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승민 가
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 1 pp , ISSN / eissn 균일방제를위한항공살포시스템구현 지선호 1*, 전부일 1, 조현찬 1 1 한국기술교육대학교전기전자통신공학부 Implementation of Aerial Application System for Application Uniformity Sun-Ho Jee 1*, Bu-Il Jeon 1, Hyun-Chan Cho 1 1 School of Electrical, Electronics and Communication Engineering, KOREATECH 요약본논문에서는항공방제시균일방제를통하여병해충에의한농산물생산량저하및농약이과도살포된농작물생산을방지하고자하였다. 항공방제가실시되는비행고도 3m와속도 15km/h 를유지하는것은사용자의조종습관및방법, 바람의변화같은환경적요인이작용하여대단히어렵다. 따라서무인헬리콥터로부터비행데이터를전송받아비행속도및고도의변화에따라붐의각도와 DC 펌프의제어가가능하도록살포장치및제어기를설계및제작하였고무성항공사의무인헬리콥터 Rmax에탑재하여살포성능을검증했다. 실험은가로 10m, 세로 50m의농지에서감수지를한열에 1.25m 간격으로 9장씩 5열을 5m의위치에서부터 10m 간격으로배치하고, 방제실험시제작된항공살포시스템을이용하여살포하였다. 무인헬리콥터는최저속도 7.2km/h부터최고속도 17.6km/h, 최저높이 2.32m부터최고 3.47m까지최고 10.4km/h 의속도변화와 1.15m 고도변화를보이며비행하였고, 각열이평균 46423개의입자개수의분포로 7.5m의유효살포영역을형성함을보여제안된항공살포시스템이균일방제에효과가있음을증명한다. Abstract The aim of this study was to prevent the decrease in crop output by disease and insect pests and excessive spraying of agricultural pesticides by application uniformity. A 3m height and 15km/h speed is difficult to maintain with an unmanned helicopter for aerial application, which has been affected by the controlling habits and methods or environmental factors, such as changes in the wind. Therefore, in this study, an aerial application system was design to be attached to an unmanned helicopter, which can allow a controlled application width and spray rate automatically and verified experimentally using Rmax of MS-AVIATION. The size of agricultural land was 50 m2 and nine water sensitive cards were arranged at 1.25m intervals in 5 rows with each row having a 10m interval from the position of 5m. The unmanned helicopter was flying at speeds ranging from 7.2km/h to 17.6km/h and heights ranging from 2.32m to 3.47m. The proposed aerial application system allowed application uniformity by making a valid spraying area of 7.5 m2 with particles distributed on average. Keywords : Aerial application, Application uniformity, Control system, Crop dusting, Unmanned helicopter 1. 서론전세계적으로친환경적농업의중요성이대두되고있으며, 우리나라의농업중가장중요한벼농사경쟁력제고는시급한문제이다. 시장개방으로인한경쟁에대 응하기위하여농산물의생산비절감을위한생산기술이절실히요구되고있다 [1]. 현재농산물생산작업중약 5% 부터 15% 의생산노동력을차지하는병해충방제작업은품질및생산량을높이기위한필수작업이지만고온 다습한환경에서농 * Corresponding Author : Sun-Ho Jee(KOREATECH) Tel: webshock@koreatech.ac.kr Received February 9, 2015 Revised (1st July 24, 2015, 2nd December 8, 2015, 3rd December 22, 2015) Accepted January 5, 2016 Published January 31,

한국산학기술학회논문지제 17 권제 1 호, 2016 약을살포하므로노동의강도가강하며농약중독우려가커서기피하는작업이다 [2]. 또한우리나라의농약살포는다량살포방식으로지면낙하및비산등손실량이많아환경적인영향에기인한경제적손실을경감할수있는저투입소량살포방식의친환경 정밀방제기술이필요하다.

