단계별 작업기를 통합하여 일관화하는 복합기를 실용화하여 생산효율이 개선되어 밭농업 생력화에 기여하였다. 본 연구의 목적은 SAS를 이용한 복합작업기의 최적 작업조건을 반응표면기법(RSM)으로 구명하고 최적 성능을 실험으로 평가하여 집약적 밭농업의 트랙터 운용방법을 제시하고자 하였다. 로터리 작업에서 회전속도와 전진속도의 관계는 견인력의 효율성과 멀칭 등 작업품질에 적정한 트랙터의 운용기준 조건을 나타낸다. 슬립과 공차를 고려하면 통합 선택기준 작업속도는 3.4<SPDcr<4.7 km/h 범위로 확장되고, 로터리 피치(p)가 40<p<56 cm/rev로 판단되었다. 여러 검토조건에 서 연료소비량을 예측하고 동력의 효율성을 평가하는데 Kim 모델이 사용되었다. 목적함수를 만족하는 적정 p의 범위에 속하는 공칭 작업속도(SPD)를 엔진속도비(n)와 주행 기어비(GR)로 나타내어 최적 설계점은 카테고리 1급(DK450) 트랙터에 대하여 독립변수 n, GR/변속단수는 0.65, 401/M4로 구명되었다. 실험 평가에서 작은 트랙터는 시뮬레이션과 비교적 일치하였고, 큰 트랙터의 실험은 낮은 연료소비량과 실작업속도로 오차를 유발하였다.

밭농업의 일관화를 위해 개발된 복합작업기의 효율적인 운영전략은 연료절감의 목표와 함께 저속 로터리작업의 품질에도 중점을 두어야 한다. 본 연구는 둥근 두둑 복합작업기의 작업품질을 유지하는 적정조건에서 동력과 연료소비를 계상하고 비교하여 집약적 밭농업에서의 효율적인 작업기 운용전략을 제안하려 하였다. PTO 표준 시험성적을 이용한 Kim 모델은 임의의 부분 부하 상태에서 연료소비량(FC), 비체적 연료소비율(SVFC) 및 단위면적당 연료소비율(FCA)를 구하고 셀선도(shell diagram)를 얻을 수 있다. 따라서 개발된 복합작업기에 적용할 카테고리 1 트랙터(DK450)와 카테고리 2 트랙터(PX800)를 선정하고 적정운용 조건에서의 연료소비 특성을 비교하였다. 이전 연구를 바탕으로 이론적인 목표 작업속도는 3.0<SPDth<4.0km/h와 로터리 피치(p)가 35<p<47cm/rev인 범위를 적정한 작업 기준(criteria)으로 하여 운용조건을 선택하였다. 각 트랙터에서 적정한 운용조건의 사례들을 비교하면 작은 트랙터(DK 450)를 사용함으로써 얻을 수 있는 연료소비 절약율은 FC가 19.4%, SVFC가 21.1% 그리고 FCA가 29.9% 정도로 평가된다.

밭농업의 생력화를 위해 개발된 둥근두둑 복합작업기는 로터리를 기본으로 관행의 작업순서에 맞게 경운, 휴립, 피복 및 파종 작업기를 순차적으로 배치하여 통합시킨 형태로서 로터베이터의 특성에 영향을 받는다. 본 연구에서는 작업속도에 따른 작업품질을 평가하고 이에 따라 최적 작업능률 및 운용비용을 분석하였다. 복합기의 작업속도에 따른 작업품질을 평가할 때 공칭 작업속도 4km/h까지 토괴의 응집크기와 멀칭 및 파종구 상태가 적절하였다. 주행기어의 단수를 높여 작업속도를 증가시키면 작업시간 단축에 따른 고정비 및 변동비의 절감과 연료효율의 제고로 인한 연료비의 절감을 기대할 수 있다. 작업능률과 비용평가에 있어 공칭 작업속도 4km/h에서의 부담면적은 24.3ha/yr 이며, 단위면적(10a)당 총비용과 연료비는 각각 ￦60,352/10a 및 ￦5,712/10a으로 총비용에서 연료비가 차지하는 비율은 9.5%로 연료의 절감은 제한적이었다.

