10조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 임베디드 시스템을 활용한 동력제어 카트

영문 : Power Control Cart Using Embedded System

과제 팀명

10조 참 쉽죠

지도교수

신동헌 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 2015430** 채**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 2015430** 김**

서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 방**

서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 이**

서울시립대학교 기계정보공학과 20174300** 유**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 본 과제의 목적은 65세 이상의 노인들이 재래시장이나 개인슈퍼를 이용할 때 사용하여 사용자가 직접 가하는 힘을 최소화해 사용자가 느끼는 신체적 부담을 줄여주는 ‘임베디드 시스템을 활용한 동력제어 카트’를 설계함에 있다. 또한 오르막길이나 내리막길같이 경사진 도로에서도 적절한 동력제어를 통해 신체적 부담을 줄이고 사용자가 직관적으로 사용할 수 있도록 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

• 과제의 배경 및 동기

평균수명 증가로 인해 한국의 65세 이상의 노인 인구는 2018년 기준으로 14.3%를 초과하여 UN에서 규정한 고령사회에 이르렀다. 통계청은 2019년 장래인구추계에서 2026년에는 20%를 초과하는 초고령사회가 될 것으로 예상했고, 이에 대비하여 고령 친화 도시 네트워크를 운영하고 있으며 소규모적으로는 도시 및 농촌에서 노인의 물리적 접근성 및 사회활동을 필수사항으로 고려하는 고령친화마을 만들기와 같은 활동들을 추진하고 있다.

이와 같은 사회적 배경에 따라 노인의 사회활동에 대한 연구는 많이 이루어져 있다. 그중 노인이나 사회적 활동의 중심형성이나 집중을 분석하는데 이용되는 지표인 중심성(Degree)으로 분석한 결과를 Fig 2에서 확인할 수 있다. 이때 파란색 실선인 중심성(Degree)은 1에 가까울수록 노인이 사회적 활동을 많이 하는 곳임을 의미한다. 따라서 노인들의 사회적 활동은 약국, 병의원, 금융시설 순서대로 높으며, 그중 6순위로 시장(0.75)에서 활동한다. 그리고 이는 연결 정도 중심성(Degree)이 평균(0.33)보다 훨씬 큰 값을 갖고 대형마트의 경우(0.66)보다도 높은 것으로 보아 노인들의 시장사용이 얼마나 활발한지 알 수 있다.

하지만 시장을 이용할 때 노인들은 불편함에 직면한다. Fig 3에서 확인할 수 있듯이, 재래시장의 소비 형태에서 가장 큰 비율을 차지하는 부분은 농·축·수산물과 같은 1차 상품이다. 하지만 대형마트와는 다르게 소분되어 있지 않기 때문에 부피가 크고 무게도 많이 나가는 경향을 띠어 젊은이들보다 상대적으로 힘이 적은 노인들은 불편함을 느낀다.

이러한 불편함을 해소하고자 고안한 것이 ‘임베디드 시스템을 활용한 동력제어 카트’ 이다. 대형마트에서 사용하는 4륜 카트는 시장의 물리적 구조와 소비 형태와 맞지 않게 그 부피가 크다. 부피를 최소화하며 가정 내에 보관하기 쉽도록 접이식으로 설계하고, 어떠한 지형에서 사용하더라도 노인들의 신체적 부담을 덜기 위한 설계를 할 것이다.

• 과제의 기대효과

일반적으로 사람들이 사용하는 카트는 Fig 4처럼 접이식 핸드카트와 캠핑용도, 산업 용도와 같이 특정 목적을 갖고서 사용하는 핸드카트가 존재한다. 하지만 이와 같은 핸드카트는 많은 양의 짐을 탑재하는 것을 목적으로 하는 것이지 우리의 과제와 같이 노인들의 신체적 부담을 줄져주는 것을 목적으로 하지 않는다. 따라서 이제껏 존재하지 않은 핸드카트를 만드는 것이기 때문에 그 자체로 의미가 있을 것이다.

카트를 끌 때 동력전달장치의 보조를 받으므로 노인들의 신체적 부담 완화 및 건강과 삶의 질을 향상시킬 수 있을 것이다. 그리고 이는 노인질환에 소요되는 사회적 비용이 절감될 것이라 예상된다. 또한 노인들의 시장 이용 증가로 인한 재래시장경제 활성화가 이루어질 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

• 개발 목표

 본 과제에서 핸드카트는 압력센서, 자이로센서, 가속도센서를 활용하여 사용자가 현재 카트를 사용하고 있는 환경적인 요소에 대한 정보를 얻고, 이를 바탕으로 제어부에 설치되어 있는 임베디드 컴퓨터를 사용해 상황을 판단하여 모터를 제어한다. 따라서 오르막길이나 내리막길 같이 노인들의 신체 능력상 기존의 카트를 끌고 가는 것에 불편함이 생기는 환경을 판단하고 동력을 제어하여 보다 쉽게 카트를 운반할 수 있음을 목적으로 한다.