2 한국산학기술학회논문지제 17 권제 1 호, 2016 약을살포하므로노동의강도가강하며농약중독우려가커서기피하는작업이다 [2]. 또한우리나라의농약살포는다량살포방식으로지면낙하및비산등손실량이많아환경적인영향에기인한경제적손실을경감할수있는저투입소량살포방식의친환경 정밀방제기술이필요하다. 따라서관행적방제작업의노동집약성, 작업기피성및위험성과환경오염감소에기여할수있는농업용무인헬리콥터를이용한항공방제체계를개발하여작업환경을개선하고농산물의품질및가격에서경쟁력을갖도록해야한다. 이러한문제들을해결하기위하여무인헬리콥터방제방식이고안되었고, 이는작업자의노동강도를줄이고, 안전하고쾌적한작업환경을제공하며, 소규모필지에도적용이가능한동시에, 내리흐름 (downwash) 에의한침투효과가좋은등많은장점이있다. 무인헬리콥터의안정적이고효율적인비행을위한연구는동축반전헬리콥터형소형무인항공기설계및제작 [3], 소형무인헬리콥터를위한임베디드컨트롤러기반자동비행시스템개발 [4], 무인헬리콥터의자동비행운용모드에관한연구 [5] 등많은연구가이루어졌으나, 실제시스템에서운용할수있을만큼연구가진행되지못하였다. 방제시스템개발을위한연구로서는머신비젼과 DGPS를이용한실시간정비방제시스템의개발 [6] 과시비및방제등수도작관리작업의효율증대를위한이앙기부착형송풍식및원심식입제살포기 [7] 등많은연구가보고되고있으나무인헬리콥터를이용한방제시스템연구는미비한실정이다. 무인헬리콥터에의한방제시, 효율적이고안정적인방제를위하여무인헬리콥터는일정한고도및속도를유지해야한다. 그러나무인헬리콥터의비행은환경적인요인과조종방법및습관의차별화된요인이작용하여일정한고도및속도를유지하기는대단히어려운일이므로, 고도및속도에따라방제폭및방제량을조절할수있도록방제장치를만드는것이효율적이다. 현재무인헬리콥터에의한항공방제에서고도변화는살포폭을변화시켜중복살포및미살포영역을형성하며, 속도변화는살포폭및살포량을변화시켜살포과도및살포부족영역을만든다. 이는병해충에의해농작물이균형있게자라지못하거나농약이과도살포된농작물을생산하는원인이된다. 이러한문제를해결하기위한방제장치는고도및속도에대응하여자동으로살포폭과 살포량을제어해야만한다. 따라서, 본연구에서는원격조종방식의농업용무인헬리콥터에부착되어속도및고도에따라균일살포가가능한살포시스템을제안및제작하였다. 이시스템을무성항공사의무인헬리콥터 Rmax에장착하고실제필드에서의살포실험을통해그성능을검증해보았다. 2. 항공방제시스템 2.1 항공방제장치설계를위한기초특성무인헬리콥터에의한방제시, 속도및고도변화는살포량및살포폭에영향을미친다. Fig. 1은살포를위한펌프의압력과노즐폭이일정할때, 비행고도가 3m 이상이면기준유효살포폭인 7.5m 보다넓은유효살포폭을형성하고, 3m 이하이면 7.5m보다좁은유효살포폭을형성하는모습을보여준다. Fig. 2는비행속도가 15km/h 보다빠르면같은면적에서의살포량이적어지고, 느리면살포량이많아지는모습을보여준다. Fig. 1, Fig. 2와같이살포폭은비행고도의변화시변화하는특성을가지고있으며, 살포량은비행속도가변화할때변화하는특성을가진다. 이두특성은각기분리된특성으로서로의변화조건에영향을주지않는다. Fig. 1. Change of spraying width against height 598

균일방제를위한항공살포시스템구현 Fig. 3. Proposed aerial application device 노즐의분사각변위를정하기위하여기존살포기를이용하여살포실험을진행하였다. 분무패턴파악을위하여 5.5cm * 7.5cm 크기의감수지 6장을이용하여 1.5m 간격으로 7.5m 폭에배치하고, 3m 높이에서방제를실시하였다. Fig. 4는 3m 고도에서살포시방제결과를보여준다.

Table 1, Table 2, Table 3은각각사용된노즐, 다이어프램펌프, 서보모터의제원을보여주며, Fig. 3은실제제작된살포장치를보여준다. Table 1. Specification of wide flat nozzle type pressure discharge rate particle size spray angle XR11002 1~4bar 0.