농업용 노외작업 기계는 작업속도가 변이하므로 경운 시비 방제 파종 작업등에서 주행속도를 정확하게 측정할 필요가 있다. 도플러 레이더는 포장에서 속도측정의 신뢰성이 있어 견인효율 또는 변량제어 연구 등에서 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 도플러 레이더 속도계를 이용하여 주행속도를 측정할 때 콘크리트 견고지면에서 보정된 기준 변환계수를 포장실험에서도 적용이 가능한지에 대한 엄격한 통계적 검토와 검증을 수행하였다. 견고지면에서 얻은 기준 변환계수를 비교군으로 포장실험의 결과를 검증하기 위하여 Proc GLM을 사용하였다. 완전모델 의 분산분석 결과에서 유의하지 않은 교호항을 제거한 주 변수모델에 대하여도 유의하지 않았다. 사후분석에서 보수적이고 엄격한 Scheffe 방법으로 민감한 계수를 검정하였고 또한 유의하지 않았다. 기준 변환계수를 비교군으로 하여 대비처리(contrast) 하였고 유의하지 않았다. 견고지면에서 평가한 기준 변환계수(a0=0.0396)와 기준절편(y0=-0.0235)을 바탕으로 평가한 변환계수(a)의 절대오차(Erra)는 –0.415×10-3 이었고, 퍼센트 오차는 –1.18% 였다. 따라서 기준 변환계수는 포장작업의 주행속도의 환산계수로 사용되어도 측정치에 심각한 오차를 초래하지 않을 것이다.

밭농업의 기계작업을 복합기로 일관화하기 위하여 관행의 개별적 기계를 모듈화하고 일체화시켜 둥근두둑 작물의 재배체계에 맞추어 구성하였다. 본 연구의 목적은 둥근두둑 복합작업기의 작업성능을 파악하는데 근거가 되는 슬립의 특성을 분석하여 집약농업의 작업효율을 극대화 할 수 있는 복합작업기의 운용방안을 제시하고자 하였다. 도플러 레이더 속도계를 사용하여 무부하 기준속도를 콘크리트 지면에서 주행속도를 측정하고, 후륜 동반경을 결정함으로써 이론 회전속도를 이용하여 제로슬립 속도를 계산하였다. 연구의 결과는 변수의 유의한 영향에도 불구하고 심하게 낮은 슬립의 범위(3.9-8.9%)에 있음을 보였다. 이는 복합작업기의 무거운 중량에 대응한 정적 후방전도 안정성을 위하여 카테고리 2급 트랙터를 사용하였기 때문이다. 로타베이터를 기본으로 하는 집약농업의 경우 작업속도(2.0-4.0km/h)가 저속이므로‘gear up throttle down’원리가 적용되지 않으며 연료의 소비량은 운용비용에 절대적이지 않을 것으로 판단된다. 따라서 복합기의 운용은 견인 및 연료효율에 맞춰져서는 큰 이득이 예상되지 않으며, 파종상토와 멀칭작업의 품질, 즉 작업결과에 초점이 맞춰져야 한다.

본 연구에서는 변량방제기술을 적용한 농용 회전익기를 이용하여 살포한 입자의 구간비행 상태에서의 거리별 살포 패턴을 측정함으로써 무인 항공방제의 농약 부착률과 입자경의 분포 균일도를 평가하였다. 비행을 등속으로 유지하는 안내비행과 자동비행 모드에서 유효살포폭 3.6m로 인접비행 구간과 살포폭이 일부 중첩된 피복률에 대한 가로방향 분포의 변이계수는 30% 정도를 보였고, 비행방향 진로위치에 대한 피복률의 변이계수는 10% 미만으로 매우 균등한 것으로 평가되었다. 따라서 살포작업시 기체의 지면속도(ground speed)의 변이를 보상하는 변량살포기술은 균일도 측면에서 우수한 것으로 판명되었으며, 또한 입자경의 분포에 있어서 체적중위직경(VMD)과 개체중위직경(NMD) 모두 항공방제에 적절한 크기와 균일한 분포를 보였다. 따라서 농용 회전익기를 이용하여 소필지의 항공방제작업을 무인화 하는 데 있어, 변량방제장치를 적용함으로써 소규모 필지의 균일 정밀방제를 도모하고자 하였다.

