STEAM R&E 연구결과보고서
(인공지능을 드론으로 풀어내고 알리기 위한 3차원 지각 능력 드론 교구 제작)
2016. 11. 30.
성보고등학교
< 연구 결과요약 >
과 제 명 인공지능을 드론으로 풀어내고 알리기 위한 3차원 지각 능력 드론 교구 제작
연구목표
∘드론에 다양한 센서들을 부착하여 보여 다양한 기능을 부여하여 본다.
∘드론에 지각 능력을 부여하기 위한 4방 초음파 센서를 장착하고 부저나 피 에조 스피커를 통해서 4방에 장애물이 있음을 알릴 수 있도록 한다.
∘드론의 지각능력의 핵심이 될 초음파 센서의 능력을 조정할 수 있도록 하 고, 인공지능에 대한 이해를 높일 뿐 아니라 나아가 다양한 센서들을 부착하 여 드론을 ‘놀이’로 풀어내어 인공지능과의 거부감을 줄이는 것이다.
연구내용
드론 제작을 포함한 공학적 요소를 담당하는 조원과 전반적인 프로그래밍을 맡아 하는 조원으로 나누어 연구를 진행하였다.
드론 제작 시에 시중에 판매하는 드론이 아닌 아두이노를 이용한 드론을 제작하여 봄으로서 드론의 작동원리, 비행 프로그램(Multiwii) 등을 이해 할 수 있도록 하였 다.
드론에 4방으로 초음파 센서를 부착하고 일정 거리 내에 장애물이 감지되면 부저 혹은 피에조 센서가 반응하도록 프로그래밍 하였다. 장애물의 감지의 범위는 블루투스 센서를 사용하여 직접 제작한 초음파 센서 범위 조절 어플을 통하여 스마트 폰에서 조절할 수 있도록 하기 위해서 연구를 진행 하였다.
플래시. 태양광 센서, 조도 센서, 레이저 센서를 사용하여 드론 비행 중에 레이저 센서를 이용한 레이저 건을 제작하여 레이저를 보낼 경우 조도 센서에서 받아 드릴 수 있도록 하고 받아드렸을 경우 부저를 통해 알려주도록 하고 플래시도 이와 같은 형식으로 작동하도록 하여 이가 재미있는 드론 놀이가 되기를 기대하며 연구를 진행하였다.
연구성과
초반의 연구 주제대로 드론을 인공지능에 대입하여 풀어내어 3차원 지각능력 드론 을 구축하기 위하여 노력하였으나 중간발표 컨설팅 후 어려움을 깨닫고 초음파 센서를 통해 장애물을 피하는 드론 제작을 위해 구상을 하고 여러 센서를 이용한 드론을 활용한 ‘놀이’ 구상을 하는 것을 최종 목표로 세웠다.
4방 초음파 센서 부착의 경우 지각 능력을 통해 드론 조종 시의 안전사고들을 예방 할 수 있을 것이며 여러 센서를 이용한 놀이 제작으로 통해 학생들을 포함한 현대인들이 마음 편히 놀면서도 과학적 상식을 얻을 수 있을 것이며, 모델 제작에 있어 다양한 융합 적인 요소들을 다루어지기에 융합 적인 사고력을 함양할 수 있을 것이고, 아두이노와 같은 여러 센서들과 드론의 구조를 구상하는 등의 활동을 통하여 과학 탐구 능력과 기술적인 면에서도 능력을 증진시킬 수 있는 등과 같은 다양한 STEAM 분야를 경험 할 수 있게 할 것이다.
주요어 (Key words)
드론(Drone), 지각 능력(Perception Ability), 반사 신경(Reflexes), 아두이노 (Arduino), 학습 교구, 놀이(game), 초음파(Ultrasonic waves)
< 연구 결과 보고서 >
1. 개요
□ 연구 목적
○ 드론에 대한 관심
- 아마존 닷컴에서 현재 실행 중인 'Prime Air' 드론을 이용한 쇼핑 제품을 집 앞으로 직접 배달해 주는 등의 여러 활용 사례가 늘어났으며, 중저가의 다목적 드론이 등장하면 서 이를 이용한 드론 놀이 문화가 발달하였고, 영화 ‘OBLIVION’ 등 많은 영화에서 드론이 군사·산업 분야에서 활용되는 것을 볼 수 있다. 이렇듯 드론에 대한 관심이 커지고 지속적으로 진화하고 있는 드론과 이를 활용 사례는 늘고 있지만 정작 드론에 대한 이해나 범위에 대해서는 잘 알려져 있지 않으며 안전성에 대한 문제는 항시 지적되었다.
- 미국 워싱턴 포스트(WP)가 21일 보도한 내용에 따르면 2001년 이후 드론이 각종 사고로 추락한 드론이 418대에 달하고 드론이 가옥과 농장, 활주로, 고속도로, 수로 등 다양한 지역에 추락했으며 심지어는 미 공군의 C130 수송기와 공중에서 충돌하기도 했다. 또 일부 드론은 비행 중 흔적도 없이 사라져 버리기도 했다.