Specification of diaphragm pump tpy maximum power discharge rate pressure consumption weight Diaphragm 100PSI 5L/min 54W 1.15kg Table 3.

3 균일방제를위한항공살포시스템구현 Fig. 3. Proposed aerial application device 노즐의분사각변위를정하기위하여기존살포기를이용하여살포실험을진행하였다. 분무패턴파악을위하여 5.5cm * 7.5cm 크기의감수지 6장을이용하여 1.5m 간격으로 7.5m 폭에배치하고, 3m 높이에서방제를실시하였다. Fig. 4는 3m 고도에서살포시방제결과를보여준다. Fig. 2. Change of spraying rate against flight speed 2.2 항공방제장치구성요소항공방제용노즐은 이상의토출량을가지며, 분무입경이 100 내외이며분사각이 110 인플랫노즐을사용하였다. 분무를위한펌프는다이어프램펌프를사용하였고 [8], 붐의각도를조절하기위해펌프의압력과진동을견딜수있는고토크의서보모터를사용하였다. Table 1, Table 2, Table 3은각각사용된노즐, 다이어프램펌프, 서보모터의제원을보여주며, Fig. 3은실제제작된살포장치를보여준다. Table 1. Specification of wide flat nozzle type pressure discharge rate particle size spray angle XR ~4bar 0.79/min Fine 110 Fig. 4. Spraying pattern when applicate 3m height Fig. 4 에서분무패턴은헬기의몸체가있는 0m 부터 1.5m를중심으로좌우 3m 범위에서중앙이낮은사다리꼴형태로관찰되었다. 이에따라, 높이에따른양쪽붐의각도의변위는다음과같이유도하였다. (1) Table 2. Specification of diaphragm pump tpy maximum power discharge rate pressure consumption weight Diaphragm 100PSI 5L/min 54W 1.15kg Table 3. Specification of servomotor type operation voltage start torque speed weight PS V~12V 65.33kg/cm 0.29s/60deg 280g 2.3 항공방제장치제어보드 Fig. 5는실제제작된제어보드와각파트의기능을보여준다. 메인프로세서는 TI 사의 TMS320F28335를사용하였고, GPS 데이터를 RS-232 인터페이스를통해전달받는다. 제어기에서는 PWM을이용하여다이어프램펌프의출력을제어하고, eqep를이용하여서보모터를제어한다. RUN LED는제어기의동작유무를판단하기위해타이머인터럽트를통해 0.5초간격으로점멸하도록하였으며, 기능확장을위해프로세서가가진모든기능 599

4 한국산학기술학회논문지 제17권 제1호, 2016 Table 4. Diaphragm pump performance test result 을 사용할 수 있도록 하였다. 항공 방제 장치 제어시스템은 살포 량 제어를 위한 without beaker weight average spray rate (ml/s) DC펌프 제어부와 살포 폭 제어를 위한 서보 모터 제어 Voltage (V) 부로 구성된다. RF 컨트롤러는 비행 방향, 살포 ON/OFF 신호 등을 DSP 프로세서로 전송하며, 항공기 의 항법장치에서는 비행속도 및 시간, 고도 등을 전송한 다. 제어기는 전송된 비행 속도 및 고도에 따라 균일방제 를 위해 필요한 DC 펌프의 출력 및 붐 노즐의 위치를 계 산한다. 다이어프램펌프와 서보모터를 제어하여 균일 살 포를 이루고자 하였다. L(g) R(g) L(g) -R(g) Table 4는 다이어프램 펌프 성능 테스트의 결과를 보 여준다. 실험 결과 왼쪽과 오른쪽 노즐의 살포 성능은 전체 영 역에 걸쳐 10초 동안 살포 시 약 2g 정도의 차이를 보이 고 있다. 15 의 속도로 비행 시 초당 4.16m를 비행 하는 점을 감안하였을 때, 이는 크지 않은 오차이다. Fig. 6은 비행 속도에 따라 농지에 8 를 살포하기 위해 필요한 살포 량이다. Fig. 5. Function of Controller with TMS320F 실험을 통한 제어 알고리즘 구성 3.1 살포 량 성능 실험 비행 속도에 따라 살포 량을 제어하기 위해 항공 방제 장치의 살포 성능을 테스트 하였다. 목표 살포 량은 1 Fig. 6. Application rate against flight speed 당, 비행 시 살포 폭은 7.5m로 일정하게 유지되었다 고 가정 했을 때, 비행 조건 및 필요 살포 량은 다음과 Table 5. DC pump voltage against flight speed 같이 계산되었다. flight speed 1ha 비행시간 = (2) 필요 살포 량 = (3) 600 spray rate voltage ( ) ( ) 11 ( )

