[논문]온실내 작업 가능한 전동작업차의 자동추종 주행시스템 개발

홍영기; 이동훈; 신익상; 김상철

doi:10.5307/jbe.2009.34.6.391

온실내 작업 가능한 전동작업차의 자동추종 주행시스템 개발
Development of an Autonomous Guidance System Based on an Electric Vehicle for Greenhouse 원문보기

바이오시스템공학 = Journal of biosystems engineering, v.34 no.6, 2009년, pp.391 - 396

홍영기 (Department of Agricultural Engineering, National Academy of Agricultural Science) , 이동훈 (Sungkyunkwan University) , 신익상 (Department of Agricultural Engineering, National Academy of Agricultural Science) , 김상철 (Department of Agricultural Engineering, National Academy of Agricultural Science)

Abstract ▼ AI-Helper

The percentage of those aged 60 and over is 43.5% among our country's 3,186 thousands farming population, so farm village is getting aging society rapidly. Moreover agricultural competitiveness has being weakened due to labor shortage by degradation in quality of labor configuration from elderly porson. For realisms easy workability, we developed a motor vehicle for agricultural activity. The vehicle has an automatic guidance system which could follows a track of magnetic tape on the floor for easy moving to given working position. We collected data from two guidance sensors, located on front and rear end of the vehicle and calculated displacement and angle deviation from the track. This traveling system was stably controlled with processing information deflection S, angle of deviation, D and angle velocity, Vt = $k_1D$ - $k_2S$ from two guidance sensors attached on front and rear of th motor vehicle. Also this system have been tested under various condition of $k_1$, $k_2$ for comparison on both stepped and turning routes. The results show that traveling performance is best at $k_1$=0.7, $k_2$=3.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

6 7 m/s로 하였다 전동작업차의 전체 중량은 약 137 kg이고, 좌석부는 전동 엑츄에이터에 의해 높이조절이 가능하고 조절범위는 300 mm이다. 또한 좌석부는 작업조건에 맞추어 -90。에서 +90。의범위를 45。간격으로 고정하는 것이 가능하도록 하였다. 농기구나 수확물 등의 운반이 가능한 520x440x160 mm 짐받이를 좌석부 뒤에 설치하였다.
본 연구는 고령자나 부녀자 등이 고설재배 등과 같은 하우스 시설내에서 작업을 수행하는 경우에 작업부담을 줄이고, 작업성을 향상시켜 농작업을 용이하게 하기 위해 앉은 자세로 자동주행 및 수확물의 운반이 가능한 전동작업차의 자동 추종 주행시스템 개발을 목표로 하였다

가설 설정

이와 같은 경우를 가정하여 그림 5과 같은 주행 경로를 설정하여 주행실험을 실시하였다. 실험에서는 고설재배 베드 간격을 1000 mm, 베드높이 1000 mm, 베드 폭 250 mm으로 가정하여 선회범위를 반경 625 mm로 하였다. 실제의 작물 재배에서는 재배면적의 감소를 줄이기 위해 선회면적을 가능한 한 적게 하기를 원한다.
주행특성을 계측하기위해 후륜 구동축의 중심에 마커를 설치하여 주행시 바닥면에 트레스하였다. 작업자가 작업을 행하고 있을 경우를 가정하여 중량 50 kg의 하중을 좌석에 재하하였다. 실제의 작업속도를 고려하여 전진 속도는 0.