- 국내에서도, 부산CBS 방송국 앞에서 시위를 하던 사람들 위로 드론이 떴고, 이 드론은 롯데백화점 서면 점 인근 아파트 단지 앞 도로 위를 저공비행하다 가로수와 충돌해 추락했고, 또한 지난해 11월 국내에서 일어난 드론 추락 사고는 인명 피해는 없었지만 자동차 앞 유리가 파손되는 물적 피해를 입었다.
그림1-추락 사고를 발생시킨 드론
그림2-추락한 드론과 충돌한 차량
< Drone Crash의 예 >
- 트위터, 페이스북 등의 SNS에 드론 사고에 관한 글이 올라오기도 하며 유튜브에서는 드론 충돌 사고(drone crash) 영상 많이 존재한다. 이러한 영상을 통해 위기 상황에 드론을 순간적으로 움직여 위기 상황을 벗어나는 것이 매우 어렵다는 것을 확인할 수
있다.
- 이러한 사실들을 바탕으로 드론이 충돌 혹은 사고에 매우 취약하며 또한 드론 사고가 다반사로 일어나며 모두 인명 피해 혹은 큰 사고를 일어날 수 있었다. 또한 이러한 사고가 일어난 것에 대해 조종자가 조종이 미숙하거나 드론과 관련된 기본적인 법규, 안전 사항 등을 제대로 숙지하지 않았던 것이 대다수 이었다.
- 한국의 드론 항공법은 제한이 많지만 조종자가 충분히 이해하고 지킬 수 있는 내용들이 많으며, 드론 자체에 대한 충분한 이해를 가지고 드론 항공법에 준수하여 드론을 비행시 킨다면 드론을 더욱 안전하게 활용할 수 있을 것이다. 하지만 실제로 드론 항공법을 제대로 알고 지키는 조종자들은 많지 않으며, 최근에서야 어느 정도 홍보가 되어 드론 항공법이 알려지고 ‘드론 항공법 앱‘ 등의 존재가 알려지게 되었지만, 상업적 목적으로 판매되는 드론에는 놀이적 요소가 충분히 포함되어 있지만, 과학적인 요소가 포함되어 있기는 하지만 전혀 전달되지 않았다. 드론은 학습 교구로서 매우 활용성이 높아 보이지 만 아직까지 드론을 학습 용구로서 사용하지 않았다.
○ 드론과 인공지능의 연관성을 생각함
- 우리는 아침 출근 시간 혹은 불꽃 축제 등의 행사장 주위를 움직이는 수많은 사람들이 부대끼며 걷지만 서로 걸려 넘어짐 없이, 혹은 걸려서 넘어지려고 하다가도 균형을 맞춰 자세를 유지하여 넘어지지 않는 등 불상사를 막는다. 이는 하나의 객체가 자신 이외의 객체의 존재와 그 객체의 움직임을 인식하면서도 자신의 행동에 유의하여 움직이 며 만약 위기 상황이 발생하였을 때에는 반응으로 모면하는 것으로 볼 수 있다.
- 위와 같은 생각을 센서를 이용하여 물체 감지 범위를 구축시킨 드론에 대입시킨다면, 드론에 부착되어져 있는 센서가 인간의 감각 기관에 해당할 것이다. 이에 조종자가 임으로 물체 감지 범위를 조정하여 특정 거리 이내에서 물체를 감지하도록 하고 이에 따른 반응이 일어나도록 하여 조종자가 반응하여 드론이 회피하기에 최적의 거리를 찾는 사고 과정을 통해 인공지능의 학습 능력, 추론 능력, 지각 능력을 자신의 사고를 통해 이해할 수 있을 것이다.
○ 재미로부터의 학습 활동
- 화학 심화 동아리와 물리 심화 동아리에서 주기적으로 아이들에게 과학적인 지식과 흥미를 주기 위한 재능 기부 활동을 하였다. 처음 진행하였던 재능 기부 때에는 아이들에 게 단지 과학적인 지식만으로 흥미를 일으키는 것은 매우 힘든 일이라는 것을 알았다.
그들은 눈으로 직접 확인할 수 있는 신기한 현상이나 재미난 놀이 거리가 아니라면 흥미가 거의 일지 않고 오히려 지겨워하였으며 집중력은 저조하였다. 이에 우리는 아이 들은 공부라는 것에 거부감을 가지고 있었기에 아이들에게 그저 과학적인 지식을 전하는 것만으로는 집중력과 호기심을 끌어낼 수 없다고 보았고, 두 번째로 진행하였던 재능 기부에서 과학적 지식을 최대한 청각, 촉각, 시각 등의 오감으로 확인할 수 있으며, 화려하 고 재미나게 놀 수 있는 장난감으로 보일 수 있도록 노력하였다, 또한 아이들에게 이론을
전하고자 할 때는 이론을 논리적으로 설명하는 것이 아니라 쉽게 설명하면서도 전하고자 하는 과학적 지식의 핵심을 전할 수 있도록 말에도 신경을 써 보는 등의 노력을 하였고, 이 노력은 아이들에게 과학적인 지식을 놀이로서 익힐 수 있도록 하였으며, 아이들이 우리가 전하고자 하는 과학적 지식의 핵심을 파악할 수 있게 하였다.
