[논문]양식장 수중 모니터링 및 그물망 청소용 드론 설계

김진하; 김응곤

doi:10.13067/jkiecs.2018.13.6.1379

양식장 수중 모니터링 및 그물망 청소용 드론 설계
Design of Drone for Underwater Monitoring and Net Cleaning for Aquaculture Farm 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.13 no.6, 2018년, pp.1379 - 1386

김진하 (순천대학교 컴퓨터공학과) , 김응곤 (순천대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

양식장에서 사용되는 기존의 수중 카메라는 제한된 구역만 촬영할 수 있으며, 수중 오염으로 인해 훼손되기 쉽다. 또한 양식장 그물망에 사료 공급에 따른 잉여 찌꺼기가 퇴적되어 양식장을 오염시키는 문제점이 있다. 이에 본 논문은 양식장 수중 모니터링과 그물망 청소를 위한 수중 드론을 제안한다. 수중 드론을 이용한다면 수중 영상 촬영, 모니터링과 양식장 그물망 청소가 가능하다. 이를 활용하면 양식장 환경 변화를 감지해 데이터를 수집할 수 있고 그 데이터를 기반으로 양식장 내에서 발생하는 변화에 대응할 수 있다. 더불어 통합관제 시스템을 구축하게 되면 이를 통해 효율적이고 안정적인 스마트 양식장 구축이 가능할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Conventional underwater cameras used in fish farms can only shoot limited areas and are vulnerable to underwater contamination. There is also a problem with contaminated farms as surplus residues are deposited as a result of feed supply to farms' nets. This paper proposes underwater drones for underwater monitoring of fish farms and cleaning nets. If underwater drones are used for management of fish farms, underwater imaging, monitoring and cleaning of fish farms' nets can be possible. By using this technology, data can be collected by detecting changes in the environment of a fish farm and responding to changes that occur within a fish farm based on the data. In addition, the establishment of an integrated control system will enable to build efficient and stable smart farms.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. 물고기를 형상화한 비키 Fig. 1 Fish-shaped biki
그림 그림 2. 유선형 방식의 글라디우스 Fig. 2 Streamlined gradius
그림 그림 3. 팔로우미 기능의 아이버블 Fig. 3 Follow me in ibubble
그림 그림 4. 라운드 외형 드론 Fig. 4 Round shape drone
그림 그림 5. BLDC 모터 Fig. 5 BLDC motor
그림 그림 6. 센서 기반 시스템 제어용 메인 컨트롤러 구성도 Fig. 6 Main controller based on sensor
그림 그림 7. 표준 PID 제어 알고리즘 Fig. 7 Standard PID control algorithm
표 표 1. 송풍모터 스펙 Table 1. Specifications of blowing motor
그림 그림 8. 카메라와 드론 외형 Fig. 8 Drone and camera
그림 그림 9. 양식장의 오염된 그물 Fig. 9 Contaminated net in the farm
그림 그림 10. 오염된 양식장 그물을 청소하는 모습 Fig. 10 Cleaning contaminated farm net

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

고배율 카메라에서 수집된 영상 데이터를 기반으로 양식 어류의 크기를 측정할 수 있는 프로그램을 개발 하였다.
이에 본 논문에서는 수작업의 문제점을 보완하기 위해 양식장 어망에 붙은 사료와 어망에 걸려서 부패가 발생되는 어류폐사 제거를 위한 원격 제어 가능한 탈착형 제품을 설계하였다.
이에 본 논문은 수중 모니터링에 최적화된 수중 드론 개발을 목적으로 하여 수중 모니터링에 최적화된 수중 드론 개발을 목적으로 한다. 임베디드를 기반으로 한 베이스보드를 개발하고 수중 자유 유형을 위한 하드웨어를 개발한다.
추가적으로 사용 환경을 고려한 최적의 방수 기능 구현 및 성능 보장이 가능하도록 모터 코일 부분에 대한 방수기능을 최우선적으로 고려한 제품을 설계하고자 한다.

