• Current Research on Agriculture and Life Sciences
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• 제31권2호
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• pp.131-138
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• 2013

농용무인 헬리콥터는 벼농사는 물론 전작, 과수 등 소규모 필지의 정밀방제에 이용되고 있으며 농작업의 새로운 패러다임으로 자리 잡고 있다. 본 연구의목적은 농용헬리콥터의 비상시퀀스에서 정지비행 중 측풍에 의해서 비상착륙자리를 이탈하지 않고 위치를 유지하는 편류제어 모듈과 알고리즘의 성능을 평가하는데 있다. 편류제어의 목적은 비상착륙과 연동되어있는데, 비상조건에 도달하게 되면 호버링을 하면서 비상대처 알고리즘이 작동하게 된다. 그러나 관성 제어는 등속운동에서 기체의 움직임을 감지하지 못하게 되고 측풍에 의하여 비상지점으로부터 편류를 하게 되어 착륙 목표지점으로부터 멀어질 수 있다. GPS 모듈을 기초로 개발한 편류제어모듈을 시험하였다. 알고리즘 및 실효성을 고려하여 5 m 직경 내에 위치를 벗어나지 않는지에 대한 기준을 적용하였다. 초기에는 2~4m/s의 측풍 교란에 대하여 과민하게 반응하였지만 이후 5 m 직경 내에서 위치를 벗어나지 않고 자세 및 요의 방향을 유지 하였다. 목도의 관찰에서는 전후좌우 흔들림을 인지하기 어려운 정도이지만, 데이터에서 보인 편위는 GPS 수신기의 특성에 기인하는 것으로 판단한다. 이와 같은 편류제어는 비상착륙이나 호버링을 유지하려 할 때 의도하지 않는 편류를 제어하는데 사용될 수 있다.

• 한국농업기계학회:학술대회논문집
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• 한국농업기계학회 2017년도 춘계공동학술대회
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• pp.54-54
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• 2017

본 연구는 무인 헬리콥터의 양력을 개선하기 위한 기초 단계로서 V1505A 및 V2008B 기본 두 익형의 400 mm 블레이드 섹션에 해당하는 모델에 대한 풍동실험을 실시하여 양력, 항력 및 동력특성을 분석하고 CFD 시뮬레이션의 결과와 비교하고 검증하였다. 시뮬레이션은 풍동 실험과 유사하게 설정하기 위하여 400 mm 블레이드 섹션의 양 끝을 벽으로 제한하여 3차원 와류현상을 억제하여 모델을 구성하였고, 시뮬레이션의 결과와 비교하여 모델을 검증하였다. 사용된 모델은 로터로부터 $Re=0.32{\times}10^6$ 영역까지는 aminar 모델을 사용하였으며, 그 이후 영역역(>$Re=0.32{\times}10^6$)은 양력 및 저항의 급격한 변화를 올바로 포착할 수 있다는 S-A 모델을 적용하여 확장하였다. 시뮬레이션의 격자는 유동 현상에 있어 박리로 야기된 와류 현상을 관찰하기 위하여 익형 주변에 접하는 부분에 격자를 집중시켰다. 시뮬레이션 방법은 유속은 36~141 m/s 까지 5 수준으로 하였으며, 받음각은 $0{\sim}16^{\circ}$로 7 수준으로 변화 시키면서 공력계수 및 동력을 분석하였다. 양력분석에 있어 익형 V1505A에 비해 익형 V2008B의 특성이 우수하였으나, 익형 V1505A는 실속 이후 양력이 급격히 떨어지지 않고 유지되는 특성을 보였다. 익형 V2008B는 낮은 받음각에서 높은 공력과 낮은 항력을 나타냈다. 동력 분석 결과로 익형 V1505A의 유도동력은 총 동력의 56~72%를 차지하고, 형상동력은 총 동력의 27~43%를 차지하였다. 익형 V2008B는 유도동력은 총 동력의 66~81%를 차지하고, 형상동력은 총 동력의 18~33%를 차지하였다. 익형 V2008B이 익형 V1505A보다 유도동력은 크며, 형상동력은 적게 나와 상대적으로 효율적이라 할 수 있다. 헬리콥터 동력원의 규모는 법률적인 총중량에 의하여 제한되므로 일반적인 농용 소형 무인 헬리콥터 엔진의 사양인 24.5 kW (32PS)를 적용한다면, 익형 V1505A은 받음각 $8{\sim}10^{\circ}$에서 그리고 익형 V2008B은 $7{\sim}9^{\circ}$정도에서 받음각이 제한되며 이때 총 양력은 1200~1300 N 정도로 예상된다.

