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2018년 12월 18일 (화) 03:00 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 자전거를 위한 자동변속기

영문 : Auto Transmission for Bicycle

과제 팀명

그냥 책

지도교수

성민영 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 오**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 안**

서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 박**

서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 최**

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 조**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

자동으로 자전거의 기어를 변속하는 자동 변속기를 개발한다. 사람이 직접 제어하던 종래의 자동 변속기와는 다르게 이 변속기는 자전거의 상태를 기반으로 변속을 자동으로 수행하며, 여기에는 운전자가 가속을 원하는 상황인지 파악하기 위한 페달 압력 측정 기능 노면의 오르막 및 내리막을 파악하기 위한 경사 파악 기능, 자전거의 속도를 파악하기 위한 속도 감지 기능이 필요하며 이러한 기능은 각 센서를 자전거의 적절한 위치에 부착함으로써 구현된다. 변속의 경우 측정된 센서 값들을 이용하여 일련의 알고리즘을 거쳐 목적 기어비를 도출할 수 있으며, 모터를 이용하여 기어를 조작하게 된다. 이러한 메커니즘은 일반적인 자전거 변속기에 쉽게 적용될 수 있는 구조로 제작하여 대부분의 자전거에 쉽게 적용할 수 있게 하는 것을 목적으로 하며, 이 장치를 통해 운전자는 변속에 대해 신경을 쓸 필요가 없으므로 운행 내내 전방을 주시할 수 있어 안전에 대한 효과를 얻을 수 있게 된다.

개발 과제의 배경 및 효과

자전거는 가볍고 다루기 쉬운 운송수단으로써 다양한 노면에서 주행할 수 있으며, 크기가 작기 때문에 넓은 도로를 필요로 하지 않는다. 운전자가 페달을 밟아 크랭크에 토크를 부여하면 이 힘이 기어와 체인을 통해 전달되어 바퀴에 힘을 전달함으로써 주행하는 인력을 사용하는 장치로 속도 또한 빠르기 때문에 현재 각광받는 운송 수단으로 부상하고 있다. 전국에 상당히 많은 무인 자전거 대여소가 존재하여, 각 대여소에서 자전거를 대여하여 다른 대여소에 반납하는 방식으로 인프라가 구축되어 상당히 많은 사용자들이 이용하고 있다. 대부분의 자전거 변속기는 와이어가 부착된 수동 조작 장치를 운전자가 직접 조작하는 방식으로, 변속 장치를 조작하면 와이어에 장력이 부여되고, 이 장력이 자전거의 체인을 감싸고 있는 가이드를 조작하여 체인이 걸려있는 기어를 바꾸는 방식으로 작동된다. 이 가이드는 페달 축과 뒷바퀴 축에 존재하기 때문에 두 기어의 조합에 따라 기어비가 결정되며, 사람이 가하는 토크가 이 회전비에 반비례하여 전달된다. 자전거가 주행하기 위한 힘은 기어비에 반비례하며 사람이 가하하는 힘에 비례하므로, 경사를 올라가는 경우 기어비를 낮추어 운전자에게 요구하는 힘을 줄일 수 있다. 반대로 내려가는 경우, 운전자가 자전거에 속도를 증가시키기 위해서는 바퀴의 회전 속도보다 빠른 속도로 페달을 밟아야 하는데, 기어비를 높여 회전비를 증가시킨다면 쉽게 이를 달성할 수 있게 된다. 각 상황에 따른 기어비 판단은 개인에 따라 편차가 있으나 공통적으로 힘이 드는 노면에서는 기어를 낮추고 속도가 빠른 상황에서는 기어비를 높이는 방식을 사용하기 때문에 사용자에 대한 특성을 정의하는 상수를 도입하여 구현하는 것은 가능하다고 판단된다. 이러한 장치를 적용하게 된다면 안전 측면에서 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 초보적인 자전거 운전자는 기어 조작을 능숙하게 하지 못하며, 대부분의 자전거 변속 장치는 손을 이용한 조작을 요구하기 때문에 조작에 집중하다 운전 부주의로 인해 사고를 당할 수 있다. 자동 변속기를 이용한다면 운전자는 변속에 대해 신경 쓸 필요가 없으므로 안전한 주행이 가능할 것이다. 전자장치를 자전거에 부착한다는 점에서도 장점이 존재하는데, 사용자의 변속 패턴을 인식하여 개인에게 최적화 된 패턴을 도출할 수 있을 것이다. 또한 플랫폼이 부착되었기 때문에 여기에 응용 프로그램을 추가하여 주행 상태 모니터링 등의 편의 기능을 구현할 수 있으며 건강을 위한 정보 등도 저장할 수 있을 것이다. 나아가 통신을 이용한 멀티 플랫폼 환경을 구축할 수도 있으므로 Smart 한 자전거가 되는 인프라를 구축하는 첫걸음이 될 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