제안 방법

BLDC 모터 컨트롤러는 교체의 편리성과 A/S 비용 절감을 위해 단일 모듈 방식으로 개발하였고 모듈화로 구성된 모터 컨트롤러의 장착과 컨트롤러 전원 공급을 위한 베이스 보드를 설계 및 제작하였다.
그리고 수심 측정을 위한 수압 데이터 수집용 센서 장치를 장착하고 데이터 수집용 모듈을 설계 및 제작하였다.
그리고 이러한 정보를 센서에서 수집된 데이터를 기반으로 하여 필터링 알고리즘 도입을 통한 위치/상태 값 분석용 프로그램 개발하였다.
그림 4는 본 논문에서 제안하는 라운드형 드론이다. 기존 제품들의 실직적인 양식장 관리 적용 문제를 극복하기 위해 양식장이라는 작업 장소의 특수성을 고려하였다. 최소 작업자로 운용이 가능하도록 소형화 하였고 총 중량 5Kg 미만의 가벼운 제품으로 개발하였다.
또한, 스틸컷 영상 자동 보정하고 원격으로 전문가에게 문의할 수 있도록 스틸컷 자동 저장 및 전송 시스템도 구현했다.
상태 값 데이터를 활용한 수중 드론의 수직/수평 상태 파악 및 자세 안정화 기술을 개발하고 상태 데이터 기반 모터 제어용 프로그램과 BLDC로 설계된 방수형 모터를 제어하기 위한 모터 컨트롤러 설계 및 개발하였다.
상하좌우 영상을 취득할 수 있도록 팬틸트 기능을 내장한 카메라 제어용 보드를 개발하고 내장한 카메라는 배율 조정이 가능한 카메라를 사용하였다.
센서 기반의 시스템 제어용 메인 컨트롤러를 개발하였다. 전세 시스템을 관리할 수 있으며 하부 시스템과의 연계를 담당한다.
수상에서 수중으로 투척이 가능하도록 라운드 외형으로 설계되었으며, 수상으로 올릴 때 주변 그물망에 간섭이 없는 디자인이다. 수심 30M까지 방수가 가능하며, 최대 유속 1m/sec 내 작동이 가능하도록 고안하였다.
수중 드론 구동부를 제안했다. 양식장 환경을 고려하여 드론 외형을 제안하였고 방수식 모터를 사용하였다.
수중에서 사용이 가능하도록 방수 기능이 포함되 며, 내부 드론 컨트롤러와 연계되어 제어가 가능한 장치 방수형 서보모터 2개 이상으로 구성되고 500g의 견인력을 가지는 접이식 로봇 암을 개발하였다.
수중 드론 구동부를 제안했다. 양식장 환경을 고려하여 드론 외형을 제안하였고 방수식 모터를 사용하였다. 수상에서 수중으로 투척이 가능하고 수상으로 올릴 때 주변 그물망에 간섭이 없다.
영상 데이터 수집용 카메라 시스템을 개발하였다. 모니터링을 위한 영상 수집용 시스템으로 영상 데이터를 수집, 저장 및 데이터 전송이 가능하다.
수중 드론의 핵심 부품인 방수 모터는 모듈로 개발하여 장착 및 교환이 편리하도록 구성하고 부식에 강한 소재를 적용한다. 이를 위해 BLDC 모터를 채택하였다.
이에 따라 수중 드론의 전방에 카메라를 장착하여 영상 데이터를 수집, 저장 및 전송이 가능한 시스템을 개발하였다.
이에 본 논문은 수중 모니터링에 최적화된 수중 드론 개발을 목적으로 하여 수중 모니터링에 최적화된 수중 드론 개발을 목적으로 한다. 임베디드를 기반으로 한 베이스보드를 개발하고 수중 자유 유형을 위한 하드웨어를 개발한다.
자세 제어를 위한 센서 장착 및 설계를 통해 고정되어 있지 않고 움직이며 수조 내 상황을 모니터링할 수 있는 시스템과 원격 모니터링 및 제어 소프트웨어 설계를 통해 영상을 실시간으로 전송하고 분석할 수 있는 양식장 수중 모니터링 시스템을 개발한다.
전체 시스템 관리과 그 하위 시스템과의 연계를 담당하는 메인 컨트롤러를 설계하였다. ARM Cortex-M4 기반으로 제작되었으며, 자세정보와 탐사 정보를 획득하기 위한 가속도 센서, 지자기 센서, 자이로 센서를 포함하고 있다.
기존 제품들의 실직적인 양식장 관리 적용 문제를 극복하기 위해 양식장이라는 작업 장소의 특수성을 고려하였다. 최소 작업자로 운용이 가능하도록 소형화 하였고 총 중량 5Kg 미만의 가벼운 제품으로 개발하였다.
카메라 제어용 보드는 UART 또는 I2C 통신을 통하여 메인 컨트롤러와 연동되며, Micom이 내장된 보드로 개발하였다.
카메라에서 취득한 동영상을 스틸컷 영상으로 변환하고 이를 기반으로 객체들의 크기 측정하여 그 크기의 평균값 표시하는 프로그램을 개발하였다.

