[논문 리뷰] A real-time analysis of rock fragmentation using UAV technology

Thomas Bamford, Kamran Esmaeili외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 14.

Robotics and Sensor-Based Localization참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 카메라를 장착한 다우로터 UAV를 사용하여 암석 편석의 고해상도 영상을 촬영함으로써 실시간 암석 분쇄 분석 시스템을 제시한다. 정밀한 UAV 제어를 위해 운동 캡처를 활용함으로써, 실험실 규모의 실험에서 수동 방법보다 빠르고 정확한 고시계 및 고공간 해상도의 입자 크기 분포 측정이 가능한 자동화된 방법을 구현한다.

ABSTRACT

Accurate measurement of blast-induced rock fragmentation is of great importance for many mining operations. The post-blast rock size distribution can significantly influence the efficiency of all the downstream mining and comminution processes. Image analysis methods are one of the most common methods used to measure rock fragment size distribution in mines regardless of criticism for lack of accuracy to measure fine particles and other perceived deficiencies. The current practice of collecting rock fragmentation data for image analysis is highly manual and provides data with low temporal and spatial resolution. Using UAVs for collecting images of rock fragments can not only improve the quality of the image data but also automate the data collection process. Ultimately, real-time acquisition of high temporal- and spatial-resolution data based on UAV technology will provide a broad range of opportunities for both improving blast design without interrupting the production process and reducing the cost of the human operator. This paper presents the results of a series of laboratory-scale rock fragment measurements using a quadrotor UAV equipped with a camera. The goal of this work is to highlight the benefits of aerial fragmentation analysis in terms of both prediction accuracy and time effort. A pile of rock fragments with different fragment sizes was placed in a lab that is equipped with a motion capture camera system for precise UAV localization and control. Such an environment presents optimal conditions for UAV flight and thus, is well-suited for conducting proof-of-concept experiments before testing them in large-scale field experiments. The pile was photographed by a camera attached to the UAV, and the particle size distribution curves were generated in almost real-time. The pile was also manually photographed and the results of the manual method were compared to the UAV method.

연구 동기 및 목표

• 광산 운영에서 실시간으로 자동으로 암석 분쇄를 측정하는 방법을 개발하기 위해.
• 수동 영상 촬영을 UAV 기반 항공 영상 촬영으로 대체함으로써 데이터 품질과 해상도를 향상시키기 위해.
• 기존의 폭파 후 암석 크기 분석에 관련된 인간 노동과 시간 비용을 줄이기 위해.
• 제어된 실험실 규모 조건에서 UAV 기반 분쇄 분석의 가능성을 검증하기 위해.
• 정확성과 효율성 측면에서 UAV 유래 입자 크기 분포를 수동 방법과 비교하기 위해.

제안 방법

• 제어된 암석 편석 무더미의 항공 영상을 촬영하기 위해 카메라를 장착한 다우로터 UAV를 사용하였다.
• 일관된 비행 경로를 확보하기 위해 운동 캡처 시스템을 활용하여 UAV의 정밀한 위치 추적 및 제어를 수행하였다.
• 근접 실시간으로 UAV가 촬영한 영상에서 입자 크기 분포를 추출하기 위해 영상 처리 알고리즘을 적용하였다.
• 동일한 암석 편석 무더미에 대해 UAV 방법을 수동 촬영 및 영상 분석과 비교 기준으로 삼았다.
• 컴퓨터 비전 기법을 사용하여 UAV 데이터에서 자동으로 입자 크기 분포 곡선을 생성하였다.
• 현장 적용 이전에 최적의 조건을 시뮬레이션하기 위해 실험실 환경에서 시스템을 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV 기반 영상 촬영은 암석 분쇄 분석에서 수동 방법보다 더 높은 시계 및 공간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 UAV 영상에서 유도된 입자 크기 분포의 정확도는 수동 방법과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 UAV 기술은 폭파 후 암석 분쇄 평가에 소요되는 시간과 노동을 어느 정도 줄일 수 있는가?
• RQ4 UAV 플랫폼을 사용하여 암석 편석 데이터를 실시간으로 처리하는 것은 가능한가?
• RQ5 운동 캡처 시스템은 제어된 환경에서 일관된 데이터 수집을 위한 정밀한 UAV 비행을 가능하게 하는가?

주요 결과

• UAV 기반 방법은 입자 크기 분포 곡선을 근접 실시간으로 생성하여 수동 방법에 비해 처리 시간을 크게 단축시켰다.
• UAV 영상에서 유도된 입자 크기 분포는 수동 측정 결과와 강한 일치를 보이며 높은 정확성을 입증하였다.
• 운동 캡처의 활용으로 UAV의 정밀한 위치 조절이 가능해져 일관된 영상 촬영과 신뢰할 수 있는 데이터 수집이 보장되었다.
• 시스템은 자동화 잠재력을 입증하여 데이터 수집 과정에서 인간 운영자에 대한 의존도를 감소시켰다.
• 실험실 규모의 설정은 향후 현장 적용을 위한 UAV 기반 분쇄 분석의 가능성을 검증하였다.
• 이 방법은 수동 촬영에 비해 더 높은 공간 해상도와 더 넓은 암석 무더미 커버리지 성능을 제공하였다.