최근 밭농업의 기계화와 생력화에 대한 연구와 개발이 활성화되고 있다. 그러나 밭농업의 기계화율은 비교적 낮을 뿐 아니라, 농작업이 단계별로 기계화되고 있기 때문에 밭농업의 생력화에 기여하지 못하고 있다. 따라서 본 연구의 목적은 밭농업을 생력화하기 위하여 구현한 일관작업 복합기의 포장능률 및 비용분석을 통하여 생력화율을 평가하는데 있다. 경운·정지, 두둑성형, 방제, 멀칭 및 파종·정식모듈을 포함하여 다섯 작업모듈을 일관화한 복합기의 이론작업시간은 0.56hr/10a으로 관행과 비교하여 67%의 생력화율을 보였다. 유효포장능률은 0.09ha/hr로서 관행에 비하여 2.95배 우수하였고 부담면적은 9.07ha로 평가되었다. 비용분석에서는 복합기의 초기구입비가 43% 절감되는 것으로 평가되었으며 시간당 비용과 단위면적당(10a) 비용은 관행에 비하여 각각 68% 및 58% 정도 절감되었다. 따라서 트랙터 복합작업기를 이용한 일관화된 밭작업은 관행에 비하여 생력화에 상당히 기여하는 것으로 평가된다.

지역 밭작물 생산의 생력화를 제고하기 위하여 개발한 복합 작업기(BG-1200AB)를 트랙터(DK753C:55kW)에 장착하고 평두둑 복합기의 작업동력 및 견인력을 평가하였다. 견인 동력계의 여섯 로드셀에서 측정된 신호는 분력식에 따라 견인력(Ph), 수직력(Pv) 및 수평력(Ps)으로 계산되었고 각축에 생성되는 모멘트(Mh, Mv, Ms)를 계산하여 작업상태를 분석하였다. 견인력은 주로 토양의 다짐상태에 따라 영향을 받으며 평균 108-578kgf의 견인력에 대하여 견인동력은 0.5~0.9kW 정도였다. 작업속도는 0.4~2.0km/h 범위에서 절단피치가 증가할수록 비견인력(specific draft)이 감소하는 감소지수 관계를 보였다. PTO 토크는 경심에 따라 평균 160~350N․m으로 측정되었으며, 로터리 경운과 펌프 구동에 사용되는 PTO동력(9.0~19.8kW)이 소비동력의 대부분을 차지하였다. 따라서 복합기의 운용은 견인 동력효율에 맞춰져서는 이점이 나타나지 않으며 작업결과의 질 즉, 파종상토와 멀칭작업의 품질에 초점이 맞춰져야 한다. 상부견인 또는 하부견인에 따라 부하의 위치와 크기가 변화되고 작업기의 균형이 결정되므로 작업기의 고품질 작업을 추구하기 위하여 하부 링크의 독립적 제어를 제안한다.

