STEAM R&E 연구결과보고서
(자이로스코프와 아두이노를 이용한 이륜구동장치 구현)
2016. 11. 30.
김해분성고등학교
<연구결과요약>
과 제 명 자이로스코프와 아두이노를 이용한 이륜구동장치 구현
연구목표
1. 회전관성에 의한 복원력의 크기를 변화시켜 그에 따른 회전 시간, 진행거리 변화를 확인한다.
2. 넘어짐에 따른 각속도 변화를 mpu6050센서의 자이로 값을 통해 분석해본다.
3. 결과 값을 토대로 자이로스코프의 효과를 분석한 뒤, 이를 활용하여 넘어지지 않는 이륜차를 제작이 가능함을 보인다.
연구내용
1. 자이로스코프가 바퀴를 회전시켜보면서 바퀴 내에서 일어나는 원리가 무엇인지 파악해본다.
2. 1의 내용에서 sensor kinetics를 설치한 스마트폰을 바퀴살에 장착 시켜 회전시킨 후 가속도 값 또는 자이로 값을 알아본다.
3. 논문을 통해 자이로스코프의 물리이론을 이해하고 실험을 설계해 이에 대한 피드백을 받는다.
4. 물라스틱을 이용해 원판을 제작한다. 자전거 탑승자가 자전 거를 타고 주행하면서 균형을 잡는 원리에 대해 확인한다.
5. 일반바퀴, 관성원판을 설치한 바퀴, 질량을 증가시킨 바퀴를 경사면을 이용해 시간과 거리변화를 알아본다.
6. 일반바퀴와 관성원판을 설치한 바퀴의 회전축에 줄을 걸고 센서를 부착해 회전시킨 후 측정된 자이로 값의 변화를 통해 성능 및 효과를 확인한다.
연구성과
본 연구는 질량변화와 역회전방지 원리를 이용해 자이로스코프의 효과 및 성능을 분석해 보았고 mpu6050 센서를 이용해 자이로스코 프에 따른 안정성과 다양한 축들의 변화도 분석해보았다.
자이로스코프를 탑재한 바퀴가 더욱 안정하고, 센서 값의 변화가 가장 완만한 것으로 보아 자이로스코프가 복원력을 늘림으로써 안 정성을 향상시킨다는 것을 알아내었다. 이를 통해 자이로스코프를 이용한다면 넘어지지 않는 이륜구동장치를 구현하는데 도움이 될 것이라고 확신할 수 있었다.
주요어 words)(Key
자이로스코프, 회전관성, 복원력, 관성원판
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
○ 연구동기
최근 들어 페이스북 등의 SNS에서 오토바이와 같은 이륜차를 타고 주행을 하다 미끄러지거나 중심을 잡지 못하여 넘어지는 영상을 종종 보았고 실제 주변에서 오토바이 사고가 일반 자동차 사고보다 비교적 자주 발생하고, 또한 심각한 결과를 초래한다는 것을 깨달았다. 그래서 우린 이 현상의 원인에 대해 의문이 생겼고 조사해보니‘이륜차가 곡선주행을 할 때 무게 중심이 측면으로 쏠린다.’는 것이 주된 원인임을 알게 되었다. 그리하여 이 문제점을 해결할 수 있는 방안을 찾기 시작했다.
○ 연구의 필요성
이 연구는 이륜차나 드론, 보트 등이 중심을 잡지 못하면 사용이 위험하거 나 불가능한 장치를 더 안정적으로 구현할 필요성이 있다. 따라서 우리는 이 연구를 통하여 자이로스코프에 대한 이해도를 높이고 자이로스코프를 이용한 여러 가지 바퀴를 제작하여 복원력의 변화에 따른 성능을 확인하고 센서를 이용해 안정성을 검증할 것이다.