- 아무리 과학적 이론이 뛰어나다 하여도 그것을 받아들이는 것이 지겹다면 그것은 자신만 의 과학적 이론이 될 것이다. 과학적 지식 혹은 어떠한 사실을 알리고 싶다면 전하고자 하는 대상이 흥미를 느끼는 요소가 포함되어야 할 것이고 그것을 사용해보고 싶다는 마음이 들어야 할 것이다.
- 내용이 많을수록 지루한 설명보다도, 자신이 직접 겪어보는 것이 이해에 도움이 되는 것처럼 드론의 자체의 원리를 알리기 위한 교구를 제작하는 것은 어떨까? 이렇게 직접 겪어보면서 드론 자체의 원리 등을 이해할 수 있도록 할 수 있는 방법이 무엇일까?
또 어떤 방식으로 겪어보는 것이 효율적일까? 이러한 교구는 근 미래에 드론이 사회에 광범위하게 그리고 깊게 자리 잡기 위한 중요한 역할을 할 것이다.
○ 학습과 나눔에서의 드론
- 드론을 위와 같은 시각에서 개발하는 것은 이전에 없던 것인데, 다른 대부분의 학우들은 드론을 사용하기는 하지만 드론에 대한 이해는 없으며 인공지능에 대해서도 실재와는 다른 이상향을 가지고 있어 이를 이해하기 어려워한다. 만약 우리가 만든 드론을 활용하 여 여러 가지 놀이나 실험을 통하여 학우들에게 드론에 대한 이해를 높이고 인공지능에 대하여 좀 더 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 또한 근 미래의 드론의 활용이 원활히 이루어질 수 있을 것이다.
□ 연구 범위
○ 드론 제작 - 기본 모델
- 드론의 부품을 구매하여 아두이노 기반의 드론을 제작하고 이를 통해 드론에 대한 이해를 높이는 것이 일차적 목표이다.
- 제작한 드론의 안전성, 활용성 등을 평가하여 학습 용구로서 개발 가능 여부를 평가한다.
○ 무선 센서 연동을 통한 가변 물체 감지 범위 구축 - 'Sensing'
- 드론에 부착된 센서가 정해진 값에 도달하는 값을 측정하면 반응하여 조종자가 알 수 있도록 하는 시스템을 구축하고자 한다.
- 드론이 자신의 위협을 알렸을 경우에 어떠한 형식으로 피할지 알고리즘을 짠다.
- 센서의 아두이노보드에 통신 모듈을 연결하여 스마트폰 등으로 센서의 값을 변경할 수 있도록 하여 가변적으로 드론의 물체 감지 범위를 구축한다.
- 설계도를 작성한다.
- 드론의 안전성을 높이기 위한 방법을 여러 방면에서 고려한다.
○ 센서의 특성·원리를 이용한 학습 모델
- 일차적인 물체 감지 범위 구축에 사용한 아두이노 기본 초음파 센서와 후에 고성능 초음파 센서, 레이저 물체 감지 센서 등의 원리·성능을 조사·분석한다.
- 순차적으로 물체 감지 범위 구축에 사용하여 어떤 센서가 가장 물체 감지 범위 구축에 적합할지 평가한다.
- 센서의 과학적 원리에서도 교육 효과를 얻는다.
○ 드론·인공지능 이해·학습 모형 제작 - 인공지능에 대한 정확한 정의에 대한 조사
- 드론은 과학, 수학, 공학, 기술, 예술 등이 융복합적으로 내재되어 STEAM 교육 목적에 알맞은 재료이고 동시에 장난감으로도 손색이 없어 효율성 높은 학습 교구가 될 것이다.
이러한 드론을 이용하여 인공지능과 같이 영화 등의 매체들이 학우 등 여러 사람들에게 특정 측면을 다수 보여주어 인공지능에 대한 반감을 가지고 오해하는 지식 등을 풀어내 고 그 학습자에게 모든 분야에 아우르는 지식을 전달하는 교구를 제작하는 것이 목표이 다.
- 인공지능을 알리는 것이 주목적인 이 물체 감지 드론의 학습 교구로서의 성능을 평가한다.
○ 재미에서의 학습 드론
- 드론을 이용한 여러 체험을 통해 드론의 원리를 이해하고 추가적인 지식을 습득할 수 있는 여러 놀이 모형을 제작하고 이 놀이에는 중심적인 지식 이외에도 여러 과학적 지식이 녹아있어 효과적이고 효율적인 학습이 가능하도록 한다.
- 드론을 이용한 여러 놀이를 구상하여 집중력을 높이고 학습 효과를 높인다.
