목재수확 작업을 위한 하베스터·포워더 텔레오퍼레이션 기술 개발 = Development of Teleoperation Technology for Harvester and Forwarder in Timber Harvesting

국문 초록 (Abstract)

임업기계를 활용한 목재수확 작업은 경사지나 지반이 불안정한 지형에서 수행될 경우, 기계의 전도·전복으로 인한 인명피해가 발생할 위험이 있다. 특히 피해목 수확 작업의 경우 이러한 위험과 더불어 고사목 또는 서로 엉켜있는 나무로 인한 운전석 충돌 가능성과 예측이 어려운 상황이 일반적인 목재수확 작업보다 더 빈번하게 발생한다. 이에 따라 오퍼레이터는 작업 전반에 걸쳐 높은 수준의 집중력과 긴장도가 요구되는 환경에 지속적으로 노출될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 오퍼레이터의 안전한 목재수확 작업을 위해 하베스터·포워더의 텔레오퍼레이션 기술을 개발하였다. 이 기술을 위해 헬리카이트를 활용한 Wi-Fi 통신망 시스템과 1:N 제어 기반의 하베스터·포워더 텔레오퍼레이션 시스템을 구축하고 성능을 검증하였다. 헬리카이트를 활용한 Wi-Fi 통신망 시스템은 바람에 의한 헬리카이트의 공간적 위치 변화 한계는 존재하지만, 6 m/s 이하의 풍속에서 약 8.2 ha 면적의 텔레오퍼레이션이 가능한 Wi-Fi 커버리지를 유지할 수 있으며, 언덕 또는 수림대에 의한 LOS(Line of Sight) 차단으로 발생하는 통신 두절의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 검증되었다. 1:N 제어 기반의 하베스터·포워더 텔레오퍼레이션 시스템은 텔레오퍼레이션 중 발생할 수 있는 제어신호와 영상신호의 지연시간을 계측하고, 원목 상차 후 운반 작업을 텔레오퍼레이션으로 수행해 봄으로써 성능을 검증하였다. 제어신호 및 영상신호는 약 8.2 ha 면적의 텔레오퍼레이션이 가능한 Wi-Fi 커버리지 안에서 200 msec 미만의 지연이 발생하며, 이 지연은 임업기계의 텔레오퍼레이션 수행에 부정적인 영향을 미치지 않는 것으로 검증되었다. 각 시스템에 대한 검증이 수행된 이후 실제 백합나무 임분에서 현장 적용 가능성 평가를 수행하였으며, 벌도 및 조재 작업에서 10.63 m3/SMH, 6.61 m3/SMH의 생산성 그리고 96%의 단목 조재 정확도를 달성하였다. 이는 텔레오퍼레이션을 통한 작업이 기계에 탑승해서 작업하는 것보다 속도는 느려질 수 있으나, 정확도 측면에서는 기계에 탑승하여 작업할 때와 유사한 수준을 보이는 것으로 판단된다. 향후에는 텔레오퍼레이션 시스템에서 발생하는 원근감 왜곡, 공간 인지의 한계, 비디오 프리즈 현상 등을 최소화하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이를 위해 주변 환경을 정밀하게 인지할 수 있는 LiDAR 또는 비전 센서를 융합한 작업 보조 시스템을 임업기계의 액추에이터 또는 작업기 헤드에 적용하여, 임목에 신속하고 정확하게 접근할 수 있는 자동 제어 기술을 개발할 필요가 있다. 이러한 기술이 도입된다면 텔레오퍼레이션 기술을 고도화할 수 있을 뿐만 아니라, 실제 임업 현장에서의 작업 효율성 개선과 생산성 향상에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Timber harvesting operations using forestry machinery involve inherent risks of operator injury due to machine rollover or overturning when conducted on steep slopes or unstable terrain. In particular, salvage logging operations are associated not only with these risks but also with an increased likelihood of cab collisions caused by dead standing trees or interlocked stems, as well as the occurrence of unpredictable situations more frequently than in conventional timber harvesting operations. Consequently, operators are continuously exposed to working environments that demand a high level of concentration and psychological tension throughout the operation. Accordingly, this study aimed to enhance operator safety during timber harvesting operations by developing teleoperation technologies for a harvester and a forwarder. To this end, a Wi-Fi system with helikite and a 1:N control-based harvester·forwarderteleoperation system were constructed and their performance was evaluated. Although the Wi-Fi system with helikite has inherent limitations related to wind-induced spatial displacement of the helikite, it was verified that the system can maintain a teleoperation-capable Wi-Fi coverage of approximately 8.2 ha under wind speeds below 6 m/s. Furthermore, the system was demonstrated as a viable alternative for overcoming communication interruptions caused by LOS(Line of Sight) obstruction due to terrain undulations or forest stands. The performance of the 1:N control-based harvester·forwarder teleoperation system was verified by measuring the latency of control signals and video signals that may occur during teleoperation, and by conducting teleoperated log loading and forwarding operations using the developed system. Within the teleoperation-capable Wi-Fi coverage area of approximately 8.2 ha, both control and video signals exhibited latencies of less than 200 msec, and this level of latency was verified not to adversely affect the teleoperation performance of forestry machinery. Following the validation of each system, a field applicability assessment was conducted in a yellow poplar (Liriodendron tulipifera L.) stand. As a result, productivities of 10.63 m³/SMH and 6.61 m³/SMH were achieved for felling and bucking operations, respectively, along with a bucking accuracy of 96%. These results indicate that although teleoperated operations may be slower than operations performed with the operator on-board the machine, the level of accuracy achieved through teleoperation is comparable to that of conventional onboard operations. Future research is required to minimize issues inherent to teleoperation systems, such as depth perception distortion, limitations in spatial awareness, and video freeze phenomena. To address these challenges, it is necessary to develop automated control technologies that enable rapid and accurate approach to target trees by integrating LiDAR or vision sensors into a work assistance system applied to the actuators or working head of forestry machinery. The adoption of such technologies is expected not only to further advance teleoperation systems but also to contribute to improvements in operational efficiency and productivity in practical forestry operations.