제안 방법

(2) 전동작업차의 자동주행을 위하여 전동작업차에 장착한 가이던스 센서에 의해 주행로면의 자기테이프를 추종하면서 주행 가능한 자동추종 주행시스템을 개발했다.
주행 부는 주행속도 및 선회각속도 제어를 위해 2개의 입력 채널을 가지고 있고, +5 V에서 -5 V 범위의 전압에 의해 제어가 가능하다. 2개의 입력전압을 각각 주행속도전압, 선회 각속도전압으로 하였다. 직진주행의 경우 정전압은 전진, 부전압은후진, 0 V인 경우는 정지이다.
제작한 자동추종 주행시스템의 구성도를 그림 3에 나타내었다, 마이크로 컨트롤러 (micro controller, MC)는 PIC (PIC₁₆F876A, Microchip Technology Co, USA)을 사용하였다. MC₂와 MC₃의 기능은 뒤 , 앞부분에 설치되어 있는 가이던스 센서에서 차량의 위치정보를 검출하는 것이다. MCI 은 수동스위치에 의한 주행속도의 입력정보 및 MC₂와 MC₃ 에서 검출된 위치정보에서 주행속도전압, 선회 각속도전압을 산출한다.
고령자나 부녀자 등의 작업자가 하우스 시설내에서, 국내에 보급되어 있는 딸기 고설재배의 경우를 고려하여 재배 베드 높이 1000-1200 mm의 범위, 재배베드간 폭 1000 mm 이상의 조건에서 재배작업에 대응할 수 있도록 설계하였다 전동작업차의 주행형태는 시설내 작업시에 사용하는 자동 추종 주행과 운반이나 이동에 이용되는 수동주행으로 나누고, 각각의 주행속도는 0.06~0.12 m/s, 0.14-1.6 7 m/s로 하였다 전동작업차의 전체 중량은 약 137 kg이고, 좌석부는 전동 엑츄에이터에 의해 높이조절이 가능하고 조절범위는 300 mm이다. 또한 좌석부는 작업조건에 맞추어 -90。에서 +90。의범위를 45。간격으로 고정하는 것이 가능하도록 하였다.
고령자나 부녀자 등이 하우스 재배시설내에서 작업을 행할 때의 작업 부담을 경감시켜고 작업성을 높이며, 농기구나 수확물 등의 운반작업을 도와주기 위해 앉은 자세로 작업이 용이한 전동작업차를 개발하였다. 전동휠체어를 베이스 차량으로 하여 자기 테이프를 추종하고 자동주행을 하는 전동 작업차를 개발하여 실험에 의해 검증한 결과를 다음과 같이 얻었다.
수행하였다. 스텝주행경로를 주기 위해서 2개의 자기테이프를 중심선에서 60 mm 간격을 두고 평행하게 비껴놓아 설치하였다. 주행특성을 계측하기위해 후륜 구동축의 중심에 마커를 설치하여 주행시 바닥면에 트레스하였다.
작업자가 작업을 행하고 있을 경우를 가정하여 중량 50 kg의 하중을 좌석에 재하하였다. 실제의 작업속도를 고려하여 전진 속도는 0.07, 0.12 m/s, 후진속도는 0.06, 0.1 lm/s로 설정하였다. 전동작업차의 선회특성을 나타내는 식 (1)의 k1과 k2를 변화시키면서 실험을 수행하였다.
전동작업 차의 자동주행을 위하여 자동추종 주행 시스템을 개발하였다. 그림 2에 자동추종 주행시스템의 개요를 나타내었다.
전동작업차의 자동추종 주행시스템에 의한 주행특성을 확인하기 위해서 전동작업차에 스텝주행경로를 주고 주행하는 실험과 고설재배 베드간의 이동시 주행경로를 설정하여 주행실험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
전동작업차의 자동추종 주행시스템에 의한 주행특성을 확인하기 위해서 전동작업차에 스텝주행경로를 주고 주행하는 실험을 수행하였다. 스텝주행경로를 주기 위해서 2개의 자기테이프를 중심선에서 60 mm 간격을 두고 평행하게 비껴놓아 설치하였다.
전동작업차를 개발하였다. 전동휠체어를 베이스 차량으로 하여 자기 테이프를 추종하고 자동주행을 하는 전동 작업차를 개발하여 실험에 의해 검증한 결과를 다음과 같이 얻었다.
주행속도 설정 및 정지를 조작하기 위한 주행속도 제어 스위치는 좌석부의 측부에 설치하였고, 작업속도에 적합하게 작업자가 5단계의 속도조절이 가능하다. 정보처리 장치는 가이던스센서에서 검출한 위치정보를 처리하여 주행 . 선회의 전압출력 등을 처리하는 장치이고 짐받이 아래로 설치하였다.
그림 2(a)에 나타냈듯이 전동작업차의 자동주행은 가이던스 센서에 의해 주행로면의 자기테이프를 추종하면서 주행한다. 주행부 전면에 설치된 가이던스센서를 통해 얻은 차량의 위치정보를 df, 후면의 위치정보를 4로 하였다. 그림 2(b) 에 나타냈듯이 가이던스센서에 의한 위치정보는 10 mm 간격으로 배치된 15개의 자기스위치에 의해 검출되어 각각의 자기 스위치의 ON/OFF 정보로서 출력된다.
스텝주행경로를 주기 위해서 2개의 자기테이프를 중심선에서 60 mm 간격을 두고 평행하게 비껴놓아 설치하였다. 주행특성을 계측하기위해 후륜 구동축의 중심에 마커를 설치하여 주행시 바닥면에 트레스하였다. 작업자가 작업을 행하고 있을 경우를 가정하여 중량 50 kg의 하중을 좌석에 재하하였다.

