MEMS센서 번역(한국어 원본)본 연구에서는 최근에 초소형·저비용으로 주목을 받고 있는 MEMS센서를 이용하여 계측한 가속도와 각속도로부터 차량을 비롯한 동체(動體)의 경사각도를 산출하는 방법을 확립하고 반궤도형 트랙터의 경사각 측정에 적용해 봄으로써 그 유용성을 입증하고자 하였다. 가속도와 각속도의 데이터로부터 기체의 경사각도를 산출하는 여러 가지 방법으로 경사각을 산출해 본 결과, 이동평균 가속도법 및 웨이브렛 가속도법은 기체의 실제 경사각과 상당히 큰 편차를 보인 반면, 각속도법과 가속도-각속도법은 실제 경사각에 근접하게 나타났다. 가속도법으로 산출한 경사각의 경우, 정적상태에서는 경사센서로 측정한 값과 거의 같게 나타나 매우 높은 정확도를 보여주었으나, 동적상태에서는 경사각 75°에서 크게는 10° 나 작게 나타나 충분한 정확도를 보여주지 못하였다. 그러나 각속도법으로 산출한 경사각은 동적상태에서도 경사각센서의 값과 거의 차이를 보이지 않았다. MEMS센서를 이용하여 Semi-crawler type tractor의 경사각을 측정해 본 결과, 각속도법이 시계열 경사 각도를 거의 정확하게 구할 수 있을 뿐만 아니라 얻어진 각속도 데이터로부터 각변위를 용이하게 구할 수 있어 가장 유용한 방법이라고 판단되었다. 그러나, 계측시간이 길어지면 적분오차가 커지게 되므로 이에 대한 적절한 대응이 필요할 것으로 사료된다. 가속도-각속도법 역시 외란요소가 적은 실내에서 실험한 까닭에 각속도법과 큰 차이를 보이지 않았다. 본 연구에서 구축된 MEMS 센서를 이용한 경사각 측정시스템은 트랙터를 비롯한 농업기계뿐만 아니라 주행장치를 가진 거의 모든 농업기계 및 건설기계, 일반차량 등으로도 그 적용 범위를 확대할 수 있을 것이며, 나아가 전도 등의 사고를 미연에 방지하거나 신속히 대응할 수 있는 안전 시스템 확보에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
일본의 농작업 사고 가운데, 농업기계와 관련되는 사망 사고는 연간 대략 300건 정도로 정부의 많은 노력에도 불구하고, 최근 10년간 거의 줄어들고 있지 않는 실정이다. 그 중 승용 트랙터에 의한 사고는, 약 45%정도인데 그 중에서도 7할 정도가 전락(轉落)·전도(轉倒) 사고이다. 한국에서도 이와 관련된 사고의 정확한 데이터를 찾기는 힘들지만, 일본의 사정과 크게 다르지 않을 것으로 추측된다. 이러한 사고는 운전 조작자의 실수나 부주의에 기인하는 것이 많아, 그 대책으로서 안전 운전 계도 교육 정도에 그치고 있다.
그러나, 이는 근본적인 대책이 될 수 없으며, 사고는 운전자의 부주의뿐만 아니라 환경적인 요인 등 다른 여러 가지 요인에 의하여 불가피하게 발생하는 경우도 많으므로 사고를 줄이고 나아가 사고로 인한 사망자를 줄이기 위해서는 다른 여러 가지 가능한 방법을 강구하지 않으면 안 된다.
그 방법의 하나로, 경사 센서를 이용해 기체의 자세각이 설정 각도 이상이 되면 전도라고 판단해, 휴대 전화의 자동 통화 장치가 작동되도록 하는 시스템 등의 연구가 최근에 한국과 일본 등에서 수행되고 있다. 트랙터의 운전을 비롯한 많은 농작업이 운전자 단독으로 수행되는 경우가 많기 때문에, 사고 발생 후 즉각적으로 구조 활동이 이루어지지 못하고 있는 실정인데, 자동으로 사고를 알려줌으로써 사고 후 방치되어 심각한 부상에 이르거나 심지어는 목숨을 잃게 되는 불상사를 방지하고자 하는 노력의 일환이라 할 수 있다. 또, 조작자가 작업에 몰두하여 기체가 전도의 위험에 처해도 미처 깨닫지 못하여 사고를 피할 수 있는 기회를 갖지 못하는 경우가 있을 수 있는데, 이 경우에도 기체의 경사각을 감지하여 자동으로 경보를 울림으로써 작업자로 하여금 기체의 자세를 긴급히 수정하거나 자동으로 기체를 정지시켜서 사고까지 이르지 않도록 할 수도 있다.
이러한 시스템이 구축되기 위한 첫 단계는 바로 용이하게 기체의 경사각을 비롯한 가동 데이터를 얻는 것이다.
종래의 차량의 6축방향(병진 3축, 회전 3축)의 진동 성분 계측방법은, 병진 가속도계를 이용한 병진 가속도와 자이로 센서에 의한 회전 가속도를 측정하는 것이었다. 또한, 복수의 병진 가속도계를 이용한 6 자유도 진동 가속도의 계측법이 도출되어 있다.
그렇지만, 상기의 계측 시스템은 대형이면서 그 계측 비용도 상당히 고가이다. 또한, 이 시스템에서는 기체의 경사각만을 계측하기 때문에 작업 중의 기체의 다른 가동 상황의 파악에까지는 이르지 못하고 있다.
