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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.50 No.6 pp.191-204
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2016.50.6.191

Feasibility of Variable Rate Application to the Ground Speed Variation of an Agricultural Helicopter

Young Mo Koo*
School of Agricultural Civil and Bio-industrial Engineering, Kyungpook National University, Daegu, 41528, Korea
Corresponding author : Young Mo Koo +82-53-950-5788+82-53-950-6780ymkoo@knu.ac.kr
October 16, 2016 November 11, 2016 November 23, 2016

Abstract

The technology of variable rate application(VRA) a core of precision agriculture, was feasible to the field of spraying that many benefits have been expected from then the environmental conservation effect as well as economic impact through an appropriate application. However, a key element in the technology of VRA to settle the error of application rate is that the ground speed should be limited within ranges around a target speed. Practically the variation of ground speed should be allowed within ±13% to the target speed, thus the feasibility of manual, autopilot and way-point guidance flight modes are evaluated to be adapted to VRA system developed by Koo & Park(2015). When comparing the quality of constant speed for flight modes, the manual and auto pilot modes showed large deviations from the target speed, that is respectively 18.1 and 16.1% of PR(percent range) because the real-time speeds are not monitored. However, the feasibility of the way-point was proven because of 6.5% in PR value. In addition, the CVs(the coefficients of variance) were similarly low for the both auto pilot and way-point modes, so that the auto pilot would also show the feasibility to be adapted with the VRA system when the real time speed is provided to operator in the future study.


농용 무인 헬리콥터의 살포속도 변이와 변량 방제살포 시스템의 적용성 고찰

구 영모*
경북대학교 농업토목·생물산업공학부

초록

정밀농업의 핵심인 변량살포(VRA) 기술은 방제 분야에 적용이 가능하여, 경제적 효과뿐만 아니라 적정 살포를 통한 환경 보전 효과도 기대할 수 있는 등 여러 이점이 입증되었다. 그러나 변량살포 기술에서 목표속도를 중심으로 제한된 속도범위 내에서 비행하고 살포율 오차를 안정시키는 것이 핵심요소이다. 본 연구의 이론에서 현실적으로 목표속도에 대하여 ±13% 정도의 속도변이를 허용할 수 있을 것으로 판 단되었고, Koo & Park(2015)가 개발한 변량살포 제어시스템에 수동(manual), 자동(auto pilot), 경로안 내(way-point guidance) 등 세 가지 비행모드의 적용성에 대하여 고찰하였다. 비행제어 모드에 따른 등 속 비행에 대한 속도의 질을 비교하면, 수동과 자동은 실시간 속도를 모니터링 하지 않으므로, 두 경우 모두 평균 비행속도가 목표속도와 큰 편차를 보일 가능성이 있었다. 즉 범위율(PR)이 각각 18.1 및 16.1%로 나타났으나, 경로안내 모드에서는 6.5%로 나타나서 변량살포 제어시스템에의 적용성이 증명되 었다. 자동 및 경로안내 모드에 대한 변이계수(CV)가 비슷하므로, 자동모드 또한 비행속도의 모니터링의 방법을 조종자에게 추가로 제공한다면 변량제어 시스템과의 적용성을 보일 것으로 생각된다.


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

    서론

    정밀농업(precision agriculture)은 영농의 생산성 과 이익을 제고하면서 동시에 환경과 생태계에 미치 는 영향을 고려해야 한다. 정확한 양의 종자, 관수 및 농약을 적절한 시기에 정밀한 방법으로 적용할 때 농작업의 관련 사이클 체계에서 이득으로 이어진 다. 결과적으로, 정밀농업 관리체계는 지속가능한 농업의 핵심이 되고 있다(Whelan & Taylor, 2013). 정밀농업은 비료나 농약을 융합방제관리(IPM) 개념 과 변량살포(VRA) 기술을 적용함으로써 생육 및 생 산을 관리하고, 환경의 보전과 농가의 수입을 극대 화 하고 있다. 정밀농업의 핵심인 변량살포 기술은 추비, 방제, 파종 및 관개 등 다양한 분야에 걸쳐서 적용이 가능하고, 경제적 효과뿐만 아니라 적정 살 포를 통한 환경 보전 효과도 기대할 수 있는 등 여 러 이점이 입증되었으며, 변량 살포 기술의 발전 가 능성과 적용 범위가 넓어서 여러 분야에 연구가 진 행되고 있다(Lee et al., 2005; Ryu et al., 2006; Murray & Yule, 2007).

    위성, 기구, 무인비행체 또는 회전익기 등 항공시 스템은 농작업의 관리를 돕는 데이터 획득 및 농업 지도 등에 사용되는 기본체계이다. 항공기본체계는 농작업과 이와 관련된 농지조사 등에 필요한 시간을 현저하게 줄일 수 있으나, 이러한 체계가 비용, 이 용성과 현실화 과정에 있어 제한되고 실용적이지 못 하여 왔다(Stafford, 2000). 그러나 최근에 들어서 Sugiura et al.(2005), Zhang & Kovacs(2012)Senthilnath et al.(2016)등의 연구에서 무인비행체 계가 경제적이며 실용적인 영상 대체기술 및 방제기 술로 구현되었다.