○ 팀 단위 연구 활동을 통한 소통 능력 및 과학 탐구 능력과 융복합적 사고 능력 함양 - 팀 단위로 이루어지는 현대의 연구의 특성에 걸맞게 소통 능력과 과학 탐구 능력을
향상시키고 여러 가지 분야를 융합하여 생각하는 STEAM 인재에 걸맞은 사고방식을 얻고, 나눔으로서 우리나라, 나아가 세계의 생각의 발전에 이바지 할 수 있을 것이다.
○ 드론 제작
- 드론의 부품을 구매하여 아두이노 기반의 드론을 제작하는 것이 일차적 목표이다.
- 제작한 드론의 안전성, 활용성, 호환성, 학습 효율성 등을 평가하여 학습 도구로서 개발 가능 여부를 평가한다.
○ 지각 능력 드론의 무선 센서 연동을 통한 가변 물체 감지 구축
- 드론에 부착된 센서가 정해진 값에 도달하는 값을 측정하면 반응하여 조종자가 알 수 있도록 하는 시스템을 구축하고자 한다.
- 드론이 자신의 위협을 알렸을 경우에 어떠한 형식으로 피할지 알고리즘을 구성한다.
- 센서의 아두이노 보드에 통신 모듈을 연결하여 스마트폰 등으로 센서의 값을 변경할 수 있도록 하여 가변적으로 드론의 물체 감지 범위를 구축한다.
- 드론의 안전성을 높이기 위한 방법을 여러 방면에서 고려한다.
○ 드론·인공지능 이해·학습 모형 제작
- 드론은 과학, 수학, 공학, 기술, 예술 등이 융합 적으로 내재되어 STEAM 교육 목적에 알맞은 재료이며, 이러한 드론을 이용하여 인공지능과 같이 영화와 같은 매체들을 통해서 우리들에게 다가와 반감을 가지고 오해를 하는 지식 등을 풀어내고 그 학습자에 게 모든 분야에 아우르는 지식을 전달하는 교구를 제작하는 것이 목표이다.
○ 재미에서의 학습 드론
- 드론을 이용한 여러 체험을 통해 드론의 원리를 이해하고 추가적인 지식을 습득 할 수 있는 여러 놀이 모형을 제작하고 이 놀이에는 중심적인 지식 외에도 여러 과학적 지식이 녹아있어 효과적이고 효율적인 학습이 가능하도록 한다.
○ 팀 단위 연구 활동을 통한 소통 능력 및 과학 탐구 능력과 융합 적사고 능력 함양 - 팀 단위로 이루어지는 현대의 연구의 특성에 걸맞게 소통 능력과 과학 탐구 능력을
향상시키고 여러 가지 분야를 융합하여 생각하는 STEAM 인재에 걸맞은 사고방식을 얻고, 나눔으로서 우리나라, 나아가 세계의 생각의 발전에 이바지 할 수 있을 것이다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 드론의 통제의 선행 연구 사례
- ‘드론 무선 통신의 개요 및 이슈’ 손성화, 강진혁, 박경준 (한국통신 학회지) - 드론의 관리에 사용할 주파수에 관하여 여러 가지 예시와 그 예시에 대한 장점과
단점을 설명해 놓았고, 드론을 활용하여 전파의 가시거리를 확보할 수 있음을 알려주었 다(드론을 이용한 무선통신).
- 이 연구는 드론을 지상에서 관리하는 형태를 보여주었다. 물론 이 연구는 무선통신에 드론을 이용하기 위한 것이지만, 드론을 관제하는 것을 지상에서 한다는 것이다.
○ 드론의 통제의 선행 연구 사례(2)
- 아마존 닷컴의 'Prime Air' 드론 이미 'sense and avoid'기술 즉, 충돌 방지 시스템이 있고, ‘way point’기술을 활용하여 택배를 배달하고 있다.
- 우리나라에 드론을 파는 회사 중 하나가 한국과 계약하여 공항 2km내에서는 드론이 조종이 되지 않도록 만들었다.
그림3 - 지상관제 시스템을 이용한 드론
○ 연구의 희소성 관리
- 드론을 활용에 관한 혹은 드론 자체에 관한 연구는 활발히 진행 중이기는 하나, 아직까지 드론에 대한 이해 혹은 과학적 개념을 알리기 위한 학습 도구로서 사용된 적이 없다.
□ 연구 주제의 선정
⃝ 선배들의 ‘유령 체증 현상을 파동으로 해석하고 설명하기 위한 1차원 트랙 무인 자 동차 교구 제작’의 발표를 듣게 됨 어떠한 현상을 흥미로운 방향으로 해석한 것과 이를 다른 학우들에게 이해시키기 위한 교구를 기계공학적 장치로 만든 것과 이 교 구의 결과를 분석할 수 있도록 할 프로그램을 만든 것과 같은 수준 높은 성과물을 만들어낸 것과 팀 단위 연구의 유연성에 대하여 감명을 느낀 우리는 기계∙전기공 학적 측면에서 사회적 관심사를 바라보고, 많은 사람들의 인식이나 상황을 개선할 수 있는 공학적 작품을 구상하기 위하여 노력하였다.
