열라룽지
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 지휘통제 연동형 자동 카운팅 탄피받이
영문 : Auto Counting Catridge Case Collector with Command and Control Integration
과제 팀명
열라룽지
지도교수
김현식 교수님
개발기간
2025년 3월 ~ 2025년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 유*빈(팀장)
서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 김*영
서울시립대학교 신소재공학과 20204500** 손*한
서울시립대학교 신소재공학과 20194500** 윤*현
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
군 사격 훈련 환경에서는 탄피 회수의 불확실성과 회수 지연으로 인해 훈련의 효율성과 안전성이 저하되고 있다. 일반적으로 훈련 후 병사들은 수동으로 탄피를 확인하고 수거하며 지휘통제실에서는 전체 탄피 회수 현황을 실시간으로 확인할 수 없어 관리에 어려움이 따른다. 특히, 기존의 탄피받이는 구조적 한계로 인해 일부 탄피가 수거되지 않거나, 사격 직후 튀어나온 탄피가 약실로 다시 유입되어 총기 기능 고장을 유발하는 사례가 자주 발생하고 있다. 이로 인해 훈련이 지연되거나 장비를 분해해야 하는 등의 추가적인 조치가 필요하게 되며, 이는 훈련의 효율성을 떨어뜨리는 주요 요인이 된다.
더 나아가 탄피 하나의 분실은 실탄 분실로 간주되어 보안과 안전 문제로 확대될 수 있으며, 사수 개인의 실수뿐 아니라 지휘체계 내에서의 통제가 어려워 현장 지휘관 및 관리자에게 심리적 부담을 가중시킨다. 병력 감소가 지속되는 상황에서 이러한 수작업 중심의 방식은 효율성과 정확성을 동시에 만족시키기 어려운 실정이다. 이에 본 프로젝트는 사격 직후 탄피를 자동으로 감지하고 수량을 실시간으로 카운팅하여 디스플레이와 지휘통제실에 정보를 동시 제공할 수 있는 자동 카운팅 탄피 시스템을 개발하고자 한다. 또한, 본 시스템은 어플리케이션을 기반으로 한 실시간 정보 연동 기능을 포함하며, 탄피 누락을 방지하고 실시간으로 통제할 수 있게 구현함으로써 훈련의 효율성과 군 장비 운용의 자동화를 도모하는 데 목적이 있다.
개발 과제의 배경
현재 군 훈련에서 사용되는 탄피받이는 단순 수동 회수용 구조물로, 카운팅 기능이나 피드백 기능이 존재하지 않는다. 탄피 하나의 분실은 실탄 분실로 간주되며, 사고 발생 가능성이 있어 엄격히 관리되어야 한다. 하지만 훈련자가 수거 여부를 개별적으로 확인해야 하고, 지휘통제실에서 이를 실시간으로 모니터링할 수 없어 전체 훈련 효율과 병사의 심리적 안전성 모두 저해되고 있다.
개발 과제의 목표 및 내용
본 프로젝트의 최종 목표는 다음과 같다.
- - 로드셀을 이용한 탄피의 실시간 무게 기반 카운팅 시스템 개발
- - 디스플레이를 통한 사수(훈련자) 시각 피드백 제공
- - 통신 모듈을 이용한 지휘통제실 실시간 정보 연동
- - Snap-fit 구조를 적용한 탄피받이 상단 설계로 역유입 즉시 대응 가능
본 프로젝트의 주요 구성 내용은 다음과 같다.
- - 로드셀 센서 + 증폭 모듈(HX711)을 활용하여, 탄피가 수거될 때 발생하는 무게 변화를 감지하고 실시간으로 누적 계수
- - 계수된 수치를 소형 디스플레이를 통해 탄피받이 후면에 시각적으로 출력
- - 디스플레이 모듈과 연동된 ESP32 모듈이 Wifi 무선 통신을 기반으로 해당 정보를 지휘통제실 단말기에 실시간 전송
- - 탄피가 약실로 다시 들어가 문제가 발생할 경우, Snap-fit 방식의 상부 뚜껑 구조를 통해 빠르게 열고 내부를 정비할 수 있는 구조 설계
- - 전체 시스템은 일체형 탈부착 장비로 구현하여 사수의 활동에 지장을 주지 않도록 소형화 및 경량화 고려
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
◇ 탄피수거장치
- 등록번호: 2004793010000
- 등록일자: 2016.01.07.
