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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.49 No.4 pp.255-268
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2015.49.4.255

Development of a Variable Rate Spray Controller for an Unmanned Aerial Application

Young Mo Koo1*, Hee Jin Park2
1Dept. of Bio-industrial Machinery Engineering, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea
2Daegu-Gyeongbuk Institute of Science and Technology, Daegu 42988, Korea
Corresponding author: Young Mo Koo Tel: +82-53-950-5788 Fax: +82-53-950-6780 ymkoo@knu.ac.kr
November 28, 2014 June 4, 2015 June 8, 2015

Abstract

The concept of a variable rate application for aerial application was adapted first to fixed-wing dusters in the US, nowadays the variable system has been studied for unmanned aerial applications. In this study, a variable rate application controller, linearly responding to ground velocity was developed and evaluated for the improved spray uniformity using an unmanned rotorcraft previously developed. The variable rate application controller was fabricated with a Delfino® evaluation board and a PWM(pulse width modulation) motor module. The ground spray velocity was calculated by NED speeds, acquired from an inertial navigation system, softly coupled with inertial measurement unit and GPS. The degree of response was analyzed with the regression of PWM average voltage and ground spray velocity for two replications. The coefficients of determination(R2) were 0.9964 and 0.9792, and the slopes of the regression equations were 2.322 and 2.324, closely related to a theoretical slope of 2.313. The variable rate control was feasible because the PWM average voltage was linearly responded to ground velocity.


무인 항공방제를 위한 변량살포 제어기의 개발

구 영모1*, 박 희진2
1경북대학교 생물산업기계공학과
2대구경북과학기술원

초록

항공방제 시스템의 변량살포 개념은 미국을 중심으로 고정익 살포기에 적용하기 시작하였으며, 최근 에는 무인 항공방제 시스템의 변량제어 시스템이 연구되고 있다. 본 연구에서는 자체 개발한 무인 농용 회전익기를 이용하여, 살포 균일도를 제고하기 위한 지면속도 비례 변량살포 기술을 적용한 제어기를 구현하고 평가하였다. 변량살포장치의 제어에는 델피노® 개발보드와 펄스폭 변조방식(PWM) DC모터 제 어모듈이 사용되었고, 관성센서와 GPS가 연결합된 관성항법 시스템으로부터 지면좌표계 속도를 획득하 여 지면 살포속도를 계산하였다. 지면살포속도에 대한 PWM 평균전압의 반응의 정도를 두 반복의 실험 에 대하여 회귀분석을 하였다. 결정계수(R2)는 각각 0.9964 및 0.9792이었으며, 기울기는 2.322와 2.324를 얻었는데 이론치(2.313)와 근사하였다. 지면속도에 대응하여 PWM 평균 전압이 선형으로 반응 하여 변량 제어를 구현하였고 따라서 DC모터로 구동되는 펌프의 제어가 가능하게 되었다.


    Korea Institute of Planning and Evaluation for Technology in Food, Agriculture, Forestry and Fisheries
    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs

    Ⅰ서론

    정밀농업(precision farming)은 첨단기술을 활용 하여 수집한 농장의 토양 특성, 작물 생육상태, 수 량과 수분함량 등의 위치 특성 정보를 기초로 속도, 구역 등 작업조건의 변이를 따라 대응하여 처방에 맞도록 영농작업을 꾀하는 적정농법이다. Godwin et al.(2002)Yule et al.(2008)은 비료 살포에 변량제어 기술을 적용할 때 창출되는 경제적 이득에 대하여 분석하였는데, 전반적으로 영농작업에 변량 기술의 적용은 경제적으로 유익하다고 인식되었다.

    Lee et al.(2005)은 정밀농업의 동향을 조사하였 는데, 미국은 실용화 단계에 있으며 일본은 실증단 계에 있어 한국 또한 국제 경쟁력을 제고하는 측면 에서 정밀농업 기술 개발 및 연구가 시급하다고 지 적하였다. 특히 정밀농업 기술에 있어 토양과 생육 정보를 바탕으로 특정 위치에 처방 조제량을 투입하 는 시비, 파종, 방제 및 관개 등에서 변량작업 장치 와 기계 등에 대한 개발과 연구가 활발히 진행되고 있다.

    액제 변량살포기에는 압력제어 방식, 주입식 제어 방식과 솔레노이드 제어방식 등이 적용되었으며 비 교적 일찍이 연구되고 실용화되었다. 압력제어 방식 은 특정 위치에 처방 조제량을 살포하는(Rockwell & Ayers, 1994) 변량방제기로부터 구현되었고, 주 행속도를 보상하는 형식(Koo & Jung, 1998a; 1998b)으로 발전하였다. 이러한 변량제어 살포기는 지상 살포기로서, 살포 오차의 정도가 크지 않았으 며 변동시간(differential time) 제어를 적용하여 동 기반응에 근접하였고 최적 제어상태에서 0.5%의 오 차를 성취하였다.

