[논문]IoT 기술이 적용된 스마트 플라잉 디스크 모니터링 시스템 구축

이정철; 장영종; 황태호

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.5.991

IoT 기술이 적용된 스마트 플라잉 디스크 모니터링 시스템 구축
Smart Flying-Disc Monitoring System with IoT Technology 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.14 no.5, 2019년, pp.991 - 1000

이정철 (전자부품연구원) , 장영종 (전자부품연구원, SoC 플랫폼연구센터) , 황태호 (전자부품연구원, SoC 플랫폼연구센터)

초록
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플라잉 디스크 게임은 1940년부터 시작된 스포츠이며, 국내는 2007년대 이후 초등학교를 중심으로 보급되어 빠른 속도로 확대되고 있다. 이와 함께 스포츠 과학화가 진행되면서, 플라잉디스크 또한 기술적 향상과 효율성을 위한 모니터링 시스템을 구축하기 위한 연구가 지속되고 있다. 본 논문은 9축 움직임 센서와 GPS 등을 이용해 이용자의 플라잉 디스크에 정보를 획득하고, 이를 블루투스 5.0을 이용한 무선 전달 방법을 제안한다. 세부적으로는 실시간 데이터를 관찰하거나 후처리 과정을 통해 회전속도, 비행 궤적, 회전 등 비교 및 분석할 수 있는 펌웨어 및 소프트웨어 그리고 HW 플랫폼을 설계 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The flying-disc game has started since 1940. It has been spreading rapidly in Korea since 2007, mainly in elementary schools. Additionally, as sports science has been developed, research on flying discs has been continued to build a monitoring system for technological improvement and efficiency. In this paper, we acquire information on the user's flying-disc using 9-axis motion sensor and GPS. Then we propose a method for wireless transmission using Bluetooth 5.0. Specifically, the HW platform was designed and implemented not only to monitor a real-time data but also to compare and analyze rotational speed, flight trajectory, and a count of disc rotation through post-processing.

주제어

표/그림 (17)

그림 그림 1. 가속도 센서의 포화상태 Fig. 1 Saturation of acceleration sensor
그림 그림 2. 제안된 IoT 모듈 구조 Fig. 2 The proposed structure of IoT module
그림 그림 3. 제안한 스마트 플라잉디스크 Fig. 3 Purposed smart flying-disc
그림 그림 4. 스마트 플라잉 디스크에 적용된 제안된 프로토콜 포맷 Fig. 4 Proposed protocol applied to the smart flying-disc
그림 그림 5. 운영 흐름도 Fig. 5 Operation flowchart
표 표 1. 움직임 센서 및 GPS 수신기의 특성 Table 1. Specification of motion sensor and GPS receiver
그림 그림 6. 스마트 플라잉 디스크 가속 센서의 분석 Fig. 6 Analysis of acceleration sensor on the smart flying-disc
그림 그림 7. 모니터링 시스템 구조 Fig. 7 The structure of monitoring system
그림 그림 8. 개발된 동작 분석 사용자 인터페이스 도구 Fig. 8 Development of motion analysis UI tool
그림 그림 9. 회전속도를 위한 FFT 연산 결과 Fig. 9 The result of FFT calculation for rotational speed
그림 그림 10. 추정 플라잉디스크 각도 결과 Fig. 10 The result of estimated disc angle
그림 그림 11. 통신 거리 테스트 Fig. 11 The communication distance test
그림 그림 12. ECEF(왼쪽), LLH(오른쪽) 좌표계 Fig. 12 ECEF(Left), LLH(Right) coordinate
그림 그림 13. NED 뷰어와 지도 뷰어 Fig. 13 NED and Map View
그림 그림 14. 필드 테스트를 통한 제안 플랫폼의 검증 Fig. 14 Validation of the proposed platform through field testing
그림 그림 15. 수평 비행 궤적 결과 Fig. 15 The result of horizontal flight trajectory
그림 그림 16. 고성 대회 결과 Fig. 16 The result of Gosung competition

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

문제 정의

본 논문은 플라잉 디스크에 IoT 기술이 접목된 IoT 모듈로 센서에서 발생하는 정보를 가공하여 플라잉 디스크의 실시간 데이터 분석과 저장된 데이터의 2차 가공을 통해, 사용자의 경기 때의 행동분석과 연습에서의 코칭에 활용 가능성을 제시하였다. 그 밖에도 4.

가설 설정

3.1장에서 움직임 센서인 MPU-9250는 16G 이상에서 자이로 센서의 Z축 값은 포화상태가 되어 비행 구간 내 자이로 센서 정보를 활용할 수 없다.