- 기술 내용: 총기에서 배출되는 탄피를 효과적으로 수거할 수 있게 총기의 탄피배출구에 탈부착 가능한 탄피수거장치. 다양한 총기 유형에 장착 가능하며 사격 시, 총기에 밀착되어 방해가 없고, 수거된 탄피를 쉽게 배출할 수 있도록 설계되어있음.
- 한계점: 탄피 계수를 위해 훈련자가 수작업으로 확인해야 함. 또한, 실시간으로 계수 및 정보 전달이 불가능함.
◇ 사격 훈련 통제 시스템
- 등록번호: 10-2271352
- 등록일자: 2021.06.24.
- 기술 내용: 사격 횟수, 시간, 간격 등의 정보를 자동 감지 및 분석하여 훈련자와 관리자가 실시간 모니터링할 수 있도록 설계된 디지털 기반 사격 훈련 시스템.
- 한계점: 사격 시 발생한 총성이나 탄흔 이미지 등의 간접적인 정보를 기반으로 사격 횟수를 유추하기 때문에 정확한 계수가 어려움. 또한, 훈련 후 탄피 누락여부나 탄약 유출 사고에 대한 즉각적인 대응도 한계가 존재함.
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
◇ 일반형 탄피받이 (도깨비닷컴)
특징/성능 실제로 군에 보급되는 군용 탄피 회수기는 보안 및 군수 관련 정보 보호의 이유로 정확한 단가가 공개되어 있지 않다. 다만, 시중에서 판매되고 있는 모의총기용 탄피 회수기는 약 28,900원에 구매할 수 있으며, 이는 주로 에어소프트건이나 교육용 모형 총기에 사용되는 제품이다.
본 제품과의 비교 스트랩과 벨크로를 이용하여 탈부착하는 형태의 탄피받이이다. 본 제품은 탄피 회수 기능을 가질 뿐 다른 추가적인 기능은 없다.
사용 대상자 - 사격훈련을 받는 군인 및 예비군 - 경찰 훈련기관 - 민간 실탄 사격장 이용객
- 마케팅 전략 제시
◇지휘통제 연동형 자동 카운팅 탄피받이 장치의 마케팅 전략은, 군수 및 훈련 시장의 특성과 보수적인 군 조직 문화를 충분히 고려한 B2G(Business to Government) 방식으로 수립되어야 한다. 군 조직의 특성상 신기술 도입에 대한 결정 권한은 주로 고위 간부에게 집중되어 있으므로, 마케팅 활동 역시 이들의 니즈를 충족시키는 방향으로 설계해야 한다. 특히 고위 간부들은 사격 훈련 시 인명사고 방지를 가장 중요한 요소로 인식하고 있는 만큼, 본 장치는 훈련 안정성 확보에 기여할 수 있는 솔루션임을 중점적으로 강조하는 것이 효과적이다.
- SWOT 분석
- STP 분석
◇S(Segmentation): 군부대(훈련소, ROTC, 사단), 경찰 훈련기관, 민간 사격장
◇T(Targeting): 초급 병사 교육 부대 및 탄약 관리가 엄격한 부대 우선
◇P(Positioning): 정확한 탄 소모 파악을 통한 실시간 훈련 통제 및 사고 예방
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
(1) 로드셀을 기반으로 한 정확한 탄피 실시간 카운팅 시스템 확보
(2) 디스플레이와 통신 연동으로 사용자 및 관리자 동시 정보 확인 가능
(3) 어플리케이션 기반 실시간 시각 피드백 시스템으로 훈련 통제력 향상
(4) 기계적 구조 개선을 통한 탄피 역류 방지 및 즉각 대응 가능성 확보
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
(1) 사격 훈련의 중단 없이 탄피 수거 및 카운팅 가능 -> 훈련 효율성 향상
(2) 탄피 분실 예방을 통한 군 보안성 강화 및 사고 방지
(3) 인적 자원 감소에 따른 자동화 대응 기술 확보
(4) 향후 군사 장비의 디지털화 및 지능형 장비 기반 체계로 확장 가능
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
유*빈(팀장): 자재 구매 총괄, 증빙 서류 작성, 탄피받이 제작 (Maker)
김*영: 선행 기술 조사 및 탄피 받이 디자인, 3D 모델링 (3D Design)
손*한: 회로 코드 설계, 알고리즘 구현, Arduino 코딩 총괄 (Circuit Design)
윤*현: 산학협력 관련 업체 컨택, 3D 모델링 및 시뮬레이션, 탄피받이 제작 (3D Design & Maker)
설계
설계사양
제품의 요구사항
1. 탄피를 정확하게 계수할 수 있는가.
