기계적 특성 기반의 산업시설 안전성 평가를 위한 계장화 압입시험법의 응용

김국환(Kug-Hwan Kim),김영천(Young-Cheon Kim),이경우(Kyung-Woo Lee),김광호(Kwang-Ho Kim),권동일(Dongil Kwon) 한국에너지학회 2008 한국에너지공학회 학술발표회 Vol.2008 No.-

영상처리를 이용한 토마토 생육량 측정 시스템

김강섭(Kangsub Kim),홍영기(Youngki Hong),김현종(Hyunjong Kim),김국환(Gookhwan Kim),김경철(Kyoungchul Kim),이명훈(Meonghun Lee) 한국통신학회 2020 韓國通信學會論文誌 Vol.45 No.8

기계학습 기반의 말벌 모니터링 시스템 개발

김경철 ( Kyoung Chul Kim ),김동원 ( Dongwon Kim ),유승화 ( Seung Hwa Yu ),홍영기 ( Young Ki Hong ),이시영 ( Siyoung Lee ),김현종 ( Hyunjong Kim ),김국환 ( Gookhwan Kim ),이명훈 ( Meonghun Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

최근 기후변화 및 국제교역의 증가로 인해 외래 생물종의 생태계로의 유입이 급격하게 증가하는 추세이다. 말벌은 종족번식을 위한 단백질 공급을 위해 꿀벌을 사냥한다. 이러한 이유로 양봉산업에서 말벌 퇴치는 매우 중요한 문제이다. 한국에는 약 13종의 말벌이 있다고 보고되고 있으며, 8월부터 11월 사이에 가장 많은 피해를 주고 있다. 최근, 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 연구가 수행되고 있다. 말벌 모니터링에 대한 기초 연구가 수행되고 있다. 대부분의 양봉장은 꿀을 얻을 수 있는 나무가 많은 산 근처에 위치하고 있어, 전기나 통신 인프라가 없는 지역이 대부분이다. 이에 본 연구에서는 말벌의 활동시기에 활용할 수 있는 모니터링 시스템을 개발하고자 한다. 이를 위해 객체인식을 위한 이미지 취득 및 처리 시스템에 대한 개념설계를 기반으로 소비전력량을 계산하였다. 계산된 소비전력량에 대해 시스템 사용 시간과 충전 시간 및 효율을 고려한 후 안전계수를 적용하였다. 이를 기반으로 모니터링 시스템 개발을 위해 태양광패널, 배터리 용량을 고려한 충전 컨트롤러 허용 부하를 결정 및 관련 부품들을 선정하고 야외 환경에서 사용하기 위해 영상 취득 장치에 대한 거치 기구를 제작하였다. 시스템을 추후 성능 향상을 위한 고도화를 통해 변경이 가능하도록 영상장치, 분석장치, 알람장치, 전원공급장치, 충전장치로 구분하여 상세설계를 진행하였다. 본 연구를 통하여 말벌로 인한 피해를 감소시킬 수 있을 것으로 판단되며, 추후, 현장 평가를 통하여 고도화를 진행할 계획이다.

드론 활용 말벌집 탐색을 위한 이미지 분석 연구

김경철 ( Kyoung Chul Kim ),김동원 ( Dongwon Kim ),유승화 ( Seung Hwa Yu ),홍영기 ( Young Ki Hong ),김현종 ( Hyunjong Kim ),김국환 ( Gookhwan Kim ),이명훈 ( Meonghun Lee ),권경도 ( Kyung-do Kwon ),이시영 ( Siyoung Lee ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

