롤러코스터 영상 기획자료

아 영상편집 언제하죠... 고3... 편집자 구함(?)

 

SLT 실험계획서

작성 일시: 2019 년 12 월 23 일	작성자: 류관형
실험 스타일:
실험 제목: 롤러코스터 카트의 경로 및 에너지 구하기
<연역적인 경우> 가설: 조작 변인: 종속 변인: 통제 변인:
<귀납적인 경우> 관찰 대상: 6축 자이로 센서, x축 사영된 카메라, 자 및 포토게이트 예상 결과: 자이로는 칼만필터 사용이 불가하므로 1초에 30번에 맞춰 평균한다. 일반화: 자이로 센서는 칼만필터를 사용해야한다. or 롤러코스터는 꽤나 많이 열로 변환된다.

참고: https://m.blog.naver.com/arete_minzee/220640735695

2. 이론과 실험방법

(제목 / 간략 내용 / URL 순서로 작성) 바탕이 되는 이론: 이번엔 두 개의 측정값을 비교할 것이다. 하나는 자이로 센서의 두 번 적분 결과와 하나는 포토게이트다. 포토게이트를 표준으로 놓고 자이로 센서의 정확성에 대해 논할 것이다. 파이썬으로 자이로 센서의 단위시간에 대한 값과 단위시간 사이를 평균한 값을 비교해 자이로센서의 정확성을 판단할 수 있다. 실험결과는 후자가 당연히 정확성이 높게 나올 것이다. 이때 각 포토게이트 값에서 보정 후 (1/2)mv^2에 대입하여 에너지 손실률을 구한다.
(준비물) 제품명	수량	예상금액	URL
DSLR 및 망원렌즈	1
아두이노 부품들	구매함
학교 기자재	사용용도		실험실 분과	수량
줄자			물리	2
포토게이트			물리	10~15
롤러코스터 부품			물리	다수
삼각대			물리
저울			물리	1
30cm 자			물리	2
실험방법: 아두이노 나노를 통한 자이로 계측장비를 설계 및 카트에 장착한다. 포토게이트를 각 지점에 많이 설치한다. 컴퓨터에 연결한다. 포토게이트의 xyz 좌표를 측정한다. Fusion에서 직선의 방정식으로 잇는다. 카트의 움직임을 Tracker로 측정한다. 단, 이때 망원렌즈를 사용하여 한 방향으로 사영되는 효과를 보도록 한다. 시간에 따른 z 좌표 데이터(Tracker)와 이에 따른 자이로 센서 데이터를 엮고(파이썬), 포토게이트의 xyz 좌표를 시간에 맞춘 후 곡률을 방정식을 활용해 엑셀의 빈공간을 채운다. 분석 – 가속도 센서를 2번 적분하여 위치를 구하고, 시간에 따른 위치 데이터를 구한다음 포토게이트 데이터와 대조한다. (분석방법, 출처 포함)
실험 구성:

영상기획서

SLT

제목	롤러코스터가 한 바퀴를 돌 때 발생하는 에너지는?
유튜브 제목	롤러코스터가 한 바퀴 돌 때 변환되는 열량 측정하기 – 자이로 센서, 포토게이트 활용 미리보기: 영상 및 MBL 센서, 파이썬을 활용한 데이터 분석
작성일시	2019.12.23	분과	물리
작성자	류관형	비용	25000

영상 순서(순서대로 번호를 넣고, 안넣을 경우 x 표시)

컨텐츠	미리보기	인트로	실험과정	결과	설명	데이터 분석	결론
번호

0. 개요 (영상 순서는 개요가 우선입니다)