    직주입 방식의 변량살포장치 또한 지상주행 살포 기에 적용되었는데 변량주입된 약제의 이송지연 (transport lag)은 살포량 오차에 큰 영향을 주었 다. Sudduth et al.(1995), Koo et al.(1996), Qiu et al.(1998)은 이송지연시간 대하여 실험과 시뮬레 이션을 통하여 평가하였는데, 최대 20여초에 달하는 지연은 40% 이상의 살포 오차로 인하여 실용화되기 까지 어려움이 있었다. 그러나 Koo(1996)에 의해 제 안된 총유량 제어의 방법, 즉 농도를 일정하게 유지 하면서 압력을 조절하는 주입식 방제기로서 지연으 로 인한 살포 오차의 문제점을 해결할 수 있었다. 이 총유량 제어 직주입식 살포방법은 사전 혼합 과 정의 생략과 자연에 폐기되는 혼합액을 방지할 수 있는 직주입식 살포방식의 이점을 살리면서, 지연으 로 인한 살포오차를 저감할 수 있었다. 더욱 진보된 변량살포 방법으로 노즐 자체의 솔레노이드 밸브를 PWM제어로 살포유량을 처방 조제량에 따라 조절하 기도 하였다(Han et al., 2001).

    이러한 액제 변량살포 방제는 지상살포기에 이어 항공방제에 변량살포를 적용하는 연구가 시작되었 다. 미국에서 처음으로 고정익 비행기에 변량살포 개념을 적용하기 시작하였으며 생장조절제, 고엽제, 살충제와 같은 약제에 대하여 사용하였다. 항공 정 밀 살포 시스템에 사용되는 바탕 기술로서 토양과 식물의 생장상태에 대한 공간 통계, 그리고 GPS 및 GIS와 항공 변량 살포에 대한 처방지도를 작성하는 기술과 함께 원격 감시기술 등이 사용되었다. 실용 단계에서는 비례계량과 살포 균일도의 유지가 핵심 주제인데, 변량을 조절하기 위하여 상기한 바와 같 이 압력제어 방식, 주입식 제어방식, 솔레노이드 제 어방식 등이 적용된 사례를 볼 수 있다(Lan et al., 2010). 상기한 변량 살포 기술들을 적용함으로써 대 형 농가에서는 농작물 수익을 얻게 될 것이며, 소규 모 농가에서는 다른 농가와의 협력체계를 통하여 지 역 농작물 관리의 해결책이 될 것으로 평론하였다.

    Huang et al.(2009)은 2행정 가솔린 엔진을 사용 하는 무인 헬리콥터(SR200, Rotomotion LLC, US) 에 자체 개발한 통합 비행제어 모듈을 갖추고 작물 보호제 등을 살포할 목적으로 살포시스템을 장착하 였다. 유상하중이 22.7kg인 소형 무인 헬리콥터의 살포 시스템은 극미량(ULV: ultra low volume) 살 포노즐과 붐, 약액탱크, 액제 기어 펌프, 살포단속 제어스위치 등으로 구성되어 특정 살포구역과 시간 에 따라 살포량을 조절할 수 있는 변량 항공방제 시 스템으로 사용할 수 있도록 구성하였다.

    Bae & Koo(2013)는 실용적 무인 농용 회전익기 개발에 있어 롤 모멘트를 상쇄하는 거양 테일부를 구성하여 균평비행의 정도를 평가하고 살포 균일도 를 측정하여 가로 균일 살포성능을 검증하였다. 이 회전익기는 Koo(2014)에 의하여 상용제어기(DJIinnovations Inc., Shenzhen, CN)를 갖추고 변량 항공방제 살포기의 테스트베드로 사용되었다. 자동 제어 비행에서 기체 고정좌표 속도는 수동에 비하여 수월하게 속도를 유지하였고, 지면 좌표계에서 평가 한 오일러 자세각의 유지와 지면 합속도(살포속도) 의 안정성은 균일한 살포의 가능성을 한층 높였다.

    본 연구의 목적은 자체 개발한 농용 무인항공 방 제 테스트베드를 이용하여, 살포 균일도를 높이기 위한 지면속도 비례 변량살포 기술을 적용한 제어기 를 구현하고 평가하는데 있다.

    Ⅱ재료 및 방법

    무인 항공방제의 살포효과에 있어 약제의 균일살 포는 현장에서 반드시 성취해야 할 중요한 목표 중 하나이다. 농작업의 살포기술에 있어 균일도의 유지 는 약제의 사용을 줄이면서 효과를 최대로 제고할 수 있는 환경적 및 생산 효율적 영향 요소이다.

    특히 무인 회전익기를 이용한 항공 살포작업에서 등속을 유지하는 임무는 무선으로 조종하는 조종자 에 있어 애로사항이다. 특히 소규모 필지의 짧은 경로(약 50m)에서 무인 항공방제 시에는 연속된 전 진 가속, 정지, 선회후 복귀 가속의 과정에서 등속 을 유지하기가 어려우므로 불균일 살포를 초래할 수 있다.

    항공방제에 있어 변량 살포(VRA: variable rate application) 제어기술은 GPS 또는 관성항법시스템 (INS: inertial navigation system)을 이용하여 살 포 지면속도(ground velocity)를 추정하고 이에 비 례하여 살포량을 처방에 맞추어 균일한 방제가 이루 어지도록 추구한다. 이 시스템은 처방에 따른 고도 의 적정 농작업을 가능하게 할 정밀농업의 기본적인 인프라 기술이다.