○ 연구목적
일반바퀴와 관성원판을 부착시킨 바퀴의 성능 및 자이로 값을 확인하여 자이로스코프를 이용한다면 넘어지는 과정에서 안정성이 증가된 이륜구 동장치를 구현하는 것이 가능함을 밝히고자 한다.
□ 연구범위
○ 연구분야 및 범위
본 연구에서는 자전거 바퀴가 회전함에 따라 생기는 복원력에 따른 가속 도 및 자이로센서의 값을 측정하여 자이로스코프의 효과를 알아보고자 한다. 이를 위하여 자이로스코프와 복원력에 대한 이해를 기본으로 하며 관성원판이 적용된 바퀴를 제작하여 복원력 측정하고 그 값을 분석하여 물리적 변화에 따른 안정성을 알아보고자 한다.
○ 연구의 제한점
학술자료를 통해 자이로스코프의 원리를 파악한 후 자전거와 같은 이륜차 에 적용시켜 스스로 넘어지지 않는 이륜구동장치를 제작하려고 하였다.
하지만 제작 등의 면에서 실행하기에는 한계가 있음을 판단하였다. 자이로 스코프를 활용한다면 안정한 이륜차를 제작하는 데 도움이 될 것임을 확인 하는 것으로 연구범위를 제한하기로 하였다.
또한 관성바퀴를 구상할 때 복원력을 향상시키기 위한 모터를 장착하는 실험을 구상하였으나 어려움을 겪어 바퀴가 회전할 때 생기는 관성을 이용 하여 바퀴가 회전함에 따라 관성원판이 돌아가는 것을 모형을 구현하기로 하였다.
2. 연구 수행 내용
□ 연구주제의 선정
자전거, 오토바이가 넘어지지 않도록 안전성을 부여 할 수 있는지 조사 하던 중 한 논문인 자이로 원리를 응용한 관성센서에 의한 비행체의 안정성 향상에서 배, 항공기 등에서 자이로스코프의 효과가 이용되어 안정성을 부여한다는 사실을 알게 되었다. 그리하여 자이로스코프를 이용해 안정적 인 이륜구동장치 구현가능성에 대한 연구주제를 선정하게 되었다.
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 이론적 배경 1) 자이로스코프
위아래가 완전히 대칭인 팽이를 고리를 이용하여 팽이 축에 직각인 방향으로 만들고 다시 그것을 제2의 고리를 써서 앞의 것과 직각 방 향으로 받든 후에, 다시 제3의 고리에 의하여 앞의 둘에 직각 되는 방향으로 지탱하여 줌으로써 팽이의 회전이 어떠한 방향으로도 일어 날 수 있도록 한 장치이다.
논문의 자이로 움직임 실험 모습
위의 사진은 ‘한 바퀴로 구동하는 로봇 GYROBO의 구현’에 포합된 사진이다. 논문에 따르면 플라이휠(파란색 원판)이 회전할 때의 몸체 의 움직임을 관찰했는데 플라이휠을 기울게 하면 회전관성으로 인해 몸체가 기울게 된다는 사실을 알게 되었다.
2) 복원력
평형을 이루고 있는 계에서 외부로부터의 힘이 작용하여 평행상태가 깨어졌을 때 다시 평형상태로 되돌아가려는 방향으로 작용하는 힘이 생기는데, 이 힘을 복원력이라고 한다.
3)회전관성과 관성모멘트
물체가 회전운동을 할 때 각속도를 그대로 유지하려는 성질이 있으 며 어떤 물체의 회전 관성은 그 물체의 질량만으로 대표되는 것이 아 니라 그 물체의 질량에 회전축으로부터 물체까지 거리의 제곱을 곱한 것으로 정의된다. 축을 중심으로 회전하는 물체가 계속해서 지속하려 고 하는 성질의 크기를 나타낸 것이 관성모멘트인데 관성모멘트가 클 수록 회전관성의 크기도 커진다. 회전관성의 크기는 (M질량, R반 지름)이며 거리나 질량일 클수록 회전이 더 잘 유지된다. 이때 자이로 스코프와 회전관성의 공통점으로 자이로스코프는 한번 회전하면 계속 회전 하려는 회전관성과 성질이 같다.
