부문
고등학교
팀명
스마트론
지역
충청북도 / 청주시 상당구
제목
초소형 풍속 측정 센서 및 단초점 렌즈의 상 왜곡 보정 기술 개발을 통한 초소형 기후 정보 수집 드론의 제반기술 제공
제안동기 및 목적
대륙과 해양의 경계면에 위치하고, 그리고 3면이 바다로 이루어져 있으며 여러 산맥이 있는 우리나라의 지리적 특성과 다양한 기단의 영향을 받는 기후적 특성으로 인해 우리나라의 기상 예측 난이도가 매우 높다고 합니다. 또한 그로 인해 날씨 예측, 그리고 기후 예측에 실패하는 사례가 뉴스 및 신문 기사로 자주 등장하곤 합니다.
날씨와 기후의 예측 실패는 일반인들에게는 단순한 불편함 만을 주고 있지만, 기업과 에너지 생산 및 관리, 그리고 지자체 및 국가의 정책 등에서의 날씨, 기후 예측은 그 영향이 매우 크다고 할 수 있습니다. 따라서 에너지 사용 및 생산, 저장의 효율성 상승을 위해 정확한 기후 예측은 필수적이며, 기후와 기상을 정확하게 예측할수록 지구의 기후 위기를 예방하는데 큰 도움이 될 것입니다.
정확한 기후 예측에 대한 방법을 찾아보던 도중 초소형 기후 관측 드론을 다수 활용하여 정확한 기후를 예측하는 ‘스마트 더스트’ 기술에 대해서 알게 됐습니다. 기술적, 공학적 문제로 인해 먼지처럼 작은 드론을 만들수는 없겠지만, 아이디어에서 영감을 받아 초소형 기후 관측 드론을 여럿 배치한다면 지금보다 더 정확하게 날씨를 예측할 수 있을 것입니다.
초소형 드론을 만들기 위해서는 센서와 장비를 경량화, 소형화할 필요가 있습니다. 드론을 소형화하기 위해서는 비행 장비를 소형화하는 것 외에도 기후 측정 센서를 소형화해야 합니다. 온도 센서, 거리 센서, 고도 센서 등 대부분의 센서는 소형화가 가능하지만, 기상 예측에 가장 중요한 풍속 측정 센서는 아직 소형화가 어렵다는 것을 조사하였습니다. 아직도 대부분의 풍속 측정은 회전하는 날개 형태의 풍속 측정 센서를 사용하고 있기 때문에, 소형화가 어렵습니다.
또한 과거에 사용하던 렌즈 카메라보다 현재 우리가 일반적으로 사용하는 스마트폰의 카메라 화질과 광각이 더 우수해졌지만, 사진 주변부의 왜곡은 더 심해졌습니다. 이는 스마트폰 카메라를 소형화하면서 렌즈의 초점거리를 줄였기 때문이며, 렌즈의 초점거리를 줄여서 광각을 넓힐 수 있었으나 상의 왜곡 현상이 더 많이 나타나게 되었습니다. 초소형 드론을 제작할 때에도 소형 카메라 렌즈를 사용해야 하므로, 정확한 시야 확보 및 측정을 위해서는 렌즈에 의한 상 왜곡에 대한 보정 기술이 필요합니다.
따라서 본 연구를 통해서 풍속 센서를 소형화하고, 단초점 광각렌즈의 보정 방법을 고안하여 기후 예측을 위한 초소형 드론 제작의 제반기술을 고안하고자 합니다.
제안내용
이번 연구를 통해서 초소형 드론을 개발하기 위해서 해결해야 할 과제인 ‘초소형 풍속 센서’와 ‘단초점 광각 렌즈의 상 왜곡 보정’ 방법을 고안하려고 합니다.
우선 초소형 풍속 센서의 경우 과거에 주로 사용하던 회전형 날개 형태의 풍속 센서가 아닌, 공기의 흐름을 또다른 방법으로 측정하는 아이디어가 필요합니다. 유체의 흐름에 대해 연구하던 도중, 소리의 매질은 공기이기 때문에 소리의 전파는 공기의 흐름에 영향을 받는다는 사실에서 아이디어를 얻었습니다. 그러므로 바람이 불면 소리의 매질이 움직이는 것이기 때문에 소리의 진동수나 전파 속도가 변하게 됩니다. 따라서 첨부한 초소형 풍속 센서 구성도와 같이 정삼각형 또는 정사각형의 꼭지점의 위치에 소리를 측정할 수 있는 측정기를 부착하고, 도형의 중앙에서 소리를 발생시켜 각 측정기에 도달하는 소리의 진동수 변화나 소리의 시간과 위상 차이를 측정하여 바람의 흐름을 측정할 수 있을 것입니다.