◯ 본 연구는 드론에 초음파 센서 등을 이용하여 드론이 주변 환경을 인식하고 장애물을 회피 할 수 있도록 하기 위해 노력하였다.
◯ 팀원들과 과거에 자신이 교육과 관련된 활동을 하였을 때, 부족한 점이 무엇이 있 었던지 이야기를 나누던 중, 이론만으로는 아이들에게 흥미를 줄 수 없고 화려하고 재미있는 교구와 같은 것들을 사용하거나 재담을 통해 흥미와 참여도를 높일 수 있 다는 것을 다시 생각하게 되었다. 그래서 아이들의 흥미를 불러일으킬 수 있으면서 도 교육적인 요소가 있는, 또 STEAM에 걸맞은 드론을 이용한 교구를 제작하기로 하였다.
□ 연구 방법
드론 키트 제작은 공동으로 진행한 후 프로그래밍, 알고리즘 작성 및 프로세스 작성 , 설계도, 드론 제작으로 나누어 철저한 협업 및 분업을 통해 연구를 진행할 것이다.
○ 알고리즘 작성 및 프로세스 작성
인공지능의 핵심이 되는 것으로, 지각 능력을 나타내어 줄 아두이노 센서의 신호에 대응하여 어떻게 행동할 것인가를 구상하여 자극에 대한 최적의 대응 행동을 모색하고
그림4 - 드론을 이용한 전파 가시거리 확보
이를 알고리즘으로 작성한 다음 드론의 기본적인 프로세스 사이에 넣어 함께 동작하게 만들거나 아니면 따로 프로그래밍 하여 새로운 프로세스를 만들 것이다.
○ 설계도 제작
드론은 미리 조사한 드론 킷을 이용하여 제작하고, 대입시킨 알고리즘에 따라 어디에 아두이노 보드를 놓을 것이며, 센서는 어느 방향으로 어느 정도의 각도로 놓을 것인지, 또 센서의 성능은 어떤 지 등을 고려하여 최적의 구조와 성능을 모색한다.
○ 드론과 아두이노 부품의 호환성
프로그래밍에 앞서 부품에 맞는 프로그래밍을 하기 위해서 부품 조사를 진행한다.
초음파 센서, 컨트롤러, 아두이노 보드 등의 호환성과 가격을 고려하여 조사한다.
○ 아두이노 - 컨트롤러
드론의 움직임을 조정하는 컨트롤러는 포트에 따라 각 모터를 조정할 수 있으며, 이러한 컨트롤러의 포트를 아두이노 보드와 연결하고, 아두이노 센서가 보내는 값의 크기나 종류에 따라 포트로 가는 전기 신호를 달리 하도록 프로그래밍 하여 드론의 지각 능력을 만들 수 있도록 한다.
○ 드론과 아두이노의 유기적 연동
드론과 아두이노의 연동과 이 연동을 지도하는 알고리즘과 프로세스의 적합함을 그 분야의 전문가를 통해 평가 받을 것이고, 만약 유기적이지 못하게 움직이는 부분이 있다면 개선 방법의 제시를 부탁할 것이다.
○ 과정 마무리 및 과정 평가
풀리지 않은 문제나 잘 이해가 가지 않았던 부분은 지도교사 포함 학교 선생님들께 조언을 구하고, 모든 과정과 결과를 지도교사에게 평가를 부탁하여 연구의 전체적인 평가를 받는다.
□ 연구 활동 및 과정
○드론 제작
- 프레임 조립 및 전자 변속기 모터 설치
<조립 완성 모습>
1. 프레임에 날개를 달고 볼트와 너트로 조여 준다.
2. 전자 변속기와 모터를 설치한다.
3. 육각 렌지로 전자 변속기와 모터를 프레임에 부착하여 준다.
[전자 변속기와 모터 설치 시 유의 사항]
(1) 드론의 날개는 돌아가는 방향에 따라 CW, CCW로 나뉜다.
모터 1번: CW(오른쪽 방향으로 회전) 모터 2번: CCW(왼쪽 방향으로 회전) 모터 3번: CW(오른쪽 방향으로 회전) 모터 4번: CCW(왼쪽 방향으로 회전)
(2) CW는 모터와 전자 변속기 설치 시에 오른 쪽의 그림과 같이 일자로 배열하고 CCW는 모터와 전자 변속기 설치 시에 크로스 모양으로 배열한다,
➀바디 프레임을 제작하였다.
➁모터를 변속기의 검은 전석과 납땜하고 미리 넣어둔 열수축 튜브로 납땜한 부분을 가려 합선을 막았다.
➂후에 변속기의 반대쪽의 빨간 전선과 검은 전선을 전력 분배 보드에 납땜하였다.
그림20-모터와 변속기 연결 개념도
그림20-전력 분배 보드와 변속기 연
결 그림21-절연 처리
➃모터를 바디 프레임에 나사를 이용해 고정시키고 전력 분배 보드와 변속기의 위치를 잡아 보았다.