    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. 현실적으로 무선으로 조종하는 무인 회전익기를 이용한 살포작업에서 등속을 유지하는 임무는 조종 자에 있어 어려운 작업이며, 특히 소규모 필지의 짧 은 경로(약 50m)에서 무인 항공방제 시에는 연속된 전진가속, 정지, 선회 후 복귀 가속의 과정에서 등 속을 유지하기가 어려우므로 불균일 살포를 초래할 수 있다. 그 대책으로 비례제어 변량살포 기술을 도 입하여 등속을 유지하기 어려운 살포비행에 대한 균 일도를 제고함으로써 방제효과를 향상시키고, 낭비 되는 약제를 줄임으로써 친환경 농업에도 긍정적일 것으로 기대하였다. 이에 Koo & Park(2015)은 델피 노® 개발보드와 PWM 모터모듈을 사용하여, 변량살 포장치의 제어에서 연결합된 관성센서(IMU)와 GPS 를 이용한 관성항법시스템(INS)으로 무인 헬리콥터 의 살포 지면속도를 측정하였으며, 측정된 지면속도 와 PWM 평균전압은 높은 상관도를 가지고 선형 비 례하여 DC 모터의 회전속도를 조절할 수 있는 변량 제어를 구현하였다.

    Koo & Seo(2015)는 테스트베드로 개발된 무인 헬리콥터를 이용하여 변량살포 기술을 적용함에 있 어 변량제어기와 펌프압력의 반응과 오차를 분석하 였다. 유체의 압력 형성에는 절대적인 지연시간이 존재함을 확인하였다. 이에 펌프의 지연반응에 대한 살포량의 오차를 추정하고, 정량살포 오차와 비교함 으로써 변량제어 기술 적용의 타당성을 검토하였다. 변량제어 기술이 지면속도의 큰 변이를 극복하고 변 량살포 오차가 제로에 접근함을 확인하였다.

    한편 살포시스템의 유체역학적 특성과 노즐의 미립 화 범위는 항공기의 속도변이의 정도를 제한하게 되 므로 변량살포 기술에서 목표속도를 중심으로 제한된 속도범위 한도 내에서 비행하는 것은 살포율 오차를 안정시키는 핵심요소이다. 등속제어기술은 무인자율 주행 차량의 순항 속도제어에 실용적으로 적용되어 왔으며 주행트랙의 곡률과 무인차량의 목표속도를 결 정하는 PID제어와 Fuzzy이론을 적용하여 가감속의 입력시점을 결정하는 알고리즘 개발하였다(Kim et al., 2005; Kim et al., 2012a). 이러한 등속제어는 항공기에도 적용되어 왔고, 최근 무인기에도 활발하 게 적용되고 있다. Kim et al.(2012)b은 무인 헬리콥 터의 자동비행 요소에 대하여 제자리(hovering) 비행 모드, 순항(cruise) 비행모드 및 경로(way-point) 비 행모드의 형태로 구성하였다. 경로 안내비행 모드에는 다양한 알고리즘들이 적용되어 경로와 등속을 유지하 는 기능들이 개발되었는데, Yang et al.(2009)은 LQR(linear quadratic regulator)이론을 바탕으로 한 SDRE(state dependent Riccati equation)기술이 적용 되어 신뢰도를 높였다. 또한 Yun(2004)은 틸트로터 시스템의 비행모드에 적용된 동역학모델 역변환 (dynamic model inversion) 기법을 신경망회로 이론 과 결합하여 안정적인 속도제어를 구현하게 되었다.

    Koo(2014)는 농용 헬리콥터에 상용 자세제어기 (ACE, DJI Innovations, Ltd. Co., CN)를 적용하 였다. 이 자세제어 시스템은 수동 및 자동 자세모드 를 선택하여 조종자의 살포작업을 도울 수 있으며, 또한 경로안내 비행모드를 추가 구성하여 보다 안정 적인 등속 조종을 가능하게 하였다. 이 무인 헬리콥 터는 변량 항공방제 살포기의 테스트베드로 사용되 었고 살포 균일도를 제고하기 위한 지면속도 비례 변량살포 기술을 적용한 제어기를 구현하였다(Koo & Park, 2015).

    따라서, 본 연구의 목적은 지면속도 비례 변량제 어기술을 무인 항공방제에 적용함에 있어 경로안내 (way-point guidance) 등속시스템을 포함한 비행 모드의 살포속도의 변이 정도를 비교평가 함으로써 변량 살포기술의 적용성을 고찰하는데 있다.

    이론

    1.변량살포의 한계요소

    방제작업에 있어 작목이나 작업시기에 따라 단위 면적당 농약의 사용량 즉 살포율(application rate) 의 처방(prescription)에 따라 살포를 시행하게 된 다. 변량살포 제어기술의 원리는 식 (1)에 보인 바와 같이 살포율(Ar)을 일정하게 유지하기 위해 목표 살 포속도(V0)를 기준으로 변이하는 살포속도(V)에 비 례하도록 노즐의 분무량(Q)을 가감하여 처방된 살포 율의 균일성을 달성하는 것이다.

