무선 RF모뎀과 GPS를 통합한 타워크레인의 철골부재의 실시간 양중위치 추적시스템 개발 Development of a Real-time Lifting-path Tracking System of a Tower-crane for Steel Members based on an Integrated Wireless RF Modem and GPS System원문보기
철골공사는 고소에서 작업을 하며 많은 위험요소가 따르며, 안전성과 생산성을 향상시키기 위해 로보틱 크레인개발을 위한 프로젝트가 진행되었다. 그 첫 번째 단계로서 실시간 양중위치를 추적하는 시스템을 개발하였는데, 본 연구에서는 이를 위하여 x, y, z 좌표를 쉽게 얻을 수 있는 GPS 센서를 사용하였다. 또한, 본 연구에서는 데이터의 정확도를 향상시키기 위해 2대의 GPS센서를 사용하였으며, RF모뎀을 이용한 무선인식 태그와 함께 통합된 양중경로 추적 시스템을 개발하였다. 개발된 무선인식 태그와 RF모뎀 기반의 GPS 센서는 함께 최대 1 km까지 안정적으로 신호를 전송할 수 있으며, GPS의 상대측위기법을 사용하여 그 오차를 평균 0.61 m까지 줄일 수 있다.
철골공사는 고소에서 작업을 하며 많은 위험요소가 따르며, 안전성과 생산성을 향상시키기 위해 로보틱 크레인개발을 위한 프로젝트가 진행되었다. 그 첫 번째 단계로서 실시간 양중위치를 추적하는 시스템을 개발하였는데, 본 연구에서는 이를 위하여 x, y, z 좌표를 쉽게 얻을 수 있는 GPS 센서를 사용하였다. 또한, 본 연구에서는 데이터의 정확도를 향상시키기 위해 2대의 GPS센서를 사용하였으며, RF모뎀을 이용한 무선인식 태그와 함께 통합된 양중경로 추적 시스템을 개발하였다. 개발된 무선인식 태그와 RF모뎀 기반의 GPS 센서는 함께 최대 1 km까지 안정적으로 신호를 전송할 수 있으며, GPS의 상대측위기법을 사용하여 그 오차를 평균 0.61 m까지 줄일 수 있다.
Steel frame construction in high places entails many risk factors. In order to improve the safety and productivity of steel frame construction, a project to develop a robotic tower-crane has been undertaken. As the first step, a real-time lifting-path tracking system is being developed. In a previou...
Steel frame construction in high places entails many risk factors. In order to improve the safety and productivity of steel frame construction, a project to develop a robotic tower-crane has been undertaken. As the first step, a real-time lifting-path tracking system is being developed. In a previous study, a laser-based tracking system was proposed. While a laser-based tracking system requires at least three laser sensors to detect the x, y, z coordinates of a lifted steel member, a GPS-based system has an advantage over the laser-based system, in that the x, y, z coordinates of a lifted steel member can be detected by a single GPS sensor. To improve the accuracy, arelative positioning method using two GPS sensors was proposed in a previous study. This paper reports an improved GPS-based lifting-path tracking system of a tower crane based on an integrated RF modem and GPS system. The results showedthat the RF modem could successfully send the identifier information to a server a maximum distance of 1 km away from the lifted steel beam, and the lifting path information of each beam captured by the GPS-based tracking system was successfully saved together. Also, byusing an improved algorithm for the GPS relative positioning method, the deviation was reduced to 0.61 m on average.
Steel frame construction in high places entails many risk factors. In order to improve the safety and productivity of steel frame construction, a project to develop a robotic tower-crane has been undertaken. As the first step, a real-time lifting-path tracking system is being developed. In a previous study, a laser-based tracking system was proposed. While a laser-based tracking system requires at least three laser sensors to detect the x, y, z coordinates of a lifted steel member, a GPS-based system has an advantage over the laser-based system, in that the x, y, z coordinates of a lifted steel member can be detected by a single GPS sensor. To improve the accuracy, arelative positioning method using two GPS sensors was proposed in a previous study. This paper reports an improved GPS-based lifting-path tracking system of a tower crane based on an integrated RF modem and GPS system. The results showedthat the RF modem could successfully send the identifier information to a server a maximum distance of 1 km away from the lifted steel beam, and the lifting path information of each beam captured by the GPS-based tracking system was successfully saved together. Also, byusing an improved algorithm for the GPS relative positioning method, the deviation was reduced to 0.61 m on average.
