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확장 칼만 필터 제어기를 이용한 소형트랙터 위치 추정 알고리즘 개발
홍지웅 ( J. W. Hong ),차두환 ( D. H. Cha ),이다희 ( D. H. Lee ),김영천 ( Y. C. Kim ),신준환 ( J. H. Shin ),곽다현 ( D. H. Kwak ),이창길 ( C. G. Lee ),강태환 ( T. H. Kang ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
본 논문은 농업인구의 고령화 및 농업 인력의 감소로 인하여 농업용 로봇의 필요성이 커지고 있으며, 이를 위한 농기계의 지능화 및 무인화가 진행되고 있는 현실에서 자율주행 농기계를 위한 위치추정 알고리즘을 개발하고자 한다. 농기계 중에서 가장 다목적으로 사용하는 기계인 트랙터의 지능화 및 무인화를 통하여 인력을 대체하고, 인력보다 더 효율적으로 작업을 할 수 있는 자율주행 소형트랙터를 위한 정밀한 위치 추정 알고리즘을 개발한다. 정확한 위치 추정을 위하여 RTK-GPS 모듈을 통한 수 cm 단위의 위치좌표 획득과 정밀한 각도값을 얻기 위한 IMU 센서를 통합하여 소형트랙터의 조향장치를 제어하여 계획된 경로를 최소한의 오차로 진행할 수 있도록 알고리즘을 개발한다. PID제어와 칼만 필터 등의 기존 제어알고리즘의 문제점인 급격한 제어로 인한 조향장치의 불안정성과 최소한의 움직임(선형화)을 통하여 안정된 제어로 목표점까지 주행을 할 수 있는 확장 칼만 필터 제어 알고리즘을 비교하고, 최종으로 RTK-GPS 모듈과 IMU 모듈의 입력을 받는 확장 칼만 필터 알고리즘 개발을 목표로 한다. 정밀한 위치좌표를 제공하는 RTK-GPS 모듈과 트랙터의 동적인 움직임을 위한 관성항법시스템의 역할을 하는 IMU 모듈을 적용하여 소형트랙터의 경로오차를 최소화하는 확장 칼만 필터 알고리즘과 시스템을 개발하여, 원하는 목표좌표를 지정하는 것만으로도 최적화된 경로로 소형트랙터가 자율주행할 수 있는 최적 알고리즘 및 시스템을 개발 및 설계 제작하였다.
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강상구 ( S. G. Kang ),박인철 ( I. C. Park ),김길호 ( G. H. Kim ),홍지웅 ( J. W. Hong ),차두환 ( D. H. Cha ),이다희 ( D. H. Lee ),김영천 ( Y. C. Kim ),신준환 ( J. H. Shin ),곽다현 ( D. H. Kwak ),강태환 ( T. H. Kang ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
수중 플라즈마 방전 방식 농업용 보일러 개발은 기존 하우스 농가의 시설하우스 단위면적별, 재배작물별 필요 열량에 최적으로 다처하기 위해 보일러 가열부를 유닛으로 만들어 조합함으로써 작물재배시 과도한 소비전력 사용 방지와 적정 생육환경을 조성하여 생산비 절감 및 생산성 향상을 목적으로 개발하였다. 본 연구에서 개발한 플라즈마 보일러 유닛은 전극코어와 하우징으로 구성되고, 재질은 PPS(폴리페닐린 설파이드)로서 전극코어 및 하우징의 표면을 개질 후 Cu→Ni→Pd→Pt 순으로 다중 도금하였다. 전극코어와 하우징 간 AC220V 인가 시 운전전류 3A가 일정하게 흐르면서 총 전력량 660W급으로 설계 제작하여 기초평가 한 결과, 초기에는 플라즈마 방전상태가 양호한 것으로 나타났다. 그러나 장시간 운전시 서서히 운전전류가 감소하여, 90일차 운전전류는 2.3A로 하락하였고, 운전 종료 후 분해한 결과 전극표면과 하우징 내측의 도금층이 박리된 상태로 변하였다. 이것은 PPS 재질이 플라즈마 방전에 의한 표면 온도 상승을 견디지 못하고 열부식이 발생되어 다중 도금층이 파괴된 원인으로 판단되며, PPS 다중도금 전극은 적용이 불가능 한 것으로 판정되었다. 따라서 보일러 유닛의 전극코어와 하우징 재질을 그레이드 2의 타이타늄(Ti)을 베이스 재질로 제작한 후 표면에 백금족 원소인 이리듐(Ir)을 5 ㎛의 두께로 도금하여 플라즈마 방전시 표면온도 상승으로 인하여 발생하는 박리현상을 제거하였고, 3상 AC380V 인가시 운전전류는 17.2~18.3 A, 총 전력량 10,176~10,827 W 급으로 플라즈마 방전상태가 양호한 것으로 나타났다. 또한 운전시 하우징에 N상을 인가하지 않은 경우 누설전류는 약 58V로 나타났고, N 상을 인가할 경우 0.0~1.8V의 전기가 누설되는 것으로 나타나 N 상 하우징이 플라즈마 방전의 왜곡을 방지함으로써 에너지 변환율을 높이는 것으로 판단된다.