◇ 자전거 동체와 페달 및 바퀴에 센서들을 부착하고, 각 측정값을 이용하여 자전거의 상태를 도출하는 관계식 개발 ◇ CPU와 통신 가능한 애플리케이션을 제작하여 사용하기 간편한 인터페이스 구축 ◇ 자전거 상태에 대한 기어비 도출 알고리즘 수립 ◇ (추가목표) 자전거 상태에 대한 변속 데이터를 수집 및 학습하여 자전거 상태에 대한 목적 기어비를 계산하는 변속 관계식 수립 ◇ 널리 사용할 수 있도록 종래의 변속 장치에 쉽게 적용할 수 있는 구조로 변속기 개발 ◇ 내구성을 보장하기 위한 응력 분산 설계 적용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적 및 사회적 파급효과

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

내용

조립순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

내용

향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

내용

소프트웨어 프로그램 소스

내용

개발 과제의 요약

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 ==프로젝트 개요==
 === 기술개발 과제 ===
-''' 국문 : ''' 00000000..
+''' 국문 : ''' 자전거를 위한 자동변속기
-''' 영문 : ''' 00000000..
+''' 영문 : ''' Auto Transmission for Bicycle
 ===과제 팀명===
-..
+그냥 책
 ===지도교수===
-교수님
+성민영 교수님
 ===개발기간===
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 ===구성원 소개===
-서울시립대학교 기계정보공학과 20114300** 김**(팀장)
+서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 오**(팀장)
-서울시립대학교 기계정보공학과 20114300** 정**
+서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 안**
-서울시립대학교 기계정보공학과 20114300** 조**
+서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 박**
-서울시립대학교 기계정보공학과 20114300** 이**
+서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 최**
-서울시립대학교 기계정보공학과 20114300** 남**
+서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 조**
 ==서론==
 ===개발 과제의 개요===
 ====개발 과제 요약====
-내용
+자동으로 자전거의 기어를 변속하는 자동 변속기를 개발한다. 사람이 직접 제어하던 종래의 자동 변속기와는 다르게 이 변속기는 자전거의 상태를 기반으로 변속을 자동으로 수행하며, 여기에는 운전자가 가속을 원하는 상황인지 파악하기 위한 페달 압력 측정 기능 노면의 오르막 및 내리막을 파악하기 위한 경사 파악 기능, 자전거의 속도를 파악하기 위한 속도 감지 기능이 필요하며 이러한 기능은 각 센서를 자전거의 적절한 위치에 부착함으로써 구현된다. 변속의 경우 측정된 센서 값들을 이용하여 일련의 알고리즘을 거쳐 목적 기어비를 도출할 수 있으며, 모터를 이용하여 기어를 조작하게 된다. 이러한 메커니즘은 일반적인 자전거 변속기에 쉽게 적용될 수 있는 구조로 제작하여 대부분의 자전거에 쉽게 적용할 수 있게 하는 것을 목적으로 하며, 이 장치를 통해 운전자는 변속에 대해 신경을 쓸 필요가 없으므로 운행 내내 전방을 주시할 수 있어 안전에 대한 효과를 얻을 수 있게 된다.