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문제 정의
본 연구에서는 이전 연구에서 제안한 GPS기반 상대측위 방법을 개선하고, 본 연구를 통하여 개발한 무선인식 태그를 활용하여 양중 철골부재의 자동인식 프로세스를 개선하고자 한다. 그리고 이렇게 개발된 두 가지 장치를 이용하여, 양중 부재를 자동으로 인식하고, 타워크레인의 양중 경로를 실시간으로 추적하기 위한 통합 시스템을 개발하고자 한다.
이강(2009)은 본 연구와 유사한 환경에서 GPS 대신 레이저 거리측정 장치를 사용하여 수직방향의 양중위치를 추적하고자 하였으며, 윤석헌(2008)은 레이저 대신 2대의 GPS를 이용하여 철골부재의 양중경로를 추적하기 위한 기본 방향과 예비실험을 하였다. 기존 연구에서는 일반 GPS를 2대의 노트북 컴퓨터에 연결하여 위치신호를 수신하고, 이들을 후처리하여 데이터를 분석하였으나, 본 연구에서는 RF모뎀을 이용한 자재 양중 프로세스를 반영하고, 실시간으로 GPS 신호를 처리할 수 있는 통합시스템을 개발하고자 하였다.
기존의 크레인 양중장치들이 양중위치의 파악에 초점이 맞추어 져 있었다면 본 연구는 GPS의 상대측위를 이용한 통합된 실시간 철골부재 양중추적 시스템을 개발하여 실질적으로 양중프로세스 맥락에서 양중자재 정보, 양중위치 정보를 전송하고 저장하는 시스템을 개발하고자 하였다. 특히 기존 RFID 태그를 이용한 양중자재 정보시스템의 경우, 별도의 관리자가 현장에서 상주하며 PDA를 사용하여 RFID정보를 수집해야 했으나, 본 연구를 통하여 개선된 시스템에서는 양중작업자가 철골부재에 부착된 무선인식 태그의 버튼을 누름으로써 RFID정보가 자동으로 시스템에 전송되도록 하였다.
우선, 기존의 연구 및 기술현황을 분석하고, 기존의 RFID 기반의 자재 인식 기술을 분석하였다. 다음으로, 기존 RFID 기술의 한계를 보완하기 위하여, 본 연구에서는 무선인식태그를 이용한 자재 무선인식기술과 GPS 기술을 통합하여 실시간으로 자재를 인식하고 양중위치를 추적할 수 있는 통합 시스템을 개발하였다.
마지막으로, 개발된 시스템을 이용한 데이터 수집 결과를 분석하고, 이를 개선하기 위한 방안을 도출하고자 하였다. 이러한 연구과정을 도식화하면 그림1과 같다.
GPS의 경우 실외에서 쉽게 장비를 설치하고 데이터를 수집할 수 있다는 장점이 있으나, 타 기술에 비해 정확도가 다소 떨어지는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 단점을 보완하기 위한 기술을 함께 적용하여 시스템을 개발하고자 하였다.
이를 개선하기 위하여 본 저자들은 이전 연구에서 두 대의 보급형 GPS를 이용한 상대측위 방법을 제안하였다. 본 연구에서는 이전 연구에서 제안한 GPS기반 상대측위 방법을 개선하고, 본 연구를 통하여 개발한 무선인식 태그를 활용하여 양중 철골부재의 자동인식 프로세스를 개선하고자 한다. 그리고 이렇게 개발된 두 가지 장치를 이용하여, 양중 부재를 자동으로 인식하고, 타워크레인의 양중 경로를 실시간으로 추적하기 위한 통합 시스템을 개발하고자 한다.
본 연구에서는 철골부재 무선인식 태그와 GPS 송신기에서 전송되는 신호를 이용해 철골부재의 양중위치를 추적하기 위한 시스템을 개발하였으며, 그림 7은 무선 태그와 2대의 GPS 송신기에서 발신하는 신호를 수신하는 결과를 보여주고 있다.
