지능형 굴삭작업을 위한 로컬영역 3차원 모델링 및 객체인식 시스템 개발

국문 초록 (Abstract)

토공사는 전체 건설공사의 23개 업종 가운데 15.8%의 비중을 차지하여 단일 업종으로는 가장 높은 공사비 비중을 차지하는 주요 공종이다. 따라서 건설공사 초기에 수행되는 토공사의 효율적인 계획과 운영은 공기와 원가 등 사업관리 측면에서 전체 공사의 성패를 좌우하는 중요한 요소이나, 토공사 작업에 투입되는 건설 중장비 운전원의 숙련도나 현장 적응도에 의해 토공사의 작업 생산성은 크게 변동되는 등 노동 집약적 프로세스를 벗어나지 못하고 있는 실정이다. 최근 건설현장에서 장비 운전원의 고령화, 숙련공 부족에 따른 생산성 저하, 위험작업 하에서의 안전성 등이 문제시 되면서 이에 대한 기술적 대안으로써, 토공사 관련 장비의 자동화를 위한 연구개발의 필요성이 크게 부각되고 있다.
토공사 작업에 투입되는 건설 장비 중 굴삭기는 전체 건설기계의 31%를 차지하고 있는 대표적 건설기계로 성토, 집토, 상차, 다짐, 땅 고르기 등 다양한 작업의 수행이 가능하다. 현재 국내외적으로 굴삭기 등록 대수가 지속적으로 증가하고 있으며, 굴삭기를 대상으로 한 각종 어태치먼트(attachment)들이 개발되면서 건설현장에서 굴삭기의 효용성 또한 매우 높아지고 있다. 굴삭기 관련 자동화 연구는 1980년대 말부터 일본을 중심으로 굴삭 작업의 품질 제고나 인력 투입이 어려운 위험 작업환경 하에서의 활용을 목적으로 한 원격제어 기반의 굴삭기 개발이 진행되어 왔으며, 1990년대 후반 미국 CMU(Carnegie Mellon University)에서는 기존 원격제어 기술을 넘어 굴삭기의 주행, 로컬영역 3차원 모델링, 굴삭계획 수립, 성토, 트럭 인식 및 상차 등 일련의 과정을 전자동으로 수행하는 완전 자동화 굴삭 시스템을 개발하였다. 한편, 1980년대 말부터 무인 원격조종 굴삭 시스템에 주력하던 일본에서도 2006년부터 일본 건설성 산하 토목 연구소(Public Works Research Institute; PWRI)의 주도로 완전 자동화 굴삭 시스템에 관한 연구를 수행하여 2009년 미국과 동등한 수준의 최종 시스템이 개발된 바 있다.
국내의 경우 2006년부터 국토해양부의 지원을 받아 지능형 굴삭 시스템(Intelligent Excavation System; IES)의 개발에 관한 연구가 진행 중에 있다. 지능형 굴삭 시스템은 기존 완전 자동화 굴삭 시스템의 자율주행, 로컬영역 3차원 모델링, 굴삭, 트럭인식 및 상차 기능과 더불어, 전체 토공사 작업 현장의 글로벌 3차원 모델링과 지능형 작업계획 시스템을 탑재한 신개념의 완전 자동화 굴삭 시스템이다. 지능형 굴삭 시스템의 개발에 있어 굴삭기 주변 작업환경의 지형이나 이동 경로상의 장애물 위치, 굴삭기에 접근하는 상차 트럭, 이동 중인 사람 등의 굴삭기 주변 객체를 정확하게 인식하는 기술은 작업 품질과 안전성 확보 측면에서 필수적으로 요구되는 핵심 요소 기술이라 할 수 있다.
