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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.49 No.4 pp.269-282
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2015.49.4.269

Error Analysis of Variable Rate Application Using Unmanned Aerial Spray System

Young Mo Koo*, Hyun Ki Seo
Dept. of Bio-industrial Machinery Engineering, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea
Corresponding author Young Mo Koo Tel: +82-53-950-5788 Fax: +82-53-950-6780 ymkoo@knu.ac.kr
October 4, 2015 August 3, 2015 August 4, 2015

Abstract

Aerial application using unmanned agricultural rotorcraft become a new paradigm of spray application technology, reducing labor force and improving the stability of farm production. Spray application error due to a time lag may occur when the variable rate technology is adapted to the aerial application at a high speed flight. Thus, the adaptability of variable rate technology was evaluated by analyzing the response and error of the variable spray system, adapted to an aerial application system using an agricultural unmanned helicopter. A PWM control system that controls rotating speed of a DC motor was developed, based on the linear response of the PWM output to a ground velocity. Nevertheless the pump pressure linearly responded to the PWM output, a lag time(0.4sec) existed due to a delayed hydraulic pressure build-up. The determined application errors(Evra) were approached to zero over the speed variation, according to the analysis results showing that –0.03% and –0.12% of means, 2.20% and 2.35% of standard deviations for the variable application of forwarding and returning flights, respectively. Therefore, the adaptation of variable rate technology to an aerial application would improve the uniformity of spray.


무인항공 방제시스템의 변량살포 오차분석

구 영모*, 서 현기
경북대학교 생물산업기계공학과

초록

농업 노동력의 절감과 안정적 생산에 기여하는 농용 무인 회전익기를 이용한 항공방제작업은 농작업 의 새로운 패러다임으로 자리 잡고 있다. 정밀농업의 핵심인 변량살포 기술을 항공방제에 적용함에 있 어, 빠른 비행속도로 인해 살포 지연시간이 오차로 이어질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 무인 회전익 기를 이용한 항공방제 시스템에 지면속도 비례 변량살포 기술을 적용함에 있어, 살포장치의 반응을 분 석하고, 살포량 오차를 평가함으로써 변량제어 기술의 적용성을 고찰하였다. 측정된 지면속도와 PWM 출력전압은 선형 비례하였고, PWM 출력과 DC 모터에 의하여 발휘되는 펌프압력 또한 비례하였으나, 유체의 압력 형성에 절대적인 지연시간 0.4sec이 존재하였다. 이에 따른 변량살포 오차(E vra )를 계산한 결과 전진·복귀 각 구간에 대하여 평균은 –0.03%와 –0.12% 이었고, 표준편차는 2.20%와 2.35%를 보 였으므로, 변량제어 기술이 지면속도의 변이문제를 극복하고 제로(0) 오차에 접근함을 확인하였다. 따 라서 변량제어장치의 항공방제에의 적용은 살포균일도를 제고할 수 있을 것으로 판단되었다.


    Ministry for Food, Agriculture, Forestry and Fisheries
    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs

    Ⅰ서론

    정밀농업(precision farming)은 비료나 농약을 IPM(integrated pest management)개념과 VRA (variable rate application)기술을 이용하여 살포함 으로써 생육 및 생산을 관리하고, 환경의 보전과 농 가의 수입을 극대화 하고 있다(Ryu et al., 2006). 정밀농업의 핵심인 변량살포 기술은 추비, 방제, 파 종 및 관개 등 다양한 분야에 걸쳐서 적용이 가능하 고, 경제적 효과뿐만 아니라 적정 살포를 통한 환경 보전 효과도 기대할 수 있는 등 여러 이점이 입증되 었으며, 변량 살포 기술의 발전 가능성과 적용 범위 가 넓어서 여러 분야에 연구가 진행되었다(Lee et al., 2005; Murray & Yule, 2007).

    Anglund & Ayers(2003)는 압력 조절식과 주입 식 변량비례 살포기의 목표 살포율과 이송지연 (transport lag)에 기인한 살포오차의 관점에서 현 장 살포성능을 분석하였다. 연구에서 정량 살포방식 과 압력 변동식 및 주입식 변량비례 살포 기술에 대 한 살포율의 정확도를 비교하였다. 살포 시스템의 평균 살포율은 목표 살포율의 ±2.25% 이내의 오차 범위의 결과를 얻었다. 살포지연은 변압식 변량비례 기술에서는 GPS 신호지연과 밸브 반응지연으로 인 해 발생하였고, 주입식 변량비례 기술에서는 전송지 연이 유체의 유속에 기인하여 발생함을 보였다.