말벌은 종족번식을 위한 단백질 공급을 위해 꿀벌을 사냥한다. 최근 급격히 증가하고 있는 말벌의 개체수로 인해 양봉산업에서 말벌 퇴치는 매우 중요한 문제이다. 특히, 양봉장 근처에서 말벌을 퇴치하는 일부 말벌들에게는 효과가 있으나, 근본적인 퇴치에는 한계가 있다. 이에 벌집 제거를 통한 말벌 개체수 감소가 필요한 상황이다. 이에 본 연구는 공학적인 기법을 활용한 실험을 통해 산림 또는 농경지에서 말벌집을 사전에 제거하기 위한 방법을 개발하고자 한다. 최대 1㎞ 까지 비행하는 말벌들의 특성을 고려했을 때 양봉장 중심 반경 1㎞가 탐색이 필요한 면적이다. 이에 본 연구에서는 광범위한 면적에 대한 신속한 탐색을 위해 드론을 활용하여 영상 이미지를 습득하고 이를 분석하여 말벌집을 검출하려 한다. 드론 이용 말벌집 탐색을 위해서 비행경로(방향), 고도, 촬영 각도 등 조건을 달리하여 실험을 실시하였다. 실험을 위한 드론기체는 DJI사 의 인스파이어2와 이미지 센서는 젠뮤즈 X5s를 사용하였다. 3방향에 대한 계획 경로를 생성하고 경로별 비행 고도, 촬영 각도를 달리하여 실험을 실시하였다. 실험 장소는 경남 함양(등 검은말벌), 전북 전주(말벌) 2곳에서 수행하였다. 이에 취득 이미지에 대한 육안 식별 가능 조건은 등검은말벌집은 비행 고도 12m, 촬영 각도 60° 이였으며, 말벌집은 비행 고도 5.8m, 촬영 각도 25° 였다. 이를 통하여 말벌 종류에 따른 탐색 조건을 달리해야 하는 것을 알 수 있었다. 추후 OpenCV를 활용한 컬러 모델 기법과 기계학습을 통한 이미지 검출 기법을 활용하여 말벌집의 탐색 자동화 기술을 발전시킬 예정이다.

노외기계시스템 분야 : P1-5 ; 제초로봇의 모열 검출을 위한 영상처리기법

김국환 ( Gook Hwan Kim ),김상철 ( Shang Cheol Kim ),홍영기 ( Young Ki Hong ) 한국농업기계학회 2014 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.19 No.2

영상 기반 병충해 예찰을 위한 DB 수집 및 관리 체계 설계

김국환 ( Gookhwan Kim ),이재수 ( Jaesu Lee ),한길수 ( Kilsu Han ),이현동 ( Hyundong Lee ),홍성준 ( Sungjun Hong ),이경재 ( Kyongjae Lee ),송장훈 ( Janghoon Song ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

최근 들어 전국에서 다양한 병충해 피해가 다발적으로 발생되고 있는데, 특히 과수 화상병의 경우 빠른 전염속도로 인해 발생 시 과수원을 폐원시켜 농가에 심각한 피해를 가져다주고 있어 문제 해결이 시급한 실정이다. 문제 해결을 위해 정기적인 예찰 및 방제를 수행하고 있지만 인력만으로 감염 여부를 판정하는 것은 많은 비용이 발생할 뿐 아니라 정확한 예찰이 어렵고 인력에 의한 병의 전파가 우려되고 있다. 본 연구에서는 여러 영상 센서들을 드론에 장착하여 과원 내 다양한 정보를 실시간으로 획득, 분석을 위한 통합 관제 시스템을 제작하였고, 획득한 영상들의 분석, 수집 및 관리를 위해 DB를 구축하여 체계적인 데이터 관리 및 분석을 위한 토대를 마련하고자 하였다. 본 연구에서는 화상병 의심주 판별을 위해 드론을 활용하여 총 4가지 영상 자료(RGB, NIR, Red-Edge, 초분광)를 취득하여 DB화 하였다. DB화를 위해 먼저 과수원 별로 각각 영상 센서를 장착한 후, 드론을 띄워 과원에 대한 구간별 공간별 영상을 취득하였다. 취득한 영상은 무선 통신방식을 통해 관제 시스템으로 전송된다. 전송된 스틸영상과 여러 장의 스틸영상을 기반으로 영상 정합을 얻어진 과원맵으로 구분되는데, 스틸 영상은 영상 분석을 통해 화상병 의심주를 판별하는데 활용하였고, 영상 정합을 통해 얻은 과원맵은 찾아진 의심주를 표시하고, 과원의 어느 위치에 의심주가 있는지를 알려주는 역할을 한다. 이렇게 구분된 영상 정보를 각각 사용자(과수원별 고유 ID 발급)를 기반으로 주소, 촬영 날짜, 위경도, 고도, 과수품종, 그루수, 년생 등 과원 상태에 대한 세부 사항을 기반으로 이미지명, 이미지 크기, 수평, 수직 해상도, 촬영 시기의 조리개 오픈 정도, 파일크기, 픽셀 정보 등 물리적인 스틸 영상 정보와 영상 정합을 통해 얻어진 과원맵에 대해 고유 ID, 촬영 날짜 및 시간, 기준 위치를 기반으로 3D 좌표값(m)으로 표시된 화상병 의심주 위치 및 의심 가능성(확률), 의심주 수 등의 병증 기반 DB 관리 체계를 구축하였다. 이렇게 구축된 DB 체계는 전국적으로 수행되는 정기 및 수시 예찰기간동안 인력 예찰에서 탈피하여 체계적이고 최적화된 DB 환경 기반으로 정확하고 효율적인 예찰 시스템으로 발전할 것으로 판단된다.