➄후 위치를 완전히 잡은 뒤에 전력 분배 보드를 양면테이프로 공정시키고 선들을 정리 하였다.
➅선들을 정리한 후에 아두이노 우노 보드와 각 변속기들을 연결하였다.
➆후에 브레드 보드와 아두이노 보드를 연결하고 각 기본 센서를 달았다.
➇센서를 부착시킨 뒤에 OLED패널을 연결하였다.
➈리시버 이외의 모든 것을 연결한 뒤에 노트북으로 무료로 배포하는 기본적인 드론 전용 아두이노 스케치를 코딩하였다.
➉조종기의 신호를 받아들이는 리시버를 아두이노 보드와 연결하고 조종기를 세팅한다.
그림33-Devo7 조종기 전면부
그림34-리시버 배선 다이아그램
- 배터리를 연결하고 조종기와 리시버가 연결되기를 기다리다가 연결이 완료되면 작동을 확인하면 된다.
- 매우 요약적으로 표현하였지만 드론의 설계도는 거의 볼 수 없는 수준이었기에 우리는 여러 가지 실험을 해보고 정보 조사를 해가며 드론을 제작하였고 때문에 드론 제작만으로 시간이 많이 걸렸다.
-아두이노와 모터, 센서 연결법
(1) 수-수 케이블을 이용하여 전자 변속기와 아두이노 보드를 연결한다.
(2) 센서와 아두이노를 digital pin 에 맞게 연결한다.
○회로 연결 ◇드론 회로 연결
-다른 회로들의 전력은 따로 외부에서 받지 않고 모터에 사용하는 전력을 소량으로 공급 받아서 모든 회로에서 전류가 흐를 수 있게 설계를 하였다. (전력은 직접적으로 는 사용을 못하고 변속기를 통해 전압을 적정량으로 조절한 다음에 사용한다. 모든
모터로 흐르는 전력은 전부 필요 없으므로 대표로 1번 모터에 흐르는 전력으로 사용 하였다.)
-모든 회로나 모터들은 아두이노 우노를 통해 제어가 되므로 신호를 주거나 받는 선만 직접적으로 연결하고 전력 분배는 브레드 보드를 이용해서 골고루 전달될 수 있게 한 다.
-자이로 센서에서 오는 신호는 아날로그 신호이기 때문에 A4, A5번 핀을 사용한다.
-모터에 신호를 주는 선들은 특수한 신호를 줄 수 있는 3, 9, 10, 11핀을 사용했고 남 은 핀에는 수신기를 연결해서 겹치지 않게 하였다. (대부분의 회로는 보기 쉽게 2층에 다가 설치를 하였고 프로펠러에 닿을 가능성이 있기
때문에 메인 프레임에 밀착시켰다. 또한 1층에는 전력 공급을 위해 중요한 전원 분배 허브를 설치한다.)
모터 순서 아두이노 연결
모터 1 D3
모터 2 D10
모터 3 D9
모터 4 D11
조종 신호 채널(DEVO7 reciever) 아두이노 연결
Throttle D2
Roll D4
Pitch D5
Yaw D6
Aux1 D7
I2C Module 아두이노 연결
GND GND
VCC 5V
SDA A4
SCL A5
LED 아두이노 연결
GND GND
(+) D13
OLED Module 아두이노 연결
GND GND
VCC 5V
SDA A4
SCL A5
표-센서 별 digital pin 연결 번호
◇4방 초음파 센서+블루투스 센서+피에조 센서(또는, 부저) 회로 연결
-블루투스 센서에는 TXD, RXD, VCC, GND의 4개의 핀이 있다. 각각 TXD는 2번 핀에 연결하고 RXD는 3번 필에 연결한다.
-초음파 센서에서 파를 내보내는 Trig를 4번 핀에 연결하고 초음파를 받아 드리는 Echo 경우에는 5번 핀에 연결한다.(1,2번 핀은 TX,RX와 연관되어 있기 때문에 최대한 사용하지 않음) 4개의 초음파 센서를 병렬로 연결한다.
-피에조 스피커(혹은 부저)는 (+)극에는 8번 핀을 연결하고 (-)는 GND에 연결한다.
○프로그래밍
-드론 프로그래밍: Multiwii 설정을 통해 드론 구동하기.
Multiwii에는 드론과 관련된 다양한 기능이 헤더 파일(.h) 과 CPP파일(.cpp)에 프로그래밍 되어 있다. Alarm, EEPROM, IMU, Sensor, Config 등의 다양한 항목 중 config.h로 들어가 multicopter 타입, I2C 타입 등의 센서 타입 설정해주고, 핀 번호 등을 맞추었다.