본 연구에서는 타워크레인의 양중위치 추적을 위하여 GPS와 함께 레이저 센서와 엔코더 센서를 이용한 위치추적기술 등을 고려하였다. 이들은 전술한 바와 같이 모두 장단점을 갖고 있어 상호 보완적인 관계를 가질 수 있으며, 본 연구에서는 이들 중 GPS를 이용한 양중 위치추적 시스템을 개발하고자 하였다. GPS의 경우 실외에서 쉽게 장비를 설치하고 데이터를 수집할 수 있다는 장점이 있으나, 타 기술에 비해 정확도가 다소 떨어지는 단점이 있다.
이러한 단점을 보완하기 위해서 본 연구에서는 기존의 RFID 기술 대신 RF모뎀(Radio Frequency MODEM)을 이용하여 별도의 리더기를 사용하지 않으며, 장거리까지 신호를 송신할 수 있는 무선인식 태그를 개발하여 적용하고자 한다.
제안 방법
GPS 무선 송신기는 상대측위를 위하여 크레인의 회전중심의 기준점과 철골부재가 이동하는 위치의 이동점에 각각 1대씩 설치토록 하였다. 그림 6은 본 연구에서 개발한 GPS 무선송신기이다.
GPS는 다양한 데이터셋을 지원하고 있으나, 본 연구에서는 위도, 경도 등의 위치정보와 데이터의 정확도를 나타내는 HDOP 등의 값을 제공하는 GGA 데이터셋을 사용하도록 하였으며, 이들 중 Header, 송신기ID, 배터리 상태, 위도, 경도, 고도, 각도, HDOP 등의 값을 송신토록 하였다.
본 연구에서는 이를 개선하기 위해 별도의 리더기를 사용하지 않고, 지그비(Zigbee)를 이용한 무선인식 태그 장치를 개발하여 활용하였다. 관리자가 PDA를 들고 다니는 대신 양중 작업자(예: 신호수)가 양중준비를 끝내고 나서 무선인식 태그의 버튼을 누르면 자동으로 해당 부재의 RFID정보가 장거리 떨어진 서버에 자동으로 신호를 전송하고 저장되도록 하였다. 또한, 기존의 연구(윤석헌 외 3인)에서는 GPS를 UMPC(Ultra Mobile Personal Computer)에 케이블을 통해 직접 연결하여 데이터를 저장하였지만 개선된 장치에서는 GPS에 무선정보 전송장치를 통합시켜 무선인식 태그의 첫 번째 신호가 전송되면 GPS값을 서버에 전송하기 시작하고 양중완료 후 철골 설치장소에 있는 작업자가 무선인식 태그의 버튼을 다시 누르면 GPS값의 전송이 종료되도록 하였다.
본 연구에서 개발한 실시간 타워크레인 양중위치 추적시스템의 정확성을 판단하기 위하여 30 m 원을 중심으로 간단한 예비 실험을 하였다. 대략적인 위치 추적여부를 확인하기 위해 기준점 수신기를 중심으로 이동점 수신기를 약 30 m 반경에서 회전하여 이동하면서 위치정보를 수집하였다. 그 결과는 그림 9, 그림 10과 같다.
무선인식 태그 수신기는 헤더(Header), 송신기 ID, 배터리 상태 등의 정보의 송신할 수 있으며, 양방향 통신을 통해 발신 신호를 수신기에서 정확히 수신하였는지의 여부도 확인할 수 있도록 하였다.
본 연구에서 개발한 실시간 타워크레인 양중위치 추적시스템의 정확성을 판단하기 위하여 30 m 원을 중심으로 간단한 예비 실험을 하였다.
본 연구에서는 이를 개선하기 위해 별도의 리더기를 사용하지 않고, 지그비(Zigbee)를 이용한 무선인식 태그 장치를 개발하여 활용하였다. 관리자가 PDA를 들고 다니는 대신 양중 작업자(예: 신호수)가 양중준비를 끝내고 나서 무선인식 태그의 버튼을 누르면 자동으로 해당 부재의 RFID정보가 장거리 떨어진 서버에 자동으로 신호를 전송하고 저장되도록 하였다.