제안 방법

본 논문은 플라잉 디스크에 IoT 기술이 접목된 IoT 모듈로 센서에서 발생하는 정보를 가공하여 플라잉 디스크의 실시간 데이터 분석과 저장된 데이터의 2차 가공을 통해, 사용자의 경기 때의 행동분석과 연습에서의 코칭에 활용 가능성을 제시하였다. 그 밖에도 4.4에서 설명했듯이, 이를 확대에서 다른 사용자와의 비교나 실력향상을 위한 분석을 할 수 있는 서비스의 기능성을 여러 번의 필드 테스트를 통해 확인하였다. 본 스마트 플라잉 디스크를 통해 다양한 선수들의 사례 데이터를 확보하여 선수들의 실력을 향상하거나 경기 중인 선수들 패스 패턴이나 패스 기술에 대한 분석으로 팀 전력 향상을 제공할 수 있다.
제시된 스마트 플라잉 디스크는 앞서 문제점을 극복하기 위해 IoT 모듈의 원형과 배치구조를 제시하였다. 그림 3과 같이 통해 플라잉 디스크 장착할 때 공기저항을 줄이는 방안으로 기구적 개선을 하였다. 플라잉 디스크의 IoT 모듈을 원형으로 개발하고, IoT 모듈 장착 영역에 홈을 만듦으로써 IoT 플랫폼을 튀어나오는 부위를 최소화하였다.
그림 2와 같이 스마트 플라잉 디스크의 장착된 IoT 모듈은 플라잉 디스크를 던지기 직전의 디스크의 자세나 비행 정보 및 위치 정보를 획득하기 위해 9축 센서와 GPS 모듈을 포함하여 플라잉 디스크 내부에 부착하였으며, 센서 데이터의 신뢰성을 확보하기 위해 SD card 모듈을 통해 저장한다. 또한, 실시간 센싱 및 GPS 데이터를 제공하고 추적하기 위해 근거리 무선 통신이 가능한 Bluetooth 5.0 모듈을 장착하였다.
3장은 플라잉 디스크에 부착된 IoT 모듈의 구성 및 동작 특징에 대해 구체적으로 설명하고, 4장은 IoT 모듈이 부착된 스마트 플라잉 디스크를 사용한 스마트 플라잉 디스크 모니터링 시스템에 대해 논의한다. 마지막으로 스마트 플라잉 디스크는 움직임 감지 센서의 계측 보장 범위 이상의 환경에서도 플라잉 디스크에 비행 정보를 실시간 모니터링이 가능한 시스템을 제안한다.
스마트 모니터링 시스템은 그림 7과 같이 IoT 모듈이 부착된 플라잉 디스크를 통해 저장된 데이터나 블루투스를 통해 실시간으로 수신되는 데이터를 이용하여 개인적으로는 사용자의 비행 정보를 비교 및 분석을 할 수 있고, 그룹적으로는 캐처 게임, 얼티메이트 등 여러 명의 게임을 서버를 통해 전체적으로 관찰할 수 있도록 구성하였다.
스마트 플라잉 디스크 모니터링 시스템의 개인적, 그룹의 성능과 활용도를 검증을 위해 그림 14와 같이 장안중, 고성 대회, 진천 선수촌 등에서 필드 테스트를 진행하였다.
스마트 플라잉 디스크는 3.2장에 설명된 프로토콜을 이용해 저장되거나 실시간 수신된 데이터를 피치, 롤, 요의 플라잉 디스크 모멘트에 따른 삼차원 동작 화면과 GPS 궤적, NED 등의 UI(User Interface) 뷰어인 종합 모니터 뷰어(Total Monitoring View) 통해 사용자의 동작을 분석한다. 그림 8과 같은 각각의 UI뷰어들은 해당 데이터를 데이터베이스로 로그를 저장되며 저장된 로그는 차후 비교와 분석에 활용할 수 있도록 개발되었다.
이러한 FFT 연산을 통해 시계열 데이터를 주파수 데이터로 변화하여 정량화함으로써 비행 구간 동안 회전속도 외에 플라잉 디스크의 비행 정보인 피치와 롤 모멘트를 정보를 분석할 수 있다. 3.