신앙발달 이론의 한 유형으로서 종교적 판단 발달 이론

김국환(Kook Hwan Kim) 한국기독교학회 2001 한국기독교신학논총 Vol.20 No.-

The reason I selected Oser`s theory is that it classifies religious characters in respect of the structuralism development psychology, searches the courses and steps of religious development, and has distinctions observing, analyzing and interpreting human action of various styles showing them in relationship with God as a transcendental being. In addition, a study such as this gives us an opportunity to reflect on Christian Education by helping to link the essence of belief, inside mentality of learners and problems to be improved in the education fields in connection with religious education. Oser`s theory does not intermediate knowledge about Bible only by means of a socio- scientific approach of receiving knowledge scientifically in the fields of education, but has a distinction of searching the relationship between God and individual religious states by many cases occurring in everyday life or by religious judgements related to religious lines of consciousness. The reason why the need of scientific study on the basis of reasonal thought has been required is that its method properly examines the real faces of religion abstract and conceptional, and then helps us make a form more hopeful and logical beliefs. It also helps us theoretically systematize belief of universal validity by accepting faithful cognitive distinction of beliefs in religious essence.

이중 조향 방식의 과원 내 무인 작업용 로봇 개발

김국환 ( Gookhwan Kim ),이대현 ( Daehyun Lee ),이명훈 ( Myunghoon Lee ),한길수 ( Gilsu Han ),이현동 ( Hyundong Lee ),홍영기 ( Youngki Hong ),도윤수 ( Yunsu Do ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