이때, 살포영역을확인하기위하여감수지 (52mm * 76mm) 를센터로부터 1.25m 간격으로좌우에 10m까지배치하였고, 각고도에서좌우측 3.75m 부근에서 5cm 간격으로입자가없는영역까지측정하였다. 소프트웨어를이용하여감수지의살포패턴중분무입경이 100um 이상의개수를헤아려 760개이상이존재하는영역을유효살포영역으로지정하였다. 각고도에서좌 3.75m, 우 3.

5 균일방제를위한항공살포시스템구현 실험을통해제어전압과살포량의관계를얻었고, 비행속도에따른필요살포량을계산하였다. 제어전압과살포량의관계를정리하여제어입력인비행속도에따른출력 DC 펌프의제어전압을알수있다. Table 5 는두변수간의관계를보여준다. 비행속도와 DC 펌프의제어전압의관계는 Table 4 와 Table 5로부터식 (4) 와같이도출되며, 이를통해살포량을제어할수있다. (4) 3.2 살포폭성능실험 Fig. 7은실험을통해관찰된방제장치의비행고도에따른유효살포범위를나타낸다. 테스트베드에서방제장치의고도를 2.5m 부터 3.5m까지 50cm 간격으로고도를변화시켜살포를실시하였다. 이때, 살포영역을확인하기위하여감수지 (52mm * 76mm) 를센터로부터 1.25m 간격으로좌우에 10m까지배치하였고, 각고도에서좌우측 3.75m 부근에서 5cm 간격으로입자가없는영역까지측정하였다. 소프트웨어를이용하여감수지의살포패턴중분무입경이 100um 이상의개수를헤아려 760개이상이존재하는영역을유효살포영역으로지정하였다. 각고도에서좌 3.75m, 우 3.75m에서측정된살포패턴이분무입경 100um이상인입자가 760개이상으로나타나고, 7.5m를벗어나는영역에서는유효살포영역이나타나지않을때의각도를측정하였다. Table 6은측정결과를보여준다. Table 6. Measurement result of angle change height Angle( ) (m) L R ~ ~ ~ ~ ~ ~ 9 (a) spraying rate and pattern in 2.5m height 7.5m를벗어나는영역에최소로영향을미치고유효살포폭좌, 우경계에서최대로살포되는붐의각도는각각 -7.5,0, 7.5 이며, 높이에따른붐의각도는수식 (5) 와같이표현할수있다. (5) (b) spraying rate and pattern in 3m height 고도에따라유효살포영역의폭을측정해보았고, 거의선형적으로증가감소함을확인하였다. 또한, 유효살포영역을 7.5m로만드는붐의각도를측정하고이를이용하여높이에따른붐의각도를계산하였다. (a) spraying rate and pattern in 3.5m height 3.3 제어알고리즘실험을통해속도 (km/h) 에따른 DC펌프의출력 (V) 을식 (4) 와같이, 고도 (m) 에따른서보모터의각도 ( ) 를식 (5) 와같이도출하였고, Fig. 8은제어블록다이어그램을보여준다. Fig. 7. Test result of valid spraying area 601

수 있도록 하고, 이를 벗어나는 구간에서는 계산하여 제어하도록 알고리즘을 구성하였다. (b) spray area and patterns in 15m section 4. 성능 검증 실험 Fig. 9는 실제 농지 실험 환경 및 항공 방제 시 비행 데이터와 비행 진행 방향의 기록을 보여준다.