질문	답변
	롤러코스터가 한 바퀴를 돌 때 변환되는 열량 측정하기 일단 롤러코스터를 만들어 봅시다
오오! 어떻게 나와?	이렇게 작동함!(작동영상)
어떻게 열량을 측정할건데? (이론)	(궁금하지 않은 사람 건너뛰기) 에너지 보존법칙 설명- 열로 변환
위치에너지는 알겠고 운동에너지는?	저희가 생각했던 것은 1. 비컨시스템을 활용하는 것 2. 자이로 센서를 활용하는 것
각각이 뭔데	(궁금하지 않은 사람 건너뛰기) 첫 번째는 블루투스 디바이스를 물체에 장착하고 8개의 센서를 활용해 상대적 신호의 세기를 측정한 다음, 측정한 신호의 차이를 이용해 3차원 거리를 측정하는 것. 그러나 오차가 30~1m 정도로 매우 크고, 비싸다. 두 번째는 자이로센서를 물체에 장착한다. 자이로 센서는 xyz 방향 가속도와 xy축 회전을 감지하고 가속도를 두 번 시간적분하여 시간에 따른 위치를 구한다.
보완한 방법?	자이로센서의 오차는 초기위치에서 점점 벗어날수록 오차가 커진다. 고정된 카메라로 찍고 시간에 따라 y방향 이동거리를 구한다. 포토게이트를 중간중간에 설치하여 이의 3차원 위치를 구하고 포토게이트를 지날때마다 자이로센서로 도출한 위치를 초기화시킨다. 엑셀에서 카메라로 분석한 질점값을 바탕으로 시간에 따라(1초에 30데이터) 자이로센서의 사잇값을 평균하여 넣고 포토게이트값도 트래커 값에 따라 넣어준다.
실험 영상?	카트 만들고 고정, 코딩, 포토게이트 설치, 버니어 연결, 카메라 설치 등등
데이터 분석	엑셀 및 파이썬 코딩
결론	이정도 나오더라. 일반화? 롤러코스터의 마찰은 생각보다 많다?
대사: 제목처럼 롤러코스터를 열량을 측정하려고 만든건 아니고, 쌤이 시켜..읍읍(인트로) 안녕하세요 연구노트의 관형입니다. 저희학교에는 사람 크기만큼의 롤러코스터를 만들 수 있는 롤러코스터 키트가 있는데요, 이를 이용해 롤러코스터를 제작하고, 실험을 어떻게 설계할 것인지, 어떻게 분석해야 할 것인지 논의해보겠습니다. 롤러코스터를 만들기 위한 여러 가지 부품들이 있는데요, 다양한 연결부를 교차해서 이런저런 부품들을 만들 수 있습니다. 롤러코스터의 기초는 트러스 구조로 만듭니다. 레일을 깔고, 올라가는 부분에 모터와 체인을 연결하여 카트가 올라갈 수 있도록 만들어줍니다. 내려가는 부분은 마찰이 최대한 적게 만들어줍니다. 롤러코스터의 꽃인 360도 회전도 구현하고, 시작점과 이어줍니다. 이렇게 작동합니다. 열량을 측정하기 위해서 간단한 식 하나가 등장합니다. 위치에너지 변화량=운동에너지 변화량+열에너지 소모량 인데요, 열에너지 소모를 제외하면 에너지 보존법칙이 됩니다. 전에서 보았던 360도 회전은 저 높이가 최고인데, 그 이유는 내려올 때 레일과의 마찰이 에너지를 열로 변환시켜 이만큼의 에너지가 소모되었기 때문입니다. 중점을 두어야 할 부분은 운동에너지의 측정입니다. 위치에너지는 최고점과 최저점의 위치를 압니다. 질량은 소거되지만 일단 측정할 수 있습니다. 운동에너지를 측정하기 위해 두가지 방법을 생각할 수 있습니다. 첫 번째, 비컨시스템을 활용합니다. 비컨시스템은 요즘에 각광받고있는 실내 GPS 시스템입니다. 핸드폰에서는 기지국의 위치를 바탕으로 신호의 세기를 활용해 정확한 위치를 구합니다. 건물이 빽빽한 곳에서도 정확한 위치를 표시할 수 있는 이유가 이 기술 덕분입니다. 그래서 비컨 8개를 방(직육면체)의 각 꼭짓점에 설치하고 위치에 따른 신호 차이를 이용해 위치를 구합니다. 위치변화를 시간변화로 나눠주면 평균속도값이 나오고, 운동에너지에 대입하면 에너지 손실량을 알 수 있습니다. 그러나 문제는 비싼 가격과, 무엇보다도 오차범위가 30cm에서 1m 정도 된다는 것입니다. 두 번째 방법은 자이로 센서를 카트에 장착하는 것입니다. 자이로센서에서는 x, y, z 3개 축의 가속도 값과 x, y 방향의 각가속도 값을 받아옵니다. 시간에 따른 가속도 값을 시간에 대해 적분하면 시간에 따른 속도값으로 변환되고, 위와 같이 대입해주면 실험값이 나오게 됩니다. 첫 번째와 두 번째 방법 모두 칼만 필터?의 사용을 필요로 합니다. 쉽게 말하면 오차값이 발생하지 않도록, 미분가능하도록 값을 다듬어주는 수식입니다. 하지만 이를 써서 값을 도출하려면 꽤나 많은 시간과 노력, 지식이 필요하므로 건너뛰고, 비슷한 방법으로 값을 다듬어보겠습니다. 바로 평균입니다. 자이로 센서의 오차값을 보정하기 위해 영상과 포토게이트를 활용합니다. 영상은 입체인 롤러코스터를 평면화 시키는 역할입니다. 이를 “정사영”이라고 합니다. 영상에서 시간에 따라 카트의 질량중심을 찍어 나타내줍니다. 한 방향의 시간에 따른 위치가 정해졌으니, 포토게이트를 롤러코스터의 곳곳에 설치합니다. 포토게이트는 마트 계산대에 있는 레이저와 원리가 똑같습니다. ㄷ자 형태로 생겨서 각각의 다리에는 레이저와 수광장치가 있습니다. 레이저가 수광장치에 도달하지 않으면 1, 도달 하면 0을 반환합니다. 포토게이트의 위치를 알기 때문에 1이 뜨면 카트가 그 위치에 있다고 보는 것입니다. 자이로 센서는 카트가 움직일수록 오차가 커지기 때문에 보정하기 위해서 1초당 1000개의 데이터를 1초당 30개의 데이터 속도로 평균하고 영상으로 y방향 위치를 보정한다음, 포토게이트로 일정 위치마다 3차원 위치를 보정해주는 것입니다. 그 이후 실험방법 시도해보고 추가하기