본 연구에서는 타워크레인의 양중위치 추적을 위하여 GPS와 함께 레이저 센서와 엔코더 센서를 이용한 위치추적기술 등을 고려하였다. 이들은 전술한 바와 같이 모두 장단점을 갖고 있어 상호 보완적인 관계를 가질 수 있으며, 본 연구에서는 이들 중 GPS를 이용한 양중 위치추적 시스템을 개발하고자 하였다.
우선, 기존의 연구 및 기술현황을 분석하고, 기존의 RFID 기반의 자재 인식 기술을 분석하였다. 다음으로, 기존 RFID 기술의 한계를 보완하기 위하여, 본 연구에서는 무선인식태그를 이용한 자재 무선인식기술과 GPS 기술을 통합하여 실시간으로 자재를 인식하고 양중위치를 추적할 수 있는 통합 시스템을 개발하였다.
정확도가 높은 측량용 GPS도 있으나, 그 비용이 고가이고, 설치와 측정, 데이터 수집 및 처리 등에 복잡한 과정과 처리가 필요하여 실용성이 떨어진다. 이를 개선하기 위하여 본 저자들은 이전 연구에서 두 대의 보급형 GPS를 이용한 상대측위 방법을 제안하였다. 본 연구에서는 이전 연구에서 제안한 GPS기반 상대측위 방법을 개선하고, 본 연구를 통하여 개발한 무선인식 태그를 활용하여 양중 철골부재의 자동인식 프로세스를 개선하고자 한다.
기존의 크레인 양중장치들이 양중위치의 파악에 초점이 맞추어 져 있었다면 본 연구는 GPS의 상대측위를 이용한 통합된 실시간 철골부재 양중추적 시스템을 개발하여 실질적으로 양중프로세스 맥락에서 양중자재 정보, 양중위치 정보를 전송하고 저장하는 시스템을 개발하고자 하였다. 특히 기존 RFID 태그를 이용한 양중자재 정보시스템의 경우, 별도의 관리자가 현장에서 상주하며 PDA를 사용하여 RFID정보를 수집해야 했으나, 본 연구를 통하여 개선된 시스템에서는 양중작업자가 철골부재에 부착된 무선인식 태그의 버튼을 누름으로써 RFID정보가 자동으로 시스템에 전송되도록 하였다. 또한 본 연구에서는 보급형 GPS의 상대측위기법 알고리즘을 개선하여 그 정확성을 평균 0.
성능/효과
특히 기존 RFID 태그를 이용한 양중자재 정보시스템의 경우, 별도의 관리자가 현장에서 상주하며 PDA를 사용하여 RFID정보를 수집해야 했으나, 본 연구를 통하여 개선된 시스템에서는 양중작업자가 철골부재에 부착된 무선인식 태그의 버튼을 누름으로써 RFID정보가 자동으로 시스템에 전송되도록 하였다. 또한 본 연구에서는 보급형 GPS의 상대측위기법 알고리즘을 개선하여 그 정확성을 평균 0.61 m, 최대 2 m까지 줄일 수 있었다. 보다 높은 정확도 및 실용성을 위해서는 GPS의 경우 다양하게 발생하는 오차율을 최소화하기 위한 방안의 보완이 필요할 것으로 판단된다.
현장 입고 후 양중시작 시점에서 현장관리자는 작업자가 철골 부재의 양중 준비가 끝나고 나면 PDA 태그 리더(tag reader)를 통해 양중시작 여부를 확인하게 되는데, 이러한 과정의 번거로움으로 인해 실제 현장에서는 설치시점과 설치 완료 시점에서의 데이터 수집율이 다소 낮게 나타나고 있다. 실제 2개 현장에서의 양중 시작과 설치 완료시점에서의 철골부재 인식율은 각각 67%와 85% 등으로 나타났다.
타워크레인의 철골부재의 양중에 필요한 목표 정확도는 ±1 m 정도로 설정하였으며, 150번의 위치추적 위치를 중심으로 오차율을 산정해보니 평균 0.61 m 정도의 오차를 보이는 것으로 나타났다.