• 한국농업기계학회:학술대회논문집
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• 한국농업기계학회 2017년도 춘계공동학술대회
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• pp.59-59
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• 2017

무인 헬리콥터의 양력을 개선하기 위한 익형 설계 단계로서 두꺼운 익형(V1505A)과 얇고 처진 익형(V2008B)의 기본 두 익형의 특성을 예측하는데 있어 회전하는 블레이드의 현실적 조건을 반영한 3D 모델을 마련하고 성능을 예측하였다. Fluent를 이용한 400 mm 선형모델의 시뮬레이션에서는 V1505A 익형은 높은 받음각에서 안정적인 특성을 보인 반면 V2008B는 비교적 높은 동력효율 특성을 보였으나, 높은 받음각에서는 실속 이후 양력이 급락하는 특성을 나타낸다. 형성된 노드 수는 약 870,000개로 하였다. 시위길이 135 mm인 익형 V2008B의 형상은 ANSYS (Fluent v16.2)를 이용해 반경(길이) 1,502 (1,380) mm 의 로터 블레이드를 구성하였다. 충분하지 않은 유동장이 익형 표면에서의 유동의 영향에 영향을 주지 않도록 직경 20 m의 원방경계(far field)를 형성하였다. 사용된 매쉬의 형태는 정사면체 형태로 로터 표면으로부터의 첫 번째 두께 높이는 0.001 m이고 10개의 층으로 형성하였다. 정지 비행하는 헬리콥터의 상태를 가정하여 회전좌표계를 이용하여 정상상태의 유동을 해석하고 사용된 난류모델은 넓은 영역에서의 유동을 고려하여 Realizable $k-{\varepsilon}$ 모델을 사용하였다. 내측그립 받음각 $6{\sim}22^{\circ}$에 대하여 현실적인 회전속도를 연동하여 600~1000 rpm을 적용하였다. 반복수(iteration)는 2000으로 하여 잔차값(residual)이 충분히 수렴하도록 하였다. 전체적으로 실제 헬리콥터가 발휘하는 양력보다는 낮은 수치로 예측되었으며 모델 및 해석 조건에 대한 검토가 필요해 보인다. 양력 값은 받음각 $10^{\circ}$에서 자중(약 68 kgf)을 극복하였고 받음각 $12^{\circ}$에 유상하중 20 kgf을 발휘하며 888 N의 양력을 보였다, 이어 받음각 $22^{\circ}$에서 실속 현상이 발생하였다. 받음각이 증가함에 따라 항력 역시 증가하였으며 받음각 $12^{\circ}$에서 121 N이었고 실속에 이르며 항력은 갑자기 증가할 것으로 예측된다. 본 연구는 변이 익형 개발의 선행 단계로 기본 익형에 대한 공력특성을 CFD 시뮬레이션을 통하여 예측하였다. 예측 값은 현실적 실험방법을 통하여 검증이 되어야 하며 이후 변이익형에 대한 예측과 설계가 가능하다.