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

    여기서,

    • Q:  총 분무량(L/min),

    • Ar:  살포율(L/ha),

    • W:  유효작업폭(m),

    • V0:  목표 살포(비행) 속도(m/s) 이다.

    분무량을 조절하기 위하여 살포압력을 조정하거나 노즐의 크기를 교체할 수 있는데, 노즐을 선택하는 방법은 조절의 정도가 클 때 적용하며, 미세조절에 는 노즐압력을 조절하여 변량제어에 적용할 수 있 다. 분무량은 노즐의 압력(P)의 제곱근에 비례하므 로 압력을 측정하여, 지면속도에 대하여 노즐의 분 무량이 비례하는가를 검증할 수 있다.

    Table 1에는 목표속도(target speed: V0)가 4.2m/s (15kph), 허용범위계수(A)가 0.19 그리고 전원전압 (Vsup)이 12V인 조건에서 실시한 변량제어 실험에서 얻은 데이터를 바탕으로 변수간의 비례정도를 표시 하였다. 실험의 속도 허용변이 폭이 0.19였으므로 목표속도에 대한 속도 상한값의 비(A/B)는 1.19이어 야 한다. 그러나 실제 실험에서 얻은 해당 압력의 비는 1.2였고 분무량 예측을 위한 압력비의 제곱근 의 값은 1.10으로서 지면 속도범위 1.19에 못 미치 고, 따라서 예상되는 분무량도 목표 수준에 도달하 지 못하였다. 이는 속도 변이에 대응하는 실제 PWM 출력전압과 펌프압력이 부족하였기 때문이다.

    이에 Table 2에서 현실적으로 구현 가능한 비례 제어의 속도범위계수(A)를 고찰하였다. 그 속도 범 위의 한계는 전원전압의 모터전압 상한값과 미립화 가 일어나는 노즐압력을 발휘하는 최저 출력전압의 하한값 사이에서의 노즐의 분무량 범위이다. 따라서 전원전압(Vsup) 12V에 대하여 노즐 분무량의 비는 1.1이었으므로 이에 대한 지면속도의 허용범위 비율 또한 1.1로 제한되어야 한다.

    따라서 이와 같은 좁은 속도범위의 한계를 극복하 는 방법의 하나로서 전원전압(Vsup)을 증압하고 DSP 프로그램의 버퍼값을 최대값인 3,750에 가깝게 올리 는 방법이다. 살포에 사용되는 펌프의 모터는 정격 으로 12V를 사용하도록 되어 있지만 일반적으로 DC 모터는 약 30% 증압할 수 있고 15V 전압까지 인가 할 수 있다.

    Figure 1에는 전원전압을 15V로 증압한 이후에 실험한 데이터를 바탕으로 지면살포 속도와 출력전 압 및 노즐 압력을 표시하였는데 속도범위-1(흑색파 선: speed range 1)의 범위는 목표속도(V0)가 4.2m/s (15kph)에서 허용 속도범위 계수(A)를 0.19로 설정 한 경우이다. 그러나 상기한 고찰에서와 같이 허용 속도범위를 현실에 맞게 조정하여 속도범위-2(적색 실선: speed range 2)로 버퍼값을 조정하면 실용적 인 살포유량을 얻을 수 있다. 따라서 살포 지면속도 허용범위계수(A)는 0.13정도에서 가능하게 된다.

    2.비례제어식

    Koo & Seo(2015)에서 고찰한 바와 같이 살포속 도변이의 한계범위는 목표속도와 허용범위계수에 의 하여 결정된다. 예를 들면 목표속도(V0)는 4.2m/s (15kph)으로 하고 허용범위계수(A)를 0.13으로 설정 하면 속도에 따른 버퍼값(B)의 반응을 Fig. 2와 같 이 예상할 수 있고 제어 프로그램에 적용될 관계식을 식 (2)에 보였다. 버퍼값(B)은 DSP(digital signal processor)제어 프로그램의 구성계수로서 모터에 가 하는 전압의 비례지표를 뜻하고 그 범위는 모터 구 동전압의 최대 변동가능 폭을 의미하여, BU는 모터 가 감당할 수 있는 최대전압에 의해 제한되고 BL은 모터를 구동하여 노즐에 미립화가 일어나는 하한선 이므로 ΔB는 실용적으로 고정된다. 속도변이의 허 용범위 계수(A)는 클수록 조종자가 목표속도에 맞추 려는 애로(노동강도)를 줄일 수 있거나 정밀도가 낮 은 저가 등속제어기를 채용할 수 있게 된다. 절편 (K)은 속도변이 허용범위 계수(A)에 관련되며, 기울 기(F)는 V0와 A에 의해서 결정된다.

    B = F × V + K
    (2)

    여기서,

    • B:  버퍼값(모터에 가하는 전압의 프로그램 비례지표)

    • V:  살포 지면속도(m/s)

    • F:  비례식의 기울기 F = Δ B / 2 ( 2 × A × V 0 )

    • K:  절편     K = B U Δ B ( 1 + A ) ( 2 A ) ,

            Δ B = B U B L 이다.

