농촌 노동력의 급격한 감소 및 고령화에 따라 저가의 농업로봇의 개발이 시급한 과제가 되어왔다. 본 논문에서는 농업용 방제 로봇의 H/W제어구조 및 S/W 플랫폼 개발에 대하여 기술한다. 개발된 로봇은 2 축의 캐터필러형 구동부와 2축의 방제기구 제어부를 구동부로 갖추고 있다. H/W 제어구조로써, 임베디드 XPE 기반 로봇 제어부, 원격 조종부, 그리고 센서 제어부로 구성된다. SW 플랫폼에서는 태스크 매니저, 원격 영상 및 데이터 통신을 위한 TCP-IP 통신 프로세스, 구동부 제어 프로세스, 위치 및 환경 인식 프로세스, 센서제어부 프로세스 등 5개의 프로세스가 동시에 동작한다. 개발된 농업용 원격 방제로봇을 필드테스트를 통하여 유용성을 시험하였다.
농촌 노동력의 급격한 감소 및 고령화에 따라 저가의 농업로봇의 개발이 시급한 과제가 되어왔다. 본 논문에서는 농업용 방제 로봇의 H/W제어구조 및 S/W 플랫폼 개발에 대하여 기술한다. 개발된 로봇은 2 축의 캐터필러형 구동부와 2축의 방제기구 제어부를 구동부로 갖추고 있다. H/W 제어구조로써, 임베디드 XPE 기반 로봇 제어부, 원격 조종부, 그리고 센서 제어부로 구성된다. SW 플랫폼에서는 태스크 매니저, 원격 영상 및 데이터 통신을 위한 TCP-IP 통신 프로세스, 구동부 제어 프로세스, 위치 및 환경 인식 프로세스, 센서제어부 프로세스 등 5개의 프로세스가 동시에 동작한다. 개발된 농업용 원격 방제로봇을 필드테스트를 통하여 유용성을 시험하였다.
According to abrupt decrese in number of farmer and ageing society, there has been a need for development of low cost agricultural robot. In this paper, a H/W and S/W platform of caterpillar type agricultural chemical dusting robot based on XP embedded system were described. The developed agricultur...
According to abrupt decrese in number of farmer and ageing society, there has been a need for development of low cost agricultural robot. In this paper, a H/W and S/W platform of caterpillar type agricultural chemical dusting robot based on XP embedded system were described. The developed agricultural robot has 2 d.o.f caterpillar type driving wheel and 2 d.o.f chemical dusting spray mechanical system. The H/W platform of the agricultural robot consists of robot controller, remote controller and sensor controller. In S/W platform, 5 processes work concurrently, which are task manager, TCP-IP communication process, localization process, wheel control, and sensor control process. This robot platform has been developed for chemical dusting robot. We proved this system's validity through field test.
According to abrupt decrese in number of farmer and ageing society, there has been a need for development of low cost agricultural robot. In this paper, a H/W and S/W platform of caterpillar type agricultural chemical dusting robot based on XP embedded system were described. The developed agricultural robot has 2 d.o.f caterpillar type driving wheel and 2 d.o.f chemical dusting spray mechanical system. The H/W platform of the agricultural robot consists of robot controller, remote controller and sensor controller. In S/W platform, 5 processes work concurrently, which are task manager, TCP-IP communication process, localization process, wheel control, and sensor control process. This robot platform has been developed for chemical dusting robot. We proved this system's validity through field test.
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문제 정의
특히 방제시스템의 경우 식물의 병충해 부분을 파악하고 해충을 인식하여 정교하게 살충 방제액을 방사해야하는 정교하고 지능적인 행위가 요구되며, 방제가 인체에 유해한 방충제를 사용한다는 점에서 인간이 수행하기를 꺼려하는 부분이며 무인화가 매우 필요한 시스템 분야이다. 본 논문에서는 인간의 농업 지식을 바탕으로 원격제어 및 자동 조작이 가능한 반자동 농업용 방제 로봇의 플랫폼 개발에 관해 기술한다. 국내에서 개발된 농업용 방제 로봇으로는 전북대와 전주기업(기업명:CMS)에서 공동 개발한 온실용 로봇이 있는 바, 온실내에서 일정한 레일을 타고 주행하며, 레일상의 마크네틱으로 로봇 위치인식하고, 분당 10리터 농약 방제 및 온실내 온도, 습도, 조도등을 감지하는 기능을 갖추어져 있다.