• Current Research on Agriculture and Life Sciences
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• 제32권2호
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• pp.79-84
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• 2014

본 논문에서는 저가, 저전력 및 소형의 IMU를 구성하기 위한 MEMS 관성 센서를 이용하여 자세 정보를 제공받는 ARHES에 위의 센서를 사용하기 위해 자이로 센서 및 가속도센서의 데이터 출력 특성을 검증하여 오차 및 정확도를 분석하였다. 센서 실험을 위하여 진자 실험 장치를 제작하였고, 진자 운동에 대한 센서 데이터를 수집하였다. 이론적인 수식을 유추하여 센서 데이터의 정확성 분석을 위한 기준 값으로 설정하였다. 센서값과 이론값을 비교하면 각속도에서 4.32~5.72%, 가속도에서 x-, z-축 방향에 대하여 각각 3.53~6.74% 및 3.91~4.16%의 오차율을 나타냈다. 진자실험 장치를 이용한 센서 검증에서 무인헬리콥터에 사용될 센서로서 적합한 것으로 평가되었으며 이는 짐벌장치 등을 이용한 자세추정 알고리즘을 구성하는데 기초가 되었다. 또한, 더욱 정밀한 실험을 위해서는 온도 등 주변 환경 요인에 대한 보정이 요구된다.

• Current Research on Agriculture and Life Sciences
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• 제32권3호
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• pp.159-163
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• 2014

본 논문에서는 저가의 MEMS 관성 센서와 지자기 센서를 이용하여 자세 정보를 제공받는 자세측정장치(ARHS)를 구현하였다. 저가형 IMU센서와 MCU를 이용하여 운동 자세각을 계산하는 DCM 알고리즘을 설계하고, 3축짐벌에 장착하여 연산결과의 정확도를 측정하였다. DCM 알고리즘을 이용 연산된 자세각의 정확도는 roll 및 pitch에 대하여 약 1.1%로 나타났으며, yaw각의 경우는 3.7%로 나타났다. Yaw 각의 경우에는 스텝핑 모터를 구동하는 실험환경에 따른 교란의 영향으로 그 오차가 상대적으로 크게 나타난 것으로 평가되었다. 짐벌 실험장치를 이용한 센서의 검증에서 더욱 정밀한 실험을 위해서는 주변 환경 요인에 대한 제어가 요구될 것으로 보이며, 실험장치의 스테핑 모터 구동 시 발생하는 진동 및 자기장의 영향과 실험 장치의 금속성 구조물의 영향으로 생각되는 센서 데이터의 오차 및 불안정 상태를 차단할 수 있는 장치의 보완이 필요할 것으로 보인다. 그리고 지자기 센서의 경우 좁은 범위의 측정에 추가하여 넓은 범위의 측정도 보완되어야 할 것으로 생각된다.

• Journal of Biosystems Engineering
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• 제35권5호
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• pp.302-309
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• 2010

Aerial application using an unmanned agricultural helicopter would allow precise and timely spraying. The attitude of a helicopter depends on a number of dynamic variables for roll-balanced flight. Laterally tilting behavior of a helicopter is a physically intrinsic phenomenon while hovering and forwarding. In order to balance the fuselage, the rotor should be counter-tilted, resulting in the biased down-wash. The biased spraying toward right side causes uneven spray pattern. In this study, a raised tail rotor system for the roll-balanced helicopter was studied. Thrust of the tail rotor system was measured and theoretically estimated for the fundamental database of the roll-balanced helicopter design. The estimated tail thrust and roll-moment would be used to design the raising height of tail rotor and roll balancing dynamics. The unmanned agricultural helicopter required the tail rotor thrust of about 39.2 N (4.0 kgf) during hovering with a payload of 235.4 N (24 kgf). A raised tail rotor system would compensate for the physical tilt phenomena. A further attitude control system of helicopter would assist roll-balanced aerial spray application.