후속연구
현재 연구 결과에서는 GPS에서 수신된 위도와 경도 정보를 x, y 좌표축으로 변환하여 기준점에 대한 상대 위치로써 위치를 추적하고 있다. 그러나, 타워크레인의 경우, 장비의 특성상 트롤리의 직선운동과 붐(boom)의 회전운동으로 구성되므로, 이러한 특성을 타워크레인 양중위치 추적에 반영한다면 오차율을 다소 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
또한, 타워크레인의 이동 특성을 고려하여, 초당 1 m(최대 60 m/min)이상의 오차가 발생하는 데이터의 필터링 기법을 통해 오차율을 최소화시킬 수 있을 것으로 판단된다.
61 m, 최대 2 m까지 줄일 수 있었다. 보다 높은 정확도 및 실용성을 위해서는 GPS의 경우 다양하게 발생하는 오차율을 최소화하기 위한 방안의 보완이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GPS의 장단점은 무엇인가?
이들은 전술한 바와 같이 모두 장단점을 갖고 있어 상호 보완적인 관계를 가질 수 있으며, 본 연구에서는 이들 중 GPS를 이용한 양중 위치추적 시스템을 개발하고자 하였다. GPS의 경우 실외에서 쉽게 장비를 설치하고 데이터를 수집할 수 있다는 장점이 있으나, 타 기술에 비해 정확도가 다소 떨어지는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 단점을 보완하기 위한 기술을 함께 적용하여 시스템을 개발하고자 하였다.
양중하고 있는 대상의 자동인식을 위해 현재까지 개발되어 사용되고 있는 방식은 어떤 문제점이 발생하고 있는가?
우선, 양중하고 있는 대상의 자동인식을 위해서는 바코드와 RFID(Radio Frequency Identification) 등의 기술을 이용할 수 있다. 그러나 현재까지 개발되어 사용되고 있는 방식은 추가적인 프로세스가 필요하거나, 인식거리 등의 문제로 인식율이 높지 않은 등의 문제점이 발생하고 있다.
레이저의 장단점은 무엇인가?
또한, 양중 위치의 자동 파악을 위해서는 레이저 측정기, GPS(Global Positioning System) 등을 사용할 수 있다. 레이저의 경우, 정확도가 높은 반면, 양중위치의 x, y, z 좌표를 얻기 위해서는 적어도 3대의 센서가 필요하며, 장거리에 있는 양중물체를 추적할 경우 신호를 놓칠 가능성이 높다. 이에 비해 GPS는 한대만으로도 x, y, z 좌표를 모두 얻을 수 있고, 넓은 외부 작업 환경에서 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있으나, 레이저에 비하여 정확도가 떨어지는 단점이 있다.
참고문헌 (6)
윤석헌, 박창욱, 이강, 김봉근, BIM 환경에서 GPS를 활용한 타워크레인의 철골부재 양중경로 추적 방안 연구, 대한건축학회논문집, 2008.6
이남수, 송제홍, 윤수원, 진상윤, 권순욱, 김예상, RFID와 무선 네트워크 기술을 이용한 자재위치 파악 방안, 건설관리학회 학술발표논문집, 2006.11
이정호, 박성진, 오세욱, 김영석, GPS 및 머신비전을 활용한 타워크레인 양중작업 효율화 방안, 대한건축학회논문집, 2002.11
장문석, 윤수원, 진상윤, 김예상, RFID를 이용한 커튼월 프로세스 관리방안, 대한건축학회 춘계학술발표대회 논문집, 2004.4
한재구, 권순욱, 조문영, RFID 기술을 활용한 자재관리 시범시스템 구축 및 현장실험, 대한건축학회 논문집, 2006.10
Ghang Lee, Hong-Hyun Kim, Chi-Joo Lee, Sung-il Ham, Seok-Heon Yun, Hunhee Cho, Bong Keun Kim, Gu Taek Kim, Kyunghwan Kim, A laser technology-based lifting-path tracking system for a robotic tower crane, Automation in Construction, 2009.4
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