    2.1.변량 살포기술의 개념

    살포작업에 있어 작목이나 작업시기에 따라 단위 면적당 농약의 사용량이 정해지며, 이 와 같이 처방 된 살포율(application rate)은 작업(살포)속도에 따 라 시간당 살포량 즉 노즐의 분무량(discharge rate)과 비례의 관계가 있다. 분무량을 조절하기 위 하여 살포압력을 조정하거나 노즐의 크기를 교체할 수 있는데, 노즐을 교체하는 방법은 조절의 정도가 클 때 적용하며 미세조절에는 노즐압력을 조절할 수 있다.

    노즐 한개의 시간당 분무량(Qn )은 살포율(Ar ) 즉 단위면적당 살포량과 목표 작업속도(Vo), 노즐의 개 수(n) 및 유효작업폭(W) 등의 변수로 다음 식 (1)과 같이 표시된다. 따라서 작업 전에 처방된 농약의 살 포율, 살포작업속도와 유효작업폭에 대하여 노즐의 분무량을 구하게 되는데 살포작업속도에 비례하여 노즐의 분무량을 조절하는 개념이 변량살포 제어기 술의 이론적 원리이다.

    n Q n = 6 1 , 000 W × V o × A r
    (1)

    여기서, Qn : 노즐의 분무량(L/min)

    n : 노즐의 개수

    Ar : 살포율(L/ha)

    W : 유효작업폭(m)

    Vo : 목표 비행(살포작업) 속도(m/s) 이다.

    Fig. 1의 변량제어 개념도에서 보인 바와 같이 무인항공 방제 시스템의 변량제어는 IMU(inertial measurement unit) 데이터의 오차 누적을 수정하 기 위해 GPS가 추가된 INS를 통하여 무인헬리콥터 의 지면속도를 감지함으로부터 시작한다. 이어서 모 터 컨트롤러에 목표속도를 입력값으로 설정하여 PWM 신호를 통하여 모터를 제어하게 된다. 모터의 제어란 모터의 회전속도를 조절을 말하며 모터의 회 전속도를 조절함으로써 개념도에서와 같이 무인헬리 콥터에 거치된 약액통과 살포노즐이 장착된 붐과 정 용량 펌프가 조합된 살포장치의 살포량을 조절할 수 있게 된다. 따라서, 변량제어는 지면속도에 따라 약 제의 분사량을 제어하는 시스템을 통해 변량 비례살 포를 구현하는 정밀농업의 개념이다.

    2.2.농용 회전익기의 실험비행

    변량제어 실험에 사용된 공시 농용 무인 회전익기 는 상용제어기(DJI-innovations Inc., Shenzhen, CN)를 갖추고 변량 항공방제 살포기의 테스트베드 로 사용되었다(Koo, 2014). 변량살포 시스템의 실험 을 위한 비행은 경북대학교 농장에서 수행하였고, 그 경로는 VRA 제어모듈의 데이터를 지면 모니터링 시스템(GMS: ground monitoring system)으로 전 송받아서 Fig. 2에 네이버 맵에 중첩하여 보였다.

    경북대학교 교내 농장의 직선거리는 약 50m로서 소필지 개념에 부합하며 ①, ②, ③, ④ 지점에 푯 대를 설치하여 위치를 표시하였다. 무인 회전익기는 시작점(home)에서 정지비행으로 준비하고 일반적인 살포속도 15km/hr에 해당하는 목표속도(Vo) 4.2m/s 를 중심속도로 비행하였다. 조종자의 숙련도에 따라 10-20% 정도의 살포속도 오차를 예상하여 ±19%의 설정 속도범위(A )에서 가·감속하여 세 번의 반복을 실시하였다. 지점 ①에서 살포스위치를 켜고 속도 허용범위를 넘지 않게 비행하여 ②에서 살포 스위치 를 껐다. 이어서 ③ 지점까지 선회한 후 살포스위치 를 끈 채로 지점 ④로 복귀한 후 착륙하는 방법으로 실험하였다. 본 연구에서는 변량 제어기의 구현실험 으로서 PWM 출력의 비례반응을 얻을 목적이었으므 로 살포는 실제로 이루어지지 않았다.

    또한 비행 중 지상 모니터링 시스템(GMS)을 통하 여 지면속도를 조종자에게 무선으로 고지함으로써 비행속도가 허용 범위안에서 충실히 비행하도록 도 움을 주었으며 NED 비행속도, 위치 경위도, UTC 시간, 오일러 자세각, PWM 평균전압 등을 수집하 였다.

    2.3.DC모터의 PWM 제어

    변량살포장치의 제어에는 델피노® 개발보드(Delfino® EVM, SyncWorks Ltd. Co., KR)와 PWM 모터 모 듈(EVM Motor Module, SyncWorks, KR)을 사용 하였다(Fig. 3). EVM은 dual MCU의 상호 교류 개 념을 도입하여 DSP(JALS-49-255_image1.gif, digital signal processor: TMS320F28335 and TMS320C28346, Texas Instruments, US)의 기능을 응용하였다. EVM에는 아날로그 및 디지털 포트, 통신 회로(JALS-49-255_image4.gif, JALS-49-255_image2.gif: bluetooth transmitter) 등 어플리케이션 회로가 기 본 탑재되어 있어 보드 면적이 크지만(제어기 무게 600g) 여러 형태의 제어 어플리케이션을 유연하게 구현할 수 있었고 개발 후 상용 PCB로 작게 구현할 수 있다.