    Figure 2에서 보는 바와 같이 변량제어 비례식의 변수들에 목표속도(V0)는 4.2m/s(15kph), 속도 허 용범위 계수(A)를 0.13으로 설정하면, 하한속도(VL) 와 상한속도(VU)는 각각 3.65m/s와 4.75m/s이 된 다(Koo & Seo, 2015). 또한, 대응하는 버퍼 하한값 (BL)과 상한값(BU)을 각각 2,200과 3,650으로 설정 하면 펄스폭 변조의 사용주기(duty cycle)는 각각 58.7%와 97.3%에 해당하고, 이때 전원전압(Vsup) 15V에서 PWM 평균 출력전압의 상한과 하한 전압은 각각 8.8V와 14.6V로 출력된다.

    재료 및 방법

    1.자세제어 및 경로비행 등속시스템

    농용 헬리콥터는 가시거리 내에서 자세 및 기체의 편류를 제어하는 정도의 기능을 필요로 하므로 중간 정도의 연결합의 방법을 사용하는데, 서로에게 영향 을 주지 않는 독립된 INS와 GPS로서 구성하는 비 결합방식과 IMU의 계산값을 칼만필터에 제공할 때 GPS는 위치정보와 변화율의 정보가 루프형태로 연 결되어 있는 강결합방식의 중간정도이다. 중간방식 으로 GPS가 독립적으로 항법해를 계상할 때 IMU의 오차를 수정하는 정도로 연결되어 있어 위성의 수가 적을 때는 수정이 불가한 단점이 있다.

    심천 홍콩기술대학(HKPI, Shenzhen, CN)이 연 구하여 상용화한 ACE시스템(DJI Innovations, Ltd. Co.)은 개방형 제어시스템으로서 제어요소들의 사용 자 적용(user adaptability)이 가능한 펌웨어를 탑 재함으로써 기체의 종류와 특별한 비행임무에 대하 여 적절한 조정이 가능한 것이 장점이며 연구와 실 용화 적용에 유리하였고 상용시스템으로 채용하여 농 용 회전익기 시스템에 적용하였다(DJI-User Manual, 2012).

    상용 자세제어시스템(DJI-ACE)은 관성 자세제어 시스템(IMU)과 GPS가 결합되어 항법(navigation)기 능을 포함하게 되며 주제어기는 상용 수신기와 조종 기를 채택하여 적용할 수 있어 농용 헬리콥터에 적 용하기에 알맞다. 연구에 이용된 DJI-ACE의 제어 장치는 수동모드, IMU 자세제어 및 GPS-INS 항법 기능을 포함한 자동모드의 선택이 가능하다. 경로비행 안내시스템(way-point guidance system)은 추가적인 고급기능으로서 지상제어기(GCS: ground control station)와 함께 연동되도록 구성하였다. Fig. 3에 보 인 경로비행 안내시스템의 구성도에는 IMU, GPS 및 제어기⑤를 보이고 있으며 자세 및 속도 데이터 는 ADC 및 CAN, ISP, RS232 통신 채널을 통하여 외부 장치와 통신하고 PWM control을 바탕으로 서 보의 위치를 제어한다. 지상제어기(GCS)의 송신모 듈③과 비행체에 장착된 수신부④를 보였는데 통신 장치는 양방향 모뎀이므로 사실 송수신기의 의미는 없고 명령과 상태를 서로 주고받으므로 노트북(PC) 을 명령자(commander)로 인식하여 송신부 및 기체 부의 모뎀을 수신부로 인식한다. 따라서 자세제어모 듈(ACE)은 헬리콥터의 자세를 제어하고, data-link ③④는 900MHz FM으로 지상제어기(GCS: ground control station)②와 통신하여 경로 안내 모듈①은 경로구간비행 및 속도를 제어하는 등속제어 기능을 구현한다. 2.4GHz 조종기⑥와 키보드 또는 조이스 틱 모드로 지상제어가 가능하였으며, 마우스에 의한 안내모드는 구간 포인트의 설정과 속도의 제어 명령 을 입력한다.

    2.경로안내비행 등속시스템의 적용

    Figure 4는 상용 자세제어 및 경로비행안내(waypoint guidance) 시스템의 기능을 농용 헬리콥터에 적용하여 경로안내 등속제어를 시행할 때 지상제어 기(GCS)에 보이는 Google Earth®를 바탕으로 한 GUI 모니터링 및 제어 화면이다. 즉, 자세제어 모듈 과 함께 연동하여 헬리콥터의 자세를 제어하면서 GSC에서 경로비행속도 및 경로비행 패턴의 제어를 관장하게 된다. GUI 화면에서 구간 포인트 설정이 가능하며 현위치(위도, 경도), 목표 및 현고도(4.0m), 구간 중 목표지점까지의 잔여거리(56.31m), 시스 템 전압 값, 현재 지면속도(4.8m/s) 등을 표시하고 있다.

    상기한 상용 경로안내 비행모듈을 농용헬리콥터에 장착하고 경북대학교 교내농장에서 실험하였다. 경 험 많은 숙련된 조종자가 수동(manual mode)으로 살포비행을 하였으며, 또한 자세제어 및 항법기능의 자동모드(auto mode)로 살포비행을 하였을 때의 속 도 변이를 경로비행 안내모드(way-point guidance mode)에 도움을 받아 살포비행 하였을 때와 비교하 였다. 기준점에서 고도 4.0m를 유지하면서 55m를 비행할 것을 안내비행의‘Click Go’모드로 명령하 여, 진출경로 50m에 대한 속도의 변이정도를 분석 하여 변량 살포기와의 적용성을 검토하였다.