한편, 정보 통신 기술을 이용한 영농 지원 및 농작업 관리 시스템을 농업의 경영 효율화에 적용하고자 하는 연구가 최근에 활발히 진행되고 있어 농업기계에 있어서도 고효율, 고이용화가 요구되고 있다. 그 때문에, 기체의 안전성을 포함한 농업기계의 가동 정보를 파악 할 수 있는 계측 시스템의 구축이 매우 중요하게 되었다.
따라서, 본 연구에서는 농업기계의 가동정보를 종합적으로 파악할 수 있는 계측시스템 구축 연구의 일환으로, 최근에 초소형·저비용으로 주목을 받고 있는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, 미소 전기 기계 시스템) 센서를 이용하여 농업기계를 포함한 이동체의 운동 상태를 평가하는 대표적인 물리량인 가속도와 각속도를 계측하여, 이로부터 경사각도를 산출하는 방법을 확립하고 반궤도형 트랙터의 경사각 검출에 적용해 봄으로써 그 유용성을 입증하고자 하였다. |
MEMS센서 번역(영어 번역본)In this study, we established a method to calculate inclination angle of moving vehicles from acceleration and angular velocity measured by microelectromechanical systems (MEMS) sensor, which is becoming popular recently due to its ultra-small size and low manufacturing cost. We applied the technique to measure inclination angle of semi-crawler tractor to validate its usefulness. Results from various methods to calculate inclination angle of a vehicle from acceleration and angular velocity data showed that moving average acceleration method and wavelet acceleration method produced results that significantly deviated from the actual inclination angle, while results from angular velocity method and acceleration-angular velocity method were close to the actual inclination angle. Inclination angle calculated by acceleration method in a static state was very similar to the measurement from inclination sensor and was highly accurate, but did not demonstrate sufficient accuracy in dynamic state as the estimated inclination angle was at maximum 10° smaller at inclination angle of 75°. In the meanwhile, the inclination angle calculated by angular velocity method showed only small deviation from the sensor measurement even at dynamic state. As a result of measuring inclination of semi-crawler type tractor using MEMS sensor, it was determined that the angular velocity method is the most versatile of the four methods tested as it can not only produce very accurate time series of inclination angle but also be used to easily obtain angular displacement from the angular velocity data obtained. However, error of integration was shown to increase with longer measurement times and it must be addressed by an appropriate solution. Acceleration-angular velocity method also produced similar results as experiments were performed indoors where disturbance factors were few. The inclination angle measurement system using MEMS sensor established in this study can be applied to agricultural vehicles such as tractors as well as to almost all construction and general vehicles with drive system. We expect the system to contribute to development of a safety system that can prevent rollover accidents and quickly respond to them.
Of all agricultural accidents in Japan, deaths related to agricultural machinery account for about 300 cases each year and have not significantly decreased for the past 10 years despite continued effort from the government. About 45% of these deaths are caused by manned tractors, and of these about 70% are fall and rollover accidents. Accurate data for relevant accidents are hard to find in Korea but it is expect to be similar as in Japan. These accidents are attributed to mistakes and carelessness on the part of the driver, and safety training is currently the only measure against such accidents.
However, such training in itself cannot be a fundamental solution to the problem. These accidents are caused not only by carelessness of the driver but also by other factors such as environmental factors and may occur inevitably. In order to prevent the accidents and reduce casualties, various solutions to this problem must be assessed.
As one of the possible solutions, research is currently being conducted in Korea and Japan to create a system in which the inclination sensors detect vehicle with an angle above a certain threshold to be in a rollover state and automatically send calls on the cell phone. Because many agricultural labors such as operation of tractor are performed by a single person, rescue mission after occurrence of an accident is often delayed. By automatically sending accident alert, the system being researched attempts to prevent serious injury or death due to ignorance of the accident. Also, the operator may be immersed in labor such that he or she is unaware of the risk of rollover; in this case, the system can detect the aberrant inclination angle and alert the operator to quickly reposition the vehicle, or automatically stop the vehicle to prevent accident.
The first step in establishing such system is to conveniently acquire operational data of the vehicle including its inclination angle.
Traditional method that measures vibrational components of the vehicle in 6 directions (3 translational and 3 rotational directions) measured translational acceleration using translational accelerometer and rotational acceleration using gyrosensor. Also, a method is available for calculating 6-degrees-of-freedom vibrational acceleration using multiple translational accelerometers.
However, the abovementioned measurement systems are large and very expensive. Also, this system only measures the inclination angle of a vehicle and cannot monitor states of other operational parameters of the vehicle at work.
At the same time, agricultural support using information and communication technology and application of agricultural labor management system to enhance management efficiency are actively being researched, reflecting need for high-efficiency and utilization in agricultural machinery. Due to these changing trends, establishment of a measurement system that can monitor operational information of agricultural machinery including its safety has become increasingly important.
As a part of an effort to establish a measurement system that can comprehensively examine operational information of agricultural machinery, in this study, microelectromechanical systems (MEMS) sensor was used to measure acceleration and angular velocity of a moving object and a method for calculating inclination angle from these measurements was developed. By using MEMS sensor that is becoming popular recently due to its ultra-small size and low manufacturing cost, we were able to significantly reduce measurement cost and also facilitated integration with additional system for acquiring operational information. We tested the system in measuring inclination angle of semi-crawler tractor in order to verify its usefulness. |