대상 데이터

(1) 전동작업차는 전륜에 2륜 캐스터, 후륜은 시판되고 있는 축구용 전동휠체어를 주행부로 사용하였고, 그 외에 제어부, 좌석부, 짐받이로 구성하였다.
전동작업차의 전륜은 2륜 캐스터를 사용하였고, 후륜 구동부는 시판되고 있는 축구용 전동휠체어(EMU-S, Waco, Japan)를 주행부로 사용하였다. 표 2에 주행부의 제원을 나타냈다.

성능/효과

(3) 스텝주행경로를 주었을 경우와 고설재배 베드간의 이동 시 주행경로를 주었을 경우의 k1과 k2를 가변시키면서 실험한 결과 ki=0.7, k2=3의 경우에 가장 안정된 추종 성능을 나타냈다. 후진의 경우에도 k1=0.
7, k2=3의 경우 13 초 소요되었다. 0.12 m/s의 주행속도 조건과 동일하게 ki=3, k2=l의 경우에 주기적인 진동이 나타났고, k1=0.7, k2=3의 경우 안정된 주행특성을 확인할 수 있었다. 후진속도 0.
ki의 계수가 증가할수록 자기테이프 중심선 도달시간은 빨라지는 경향을 나타냈고, 19계수가 증가할수록 자기테이프중심선에 주기적인 진동없이 수렴하는 시간이 단축되는 경향이 확인되었다. k1과 k2를 가변시키면서 실험을 한 결과 ki=0.7, k2=3의 경우에 가장 안정된 추종성능을 나타냈다. 이 결과로부터 편위정보 S와 편각정보 D를 이용하여 식 (1) 에의해 제어하므로써 설정한 속도에서는 안정된 자동주행이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
7, k2=3인 경우 안정된 주행성능을 나타내었다. ki의 계수가 증가할수록 자기테이프 중심선 도달시간은 빨라지는 경향을 나타냈고, 19계수가 증가할수록 자기테이프중심선에 주기적인 진동없이 수렴하는 시간이 단축되는 경향이 확인되었다. k1과 k2를 가변시키면서 실험을 한 결과 ki=0.
7, k2=3의 경우는 6초 13초 후에 가지테이프 중심선에 도달하였다. 또한 전진의 조건과 동일하게 ki=3, k2=l의 경우 주기적인 진동을 확인할 수 있었고, ki=0.7, k2=3인 경우 안정된 주행성능을 나타내었다. ki의 계수가 증가할수록 자기테이프 중심선 도달시간은 빨라지는 경향을 나타냈고, 19계수가 증가할수록 자기테이프중심선에 주기적인 진동없이 수렴하는 시간이 단축되는 경향이 확인되었다.
7, k2=3의 경우에 가장 안정된 추종성능을 나타냈다. 이 결과로부터 편위정보 S와 편각정보 D를 이용하여 식 (1) 에의해 제어하므로써 설정한 속도에서는 안정된 자동주행이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
7, k2=3인 경우에 선회주행이 안정된 결과를 얻을 수 있었다. 이 결과에서도 전항에서 서술한 제어 방식에 의해 안정된 선회주행이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
위치정보에서 편위정보(S).편각정보(D)를 산출하여 구동륜제어에 의해 안정된 자동주행이 가능한 것을 확인하였다.

참고문헌 (11)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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