산길이 끊겨 사람이 접근하기 어려운 곳에 작은 구호물품을 전달해야 한다고 생각해 보자. 지도에서 목표 지점의 위치를 확인한 다음, 그 지점 바로 위에서 물품을 떨어뜨리면 될 것처럼 보인다. 그러나 낙하산을 단 물체는 지상에 도착할 때까지 공기와 상호작용한다. 바람이 불면 아래로 내려오는 동안 옆으로도 이동한다. 목표 지점 위에서 정확하게 투하했더라도 착지 위치는 달라질 수 있다.
그렇다면 투하 지점을 어떻게 바꾸어야 할까? 낙하하는 동안 동쪽으로 이동한다면 목표 지점보다 서쪽에서 출발하도록 조정할 수 있다. 이를 위해서는 이동 방향과 함께 어느 고도에서 얼마나 이동하는지, 내려오는 데 얼마나 걸리는지, 비슷한 이동이 다음 비행에서도 나타나는지를 알아야 한다.
이번 활동에서는 GPS로 위치를 기록하고, 기압 센서로 상대고도를 추정하며, 관성측정장치로 움직임의 상태를 살펴본다. 수집한 데이터를 이용해 캔위성의 낙하 경로를 복원하고, 고도 구간별 수평 이동을 분석한 뒤, 다음 투하 지점의 후보를 계산한다.
착지 위치의 차이가 생긴 과정을 기록하면 낙하 장치가 주변 환경의 영향을 어떻게 받았는지 탐구할 수 있다. 센서 데이터를 수신하고 분석하는 프로그램도 직접 만들어 보자.
피지컬 컴퓨팅은 현실 세계의 물리량을 센서로 받아 프로그램에서 처리하고, 그 결과를 현실의 동작이나 판단으로 연결하는 활동이다. 이 프로젝트에서는 위치, 기압, 가속도, 각속도가 입력이 된다. 프로그램은 측정값을 기록 시각과 함께 저장하고, 이동 경로와 고도별 이동량을 계산한다. 분석 결과는 그래프와 표로 제시되어 다음 투하 지점을 판단하는 데 활용된다.
관측 시스템을 설계할 때에는 센서마다 무엇을 측정하는지, 어떤 단위와 시간 기준으로 기록하는지, 값이 유효한지를 어떻게 구분할지 정해야 한다. 측정 시각을 고려하지 않고 서로 다른 시점의 값을 한 행에 묶으면 위치와 움직임의 관계를 잘못 해석할 수 있다.
GPS는 위도와 경도를 이용하여 수평 위치의 변화를 살펴보는 데 사용한다. BMP280은 기압과 센서 내부 온도를 측정하며, 상대고도는 측정한 기압과 기준 기압의 관계를 이용하여 계산한다. IMU(Inertial Measurement Unit, 관성측정장치)는 가속도계와 자이로스코프 등을 이용하여 움직임을 관측한다. 가속도와 각속도의 변화를 함께 살펴보면 흔들림과 회전이 크게 나타난 구간을 찾을 수 있다.
각 센서가 제공하는 정보의 범위를 이해하고, 필요한 부분을 함께 해석해야 한다.
| 구성 요소 | 기록하거나 처리하는 정보 | 활동에서의 역할 |
|---|---|---|
| GPS | 위도, 경도, GPS 시각, 모듈이 제공하는 고도와 수신 상태 | 수평 경로와 위치 자료의 상태 확인 |
| BMP 280 | 기압, 센서 내부 온도 | 기압 변화 관찰과 상대 고도 추정 |
| IMU | 각 축의 가속도와 각속도 | 흔들림과 회전 등 움직임의 변화 확인 |
| 마이크로컨트롤러 | 센서값, 기록 시각, 식별자, 유효 상태 | 센서 데이터를 일정한 형식으로 구성 |
| microSD 카드 | 장치 내부의 원본 로그 | 비행 후 데이터 회수와 누락 확인 |
| 통신 모듈과 지상국 | 전송과 수신 데이터, 수신 시각 | 실시간 상태 확인과 수신 로그 저장 |
BMP280의 온도값은 센서 내부 온도이다. 주변 공기뿐 아니라 회로 기판의 온도와 센서 자체의 발열에도 영향을 받으므로 주변 공기 온도와 같은 값으로 해석하지 않는다. 별도의 온도 센서를 사용하는 경우에는 측정 목적과 설치 위치를 구분하여 기록한다.[1]