설명: 로드셀을 활용한 무게 기반 카운팅 알고리즘이 반복된 사격 환경에서도 일관된 결과를 제공하는지를 평가한다. 탄피 수거 직후의 실제 개수와 디스플레이 및 어플리케이션 상에 표시되는 숫자가 일치하는지를 비교하고, 누적 오차가 허용 범위 내인지 확인한다.
2. 계수 정보가 어플리케이션 및 디스플레이에 실시간으로 표시되는가.
설명: 탄피가 수거될 때 카운팅 결과가 디스플레이 및 연동된 어플리케이션에 몇 초 내에 반영되는지를 측정한다. 정보 반영이 지연된다면 사용자와 관리자 모두 오작동으로 인식할 수 있기 때문에, 반응 속도가 실시간 수준으로 확보되었는지를 평가한다.
3. 모형 소총에 장치가 안정적으로 결합되는가.
설명: 훈련 중 발생할 수 있는 흔들림, 충격, 이동 등을 고려하여 장치가 모형 소총에 안정적으로 고정되는지를 평가한다. 반복적인 결합/해체 후에도 마운팅이 견고하게 유지되는지, 사격 환경에서 장치가 이탈하거나 흔들리는 문제가 발생하지 않는지를 중점적으로 확인한다.
4. Snap-fit 구조가 역유입 상황에 효과적으로 대응할 수 있는가.
설명: 탄피가 약실로 재유입되었을 때, 사용자가 빠르게 대응할 수 있도록 상부 구조가 손쉽게 열리고 다시 닫히는지를 평가한다. 구조적 단순성과 반복 사용 시 내구성, 조작 직관성 등을 기준으로 삼는다.
5. 어플리케이션 UI가 직관적이며 사용하기 쉬운가.
설명: 지휘통제실에서 사용하는 어플리케이션이 실시간 데이터를 시각적으로 명확하게 제공하며, 관리자나 병사가 조작하는 데 불편함이 없는지를 평가한다. 글자 크기, 인터페이스 구성, 데이터 반영 시점 등을 고려하여 UI의 실효성을 검토한다.
개념설계안
본 과제에서 제안하는 ‘지휘통제 연동형 탄피 카운팅 시스템’은 탄피 무게 기반의 실시간 카운팅 시스템, 훈련자용 정보 표시장치, 그리고 지휘통제 연동형 무선 통신 구조를 중심으로 설계되었다. 각 구성 요소는 다음과 같은 원리에 따라 동작한다.
①무게 기반 탄피 계수 시스템
해당 전동 총에 적용되는 탄피의 종류는 2가지로, 탄피 내부 색깔에 따라 검정색 탄피, 흰색 탄피로 구분할 수 있다. 각 탄피에 대한 질량을 측정해보았을 때 다음과 같았다.
본 시스템에 사용되는 로드셀-1kg 모듈은 소숫점 첫째 자리까지 gram(g) 단위의 무게 감지가 가능하다. 위의 탄피 질량 측정값에서 확인할 수 있듯이 탄피 평균 질량이 약 4.42g인 흰색 탄피를 본 시스템에 적용했을 때, 정밀한 무게 감지가 불가능하여 오작동을 유발할 수 있다. 따라서 본 시스템에는 검정색 탄피를 적용하기로 판단하였다.