    3.살포 비행속도 변이 측정 및 분석

    방제속도 즉, 지면속도를 등속으로 유지하려는 노 력은 조종자에게는 애로사항이며 숙련된 조종자는 많은 시뮬레이션 연습과 실제비행의 경험으로 등속 을 유지하려고 노력한다. 수동비행과 자동비행 그리 고 경로안내비행의 조건에서 변이의 정도를 알아보 기 위하여 목표속도(V0)를 4.2m/s로 설정하고 상기 한 세 가지 방법으로 비행한 결과의 속도변이 값을 측정하였다. 조종자의 숙련정도는 시험에서 주 변수 요인인데 연구목적상 고숙련경험자에 의하여 실시되 었다.

    Table 3은 살포 속도변이 측정실험에 사용된 공 시 농용 무인헬리콥터의 제원이고, Fig. 5a에는 실 험장치가 장착된 농용헬리콥터의 실험 비행 장면을 보였고, Fig. 5b는 항법시스템에서 얻은 비행경로 데이터를 네이버 지도와 중첩하여 나타낸 것으로 (1)~(4) 포인트에 깃발을 설치하여 비행방향과 비행 동작 위치를 표시하였다. 무인 헬리콥터는 시작점(1) 에서 정지비행으로 준비하고 목표속도로 최선의 등 속비행을 수행하였다. 포인트 (1)에서 가속하여 목표 속도에 가깝게 50m 직선거리를 진출 비행하여 (2) 에 가까워지면 감속을 하고 (3) 포인트까지 선회한 후 다시 가속 및 감속으로 (4) 포인트로 귀환한 후 같은 경로를 4회 반복하는 방법으로 실험을 시행하 였다.

    본 연구에서는 각 비행모드의 속도변이에 대한 특성을 분석할 목적으로 최선의 등속비행을 추구 하는 방법으로 실험하였으며, 속도변이는 진출 (1) ~(2)구역에서 평가하였는데 시작 지점의 좌표는 (N35.89495, E126.61320)으로 확인되었고, 연구의 목표에 따라 약 50m 직선구간을 선정하였다. 구간 살포시 비행모드에 따라 속도의 변이정도를 평가하 는데 필요한 데이터는 농용 무인 헬리콥터의 지면속 도로서, 이에 반응하는 PWM 평균 전압신호와 대응 하는 펌프의 압력도 참고로 측정하였고 방법은 Koo & Seo(2015)에서 행한 방법과 동일하였다. 살포 지 면속도 측정에 사용한 관성항법시스템(INS)은 관성 센서(IMU: 3DM-GX3-45, MicroStrain Co., US) 와 GPS(SMA, Gilsson Technologies, US)로 구성 되었다. 변량제어기에서 사용된 프로그램 변수는 V0=4.2, A=0.19, BL=2,500, BH=3,200 등이고, 살포 비행 지면속도에 따라 DC 모터를 구동하는 PWM 출 력 전압과 펌프의 압력 데이터를 참고로 획득하였다. 변량살포 시스템에 사용된 펌프(HC-2203, HaiCheng Electronics Co., CN)는 다이아프램(diaphragm) 펌 프로서 맥동을 완화하기 위하여 공기실을 설치하였 고 전원전압은 15V를 사용하였다. 실제 살포에는 쌍 선형(twin fan)이나 콘형(cone) 노즐 3-4개를 설치 하여 살포 작업을 수행하지만, 실험 편의상 상당한 분무량을 갖는 범람노즐(flood: TF-VS2, Spraying Systems Co., US) 1개로 대신하여 모의 살포하였고 유체는 탱크로 순환되도록 유동회로를 구성하였다. 압력변환기(PX181-100G5V, OMEGA Engineering, US)는 펌프출구와 노즐 사이에 장착하여 압력을 측 정하였고, 또한 PWM 평균 출력전압도 데이터로거 (CR850, Campball Scientific Inc., US)에 저장하 였다.

    속도변이의 특성은 변이계수(CV: the coefficient of variance)와 범위율(PR: percent range)를 사용 하여 분석하였으며 식 (3)과 (4)에 각각 정의하였다. 변이계수(CV)는 등속비행에서 평균속도에 대한 변동 정도를 의미하며, 범위율(PR)은 목표속도(V0)에 대 한 속도의 최대 편차율을 뜻한다.

    CV ( coefficientofvariance ) = standard deviation of speed mean ofspeed ×100 ( % )
    (3)

    PR ( percent range ) = max speed ( V max ) -target speed ( V 0 ) target speed ( V 0 ) ×100 ( % )
    (4)

    결과 및 고찰

    비행실험은 숙련 조종자에 의한 수동비행과 자동 비행 그리고 경로 안내비행 모드에서 측정한 속도의 변이를 변이계수(CV)와 범위율(PR) 값에 준하여 분 석하고 평가하였다. 이러한 속도변이의 질은 변량살 포장치의 적용성을 판단하고 살포오차를 안정시키는 핵심이다. 상기한 고찰에 따르면 현실적으로 목표속 도에 대하여 ±13% 정도의 속도변이를 수용할 수 있을 때 변량살포 제어시스템에 적용이 가능할 것으 로 판단되므로 적용성 평가의 기준값으로 삼았다.