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강상구 ( S. G. Kang ),박인철 ( I. C. Park ),김길호 ( G. H. Kim ),홍지웅 ( J. W. Hong ),차두환 ( D. H. Cha ),이다희 ( D. H. Lee ),김영천 ( Y. C. Kim ),신준환 ( J. H. Shin ),곽다현 ( D. H. Kwak ),강태환 ( T. H. Kang* ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
보일러 실증 테스트에 사용된 보일러는 실험구의 경우 주식회사 ㈜ GA에서 개발한 수중 플라즈마 방전 방식 보일러(S-70, (주) GA, KOREA)를 사용하였고, 대조구는 일반 시설하우스 농가에서 사용되는 상업용 전기보일러(DBE-100, 대성, KOREA)를 사용하여 실증 테스트를 수행하였다. 보일러 실증 테스트에 사용한 하우스는 36,000×6,000×18,000 ㎜(L×H×W)크기로서, 하우스 중앙에 3중 단열층을 설치하여 실험구와 대조구로 분리한 후 난방 특성 및 금전수 생육 실험을 수행하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 일주일간 대조구에 공급된 누적 전열량은 10,138.3 MJ/h 이 공급되었고, 실험구의 경우에는 8,334.0MJ/h 의 전열량이 공급되어 실험구가 대조구보다 1,804.3 MJ/h 적게 공급된 것으로 나타났다. 출수온도 편차는 플라즈마 보일러가 전기보일러보다 23~47.7℃ 낮은 것으로 나타났다. 설정 출수온도 도달시간은 플라즈마 보일러가 10분이 소요되는 것으로 나타났고, 일반 상용 전기보일러의 경우에는 약 30분이 소요되는 것으로 나타나 플라즈마 보일러 가열 메커니즘이 일반 전기보일러의 전도에 의한 가열 메커니즘 우수한 것으로 판단된다. 실험구의 정규화 식생지수값(NDVI)은 평균 0.678 정도를 나타내었고, 대조구의 정규식생지수는 평균 0.632 정도로서 실험구가 대조구와 비교하여 약 0.046 정도 높은 것으로 나타났다. 금전수의 클로로필 함량을 나타내는 SPAD 값은 플라즈마 보일러를 설치한 실험구가 일반 전기보일러를 설치한 대조구보다 높은 경향을 나타내었다. 10주간 실험구 금전수의 누적 수고 생장량은 73.5 ㎜ 이었고, 대조구의 경우에는 53 ㎜로 나타나 실험구가 대조구보다 약 20 ㎜ 정도 높이 성장량이 양호한 것으로 나타났다. 10주간 실험구 금전수의 누적 엽장 생장량은 8.2 ㎜ 이었고, 대조구의 경우에는 6.9 ㎜ 로 나타나 실험구가 대조구 보다 약 1.3 ㎜정도 엽장 성장량이 높은 것으로 나타났다. 소비전력량은 플라즈마 보일러가 상용 전기보일러보다 약 0.500~0.522 MWh 적게 소비되어 약 16.1~17.8% 정도 에너지 절감효과가 있는 것으로 나타났다. 플라즈마 보일러의 내구연구 20년은 기준으로 총 이득비용은 26,732,400원으로 나타났고. 연간 이득비용으로 환산하면 연간 약 1,336,620원의 경제적 효과가 있는 것으로 판단된다.
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