 ====개발 과제의 배경 및 효과====
-내용
+자전거는 가볍고 다루기 쉬운 운송수단으로써 다양한 노면에서 주행할 수 있으며, 크기가 작기 때문에 넓은 도로를 필요로 하지 않는다. 운전자가 페달을 밟아 크랭크에 토크를 부여하면 이 힘이 기어와 체인을 통해 전달되어 바퀴에 힘을 전달함으로써 주행하는 인력을 사용하는 장치로 속도 또한 빠르기 때문에 현재 각광받는 운송 수단으로 부상하고 있다. 전국에 상당히 많은 무인 자전거 대여소가 존재하여, 각 대여소에서 자전거를 대여하여 다른 대여소에 반납하는 방식으로 인프라가 구축되어 상당히 많은 사용자들이 이용하고 있다.
+대부분의 자전거 변속기는 와이어가 부착된 수동 조작 장치를 운전자가 직접 조작하는 방식으로, 변속 장치를 조작하면 와이어에 장력이 부여되고, 이 장력이 자전거의 체인을 감싸고 있는 가이드를 조작하여 체인이 걸려있는 기어를 바꾸는 방식으로 작동된다. 이 가이드는 페달 축과 뒷바퀴 축에 존재하기 때문에 두 기어의 조합에 따라 기어비가 결정되며, 사람이 가하는 토크가 이 회전비에 반비례하여 전달된다. 자전거가 주행하기 위한 힘은 기어비에 반비례하며 사람이 가하하는 힘에 비례하므로, 경사를 올라가는 경우 기어비를 낮추어 운전자에게 요구하는 힘을 줄일 수 있다. 반대로 내려가는 경우, 운전자가 자전거에 속도를 증가시키기 위해서는 바퀴의 회전 속도보다 빠른 속도로 페달을 밟아야 하는데, 기어비를 높여 회전비를 증가시킨다면 쉽게 이를 달성할 수 있게 된다. 각 상황에 따른 기어비 판단은 개인에 따라 편차가 있으나 공통적으로 힘이 드는 노면에서는 기어를 낮추고 속도가 빠른 상황에서는 기어비를 높이는 방식을 사용하기 때문에 사용자에 대한 특성을 정의하는 상수를 도입하여 구현하는 것은 가능하다고 판단된다.
+이러한 장치를 적용하게 된다면 안전 측면에서 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 초보적인 자전거 운전자는 기어 조작을 능숙하게 하지 못하며, 대부분의 자전거 변속 장치는 손을 이용한 조작을 요구하기 때문에 조작에 집중하다 운전 부주의로 인해 사고를 당할 수 있다. 자동 변속기를 이용한다면 운전자는 변속에 대해 신경 쓸 필요가 없으므로 안전한 주행이 가능할 것이다.
+전자장치를 자전거에 부착한다는 점에서도 장점이 존재하는데, 사용자의 변속 패턴을 인식하여 개인에게 최적화 된 패턴을 도출할 수 있을 것이다. 또한 플랫폼이 부착되었기 때문에 여기에 응용 프로그램을 추가하여 주행 상태 모니터링 등의 편의 기능을 구현할 수 있으며 건강을 위한 정보 등도 저장할 수 있을 것이다. 나아가 통신을 이용한 멀티 플랫폼 환경을 구축할 수도 있으므로 Smart 한 자전거가 되는 인프라를 구축하는 첫걸음이 될 것이다.
 ====개발 과제의 목표와 내용====
-내용
+◇ 자전거 동체와 페달 및 바퀴에 센서들을 부착하고, 각 측정값을 이용하여 자전거의 상태를 도출하는 관계식 개발
+◇ CPU와 통신 가능한 애플리케이션을 제작하여 사용하기 간편한 인터페이스 구축
+◇ 자전거 상태에 대한 기어비 도출 알고리즘 수립
