된다.
전자제어 기술의 발달은 효율 및 편의성을 극대화하기 위한 기술개발이 진행되어 왔다.
굴삭기와 같은 건설장비는 대부분의 건설현장에서 핵심적인 기능을 하는 장비로서 땅을 파는 굴삭작업, 토사를 운반하는 적재작업, 건축물을 해체하는 파쇄작업, 지면을 정리하는 정지작업 등의 작업을 수행한다.
적재작업이나 정지작업 등은 반복성과 작업의 정밀도가 요구되어 조작숙련도가 필요하기에 숙련된 운전자가 작업하게 된다.
이러한 요구로 인해 자동굴삭이라는 지능형 굴삭기의 개발이 진행되어 왔다.
또한 1996년 GPS(Global Positioning System) 정보가 민간에 개방되어 토목측량에도 기술이 적용되기 시작해 GPS-RTK(Real Time Kinematic, 실시간 이동 측위)를 이용하여 실시간으로 1~2cm의 정밀한 측정값을 획득할 수 있는 기술적 기반을 확보하게 되었다.
본 개발은 GPS-RTK를 이용한 실시간 측량계측 정보를 이용하여 굴삭기의 절대위치를 확인하고, MEMS 센서를 이용해 굴삭기의 각 부위에 대한 길이를 계산하여 절대위치와 장비자세를 확인할 수 있는 플랫폼을 개발하며, 시스템 적용을 위한 신뢰성을 검증하고자 하였다.
해외기술 동향
(1) Smart / Intelligent EXCAVATORS
건설장비 선도기업에서는 이미 1990년대부터 자동굴삭기 개발을 위한 요소기술을 확보해 오면서 굴삭기의 자세계측을 위한 센서의 개발 및 자동굴삭 S/W 알고리즘의 개발을 지속적으로 진행하였으며 부분적인 자동화 기술을 적용하고 있다.
최근에는 ICT 기술을 건설장비 및 건설현장에 도입하면서 장비의 효율이 극대화되고 건설현장을 효율적으로 관리할 수 있게 됐다.
또한 건설공사의 실행 정확도가 향상되어 공사기간을 단축하는 등의 효과를 가져와 제조사의 매출확대에 결정적 역할을 하는 요인으로 작용하였다.
이는 고성능의 효율을 갖는 전자제어 되는 유압굴삭기 시스템과 GNSS(Global Navigation Satellite System)를 이용한 고정밀 실시간 이동측위(Real Time Kinematic) 기술을 결합하여 가능하게 되었다.
• 사례: 일본(K사) Construction Equipment
일본의 K사는 ICT기술을 건설장비에 적용하는 연구를 선행적으로 수행하여 상용화하는 선도기업이다.
K사는 1990년대 자동 굴삭제어 시스템을 개발하였고, 2000년대에는 Hybrid 굴삭기를 상용화하는 등의 기술개발 노력을 지속하고 있다.
유압으로 작동되는 굴삭기의 특성상 유압의 효율적인 제어는 장비성능 및 효율을 높이는 결정적인 요인인데, 2010년 들어서는 전자유압이 적용된 굴삭기의 개발을 위해 지속적으로 노력했다.
이러한 요소기술을 기반으로 2014년 세계 최초로 GNSS 측량기술을 이용한 K사의 독창적인 부품을 이용한 혁신적인 20-tom Class(Model: PC210LCi-10/PC200i-10)의 MC 유압굴삭기를 출시하였다.
출시된 굴삭기는 본체에 다양한 컴포넌트를 부착하여 굴삭효율을 개선하고, 작업기에 설정된 작업범위 이탈시 ‘Automatic Stop Control’과 독자적 이동 기능을 가지면서 특정 지형을 구축하는 ‘Automatics Grading Assist’ 기능을 갖는다.
이 모델의 특징은 ‘Innovative,’ ‘Integration,’ ‘Intelligent’라는 3-I의 특징으로 개발되었다( 그림 1 참조).
(2) 장비 시스템(Integration)
① GNSS 측량 장치
장비의 절대위치를 측정하기 위해 GPS 데이터 수신에 필요한 Antenna와 수신데이터 처리를 위한 Receiver로 구성된다.
Antenna는 장비 Body의 Rear Handrail 양쪽에 설치되고, Receiver는 Body 내부 안전한 곳에 설치된다.