    뉴질랜드의 힐 카운티 지역의 지형은 차량들의 접 근이 어려워서 50년 전부터 추비 살포를 위해 항공 기를 사용하였는데, 임야와 수로 같은 살포목표 이 외의 지역에서는 비료 오염을 방지하기 위하여 목표 이외의 지역에 도달하기 전에 약제의 공급을 차단하 고, 살포 구역에서 다시 살포를 시작하는 시스템을 고안하였다(Yule et al., 2005). 차단거리와 살포 변량거리에 대하여 실험하였는데 차단은 0.5초 이내 에서 이루어 졌으며, 변량 거리는 살포높이, 지면속 도 및 살포 약재의 살포량 등에 의하여 결정되었다.

    지상에서 운행하는 변량살포 시스템이 성공적으로 상용화 된지는 오래되었으나, 빠른 속도로 비행하는 고정익 항공기에서 목표위치에 정밀한 살포는 어려 울 수 있다(Thomson et al., 2009). GPS 수신기의 위치 데이터에 따라 목표지역의 경계에서 분사량을 변화시키기 위해 유량제어기가 빠른 속도로 반응하 여야만 한다. 최근에는 농용 항공기의 GPS 수신기 를 기반으로 한 유량제어 시스템에서 급격한 유량 변화에 대한 효과가 입증되었다. 최근 연구에서 제 어시스템의 반응은 –1.0~2.1%의 오차를 보였고, 살 포율에 있어서는 –3.04%의 평균오차와 –9.1~1.4% 의 오차범위를 보였다.

    Thomson et al.(2010)은 변화하는 유량에 대한 항공 변량살포 제어기의 반응을 평가하고 개선하기 위해 수행되었다. 변량 살포 시스템은 DGPS 기반의 안내모듈, 자동 유량 제어기 모듈(AutoCal II, Houma Avionic, US), 밸브에 의해 압력이 조정되 는 원심펌프로 구성되었다. GPS 수신기는 살포량을 변화시킬 관리 구역의 경계를 식별하고, 비행기의 지면속도를 측정하며 현재 위치를 인식하였다. 필요 한 붐 유량으로부터 계산되는 변이량, 처방속도와 요구량을 소프트웨어를 통하여 AutoCal II 시스템의 자동 유량 제어기에 입력하고 살포펌프의 출력을 조 정하여 변량 살포를 시행하였다. 시스템 반응은 제 어기를 자동 모드로 하여 4개의 처방지역에서 가동 하는 동안 분석되었으며, 평균오차가 제어 알고리즘 수정 전의 6.9%에서 수정 후 1.8%로 감소함에 따라 제어 알고리즘 개선 효과를 입증하였다.

    Koo(2014)는 농용 회전익기에 상용 자세제어기 (DJI Innovations, Ltd. Co., CN)를 적용하였다. 이 무인 회전익기는 변량 항공방제 살포기의 테스트 베드로 사용되었고 살포 균일도를 제고하기 위한 지 면속도 비례 변량살포 기술을 적용한 제어기를 구현 하였다(Koo & Park, 2015). 지면살포속도에 대응하 여 PWM 평균 전압을 선형으로 반응하게 함으로서 DC 모터로 구동되는 펌프의 제어가 가능하게 되었 다. 상기 기체에 변량살포 기술을 적용함에 있어 PWM 제어 반응과 펌프(노즐)압력의 반응을 분석할 필요가 있었다.

    농작업의 살포기술에 있어 균일도의 유지는 약제 의 사용을 줄이면서 효과를 최대로 유지할 수 있는 환경적 및 생산 효율적 영향 요소이다. 따라서 무인 항공방제의 살포효과에 있어 약제의 균일살포는 현 장에서 반드시 성취해야 할 중요한 문제 중 하나이 다. 현재 무선으로 조종하는 무인 회전익기를 이용 한 살포작업에서 등속을 유지하는 임무는 조종자에 있어 어려운 작업이며, 특히 소규모 필지의 짧은 경 로(약 50m)에서 무인 항공방제 시에는 연속된 전진 가속, 정지, 선회 후 복귀 가속의 과정에서 등속을 유지하기가 어려우므로 불균일 살포를 초래할 수 있 다. 그 대책으로 비례제어 변량살포 기술을 도입하 여 등속을 유지하기 어려운 살포비행에 대한 균일도 를 제고함으로써 방제효과를 향상시키고, 낭비되는 약제를 줄임으로써 친환경 농업에도 긍정적일 것으 로 기대한다.

    따라서, 본 연구의 목적은 Koo & Park(2015)에 의해 개발된 지면속도 비례 변량 제어 기술을 적용 하여 살포장치의 반응을 분석하고, 살포량 오차를 평가함으로써 변량제어 기술의 무인 항공방제에의 적용성을 고찰하는데 있다.