    또한, 외부 메모리 버스 확장, 주 확장, 보조 확 장 인터페이스가 있어 모터 펄스폭변조(PWM) 제어 모듈을 델피노® EVM에서 확장하여 회로(JALS-49-255_image3.gif)를 구성 할 수 있었다. 사용된 모터 모듈은 모터 드라이버 (⑤:DRV8412DDW, Texas Instruments, US)를 기 초로 설계된 확장형 PWM 모터 제어모듈이다.

    개발에 사용한 모터 모듈의 DRV8412(드라이브)는 하프브리지(half-bridge) MOSFET의 낮은 저항값 (Rds: drain to source resistance) 및 게이트 드라 이브의 작은 전원 공급과 히트 싱크로 인해 모터 드 라이버의 효율은 최대 97%가 가능하다. DRV8412는 고정전압인 GVDD 및 VDD와 0~50V의 하프브리지 인가전압인 PVDD(⑩)의 두 개의 전원공급이 필요하 다. 본 연구에서는 GVDD 및 VDD에는 12V, PVDD 에는 15V를 가했으며, 최대 500kHz 스위칭 주파수 에서 PWM 제어 정밀도와 효율을 유지하면서 작동 할 수 있으며 실험에서는 20kHz를 사용하였다.

    PWM 출력은 단자(⑦)를 통하여 DC모터를 구동하 게 된다. 펌프의 모터를 구동하는 PWM 출력전압은 파형으로 데이터 로거를 통하여 측정하기 곤란하므 로 Fig. 3의 저주파 통과필터(LPF,⑥) 회로를 통과 하게 함으로써 파형전압을 평균전압으로 아날로그로 변환하여 ADC 채널(⑧)을 통하여 100ms 간격으로 데이터로거(CR850, Campball Scientific Inc., US) 에 저장하였다.

    상기한 제어기는 Fig. 4(a)에 보인 바와 같이 무 인헬리콥터의 후미부에 장착하고, 살포의 단속(onoff) 을 위하여 Fig. 4(b)에 보인 범용조종기(T9CHP, Futaba, JP)를 사용하여 FM 무선(72 MHz)으로 VRA 모듈과 통신하며 Fig. 3에 보인 수신기(⑨)가 、목표속도와 단속신호를 받아서 제어프로그램의 연 산과 변량 살포 제어가 시작된다. Fig. 4(b)의 조종 기에는 살포 단속의 명령에 관여하는 특정 2극 스위 치(sw-F: toggle switch, CH9)를 보였는데, 이와 같이 별도의 무선 송신기 또는 비행 조종기의 보조 채널에 특정 토글스위치를 지정하여 사용할 수 있고 조종자 외의 다른 살포전담자가 지정된 살포지점에 서 살포 조작을 하도록 하는 것이 바람직하다. 그리 고, Fig. 4(b)에는 조종자의 편리에 따라 목표속도 (Vo )를 조절할 수 있도록 VR 다이얼(vr-B: dial knob, CH8)을 지정하여 동일한 수신기를 통하여 목 표속도를 수신하였다.

    또한 드라이버 자체에 시스템을 손상시킬 수 있는 단락 회로, 과전류, 과열 및 부족전압의 상태가 발 생할 경우 즉시 하프브리지의 출력을 하이 임피던스 상태로 변경하여 보호하는 회로를 내장하고 있다. 특히 과전류의 경우 과전류 조정핀(OC_ADJ)에 연결 된 저항을 조정하여 전류 제한을 설정할 수 있다.

    2.4.PWM제어 변량 비례식

    델피노® PWM 제어기에 입력된 프로그램은 측정 된 지면속도(V )를 식 (2)의 비례식을 통해 버퍼값 (B: buffer)으로 변환한다. 이 버퍼값은 PWM 제어 의 사용주기(duty cycle)를 대표하는 값으로 임의의 최대값(3,750)에 대한 상대치로 무차원으로 표시된 다. 델피노® 모터모듈은 대전류의 PWM 전압을 출 력하며 PWM 평균전압(Volt)으로 DC모터의 회전속 도를 제어하게 된다.

    B = F × V + K Volt = B 3,750 × V s
    (2)

    여기서, Vs 는 인가전압이며, 기울기(F )와 절편(K ) 은 다음 식 (3)으로 표시된다.

    F = Δ B / 2 × A × V o , K = B U Δ B 1 + A 2 A
    (3)

    여기서, Vo : 목표 살포속도 (m/s)

    A : 속도의 제어범위율

    ΔB = BU -BL : 버퍼값의 상한과 하한의 범위

    로서, 버퍼값(B )은 살포비행의 목표속도(Vo )와 상 한(VU ) 및 하한속도(VL )의 허용 가능한 범위의 정 도를 결정하는 제어범위율(A )과 연관되며 상한 및 하한속도는 목표속도(Vo )에 (1 ±A )를 각각 곱하여 계산한다.

    버퍼값의 범위(ΔB = BU -BL )는 최대로 넓게 확장 하면 편리하지만, 버퍼상한선(BU )은 모터의 정격 사 용전압의 상한선에 의해 제한되며, 버퍼 하한선(BL ) 은 노즐의 미립화가 가능한 펌프압력을 발휘하는 전 압에 대응하는 버퍼값에의해 제한된다. Fig. 5에 보 인 살포속도에 대한 버퍼값의 비례식은 목표속도 (Vo ), 제어 범위율(A )에 대한 예로서 상한(VU ) 및 하한속도(VL )에 대하여, 버퍼 상한선 (BU )과 하한 선(BL )은 각각 3,600과 2,448으로 설정하여 펄스폭 변조의 사용주기(duty cycle)로는 96.0%와 65.3% 에 해당한다. 예를 들어 공급전압이 12V라고 하면 PWM 평균 출력전압의 상한전압과 하한 전압은 각 각 11.5V와 7.8V가 된다.