본 논문에서는 저가의 IT 기술을 농업로봇에 접목한 WIN XPE기반 전동휠구동 원격 방제로봇 플랫폼 개발에 관하여 기술한다.
본 연구에서는 농약 방제를 위한 원격제어 로봇에 관한 H/W 및 S/W 아키텍처를 연구하고, 이를 바탕으로 로봇 플랫폼을 제작하였으며, 동작 테스트를 통하여 연구의 유용성을 검증하였다. 연구 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
일반적으로 개인용 과수 병충, 잡초 방제용 탱크의 크기는 약 20L 이다. 본 연구에서는 시험용 방제작업을 하기 위하여 40L 기준으로 농약 방제로봇을 개발하고자 하며, 이를 위하여 다음과 같은 사양을 갖춘 로봇 플랫폼을 개발한다.
제안 방법
그림 10은 개발된 센서제어부이다. RISC MPU를 사용하였으며, 로봇 주제어부와의 통신을 하며, 8개의 거리센서, 4개의 모터동작 리밋센서, 2개의 DC 모터 제어 및 방제 제어를 위한 릴레이제어를 구현한다. 그림 11, 12, 13은 원격제어하는 모습을 클라이언트와 서버로 분할하여 각각의 실험 모습을 보여준다.
TCP-IP 기반으로 개발될 경우 스마트폰을 활용한 재택 원격제어도 가능해지게 된다는 장점이 있다. TCP-IP 통신에서 클라이언트는 서버가 켜진 상태에서 통신접속을 요구하게 되고 서버가 수락하면 연결되는 방식으로 통신 초기화가 진행되므로 로봇 조종기를 켜고 로봇제어기의 전원을 켜도록 하기위하여 조종기는 서버로, 로봇 제어부는 클라이언트로 하였다.
개발한 방제로봇은 표1과 같이 캐터필러형 원격제어 농업 로봇으로써, 가반 중량 80kg, 40L이상의 방제 분무탱크를 이송할 수 있으며, 2 자유도의 분무 링크를 제어하여 분무 방향을 제어한다. 캐터필러형 로봇은 구동 모터제어부, 방제링크 모터제어부, 분무 영역관측용 CCD 카메라, 전방 및 측방의 장애물 관측용 거리센서 등으로 이루어져 있다.
로봇 제어부는 500W급 캐터펠러 구동 모터 2개, CCD 카메라, 센서 제어부와의 통신 제어를 담당하며, 센서 제어부는 50W급 분무 링크제어 모터 2개, PSD 거리센서, 경사계, Relay 등을 제어한다. 무선통신의 안전한 실시간 통신 속도를 고려하여 영상은 초당 5프래임을 캡쳐하여 원격 조종부로 보내지는 바, 센서 보드에서 수신된 8개의 거리 데이터 및 기타 센서 데이터와 합쳐져 서버인 원격 조종부로 보낸다.
이를 위하여 로봇제어부와 원격 조종부는 무선 LAN을 통해 통신을 하는 바, XPE를 포팅한 저가형 SBC(Single Board Computer: ATOM NANO 117Board)를 이용하여 주제어부 및 조종부가 구성된다. 센서 제어부는 다수개의 거리센서와 경사계등을 감지를 위해 ADC 12채널이 필요하여 ATMEL2560으로 결정하여 설계 제작하였다. 또한 분무기는 기존의 상용화된 전동 분무기를 사용하기 위하여 분무발사 조종 노즐 전원부에 릴레이를 연결하여 제어함으로써 조종한다.
그림 11은 한 대의 컴퓨터내에서 루프백 IP를 이용하여 TCP-IP 서버-클라이언트 원격 로봇의 통신 제어 실험을 하는 모습을 보인다. 원격조종 제어부인 서버에는 로봇 조종용 조이스틱을 부착하여 실험하였으며, 로봇 조종부인 클라이언트부에서는 센서 제어부, CCD 카메라, 거리 센서 및 DC 모터등이 부착되어 원격 동작 시험에 대한 실험을 하였다.
로봇은 원거리에서 원격 조종으로 제어되는 바, 조종부에서는 로봇의 작업 영역 관측을 위한 CCD 영상이 표시되며, 조이스틱으로 로봇을 원격제어 하고, 분무기등을 제어할 수 있다. 이를 위하여 로봇제어부와 원격 조종부는 무선 LAN을 통해 통신을 하는 바, XPE를 포팅한 저가형 SBC(Single Board Computer: ATOM NANO 117Board)를 이용하여 주제어부 및 조종부가 구성된다. 센서 제어부는 다수개의 거리센서와 경사계등을 감지를 위해 ADC 12채널이 필요하여 ATMEL2560으로 결정하여 설계 제작하였다.