    Ⅱ재료 및 방법

    2.1.변량제어의 실험변수

    변량 살포(variable rate application) 제어기술은 GPS 또는 관성항법 시스템(INS)을 사용하여 살포 지면속도(ground velocity)를 감지하고, 이에 비례 하여 살포량을 조제용량에 맞추어 균일한 방제가 이 루어지도록 하는 기술이다. 이 시스템은 처방사양에 따른 고도의 정밀 농작업을 가능하게 할 수 있는 인 프라 기술로서, 작업(살포)속도에 따라 시간당 살포 량, 즉 노즐의 분무량(discharge rate)과 비례의 관 계를 유지해야 한다.

    Koo & Park(2015)에 의하여 구현된 변량제어기 에는 델피노® 개발 보드(EVM, SyncWorks Ltd. Co., KR)와 PWM 모터모듈(V130, SyncWorks, KR)이 사용되었고, Fig. 1에서 보는 바와 같이 변량 제어 비례식의 변수들에 목표속도(Vo)는 4.0m/s, 제어 범위율(A)은 0.3으로 설정되었다. 따라서 하한 속도(VL )와 상한속도(VU )는 각각 2.8m/s와 5.2m/s 이었고, 대응하는 버퍼 하한값(BL )과 상한값(BU )은 각각 2,200과 3,650으로 하였다. 즉, 펄스폭 변조 의 사용주기(duty cycle)는 각각 58.7%와 97.3%에 해당하였고, 이때 공급전압(Vs )을 15V로 하면 PWM 평균 출력전압의 상한과 하한 전압은 각각 8.8V와 14.6V로 대응되었다. 따라서 프로그램에 사용된 변 량 비례식은 식 (1)과 같다.

    B = F × V + K
    (1)

    여기서, B: 버퍼값

    V: 살포 지면속도 (m/s)

    F: 비례식의 기울기(604.17)

    K: 절편(508.3) 이었다.

    본 연구에서는 속도허용범위(A=0.3)를 충분히 넓 게 설정하여 넓은 범위에서 반응의 행태를 보았고, 버퍼값의 범위(ΔB = BU -BL =1,450)도 최대로 넓게 확장하여 조종자의 애로를 경감할 수 있게 하였다. 그러나 이 범위들은 모터의 전압한계와 노즐의 분무 비율 성능에 의하여 제한된다.

    2.2.살포비행 실험

    Table 1은 변량제어 비행 실험에 사용된 공시 농용 무인 회전익기의 제원이고, Fig. 2는 실험 비 행 장면과 실험장치가 장착되어 있는 모습을 나타 낸 것이다. 변량제어 실험을 위한 비행은 대구 금 호강 검단비행장에서 수행하였다. Fig 3은 항법시 스템에서 얻은 비행경로 데이터를 위성사진 지도 (http://map.daum.net)에 중첩하여 나타낸 것으로, ① ~ ④ 포인트에 깃발을 설치하여 비행방향과 비 행동작 위치를 표시하였다.

    무인 회전익기는 시작점(home)에서 정지비행으로 준비하고 목표속도 4.0m/s를 중심으로 ±30%의 속 도범위에서 가·감속하도록 하였다. 포인트 ①에서 가속하며 속도범위를 넘지 않게 비행하여 ②에 가까 워지면 감속을 하고 ③포인트까지 선회한 후 다시 가속 및 감속으로 ④포인트로 귀환한 후 착륙하는 방법으로 비행하였다. 본 연구에서는 변량제어기의 반응을 분석할 목적으로 등속 비행보다는 허용된 비 행속도 범위에서 가·감속하여 가능한 허용속도범위 (2.8~5.2m/s)를 포괄하도록 계획하였다. ①-②구역 과 ③-④구역에서는 허용 속도범위까지 가속 및 감 속하는 비행을 하였는데 각 구역의 포인트간 직선거 리는 50m이었다. 살포비행의 전 과정 80초를 7단계 로 나누어 Table 2에 단계별 시간기록, 누적 비행시 간 및 해당 단계의 비행동작과 사건을 나타내었으 며, 각 단계는 Fig. 8에 지면합속도와 조견하여 보 였다.

    오차분석 연구 목적상 무인 회전익기가 이륙 후 정지비행 중에 VRA 살포 스위치를 켜고, 복귀하여 착륙 후 살포 스위치를 껐다. 그러나 실제 살포 비 행에서는 ①-②구간에서 살포스위치를 켜고(on) 비 행한 후, ②-③구간에서는 살포스위치를 끄고(off) 선회하고, ③-④구간에서 다시 켜서(on) 실험을 수 행하였다.

    2.3.지면속도 및 펌프압력 반응의 측정

    Koo & Park(2015)가 사용한 관성항법시스템 (INS)은 관성센서(IMU: 3DM-GX3-45, MicroStrain Co., US)와 GPS(SMA antenna, Gilsson Technologies, US)로 구성되었다. Fig 4에 보는 바와 같이 회전익 기 테일붐에는 GPS를 장착하였고, IMU는 기체 중 심부에 위치시켜 비행 운동역학적 변수들을 측정하 였다. INS는 지면속도를 NED(north- east-down) 속도로 추정하고, 남북향속도(VN)와 동서향속도(VE) 를 합성하여 제어 프로그램에 적용하였다.