4)물라스틱
물리적으로 변형 가능한 온도가 60도인 플라스틱과 비슷한 소재로, 뜨거운 물에 가열해 원하는 모양의 원판을 만드는데 적합한 재료이 다. 찰흙보다 강도가 훨씬 강해 강한 충격에도 모양이 변하지 않는다.
○ 선행연구
1) 자이로스코프 팽이 개념 및 원리이해
본교 물리실에 있는 자이로스코프 팽이를 스탠드에 걸어놓고 회전시킨 뒤 변화를 관찰하고 운동변화를 확인한다.
자이로스코프 팽이 개조시키는 모습
SENSOR KINETICS 앱으로 자이로스코프 팽이의 가속도 및 자이로스코 프 값 변화를 분석한다.
<장치구현>
① 높이가 같은 두 책상 사이에 대를 걸치고 밧줄로 자이로스코프 바퀴를 매단다.
② 바퀴에 앱을 설치한 스마트폰을 부착시켜 회전시킨다.
<구현결과>
- 바닥면과 수직으로 회전시켰을 때
시간에 따른 자이로스코프 그래프 (좌) 및 가속도 그래프 (우)
- 팽이와 같이 바닥면과 수평하게 회전시켰을 때
자이로스코프바퀴에 줄을 매달고 바퀴를 돌렸을 때 바퀴 몸체가 회전하는 것을 보고 세차운동을 확인하였다. 수평 방향으로 회전시켰을 때 시간이 지난 후 회전력이 떨어져 불안하게 움직이는 것을 제외한, 안정된 움직임을 유지했을 때의 가속도 값은 측정하지 않았다.
시간에 따른 가속도 값 변화 그래프
<결과분석>
가속도 및 자이로 값이 주기적으로 변화하는 것으로 보아 회전체 내에서 주기적으로 반복되는 물리적 효과가 나타난다고 판단하였다. 또한 회전축 을 향하는 방향에 해당하는 가속도 값이 자이로스코프가 회전할 때 생성된 다는 것을 확인하였으며 회전할 때 관성모멘트의 힘이 작용하는 방향을 짐작할 수 있게 되었다.
2)자이로스코프 효과(gyroscopic effect) 증폭을 위한 바퀴연구
복원력이라는 의미를 본래의 운동방향을 유지하려는 힘으로 보고, 그 힘을 유지하기 위해 회전관성, 즉 관성모멘트의 성질을 이용하기로 했다.
관성모멘트의 크기는 질량이 균일하게 유지될때 회전판의 축으로부터 거 리가 커질수록 관성모멘트의 힘이 커진다. 그에 착안하여 다음과 같이 설계하였다.
자이로스코프 효과 증폭을 위한 바퀴 설계
초기에는 축에 찰흙을 붙여 질량만 늘이는 방식을 취해 연구를 진행하려 고 하였으나 앞에 언급 한 ‘한 바퀴로 구동하는 로봇 GYROBO의 구현’이라 는 논문을 접한 후 다음과 같이 1차 수정을 하게 되었다.
본 연구의 제한점에서 언급했듯이, 이후 바퀴에 모터를 적용하는 부분에 서 어려움을 겪고 모터 없이 자이로스코프의 효과를 내는 방법을 연구하던 중 케이블 타이 내부 홈의 원리를 착안해 다음과 같이 2차 수정을 하여 관성원판을 설계하였다.
홈과 원판사이의 마찰을 줄이기 위해 3차 수정을 하여 하나의 홈만 가지고 역회전 방지 역할을 하는 관성원판을 제작하기로 하였다.