대상 데이터
로봇과 조종부는 IP공유기와 연결되어 있으며 프라이빗(Private) IP를 할당받아 사용된다. 공인(Public) IP도 가능하지만 보안상의 이유로 공유기의 포트포워딩 기능을 이용하여 각각 4000번과 3001번의 포트를 이용한다. 모니터링 컴퓨터는 로컬 네트워크나 원격지에서도 가능하다.
만일 방제 구동부를 제어할 경우, 센서 제어부인 AT2560으로 명령어를 하달하여 해당 모터 및 릴레이, 센서 등을 제어한다. 또한 로봇의 위치 인식을 위하여 매 50msec 마다 거리 센서 및 로봇의 앤코더에서 보내는 데이터를 전송 받는다. 이러한 데이터는 캡쳐된 영상과 함께 200msec 마다 클라이언트로 보내지며, 거리 데이터, 위치 데이터 등은 매 50msec마다 클라이언트 등으로 보내진다.
S를 porting하여 사용한다. 사용 device로써 무선 LAN, 중 해상도 급 USB 카메라(640X480 가능), 3개의 USART를 사용한다.
하지만 이러한 이유 때문에 무선영상 통신 속도가 5Hz로 늦어지는 단점이 있다. 영상의 데이터는 클라이언트에서 서버로 보내는 바, 1 캡쳐 당 320X240byte이며, 여기에 기타 센서 데이터를 붙여서 송신한다. 데이터는 매 50msec 당 송신 하는 바, 매 200msec당은 영상 + 데이터를 송신한다.
그림 12와 그림 13은 서버와 클라이언트부의 원격 조종 및 통신 실험 내용을 캡쳐한 메뉴화면이다. 원격 조종 제어부 서버의 IP는 192.168.1.10으로 하였고, 클라이언트인 로봇은 192.168.1.5를 사용하였고, 포트 넘버는 4000을 사용하였다. 그림 12는 동작중인 서버의 메뉴화면을 보인다.
이론/모형
영상 전송은 서버와 클라이언트의 동기화를 위하여 쓰레드 제어 기법인 event / waitEvent 기법을 사용하여 TCP-IP 영상 통신 동기화를 시켰다. 동기화가 없으면 영상 캡쳐 저장 메모리의 과다 사용 및 통신 지연 등으로 영상의 분실, 영상의 깨짐 등이 발생하게 된다.
후속연구
향후 과제로는 개발된 플랫폼을 바탕으로 옥외주행 시 자율 경로제어 및 자율 방제작업 시스템 개발이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
농업용 방제 로봇의 H/W 제어구조는 어떻게 구성되어 있는가?
개발된 로봇은 2 축의 캐터필러형 구동부와 2축의 방제기구 제어부를 구동부로 갖추고 있다. H/W 제어구조로써, 임베디드 XPE 기반 로봇 제어부, 원격 조종부, 그리고 센서 제어부로 구성된다. SW 플랫폼에서는 태스크 매니저, 원격 영상 및 데이터 통신을 위한 TCP-IP 통신 프로세스, 구동부 제어 프로세스, 위치 및 환경 인식 프로세스, 센서제어부 프로세스 등 5개의 프로세스가 동시에 동작한다.
농업용 방제 로봇의 SW 플랫폼은 어떻게 구성되어 있는가?
H/W 제어구조로써, 임베디드 XPE 기반 로봇 제어부, 원격 조종부, 그리고 센서 제어부로 구성된다. SW 플랫폼에서는 태스크 매니저, 원격 영상 및 데이터 통신을 위한 TCP-IP 통신 프로세스, 구동부 제어 프로세스, 위치 및 환경 인식 프로세스, 센서제어부 프로세스 등 5개의 프로세스가 동시에 동작한다. 개발된 농업용 원격 방제로봇을 필드테스트를 통하여 유용성을 시험하였다.
농업용 방제 로봇은 어떤 구조를 갖추고 있는가?
본 논문에서는 농업용 방제 로봇의 H/W제어구조 및 S/W 플랫폼 개발에 대하여 기술한다. 개발된 로봇은 2 축의 캐터필러형 구동부와 2축의 방제기구 제어부를 구동부로 갖추고 있다. H/W 제어구조로써, 임베디드 XPE 기반 로봇 제어부, 원격 조종부, 그리고 센서 제어부로 구성된다.
참고문헌 (11)
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