    Fig. 6에는 몇 가지 현실적인 KF 값의 범위 를 보이려고 그래프로 표현하였다. 속도의 변이범위 (A )는 넓을수록 조종자가 목표속도에 맞추려는 조 종 작업강도를 줄일 수 있다. 절편의 값(K )은 대개 A 에 관련되며 기울기(F )는 목표속도(Vo )와 A 에 의해 결정된다. 본 연구에서 사용된 제어 프로그램 의 변수들은 목표속도(Vo )는 4.2m/s, 제어 범위율 (A )은 0.19로 설정하였으므로. 버퍼값과 속도의 관 계식의 기울기(F )는 720이고 절편(K )은 0이었다.

    하한속도(VL )가 3.4m/s일 때 버퍼 하한값(BL )은 2,448, 상한속도(VU ) 5.0m/s일 때 최대 버퍼 상한 (BU )은 3,600으로 하였다.

    일반적으로 농용 회전익기 비행특성상 와류를 형 성하지 않고 하류풍(down wash)이 미립자를 목표 작물에 성공적으로 이송할 수 있는 14~18km/hr 속 도의 범위에서 비행하는 것이 바람직하다. 살포 작 업속도 즉 목표 지면속도(Vo )의 결정은 살포율(Ar ) 즉 단위면적당 살포된 양을 유지하기 위하여 노즐 보정과정에서 결정된다. 즉, 항공살포 노즐을 선택 하여 기준압력(230kPa)에서 분무량(Qn )이 결정되면 붐에 설치된 노즐 개수(n)와 유효 작업폭(W)과 함께 식 (1)로부터 처방 살포율(Ar )을 유지할 목표 비행속 도를 계산할 수 있다. 따라서 목표속도는 조건에 따 라서 변경 될 수 있으므로 사용자의 입장에서 손쉽 게 조정할 수 있어야 한다.

    따라서, Fig. 4(b)에서 보인 것과 같이 조종자가 편리에 따라 조정할 수 있도록 조종기의 VR 다이 얼(vr-B: dial knob, CH8)에 지정하였으며 변량 다이얼은 중심에서 양쪽으로 12개 단계의 선택이 가능하였다. 따라서 4.6m/s를 중심으로 좌우로 한 클릭씩 변경하면 0.135m/s의 증감이 가능하여 2.98m/s(10.7km/hr)에서 6.21m/s(22.4km/hr)까지 의 목표속도 설정이 가능하였다.

    2.5.속도 데이터 추출과 지상 모니터링 시스템

    2.5.1.속도 측정

    범용 변량시스템을 개발함에 있어 비행 지면속도 를 측정하기 위해 IMU (3DM-GX3-45, MicroStrain Ltd. Co., US)와 GPS(SMA antenna, Gilsson Technologies, US)가 사용되었는데, IMU는 회전익 기 중심 부근에 장착되었고 변량제어 모듈과 GPS 는 테일붐 중간에 장착하여 신호의 간섭이 없도록 하였다.

    본 연구에 채용된 소형의 GPS-aided 관성항법 시 스템은 MEMS(micro-electro-mechanical system) 관성센서와 고감도 내장형 GPS 수신기를 확장된 칼만필터(EKF: extended Kalman filter)로 연결 합(softly-coupled)하여 위치, 속도, 자세(PVA: position-velocity-attitude)를 얻을 수 있다. 이러 한 조합은 단기간의 GPS 손실(missing)에 대한 추 정항법(dead reckoning) 성능으로 추정위치, 속도 및 자세(PAV) 데이터를 제공하며, GPS 원데이터, IMU 데이터, 칼만필터를 거친 INS 데이터가 시간 으로 정렬되고 사용자 정의 데이터 패킷으로써 구 성된다.

    데이터들은 온도변화에 보상되고 직교 좌표계로 정 렬되었는데, NED(north-east-down)좌표는 WGS84 지구좌표 타원상의 특정 지점에 접선 평면에 의해 형성되는 지역좌표로서 현재 좌표 단위벡터는 정 북을 따라 경도에 평행하며 정 동쪽 위도에 평행 하므로 지역 지표면은 비교적 평탄면에 의해 근사 될 수 있다.

    상기한 바와 같이 센서는 중간형태의 연결합된 확 장된 칼만필터를 채용하였다. 연결합된 필터에서 AHRS(attitude and heading reference system)의 관성센서는 고속(100Hz)의 상태 추정을 수행하는데 사용되고, GPS 위치 및 속도 측정을 저속도(4Hz) 상호 보완적인 방식으로 정보를 결합하여 샘플링을 대기한다.

    지면속도의 방향과 크기는 모니터링 시스템으로부 터 얻은 NED 속도 중 상하향속도(VD )는 지면살포 속도계산에 필요하지 않기 때문에 제외되었고, 남북 향속도(VN )와 동서향속도(VE )를 바벨론(babylonian) 방법으로 합성하여 계산하였다. 지면속도의 크기 계 산에는 아래의 식 (4)가 사용되었고 합성된 속도 (Vr )는 계산된 지면속도(V )로 지칭하였다.