3) 3D 프린팅 기법
구상한 홈을 제작하기 위해 3D 프린터를 이용하였다. Rino로 필요한 용도 에 맞게 설계하고 Cura로 변환하여 프린팅하는 기법을 본교 동료를 통하여 배우게 되었다.
3D 프린터 3D 프린터 설계 프로그램
□ 연구 방법
선행연구 : 자이로스코프 원리 조사 및 이용방법 탐구
자이로팽이에 센서를 부착하여 돌려보면서 자이로스코프에 대한 기본 개 념 이해를 위한 실험을 실시한다.
본 실험 1 : 질량과 회전관성에 따른 복원력의 크기 및 성능 분석 경사면에 일반바퀴, 관성원판(자이로스코프)을 적용한 바퀴(이하 관성바 퀴라 함), 관성바퀴와 질량이 같도록 무게를 늘린 바퀴(이하 질량바퀴라 함),를 굴려 거리 및 시간의 평균값을 측정한다.
본 실험 2 : 자이로스코프에 따른 안정성 및 변화 분석
일반바퀴, 질량바퀴, 관성바퀴에 자이로센서를 부착 후 회전상태에서 넘어 뜨려 자이로 및 가속도 값 변화를 확인한다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 자전거의 중심을 잡는 원리 파악 및 자이로스코프 효과(gyroscope effect) 증폭을 위한 자전거의 내부구조 대상선정
1) 자전거의 중심을 잡는 원리
자전거가 주행할 때 바퀴가 접하는 바닥면으로부터 벗어난 무게중심을 핸들을 이용하여 무게중심을 바닥면 안쪽으로 이동시킨다.
2) 대상 선정
자전거가 주행할 때 바퀴가 끊임없이 회전하기 때문에 관성원판을 부착하 여 회전력을 최대한 늘릴 수 있도록 하였다.
○ 자이로스코프에 따른 복원력 향상위한 관성원판 제작
구현과정
1) 케이블 타이의 원리 적용
케이블 타이 모습
케이블 타이의 홈은 직각삼각형의 형태를 띠며, 삽입 시에는 빗면을 따라 삽입되고, 제거 시에는 바닥과 수직인 면에 걸려 줄을 한 번 끼우면 빠지지 않는다.
2) 3D 프린팅을 위한 홈 설계
관성원판의 역회전방지를 위해 홈의 모양을 뾰족하게 만들어주었다. 3D 프린터를 이용한 실험에 필요한 부품 설계
부품 사용용도 파인 부분에 물라스틱
을 넣어 축에 부착할 홈 을 제작하기 위함이다.
(부착 시의 문제로 사용하지 않았음.)
표면에 물라스틱을 둘 러 관성원판의 안쪽면 에 홈을 내기 위함이다.
(부착 시의 문제로 용도와 달리 사용됨.)
바퀴의 회전축에 붙여 관성원판의 역회전을 방지하기 위함이다.
제작결과
3) 관성원판바퀴 제작
1차 관성원판바퀴 제작
3D프린터로 제작한 톱니모양의 틀에 물라스 틱을 둘러싸면서 원판모양으로 만들어 준다.
물라스틱을 찬 물에 씻고 바람에 건조시킨다.
제작의 문제점
톱니모양의 틀에 물라스틱을 붙여 홈 모양이 있는 물라스틱 원판을 만들어내려고 했으나 틀과 물라스틱이 완전히 끼여 사용할 수 없게 되었다.
2차 관성원판바퀴 제작
1) 회전축에 3D프린터로 제작한 뾰족한 모양 의 블록을 글루건으로 붙인다.
2) 회전축에 물라스틱을 블록과 같은 두께로 잘 감싸준다.
3) 물라스틱과 필라멘트가 서로 달라붙지 않 게 하기 위해 틀을 비닐로 감싼 후 물라스틱 을 덧대어 물라스틱 원판을 만들어준다.
4) 튀어나온 홈 부분을 파낸 후 3D프린터로 인쇄한 홈을 부착한다.