Handrail에 부착된 Antenna로부터 GPS 위치정보를 수신하고 Receiver는 RTK(Real Time Kinematic)를 이용하여 cm급 위치정보를 장비제어기에 전송한다
② Stroke Sensing 실린더
장비제어를 위해 실린더의 위치와 속도를 정밀하게 측정할 수 있는 장치가 필요하다.
유압실린더에는 Stroke Sensor가 장착되고, 이것은 다시 붐, 암, 버킷에 장착되어 각각의 실린더의 Stroke을 정밀측정 할 수 있게 되고 측정된 데이터는 계산과정을 거처 장비의 위치를 파악하게 된다.
③ IMU(Inertial Measurement Unit)
정밀한 작업 장비 자세를 계산하기 위해 기계 본체의 자세 각을 검출할 필요가 있다. 고정밀 기계 본체의 자세 각을 검출하기 위해 IMU를 본체프레임에 설치하고, 측정된 경사각센서로경사면 작업이 가능하게 된다.
④ 전자제어 작업장치 밸브
운전자는 작업기 레버를 조작하여 Pilot 유압밸브를 통해 유압실린더를 구동하게 된다. Pilot 유압밸브와 컨트롤 밸브 사이에는 EPC(Electric Pressure Control) 밸브가 설치되어 장비를 작동하게 된다( 그림 2 참조).
⑤ 메인 전자 제어기
각각의 전기적 입력신호와 제어출력 신호를 처리하는 전자제어 장치로 다른 부가적인 전자제어 기기와는 통신네트워크를 통해 신호를 송수신하게 된다. 이는 장비 성능에 중요한 요소이므로 충분한 내구성이 보장된 제어장치를 이용하고 있다.
⑥ 대형스크린의 Control Box
설계 도면 정보, 에지 위치, 거리 및 실행에 필요한 기계 상태를 표시하는 대형 디스플레이로서 시인성을 충분히 확보하고 터치스크린을 적용하여 사용자 편의성을 향상하였다.
위에 살펴본 바와 같이 해외 선진 건설장비 제조사에서는 ICT기술을 활용하여 혁신적이고 통합적인 기술을 결합한 지능형 굴삭기의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
굴삭기 자세확인 시스템 설계
국내외 건설현장이 대형화되고 정밀시공의 필요성이 증대되어 건설현장의 설계 및 시공에 3D도면이 도입되어 대규모 장비가 투입되는 시공이 증가하는 추세이다.
굴삭기 자세 확인 시스템을 이용하여 정확한 3차원 좌표와 작업 정보를 획득함으로써 시공에 대한 관리 및 감리가 엄격해지고 있는 현장조건을 만족시킬 수 있다.
건설장비 작업 현장은 측량 장비와 이를 운영하는 인적 자원으로 구성되는데, 굴삭기 자세 확인 시스템 장착으로 이를 대체함은 물론 작업의 정확도 향상 및 안전 강화에도 기여할 수 있다.
고정밀 GPS와 MEMS 센서를 이용한 굴삭기 자세확인 시스템을 제안하고, CAN 통신을 이용하여 또 다른 제어장치와의 연결성을 확보하도록 하였다.
① MEMS 센서
MEMS 센서는 굴삭기의 붐, 암, 버킷의 위치 및 캐빈의 방향 및 기울기를 확인한다.
중장비 성능에 맞는 진동을 고려하여, 가속도 센서와 자이로 센서를 이용하여 설계한다.
가속도 센서(Accelerometer)는 선형 가속도와 기울임 각도를 측정한다.
단일 혹은 다축의 가속도 센서는 크기와 선형, 회전, 중력의 가속도 방향들을 합쳐진 상태로 감지한다.
가속도 센서는 보통 제한된 모션 센싱 기능을 제공한다. 자이로 센서(Gyroscope)는 한 축의 회전 움직임의 각 변화량을 측정한다.
자이로 센서는 움직이는 물체의 기본 축에 대한 회전과 방향을 복잡한 움직임에도 정확하고 정밀하게 측정한다.
소프트웨어 알고리즘은 가속도 센서와 자이로 센서의 데이터를 입력받아 로우패스필터(Low Pass Filter)를 거치고, 쿼터니언(Quaternion)과 오일러(Euler) 계산과정을 거쳐 3축의 실시간 각도 데이터를 산출한다.
산출된 각도 데이터는 칼만 필터(Kalman Filter)를 거쳐 데이터를 안정화시키고, 캘리브레이션(Calibration)을 통해 정밀도 높은 각도 데이터를 출력한다.
MEMS 센서 4개의 각도데이터를 동시에 수집해야 하므로 CAN통신을 이용하여 실시간으로 송신한다.