이 연구에서는 지능형 굴삭 시스템의 3차원 로컬영역 모델링 및 객체 인식을 위한 로컬영역 3차원 모델링 센서 시스템을 개발하고, 실시간으로 모델링되는 3차원 데이터로부터 굴삭 시스템 주변 360도 全 방위의 객체 정보를 신속하고 정확하게 인식하는 객체 인식 알고리즘을 개발한다. 이를 위하여 이 연구에서는 해외에서 선행 개발된 완전 자동화 굴삭 시스템과 로컬영역 3차원 모델링 및 객체인식 기술의 문제점을 분석하였으며, 지능형 굴삭 시스템에 가장 적합한 3차원 모델링 센서를 선정하였다. 또한 최종 선정된 센서의 지능형 굴삭 시스템 적용 시 최적의 모델링 결과를 얻기 위하여 작업 모델링 영역에 따른 최적의 설치 위치를 검토하였고, 지능형 굴삭 시스템의 특징을 고려한 레이아웃 설계에 기반하여 로컬영역 3차원 모델링 센서 기구와 제어 시스템 하드웨어를 제작하였다. 한편, 3차원 모델링 센서에서 실시간 전송되는 데이터를 3차원으로 변환하기 위하여 실시간 좌표변환 모듈과 오차보정 기술을 개발하였으며, 지능형 굴삭 시스템으로 접근하는 객체의 탐지 프로세스와 형태적 특성치 추출을 통한 객체 인식 알고리즘을 개발하였다.
이 연구에서 제안된 로컬영역 3차원 모델링 센서 시스템과 객체 인식 알고리즘은 지능형 굴삭 시스템의 주변 전방위 3차원 지형과 접근하는 사람, 상차트럭, 장애물 등의 속성 정보를 탐지하여 안전하고 정확한 완전 자동화 굴삭 작업을 수행할 수 있도록 지원하며, 추후 건설 자동화 장비를 개발함에 있어 그 응용범위가 매우 넓을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 범위 및 방법 5
• 제2장 로컬영역 3차원 모델링 및 객체인식 기술 연구문헌 분석 및 고려요소 도출 9
• 2.1 로컬영역 3차원 모델링 및 객체인식 기술의 정의 및 중요성 9
• 2.2 굴삭 자동화 장비의 로컬영역 3차원 모델링 및 객체인식 기술 분석 11
• 2.2.1 미국 CMU의 완전 자동화 굴삭 시스템 분석 13
• 2.2.2 일본 PWRI의 완전 자동화 굴삭 시스템 분석 15
• 2.3 필드형 자동화 장비의 로컬영역 3차원 모델링 및 객체인식 기술 분석 21
• 2.3.1 필드형 자동화 장비의 로컬영역 3차원 모델링 시스템 분석 22
• 2.3.2 필드형 자동화 장비의 객체인식 알고리즘 분석 26
• 2.4 선행 3차원 모델링 및 객체인식 기술의 문제점 분석 29
• 2.5 로컬영역 3차원 모델링 및 객체인식을 위한 고려요소 도출 33
• 제3장 로컬영역 3차원 모델링을 위한 최적센서 선정 36
• 3.1 3차원 모델링 센서 기술 분석 36
• 3.1.1 광대역 레이저 스캐닝 센서 36
• 3.1.2 스테레오 비전 카메라 센서 38
• 3.1.3 구조광(structured light) 센서 40
• 3.1.4 2D 레이저 스캐닝 센서 44
• 3.2 3차원 모델링 센서의 성능 분석 및 1차 대상센서 선정 46
• 3.3 3차원 모델링 센서 현장 테스트 및 최적센서 선정 49
• 3.3.1 스테레오 비전 카메라 현장 테스트 49
• 3.3.2 2D 레이저 스캐닝 센서 현장 테스트 56
• 3.3.3 3차원 모델링 결과분석 및 최종센서 선정 59
• 3.4 소결 62
• 제4장 로컬영역 3차원 모델링 시스템 설계 및 제작 63
• 4.1 로컬영역 3차원 모델링 센서 위치 선정 63
• 4.1.1 전방 작업영역의 3차원 모델링을 위한 최적 센서 위치 63
• 4.1.2 전방위 3차원 모델링을 위한 최적 센서 위치 67
• 4.2 로컬영역 3차원 모델링 센서 기구 레이아웃 설계 72
• 4.2.1 전방 작업영역 모델링을 위한 센서 기구 레이아웃 설계 72