    V r = V N 2 + V E 2
    (4)

    2.5.2.데이터 추출

    상기한 INS의 데이터 프로토콜은 패킷 기반으로 서 모든 명령, 응답 및 데이터 메시지 패킷의 필드 로 전송되고 수신된다. 패킷은 그 내용을 기반으로 한 스크립터(scriptor) 형태의 필드를 가지고 있어 서, 패킷이 명령, 응답, AHRS, GPS 또는 NAV(navigation) 데이터를 식별할 수 있어 추가적 인 응용 즉 변량제어 시스템 개발에 적용된 속도 등 을 추출(parsing)해 낼 수 있었다.

    3DM-GX3-45는 공통 인터페이스(API)를 통해 AHRS, GPS와 NAV 데이터 패킷을 스트리밍 하도 록 되어 있으며, 이를 위해 사용자가 사용할 데이터 메시지 포맷과 획득 방법을 설정하는 단계를 통해 100Hz 마다 지속적으로 데이터 스트리밍을 하였다.

    2.5.3.지상 모니터링 시스템

    Parani ESD100V2(SeNA Tech, Seoul, KR)는 근 거리 무선 기술인 블루투스를 적용한 무선 시리얼 터미널 디바이스로서 시리얼 포트 프로파일(serial port profile)을 지원하는 회전익기에 장착된 VRA 의 시리얼 포트와 연결하였다. 이 디바이스와 함께 제공되는 ParaniWIN® 등의, 소프트웨어를 사용해 윈도우 환경에서 페어링 설정하였다. 선택한 블루투 스의 USB 수신모듈(Parani SD1000U, SeNA Tech, Seoul, KR)은 +9dBi의 통신가능 성능으로 거리 (line of sight)로는 600m(@ 5dBi)에 이르므로 근 거리 구역살포 연구목적에 부합하였고 시리얼통신 (SCI, UART)으로 115,200baud rate과 8bit data를 사용하였다. 블루투스 통신을 위한 VRA 안테나 (UART interface)와 페어링된 USB 수신 안테나 모 듈을 Fig. 7(a)에 보였다.

    또한 Fig. 7(b)는 비행데이터의 실시간 모니터링 을 위하여 사용된 프로그램(MIP Monitor, LORD MicroStrain Ltd., US)의 화면을 캡쳐한 모습이다. 이 GMS는 자세추정 데이터(가속도, 회전 각속도, 방위각 및 쿼터니언)와 오일러각(비행 자세각)을 실 시간으로 감시하고 저장할 수 있다. 오른쪽 창에는 GPS 데이터(위도와 경도, NED velocity, UTC 시간 등) 항법데이터를 포함하고 있다. 또한 비행 중 GMS를 통하여 얻은 지면 살포속도를 조종자에게 무선으로 고지함으로써 허용 범위 안에서 비행속도 가 충실히 유지되도록 하였다.

    Ⅲ결과 및 고찰

    3.1.변량 제어 순서도

    항공방제의 지면속도 비례 변량살포 장치를 제어 하는 프로그램의 순서도를 Fig. 8에 보였다. 변량제 어 시스템의 제어 프로그램은 거시적으로 지면속도 (V )를 인식하고 이에 비례하여 PWM의 정도를 지 정하는 버퍼(B )값을 계산하여 모터 드라이버에 펄 스의 사용주기를 조절해줌으로써 펌프의 회전속도와 이에 대응하는 노즐의 분무량을 변량조절하게 된다. 조종기의 송신기(Fig. 4(b))에서 살포 스위치(switch F: CH9)의 단속(on-off) 결정과 다이얼(vr dial B: CH8)을 통한 목표속도(Vo )의 인식을 통하여 선형비 례식의 기울기(F )와 절편(K )값을 속도변이 허용범 위(A )를 이용하여 계산하였다.

    살포가 선택(on)되면 제어 프로그램에서 식 (2)에 따라서 버퍼값(B )을 계산하는데 있어 살포비행 지 면속도(V )는 식 (4)를 이용하여 살포속도를 계산하 였다. 상기한 바와 같이 목표속도(Vo )에 (1 ±A )를 곱하여 계산한 상한속도(VU ) 및 하한속도(VL )의 허 용범위 내에서는 비례로 버퍼값에 대응하는 PWM 전압을 출력하여 DC 모터를 구동하지만, 범위 밖에 대하여는 각각 상한(BU =3,600)과 하한(BL =2,448) 의 버퍼값에 해당하는 상한 및 하한 전압을 출력하 게 된다.

    세부적으로는 실선(청색)으로 표시된 흐름도의 프 로그램(S/W)과 이와 인터페이스 되어 이중선(녹색) 으로 표시된 하드웨어(H/W)들의 연동으로 제어되 며, 파선(적색)으로 표시된 모듈은 연구와 실험을 위하여 부가된 장치로서 설명될 수 있다. 이들의 모 듈들은 델피노® 개발보드와 직접 연결되어 있는 경 우와 조종기의 FM 무선통신(72MHz급)으로 제어되 며, 추가적으로 블루투스(2.4GHz)를 이용한 시리얼 통신으로 연계되어 있다.