• 개발 내용

(가) 지형에 따른 모터 제어

먼저 손잡이에 부착된 압력센서(Fig 6)를 이용하여 사용자가 카트를 끌고 있는지 확인 여부를 판단한다. 이후 모터 동력을 제어하기 위해 카트가 있는 지형의 환경적인 요소들을 판단해야 한다. 오르막인지 내리막인지, 또는 얼마만큼 경사진 곳인지를 판단한 후 그 상황에 따라 모터를 제어하여 카트를 운반하기 쉽게 만든다. 먼저 지형 판단에는 자이로센서와 가속도센서가 사용되게 된다. 가속도센서의 경우(Fig 7) 기본적으로 중력가속도를 감지하여 3축에 얼마만큼의 힘이 가해지는지를 통해 기울기를 구할 수 있다. 이는 정지상태일 경우엔 확실한 기울기를 구할 수 있지만, 카트가 움직이면 다른 성분의 가속도가 생겨 정확한 기울기를 구하지 못하게 된다. 반대로 자이로센서의 경우(Fig 8), 움직임이 생길 때, 각속도를 검출하여 각도를 계산할 수 있게 해준다. 하지만 각속도를 통한 각도 계산은 시간이 지날수록 오차(Fig 9)가 커질 수 있으므로 가속도센서를 같이 이용하여 오차를 최대한 줄여주는 것을 목표로 한다. 두 센서를 통해 입력된 각도 정보와 압력센서를 통해 수집된 사용자 정보에 따라 라즈베리 파이 또는 아두이노를 이용하여 오르막길과 내리막길 때 모터를 제어할 계획이다.

(나) 전체적인 구조

본 과제는 카트 자체 무게뿐만 아니라, 일정 수준 내용물의 무게까지 고려해야 되기 때문에 어느 정도의 하중을 버틸 수 있는 구조적인 틀 또한 중요하다. 이는 ANSYS Structure 프로그램을 아용하셔 구조해석을 진행해 설계한다. 노인들이 사용하기 편하게 하기 위해 카트는 철보다는 가벼운 재질인 스테인리스를 이용해 제작할 것이다. 앞서 Fig 4에서 언급한 캠핑 카트의 경우 35kg 적재 하중일 때의 크기는 (탑재부)460x380x990 이였다. 하지만 우리가 제작하고자 하는 카트는 모터가 탑재 되어야 하므로 바닥면의 세로는 늘리고 반대로 높이를 줄이는 방향으로 제작할 것이다. 그리하여 예상하는 크기는 (탑재부)450x600x600 이다. 또한 긴급 상황에 대비하여 브레이크를 탑재할 예정이다.

관련 기술의 현황

State of art

• 개요

 본 과제의 핵심부품인 구동모터와 배터리, 가속도 및 자이로스코프 센서의 현황에 대해서 조사해본 바이다.

• BLDC 모터

직류 브러쉬 모터와 BLDC 모터는 전기적 특성이 유사하지만, BLDC 모터는 정류자와 브러쉬가 없는 형태이며 정류작용은 별도의 드라이버와 제어회로에 의하여 신호의 형태로 작동된다. 본래 인위적으로 국성을 변화시켜 주는 것이 브러쉬의 역할이지만 BLDC 모터는 다른 방식으로 작동한다. 전기로 동작하는 모빌리티가 요구하는 모터의 특성은 높은 효율이다. 작고 가벼운 모터에서 큰 토크를 이용하며 열 발생이 적고 제어가 쉬워야 한다. 모터의 회전각도까지 정밀제어가 필요한 로봇과 같은 경우가 아니라 기계적 요소로 제어가 가능하면 된다. BLDC 모터는 내연기관과 달리 별도의 윤활이 필요 없고 회전속도가 빠르며 처음부터 높은 토크가 나온다는 특징이 있다. BLDC 모터는 회전자의 위치 정보를 사용하여 반도체 스위치를 통해 직류 브러쉬 모터의 치명적인 단점을 해결한 모터이다. 이를 통해 저속 전기 자동차 혹은 모빌리티는 별도의 변속기 없이 감속기만으로도 속도제어가 가능하다. 이전에는 DC 모터를 많이 이용했으나 최근에는 이런 내전형 BLDC 모터를 많이 사용하는 추세이다. 다음은 직류 브러쉬 모터와 BLDC 모터의 구조 차이를 설명한 사진과 BLDC 모터 구동 시스템이다.

• 리튬 배터리

리튬 계열 배터리는 1.2V의 니켈 카드늄, 니켈 수소 전지보다 전압이 3.7V로 매우 높아 공간효율이 1/3 이하로 줄어든다는 장점이 있다. 리튬 이온 배터리의 전해질로는 수용액 대신에 액체 유기용매를 사용한다. 다음은 충방전 시 리튬 이온 배터리의 동작 원리를 나타낸다.