사과와 배 같은 과원 내에서 농작업을 수행할 때 불규칙하고 경사진 노면을 주행하는 경우가 많은데 농기계 및 작업기의 전복 사고로 인한 농민 사상자가 증가하고 있을 뿐 아니라 방제 시 농작업자의 과도한 유해성 농약 흡입으로 인한 빈번한 피해가 발생하고 있다. 이러한 피해를 줄이고자 과원 내에서 무인으로 자율주행을 하면서 농작업을 수행할 수 있는 로봇 플랫폼을 개발하였다. 과원 로봇의 개발 초기 단계에서는 모든 과원에서 적합한 로봇을 만들기보다 한국의 일반적인 사과(3~4 m폭) 및 배(5~6 m폭) 과원 내에서의 주행에 적합하도록 설계, 제작하였다. 또한, 자갈 및 웅덩이들로 인한 불규칙한 노면은 고려하되 최대 10도의 경사지에 국한하여 개발하였다(계단식 과원은 제외). 레이저센서를 로봇의 앞뒤에 장착하여 과수열을 검출하여 경로를 추종할 수 있고, 다음 작업열에 대한 진입이 용이하도록 하였고, 고정식 장애물이 인식되면 회피하거나 이동식 장애물이 사라질 때까지 정지해 있다가 주행할 수 있도록 하였다. 또한, 관성측정장치를 장착하여 로봇의 자세에 따른 레이저 센서 데이터를 보정하였고, 로봇의 과수열 추종 능력을 검증하기 위하여 실시간GPS (RTK-GPS)를 장착하였다. 과원 내 무인 작업을 위해 개발된 로봇은 작업기가 장착되지 않은 크기는 2.8 m(L) × 1.5 m(W) × 1.2 m(H)이고, 무게는 약 750 kg이다. 조향을 위한 최대 조향각은 ±22도이고, 전후륜의 축간 거리는 1.7 m로 회전반경은 약 3.11 m이다. 구동방식은 전후륜 모두 1.5 kW의 모터를 장착하였고 조향을 위해 750 W급의 모터에 웜기어 형태의 감속기를 장착하여 구동축에 연결하였다. 본 연구에서의 제안한 과원 로봇의 특징 중 하나는 전·후륜 이중 애커먼 조향 방식으로 설계, 제작되었다는 것이다. 일반적인 4륜 이동체(전륜조향)의 경우 과수열 추종을 위해 진행각이 변하여 지그재그형태로 로봇이 경로를 추종하게 되어 진행각 변화에 따라 데이터 보정도 해야 되고, 로봇이 똑바로 진행할 수 있도록 해야 하여 보다 복잡한 알고리즘이 필요하다. 또한, 좁은 구간에서는 일정하게 작업 상태가 유지되기 어렵다. 하지만, 전·후륜 이중 조향 방식의 경우 로봇 양 옆의 과수열을 인식하여 생성한 경로 추종을 위해 평행 이동하는 형태로 로봇을 이동시켜 경로를 추종한다. 이는 로봇이 과수열 중간에 정확히 놓여 이동할 수 있도록 해 줄 뿐 아니라, 레이저 센서 데이터의 보정 및 경로 추종 알고리즘을 간단하게 해주는 장점이 있다.

무논 환경에서 활용 가능한 모열 검출 장치 개발

김국환 ( Gookhwan Kim ),이재수 ( Jaesu Lee ),한길수 ( Kilsu Han ),이현동 ( Youngki Hong ),홍영기 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

본 연구는 무논 환경에서 자율 주행하는 로봇을 위한 터치식 모열 검출 장치를 소개하고 실제 차륜형 제초 로봇에 장착하여 시험하였다. SICK사의 레이저 스캐너와 같은 고가의 센서를 활용한 모열 검출 방식은 로봇의 제작 단가를 증가시킬 뿐 아니라, 검출 알고리즘도 복잡하게 만들기 때문에 본 연구에서는 기구 구조가 단순하면서 저가인 터치 방식의 센서를 이용하여 모열을 검출하여 자율 주행 시 항법 오차로 인한 작물 손상을 최소화 하고자 하였다. 터치식 모열 검출 장치는 가이던스 기구부와 로봇의 진행 방향각 측정을 위한 포텐시오미터만을 이용하여 모열을 검출할 수 있도록 개발되었다. 가이던스 기구부는 두 열의 모열의 사이에 놓여 모열이 심겨진 방향에 따라 회전하면 회전축에 장착된 포텐시오미터를 이용하여 모열이 심겨진 방향각을 측정하여 로봇이 모열을 따라 이동할 수 있도록 하였다. 가이던스 부분은 앞 부분을 뾰족하게 하여 모열 사이에 잘 위치할 수 있도록 하였고 가이던스의 끝 단은 가이던스 기구부를 고정해주는 브라켓을 제작하여 몸체부에 부착시켰다. 이 때, 가이던스 기구부 브라켓과 몸체부 사이에 포텐시오미터를 연결하여 가이던스가 모열 사이에 놓여 로봇이 이동하면서 진행해야 되는 방향각을 측정하는 원리로 설계, 제작되었다. 터치식 모열 검출 장치의 중요한 특징 중 하나는 장치와 로봇과의 연결을 위한 2단 링크부에 액추에이터를 장착하여 노면의 상태에 따라 높낮이를 제어할 수 있도록 하였다는 것이다. 바닥에 놓인 터치식 모열 검출 장치가 로봇의 자세 변화에 따라 유연하게 대응하도록 하기 위함인데, 높낮이가 변화하면 2단 링크부 중앙에 장착된 다른 하나의 포텐시오미터를 통해 링크각의 변화를 감지하고 이에 따라 장치의 높낮이를 조절할 수 있도록 하였다. 이는 장치가 로봇의 자세 변화에도 일정하게 고정되어 있지 않고 유연하게 움직여 무논의 노면 상태에도 유연하게 모열을 검출함과 동시에 파손을 방지하기 위함이다. 터치식 모열 검출 장치의 바닥 부분은 무논환경과 같이 물과 진흙이 혼재한 상태에서 쉽게 미끄러져 이동할 수 있도록 설계, 제작하였는데, 로봇의 앞 부분에 장착되어 모열을 따라 이동하면서 모열이 심겨진 상태를 측정하여 로봇의 방향각을 결정하는데 활용하였다. 이렇게 제작된 모열 검출 장치는 레이저 센서만을 활용한 모열 추종방식보다 8~15%가량 손상을 줄일 수 있었지만, 모의 뿌리가 안착되고 줄기의 평균 직경이 약 2.5mm 이상이 되는 이앙 후, 약 30일이 지난 이후부터 적용이 가능하였다.

