일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2021.9.21

가시마의 전자동 공사
세계를 바꾸는 중장비의 자율주행
첫 스텝은 ‘눈’과 ‘팔’ 장착

여러 종류의 많은 무인 중장비들이 자율주행을 통해 거대한 토목 구조물을 건설하는 묘기를 실현한 가시마의’ A4CSEL’(쿼드액셀)’. 덤프트럭이 하역한 재료를 불도저가 바닥에 평평하게 깔고 그것을 진동롤러가 굳힌다. 이 일련의 작업을 하는 중장비들의 운전석에는 아무도 없다. 원격 조종하는 사람도 없다. 이러한 기술이 아키타(秋田) 현 내에서 건설 중인 나루세(成瀨)댐의 제체 공사에서 본격적으로 운용되고 있다.

컴퓨터의 지시에 따라 여러 종류의 무인 중장비들이 자율주행으로 대규모 구조물을 건설하는 세계에 유례 없는 공사 현장의 공장화가 현실화되고 있는 것이다. 이번 특집 ‘가시마류의 전자동 공사’에서는 국내의 건설 현장에 혁명을 일으킬 수 있는 힘을 가진 이 기술을 철저히 취재해 혁신 기술을 알기 쉽게 분석하고 그 확장 가능성을 탐색해보았다.

중장비의 자율주행에 의한 시공이 이루어지려면 우선 하드웨어가 갖춰져야 한다. 그래서 이번 특집에서는 우선, 자율주행을 실현하기 위해 가시마가 마련한 중장비에 초점을 맞췄다. 현장에서 취급하고 있는 중장비는 자율주행이 가능한 특별한 사양이지만, 가시마가 중장비 자체를 제조한 것은 아니다. 제조사가 제조한 차량을 개조해 사용하고 있다.

자율주행을 실현하기 위해서는 중장비를 다루는 기사를 대신하는 기능을 차량에 정비해야 한다. 이를 위한 첫 스텝으로서 필요한 것은 ‘눈’과 ‘팔’을 장착하는 것이다.

여기서 눈이라고 비유하는 것은 중장비가 자동으로 움직이는데 필요한 센싱 기능이다. 중장비 자체와 주위 상황을 항상 파악하는 것이 불가능할 경우, 시시각각 변하는 건설 현장에서의 제어는 이루어질 수 없다. 중장비에 어떠한 ‘눈’이 장착되었는지를 가시마가 자율주행 개발 대상으로 맨 처음 추진한 진동 롤러를 통해 알아보겠다.

진동 롤러란, 지반에 진동을 일으켜 성토 재료 등을 굳히는 중장비이다. 부지 조성이나 포장 등의 공사에 이용된다. 이 진동 롤러에 사람의 눈을 대신해 설치된 것이 GPS 안테나와 레이저 스캐너, 자이로센서, 아티큘레이트(굴절식) 각도센서 등이다.
GPS는 인공위성을 이용해 중장비의 위치 좌표를 확인할 수 있는 시스템이다. 복수의 위성으로부터 발신된 위치 및 시간 정보를 기반으로 위성과의 거리를 산출해, 수신점의 위치를 도출한다. 쿼드악셀(A4CSEL)에는 RTK(Real Time Kinematic)라고 하는 보정 시스템이 도입, 2~5cm 정도의 오차로 위치를 측정할 수 있다.

-- 독자적인 자이로를 주문 --
통상적으로 GPS 데이터를 얻을 수 있는 것은 10분의 1초 오더 간격이다. 하지만 이 주기로 취득한 위치정보만으로는 중장비의 원활한 제어는 어렵다. 다음 신호를 얻을 때까지의 간격이 커, 측위 결과 궤적을 정확하게 구하기 위한 정보가 없어져 버리기 때문이다.

쿼드악셀을 구현하기 위해 가시마가 중장비의 동작 제어에 필요하다고 생각한 데이터 샘플링 주기는 100분의 1초였다. 중장비의 속도는 그다지 빠르지 않다. 시속 10km 정도로 이동할 경우, 100분의 1초의 이동 거리는 3cm 정도면 된다.

“25분의 1초 간격의 위치 측정으로 지게차의 자율주행을 실시한 후쿠시마 제1원자력 발전소의 경험도 참고해, 100분의 1초 간의 샘플링으로 충분하다고 보았다”라고 쿼드악셀 개발을 추진해 온 가시마 기술 연구소의 미우라(三浦) 씨는 설명한다.

GPS에서 얻을 수 있는 데이터 간격으로는 커버할 수 없는 100분의 1초 간격의 위치 정보 취득을 실현하기 위해 도입된 것이 진동 롤러의 자세 등을 파악하는 ‘자이로센서’이다.

진동 롤러에 탑재된 자이로센서는 각속도를 100분의 1초마다 측정할 수 있다. 이를 통해 진동 롤러가 어느 방향으로 기울어져 있는지 등 기계의 자세를 세밀하게 파악할 수 있다. 또한 가속도 데이터도 측정한다. 즉, 이러한 정보들을 기반으로 GPS를 통해 취득하는 측위 데이터 간의 사이를 메우는 위치 정보를 획득할 수 있다. 이 두 개를 조합함으로써 보다 정확하고 밀도 높은 위치 정보를 취득할 수 있게 된 것이다.

최근 개발이 진행되고 있는 자동차의 자율주행 기술에서는 정확한 위치 정보를 얻기 위해 GPS와 IMU(관성계측장치) 등의 데이터를 조합하는 사례가 많다. 하지만 쿼드악셀 개발 당시에는 현재 시판되고 있는 IMU의 입수가 용이하지 않아 가시마는 독자적인 센서를 주문해 개발을 추진했다.