    연구목적상 부가된 파선으로(적색)으로 표시된 모 니터링 과정은 연구를 목적으로 삽입된 기능으로, 저주파 통과필터(LPF: low-pass filter) 처리를 통 한 PWM 평균 전압의 측정과 지면속도의 실시간 모 니터링의 모듈을 부가하였는데 상용화 과정에서 옵 션 기능으로 추가 될 수 있다.

    Fig. 9(a)는 오실로스코프(TDS 2024C, Tektronix, US)로 모니터링한 PWM파형 출력과 사용주기(duty cycle)에 대한 저주파 필터를 거친 PWM 파형의 평 균 및 RMS 전압을 보였다. 사용주기는 최대 버퍼값 (3,750)에 대한 버퍼값(B )의 크기로서 펄스폭의 비 례분으로 표시된다. Fig. 9(b)는 PWM 사용주기에 따른 평균 전압과 RMS 전압을 실험적으로 보였으나 DC모터를 구동하는 실제전압에는 약간의 추가적 전 압 하강이 있을 것으로 예상된다. 이로써 모터의 회 전수는 비례 반응하게 되며 펌프의 압력이 형성된다.

    펌프모터의 정격전류는 2.1A로 알려져 있으나, 펌 프를 기동할 때의 모터 기동전류는 Fig. 10(a)에 보 인바와 같이 5A를 상회하여서 모터드라이버는 간헐 적으로 DSP 프로그램의 작동을 정지시켰다. 이는 모터드라이브 보드의 보호 장치의 정상적인 작동으 로 단락 회로 보호, 과전류 보호, 부족전압 보호 그 리고 과열 보호 등이 포함되어 있다. DRV8412는 모터의 기동과 같은 과도전력 부하 동안 장치 종료 를 방지하는 전류 제한 회로가 있어 과전류 조정 (OC_ADJ: R3023)의 저항을 기본(default, 150 k Ω)에서 43kΩ으로 변경하여 6.3amp의 기동전류를 감당하도록 하였다. Fig. 10(b)에 보인 역기전력은 상기한 과전압과는 상관없이 대전류 모터구동 장치 에서 일어나는 현상으로 제어보드의 신호를 교란하 면서 메인 프로세서를 멈추게 하였으나 역기전력 방 지 다이오드를 설치함으로서 문제를 해결하였다.

    3.2.지면속도와 PWM 전압 반응

    Fig. 11는 식 (4)을 이용하여 합성된 지면 살포 속도(Vr )를 계산하여 변량살포의 지면속도(V )로 사 용된 비행 전 과정에 대한 NED 속도를 보였다. 남 북향 속도(VN )에서는 북향(N)에서 양(+)의 값 남향 (S)으로 음(-)의 값으로 표시되며, 동서향 속도(VE ) 는 동향(E)에서 양(+)의 값으로 서향(W)에서 음(-) 으로 표시된다. Fig. 2의 비행궤적에서 살포전진(① -②)비행은 남서서(SWW) 방향으로, 음의 동서향 속도(VE )가 주를 이루고 어느 정도의 남북향속도 (VN )로 이루어졌다. 선회시는 방향을 남동(SE)으로 바꾸기 때문에 동서향 속도(VE )가 음에서 양으로 변 환하였다. 복귀(③-④) 비행은 북동동(NEE) 방향이 므로 동서향 속도(VE )가 양을 유지하면서 남북향속 도(VN )는 양으로 변한다. 이렇게 방위각 속도는 많 은 변화를 보인 반면 상하향 속도(VD )는 0m/s을 중 심으로 변동하였다.

    Fig. 12에는 Fig. 11에 보인 NED속도를 바탕으로 계산한 반복 1과 2에 대한 지면속도를 보였고, 실제 살포 속도와 근사한(Vo =4.2m/s, A =0.19) 조건에서 PWM 평균전압의 반응정도를 보였다. 이 실험에서 는 스위치(F)에 전압을 단속(on-off)하는 기능을 부 여함으로써 50m 전진구간에서만 PWM 전압이 출력 되는 즉 살포구간에서만 펌프가 작동하는 살포선택 기능을 볼 수 있었다. 반복 1에서는 882-897sec 사 이에서, 반복 2에서는 1075-1090sec 구간에서 살포 를 실시한 결과가 PWM 전압의 출력으로 나타났으 며 살포전후의 기본 전압(7.8V)은 실험상에서 시작 시점과 복귀한 후의 완료 시점을 보이려고 스위치 단속(on-off)을 시행한 결과이다.

    전진비행 직선거리 50m에서는 잘 훈련된 조종자 가 자동비행조건에서 목표속도를 추구하는 조종을 하였고 허용 변량 속도범위(3.4~5.0m/s)에서 실험 을 반복하였다. 선회 및 복귀의 구간에서는 목표속 도를 추구하지 않았고 따라서, 최저속도(3.4m/s) 한 계 이하에서는 기본전압(7.8V)이 출력됨을 볼 수 있 었다.

    반면 반복 3에서와 같이 상한속도(5.0m/s)를 넘 을 때는 상한전압 11.2V를 출력하였다(Fig. 13). 이 와 같이 변량살포 시스템을 이용하여 숙련된 조종자 에 의한 등속추구 비행을 시도할 때는 현재속도를 모니터링 하여 허용 속도범위 내에서 비행할 수 있 도록 조종자에게 비행속도를 알려주는 수단이 필요 함을 알 수 있었다. 지면속도의 감시는 GMS을 이용 하여 음성으로 들려주는 방법과 Eagle Tree®의 대 쉬보드(dashboard) 등을 대안으로 제시할 수 있다.