관성원판바퀴 완성한 모습 및 문제점
3D프린터로 인쇄한 홈 사이의 마찰과 2개의 홈 사이에 회전축이 지속적으로 끼게 되어서 스코프의 효과를 내지 못했다.
3차 관성원판바퀴 제작
(이전 제작 과정은 2차제작의 1~3과 같다.) 1차 관성원판과 달리 3D 프린터를 이용해 제작한 세 개의 홈을 제거하고 안쪽으로 홈을
파 역회전은 막으면서 마찰력은 줄여주었다.
관성원판 바퀴 완성한 모습
(바퀴살의 수는 최소화시켜 마찰을 줄여주었다.)
○ 경사면에 다양한 바퀴를 굴려 자이로스코프의 효과 및 크기 실험 목표 : 자이로스코프의 효과와 그 크기를 확인한다.
가설 : 관성바퀴, 질량바퀴, 일반바퀴 순으로 거리 및 시간 값이 크 게 측정될 것이다.
1) 경사면 제작
빗변에 작용하는 힘은 은 바퀴의 질량이다. 따라서 가속도는
으로 실험하고자하는 일반바퀴, 질량바퀴, 관성원판바퀴의 질량과 무관하기 때문에 바닥면과 만나는 지점에서는 일반, 질량, 관성바퀴의 속도 가 같다. (약간의 마찰력은 무시한다.)
경사면 제작 과정
바퀴가 경사면을 따라 굴러가는 동안 바퀴의 운동방향이 변할 수 있어 그림과 같이 운동방향을 일직선으로 유지시켜주는 판을 만들었다.
글루건을 이용해 판과 수직으로 스티로폼 벽을 설치했는데, 바퀴의 무게 를 이기지 못하여 삼각형 모양의 스티로폼 지지대를 만들어 설치하고 경사 면을 세 겹으로 하여 안정하게 제작했다.
바닥에 1m씩 표시해 길이를 원활하게 비교할 수 있도록 설계하였다.
완성된 경사면의 모습
2) 거리 및 시간 측정
거리 측정 실험 통제변인 평평한 복도 바닥, 경사면의 각도
조작변인
일반바퀴, 질량을 증가시킨 바퀴, 관성원판을 붙인 바퀴 (단, 관성원판을 붙인 바퀴의 질량과 질량을 증가시킨 바퀴의 질량은 같다.) 바퀴의 질량-일반바퀴: 0.9kg, 질 량바퀴, 관성바퀴: 1.5kg
종속변인 운동방향이 변하는 지점까지의 거리 측정값
거리 체크 O : 방향이 틀어지기 시작하는 것은 복원력의 크기가 낮아져 불안정하게 되었기 때문이므로 바퀴의 진행방향이 틀어졌을 때의 지점을 체크한다. 틀어지는 지점은 동영상 판독을 통해 체크한다.
거리 체크 X : 곡선 주행을 하는 경우
시행 : 일반바퀴, 질량바퀴, 관성바퀴를 각각 30회 굴려서 평균값을 낸다.
시간 측정 실험 통제변인 평평한 복도 바닥, 경사면의 각도 조작변인 일반바퀴, 질량바퀴, 관성바퀴
(단, 관성바퀴와 질량바퀴의 질량은 1.5kg로 같다.) 종속변인 바퀴가 넘어질 때 측정되는 시간
시간측정: 경사면에 바퀴를 굴린 후, 넘어질 때까지의 시간을 측정한다.
넓은 공간이 필요해 본교 강당에서 실험을 진행하였다.
거리 측정 모습
○ 넘어질 때의 자이로 값 변화분석실험
목표 : 자이로스코프에 따른 안정성 및 변화 확인.
가설 : 관성바퀴가 회전 중 넘어질 때의 축의 값은 비교적 안정 적으로 변화할 것이다. 이에 비해 일반바퀴의 축의 값은 비교적 급하게 변화할 것이다.
