라디오존데 제작 보고서

「2019학년도 세종 메이커톤」 활동 보고서

인적 사항	학번	2413		이름	류관형
	휴대폰			활동인원 (단체활동인 경우만 입력)	( 3 )명
메이커 요소	■ R&D형		과제연구
	□ I&D형		융합과학창의력대회
	■ 일반형		수학체험전, 재능기부 등 기타 교내활동
작품명 (30자 이내)	도로시
메이커 활동 내용 & 작품 설명	도로시는 고층기상관측장비인 라디오존데를 기반으로 한 고층 영상 촬영 및 대기상태 측정기기 이다. 다섯 개의 레이어가 적층된 형태로 이루어져 있다. 철심 4개가 각각의 3D 프린팅된 레이어를 지지하고, 이를 지관과 단열재가 덮는 형태이다.     1번 레이어에는 이와 같이 배치되었다. 반시계방향으로 아두이노 나노(1번), 기압 센서(2번), 무접촉식 온도 센서(3번), GPS(4번), GPS 통신 보드(5번), LED(6번)이다. 아두이노 나노는 과전류로 인한 손상의 위험이 있으므로 핀 헤더를 납땜하여 탈착할 수 있도록 했다. 기압 센서와 온도 센서, GPS의 좌표를 시리얼 모니터로 받아오도록 했으며, GPS의 작동을 확인하기 위해 위성에 연결되었을 경우 파란색 LED(6번)가 작동하도록 했다. 아두이노 나노의 시리얼 모니터값은 하단의 라즈베리 파이로 전송된다.   라즈베리 파이는 Far-IR 카메라 및 파이 카메라의 촬영 및 제어를 담당하고, 아두이노로부터 시리얼 통신 데이터를 받아 SD카드에 저장된다. GPIO핀으로 Far-IR 카메라와 SPI, I2C 통신을 하고, CSI 핀을 통해 파이 카메라와 통신한다. 두 카메라의 선은 30cm 이상 길어야 하는데, 짐벌과 라즈베리 파이의 위치가 상당히 떨어져 있기 때문이다. 코드는 data.txt파일에 시간, 사진 번호, 파이 카메라 노출값, 위도, 경도, 기압, 표면 온도, 흑체 온도를 저장하도록 했다. 각각의 값은 쉼표로 구분하고 사진이 찍힐 때마다 업데이트하여 줄 바꿈 하도록 했다. 이는 분석시 .csv파일로 변환하여 엑셀에서 여는 데 유리하게 해준다. 카메라는 pylepton 예제(FLIR | Lepton Sep 6, 2019)와 pi camera 라이브러리(Picamera Sep 6, 2019)를 사용했다.   1번 배터리에서 라즈베리 파이에 전원을 공급하고, 2번 배터리에서 짐벌 및 지자기 센서를 작동시킨다. 마이크로 5핀인 라즈베리 파이 전원의 입력을 맞추기 위해 전원공급 보드(5V 3A 스텝다운 컨버터)를 1번 배터리에 연결하고 5cm의 USB to micro 5pin 케이블을 통해 라즈베리 파이로 연결하였다. 핸드폰을 넣기 위해 선정리한 것이다. 4번 레이어에는 5번레이어에 들어갈 서보모터를 제어하는 부분이다. 짐벌을 구동하기 위해서는 아두이노 나노에서 지자기의 지구자기장 값을 받아와 칼만 필터로 보정을 해줘야 한다. 매끄러운 짐벌의 구동에서는 필수적이며, 아두이노에서는 이를 하부기판의 모터드라이브를 통해 서보모터 2개를 제어한다. 또한, 하부기판은 배터리의 전원을 안정적으로 아두이노 나노와 모터로 보내기 위한 전력시스템을 포함한다.   4번레이어에서 제어된 값을 서보모터에 입력한다. 사진상 가로로 고정된 모터는 내부 판에 고정되어 있어 외부 판을 돌리는 역할을 한다. 세로로 고정된 모터는 카메라를 고정하는 판을 회전시킨다. 그림은 수집 후의 모습이므로, 낙하 충격 때문에 파괴되어 떼어져 있는 상태이다. 지관 안에 들어가도록 제작되었으므로 지관 바깥에 보온재를 싸서 단열을 해주어야 한다. 따라서 스티로폼을 각목 형태로 잘라서 지관 표면에 빈틈없이 붙여준 후 알루미늄 테이프로 고정했으며, 그 바깥을 방출되는 복사열을 막기 위해 잘 휘고 복사열 차단 코팅이 되어있는 비금속 재질의 건축단열재를 사용하여 방출되는 복사열을 차단했다. 상승하면서 공기의 밀도가 낮아지게 되면 시스템은 대류에 의한 열 손실이 아니라 복사열에 의한 열 손실 효과가 더 커지기 때문에, 그리고 이는 작동온도가 0~40℃인 배터리에 상당한 영향을 끼치기 때문에 이러한 보온을 해주는 것이다. 낙하산을 연결하기 위해서는 지관 상부에 구멍을 뚫고 지름 3mm의 과학상자용 철봉을 십자로 넣은 후 고무 패킹 처리를 하여 지관에 가해지는 압력을 줄였다. 보온재 상부를 알루미늄 테이프로 마무리했다.