본 설계인 ‘탄피 카운팅 시스템’의 전체 모식도는 아래와 같다.
외관의 경우 기존의 탄피 받이처럼 탄피 배출구를 감싸는 직육면체 형태의 구조임을 확인할 수 있다. 그러나 기존의 탄피 받이는 단순히 탄피를 포집하는 수동적인 구조로, 탄피 수량 파악을 위해 병사가 직접 개수를 확인해야 하며, 약실 걸림 등의 사격 방해 요소가 발생할 가능성도 존재했다. 이에 반해 본 설계는 정밀 무게 계측 시스템을 통해 탄피수를 자동으로 계수한다. 또한, 수집된 데이터를 실시간으로 디스플레이와 지휘통제실에 전송할 수 있는 능동적 기능을 갖추었기 때문에 위에서 언급한 문제를 해결할 수 있다. 본 설계는 로드셀-1kg 모듈과 HX711 모듈을 이용하여 배출된 탄피의 무게를 감지하고, ESP32 모듈을 통해 설정된 calibration에 기반하여 7-segment 디스플레이에 탄피의 수가 표시되도록 설계하였다. 미리 측정한 검정색 탄피의 평균 질량을 임계값으로 설정하고, 이 임계값을 초과할 경우, 그 값을 임계값으로 나누어 배출된 탄피의 수를 카운팅하게 된다. 이 과정에는 HX711 모듈이 필수적으로 요구되며 고정밀 아날로그-디지털 변환 회로가 설계되었다.
②훈련자용 정보 표시장치
무게 기반 탄피 계수 시스템을 통해 계수된 탄피의 숫자가 7-segment 디스플레이에 표시된 모식도 또한 탄피 카운팅 시스템 전체 모식도에서 확인할 수 있다. 카운팅된 탄피수는 훈련자가 즉시 확인 가능하도록 디스플레이 모듈에 실시간으로 표시되도록 설계되었다. 이를 통해 훈련자 또는 보조 인력은 수량 확인을 위해 탄피를 따로 세지 않거나, 만약 세더라도 이중으로 체크가 가능하고 반복 작업에 따른 피로도 및 오류 가능성을 크게 줄일 수 있다. 디스플레이는 장비 외부에 부착되어 시각적인 명확성을 확보하면서도 어떠한 사격 자세를 갖추어도 한눈에 보일 수 있는 방향에 설치하였다.
③ 지휘통제 연동 무선 통신 구조
위 그림은 군 사격 훈련 현장에서 각 사로의 탄피수를 실시간으로 확인하고 지휘통제실에서 일방적으로 훈련 상황을 파악할 수 있도록 설계된 Wifi 기반 통신 어플리케이션이다. Wifi를 이용하여 다중 사로의 실시간 탄피수를 확인 가능하도록 설계하였다. App inventor를 활용하여, A/B 사로의 탄피수를 실시간으로 표시하고 실시간으로 탄피수가 업데이트 되지만 새로고침 버튼을 통해 데이터 갱신이 가능한 지휘통제용 어플리케이션을 직접 구현하였다.