특히 사용하는 소리의 파장에 따라서 측정의 정확도가 다양할 것이라고 판단하여, 다양한 진동수, 파장의 소리를 이용하여 풍속을 측정하여 최적화된 파동을 사용하는 풍속 측정 센서를 고안하고자 합니다.
또한 단초점 광각 렌즈의 경우 렌즈에 따라서 ‘거리’와 ‘위치’, ‘각도’에 대한 왜곡 정도를 수치화 할 수 있을 것입니다. 렌즈의 특징에 따른 왜곡 정도를 수치화할 수 있는 정량적인 규칙성을 연구하고, 렌즈의 굴절 특성을 정량화한다면 초소형 드론의 시야를 정확하게 보정할 수 있을 것입니다.
따라서 단초점 렌즈를 사용하여 거리와 위치에 따라서 상의 왜곡을 정량적으로 측정하고, 수치화하여 렌즈를 통해 입력된 정보를 보정할 수 있는 프로그램을 개발한다면 렌즈의 왜곡 현상이 줄어든 정확한 시야를 얻을 수 있습니다.
특히 초소형 드론의 경우 거리 측정 센서나 위치, 각도 측정 센서 등은 소형화가 가능하기 때문에 이미 설계되어 있는 센서로부터 정보를 수집하여 시야 정보를 보정할 수 있을 것입니다.
선행연구 검토
현재 우리가 사용하는 풍력 센서는 대게 회전하는 날개를 활용합니다. 하지만 풍력센서에 이러한 회전 날개를 사용하게 되면 몇가지 제한점이 있습니다.
일단 회전 날개를 사용하게 되면 기본적으로 크기가 커져 소형기기에 풍속 센서를 적용하기가 힘들며, 회전날개의 경우 날개의 회전 관성 때문에 바람의 흐름과 날개의 회전 시간 차이에 딜레이가 생기므로 엄밀한 풍속의 실시간 측정이 불가능합니다.
따라서 우리는 시중에서 알려진 것과는 다른 방식의 센서와 선해 연구를 찾아보기로 했습니다. 먼저 초음파를 이용한 센서를 찾아보았습니다. FTtechnology 라는 회사에서 제공한 풍석 센서를 찾아보았는데, 두 진동판 사이의 진동을 측정해서 풍속을 측정하는 방법입니다.
또한 우리가 고안한 센서와 비슷한 형태로, 4개의 지점에서 초음파를 발생시켜 바람의 속도를 측정하는 센서에 대한 연구가 있었습니다. 다만 초음파를 이용한 센서는 거리가 가까워질수록 오차가 심해지며 정확도가 떨어져 정밀한 측정이 불가능하다는 큰 단점이 있었습니다. 또한 크기도 소형기기에 적용하기엔 부적합한 70~50mm정도이므로, 소형 드론에는 적합하지 않다고 판단했습니다.
마지막으로 찾아본 센서는 열 전달을 이용한 풍속 센서입니다. 바람의 흐름에 따라서 열의 전달 속도가 다르기 때문에, 센서의 중앙에서 열을 발생기켜 각 방향으로 열이 전달되는 속도의 차이를 측정하여 바람의 흐름을 측정하는 센서였습니다. 그러나 MEMS를 이용한 센서로가 크기는 적합했으나 온도를 이용한 측정 방법은 정확도가 떨어지며 눈 황사와 같은 외부 요인에 영향을 많이 받아 다양한 환경에 노출되어 있어야하는 경우에는 사용하기 부적합하다고 생각하였습니다.
우리는 렌즈로 사진을 찍을 떄 많은 양의 빛을 모으기 위해 볼록렌즈로 사진을 찍습니다. 볼록렌즈를 사용하게 되면 렌즈의 굴곡에 의해 왜곡 현상이 일어나게 되어 시야의 정확성이 떨어지며 소형기기에서 사용하게 될 시에는 렌즈와 센서 사이의 거리가 짧아져 초점거리가 짧아지게 되어 왜곡 현상이 심하게 일어나게 됩니다.
소형기기의 경우에는 크기가 큰 렌즈를 사용할 수 없어 볼록렌즈의 굴곡의 정도를 크게하여 상을 맺게 하는데, 이 또한 왜곡을 심화시키는 이유 중 하나입니다. 상의 왜곡 현상에 대한 문제는 전부터 계속 제기되어 왔고, 관련하여 다양한 연구도 이루어졌습니다.