    1.비행모드와 속도변이

    Figure 6에 보인 4회의 수동비행 반복은 비행을 시작하여 가속하고 (적색)박스구간으로 표시된 직선 50m 구간에 대하여 최선의 조종으로 수동모드 상태 에서 살포비행 후 복귀하는 과정을 보였다. 복귀 시 에는 목표속도에 맞추지 않았으므로 속도변이의 분 석은 진출 직선 구간 10sec에 대하여 CV 및 PR를 평가하였다.

    Table 4에 보인 수동 비행에 의한 등속도 추구에 대한 속도변이의 분석 결과에서 비교적 안정적인 살 포비행이었음을 알 수 있었다. 수동에 의한 평균 비 행 속도는 4.64m/s으로 목표 속도(4.2m/s, 15kph) 에서 0.44m/s 초과하였고 속도의 표준편차(s.d.)는 0.207이고 CV는 4.45%로서 다소 높게 평가되었다. 목표속도에서 얼마나 벗어나 있는가를 나타내는 PR 은 평균 18.1%였으므로 본 연구에서 추구하는 속도 변이 허용범위, 즉 적용성 판단의 기준값을 넘었음 을 보였다. 이는 비행중 실시간 속도에 대한 정보가 조종자에게 전해지지 않으므로 경험적 느낌으로 속 도를 가늠하였기 때문이다.

    Figure 7에 표시된 4회의 자동비행 반복은 수동 의 경우와 같은 경로를 거치되 항법시스템(INS)의 도움을 받으며 숙련된 같은 조종자에 의하여 비행을 시작하여 가속하고 (적색)박스구간으로 표시된 직선 50m 구간에 대하여 최선의 조종으로 살포 후 복귀 하였다.

    Table 4에 보인 자동모드에 대한 등속도 추구에 대한 속도변이의 분석 결과는 수동보다 안정적인 살 포비행이었다. 자동 조건에서의 평균 비행 속도는 4.72m/s으로 목표속도 4.2m/s(15kph)에서 0.52m/s 초과하여 오히려 수동비행보다 평균속도가 높았다. 속도의 표준편차는 0.090이며 CV는 1.91%로 낮은 변이를 보이며 상당히 안정적 등속비행으로 평가되 었다. 그러나 목표속도에서 얼마나 벗어나 있는가를 나타내는 PR은 평균 16.1%였으므로 수동보다 다소 낮았으나 동일하게 적용성의 기준범위를 넘었다. 이 는 수동과 마찬가지로 실시간 비행속도에 대한 정보 가 조종자에게 전해지지 않고 목표속도를 경험적으 로 추종하였기 때문이었다. 추후 연구개발에 따라 오디오 전달 또는 대시보드(dashborad) 표시 방법 으로 실시간 비행속도를 조종자에게 제공하면 자동 비행 또한 변량제어와 함께 적용할 수 있는 속도 변 이의 범위에 있을 수 있을 것으로 생각된다.

    Figure 8에 보인 경로 안내비행의 4회 반복은 같 은 경로에서 (적색)박스로 표시된 직선 50m 구간에 대하여 경로비행 후 숙련된 같은 조종자에 의하여 복귀되었다. Table 4에 보인 경로안내 비행에 대한 속도변이의 분석 결과는 매우 안정적이며 목표속도 에 근접한 비행이었다. 안내비행 조건에서의 평균 비행속도는 4.22m/s으로 표준편차는 0.089이고 CV 는 2.06%로 자동비행과 비슷한 결과를 보였다. 목 표 속도에 대한 오차는 0.02m/s로 목표속도에 매우 근접하여, PR은 평균 6.5%였으므로 본 연구의 적용 성 범위 내에 있었다. 결론적으로 조종자에게 등속 을 유지하려는 노동강도를 줄이면서 변량제어 시스 템과 함께 적용될 수 있는 것으로 평가되었다.

    2.속도변이의 비교평가

    Table 4의 비행제어 모드에 따른 등속 비행에 대 한 속도의 질을 비교하면, 수동과 자동은 실시간 속 도를 모니터링 하지 않으므로 인하여 조종자가 목표 속도에 근접한지를 판단할 수 없었고, 따라서 평균 속도는 두 경우 모두 목표속도보다 높아서 PR이 각 각 18.1 및 16.1%로 나타났다. 자동제어의 도움을 받은 경우는 수동에 비하여 작은 CV를 유지하였다. 자동 비행과 안내비행은 거의 같은 속도 변이를 보 였지만 경로 안내비행 만이 목표속도에 근접하게 비 행할 수 있었다.