목차 (Table of Contents)

• 국문 초록 ⅰ
• List of Figures Ⅴ
• List of Tables ⅷ
• I. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 4
• 1.3 문헌 연구 5
• 1.3.1 무동력 비행장치를 활용한 무선통신 5
• 1.3.2 기계화 목재수확 시스템 8
• 1.3.3 텔레오퍼레이션 시스템 10
• II. 헬리카이트를 활용한 Wi-Fi 통신망 시스템 13
• 2.1 연구 개요 13
• 2.2 시스템 구성 16
• 2.2.1 헬리카이트 16
• 2.2.2 계측 시스템 및 지그 17
• 2.2.3 Wi-Fi 통신망 시스템 19
• 2.2.4 트레일러 기반 트랙터 부착형 헬리카이트 비행장 21
• 2.3 이상적인 조건에서의 Wi-Fi 통신망 시스템 성능평가 22
• 2.3.1 시험 조건 22
• 2.3.2 LOS 및 RSSI 22
• 2.3.3 Wi-Fi 지연시간 및 RSSI 22
• 2.3.4 임업기계의 텔레오퍼레이션을 수행할 수 있는 RSSI 분석 23
• 2.3.4.1 시험 및 분석 방법 23
• 2.3.4.2 결과 및 고찰 24
• 2.3.5 임업기계의 텔레오퍼레이션을 수행할 수 있는 Wi-Fi 커버리지 분석 26
• 2.3.5.1 시험 및 분석 방법 26
• 2.3.5.2 결과 및 고찰 28
• 2.4 임내에서의 Wi-Fi 통신망 시스템 성능평가 30
• 2.4.1 시스템 연결 및 비행 방법 30
• 2.4.2 풍속에 대한 Wi-Fi 통신망 시스템의 자세 변화 분석 30
• 2.4.2.1 시험 및 분석 방법 30
• 2.4.2.2 결과 및 고찰 32
• 2.4.3 Wi-Fi 통신망 시스템 현장 검증 35
• 2.4.3.1 시험 및 분석 방법 35
• 2.4.3.2 결과 및 고찰 37
• 2.5 요약 및 결론 42
• Ⅲ. 1:N 제어 기반의 하베스터포워더 텔레오퍼레이션 시스템 43
• 3.1 연구 개요 43
• 3.2 시스템 구성 45
• 3.2.1 하베스터 텔레오퍼레이션 시스템 45
• 3.2.2 포워더 텔레오퍼레이션 시스템 52
• 3.2.3 콘솔 스테이션 시스템 58
• 3.2.4 네트워크 설정 62
• 3.3 시스템 성능평가 63
• 3.3.1 제어신호 지연시간 분석 63
• 3.3.1.1 시험 및 분석 방법 63
• 3.3.1.2 결과 및 고찰 65
• 3.3.2 영상신호 지연시간 분석 67
• 3.3.2.1 시험 및 분석 방법 67
• 3.3.2.2 결과 및 고찰 69
• 3.3.3 1:N 제어 기반의 하베스터포워더 텔레오퍼레이션 시스템 현장 검증 72
• 3.3.3.1 시험 및 분석 방법 72
• 3.3.3.2 결과 및 고찰 74
• 3.4 요약 및 결론 76
• Ⅳ. 목재수확 대상지에서의 텔레오퍼레이션 기술 적용 가능성 평가 77
• 4.1 연구 개요 77
• 4.2 텔레오퍼레이션을 통한 벌도 및 조재 작업 생산성 분석 78
• 4.2.1 시험 및 분석 방법 78
• 4.2.2 결과 및 고찰 80
• 4.3 텔레오퍼레이션 환경에서 비디오 프리즈 요인에 의한 벌도 및 조재 작업 생산성 분석 81
• 4.3.1 시험 및 분석 방법 81
• 4.3.2 결과 및 고찰 83
• 4.4 텔레오퍼레이션 작업의 단목 조재 정확도 평가 86
• 4.4.1 시험 및 분석 방법 86
• 4.4.2 결과 및 고찰 88
• 4.5 요약 및 결론 90
• Ⅴ. 종합 요약 및 결론 91
• Ⅵ. 참고문헌 93
• Abstract 105