    Fig. 4의 변량제어기에는 블루투스 시리얼 통신 송신안테나(Parani-ESD, SeNA Tech., KR)가 설치 되어 있어 비행운동 데이터를 지상 모니터링 시스템 (GMS)으로 전송하고 속도를 감시하도록 하였다. 이 와 같이 비행 중 GMS를 통하여 습득한 지면속도를 조종자에게 무선으로 고지함으로써 비행속도가 허용 범위 안에서 충실히 비행하도록 하였다.

    살포비행 지면속도에 따른 DC 모터의 PWM 제 어 반응을 분석하기 위해서 PWM 출력 전압과 펌 프의 압력을 측정하였다. 펌프의 모터를 구동하는 PWM 출력전압은 파형으로서 데이터 로거를 통하 여 측정하기 곤란하므로 Fig. 5의 저역통과필터 (LPF) 회로를 통과하게 함으로써 파형전압을 아날 로그 평균전압으로 변환하였다. 또한 PWM 평균 출력전압은 사용된 데이터로거(CR850, Campball Scientific Inc., US)의 A/D변환기의 입력전압의 허용한계(5,000mV)를 초과하므로 감압기(voltage divider)를 사용하여 측정범위의 전압으로 낮추어 측정하였다. Fig. 5에 나타낸 감압기에는 240kΩ 과 100kΩ의 저항치를 사용하였으므로 PWM 평균 출력전압을 3.4로 나눈 값을 데이터로거에 입력할 수 있었다.

    또한 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 상기 DC모터에 대한 PWM 제어가 적절한 폄프의 구동과 변량제어 의 반응으로 이어지는지를 분석하기 위하여 압력변 환기(PX181-100G5V, OMEGA Engineering, US)를 펌프출구와 노즐 사이에 장착하였다.

    PWM 평균전압과 압력변환기로부터의 출력신호 전압을 측정하고 저장하기 위하여 Fig. 6과 같이 데 이터로거를 무인 회전익기에 장착하였다. 데이터는 100ms 간격으로 측정하였고, PWM 평균전압과 압 력변환기 출력 전압은 각각 A/D 채널1과 2를 사용 하여 측정되었다. 개발된 제어장치의 성능을 평가하 기 위하여 지면속도에 대한 펌프압력의 반응 지연시 간을 비교하여 분석하였다. PWM 전압 반응과는 다 르게 유체의 반응은 압력형성에 절대적인 지연시간 (lag time)을 필요로 하기 때문에, 가속하는 부분은 선형대각선 아래쪽에 분포하고, 감속하는 부분은 위 쪽에 분포할 것으로 예상한다. 인위적으로 지연시간 을 제거할 때에 회귀선은 선형대각선으로 접근하게 되므로 지연시간을 분석할 수 있게 된다. 또한, 펌 프압력 즉 노즐압력을 측정함으로써 분무량(살포량) 을 예측할 수 있다.

    무인 항공살포 시스템에 사용된 펌프(HC-2203, Hai Cheng Electronics Co., CN)는 다이아프램 (diaphragm) 펌프로서 화학액제를 압출하기에 적 당하며, 최고 550kPa 압력에서 2.6L/min의 유량 을 토출할 때 정격전류는 2.1A이다. 반응 실험을 위해 살포 시스템에는 범람노즐(TF-VS2, Spraying Systems Co., US)을 사용하였으며, 토출량은 207kPa(30psi)에서 1.32L/min(0.35gpm)이었다. 실 제 살포에는 0.3∼0.4L/min 토출량의 쌍선형이나 콘형 노즐 4개를 설치하여 살포 작업을 수행하지만, 실험 편의상 4개의 살포노즐에 상당한 토출량을 갖 는 범람노즐 1개로 대신하였으며, 유체는 분사노즐 을 통하여 다시 탱크로 순환되도록 유동회로를 구성 하였다.

    2.4.PWM제어반응 및 살포오차의 분석

    2.4.1.제어반응의 회귀분석

    제어반응의 회귀분석구간은 살포지면 속도가 변이 허용범위에 들어간 비례반응 구간만을 사용하였다. 전압출력 반응에는 독립변수인 살포속도에 대한 종 속변수인 PWM 평균전압의 회귀분석이 이루어졌고, 식 (2)의 일차 회귀식이 사용되었다.

    Volt = a 1 × V + b 1
    (2)

    여기서, Volt : PWM 평균 전압(V)

    V : 살포지면속도(m/s)

    a1, b1: 일차 회귀식의 계수

    펌프압력의 반응에는 PWM 평균전압에 대하여 종 속변수인 펌프압력의 회귀분석이 이루어졌고, 식 (3)의 일차 회귀식이 사용되었다..