통신 거리는 약 200∼350미터 거리이며 통신 페이로드 크기는 최대 500Kbps까지 가능하다. 이를 통해, 스마트 플라잉 디스크는 200m 이상의 통신 거리와 그룹 모드에서 Wi-Fi를 사용하여 여러 개의 그룹별 게임의 정보를 수신하여 처리한다.
이에 따라, 자이로 센서 정보를 파라미터로 사용하는 모멘트 계산들은 신뢰할 수 없게 된다. 제시된 스마트 플라잉 디스크 모니터링 시스템은 수평축 모멘트 감쇠 미계수를 추정 알고리즘을 제안함으로써 그림 10의 추정한 플라잉 디스크 각도 결과와 같이 비행 구간 내 피치와 롤의 각도를 추정할 수 있다[8, 9].
제시된 스마트 플라잉 디스크는 앞서 문제점을 극복하기 위해 IoT 모듈의 원형과 배치구조를 제시하였다. 그림 3과 같이 통해 플라잉 디스크 장착할 때 공기저항을 줄이는 방안으로 기구적 개선을 하였다.
제안된 IoT 모듈은 표1의 센서 및 GPS의 정보를 이용해, 사용자가 던지는 플라잉 디스크의 비행에 생성 정보를 실시간으로 측정하여 코칭과 동작 분석을 할 수 있으며, 실시간성과 모바일 디바이스의 연계성을 위해 자동 데이터 저장 및 블루투스를 이용한 자동 무선 연결 등 독립적인 스마트 프라잉 디스크의 동작을 하도록 설계하였다.
코칭에 대한 방법으로 그림 6과 같은 센서 데이터의 특성을 이용, 플라잉 디스크이 손에서 떠나 떨어질 때까지의 비행 구간을 측정하여 자동으로 저장하는 기능을 구현하였다. 이 기능은 움직임 센서 데이터 중 가속도 센서 데이터의 실시간으로 측정하여 플라잉 디스크의 던지는 시점과 지면에 충돌된 시점을 파악하여 저장함으로서 비행 구간에 발생한 데이터들을 분류할 수 있다.
플라잉 디스크에 9축 센서를 중심으로 마이크로프로세서와 연동하여 플라잉 디스크의 속도, 비행 궤도 등 센서 정보를 통한 플라잉 디스크의 특성[9]를 연구하였다. 하지만, 선행연구의 한계로 지적한다면, 그림 1과 같이 실제 플라잉 디스크를 던지는 역동적인 환 경에서 16G 이상 힘의 값이 플라잉 디스크에 가해진다.
그림 3과 같이 통해 플라잉 디스크 장착할 때 공기저항을 줄이는 방안으로 기구적 개선을 하였다. 플라잉 디스크의 IoT 모듈을 원형으로 개발하고, IoT 모듈 장착 영역에 홈을 만듦으로써 IoT 플랫폼을 튀어나오는 부위를 최소화하였다. 이를 통해 비행 안정성의 영향을 최소화하고 그림 2와 같이 플라잉 디스크 모듈의 부품 배치를 통해 IoT 모듈의 무게중심을 맞춤으로써 플라잉 디스크에 비행 특정성을 최소화하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용되는 일반인 플라잉 디스크는 종목과 형태에 따라 140∼169g를 지니며, 개발된 IoT 모듈은 배터리를 포함하여 13g이다.
제안된 IoT 모듈은 세부적으로 그림 2와 같이 동작 감지기 센서로 활용되는 9축 센서인 MPU-9250와 근거리 통신을 위한 블루투스(Bluetooth) 모듈인 BGX-13P 그리고 센싱 데이터의 저장을 위한 SD 카드, 센서 정보를 보정 제어하는 마이크로프로세서(이하, MCU)인 Cortex M3로 구성된다. 이렇게 구성된 플라잉 디스크에는 IoT 모듈로 인해 무게가 10∼20g 사이에 증가가 된다.