    지면 살포속도에 대한 PWM 평균전압의 반응의 비례정도를 분석하기 위해 반복 1과 2에 대하여 회 귀(regression) 분석을 실행하였다. 분석에서 독립 변수는 지면속도이고, 종속 변수는 출력전압으로서 허용속도 범위에 든 데이터만을 회귀분석에 사용하 였다. 최저 한계속도 이하거나 최고 한계속도 이상 에서는 출력전압이 기본 또는 최고의 고정 전압을 출력하므로 영외치(outlier) 조건의 데이터는 회귀 분석에서 제외하였다.

    제 1 반복은 884-892sec, 제 2 반복에서는 1079- 1087sec의 각각 8초간의 80개 데이터를 Fig. 14에 선형 회귀식으로 각각 표현하였다. 회귀식의 기울기 는 2.322와 2.324를 얻었으며 절편은 영(0)이었다. 결정계수(R2)는 각각 0.9964 및 0.9792이었으므로 높은 상관을 보였다. 지면속도에 대응하여 PWM 평 균 전압이 선형으로 반응하였으므로 PWM 제어가 구현되었고 따라서 DC모터의 제어와 펌프구동이 가 능할 것으로 생각되었다. 일차선형 회귀식의 비례상 수(기울기)는 평균 2.323 정도였는데 이는 이론적인 기울기 (ΔB /ΔV =2.313) 와 비교하여 근사함을 알 수 있었다.

    3.3.무인항공 변량살포 제어기의 구현

    본 연구에서는 자체 개발된 무인 항공방제 회전익 기가 변량제어기의 테스트베드로 사용되었으며, 살 포 균일도를 제고하기 위한 지면속도 비례 변량살포 기술을 적용한 제어기를 구현하고 평가하였다.

    변량살포장치의 제어에는 델피노® 개발보드와 PWM 모터모듈을 사용하였고, 연결합된(softly coupled) 관성센서(IMU)와 GPS를 이용한 관성항법시스템 (INS)으로 무인 회전익기의 살포 지면속도가 측정되 었으며, 측정된 지면속도와 PWM 평균전압은 높은 상관도를 가지고 선형 비례하여 DC 모터의 회전속 도를 조절할 수 있는 PWM 제어를 구현하였다.

    관성항법시스템(INS)으로 측정된 지면속도는 변 동하는 측정오차를 포함하고 있으며, 이는 PWM 출 력의 불안정한 전압변동으로 인한 펌프 맥동의 원 인이 될 수 있으므로 소프트웨어 필터를 적용하거 나 하드웨어적 유체기계요소인 공기실(air chamber) 을 설치할 필요가 있었다. 변량살포 기술에서 목표 속도를 중심으로 제한된 속도범위 한도 내에서 비 행하는 것은 살포 오차를 안정시키는 핵심 요소임 을 알 수 있었다. 따라서 조종자가 속도 범위 내 등속 비행을 할 수 있는 방안에 대한 연구가 필요 하였다.

    Figure

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    Conceptual schematic of the variable rate application system for aerial spray(Koo, 2013).

    JALS-49-255_F2.gif

    A Flight path over-layed on Naver map of the variable rate application experiment in the University farm.

    JALS-49-255_F3.gif

    Functional units of Delfino® evaluation board(EVM) master DSP (TMS320F28335, TI, US), bluetooth transmitter(ESD100V2, SeNA Tech, Seoul, KR), PWM-DAC, SCI connector, expanded with a PWM motor control module(V120, SyncWorks, Co.) ⑤expanded PWM motor control module(SyncWorks, Co., KR) with a DRV8412 driver, ⑥LFP(lowpass filter), ⑦ PWM output to motor ⑧PWM average voltage measuring conn., ⑨FM transmitter, ⑩supply voltage to battery.

    JALS-49-255_F4.gif

    The variable application controller(a) mounted on an experimental test-bed and a generic console(b) with the dial knob(vr-B: double circle) for setting a target ground velocity and the toggle switch(sw-F: solid circle) for spraying on-off.

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    Determination of buffer value and corresponding PWM output voltage, responded to ground velocity.

    JALS-49-255_F6.gif

    Determination of slope(F) and constant(K) for the factors of the target velocity(Vo) and allowed velocity range(A).

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    A ground monitoring system(GMS), receiving data through a blue-tooth USB module(a: Parani SD1000U, SeNA) and displays AHRS and INS data using(b: MIP, MicroStrain, Co.) for research purpose.

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    A Flowchart of control program for the variable rate application.

    JALS-49-255_F9.gif

    PWM output shown on the oscilloscope(a) and RMS and average voltages(b) corresponding to duty cycle of PWM output.

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    Recognition of starting current(over 5A)(a) and reverse electro- motive power(b) that close DSP program.

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    Navigation NED velocities that can be resulted into the ground spray velocity(Vr) during spray rounds.

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    PWM mean voltage response to the ground spray velocity(V0=4.2m/s, A=0.19) with spray on-off selection.

    JALS-49-255_F13.gif

    When the ground velocity exceeded the upper velocity limit(5.0m/s), PWM average voltage responded with the maximum voltage output(11.2V) experienced at the replication 3.

    JALS-49-255_F14.gif

    Linear regressions of reponses for the PWM average voltage and ground spray velocity.

    Table

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