    P = a2 × Volt + b2
    (3)

    여기서, P : 펌프 압력(kPa)

    a2, b2: 일차 회귀식의 계수

    2.4.2.PWM 제어반응 오차분석

    PWM 제어반응 오차는 변량제어에 대한 오차 를 의미하며 식 (4)에서 보는 바와 같이 살포속 도(Vmeas )에 따른 요구전압(Voltreq )과 반응전압 (Voltmeas )간의 차이에 의해서 정의되며, 실제 측정 된 반응전압(Voltmeas )이 낮으면 음(-)의 오차를 보 인다.

    E vrsp = Volt meas Volt req Volt req × 100 %
    (4)

    여기서, Evrsp : 변량제어의 전압 반응 오차

    Voltmeas : 반응 실전압(V)

    Voltreq : 회귀식으로 부터 계산된 요구전압(V)

    요구전압(Voltreq )은 식 (2)의 PWM 평균전압에 대한 회귀식(regression equation)에 의하여 산출된 비행 제 1구간에 대한 회귀식 식 (7)을 사용하였다. 제어반응의 오차분석 구간 또한 살포지면 속도가 변 이 허용범위에 들어간 비례반응 구간의 데이터만을 사용하였다.

    2.4.3.살포오차 분석

    살포 오차분석을 위하여 다음과 같은 오차들을 정 의하여 적용하였다. 관행적인 정량 살포시 오차는 노즐의 분무율(Qn )이 일정하게 유지되므로 살포율 (Ar )은 목표속도(Vo )와 실제측정 살포속도(Vmeas )의 차이에 의하여 나타난다. 즉, 정량 살포오차는 식 (5)와 같이 표시되며 실제속도가 목표속도보다 빠르 면 살포율을 낮아져서 음(-)의 오차를 보이게 된다. 이는 변량방제의 오차 정도와 비교하였다.

    E cra = Q o Q meas Q o × 100 = V o V meas V o × 100 %
    (5)

    여기서, Ecra : 정량 관행살포시 속도변이에 대한 오차

    Vo ,Qo : 목표 살포속도 및 대응 토출량 (m/s, L/min)

    Vmeas , Qmeas : 측정 살포속도(V ) 및 대응 토출 량(m/s, L/min)

    변량살포시 오차는 노즐의 분무율(Qn )과 살포속 도(V )의 비율이 일정하게 유지되도록 추구되므로, 살포율(Ar )의 오차는 살포속도(Vmeas )에 대응하는 요구 분무율(Qreq )과 실제 분무율(Qmeas )의 차이에 의하여 결정된다. 분무율은 폄프압력의 제곱근으로 표시되므로 식 (6)에서 보는 바와 같이 살포속도 (Vmeas )에 요구 압력의 제곱근( P req )과 반응 압 력의 제곱근( P meas )간의 차이에 의해서 정의되 며, 반응 분무량(Qmeas )이 낮으면 음(-)의 오차를 보인다.

    E vra = Q meas Q req Q req × 100 = P meas P req P req × 100 %
    (6)

    여기서, Evra : 변량 제어살포시 유량/속도 비율 변이에 대한 오차

    Q meas = c P meas : 실압력 으로부터 예측된 노즐 분 무율(L/min)

    Q req = c P req : 회귀식 으로부터 예측된 요구 분 무율(L/min)

    c : 노즐의 토출계수(discharge coefficient)

    Pmeas : 실 계측압력(kPa)

    Preq : 회귀식으로부터 계산된 요구 압력 (kPa)

    여기서, 사용된 TF-VS2 살포노즐에 대한 토출계 수(c)는 0.09174였으나 오차계산에서는 상쇄되는 변 수이다. 요구 압력(Preq )은 식 (3)의 펌프압력에 대 한 회귀식에 의하여 산출된 비행 제 1구간에 대한 회귀식 식 (8)을 사용하였다. 회귀식의 요구전압 (Voltreq )은 상기한 PWM 평균 출력전압에 대한 회 귀식 식 (2)를 사용하였다. 또한, 살포 오차분석 또 한 살포지면 속도가 변이 허용범위에 들어간 비례반 응 구간만을 사용하였다.

    Ⅲ결과 및 고찰

    3.1살포비행의 지면속도

    Fig. 3에 보인 바와 같이 농용 회전익기는 북서 (NW)향으로 전진 비행하여 ②와 ③의 선회 포인트 를 돌아서, 남동(SE)향으로 귀환하는 비행을 하였 다. Fig. 7은 실험 살포비행에 대응하여 지면좌표계 로 표시된 농용 회전익기의 NED 속도이다. 전진비 행(①~②)에서는 양(+)의 남북향속도(VN)가 두드러 졌으며, 선회 후 귀환비행(③~④)에서는 양(+)의 동 서향속도(VE)가 주를 이루었다.