최근 안전하고 질 좋은 ‘로컬푸드’에 대한 생산과 소비에 대한 관심이 높아지면서 지역 밭농업의 기계화와 생력화를 절실히 필요하게 되었다. 본 연구의 목적은 밭농업을 생력화하기 위한 일관화 작업 평두 둑 복합기의 개념을 설계하고 후방전도 안정성을 검토하는데 있다. 일관화 작업 복합기는 경운·정지, 휴립, 방제, 멀칭 및 파종·정식의 다섯 단계별 작업기를 통합하여 트랙터 부착 견인형으로 일관작업 체계의 개념으로 설계하였다. 기존의 개별 작업기들를 참고하여 복합기의 자중과 소비동력을 추정하고 국내 농가에서 사용하는 트랙터에 적용 할 수 있는지를 동력 공학적으로 검토하였다. 방제용액을 포함한 작업기의 추정 자중은 1,270kgf으로 예상 총소비 동력 33.5kW을 제공할 트랙터를 검토한 바, 45PS(33.6kW)급 트랙터는 히치 상승능력과 총동력에 있어 적절한 한계선 이내에 있는 것으로 판단되었다. 또한 복합작업기의 자중에 의한 후방전도의 안정성을 검토하였는데, 본 연구에서 설계한 복합 작업기를 카테고리 I(<48kW) 트랙터에 장착하여 사용할 경우 트랙터 전면 평형추(ballast)로서 전방 버켓로더를 부가하여 후방전도 안정성을 유지해야 한다.

정밀농업의 핵심인 변량살포(VRA) 기술은 방제 분야에 적용이 가능하여, 경제적 효과뿐만 아니라 적정살포를 통한 환경 보전 효과도 기대할 수 있는 등 여러 이점이 입증되었다. 그러나 변량살포 기술에서 목표속도를 중심으로 제한된 속도범위 내에서 비행하고 살포율 오차를 안정시키는 것이 핵심요소이다. 본 연구의 이론에서 현실적으로 목표속도에 대하여 ±13% 정도의 속도변이를 허용할 수 있을 것으로 판단되었고, Koo & Park(2015)가 개발한 변량살포 제어시스템에 수동(manual), 자동(auto pilot), 경로안내(way-point guidance) 등 세 가지 비행모드의 적용성에 대하여 고찰하였다. 비행제어 모드에 따른 등속 비행에 대한 속도의 질을 비교하면, 수동과 자동은 실시간 속도를 모니터링 하지 않으므로, 두 경우 모두 평균 비행속도가 목표속도와 큰 편차를 보일 가능성이 있었다. 즉 범위율(PR)이 각각 18.1 및 16.1%로 나타났으나, 경로안내 모드에서는 6.5%로 나타나서 변량살포 제어시스템에의 적용성이 증명되었다. 자동 및 경로안내 모드에 대한 변이계수(CV)가 비슷하므로, 자동모드 또한 비행속도의 모니터링의 방법을 조종자에게 추가로 제공한다면 변량제어 시스템과의 적용성을 보일 것으로 생각된다.

Ionomers are polymeric materials containing fixed charged ions (e.g., – SO3 -) to transport their counter ions (e.g., H+, Li+, Na+ and so on) selectively and have been widely used as key components for membrane and unit cell formation targeted for renewable energy generation (e.g., polymer electrolyte membrane fuel cells(PEMFC), redox flow batteries, and reverse electrodialyses) and valued chemical production (e.g., water and brine electrolysis). There are advantages such as high processability, easy solvent evaporation, and chemical inertness, when the ionomers are in the dissolved or dispersed states in water-alcohol mixtures to be applied for these applications. Unfortunately, it is difficult to make homogeneous solution or dispersion using the ionomers with hydrophilic levels undissolved in water. In this study, water-alcohol nanodipsersion with perfluorinated or hydrocarbon sulfonic acid ionomers are fabricated and their feasibilities as PEMFC and electrolysis materials are evaluated.