• 4.2.2 전방위 모델링을 위한 센서 기구 레이아웃 설계 78
• 4.3 로컬영역 3차원 모델링 센서 기구 상세설계 85
• 4.3.1 전방 작업영역 모델링 센서 기구 상세설계 85
• 4.3.2 전방위 모델링 센서 기구 상세설계 94
• 4.4 로컬영역 3차원 모델링 센서 제어 시스템 설계 112
• 4.4.1 제어 시스템 구성 112
• 4.4.2 컨트롤 보드 설계 114
• 4.4.3 데이터 처리 보드 선정 116
• 4.4.4 무선 통신 모뎀 선정 119
• 4.4.5 제어 시스템 인클로저 설계 121
• 4.5 로컬영역 3차원 모델링 센서 시스템 하드웨어 제작 및 설치 123
• 4.5.1 로컬영역 3차원 모델링 센서 기구 하드웨어 제작 및 설치 123
• 4.5.2 로컬영역 3차원 모델링 센서 제어 시스템 제작 및 설치 127
• 4.6 소결 128
• 제5장 로컬영역 3차원 모델링 데이터 처리 프로세스 설계 131
• 5.1 로컬 센서 데이터를 이용한 로컬영역 3차원 모델링 131
• 5.1.1 로컬 센서 데이터 처리 프로세스 131
• 5.1.2 2D 레이저 센서의 출력 데이터 구조 132
• 5.1.3 2D 레이저 센서 데이터의 3차원 공간 좌표변환 134
• 5.2 로컬영역 3차원 모델의 오차 보정 137
• 5.2.1 2D 레이저 센서의 시간 동기화 문제에 따른 평면 오차보정 137
• 5.2.2 로컬영역 3차원 모델링 센서 기구의 제작 오차 보정 139
• 5.2.3 로컬영역 3차원 모델의 지능형 굴삭 시스템 형상 제거 144
• 5.3 로컬영역 3차원 모델의 글로벌 좌표 변환 및 무선 데이터 전송 145
• 5.3.1 자세 및 위치정보를 이용한 글로벌 좌표계 변환 145
• 5.3.2 전방 작업영역 3차원 모델링 데이터의 파일 저장구조 설계 146
• 5.4 소결 148
• 제6장 로컬영역 3차원 모델의 객체인식 알고리즘 설계 149
• 6.1 전방위 모델링 센서의 데이터 입출력 구조 149
• 6.2 객체인식 알고리즘의 프로세스 152
• 6.3 객체 탐지 프로세스 153
• 6.4 객체 클러스터링 프로세스 160
• 6.5 객체 컷팅 프로세스 162
• 6.6 객체의 형태적 특징 추출 및 객체 인식 프로세스 165
• 6.7 트럭 객체의 상차영역 인식 프로세스 169
• 6.8 트럭 객체의 정지판단 및 신호전송 프로세스 182
• 6.9 소결 185
• 제7장 로컬영역 3차원 모델링 S/W 개발 및 성능분석 187
• 7.1 로컬영역 3차원 모델링 S/W 작동환경 및 개발환경 187
• 7.2 로컬영역 3차원 모델링 S/W 사용자 인터페이스 및 주요 기능 188
• 7.2.1 전방 작업영역 3차원 모델링 모듈 188
• 7.2.2 전방위 3차원 모델링 모듈 190
• 7.2.3 통신연결 설정 모듈 192
• 7.3 로컬영역 3차원 모델링 S/W 현장테스트 및 성능분석 194
• 7.3.1 현장실험 환경 및 실험 방법 194
• 7.3.2 객체 인식 알고리즘의 성능 분석 195
• 7.4 소결 201
• 제8장 결 론 202
• 8.1 연구결과 요약 202
• 8.2 연구결과의 활용방안 205
• 8.3 연구결과의 후속연구 206
• 8.4 연구결과의 기대효과 206
• 참고문헌 200
• 부 록 204
• 객체 탐지 프로세스 소스 코드 204
• 객체 클러스터링 프로세스 소스 코드 209
• 객체 특징 추출 프로세스 소스 코드 213
• 객체 판단 프로세스 소스 코드 218
• 적재함 꼭짓점 검출 프로세스 소스코드 219
• 객체 적재함 좌표 전송 프로세스 소스 코드 244