가시마의 독자적인 자이로센서는 연산 기능을 갖추고 있다. GPS의 데이터를 센서의 측정 데이터와 조합해 내부에 설치된 팜웨어(전자기기 내부의 소프트웨어)로 처리, 100분의 1초 마다 진동 롤러의 위치 데이터를 취득할 수 있게 되었다.

진동 롤러 가동 시의 장애물 감지에는 레이저 스캐너를 이용했다. 레이저를 조사(照射)해 대상물의 3차원 좌표를 측정하는 장치로, 지형 및 지물을 관측할 수 있다. 개구각이 수평 270도로, 평상시에는 스캔 주파수 25Hz, 각도 분해능 0.25도의 성능으로 운용된다.

레이저 스캐너의 역할은 두 가지이다. 하나는 사람을 포함한 장애물을 감지해 인명 사고 등을 방지하는 역할이다. 다른 하나는 노면이 평탄한지 아닌지 등을 판단하는 역할이다. 진행 방향에 존재하는 움푹 패인 곳이나 튀어나온 곳을 감지해 움푹 파인 곳에 진동 롤러가 빠지는 사고 등을 방지한다.

-- 200만엔 투자해 조타장치 개발 --
진동 롤러에 ‘눈’이 되는 센서류를 부착하는 것만으로 자율주행은 실현되지 않는다. 차량을 조작하는 장치가 필요하기 때문이다.

중장비 제조회사가 최근 시판하고 있는 전자 제어를 이용한 중장비는 제어 회로를 알면 중장비에 전기신호를 보내 핸들 등을 조작할 수 있다. 하지만, 보급되어 있는 대부분의 중장비는 전자 제어 구조에 대응하고 있지 않다. 범용형 진동 롤러를 크게 개조하지 않고 조종하려면 물리적인 핸들 조작이 필요하다. 그래서 가시마가 개발한 것이 핸들을 돌리는 장치이다.

가시마는 200만엔 정도를 투자해 자동 조타용 기계를 개발. 이것을 조종석에 달아 전기신호를 토대로 모터로 핸들을 조작할 수 있도록 했다. 하지만 진동 롤러 조작에 필요한 것은 좌우로 꺾는 핸들뿐만 아니라, 전진과 후진 같은 레버 조작도 필요하다.

가시마가 자율주행용으로 개조한 사카이(酒井)중공업의 진동 롤러에는 취급 설명서에 전진이나 후진을 위한 제어 회로가 기재되어 있었다고 한다. 가시마는 이것을 이용해 진동 롤러에 전진·후진 명령을 내리는 신호를 전달할 수 있는 릴레이 회로를 독자적으로 추가. 조타 장치와 조합해 전기신호로 범용형 진동 롤러를 조종하는데 성공했다. 조타 장치는 이후 소형화를 위해 개량도 실시했다.

이렇게 진동 롤러는 센싱 기술과 조종 툴을 통해 자율주행을 가능하게 하는 ‘눈’과 ‘팔’을 구비하게 되었다.

-- 우려는 제조사별 전자제어 --
그렇다면 가시마가 진동 롤러 이후 자율주행 중장비로서 개발을 추진한 불도저와 덤프트럭에는 어떤 센서가 부착되어 있을까?

GPS 안테나와 자이로센서 등의 측위 관계 툴의 경우, 진동 롤러와 동일한 장치가 탑재되어 있다. 진동 롤러와 크게 다른 점은 이미 보급되어 있는 범용 기계를 사용하지 않고, 전자 제어가 가능한 중장비를 이용한 점이다.

조작 내용이 복잡한 불도저 등의 자동화는 고마쓰와의 공동 연구 형태로 진행했다. 이 때문에 불도저와 덤프트럭의 자동화에서는 고마쓰의 중장비 제어 회로에 신호를 보내는 형태로 중장비를 조종하고 있다. 블레이드의 위치 등은 센서를 부착하지 않아도 조정이 가능하다.

이러한 점은 센싱 등이 간소화되었다고 하는 메리트가 있는 반면, 미래의 범용성이나 확장성을 확보하는 점에서는 과제가 남아있다. 앞으로 시스템을 보급시켜 나갈 때 타사의 중장비로 전개하는 것은 어렵기 때문이다. “범용성을 확대해나가는데 있어서는 로봇팔이 장착된 조종 로봇을 도입해 조종하는 선택 사항도 있을 수 있다”(미우라 씨).

불도저에는 또 한 가지 차이점이 있다. 장애물 감지용 센서이다. 불도저의 경우, 덤프트럭이 하역한 성토 재료 등을 장애물로 인식해 멈춰서는 일이 발생해서는 안 된다. 이것은 진동 롤러와 같은 평탄한 장소에서의 운용을 전제로 하는 중장비와 크게 다른 조건이다.

가시마는 불도저에 레이저 스캐너를 사용하지 않고 무선 감지로 사람의 접근에 대응할 수 있는 시스템을 도입했다. 현장 작업자 등에게 IC 태그를 소지하도록 해, 자기장 발생 장치가 설치된 불도저에 다가가면 자기장을 감지한 IC 태그에서 나오는 신호로 인해 불도저가 멈추는 기술이다.

이러한 장애물 센서는 다른 중장비와 연계하는 작업에서도 어떤 역할을 하고 있는 것처럼 보인다. 하지만 진동 롤러나 불도저에 설치된 장애물 판단하는 시스템은 다른 중장비와 연계하는 작업에 도움이 되는 것은 아니다. 이 점은 이번 연재 이후 기사에서 보다 자세하게 설명하겠다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.