본 논문에서 사용되는 제어 모듈은 Cortex-M3 기반 컨트롤 러를 기반으로 만든 릴레이 보드를 사용하였으며, 릴레이 단 위로 솔레노이드 밸브 및 방향 제어 밸브를 물려서 릴레이가 고장 시 해당 릴레이만 교체함으로써 보수가 용이하게 제작하 였다. 통합 제어장치는 방제기 구동을 위하여 상호 기능구현 이 필요한 장치에는 통신기능과 직접 구동 부는 입/출력 기능 을 내장하여 총 4가지로 구성된다. [Fig. 3]을 참조하면, 통합제 어기의 4가지 구성에는 기존의 방제기에 있는 기능인 수동 구 동정보 입력과 구동정보의 출력 기능, 약재의 분사를 위한 솔 레노이드 밸브의 제어기능과 추가적으로 개발한 과수인식용 영상처리 통신기능, 원격제어기간의 통신기능 들이 있다.

[Fig. 3] 

The integrated controller^[16]

통합제어기(제어 모듈)를 중심으로 구동 모듈은 기존의 방 제기를 그대로 사용하였으며, 송풍기의^[17]송풍 속도를 제어하 고 분사 노즐에서는 분출되는 유량, 분사 각도 등 분사 특성들 을 다양한 압력으로 테스트 측정해서 변량제어가 가능하게 총 16개의 노즐로 구성되게 설계하였다. 16개의 노즐은 4개당 1 개의 솔레노이드 밸브 1개가 연결되는 식으로 4분할된 배관구 조를 취하고 있다. 각각의 솔레노이드를 통하여 ON/OFF 제어 가 가능하도록 구현하였으며, 4분할 영역은 좌측 상단, 좌측 하단, 우측 상단, 우측 하단으로 구성되어 있으며, 실제 과수원 들의 과수나무들의 높이는 지역의 특성 또는 재배 방식에 따 라서 달라진다. 원격제어 통신부에서는 설계한 원격제어 프로 토콜에 맞게 통신을 하게 구성되어 있으며 자세한 설명은 2.1.3절에서 다루도록 한다. 통합제어기에는 과수인식 모듈, 전방 카메라 모듈 등이 부착되어 있으며 통신으로 데이터를 송수신하는 형태이다.

과수 인식 모듈은 RGB-D 카메라 두 대가 방제기 양 옆에 각 각 부착되어 있으며, 제어하는 영상처리 보드는 카메라와 각 각 연결 되어 있는 형태이다. 여기서 사용된 영상처리 보드는 라떼판다로 RS-232 통신으로 제작된 제어 모듈과 연결되어 있는 형태이다. 라떼판다의 동작 환경은 Windows 10을 사용 하고 있으며, 방제기의 전원을 동작 시키면 제어 모듈, 영상처 리 보드, 카메라, 과수 인식 프로그램 등이 켜지는 구조이다. 과수 인식된 결과들 좌측 상단, 좌측 하단, 우측 상단, 우측 하 단으로 4분할하여 나무가 있는지 과수 인식 결과 정보들을 전 송중이며, 이 전송된 정보들을 기반으로 송풍기에서 농약 살 포를 제어한다. RGB-D 카메라는 양 옆 전방 부분에 장착이 되 어있으며, 송풍기와는 거리가 있으므로 인식 되자마자 분사를 제어하는 것이 아니라 방제기의 속도를 측정해서 딜레이로 송 풍기가 나무에 도달하였을 시에 분사가 되는 형태이다.

전방 카메라 모듈은 원격제어기에 무선 영상을 전송하는 모듈로 디스플레이 액정에서 확인 가능하다. 방제기를 주행 시에 주행로의 장애물이나 상태의 정보들을 확인하기 위해서 용량이 큰 영상을 송출하고 고주파의 신호생성이 가능하면서, 동시에 주변 신호의 간섭을 최소화할 수 있으면서도 50 M 이 상의 수신거리를 확보하기 위해서 5.8 GHz, 2 W출력을 가지 는 송출기로 적용하였다. 최종적으로 통합제어기의 입력과 출 력은 하기의 [Table 1] 과 같이 구성을 하였다.

기존 RGB-D 카메라에서 취득되는 Depth 거리 정보는 카메 라 자체에 내장된 IR Laser Projector의 정보를 가공하여 검출 된 거리 정보를 사용한다. 기본적으로 제공하는 SDK의 알고 리즘에는 IR이 발사되고 물체들에 반사되어 들어오는 IR의 세 기 정보가 활용되어 밝기 값으로 환산되어서 나타나는 형태이 며, 식 (1)과 같은 형태로 표현이 된다. D는 최종 측정거리를 나 타내며, c는 빛의 속도, t₀은 IR이 반사되어 돌아오는 펄스 길이 이며, S1과 S2는 아날로그 타이머에서 사용되는 메모리 요소 를 의미한다. S1과 S2는 물체에 반사되어 돌아오는 펄스의 길 이를 저장하고, S1에서 동일한 신호 폭만큼 지연을 시키는 형 태가 S2이다. 둘의 비율을 반영하여 최종 거리를 측정한다.