범세계적인 온실가스저감 노력이 활발하게 움직이고 있다. 이러한 현상은 수송분야에서 친환경자동차 보급이라는 전략으로 이루어지고 있다. 친환경자동차 중 수소연료전지차는 수소라는 신에너지를 활용하는 자동차로 친환경차 중 유일하게 전기를 생산히야 모터를 구동하는 자동차이다. 수소연료전지차는 수소와 공기를 사용하기 때문에 청정하다는 이로운 점도 있지만 아직은 해결해야할 다양한 문제점을 가지고 있다. 수소연료전지차에서 전기를 생산하는 스택 내 부품 중 전해질 막은 수소이온을 전달하고 생성된 물을 활용하는데 매우 중요한 역할을 하고 있으나 불순물, 온도변화, 부하운전, 가습조건 등 다양한 자동차 환경에서 열화가 발생한다. 전해질 막 연구에 있어 자동차 운전환경에서 나타나는 열화 현상과 발생 가능성 및 해결방안에 대한 고찰을 하였다.

Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers have been widely used for renewable energy generation, including polymer electrolyte fuel cells (PEFCs), owing to their excellent resistance to harsh chemicals and good ion-transport properties. PFSA materials experience critical chemical decomposition to radical attacks, and fast hydrogen crossover leading to fairly reduced electrochemical performances, when they are used as membrane materials. Similar chemical degradation also occurs in PEFC electrodes containing PFSA ionomer binders used as both mechanical supporters and proton conductors and shortens PEFC lifetime. In this study, several approaches based on their morphological rearrangement to overcome these economical and technical issues are proposed. They include pore-filling membrane formation, nanodispersion, and their combination.

본 연구에서는 살포비행의 주된 요운동과 순항비행에 대하여 시뮬레이션과 비행실험을 통해 얻은 적정 제어이득을 적용하여, 농용헬리콥터의 수동과 제어비행에서 순항비행 및 요의 행동을 비교하였다. 수동의 경우는 조종간의 입력 즉, 서보의 입력은 그대로 서보의 출력으로 전달되어 헬리콥터의 비행자세와 반응으로 나타나므로 조종자에 있어 높이와 자세를 유지하는데 높은 숙련도와 노력이 필요하였다. 반면 상용제어기의 적용은 기본적인 자세 및 요의 제어를 제공 받으므로 조종자가 살포작업에 편이성을 제공받을 수 있었다. 수동비행에서 요각의 행태는 편류비행의 결과를 보였으나, 제어에서는 목표진행 방위각에서 안정되게 유지되었다. 또한 수동 순항비행에서는 롤 및 피치각의 자세가 숙련된 조종자에 의해 ±6.9°(±0.11 rad) 정도의 롤 및 피치각의 큰 변동폭을 경험하였다. 반면 자세제어 비행에서는 ±2.8°(±0.05 rad) 정도의 안정된 변동폭을 유지하였다. 따라서, 상용제어기를 적용함으로써 요운동으로 방향을 유지하고 순항비행에서 살포높이와 속도를 조절하는데 조종자의 편이성을 제공 할 수 있을 것으로 생각되었다.

농업 노동력의 절감과 농작업 안정성의 향상을 위해 무인 농용 헬리콥터를 이용한 농작물 병해충 방제작업에 대한 관심이 증대되고 있다. 우리나라에 많은 소규모 필지에서는 자세 유지를 위한 미세조종의 애로를 해소함으로써 조종자의 편의성을 개선 할 필요가 있는 것으로 조사되었다. 최근 센서 및 비행항법 기술의 발달로 저가 제어시스템이 상용화되고 있어, 본 연구에서는 상용 헬리콥터 제어기의 적용성을 평가하기 위하여 테스트베드와 자세를 측정할 수 있는 장치를 구성하여 수동 및 제어비행에서의 상태변수를 비교하였다. 안정성과 조종 편이성은 수동 및 자동비행의 직선 비행구간에서의 변이계수로 비교 평가하였다. 자동 제어 비행에서 기체 고정좌표 속도는 수동에 비하여 수월하게 속도를 유지하였고, 지면 좌표계에서 평가한 오일러 자세각의 유지와 지면 합속도(살포속도)의 안정성은 상용제어 시스템을 적용함으로써 농용헬리콥터의 안정성과 조종자에게 수월성을 제공할 수 있을 것으로 판단되었다.

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.