굴곡의 각도와 위치에 따른 보정 방법, 왜곡의 정도와 그것을 어떨게 보정할 수 있는지에 대한 연구, 그리고 그것을 수치화 할 수 있는 방법에 대한 연구도 이루어져 왔습니다. 그러나 이런 연구 같은 경우에는 굴절에 대한 이론바탕을 제공하는 경우가 많았으며, 렌즈의 모양이나 초점거리, 구면반지름 등에 따라서 왜곡을 예측할 수 있는 방법이 제시되어 있지 않았습니다. 이는 렌즈의 모양이나 구면 반지름 등 간단한 지표만으로 왜곡을 정확하게 예측하기 어렵기 때문이라고 판단하여, 시중의 렌즈의 왜곡을 거리와 방향에 따라 측정하여 그것을 어떻게 보정할 수 있을지 판단하고자 합니다.
선행 연구를 찾아보았을 때, 사진을 찍은 후 이미 찍혀있는 사진의 왜곡을 보정하는 방법에 대해서는 많은 연구가 있었으나, 렌즈의 왜곡 정도를 사전에 수치화여 입력했을 때 사진을 찍기 전부터 왜곡을 보정해주는 방법과 프로그램을 고안하게 됐습니다.
참고논문, 문헌 등
NVIDIA 제공, ‘Lens Distortion Correction, 공식 인터넷 사이트 설명문’
Understanding Lens Distortion (https://learnopencv.com)
‘MEMS 기술을 이용한 초소형 풍향 풍속 센서’ 논문(2008년도 대한전기학회 하계학술대회 논문)
멀티콥터 드론 적용을 위한 바람 센서의 특성 실험(국립순천대학교 우주 항공공학 전공 전재현 교수님 논문)
용도 및 효과
초소형 드론 기술에 대해 조사해보았을 때, 생각보다 많은 센서와 부품이 경량화 및 소형화에 성공했음을 알 수 있었습니다. 따라서 본 연구를 통해서 풍속 측정 센서를 통한 풍속 센서 소형화, 그리고 렌즈의 왜곡 보정 방안을 통하여 시각 정보를 정확, 정밀하게 보정한다면 초소형 드론을 개발하는 데 큰 도움이 될 것입니다.
또한 본 연구 아이디어를 실체화하면서 제시한 센서 외에도 거리 측정 센서나 기압 센서, 온도 센서를 지금보다 더 소형화하고 정밀하게 설계할 수 있는 방안에 대해서도 연구 아이디어를 확장해보고자 합니다.

연구 아이디어를 구체화하고 정교화하여 기후 정보를 능동적으로, 빠르고 정확하게, 그리고 정밀하게 측정하는 소형 드론 기술의 제반이 된다면, 기후 예측에 큰 발전이 될 것입니다.
기후를 정확하게 예측하는 기술은 지구 기후 위기 해결에 큰 영향을 미칠 것입니다. 기후를 정확하게 예측하는 것만으로도 에너지 생산과 사용, 그리고 저장의 효율성을 높일 것이며, 불필요하게 낭비되는 에너지들을 막을 수 있을 것입니다.
또한 풍력 발전과 태양광 발전, 수력 발전 등 발전 가동 계획에도 정교화된 기후 예측 정보를 제공하여 생산 효율을 높일 수 있을 것입니다. 더불어서 정확한 기상 예측은 개인의 생활 편리성을 개선할 것이며, 정확한 날씨 정보를 통해 개인이 낭비하는 에너지를 예방하는 효과도 있을 것입니다.
따라서 현재의 고정된 관측소로에서 측정하는 기상 정보가 아닌 능동적으로 움직이고 여러곳에 퍼져있는 기후 측정 드론을 사용한다면 더 정확한 정보 수집이 가능하며, 이에 따라 정확한 기후 예측이 가능하고 우리의 생활에 큰 도움을 주고 나아가서 기후 위기 해결에 큰 도움이 될 것입니다.

우리 팀의 연구 아이디어를 실체화하며 김천녹색미래과학관에서도 저희가 추구하는 '지속 가능한 지구', '에코 사이언스, 녹색과학'에 대해 같은 비전을 갖고 있다는 것을 알 수 있었고, 환경을 위한 미래를 위한 과학을 연구하는 계기로 삼을 수 있었습니다.
작성일
2023-06-30 17:37:25