6 한국산학기술학회논문지 제17권 제1호, 2016 Fig. 8. Control block diagram (a) spray area and patterns in 5m section 기존의 무인헬리콥터를 이용한 항공방제의 비행 로그 를 참조하여 15km/h의 속도와 3m의 고도 범위에서 많 이 벗어나지 않는 구간은 DC 펌프와 서보모터 출력의 룩업 테이블을 미리 작성하여 해당 속도 및 고도 영역에 서 더욱 빠르게 대응할 수 있도록 하고, 이를 벗어나는 구간에서는 계산하여 제어하도록 알고리즘을 구성하였다. (b) spray area and patterns in 15m section 4. 성능 검증 실험 Fig. 9는 실제 농지 실험 환경 및 항공 방제 시 비행 데이터와 비행 진행 방향의 기록을 보여준다. (c) spray area and patterns in 25m section (d) spray area and patterns in 35m section Fig. 9. Environment of aerial application experiment 실험에 이용된 농지는 가로 10m 세로 50m크기이며, 5m부터 10m간격으로 감수지를 배치하였다. 한 열에 배 치된 감수지의 간격은 1.25m간격으로 총 9장의 감수지 를 배치하여 0m에서 10m사이에 배치되었다. 무인 헬리 (e) spray area and patterns in 45m section 콥터는 0m에서 출발하여 50m까지 최저속도 7.2km/h부 Fig. 10. Spray rate and patterns in each section 터 최고속도 17.6km/h 및 최저 2.32m부터 최고 3.47m 까지, 최고 10.4km/h의 속도 변화와 1.15m 고도변화를 Fig. 10에서 각 구간의 100um 이상 분무입자 수는 비 보이며 비행하였다. 각 구간에서 감수지의 패턴은 Fig. 행속도와 관계없이 각각 (13.51km/h) 과 같다. (16.72km/h) (15.98km/h) 47741

7 균일방제를위한항공살포시스템구현 (13.8km/h) (12.37km/h) 의결과로최대 3973 개오차를보이며거의유사한결과를나타내고있다. 이는비행속도와관계없이살포량이일정하다는것을보여주고있으며, 속도에따라펌프의출력을제어했음을의미한다. 각구간에서의고도에따른유효살포폭은 3m 보다높은고도에서비행시나낮은고도에서비행시모두유효살포폭 7.5m에근접해있으나, 상태에따라두가지패턴으로살포되고있음을알수있다. 첫번째패턴은 3m보다낮은고도에서붐각을제어하여살포시그형태가볼록한종형으로나타나는것을볼수있다. 또한, 붐이바깥쪽으로벌어지는형태로제어가되기때문에가운데에서양측으로좀더비산되는패턴을관찰할수있다. 두번째패턴은 3m 보다높은고도에서붐각을제어하여살포했을경우나타나는데, 그패턴은안으로오목한형태로관찰되고살포량이첫번째패턴에비해가운데로조금더몰리는패턴으로관찰된다. 두패턴모두고도에따라붐각을제어하여 7.5m 근처에서유효살포폭을보이지만, 3m 보다낮은고도에서비행시 7.5m 이상의영역에좀더비산되고있음을관찰할수있다. 5. 결론본연구에서는무인헬리콥터에의한항공방제시비행고도및속도유지실패로발생하는중복및미살포영역과살포량의차이를줄여균일살포가가능한항공방제용스마트살포제어시스템을제안하였고, 이를실제실험을통해검증하였다. 제안된시스템을사용했을때얻을수있는효과는다음과같다. 첫째, 조종오차에의해발생하는살포폭및살포량변화를일정하게유지하여중복살포및미살포영역을줄이고, 살포과도및살포부족영역을줄일수있다. 실험을통해 7.5m의유효살포영역을형성하고, 입자개수는평균 46423개로고른분포도를보였다. 둘째, 일정고도및속도를유지하는무인헬리콥터를만드는것보다쉽게균일방제효과를얻을수있다. 셋째, 농약살포뿐만아니라, 씨앗이나비료살포에도응용이가능하다. 씨앗이나비료살포역시불균일한살포시밀집되어자라거나성장상태가나쁜영역을형성 한다. 향후, 무인헬리콥터의롤과피치, 진동, 바람등을고려하여방제장치의개선이필요하며, 성장상태분석과연동하여비료및농약의살포가가능하도록개선되어야할것이다. References [1] Soek, T. S., et al, "Aerial application using a small RF controlled helicopter (II) -development of power unit-", Journal of Biosystems Engineering, Volume 31, Issue 2, pp , 2006 DOI: [2] RDA Farm House-Hold Labor Hours By Crops. RDA, Suwon, Korea [3] Sang-Deok Kim, et al., "Design and Fabrication of a small Coaxial Rotorcraft UAV", Journal of The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences Volume 37, Issue 3, pp , 2009 DOI: [4] Jun-Beom Song, et al., "Development of an Embedded Controller-based Automatic Flight Control System for a Small Unmanned Helicopter", 2011 Fall Conference of Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, pp , 2011 [5] Jeong-Seong Kim, et al., "Study of Flight Control Mode for Unmanned Helicopter", 2012 Spring Conference of Korean Society for Aeronautical & Space Sciences. pp , 2012 [6] Chung, C. J., et al, "A study on development of a pneumatic granular applicator for paddy field(i)- Granular discharge rate, diffuser and optimal application conditions", Journal of the Korean Society of Agricultural Machinery, Volume 22, Issue 2, pp , 1997 [7] Fulton, J. P., et al., "Performance assessment and model development of a variable rate, spinner-disk fertilizer applicator", Transaction of the ASAE Volume 44, Issue 5, pp , 2001 [8] T. G. Kang, et al., "Development of Aerial Application System Attachable to Unmanned Helicopter Basic Spraying Characteristics for Aerial Application System -", Journal of Biosystems Engineering, Volume 35, Issue 4, pp , 2010 DOI: [9] Sun-Ho Jee, et al., "Design of Smart Aerial application Control System by Unmanned Helicopter", pp , 2014 Summer Conference of The Institute of Electronics and Information Engineers,