② 고정밀 GPS(RTK-GPS)
일반적인 GPS는 고정 위치를 표시할 경우, 수 미터의 오차를 갖는다.
수 미터의 오차로는 장비의 정확한 위치파악이 어려울뿐 아니라, 장비의 방향조차 알아내기 어렵다. RTK(Real Time Kinematic) GPS 측량은 기준국(Base Station)과 이동국(Rover Station)으로 구성된다.
기준국에서 보정데이터를 생성, 모뎀을 통해 이동국으로 전달하여 이동국은 수 cm 이내 오차의 정확한 위치를 나타낼 수 있다.
③ 전자 제어기(Electric Controller)
컨트롤러는 MEMS 센서의 전원 공급과 붐, 암, 버킷, 캐빈의 각 도데이터를 수집한다.
또한 RF로 수신된 기준국의 GPS 보정데이터를 2개의 이동국으로 전달하여, 각각의 이동국으로부터 정확한 데이터를 수신한다.
이 데이터를 바탕으로 장비의 위치 및 방향을 계산한다. 또한 CAN 통신을 통하여 MEMS 센서 데이터와 장비의 방향 및 위치를 모니터로 전송한다.
④ 디스플레이 및 UI (User Interface)
디스플레이는 컨트롤러로부터 수신한 데이터를 작업자가 쉽게 인지할 수 있도록 시각화한다.
디스플레이의 구성은 그림 8 과 같다. 작업자가 굴삭기의 위치를 확인할 수 있도록 GPS좌표와 장비의 방향을 좌측 상단에 배치하였고, 굴삭기의 수평상태를 확인할수 있도록 장비의 앞뒤 및 좌우 기울기를 좌측하단에 구성하였다.
굴삭 작업 중 가장 중요한 버킷의 높이는 작업자가 쉽게 확인할 수 있도록 화면의 중앙에 배치하였고, 붐, 암, 버켓의 데이터를 이용하여 장비의 측면을 표현하여 장비의 동작을 확인할 수 있도록 구성하였다.
구현 및 시뮬레이션
① 굴삭기 자세확인 시스템 구현
본 개발에서 구현하려는 굴삭기 자세확인 시스템은 그림 9 와 같이 구성된다.
4개의 MEMS 센서, 기준국, 2개의 이동국, 컨트롤러, 디스플레이로 구성된다. MEMS 센서는 붐, 암, 버킷, 캐빈에 장착한다.
컨트롤러는 장비측면에 장착한다. 기준국은 현장 사무소와 같은 고정된 위치에 설치를 하고, 장비의 방향을 결정하기 위해서 웨이트 발란스 양편에 GPS안테나를 설치한다.
② 굴삭기 자세확인 시스템 동작 검증
MEMS 센서의 동작은 붐, 암, 버킷의 조작에 따른 센서 값의 변화량을 측정하였으며, 캐빈의 회전에 따른 GPS센서로부터의 선회값 변화량을 측정하는 방식으로 확인하였다.
③ 벤치 시뮬레이션
다수의 MEMS 센서 복합동작 검증을 위해 그림 10 과 같이 굴삭기 모형 지그(JIG)를 제작하였다.
지그의 붐, 암, 버킷의 동작과 디스플레이에 출력되는 결과를 확인한다.
④ 적용성 검증
센서와 제어장치를 굴삭기에 장착 후 작업기를 조작하여 붐, 암, 버킷 조작시 실장비의 각도 및 버킷 끝단의 상태를 디스플레이 화면의 사용자 인터페이스 장치를 이용하여 확인하였다.
회전 조작시에도 굴삭기의 방향과 디스플레이의 디지털 나침반 방향이 일치하는 것을 확인하였다.
결론
글로벌 환경에서 건설장비의 경쟁력 확보를 위해서는 건설기계의 로봇시스템화와 지능화 기술력 확보가 필수적이다.
고출력이 요구되는 건설기계의 특성상 유압부품을 비롯한 핵심요소부품의 창의적이고 독자적인 부품의 설계 개발이 필요하겠지만, ICT 기술과 의 융합으로 더욱 스마트한 지능형 굴삭기를 개발해 글로벌 시장의 다양한 니즈에 대응해야 한다.
한편 전문업체에 의해 독점적으로 개발되어 오던 고정밀 GNSS 측량 장비를 국산화하여 획기적인 가격경쟁력을 확보할 수 있어 IoT기술들과의 확장적 연계가 가능하여 지속적인 시장확장을 이루어 낼 것으로 기대된다.