    Fig. 8에는 전구간의 살포비행에서 남북향속도 (VN)와 동서향속도(VE)를 이용하여 계산된 지면 합속도(Vr)를 표시하였고, 관심 비행구간을 7단계 로 나누어 Table 2에 설명된 각 단계의 비행 운 동의 기록과 사건들을 조견하였다. 실험 비행은 총 80sec로 기록되었으며, (1)-(2)구간에서 정지 비행(hovering)과 살포명령을 준비하였고, (3)-(4) 구간에서는 전진살포의 가속과 감속을, 곧 이어 선회하여 (5)구간에서 복귀살포를 위한 가·감속 을, (6)-(7)에서는 원점(home)으로 되돌아와 착 륙하였다. 실제 변량 비례살포 작업은 (3)-(4)- (5)구간에서 수행되었으며, 선회시 속도가 하한 속도(2.8m/s) 이하였을 때는 하한 기본전압으로 살포가 이루어졌다. 반응 및 오차 분석의 경우 선 회시 속도하한선 이하구간(2395-2399sec) 4초를 제외하였는데 이는 반응이 비례적이지 않기 때문 이었다.

    3.2.PWM 전압과 펌프압력의 반응

    Fig. 8은 살포 시간 80sec 동안 실험에서 측정한 지면 살포속도에 대한 PWM 평균전압 및 펌프압력 의 반응을 나타내었다. VRA 제어시스템이 켜지고 GPS의 수신이 시작되면 지면 살포속도의 측정은 계 속하여 이루어졌다. 이어서 무선 조종기의 살포 단 속 스위치를 켜는(on) 순간(@2367sec) PWM 기본 평균전압이 출력되며 펌프의 작동과 최저기본 압력 이 형성되었다. 스위치가 켜있는(on) 상태에 있으면 서 살포속도가 하한선(VL =2.8m/s) 이하에 있으면 버퍼하한선(BL =2,200)에 해당하는 기본 평균전압 8.8V를 출력하고, 이에 해당하는 기본 펌프압력(약 155kPa)으로 반응함을 알 수 있었다.

    비행속도가 허용속도범위에 들면서 지면속도에 비례하여 전압과 압력이 증가하기 시작하였고, 살 포구간 끝에 가까워지면서 감속하므로 전압과 압 력이 비례하여 감소하였다. 비행 중 선회로 인하여 지면속도가 하한속도 이하로 내려가면서(@2395- 2399sec) 4sec간 전압과 압력이 기본 값으로 다시 측정되었으나, 선회 후 다시 속도의 가·감속에 비 례하여 증감하였다. 실험에서 측정된 최대 지면속 도는 4.8m/s, 상한속도 5.2m/s 이내에서 비행이 이루어져서 비행 중 측정된 PWM 평균전압의 최대 값은 약 13.6V이었으며, 해당하는 최대 압력측정 값은 약 277kPa이었다.

    반응 분석의 경우 회전시 살포지면 속도가 변이 허용범위에 들어간 구간을 선택하여 전진비행 제 1 구간(the 1st region of forwarding flight: 2382- 2394sec) 12초와 복귀비행 제 2구간(the 2nd region of returning flight: 2399-2410sec) 11초로 구분 하여 분석하였다.

    Fig. 9에는 지면속도와 PWM 평균전압 사이 의 관계를 나타냈는데, Fig. 9(a)에 보인 전진 (forwarding flight) 제1구간에 대한 회귀식은 식 (7)과 같고, 결정계수(R2)는 0.99895 이었다.

    Volt = 2.5281 × V + 1.4644
    (7)

    또한 복귀 구간(returning flight)에서의 관계는 Fig. 9(b)에 나타내었다. 이 결과는 지면 살포속 도와 PWM 평균전압, 즉 DC 모터 구동 출력은 높 은 상관관계를 보였다. 제 1구간의 회귀식은 제어 반응 오차를 계산할 때 필요한 요구전압(required voltage)을 예측하는 회귀식에 인용되었다.

    PWM 평균전압과 펌프압력 사이의 관계를 Fig. 10에 나타내었다. 결정계수(R2)는 0.9607로 두 변 수 간에 상관이 크다고 할 수 있으나 루프형태를 보 이고 있다. 이러한 경향은 PWM 평균전압과 펌프압 력의 반응에서 응답지연이 있어 발생하는 것으로, 가속하는 부분은 선형대각선의 아래쪽에 분포하고 감속하는 부분은 위쪽에 분포하여 지연이 있었음을 알 수 있었다. 이는 가속시 펌프압력의 반응이 요구 되는 압력보다 낮게 나타나고, 감속시에는 반대로 나타나는 현상으로 설명되었다. 전기적인 반응과는 다르게 유체의 반응은 압력형성에 절대적인 유체역 학적 지연시간을 필요로 하기 때문이다.

