굴삭기 안전관리시스템을 위한 장애물 탐지 기술 개발

국문 초록 (Abstract)

최근 국내 건설 산업은 수요자의 요구가 다양화되면서 시설물이 첨단화, 복잡화 및 고급화되어 가는 추세로, 이에 대한 기술력의 확보가 경쟁력 향상의 관건이 되고 있다. 또한, 공기단축, 공사비 절감, 노동력 절감 등을 위하여 기계화시공을 통한 건설기술의 향상을 도모하려고 한다. 건설 산업은 기계화 시공을 통하여 많은 이점을 이루었지만 그에 반해 타 산업에 비해 기인물로 인한 근로자의 위험노출 수준이 심각해졌다.

이러한 안전상의 문제로 인한 노무 생산성 저하, 품질의 균일성 및 안전확보의 어려움 및 시공기술 경쟁력의 약화는 국내 건설 산업이 해결해야 할 필수적인 당면과제이며, 건설기계를 위한 안전관리시스템의 개발은 그러한 당면과제의 해결을 위한 최선의 기술적 접근방법이라 할 수 있다. 건설기계 중 위험 혹은 유해한 작업환경에서 운용되는 토공기계의 경우 기계조종자가 위험에 노출되게 되므로 기계의 안전관리시스템이 절실하게 요구되는 바이다. 따라서 토공의 생산성과 품질을 확보하기 위해서는 지능화된 안전관리시스템를 이용하여 효율적으로 토공작업을 수행할 수 있도록 해야 할 필요가 있다.
따라서 본 연구는 토공 작업 시 작업환경의 안전을 위한 굴삭기의 주변 장애물 탐지 방안과 이를 활용한 건설기계의 안전확보를 목적으로 연구를 진행하였다.

(1) 국내외 건설 산업 및 노동 생산성 관련 연구문헌과 통계자료의 분석을 통하여 현 건설 산업의 문제점 및 한계를 파악하고 건설기계 안전관리시스템을 그 해결책으로 선정하였다.

(2) 건설기계의 종류 및 사용 현황을 조사하여 가장 많이 사용 되는 굴삭기로 연구범위를 한정하고, 굴삭기의 사고 사례 및 사고 원인 분석을 통하여 건설기계의 안전확보를 위한 연구 방향을 설정하였다.

(3) 굴삭기의 주변 장애물 탐지를 위한 요소 기술을 조사한 후 경제성, 데이터 획득의 안정성, 탐지 가능 거리/범위, 기계의 내구성 등을 고려해 굴삭기의 작업 환경에 적당한 장애물 탐지 기술을 선정하였다.

(4) 선정된 기술을 활용하기 위한 어플리케이션의 알고리즘 및 소프트웨어를 제시하였다.

(5) 결론 및 향후 연구과제를 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recent domestic construction industry is following the trend of state-of-the-art facility, complexity and gentrification along with various demands of the consumers, and the attainment of the technology has been the essence of competitive edge. Additionally, the construction industry has achieved many benefits through the mechanization of the construction. However, due to accidents for construction machinery, the mortality rate has increased rapidly.
These problems of lack of and aging experienced workers, safety problems lead to the reduction of worker's productivity, worsening of the payback on investment due to increased wage, difficulty in maintaining the quality and safety as well as decreased competitiveness in construction technology, and these are the current and impending issues for domestic construction industry. Accordingly, the development of automated construction equipments can be regarded as the best technological approach to solve these impending problems.
This study aims at developing an object detection technology for obstacles around the excavator using laser sensor in order to enhance the safety of the earth work environment. Literature was reviewed, and the function of various sensor technology was investigated and analyzed to identify and select the best laser sensor. Object detection algorithm was developed, and this can be applied to safety management system for efficient operation and management of construction equipments.
Since the development of automated construction machine is in the initial stage, this study limited its scope to the remote control of the intelligent excavator and excluded working environment at inclined surface to consider flat (even) surface working environment only. Thus, the scope of this research for the development of an object detection technology for the safety management system of an automated excavator is limited accordingly.
In line with this research objective, the technology and equipment for excavating earth work was selected based on the essential technology investigated in this study, then this selection wasapplied to develop object detection technology for safety management system of automated excavator to test for its performance in a field experiment.

This study carried out a research on the development of object detection technology, which can be applied to earth work field site, as a preliminary investigation of the development of safety management system to be applied to excavator. The following conclusions are derived from this research.
1) The validity of the core technology for object detection, i.e. laser sensor, selected from previous researches was affirmed through a field test.
2) A sensor operation algorithm was developed to apply the selected technology to the object detection system, and an object detection algorithm for the program to provide a user interface was also developed based on this sensor operation algorithm.
3) The developed system was modified to upgrade an object detection system and the modified system was tested for performance simultaneous operation of this user interface with the sensor was investigated through a field test. Based on these results, tilt modules were developed through the conceptual design and detailed design.
Tilt modules can be applied to the safety management system of excavator and using this tilt modules will be able to improve the efficiency of the system.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 범위 및 방법 3
• Ⅱ. 예비적 고찰 6
• 2.1 국내외 문헌연구 6
• 2.1.1 국내 문헌연구 6
• 2.1.2 국외 문헌연구 8
• 2.2 건설 산업의 안전사고 현황 8
• 2.2.1 건설현장에서의 굴삭기 안전사고 사례 8
• 2.2.2 굴삭기의 안전사고 원인 9
• Ⅲ. 이론적 고찰 10
• 3.1 장애물 및 장애물 탐지 기술의 정의 10
• 3.1.1 장애물의 정의 10
• 3.1.2 장애물 탐지 기술의 정의 10
• 3.2 장애물 탐지 기술 분석 및 적합 기술 선정 10
• 3.2.1 레이저 스캐너(LASER SCANNER) 10
• 3.2.2 스테레오 비전 (Stereo Vision) 16
• 3.2.3 SFS(Shape From Shading) 18
• 3.2.4 구조광 (Structured Light System) 21
• 3.2.5 초음파 센서(Sonar Sensor) 26
• 3.2.6 굴삭기에 적용 시 고려요소를 활용한 적합 기술 선정 29
• 3.2.7 레이저 센서의 선정 33
• 3.2.8 레이저 센서의 변경 37
• 3.3 장애물 탐지 레이저 센서 틸트 모듈 38
• 3.3.1 틸트의 정의 38
• 3.3.2 틸트 적용 경위 38
• Ⅳ. 레이저센서를 이용한 장애물 탐지기술 40
• 4.1 굴삭기의 안전 확보를 위한 장애물 탐지 시스템 40
• 4.1.1 장애물 탐지 시스템 40
• 4.1.2 틸트 모듈 41
• 4.1.3 센싱 알고리즘 48
• Ⅴ. 결론 52
• 참고문헌 54
• Abstract 58