자율이동형 수질 측정 로봇 플랫폼

목표 및 제작 동기

최근 지구 온난화 및 기후 변화로 불규칙한 국지성 호우의 증가로 도심지 내부 인프라 전반에 걸쳐 폐쇄형 물웅덩이, 도로 하부, 노후 하수 관로 주변 구역이 급격히 생성되고 있다. 이러한 수역은 모기 유충의 대량 번식지이자 수인성 바이러스 및 병원성 미생물의 핵심 발생원으로 작용하여 주변환경과 보건 체계를 위협하는 요인이다. 또한 고도화된 시설이 아닌 기본적인 상하수도 시설이 정비되지 않은 지역 또는 국가에서 환경과 보건 위험은 격오지, 개발도상국 국가 등에서 감염성이 더욱 높은 치사율로 발현된다. 그러나 수자원 오염 여부를 실시간으로 판별 할 계측 설비와 대규모 정화시설이 운용하기에 현실적인 제약이 걸리므로 수인성 전염병의 초기 확산을 방지할 수 있는 대형시설에 묶여있지 않는 독립적인 이동형 설비가 필요하다. 도시 사각지대 및 시설 부족 지역의 환경 유해 요소를 제거하기 위해 기본에는 방역 인력이 현장에 집적 접근하여 육안으로 계측하고 약품을 살포하는 수동형 방역 방식이 주로 수행되어 왔다, 그러나 수풀이 우거진 하천, 교량 하부, 습지대 또는 계곡등 인력이 물리적으로 접근하기에 시공간적인 사각지대가 존재하여 집중조사가 제약되먀 이에 대한 대안으로 무인 항공기를 활용한 지상 공중 방역 방식이 시도되고 있으나 대한민국의 항공법 규정, 동일 무게 설비 대비 고비용이라는 현실적인 한계에 직면해 있다. 또한 GPS가 차단되는 대형 교량 하부, 구조물 음역 지역, 나무가 많은 산림 지역, 통신망 부족 등 시설이 온전히 구축되지 격오지 환경은 드론의 제어 및 기동이 불가한 현실적인 제약이 있다고 볼 수 있다. 본 연구에서 제안하는 방법은 자율이동형 모바일 로봇 플랫폼을 제작하여 구동성을 구비하고 이에 로봇의 몸체에다가 특수 임무를 수행 할 수 있는 센서와 엔드이펙트를 추가로 장착하여 목적에 맞게 임무를 수행할 수 있도록 장착과 확장을 반복하여 시설이 낙후된 지역에서도 엣지 컴퓨팅을 통한 독립 구동 할 수 있는 자율이동 로봇의 수질 측정과 방역 시스템의 유효성을 입증하고자 한다. [기대효과] 기술의 의한 사각지대 해소 1. 정기적인 관리가 어려운 낙후 지역의 수변 환경을 로봇이 상시 관리 함으로써 악취, 벌레, 녹조를 억제, 예방하고 쾌적한 환경을 제공한다. 2. 고여있는 위험한 물에 집적 접촉하거나 위험구역에 진입하는 것을 막으며 로봇이 대신 정화 작업을 할 수 있도록 한다. 3. 수질 상태를 직관적인 앱이나 음성으로 제공함으로써, 정보 접근성이 낮은 인원들도 자신의 주변의 있는 용수의 안정성이나 필요 작업을 실시간으로 확인 할 수 있다. 기술적 측면 1. 기존의 환경관리 시설, 로봇은 인프라가 밀집되어 있는 시설은 정확도가 높지만 깊은 산속 웅덩이, 전기적 인프라 부족 국가, 환경관리 인력이 투입되기 힘든 험지 등 2. 지능형 자율 순찰을 통한 수질 측정 데이터와 처리를 통해 인력 투입 없이도 넓은 수변 구역을 24시간 모니터링 경제, 환경적 측면 1. 녹조나 오염물질, 유해곤충을 초기에 발견하고 정화함으로써 대규모 수질 오염으로 번지는 것을 막고 추후 발생할 막대한 복구 비용을 절감 2. 수집된 데이터를 지자체에 제공하여 데이터를 기반으로 한 환경관리 정책을 수립 및 예산 집행을 도움 3. 위험 하고 단순 반복적인 수변 정화 임무를 소형 로봇이 대신 수행함으로써 인원이 집적 수행하거나 인력을 더 투입할 필요없음 4. 대기업의 수질 정화 시스템을 감당하기 힘든 수변구역을 저예산으로 만든 수질 측정, 정화 로봇을 대량 투입 하여 넓은 자연환경에 대처 가능하며 경제적이며 넓은 구역의 수질 데이터를 안정적으로 얻을 수 있음

프로젝트 컨셉

ROS2 Jazzy 기반의 레이더 맵핑 및 전역 경로 계획을 전담하는 상위 제어기인 Raspberry Pi5와 다중 센서 데이터 수집 및 액추에이터 제어를 수행하는 하위 제어기인 ESP32-S3 기반의 이중 제어 구조를 구축하였다. 로봇의 기동 프레임은 하중 지지와 강성 확보에 유리하고 확장성과 가격이 상대적으로 좋은 3030 기반의 알루미늄 프로파일을 기반으로 제작하였으며 아크릴 판을 덧대어 회로기판과 전력계통을 설치할 수 있도록 설계하였다. 동력계는 ODrive 3.6 드라이버로 제어되는 36V 5.5인치 인휠 모터와 주행 안정성이 검증된 6인치 보조바퀴를 조합하여 최적의 주행 안정성을 확보하고 LIDAR C1 센서를 활용한 주변 환경의 SLAM 레이더 맵핑 및 NAVI2를 통한 자율주행 알고리즘을 설치하여 이를 활용해 4종 복합 수질 센서로부터 취합된 센서 데이터를 ROS2로 토픽을 통해 가공하고. 여기서 더 나아가 센서 프로브를 안전하게 운용하기 위한 엔드이펙터 구조를 설계하고 있으며, 초동 방역 목적의 UV-C 소독 모듈 외에도 오염 영역의 정화를 위한 소독약 투하 매커니즘, 산소 공급을 위한 공기 공급 장치 등 다각적인 방면에서 정화기법의 연동 및 추가 장착 등 상황에 맞는 모듈을 장착할 수 있도록 개발한다. [개발 역량] 3D프린터 모델링, 하드웨어 제작 및 가공, 설계 및 제작, ROS2 Jazzy 활용능력, 라즈베리 파이 프로그래밍, C/C/파이썬, LIDAR 활용능력 [지원 동기] 리눅스, ROS2 등 처음부터 배워야 할 것이 많지만 프로젝트를 개발하고 완수하면서 많이 배우고 완성 시키겠습니다.

팀원 기여도

• 최경식e4ds 회원
• 배기중e4ds 회원
• 이원석e4ds 회원