④ 전체적인 모식도
위 그림은 지금까지 설명한 내용들을 하나의 모식도로 나타낸 것이다. 사격 훈련 중인 훈련자의 총기에 탄피받이가 부착되어 있다. ‘실시간’으로 배출되는 탄피의 무게가 탄피받이 내부에 있는 로드셀 모듈에 의해 감지되면, ESP32 모듈을 통해 제어과정을 거치게 된다. 그 이후, 카운팅된 탄피의 값을 7 segment display에 표시함과 동시에 Wifi 통신을 통해 지휘통제실 연동용 어플리케이션에서 실시간으로 확인할 수 있고 다중 사로에 대한 데이터도 확인할 수 있다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
①로드셀 무게 인식 및 wifi 기반 데이터 전송 코드
- A사로 ESP 32 모듈 아두이노 코드
1) 라이브러리 import
2) Wifi 설정 및 연결
3) HX711 무게 센서 설정
로드셀에 연결된 데이터(DOUT) 핀과 클럭(CLK) 핀을 설정하고 calibration_factor를 통해 무게 보정값 적용
4) TM1637 디스플레이 설정
5) 웹 서버 설정
/update 와 /get을 통해 외부(B사로에 대한 ESP32 모듈)에서 B사로 탄피 수를 POST로 전송 후 A사로와 B사로 탄피수를 응답
6) 실시간 무게 측정 및 카운팅
시연에 쓰일 탄피에 맞춰 측정 무게가 일정 범위에 있으면 탄피 개수로 변환 후 무게와 탄피 수량을 시리얼 모니터에 출력
7) 결과 출력 및 갱신
디스플레이에 현재 탄피수 표시 -> 200ms(0.2초)마다 갱신
- B사로 ESP 32 모듈 아두이노 코드
1) Wifi 설정 및 연결
해당 SSID의 Wifi에 접속한다. 이때 ESP-A와 동일한 네트워크에 있어야 HTTP 통신 가능하기 때문에 A사로에서 실행 중인 웹서버의 IP 주소를 입력한다.
2) HX711 로드셀 초기화
미리 설정한 calibration_factor로 로드셀 영점을 맞춰준다.
3) TM1637 디스플레이 초기화
4) 무게 측정 및 개수 변환
calibration 결과를 바탕으로 무게에 따라 탄피 개수 저장 후 디스플레이 출력
5) A사로 ESP로 POST 전송
Wifi 연결 상태 확인 후 A사로 ESP32 웹서버에 POST 요청을 보낼 URL을 구성한다. HTTP 연결이 시작되면 POST 요청을 전송하고 성공하면 HTTP 응답 코드를 출력, 실패하면 에러 원인을 출력한다. 위 과정을 200ms(0.2초)마다 반복한다.
②지휘통제 연동용 어플리케이션 Design Block
어플 실행 시 ESP32-A에 GET 요청 전송하고 이때 IP 주소는 172.20.10.13 이다.
Timer 이용하여 자동으로 새로고침 버튼 누르지 않아도 자동 업데이트 되도록 구현하는 블록을 나타낸다.
웹1(http://172.20.10.13/)에서 수신한 전체 문자열(“A: x, B: y” 형식)을 가져온 후 문자열을 split하여 A사로, B사로에 대해 라벨을 처리한다. 이후 레이블1(A사로), 레이블2(B사로)에 각각 실시간 탄피수를 출력한다.
상세설계 내용
①탄피받이 모듈부
(1) 로드셀 결합판
탄피받이 바깥쪽 벽면에 탄피가 닿으면 로드셀에 가해지는 무게가 분산되므로 정확한 측정을 할 수 없다. 이를 해결하기 위해 아래 두 그림처럼 탄피의 온전한 질량이 전달되도록 로드셀이 결합된 상부판의 규격을 탄피받이의 바깥쪽 벽면보다 작게 하여 배출된 탄피가 벽면에 닿이지 않게 설계하였다.
(2) 배터리 충전 단자 & 스위치
탄피받이 내부에 존재하는 배터리는 충전형 배터리이므로 외부로 충전단자가 노출되어야만 한다. 따라서 바로 위 두 그림과 같이 탄피받이에 장축 15mm, 단축 10mm의 크기를 갖는 타원 형태의 구멍을 가공하여 C-type 형태의 충전단자를 노출시켰다. 또한, 본 탄피받이를 사용하지 않을 때는 전원을 끄고 사용할 때만 전원을 켤 수 있도록 On/Off 2핀 스위치를 위치시켰다. 스위치 또한 외부로 노출되어야만 하므로 아래 두 그림과 같이 가로 20mm, 세로 10mm의 구멍을 가공하였다.
(3) HX711 모듈 & 7 segment display
HX711 모듈
HX711모듈은 무게 감지 센서인 로드셀의 신호를 처리하고 그 신호를 증폭시키는 역할을 하는 앰프이다. 마이크로컨트롤러인 ESP32와 연결하여 측정된 무게 데이터를 읽어낼 수 있다. 즉, 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 마이크로컨트롤러에 전달하는 기능을 수행한다. 24×15mm 크기를 갖는 HX711 모듈을 탄피받이 벽면에 위치시켰다.
