3차원 열영상 구현을 이용한 차실내 열적 쾌적성 평가에 관한 연구

Abstract

차 실내 열적 쾌적성 정량화 지수인PMV에 중요한 영향을 미침에도 불구하고 계측상의 어려움으로 사전 및 사후 평가를 통해 수동 입력되어 지고 있는 의복단열도와 대사량을 실시간 계측 가능하도록 하여 쾌적지수 기반으로 탑승자 맞춤형 쾌적 제어를 실시하고자 한다. 이를 위해 A Pillar 부근에 한 쌍의 소형 적외선센서 및 비전 센서를 좌우 배치한 Crossing Type Vision-Thermal Stereo System을 제안하였으며 차량 내 탑승자의 3D reconstruction를 위해 인체를 타원으로 가정하여, 좌우 카메라 이미지의 양끝점 및 중심점을 이용하여 3차원 인체 타원을 구하였다. 여기서 얻어진 얼굴 및 의복 온도 및 체격(키, 몸무게) 정보를 의복단열도 및 대사량 계측 및 연산에 활용하고자 한다. 우선 의복 단열도 연산식을 유도하여, 얼굴 및 의복온도를 적외선 센서를 통하여 비접촉식으로 실시간 계측하여 의복 단열도를 연산할 수 있도록 제안하였다. 동일 사람에 대하여 의복별 의복단열도 측정이 유의하게 계측 가능한 지를 알아보기 위해 Two Sample (Paired) t test 실시하여 99% 신뢰구간에서 봄/가을 상의 의복단열도가 여름 상의 의복단열도보다 크게 측정할 수 있으며 겨울 상의 의복단열도가 봄/가을 상의 의복단열도보다 크게 측정할 수 있다고 말할 수 있었다. 본 연구에서 제안한 의복단열도 연산값에 따른 시뮬레이션 온도분포를 현 가장 신뢰할 수 있는 OFFLINE (ISO 9920) 의복단열도값에 따른 온도분포와 비교하였을 때 동등 수준이며, 의복온도의 경우 실측에 더 근접하여 동등 이상의 의복단열도 예측 성능을 나타낸다. 이는 의복 내 공기층에 의한 영향이 반영된 의복온도가 적외선 센서로 비접촉식으로 실시간 계측되어 의복단열도의 정확도를 향상시킬 수 있기 때문이다. 하지만 차량 조건에서는 직접풍과 복사온도의 영향등 기존 PMV 측정 조건과 상이하기 때문에 차량 결과에 맞게 보정하고자 Clothing Area Factor를 의복단열도에 대한 2차식으로 가정하여 회귀 분석 실시하여 기준 의복단열도 대비 결정계수가 0.80로 향상시켰다. 다음으로 키와 몸무게를 추정하여 이를 기초대사량 예측식에 대입하여 사용하고자 한다. 키 회귀식을 통해 95% 신뢰 수준으로 실측값이 예측값 $\pm 약 5cm$ 범위 내 분포함을 알 수 있었다. 몸무게 회귀식을 통해 95% 신뢰 수준으로 실측값이 예측값 $\pm 약 7.2kg$ 범위 내 분포함을 알 수 있었다. Body Composition를 이용한 기초대사량 계측값과 본 제안된 3차원 영상 구현을 통해 예측한 체격을 입력하여 연산한 기초대사량 예측값 (Mifflin-St Jeor 식)이 약 3.6% 오차 범위 내로 유사함을 알 수 있었다. 상기 제안된 방식으로 의복단열도 및 대사량을 자동으로 입력되도록 시스템을 구축하여 쾌적성 기반 공조 제어가 실시되도록 하였다. 실차 공조 성능 육성을 통하여 탑승자 90% 만족수준인 목표 쾌적지수 $\pm0.5$이내로 제어됨을 알 수 있었다. 향후 정상상태만이 아니라 과도상태에 대하여서도 연구를 진행하고자 한다.