리튬 이온 배터리의 장점은 용량이 커서 충전 후 오래 사용할 수 있고, 다른 배터리보다 가볍다는 점이다. 그러나 다른 배터리보다 위험하며, 안전성 문제로 인하여 고전류를 흘릴 수 있는 고출력 배터리를 만들기는 힘든 것이 단점이다. 리튬 이온 배터리는 휴대전화와 노트북 등의 소형 전자 제품 등에서 아주 급속도의 연구가 진행되고 있으며 전기 자동차 및 하이브리드 용으로 각광받고 있다. 리튬 이온 배터리는 BMS(Battery Management System)의 기능이 아주 중요하다. 이는 배터리의 상태를 모니터링하여 최적의 조건에서 유지/사용 할 수 있도록 배터리 시스템을 자동 관리하고, 배터리의 교체 시기를 예측하고 문제의 배터리를 사전에 발견하는 등 여러 모니터링의 역할을 수행한다.

• 자이로스코프 센서

자이로스코프는 3가지 성질을 갖고 있다. 우선 방향 안정의 역할로 고속으로 회전하는 로터에 어떠한 외부적인 힘도 작용하지 않는 경우, 로터의 각운동량 벡터는 항상 일정하여 최초의 각운동량 벡터의 방향과 크기는 시간의 흐름과 관계없이 일정하게 된다. 즉 뉴턴의 운동 제 1법칙에 따라 외부에서 힘이 작용하지 않는 한 최초의 운동 상태를 유지하려는 성질이 있으며, 회전축의 방향을 바꾸려는 어떤 시도에 대해서도 저항하려 하는 특성을 가지고 있다. 최초 설정된 방향을 그대로 유지하려는 자이로스코프의 성질은 관성항법장치, 카메라, 방송장비 등에 이용된다. 다음 성질은 세차운동으로, 세차운동은 회전하는 자이로스코프에 힘을 가하면 회전하고 있기 때문에 회전방향과 힘을 가한 방향의 합성 벡터방향으로 축이 선회하는 현상을 말한다. 마지막 성질은 피상으로, 지구의 자전 특성 때문에 일어난다고 볼 수 있다. 이런 자이로스코프의 성질을 활용한 것이 자이로 센서이다. 이중 코리올리의 힘을 이용한 튜닝포크 방식의 MEMS 센서가 가장 좋은 성능을 보이고, 모바일 기기에 가장 많이 이용 되곤 한다. 아직까지 크기나 비용적인 측면에서 MEMS 방식을 따라올 것이 없다. 다음은 어떤 방향으로 회전력이 가해져도 측정이 가능하도록 반대방향으로 끊임없이 진동하는 2개의 추를 배치하여 사용하는 방식을 사용한 튜닝포크 방식의 MEMS 자이로 센서이다.

기술 로드맵

특허조사

내용

특허전략

내용

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략

내용

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

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

관련특허

내용

소프트웨어 프로그램 소스

내용

위키페이지 작성을 위한 문법 가이드

• 표

표는 위키 문법에 맞추어 작성할 수 있습니다. Mediawiki table generator를 이용하면 손쉽게 표를 작성하여 위키 문법으로 export할 수 있습니다. 아래는 Mediawiki table generator를 이용하여 작성한 표의 예시입니다. 위 웹페이지에서는 직접 CSV파일을 가져와서 바로 표를 만들 수도 있습니다. 직접 표를 문법에 맞추어 편집하고자 하시는 분들은 wiki 표 문법을 참조하면 도움이 됩니다.

구분	실험 1	실험 2	실험 3	실험 4
결과 1	1.1	2.1	3.1	4.1
결과 2	1.2	2.3	4.5	6.4
결과 3	5.1	5.4	2.7	8.5

• 수식

원래 위키백과에서는 math 태그를 이용하여 바로 수식을 작성할 수 있지만 capstone wiki에서 그 기능은 지원되지 않는것으로 확인됩니다. 따라서 수식을 올리기 위해서는 수식을 사진으로 변환한 후 올려야 합니다. LATEX 수식 생성기 를 이용하면 tex 문법을 이용하여 수식을 작성하여 파일로 저장할 수 있습니다.

svm object function

위 수식은 support vector machine의 비용 함수를 표현한 예시입니다. tex 문법은 tex 수식 문법 에서 확인할 수 있습니다.

• 사진

사진은 "도구-파일 올리기" 탭에서 파일을 올린 후 아래와 같이 올릴 수 있습니다. 파일명은 파일 올리기에서 정한 "파일의 새 이름"을 사용하면 됩니다.

Mnist 데이터 예제입니다.

• 코드

코드는 syntaxhighlight 기능을 이용하여 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

#include <iostream>
int main ( int argc,  char **argv ) {
    std::cout << "Hello World!";
    return 0;
}

이에 대한 자세한 내용은 Mediawiki syntaxhighlight를 참고하면 도움이 됩니다.