• Journal of Biosystems Engineering
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• 제33권5호
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• pp.289-295
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• 2008

The task of chemical spraying has been seriously considered as an irritating and annoying job for Korean rice farmers. An agricultural unmanned helicopter was suggested to solve this problem so as the farmers to have more decent farming condition. The objectives of this study were to analyze the adoptability of an experimental rotor blade (SW05) using the CFD simulation and also to compare the simulation results with experimental results. The simulation results showed that the induced power of this rotor reached to $57{\sim}63%$ of total power and the profile power was about $37{\sim}43%$ of total power. Therefore it can be concluded that this rotor's performance characteristics were not so efficient for the size of unmanned helicopter due to the low induced power and high profile power relatively compared with ones of conventional rotors. The comparison with experimental results showed that the tested lifts were less than 70% of simulated ones at the grip pitch of $12^{\circ}$ and decreased to 40% at the $18^{\circ}$ grip pitch. Therefore, it can be concluded that the rotor was too oversized to be used for a 15.4 kW (21 PS) engine.

• Journal of Biosystems Engineering
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• 제33권1호
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• pp.14-20
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• 2008

An agricultural unmanned helicopter was suggested for an alternative to current pesticide application methods to solve such problems as high cost, low efficiency, shirking task and unsafe work. To pursuit this trend, researches on the development of unmanned helicopters have been accelerated in Korea as well. In this research, a guide type centrifugal clutch that plays an important role in the unmanned helicopter was studied. Theoretical analyses and experimental tests were conducted for designing an optimal clutches. Main design factors of the guide type centrifugal clutch were found to be spring constant, free length of spring, mass of friction sector, contact area, allowable pressure, number of friction sector, friction coefficient, radius of drum, and clutch arrangement. And these design factors could be the functions of engaging engine speed and desired power transfer capacity. The result of the single clutch test showed the power transfer capacity of 14.1 PS at 5,800 rpm and the result of the dual clutch test showed that the capacity of 17.7 PS at 5,600 rpm. These experimental results agreed well the theoretical simulations.

• Journal of Biosystems Engineering
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• 제34권2호
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• pp.89-94
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• 2009

Aerial application using an agricultural unmanned helicopter was suggested for an alternative against current pesticide application methods. Centrifugal clutches play important roles in the performance and safety of the helicopter operation. A previous study analyzed and verified the power transfer theory of the guide type centrifugal clutch. Based on the clutch theory, optimal designs of the clutch became possible and feasible using a simulation method. Design criteria of the clutch were the power transfer capacity of 24.66 kW(33.5 PS) at the rated engine speed and the engaging range speed of 3,000${\sim}$3,500 rpm. Various designs were accomplished using the simulation. An optimal clutch was simulated by determining the values of spring constant and mass of friction sector, which were 94,700 N/m and 123.7 g, respectively. The design performed the power capacity of 24.86 kW(33.8 PS) and engagement speed of 3,069 rpm, meeting the design criteria. Using the designed clutch, an efficient transfer of the power would be possible for the unmanned agricultural helicopter.

• Journal of Biosystems Engineering
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• 제37권6호
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• pp.342-351
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• 2012

Purpose: Aerial spraying with an agricultural unmanned helicopter became a new paradigm in the agricultural practice. Laterally tilting behavior of a conventional agricultural helicopter, resulting in the biased down-wash and uneven spray deposit is a physically intrinsic phenomenon while hovering and cruise flights. Authors studied and developed a roll-balanced agricultural helicopter with a raised pylon tail rotor system. In this study, the attitude of the roll-balanced helicopter was determined using the Kalman filter algorithm, and the quality of roll balancing of a bare-airframe helicopter was evaluated. Methods: Instantaneous attitudes were estimated using the advantage of gyroscope, followed by the long term correction and prediction using accelerometer data for the advantage of convergence. The attitudes of the fuselage were calculated by applying the Kalman filter algorithm. The spraying maneuver of the helicopter was performed at a field of 50 m long, and the attitude data were acquired and evaluated. Results: The determination of attitude using the inertial measurement unit(IMU) and Kalman filter was reliable and practical. The intrinsic attitude of the developed helicopter was stable and roll-balanced. The deviation of roll angle was ${\pm}6.3^{\circ}$ with an average of $0^{\circ}$, referring to roll-balanced. Conclusions: Handling quality of the roll attitude determined to be steadily balanced. The balancing behavior of the developed helicopter would result in an even spray pattern during aerial application.