( #define QUADX: multicopter를 쿼드 콥터로 지정, #define GY-80: I2C타입 설정 등)
◇드론 기울기 센서 미세 조절 프로그래밍
-드론 기울기 센서 미세 조절을 위한 프로그래밍을 하기 위해서 Processing2이라는 프로그램을 이용하였다. 이 프 로그램도 Multiwii에서 제공하는 Multwiiconf 파일을 복 사하여 붙여 넣어 설정에서 ‘export Application'을 Windows 버전으로 실행 시킨다.
◇4방 초음파 센서+블루투스 센서+피에조 센서(또는, 부저)
-아두이노 프로그래밍: 블루투스 센서를 이용하기 위해서는 SoftwareSerial을 include 해주 어야 한다. 또한, 각각의 사용할 핀 번호를 정의하여 준다.
초음파 센서에서는 Trig와 Echo에 핀 번호를 각각 4,5번으로 정의하여주고 블루투스 센서의 경우에는 Tx핀의 값과 Rx핀의 값을 정해준다.
<초음파 센서 4방 부착 시> <초음파 센서 하나 부착 시>
-void setup에서는 각각의 Trig와 Echo를 입출력 하게 하여주고 시리얼 이벤트처럼 시리얼
통신을 시작하겠다고 코딩이 되어 있다.
-loop 부분을 보게 될 경우 블루투스 센서에서 받은 시리얼이 있는지 확인한다. 받은 신호가 없으면 0으로 나타나게 되고 거짓이기 때문에 읽지 않게 된다. 받은 신호가 있는 경우에는 0보다 크게 나타나게 되어 읽게 된다. 그 글자의 캐릭터 데이터가 ‘a', 'b', 'c'인지에 따라
’a'는 초음파 10cm 이하에서 반응하게 되고 ‘b'는 초음파가 30cm 이하에서 반응하게 되고
’c'의 경우에는 70m 이하에서 반응하도록 코딩한다.
-초음파 센서를 구동하기 위해서는
'digitalMicroseconds‘에서 Trig를 꺼놓았다 delay값을 일시적으로 갖고 다시 켜지게 코딩하였는데 이는 초음파 센서의 초기화를 위함이다. pulseIn에서는 ECHO에서 들어오는 정보를 처리한다. if 조건문을 사용하여 a를 누를 경우 10cm 미만에 장애물이 있으면 반응 하도록 하였고 b를 누를 경우 20cm미만에 장애물이 있으면 반응하게 하였고 c를 누를면 30cm 미만에 있는 장애물들이 반응하도록 하였다.(반응 거리는 변경 할 수 있다.) 각각 초음파 센서가 반응하면 피에조 스피커를 통해 알리도록 코딩하였다.
◇초음파 센서 설정 번경 휴대폰 어플 제작
-쉽게 초음파 센서를 조절하기 해서 휴대폰에서 블루투스를 이용하여 반응 거리에 반응할 수 있도록 하였다. 각각의 버튼 을 누르면 아두이노가 각 'a', 'b', 'c'의 신호를 받을 수 있게 코딩하였다.
-휴대폰 앱 제작에는 어려움이 있지만 비교적 앱 제작을 쉽게 할 수 있는 MIT APP INVENTOR2를 사용하였다. 초음파 센서의 반응 거리 조절은 지각 능력 구축이라는 우리
연구에 서 중요한 역할을 하며 이를 놀이처럼 재미있게 조절 할 수 있도록 앱 개발을 통해 사람들이 쉽게 접근할 수 있도록 하였 다.
<제작 어플리케이션 ‘UltrasonographyFinal'>
<MIT APP INVENTOR2 활용 앱 프로그래밍 과정>
○놀이 구상
-첫번째 놀이구상: 드론에 플래시를 부착하여 비행 시 빛이
나게 하고 이를 태양광 센서와, 전력이 들어오면 발광하는 스위치, 부저를 같이 장착하여 이를 엔클로저로 포장한 한 플래시 감지 놀이 기구를 제작하여 플래시의 불을 태양광 센서에 비추는지를 이 부저를 통해 알아 가장 먼저 부저의 소리를 울리는 사람이 이기도록 하는 놀이를 구상하였다.
-두번째 놀이구상: 드론에 조도센서를 부착하고 레이저 센서를 장난감 총 안에 집어넣고 총구 속에 리모트 스위치로 연결하여 방아쇠를 당기면 레이저가 발사되도록 한다. 이 놀이도 마찬가지로 레이저 건으로 먼저 드론을 맞추는 사람이 이기는 놀이를 구성하였다.
아래는 각각 레이저 코딩과 레이저를 받아드리면 부저를 울리는 조도센서의 코딩이다.
레이저 코딩 레이저를 받아드리면 부저가 울리는 조도 센서 코딩
intlaser = 13;
voidsetup() {
pinMode(laser,OUTPUT);
}
voidloop(){
digitalWrite(13,HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(13,LOW);
delay(0);
}
#definepot A0
#defineled 13 intA = 0;
intB = 0;
void setup() {
pinMode(led,OUTPUT);
pinMode(pot,INPUT);
}
void loop() {
intval = 0;
val =analogRead(pot);
if(val>950){
B= 1-B;
}
if(B == 1) {
digitalWrite(led,HIGH);
} delay(100);
}
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 초반의 연구 주제대로 드론을 인공지능에 대입하여 풀어내어 3차원 지각능력 드론을 구축하기 위하여 노력하였으나 중간 발표 컨설팅 후 어려움을 깨닫고 초음파 센서를 통해 장애물을 피하는 드론 제작을 위해 구상을 하고 여러 센서를 이용한 드론을 활용한
‘놀이’ 구상을 하는 것을 최종 목표로 세우고 이를 해결하기 위하여 노력하였다.