무논 환경에서의 초기 제초 작업을 위한 부유형 로봇 개발

김국환 ( Gookhwan Kim ),이재수 ( Jaesu Lee ),한길수 ( Kilsu Han ),이현동 ( Hyundong Lee ),홍영기 ( Youngki Hong ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

최근 친환경 농업은 건강과 환경에 대한 많은 사람들의 관심 증폭에 발맞춰 안전한 식품의 생산 요구가 확산되고 있다. 제초제의 사용을 줄이면서 잡초를 제거하기 위해서는 수작업이 가장 좋은 방법이나, 시간과 비용이 많이 든다. 본 연구는 이앙 후, 3~4주 지난 무논 상태에 적용 가능한 초기 제초 작업이 가능한 부유형 제초 로봇을 사용하여 제초제의 사용 없이 물리적으로 잡초를 제거하는 기술에 대해 제안하고자 하였다. 본 연구에서 제안한 부유형 제초 로봇은 프로펠러의 풍력을 동력으로 하여 무논 위를 랜덤하게 주행하며 브러쉬 타입의 끌개 형태의 작업기(브러쉬 롤)를 활용하여 땅속에 심겨진 잡초를 제거하기 위해 무논 바닥을 긁는 방식으로 제초 작업 수행한다. 로봇의 구조를 살펴보면, 로봇의 몸체는 물이 차 있는 수면 위를 풍력을 활용하여 이동 및 방향 전환이 용이하도록 합성 수지 속에 섬유 기재를 혼입시켜 강도는 뛰어나면서 가볍고 내구성이 강하도록 설계, 제작하였다. 또한, 로봇의 주행을 위한 동력원인 추력을 발생시키기 위해 2개의 팬을 장착하였고, 이 팬에 전기실린더를 장착하여 팬의 추력 발생 방향을 조절하여 부유형 로봇의 방향 전환이 용이하도록 설계, 제작하였다. 제초 작업을 위한 브러쉬 타입의 제초 장치는 프레임 암을 사용하여 높낮이를 조절할 수 있도록 하였고, 교체의 편의성을 고려하여 조인트 바의 축 방향 장력을 조정할 수 있도록 스프링을 장착하였다. 부유형 제초 로봇의 몇 가지 특징을 살펴보면, (1) 브러쉬 롤에 낀 잡초 등 이물질을 제거하기 위하여 캠 형태의 구조물을 회전시킬 모터를 장착하여 브러쉬에 붙은 이물질을 충격을 통해 털어낼 수 있도록 하였다. (2) 팬은 크게 두 가지 기능을 수행하는데, 하나는 프로펠러를 회전시켜 추력을 발생시키는 역할을 수행하고, 다른 하나는 팬을 회전시켜 로봇의 방향을 전환하는 역할을 수행한다. 이 때, 팬의 추력 발생 방향을 제어하기 위해 전기실린더를 장착하였다. (3) 로봇의 전면에는 윈치를 장착하여 로봇의 고장이나 배터리 방전으로 인해 동작하지 않는 경우, 윈치를 밖의 고정 부위에 걸어 로봇을 외부로 끌어낼 수 있도록 하였다.