    Figure 9에 상기한 세 가지 비행모드에 대한 50m 구간에서의 속도변이를 그래프에 시각적으로 표현하였는데 변이의 정도와 목표속도에서의 오차 를 볼 수 있다. 속도변이의 범위는 수동모드, 자동 모드 및 경로안내 모드 순으로 작아지는 CV의 경향 (4.45 > 1.91 > 2.06)을 볼 수 있다. 그러나 목표속 도에 근접한 정도인 PR의 경향(18.1 > 16.1 > 6.5) 을 살펴보면 수동모드는 목표속도에서 벗어나 크게 변동하였고, 자동모드는 작은 CV에도 불구하고 수 동과 같은 정도의 큰 PR을 보였다. 따라서 수동비 행의 경우 변량 살포시스템을 사용하더라도 살포량 을 제어할 수 없는 속도범위 밖에서 비행할 가능성 을 보였다. 반면 자동비행은 목표속도에 대한 경험 또는 실시간 속도의 모니터링을 통하여 목표속도에 근접한 비행과 함께 속도변이가 제어된 비행이 가 능하여 변량살포 시스템의 적용이 가능할 것으로 생각된다.

    3.변량제어 적용성 고찰

    현재 무선으로 조종하는 무인 항공기를 이용한 살 포작업에서 등속을 유지하는 임무는 조종자에 있어 어려운 작업이며, 특히 소규모 필지의 짧은 경로(약 50m)에서 등속을 유지하기가 어려우므로 불균일 살 포를 초래할 수 있다. 농작업의 살포기술에 있어 균 일도의 유지는 약제의 사용을 줄이면서 효과를 최대 로 유지할 수 있는 환경적 및 생산 효율적 영향 요 소이다. 따라서 무인 항공방제의 살포효과에 있어 약제의 균일살포는 성취해야 할 중요한 기술적 문제 이다.

    농용 회전익기에 상용 자세제어기(ACE-DJI)를 적 용하여 수동 및 자동 자세모드를 선택하여 조종자의 살포작업을 돕거나, 또한 경로안내 비행모드로 선택 하여 보다 안정적인 등속 조종을 가능하게 하였다. 그러나 변량살포 기술에서 목표속도를 중심으로 제 한된 속도범위 한도 내에서 비행하는 것은 살포율 오차를 안정시키는 핵심요소이다. 상기한 고찰에 따 르면 현실적으로 목표속도에 대하여 ±13% 정도의 속도변이를 수용할 수 있을 때, Koo & Seo(2015)연 구에서 평가된 변량살포 제어시스템에 적용이 가능 할 것으로 판단된다.

    비행제어 모드에 따른 등속 비행에 대한 속도의 질을 비교하면, 수동과 자동모드는 실시간 속도를 모니터링 하지 않으므로, 두 경우 모두 평균 비행속 도가 목표속도와 큰 편차를 보일 수 있었다. 즉 두 모드에서 공히 높은 PR을 보였으나, 자동모드의 도 움을 받은 경우는 수동에 비하여 작은 CV를 유지하 였다. 자동모드의 경우 비행속도의 모니터링 방법을 조종자에게 제공한다면 자동비행도 변량살포 제어장 치와 함께 쓸 수 있을 것으로 생각된다. 또한 자동 모드와 경로안내 비행은 거의 같은 CV를 보였지만 PR은 경로안내비행이 작은 값을 보여 자동모드에 비하여 목표속도에 근접하게 비행할 수 있었다.

    경로안내 모드는 변량살포 제어시스템과 결합됨으 로써 고도의 정밀농업이 가능한 인프라 기술이 될 것으로 생각된다. 즉, 경로 안내모드에서도 속도의 변이를 경험할 수 있는데 이는 자동모드의 속도변이 정도와 비슷하며 경로안내 모드 역시 변량 살포시스 템의 도움이 필요함을 알 수 있다. 따라서 비행속도 모니터링이 제공된 자동 비행모드와 경로안내 비행 모드에서는 ±13% 이내의 속도변이를 수용하여 살 포 균일도를 제고할 수 있는 변량살포 시스템에의 적용성을 기대한다.

    감사의 글

    본 연구는 IPET, MAFRA 연구비 지원에 의하여 수행되었음.

    Figure

    JALS-50-191_F1.gif

    Speed ranges 1(dashed) and 2(solid) for the speed range coefficients(A) of 0.19 and 0.13 upon the limits of nozzle pressure and the PWM mean voltage at Vsup=15V.

    JALS-50-191_F2.gif

    Determination of the buffer(B) and PWM mean voltage range corresponding to the ground speed variation limits for the operating conditions of V0=4.2, A=0.13, Vsup=15V(Koo & Seo, 2015).

    JALS-50-191_F3.gif

    Conceptual diagram of way-point guidance system and GCS tran-receiver module(900MHz) ① way-point module, ② GCS, ③ & ④ 900MHz trans-receiver data link, ⑤ ACE module, ⑥ 2.4GHz console(DJI, 2012).

    JALS-50-191_F4.gif

    GUI way-point guidance control window on Google Earth® map and a 50-m spray flight along a trial path at the University Farm.

    JALS-50-191_F5.gif

    (a) Spray application practice using an agricultural helicopter for the evaluation of speed variation with various flight modes and (b) flight path (1)-(2)-(3)-(4) at the University Farm overlaid on Naver maps.