1)실험설계
준비물 : 신명전기 단상 4극 1/4마력 운전형 H/T 60Hz, 브레이크 패드, 나무판, 바퀴, 아두이노 mpu6050 센서, 노트북, 테이프, 철 막대 모터에 브레이크 패드를 먼저 연결시키고, 패드 안쪽에 바퀴를 손을 이용 해 고정시킨다. 바퀴의 회전축에 줄을 연결해 철 막대에 고정시킨다. 바퀴 를 잡고 있다가 모터를 가동시킨 후, 최대속력에 도달할 때 손을 이용해 바퀴와 패드를 분리시켜놓는다. 바퀴가 멈춰 바닥면과 수평이 될 때까지의 자이로센서 값 변화를 확인한다.
2) 변인설정
가속도 및 자이로 센서 값 변화분석실험 통제변인 같은 회전속도
조작변인 일반바퀴, 질량바퀴, 관성바퀴
종속변인 넘어지는 과정에 따라 측정되는 센서 값
3) 실험과정
① 스톱워치로 시간을 재다가 3초가 되면 아두이노센서 값 창을 띄운 후 센서 값이 측정되기 시작할 때 신호를 준다.
② 5초가 되면 바퀴를 놓도록 신호를 준다.
③ 바퀴가 완전히 멈출 때, 시간기록을 멈춘다.
④ 전체시간에서 5초를 빼 바퀴가 회전한 시간을 구한다.
⑤ 회전한 시간을 센서 값 측정 간격으로 나누어 필요한 값의 개수에 해당하는 센서 값을 파악한다.
⑥ 위에서 얻은 센서 값을 그래프로 변환한다.
⑦ 바퀴종류마다 위의 같은 방법으로 5회씩 진행한다.
바퀴에 센서를 부착 실험장치 구현과정
실험진행과정
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 경사면에 다양한 바퀴 굴리기
거리측정은 일반바퀴, 질량바퀴, 관성바퀴 각각 30회씩 시행.
시간측정은 일반바퀴, 질량바퀴, 관성바퀴 각각 15회씩 시행.
1) 거리측정
일반바퀴
1회 2회 3회 4회 5회 6회 7회 8회 9회 10회
214.9 202.3 351.1 346.4 397.2 273.5 214.2 299.2 232.7 372.3
11회 12회 13회 14회 15회 16회 17회 18회 19회 20회
285.8 192.1 421.2 311.3 208.6 374.3 206.5 257.3 400.8 232.1
21회 22회 23회 24회 25회 26회 27회 28회 29회 30회
336.3 326.1 379.4 385.5 416.9 287.5 375.7 361.6 312.4 344.5 평균값 : 310.65 cm
단위 : cm
일반바퀴 (질량)
1회 2회 3회 4회 5회 6회 7회 8회 9회 10회
484.3 420.7 463.2 307.8 397.2 350.1 269.4 281.2 300.2 277.4
11회 12회 13회 14회 15회 16회 17회 18회 19회 20회
425.2 377.7 341.4 332.8 387.3 420.8 226.7 272.5 508.1 357.4
21회 22회 23회 24회 25회 26회 27회 28회 29회 30회
280.5 361.3 352.9 359.0 371.2 316.6 390.2 396.4 540.5 480.3 평균값 : 368.34 cm
관성바퀴
1회 2회 3회 4회 5회 6회 7회 8회 9회 10회
405.2 330.5 403.8 430.2 423.3 395.4 510.9 431.4 428.7 483.2
11회 12회 13회 14회 15회 16회 17회 18회 19회 20회
598.5 430.7 378.4 503.5 422.3 504.7 408.5 359.3 560.1 598.2
21회 22회 23회 24회 25회 26회 27회 28회 29회 30회