성능/효과

그림 15는 스마트 플라잉 디스크를 실제 던진 데이터와 수평축 모멘트 감쇠 미계수를 추정 알고리즘[9]을 적용한 시뮬레이터의 결과와의 일치 여부를 참여 기관인 건국대학교의 협업으로 나타낸 것이다. 결과와 같이 실제 데이터궤도와 플라잉 디스크의 회전감시모멘트 계수 (C_N+C_R+C_M)의 큰 차이가 없는 것을 확인하였다.
국내외 다양한 요구사항과 선행 연구를 극복하는 방안을 본 논문에서는 ‘스마트 플라잉 디스크 시스템’으로 극복하였다.
이러한 분석과 코칭을 위해서는 사용자 동작 분석과 함께 사용자가 플라잉 디스크에서 발생하는 정보인 궤적, 속도, 회전수 등 정보를 추론할 필요가 있다. 본 논문에서 제안한 스마트 플라잉 디스크를 통한 정보 추론은 Vicon[4]와 같은 수억 원대 고가의 장비와 비교에서는 미흡하지만, 플라잉 디스크 궤적, 회전수 등 정보를 통해 사용자 동작 형태를 역추적 함으로써 교육의 첨단화와 코칭을 함께 증대시킬 수 있다. Vicon[4]와 같은 장비를 활용할 수 있지만, 세 가지 문제가 있다.
4에서 설명했듯이, 이를 확대에서 다른 사용자와의 비교나 실력향상을 위한 분석을 할 수 있는 서비스의 기능성을 여러 번의 필드 테스트를 통해 확인하였다. 본 스마트 플라잉 디스크를 통해 다양한 선수들의 사례 데이터를 확보하여 선수들의 실력을 향상하거나 경기 중인 선수들 패스 패턴이나 패스 기술에 대한 분석으로 팀 전력 향상을 제공할 수 있다. 향후 추가 개선되고 응용서비스로 확대한다면, 스마트 플라잉 디스크를 이용한 선수 위치 추적 서비스, 스마트 캣쳐 골프 게임 개발 그리고 초, 중, 고등학교의 체육 프로그램을 개발 등에 활용할 수 있다.
플라잉 디스크의 IoT 모듈을 원형으로 개발하고, IoT 모듈 장착 영역에 홈을 만듦으로써 IoT 플랫폼을 튀어나오는 부위를 최소화하였다. 이를 통해 비행 안정성의 영향을 최소화하고 그림 2와 같이 플라잉 디스크 모듈의 부품 배치를 통해 IoT 모듈의 무게중심을 맞춤으로써 플라잉 디스크에 비행 특정성을 최소화하였다. 제안된 IoT 모듈의 동작 추정 및 플라잉 디스크의 궤도추적을 위해 사용되는 동작 센서는 MPU-9250과 GPS인 NEO-M8N으로 상세한 특성은 표1에 나타나 있다.
이를 통해서, IoT 모듈에서 사용하는 평균 10.14 mW/h, 순간 최대 20.28 mW/h인 전력량을 각각 50%인 평균 5.09 mW/h와 25%인 15.27 mW로 감소시켰으며, 300 mA/h일 때 실제 IoT 모듈에 사용시간을 16시간에서 38시간으로 확대하여, 한 번의 충전으로도 2∼3일의 경기에서 활용할 수 있다.

후속연구

본 스마트 플라잉 디스크를 통해 다양한 선수들의 사례 데이터를 확보하여 선수들의 실력을 향상하거나 경기 중인 선수들 패스 패턴이나 패스 기술에 대한 분석으로 팀 전력 향상을 제공할 수 있다. 향후 추가 개선되고 응용서비스로 확대한다면, 스마트 플라잉 디스크를 이용한 선수 위치 추적 서비스, 스마트 캣쳐 골프 게임 개발 그리고 초, 중, 고등학교의 체육 프로그램을 개발 등에 활용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라잉 디스크의 정의와 종류는?	플라잉 디스크(Flying-Disc)는 신 스포츠 종목의 스포츠로 얼티메이트(ultimate), 플라잉디스크 골프 (Disc Golf) 등 다양한 경기가 있으며, 이에 따라 얼 티미트(Ultimate), 거츠(Guts), 드라이버(Driver) 다양한 플라잉 디스크를 활용한다. 플라잉 디스크는 미국, 유럽, 일본 등 국외 및 국내에서도 다양한 경기로 발전·변화 중이다.
	스마트 플라잉 디스크 모니터링 시스템의 수신을 위해서 최소 반경 50m 이상의 통신 거리를 확보해야 하는 이유는?	플라잉 디스크는 유선을 연결할 수 없는 외부 환경 에서 데이터 전송과 IoT 모듈을 제어해야 하므로 무선통신을 사용해야 한다[10, 11]. 플라잉 디스크 드라이버 경기는 약 100m 이상 공간이 필요하다. 이에 따라, 스마트 플라잉 디스크 모니터링 시스템의 제어 및 데이터 수신을 위해선 최소 반경 50m 이상의 통신 거리를 확보해야 한다.
	정보의 습득 범위가 다른 10Hz의 GPS 데이터와 100Hz의 9축 데이터 움직임 센서 정보가 결합하는 프로토콜 구조의 장점은?	정보의 습득 범위가 다 른 10Hz의 GPS 데이터와 100Hz의 9축 데이터 움직임 센서 정보와 결합한다. 이러한 프로토콜 구조의 장 점은 데이터 패킷 10개 중 하나의 패킷을 분실하여도 다음 패킷의 GPS 데이터를 보완할 수 있는 장점을 지닌다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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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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