+◇ (추가목표) 자전거 상태에 대한 변속 데이터를 수집 및 학습하여 자전거 상태에 대한 목적 기어비를 계산하는 변속 관계식 수립
+◇ 널리 사용할 수 있도록 종래의 변속 장치에 쉽게 적용할 수 있는 구조로 변속기 개발
+◇ 내구성을 보장하기 위한 응력 분산 설계 적용
 ===관련 기술의 현황===
 ====State of art====
-내용
+◇ 변속 타이밍을 위한 센서 기술
+표
+IMU 센서
+압력 센서
+속도 측정 센서
+변속 시점을 정하기 위해 자전거의 상태를 파악할 수 있는 센서들이 요구된다. 자전거의 상태에는 노면의 경사, 자전거의 속력, 페달에 가해지는 힘이 포함되며, 노면의 경사는 각도를 측정하는 IMU센서를 이용하여, 속력은 바퀴에 자석을 부착하고 몸체에 자기력 스위치를 부착하여 Encoder를 구현하여 계산할 수 있으며, 페달에 가해지는 압력은 압력 센서를 부착하여 측정할 수 있다.
+. IMU 센서
+IMU는 Inertial Measurement Unit의 약자로 가속도계와 회존 속도계 및 자력계를 조합하여 각도 비율을 측정한다. 본 프로젝트에서는 IMU 센서를 자전거 본체에 부착하여 자전거가 주행하는 노면의 각도와 자전거의 속도를 계산하고 이 정보를 변속을 위한 변수로 사용한다.
+. 압력 센서
+압력 센서는 장치에 가해지고 있는 압력, 즉 수직 응력을 계산한다. 본 프로젝트에서는 Load Cell이라는 형태의 센서를 이용하는데, 이 장치는 다양한 형태가 존재하며 그중 한 가지 형태인 Strain Gage Load Cell을 이용하여 응력을 측정할 수 있다. 이 센서를 페달에 장착하여 해당 위치에서의 압력을 측정한다면 동력의 입력 축에 가해지는 토크를 계산할 수 있으며, 이 힘은 운전자가 자전거에 가하는 힘이기 때문에 변속을 위한 변수로 사용된다.
+. 속도 측정 센서
+속도 측정의 경우 Rotary Encoder를 사용하는 방법이 가장 일반적이나, 자전거의 경우 이러한 장치를 부착할 위치를 선정하기 어려우며, 부착하더라도 바퀴의 상태에 따라 안정적인 측정이 어려울 수 있다. 따라서 바퀴에 자석을 부착하고, 프레임에 자기력 스위치를 부착하여 Rotary Encoder를 구현한다. 이를 통해 자전거의 진행 속력을 계산할 수 있으며, 이를 변속을 위한 변수로 사용한다.
+◇ 머신러닝
+머신러닝은 인공지능 분야의 기술 중 하나로 데이터를 분석하여 특성을 추출하고, 추출한 특성을 이용하여 변수에 대한 결과를 예측하는 방법이다. 핵심은 Feature라고 불리는 변수와 결과값의 상관관계를 도출하는 것으로 이를 위하여 데이터 수집이 요구된다. 데이터를 수집하기 위하여 제어 인터페이스를 구축하여 수동 변속을 활성화시키고 주행 데이터를 수집한 뒤, 이 데이터를 적절한 모델을 통해 학습하여 패턴을 학습한다.
+다만 변속에 대한 전체적인 경향을 파악하는 것이 주 목적이기 때문에 Overfitting을 방지하기 위한 단순한 모델이 요구되며, 데이터의 가공이 중요하게 작용한다. 나아가 충분한 데이터가 수집된다면 운전자 개개인에 대한 변속 패턴의 차이를 나타내는 변수를 추가하여 추가적인 학습 없이 사용자의 간단한 특성만을 이용하여 개개인에게 맞는 변속 패턴을 제공할 수 있을 것이다.
 ====기술 로드맵====
 내용
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 ====소프트웨어 프로그램 소스====
 내용
+개발 과제의 요약