SDK에서 제공되는 거리가 큰 차이가 없음에도 불구하고 물체들을 구분하기 위해 시각화 처리하였으며 [Fig. 4]의 (a)와 같이 표현된다. 하지만, 이 정보만 사용하면 실외에서 취득되 는 영상에서 카메라 내부 파라미터인 Gain과 Exposure 값의 시각화를 통해서 변한 정보들을 그대로 사용하기 어려우며 실 제 방제기는 실시간으로 이동하는 중이므로 과수원 주행 중에 서는 배경 및 나무들의 조건들이 계속 변하게 되기 때문에 영 상의 시각화가 계속 갱신이 되는 문제가 발생한다. 식 (2)를 적 용해서 실제 거리 값을 영상화 시켜준다. 영상화를 시키려면 실제 0~255 범위로 표시해야만 하며, 식 (2)의 x는 실제 영상에 표현되는 밝기 값이다. D_real은 실제 거리 값이며, D_max 최대 거 리 값과 D_min 최소 거리 값을 설정해서 영상 정규화를 적용하 며, 그 결과는 [Fig. 4]의 (b)와 같이 나타난다. 여기서 D_min 최소 거리는 센서 스펙의 범위를 설정 하였고, D_max 최대 거리는 과 수원에서 과수 열 간의 거리를 고려해서 6 m로 설정하였다.

[Fig. 4] 

The result of normalization^[16]

적용 결과 [Fig. 4]의 (a)와 같이 가까운데도 시각화 표현되 던 실내 환경 영상들이 [Fig. 4]의 (b)와 같이 거의 동일한 거리 로 영상화 되어 나오는 것이 확인 가능하다.

본 실험에서 사용한 원격제어기에서 통신 모듈을 원격지 에서 원활한 데이터의 송수신을 위하여, 영상모듈(5.8 GHz), 휴대폰 및 무선데이터(2.4 GHz)를 피하기 위해서 400 MHz 대역의 신호를 사용하였다. 400 MHz의 대역은 100 m 이상의 원격제어기용으로 적합하며 교체와 장착이 용이하도록 핀 헤더 연결용 커넥터로 선정하였다. 원격제어기는 각 구동에 필요한 기능을 도출하여 전/후진, 분무, 자동, 송풍, 1분사, 2 분사, 좌우, 비상정지 그리고 LCD화면으로 구성을 하였고 [Fig. 5]와 같다. 전/후진 및 좌/우 회전 구동은 조그 버튼을 통 하여 기능사용 시 접점의 신호가 인가되며, 사용하지 않을 때 는 자동으로 중립 위치로 돌아가도록 상시 정지 상태 유지 기 능을 만들어서 조작 안전성을 향상시켰다. 원격제어기의 전 원 구성은 4시간 이상의 작업시간 구동이 가능하기 위해서 7.2V Li-Po 배터리를 채택하여 원격제어기에 전원을 공급하 고, 공급된 전원은 5V 및 3.3V 전원으로 변경하여 제어기 내 의 전자부속의 구동에 필요한 전원을 소자에 공급이 가능하 도록 설계 하였다. 각 기능용 신호는 버튼을 통하여 전달이 되기 때문에 각 버튼을 연결이 가능하도록 전용 단자를 설치 하여 연결과 수리 및 수정이 가능한 장점을 가지고 있다. 제 작된 원격제어기 전체 크기는 330(가로)×175(세로)×60(높 이)(mm)로 제작하였으며, 태양 빛으로 인한 시안성과 먼지 나 흙 등으로 인한 오염을 방지하기 위해서 케이스에 썬 캡을 장착하였다.

[Fig. 5] 

The portable remote controller^[16]

[Fig. 3]에서 언급한 바와 같이, 통합제어기와 원격제어기의 프로토콜과 과수인식 시스템과 통합제어기의 프로토콜을 정 의하였다. 통합제어기와 원격제어기 프로토콜은 [Table 2]와 같이 구성하였다. 신호체계는 양방향으로 원격제어기에서 방 제기로 0~11번째 데이터를 송수신 받는 형태이다. 무선 신호 의 시작과 끝을 알리기 위한 데이터와 스프레이어 노즐, 구동 제어, 분사 제어 모드(수동모드, 자동모드) 등으로 구성되며 기능별로 정리하였다. 과수인식 시스템과 통합제어기의 프로 토콜은 영상처리 결과를 분사 신호로 축소해서 변환이 용이하 게 정의했다. [Table 3]을 참조하면, 데이터 3~12에서 4분할로 단순하게 표현하였으며, 각 과수인식 기능에 구현된 내용들을 프로토콜에 정형화 시켜서 반영하였다.