382.4 440.1 494.9 440.8 484.8 385.6 427.4 561.2 372.9 582.6 평균값 : 452.65 cm
2) 시간측정
일반바퀴
1회 2회 3회 4회 5회 6회 7회 8회 9회 10회
17.45 16.02 16.43 16.45 15.51 15.23 15.9 15.83 19.06 17.88
11회 12회 13회 14회 15회
16 18.16 15.32 17.93 18.51
평균값 : 16.78초 단위 : 초
질량바퀴
1회 2회 3회 4회 5회 6회 7회 8회 9회 10회
11.16 11.68 9.98 12.69 10.69 10.28 10.21 10.67 9.57 11.33
11회 12회 13회 14회 15회
10.34 9.84 9.62 9.34 10.10
평균값 : 10.5초
관성바퀴
1회 2회 3회 4회 5회 6회 7회 8회 9회 10회
11.02 11.22 10.18 10.78 10.76 12.00 12.12 11.95 10.63 10.92
11회 12회 13회 14회 15회
11.11 12.72 10.23 11.21 10.36
평균값 : 11.147초
거리 평균값 그래프 (좌), 시간 평균값 그래프 (우)
3) 실험결과 및 분석 - 거리 측정실험 분석결과
일반바퀴와 질량바퀴를 분석해보았을 때, 질량이 커지면 회전관성의 크 기 또한 증가하기 때문에 질량이 커지면 복원력 또한 증가하게 된다.
질량바퀴와 관성바퀴를 비교해보았을 때, 관성바퀴는 회전속도가 떨어지 더라도 탑재된 관성원판이 회전하기 때문에 질량바퀴보다 복원력이 증가 하게 되어 더 먼 거리를 이동할 수 있다.
- 시간 측정실험 분석결과
질량바퀴와 관성바퀴는 축 부분에 원판이 부착되어 있다. 원판이 바퀴를 따라 같이 회전할 때 만드는 불안정함이 빨리 넘어지게 만든 것이라 판단된 다. 반면에 일반바퀴의 축에는 다른 바퀴와 달리 원판이 없기 때문에 축 부분이 비교적 안정해 가장 늦게 넘어지는 것이라 판단된다.
질량바퀴와 관성바퀴는 일반바퀴와 다르게 작은 회전속도에도 불구하고 넘어지지 않고 앞으로 진행하는 양상을 보였는데, 이러한 양상도 질량에 따른 자이로스코프에 의해 복원력이 늘어났기 때문이다.
○ 넘어질 때의 자이로 값 변화 분석실험
1) 자이로 센서 값 측정.
일반바퀴
1차시도 2차시도
3차시도 4차시도
5차시도
질량바퀴
1차시도 2차시도
3차시도 4차시도
5차시도
관성바퀴
1차시도 2차시도
3차시도 4차시도
5차시도
2) 결과분석
Gx, Gy, Gz는 가속도가 작용하는 방향)이며 값이 튀는 현상은 진동으로 인한 현상으로 값이 튄 부분은 제외하고 생각한다.
① Gy 값은 일반바퀴의 경우 회전하는 동안 음의 값으로 잘 내려가지 않았으나 질량바퀴와 관성바퀴의 값은 그에 비해 빈번했고 변화의 폭도 컸다.
Gx 값은 일반바퀴의 경우 1000대에서 10000대~ 30000대까지 빠르게 변화하는 양상을 보인다. 이에 비해 질량바퀴의 경우에는 다소 안정적으로 변화하는 양상을 보이며 관성바퀴는 질량바퀴보다 더욱 안정적으로 값이 변화하는 것을 알 수 있다.
요약하자면 일반바퀴는 질량이 가볍기 때문에 회전 중에는 회전관성이 질량에 의한 기울임의 힘보다 커 지면과 수직을 길게 유지하지만 복원력이 작용하지 않아 급격하게 중심을 잃는다. 이에 비해 관성바퀴는 내부에 자이로스코프를 탑재하고 있으므로 복원력이 작용해 기울여짐이 비교적 안정적으로 발생한다. (Gz는 진동으로 인해 값이 매우 부정확하므로 해석 에서 제외한다.)