    인위적으로 지연시간을 제거하여 선형대각선에 근접하게 함으로써 응답지연 시간은 0.4sec으로 확 인되었고, 지연시간을 제거한 PWM 전압과 펌프 압력간의 관계 그래프를 Fig. 11에 보였다. Fig. 11(a)는 제 1구간에 대한 지연시간이 보정된 상관 그래프로서, 회귀식은 식 (8)과 같고, 결정계수(R2 ) 는 0.99612로 상관이 지연보정 이전보다 커지는 경 향을 보였다. 이 제 1구간의 회귀식은 살포오차를 계산할 때 필요한 요구압력(required pressure)을 예측하는 회귀식에 인용되었다.

    P = 25.471 × Volt 69.232
    (8)

    3.3.제어 반응 및 살포율의 오차분석

    3.3.1.PWM 제어반응 오차

    Fig. 12는 식 (4)에서 정의한 PWM 평균전압의 지면 속도에 대한 반응오차를 보였다. 본 실험의 데이터 측정 시간간격은 100ms이었고, 일반적인 전 기적 지연시간은 이보다 수 10-100배 빠른 반응을 예상하므로 제어기의 전기적 지연시간에 대하여는 분석하지 않았다. 반응오차의 분석은 전진 제 1구간 (2382-2394sec) 12초와 복귀 제 2구간(2399-2410sec) 11초로 구분하였으며, DC 모터를 구동하는 PWM 평 균 전압은 빠른 전자적 반응을 보였고, 오차의 정도 는 Evrsp = ±1% 이내로 나타났다.

    3.3.2.정량 및 변량 살포율 오차

    정량 살포오차 분석은 변량살포 오차분석과 함께 선회구간(2395-2399 sec)을 제외하고 상기와 같은 두 구간으로 나누어 분석하였다.

    Fig. 13에는 식 (5)와 (6)에 각각 정의한 관행살 포의 정량 살포오차 및 변량제어의 변량살포 오차를 비교하였고, 통계분석 결과를 Table 3에 보였다. 정 량살포의 경우 목표속도(Vo ) 이하의 속도에서는 양 (+)의 오차를 보이는데, 이는 느리게 살포하면 단위 면적에 대하여 조제 살포량 보다 많이 뿌리게 되기 때문이다. 목표속도 이상에서는 목표살포량 보다 적 은 살포량을 뿌리게 되어 음(-)의 오차를 나타내게 된다. 변량살포에서는 이론적으로 허용 속도 범위에 서는 속도의 변이를 노즐 분무량이 보상을 하므로 오차가 없지만 가속구간에서는 펌프압력이 미처 속 도의 상승분을 따라가지 못하는 지연(lag)이 생기므 로 음(-)의 오차를 초래하며 반대의 경우 양(+)의 오차를 초래하였다.

    제 1구간에서는 정량살포의 경우 Ecra 의 평균은 -0.93, 표준편차는 14.68를 보였고, 변량살포의 경 우 Evra 의 평균은 -0.03, 표준편차는 2.2를 보였다. 제 2구간에서의 Ecra 의 평균은 10.11로서 평균에 대 한 1구간과의 차이는 살포지면속도의 변이 정도차이 와 관련 있었으나, 표준편차는 12.39로서 유사하였 다. 살포율의 균일도에 있어 약 10% 이하의 목표를 두고 있기 때문에 정량살포의 경우는 불균일한 살포 율을 예상할 수 있다. 제 2구간에서의 Evra 의 평균 은 –0.12, 표준편차는 2.35로서 제 1구간과 비슷한 정도의 오차를 보였다. 이는 변량제어에 있어서는 지면속도의 변이에도 불구하고 제로(0) 오차에 접근 함을 알 수 있었다.

    이러한 결론은 오차의 최대·최소치의 범위들을 비교해볼 때 정량살포 방법은 불균일 살포의 가능성 을 극명하게 나타내고 있으나, 반면 변량제어의 경 우는 정량살포에 비하여 1/4~1/5 정도의 편차 범위 를 나타내고 있으므로 살포 균일도 제고에 기여할 것으로 생각된다.

    3.4.변량제어 적용성 고찰

    정밀농업의 핵심인 변량살포 기술은 방제 분야에 적용이 가능하고, 경제적 효과뿐만 아니라 적정 살 포를 통한 환경 보전 효과도 기대할 수 있는 등 여 러 이점이 입증되었다(Lee et al., 2005; Murray & Yule, 2007). 지상에서 운행하는 변량살포 시스템이 성공적으로 상용화 되었으나 빠른 속도로 비행하는 항공방제의 경우는 지연시간의 문제로 살포오차가 예상되었다(Anglund & Ayers(2003), Thomson et al,. 2009). 따라서, 본 연구에서는 테스트베드로 개발된 무인 회전익기를 이용하여 변량살포 기술을 적용함에 있어 변량제어기와 펌프압력의 반응과 오 차를 분석하였다.