비록 인공지능으로 드론을 풀어내는 데에는 실패하였으나 다양한 센서들을 사용하여 드론의 지각 능력 등의 기능을 업그레이드를 시켰다는 점에서 이번 연구의 실용적 결과 및 최종적인 학습 교구 제작은 이루어 낼 수 있었다.
○ 연구 결과를 좀 더 간단히 나타내고 최근 스마트 폰의 사용이 늘어나는 추세인 만큼 QR코드를 제작하여 실험 동영상, 실험 사진, 놀이 설명 등을 담았다.
□ 시사점
○ 연구 활동을 통해 얻은 학습 효과
1) 드론 제작과 아두이노 센서, 전력분배등을 통해 아두이노기반 하드웨어, 소프트웨 어 등의 제작 체험
-서로 협력해 드론을 제작함으로써 아두이노보드, 전자 회로 등을 통해 공학의 첫 걸음에 입문하였다.
-C언어의 사용을 통한 전문적 소프트웨어 제작을 해 보았다.
2) 인공지능에 대한 이해
- 연구를 진행하면서 드론 자체가 회피하는 것이 인공지능이 아니라 인간의 학습 능력 과 추론 능력, 지각 능력, 자연언어의 이해 능력 등을 바탕으로 컴퓨터 프로그램으로 실현한 것이 인공지능임을 알게 되었다.
- 인공지능은 강인공지능과 약인공지능으로 나눌 수 있으며 그에 따라 인공지능이 세분화 되어있음을 깨달았으며 각각의 활용 사례들을 자세히 알게 되었다.
○ 개선점 1)실현 가능성
처음 연구 진행 방향은 드론을 제작, 조립하고 드론을 회피시키는 인공지능 프로그램 을 만들어 드론의 비행사고, 항공사고뿐 만아니라 인공지능에 대한 거부감과 두려움 을 없애고자 하였으나 중간발표회때 고등학생들이 연구하기에는 매우 어려운 주제 임을 깨달았고 결국 연구 진행 방향을 바꾸게 되었다.
2) 세부적인 연구
현재로서는 고등학생으로 전문적인 지식이 부족하고 비용에 대한 부담으로 .당장은 드론을 장애물로부터 회피시키는 인공지능 프로그램을 만드는 것이 불가능하지만 관심 분야인 만큼 대학에 들어가서는 전문적 지식과 공부, 흥미를 바탕으로 드론을 회피시키는 인공지능 프로그램을 만드는 현재의 목표에 다시 도전해보고 싶다고 생각 하였다.
4. 홍보 및 사후 활용
□ STEAM R&E 연구 성과를 홍보한다.
○ 학교 책자 ‘2017년 성보’에 기재하여 연구 성과를 홍보하였다.
1○ 연구 보고서 홈페이지 및 학교 과학 중점 학교 홈페이지에 게시하여 이후 후배들의 R&E 활동에 도움이 되도록 하였다.
□ 드론 학습 교구를 직접 교육 자료로 이용한다.
○ 드론 학습 교구를 이후 재능 기부, 성보고등학교 축제, 보라매공원 어린이날 행사 부스운영 또는 관악구청 부스 운영 시에 직접 가지고 나가 아이들이 직접 체험 해 볼 수 있도록 하고 학습 교구로서의 역할을 하는지 실험하여 본다.
○ 이후 성보 고등학교의 토요 동아리에서 직접 교구로 사용해 본다.
5. 참고문헌
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○ 최영철, 안효성 (2015). 드론의 현재와 기술 개발 동향 및 전망. 전기의 세계, 64(12), 20-25.
○ 진정회, 이귀봉 (2016). 무인기/드론의 이해와 동향. 한국통신 학회지(정보와 통신), 33(2), 80-85.
○ 오세일 (2015). 민간용 드론 활용 연구. 한국방송공학회 학술 발표 대회 논문집, 315-318.
○ 채송화, 홍승표 (2015). 상업용 드론의 기회와 위험 요소 분석. 한국통신 학회 학술대회논 문집, 736-737.
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http://cafe.naver.com/dronplay/84992
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http://blog.naver.com/japansisa/220517243027
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http://www.molit.go.kr/portal.do
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http://blog.naver.com/bigshouting/220554806471
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http://cafe.naver.com/dronplay/84104
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http://gameplusedu.com/shop/board/view.php?id=reqref&no=801
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https://www.youtube.com/channel/UCRU2G2NpTuOBqAySTAxXrAw
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