② 그래프에서 Gx와 Gy값이 증가와 감소를 반복하는 현상을 관찰할 수 있는데, 이는 자이로스코프에 의해 복원력이 작용할 때는 각속도가 감소했 다 복원력의 작용이 잠시 멈출 때는 각속도가 다시 증가하기 때문이다.
즉 자이로스코프로 인한 복원력은 지속적으로 발생하는 것이 아니라 부분 적으로 작용한다는 것을 알 수 있다.
○ 최종결과
일반바퀴, 질량바퀴, 관성바퀴를 이용해 총 3가지의 실험을 한 결과를 종합 하여 일반바퀴<질량바퀴<관성바퀴 순으로 안정성이 높다는 것을 입증하 였다. 따라서 자이로스코프를 이용하여 안정적인 이륜차를 설계하는 것이 가능하다.
□ 시사점
본 연구는 자이로스코프의 효과와 크기를 확인하고, 자이로스코프 효과 를 이륜차가 넘어지는 사고에 적용시켜보았다. 복원력, 관성모멘트와 같은 물리 내용을 실험적으로 접할 수 있어 역학에 대한 이해도를 높일 수 있다.
본 연구에서 개선해야 할 점은 관성원판 바퀴의 제작이다. 가장 이상적인 방법은 바퀴살을 늘리고 모터를 이용해 주행하는 동안에 특정한 속도로 회전할 수 있도록 설계한 후 바퀴의 축에 센서를 부착해 센서 값의 변화를 시간 별로 확인했더라면 자이로스코프의 구체적인 효과를 더 정확하게 알 수 있었으리라고 생각된다.
4. 홍보 및 사후 활용
○ R&E 논문집에 개재하여 모교후배 또는 그 외의 학생에게 자이로스코 프의 장점과 활용할 수 있는 잠재력을 인식 시킬 수 있다.
○ 이륜차사고 피해 최소화 외에도 놀이기구와 같은 다른 종류의 안전사 고에서 피해를 줄이기 위한 연구를 진행하는데 자이로스코프가 도움이 될 것을 인식 시킬 수 있을 것이다.
○ 자전거나 오토바이 등 타고 다닐 수 있는 실생활의 이륜차에 적용이 가능하다. 대학교에 진학하게 된다면 원판의 회전속도에 따른 복원력의 변화에 대한 연구를 추진할 계획이다. 역회전 방지원리를 이용한 완성도 높은 자이로스코프 바퀴를 설계하고 제작한 후, 센서를 통해 효과를 정밀히 확인한 후, 최종적인 이륜구동장치를 구현할 것이다.
5. 참고문헌
□ 참고문헌
○ 강진구 식별저자 (2010) - 자이로-가속도 센서를 이용한 모바일 역진자 의 자세 제어, 한국컴퓨터정보학회 논문지 제15권 제10호, 129-136
○ 박종현, 연제성, 최시명 식별저자 (2011) 각운동량제어를 통한 이족보 행로봇의 안정적인 뛰는 동작 생성 대한기계학회 추계학술대회 강연 및 논문 초록집, http://www.hardcopyworld.com/ Hard Copy Arduino 863-867
○ 박진배, 정학상, 최윤호 (2010) - 자이로 센서를 이용한 4족 보행 로봇의 자세 제어. 대한전기학회 제41회 하계학술대회, 2010.7, 1836-1837
○ 정인성, 이기형 (1994) 자이로 원리를 응용한 관성센서에 의한 비행체의 안정성 향상. 대한기계학회지 546-557
○ 테로 카르비넨, 키모 카르비넨, 빌리 발토카리 (2015) - make:센 서 265-272
○ http://www.doopedia.co.kr/doopedia/index.do 두산백과 [자이 로스코프, 아두이노]