    JALS-50-191_F6.gif

    The evaluation of speed variation using a manual mode operated by a skillful operator along 50 m spray path at the boxed range.

    JALS-50-191_F7.gif

    The evaluation of speed variation using an auto pilot mode operated by a skillful operator along 50 m spray path at the boxed range.

    JALS-50-191_F8.gif

    The evaluation of speed variation using the way-point guidance mode operated by a skillful operator along 50m spray path at the boxed range.

    JALS-50-191_F9.gif

    Comparison of speed variations with manual, auto pilot, and way-point guidance modes along the 50m spray path.

    Table

    Linear relationships between the ground speed, PWM voltage and nozzle pressure, resulting in the expected ratio of nozzle discharge rate(experimental conditions: V0=4.2m/s, A=0.19, Vsup=12V)

    a)Lower voltage for a proper atomization of nozzle
    b)Speed range 1, dashed line(black) in Fig. 1
    c)Upper and lower buffer used in the DSP control program

    Feasible range coefficient(A) of ground speed at the linear relationship between the responding PWM voltage and nozzle pressure(operating conditions: V0=4.2m/s, A=0.19, Vsup=12V)

    a)Speed range 1, solid line(red) in Fig. 1
    b)Upper and lower buffer used in the DSP control program
    c)Minimum voltage for operating DC motor

    Specification and dimension of an agricultural helicopter for evaluating the variation of spray speed using various flight modes

    Summary of speed variations using manual, auto pilot and way-point guidance modes for the target speed of 4.2m/s along the 50-m spray path

    a)standard deviation
    b)the coefficient of variance
    c)percent range

    Reference

    1. DJI (2012) User manuals, Ace Waypoint(ver. 2.5), Ace One (ver.2.1), Ground Station Wireless Datalink (ver.2.7), Daijing Innovation Technology Co., Ltd,
    2. Kim DH , Seo HJ , Lee SM , Lim YD (2005) A study on autonomous mobile vehicle using ultra sonic sensors and cruise speed controller , Proc. Of KIIT Conf, ; pp.39-44
    3. Kim HG , Kim YK , Oh KS , Yi KS (2012) Development of speed control algrithm for autonomous vehicle , Proc. of the conf. for the Korean Soc. Auto. Eng, ; pp.719-714a
    4. Kim JS , Lee KH , Cho SB , Jang SA , Choi KY (2012) Study of flight control mode for unmanned helicopter , Proc. Conf. for the Soc. of Aero. And Space Sci, ; pp.1224-1228b
    5. Koo YM (2014) Adaptability evaluation of attitude control for agricultural helicopter using a commercial controller (I) - comparison of the state variables for manual and auto pilot - , J. Agri. Life Sci, Vol.48 (5) ; pp.157-169
    6. Koo YM , Park HJ (2015) Development of a variable rate spray controller for an unmanned aerial application , J. Agri. Life Sci, Vol.49 (4) ; pp.255-268
    7. Koo YM , Seo HK (2015) Error analysis of variable rate application using unmanned aerial spray system , J. Agri. Life Sci, Vol.49 (4) ; pp.269-282
    8. Lee CK , Jung IG , Sung JH , Kim HK , Umeda M (2005) The current status analysis of precision agriculture machinery technology research in USA and Japan , Korean. J. of Int. Agri, Vol.17 (2) ; pp.73-81
    9. Murray RI , Yule IJ (2007) Developing variable rate application technology economic impact for owners and topdressing operators , New Zealand. J. of Agri. Res, Vol.50 (1) ; pp.65-72
    10. Ryu KH , Kim YJ , Cho SI , Rhee JY (2006) Development of variable rate granule applicator for environment-friendly precision agriculture (Ⅰ) concept design of variable rate pneumatic granule applicator and manufacture of prototype , J. Of Biosys. Eng, Vol.31 (4) ; pp.305-314
    11. Senthilnath J , Dokania A , Kandukuri M , Ramesh KN , Anand G , Omkar SN (2016) Detection of tomatoes using spectral-spatial methods in remotely sensed RGB images captured by UAV , Biosystems Engineering Special Issue Adv. In Robot. Agri. for Crops, Vol.146 ; pp.16-32
    12. Stafford JV (2000) Implementing precision agriculture in the 21st century , J. of Agri. Eng. Res, Vol.76 ; pp.267-275
    13. Sugiura R , Noguchi N , Ishii K (2005) Remote-sensing technology for vegetation monitoring using an unmanned helicopter , Biosys. Engi, Vol.90 ; pp.369-379
    14. Whelan B , Taylor J (2013) Precision agriculture for grain production systems, CSIRO Publishing,
    15. Yun H (2004) Autonomous flight guidance and control algorithm design for tilt rotor aircraft using adaptive neutral network. Master Thesis, Dept. of Transportation systems Engineering, Ulsan University,
    16. Yang CD , Kim CJ , Yang S (2009) Rotorcraft waypoint guidance design using SDRE controller , Int. J. of Aero. and Space Sci, Vol.10 (2) ; pp.12-22
    17. Zhang C , Kovacs J (2012) The application of small unmanned aerial systems for precision agriculture a review , Prec. Agri, Vol.13 ; pp.693-712
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