7 segment Display
②탄피받이 외관
(1) 경첩 & 뚜껑 잠금 기능
사격 과정에서 탄피가 총기의 약실에 꼈다거나 다른 기능 고장 상황이 발생했을 때, 빠르게 조치를 취해야한다. 기존의 탄피받이는 이 같은 상황에서 대처하기 매우 번거로우나, 본 탄피받이에는 경첩과 뚜껑 잠금 기능을 추가하여 긴급 조치가 가능하도록 설계하였다. 25×30mm 크기를 갖는 아크릴 경첩 2개를 이용하여 왼쪽 아래 그림처럼 만들었다. 또한 뚜껑이 열리고 닫히는 구조를 구현하기 위해 특정 재료를 이용하기보다는, 기존의 탄피받이 벽면인 폴리카보네이트 판을 가공하여 경량성을 유지하였고 작은 압력만을 가하여도 열릴 수 있도록 스냅핏(Snap Fit) 형태로 설계하였다. 오른쪽 아래 그림처럼 직경 약 10mm를 가지는 구멍을 가공하여 훅(hook) 기능을 구현하였고, 이에 맞물리도록 해주는 걸쇠 구조 또한 가공하였다.
(2) 결합 기능
탄피받이가 총기에 간편하게 탈부착되도록 결합 장치를 제작하였다. 타사 탄피받이 제품의 결합 장치 원리를 활용하였으며, 필요한 부품만 따로 떼어내어 본 탄피받이의 규격에 맞게 다시 제작하였다.
③탄피받이 전체 골격부
④탄피받이 + 총기 전체 모습
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
1. 초기 과제의 목표를 달성하였는가? 초기 우리 팀의 목표는 “사격 훈련 직후 탄피가 자동으로 수거되며, 정확한 수량이 디스플레이와 지휘통제실에 실시간으로 전달되는 자동 탄피 카운팅 시스템”을 구현하는 것이었다. 최종적으로 로드셀 기반의 카운팅 시스템을 성공적으로 개발하였고, 와이파이 통신을 활용해 어플리케이션으로 실시간 카운팅 정보를 송출할 수 있게 되어, 초기 과제 목표를 충분히 달성했다고 평가할 수 있다.
2. 프로토 타입이 과제를 잘 나타내는가? 탄피받이는 실제 훈련 상황을 가정한 모형 소총과 연동되도록 설계되었고, 사수 후면에서 탄피 개수를 확인할 수 있는 디스플레이와 관리자용 어플리케이션까지 구현되었다. 실제 카운팅 상황과 동기화된 데이터 전송이 가능하여, 본 과제가 요구하는 핵심 기능을 정확하게 표현한 프로토타입이라고 할 수 있다.
3. 심미성이 좋은가? 탄피받이 본체는 외형적으로도 정돈된 형태를 갖추었으며, 각 부품은 깔끔하게 정렬되도록 설계되었다.
4. 보는이가 과제를 한눈에 이해할 수 있는가? 디스플레이에 탄피 수가 실시간으로 나타나는 모습과 어플 화면에서 동일한 수치를 확인할 수 있도록 구성되어 있다.
5. 조원 모두가 참여하였는가? 조원 전원이 회로 설계, 어플 연동, 기구 설계, 시제품 제작, 실험 테스트 등 각자의 역할을 맡아 균형 있게 참여하였다. 모든 작업을 팀 내부에서 분담하여 공동의 결과물을 도출해냈으며, 협업 측면에서도 충실히 수행하였다.
향후계획
향후 본 시스템은 실제 군 훈련 환경에서의 적용 가능성을 검토하기 위해 모의 사격장에서 추가 테스트를 진행할 예정이다. 또한 어플리케이션의 UI를 개선하고, 다양한 총기 형태에 적용할 수 있도록 범용 장착 구조를 개발할 계획이다. 최종적으로는 군용 장비로의 납품을 목표로 제품의 신뢰성 및 내구성 평가를 지속할 예정이다.