한국산학기술학회논문지제 17 권제 1 호, 2016 지선호 (Sun-Ho Jee) [ 정회원 ] 2011 년 2 월 : 한국기술교육대학교전기전자통신공학부 (

System Control, Robtics 전부일 (Bu-Il Jeon) [ 정회원 ] 2011 년 2 월 : 한국기술교육대학교전기전자통신공학부 (

1991 년 9 월 ~ 현재 : 한국기술교육대학교전기전자통신공학부교수 < 관심분야 > Fuzzy, Neural Networks, System Control,

8 한국산학기술학회논문지제 17 권제 1 호, 2016 지선호 (Sun-Ho Jee) [ 정회원 ] 2011 년 2 월 : 한국기술교육대학교전기전자통신공학부 ( 공학석사 ) 2011 년 3 월 ~ 현재 : 한국기술교육대학교대학원전기전자통신공학부박사과정 < 관심분야 > Fuzzy, Neural Networks, System Control, Robtics 전부일 (Bu-Il Jeon) [ 정회원 ] 2011 년 2 월 : 한국기술교육대학교전기전자통신공학부 ( 공학석사 ) 2011 년 3 월 ~ 현재 : 한국기술교육대학교대학원전기전자통신공학부박사과정 < 관심분야 > Fuzzy, Neural Networks, System Control, Robtics 조현찬 (Hyun-Chan Cho) [ 정회원 ] 1991 년 2 월 : 중앙대학교전자공학과 ( 공학박사 ) 1991 년 9 월 ~ 현재 : 한국기술교육대학교전기전자통신공학부교수 < 관심분야 > Fuzzy, Neural Networks, System Control, Robtics 604

PJTROHMPCJPS.hwp

PJTROHMPCJPS.hwp 제 출 문 농림수산식품부장관 귀하 본 보고서를 트위스트 휠 방식 폐비닐 수거기 개발 과제의 최종보고서로 제출 합니다. 2008년 4월 24일 주관연구기관명: 경 북 대 학 교 총괄연구책임자: 김 태 욱 연 구 원: 조 창 래 연 구 원: 배 석 경 연 구 원: 김 승 현 연 구 원: 신 동 호 연 구 원: 유 기 형 위탁연구기관명: 삼 생 공 업 위탁연구책임자: