개요
중국 최고 수준의 공과대학인 베이징 우정통신대학교(BUPT)는 통신공학뿐 아니라 일반 전자 및 컴퓨터 공학 분야에서 오랜 기간 동안 수준 높은 교육을 제공해 왔습니다. BUPT 학생들은 Moku:Go를 활용하여 공학 교육, 특히 제어 시스템 교육을 위한 솔루션을 개발했습니다. Moku:Go는 Liquid Instruments에서 개발한 최초의 소프트웨어 정의 계측기로, 공학 교육 및 일반 산업 분야에 특화되어 있습니다. 소프트웨어 정의 기능을 통해 Moku:Go는 전자 및 통신 실험실에서 사용되는 15가지 이상의 다양한 계측기를 제공하며, 다중 계측 모드(MiM)를 사용하면 여러 계측기를 손실 없이 동시에 연결하여 사용할 수 있습니다. 학생들은 PC 기반 사용자 인터페이스의 간편한 PID 컨트롤러 기능에 깊은 인상을 받았으며, 이를 통해 튜닝 및 특성 분석이 매우 수월했습니다. 학생들은 Moku:Go PID 컨트롤러를 실습 중심의 제어 시스템 교육 및 학습을 위한 새로운 솔루션의 핵심으로 선택했습니다.난제
제어 시스템 교육은 특별한 어려움을 수반합니다. 실제 물리적 시스템을 활용한 교육은 학생들의 참여도와 학습 효과를 높이는 데 가장 이상적인 방법이지만, 비용이 많이 들고 장비의 안정성이 떨어질 수 있습니다. 일부 학교는 이러한 장비에 투자하지만, 한두 개의 시스템만 보유할 수 있어 학생들의 접근성과 탐구 및 실험 의지에 제약을 줍니다. 또 다른 학교는 시뮬레이션만을 이용한 교육과정을 제공하여 비용을 절감하고 접근성을 높이지만, 학생들의 실제 경험과 산업 현장과의 연관성을 저해합니다. 두 경우 모두, 학생들이 실제 시스템과 상호작용할 기회가 제한적이거나 아예 없기 때문에 제어 이론의 핵심 개념은 물론, 제어 시스템의 성공 여부를 결정짓는 비이상적인 효과와 비선형성까지 제대로 이해하기 어렵습니다. 본 프로젝트에서 학생들은 비용 효율적이고 견고하며, 제어 이론 교육에 도움이 될 수 있는 시스템을 설계하는 과제를 부여받았습니다. 이 시스템은 모든 학생이 접근 가능하고, 사용하기 쉬우며, 산업 현장과도 연관성이 있어야 했습니다.해법
Moku:Go는 제어 시스템 교육에 이상적인 플랫폼을 제공합니다. 가격이 저렴하고 견고하며, PID 컨트롤러는 제어 개념을 탐구하기에 최적의 사용자 인터페이스를 갖추고 있습니다. Moku:Go를 제어 전자 장치 및 인터페이스로 선택한 학생들은 제어 가능한 기계 시스템 구축에 착수했습니다. 컴퓨터 비전 기반의 2차원 공 균형 맞추기 문제는 견고성, 비용 효율성, 접근성 및 산업적 관련성이라는 설계 요구 사항을 충족했습니다. 컴퓨터 비전 감지는 공정 및 생산 제어에 널리 사용되며, 이를 솔루션에 통합함으로써 학생들은 산업 현장에서 바로 활용할 수 있는 귀중한 경험을 얻을 수 있습니다. 2차원 공 균형 맞추기 문제는 복잡성과 직관성이 완벽하게 조화를 이루었습니다. 간단한 설계 덕분에 비용을 절감할 수 있었고, 학생들은 초기 단계에서는 마찰과 같은 비이상적인 효과를 무시할 수 있었지만, 고급 또는 확장 단계에서는 이러한 효과를 측정하고 극복할 수 있었습니다. 오픈 소스 OpenMV 하드웨어 및 소프트웨어 시스템은 컴퓨터 비전 시스템을 제공했습니다. OpenMV는 Python 프로그래밍 언어를 기반으로 구축되었으며, 블롭 감지 및 추적과 같은 다양한 컴퓨터 비전 알고리즘을 손쉽게 통합할 수 있습니다. OpenMV 보드는 100달러 미만으로 쉽게 구할 수 있습니다. 학생들은 OpenMV 보드를 프로그래밍하여 검은 공에 해당하는 점들과 테이블에 부착된 녹색 추적 마커를 추출했습니다. 이 마커는 테이블이 기울어질 때 이미지의 왜곡을 보정하고 테이블 위의 공 위치를 계산하는 데 사용되었습니다. OpenMV는 공 위치 오차를 나타내는 아날로그 전압을 Moku:Go에 출력했습니다. x y 지시사항에 따라 학생들은 3D 프린팅 부품과 일반 서보 모터를 사용하여 공 균형 테이블을 제작하고, 아날로그 출력을 서보 위치 신호로 변환하는 마이크로컨트롤러를 통해 서보 모터를 Moku:Go에 연결했습니다.[1].
그림 1: 실험 설정
결과
학생들은 완성된 시스템이 교육적이면서도 흥미롭다고 생각했습니다. Moku:Go 데스크톱 애플리케이션의 실시간 신호 추적 및 측정 기능을 통해 설계를 조정하고 결과를 실시간으로 관찰할 수 있었으며, 이를 통해 인과 관계를 명확히 이해하고 매개변수 변경의 영향을 심층적으로 파악할 수 있었습니다. 시스템은 이상적인 상태에 매우 근접했기 때문에 학생들은 이론적인 조정 단계를 수행하고 좋은 결과를 얻을 수 있었습니다. 목표 손실, 입력 및 출력 포화와 같은 비이상적인 효과는 추가적인 과제였지만, 선택 사항이었습니다. 학생들은 또한 구름 마찰을 관찰하고 측정할 수 있었는데, 이는 이론적으로 부분 방전 제어기만 사용해도 될 수 있었던 회로에 적분기 항을 추가해야 하는 또 다른 비이상적인 효과였습니다. 강사는 일부 설계 요소를 제공하고 나머지는 학생들에게 맡김으로써 과제의 범위를 변경할 수 있었습니다. 예를 들어, 컴퓨터 공학 수업에서는 강사가 학생들에게 OpenMV 소프트웨어를 직접 작성하도록 요구할 수 있지만, 기계 공학 수업에서는 OpenMV 소프트웨어는 제공하고 경사 테이블 설계는 학생들이 직접 해결하도록 할 수 있습니다.
그림 2: 실시간 디스플레이를 보여주는 PID 컨트롤러 인터페이스 x- 외란이 가해지는 동안 축 입력 및 출력