대상 데이터

외부 모터 컨트롤러, 전원공급장치, 카메라 등 다수의 시스템을 제어하기 위해 UART 통신포트, CAN 통신포트, I2C, SPI 통신 포트를 내장하였다.
원가 절감을 위한 좌/우/상하 모터는 최소한의 수량 즉, 4개의 수중 모터 장착으로 구동이 가능하며 유지 보수가 용이한 제품으로 구성하였다. 협소한 공간 에서 자유로운 유영을 위한 방안으로 상하 이동을 위한 수직 방향 모터 2개, 수평방향 모터 2개를 장착하였다.

후속연구

또한 무인 항공기 시장 전망에 대해 미국 방산업 전국 컨설팅업체인 틸 그룹은 세계 드론 시장 규모가 2015년 40억 달러에서 2024년 147억 달러 규모로 급증할 것으로 예상하고 있고 소형 드론 시장은 급성장해 전체 시장 규모가 2024년까지 연평균 15% 성장할 것이라고 전망하고 있다[6]. 그러므로 양식장 관리에 드론을 활용하여 수중 작업을 한다면 보다 효율적인 양식장 관리가 가능할 것이다.
더불어 드론에 오염물질 제거를 위한 로봇 암 장치 연계 기능 개발 접목한 그물방 청소용 드론 개발을 제안한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양식장 수중 모니터링 시스템의 역할은?	자세 제어를 위한 센서 장착 및 설계를 통해 고정되어 있지 않고 움직이며 수조 내 상황을 모니터링할 수 있는 시스템과 원격 모니터링 및 제어 소프트웨어 설계를 통해 영상을 실시간으로 전송하고 분석할 수 있는 양식장 수중 모니터링 시스템을 개발한다.
	스마트 양식장의 핵심 요소는?	양식장 모니터링 기술은 스마트 양식장의 핵심 요소이다. 하지만 기존에 모니터링을 위해 사용하던 카메라와 센서들은 장시간 수중 오염으로 인한 훼손 등의 문제가 발생하며, 타미머 또는 사용자 제어에 의해 필요시 카메라 및 센서가 수중에 삽입되는 형태로 발전되어 왔다.
	양식장 모니터링 기술에서 발생하는 문제점은 무엇인가?	양식장 모니터링 기술은 스마트 양식장의 핵심 요소이다. 하지만 기존에 모니터링을 위해 사용하던 카메라와 센서들은 장시간 수중 오염으로 인한 훼손 등의 문제가 발생하며, 타미머 또는 사용자 제어에 의해 필요시 카메라 및 센서가 수중에 삽입되는 형태로 발전되어 왔다. 또한 고정형 설치로 인해 해당 구역의 영상만 획득 가능하기에 사각지대는 사람이 직접 촬영하여야 하므로 인명 및 재산 피해가 발생하고 있다. 또한 문제 발생을 최소화하기 위해선 24시간 상시 모니터링을 필요로 한다[7].

참고문헌 (9)

Y. Chang, "Analysis of Promising Sectors in the Aquaculture Industry," Korea Maritime Institute, May 2017.
Statistical Office, "Fishery production trend survey," 2017.
M. Chang, L. Yun, L. sang, A. Ji, and Y. Mi, "Industrialization of advanced aquaculture technology," Korea Maritime Institute, 2015.
H. Sung, K. Oe, and L. Seok, "A Case Study on the ICT-Based Smart Aquaculture System by Applying u-Farms," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 39, no. 2, Feb. 2014, pp. 173-181.
O. Se, "A Case Study Civilian Drone," Summer Conf. of Korean Broadcasting Engineering Society, July 2015, pp.315-318.
Y. Dan, L. Kyu, H. Sang, K. Yong, and L. Seung, "A Study Flight Stabilization of Drones by Gyro Sensor and PID Control," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12, no. 4, Aug. 2017, pp. 591-598.
L. Jae, K. Han, K. Jun, B. Jea, and R. chan "Remote Control Robot Arm Using Leap Motion Sensor and Bluetooth Communication," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12, no. 6, Dec. 2017, pp. 1127-1134.
C. Joon and L. Dong, "Android-based Implementation of Remote Monitoring System for Industrial Gas Turbines," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 13, no. 2, Apr. 2018, pp. 369-376.
L. Jae, K. Han, K. Jun, B. Jea, and R. chan "Remote Control Robot Arm Using Leap Motion Sensor and Bluetooth Communication," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12, no. 6, Dec. 2017, pp. 1127-1134.

저자의 다른 논문 :

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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