    측정된 지면속도와 PWM 평균전압은 높은 상관도 를 가지고 선형 비례하였다. 또한 PWM 평균전압과 DC 모터에 의하여 구동되는 펌프압력은 높은 상관 도를 보이며 선형비례 반응을 보였으나, 유체의 압 력 형성에는 절대적인 지연시간(0.4sec)이 존재함을 알 수 있었다. 이에 펌프의 지연반응에 대한 살포량 의 오차를 추정하고, 정량살포 오차와 비교함으로써 변량제어 기술의 적용의 타당성을 검토하였다.

    오차분석을 위하여 살포비행에서 지면속도에 최대 한의 변이를 주었고 그 반응에 대한 살포율의 오차 를 정량살포 오차(Ecra )와 비교한 결과, 정량살포 오 차(Ecra )의 표준편차는 분석 구간 1과 2에서 각각 14.68와 12.39이었고, 변량살포 오차(Evra )의 표준편 차는 2.20과 2.35로 나타나 변량제어의 기술은 살 포속도변이에 대하여 살포율 오차를 크게 저감시킨 것으로 나타났다. 또한 변량살포 오차(Evra )의 평균 은 각 구간에 대하여 –0.03과 –0.12로 나타나 변량 제어 기술이 지면속도의 큰 변이를 극복하고 제로 오차에 접근함을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 농용 회전익기를 이용한 항공방제에 변량제어 기술 을 적용함에 있어 살포 불균일을 해소할 수 있는 정 도의 살포오차를 보였다. 따라서 변량제어장치의 항 공방제에의 적용은 살포 균일도를 제고할 수 있을 것으로 판단되었다.

    변량살포 기술에서 목표속도를 중심으로 제한된 속도범위 한도 내에서 비행하는 것은 살포율 오차를 안정시키는 핵심요소임을 알 수 있었다. 따라서 조 종자가 범위 내 등속 추구 비행을 할 수 있는 방안 에 대한 연구개발은 이후 추구해야할 연구과제이다.

    Figure

    JALS-49-269_F1.gif

    Determination of buffer value and PWM average voltage corresponding to ground velocity.

    JALS-49-269_F2.gif

    An aerial application test-bed for evaluating the variable rate application error.

    JALS-49-269_F3.gif

    A flight path during the evaluation test of the variable rate application system. Unmanned rotorcraft started flying from point① towards point②, then turned to③ and finished at point④.

    JALS-49-269_F4.gif

    An inertial navigation system(INS) integrated with (a) GPS(solid circle) and (b) IMU, and a bluethooth antenna(dashed circle) transmitting data to the ground monitoring system(GMS).

    JALS-49-269_F5.gif

    Circuit diagram of a low pass filter(LPF) and voltage divider for measuring PWM output voltage.

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    A pressure transducer(solid circle) and data-logger(dashed circle) mounted on the rotorcraft fuselage for measuring pump pressure and PWM average voltage.

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    NED velocities of an experimental aerial spray along the flight path.

    JALS-49-269_F8.gif

    Responses of PWM average voltage and pump pressure to the resultant ground velocity during 80sec of the flight path at seven maneuvering regions of an experimental aerial spray round.

    JALS-49-269_F9.gif

    Responses of the PWM average voltage to resultant ground velocity in the (a) forwarding and (b) returning regions.

    JALS-49-269_F10.gif

    Responses of pump pressure to the PWM average voltage, showing delay lag(loop) in the (a) forwarding and (b) returning regions.

    JALS-49-269_F11.gif

    Time lag(0.4sec) adjusted regression of PWM average voltage and pump pressure during (a) the 1st forwarding region and (b) the 2nd returning region.

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    Response errors(Evrsp ) of PWM average voltage to the ground velocity during (a) the 1st forwarding region and (b) the 2nd returning region.

    JALS-49-269_F13.gif

    Comparison of the application errors for the constant(Ecra ) and variable(Evra ) rate applications during (a) the 1st forwarding region and (b) the 2nd returning region.

    Table

    Specification and dimension of a test-bed for evaluating the variable rate application system using an unmanned agricultural rotorcraft.

    Operating events and flight maneuvering during the experimental spray round were identified by seven separated regions.

    *The spray application error was analyzed for the shaded regions, referring to Fig. 8.

    Comparison of errors for the constant rate application(Ecra) and variable rate application(Evra) during the regions of forwarding and returning flights.

    *standard deviation

    Reference

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