반복적으로 발생하는 담배꽁초를 AI로 탐지하고 자율적으로 수거하는 로봇을 구현할 수 없을까?
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국내에서 하루 평균 약 1,246만 개의 담배꽁초가 길거리에 무단 투기되고 있으며, 플라스틱 필터는 자연 분해까지 10년 이상 소요되고 니코틴·중금속 등 유해물질을 포함해 토양 및 수질 오염을 유발한다.
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담배꽁초는 빗물받이로 유입될 경우 배수를 방해하여 집중호우 시 도심 침수 피해의 원인이 되며, 서울시는 담배꽁초로 막힌 빗물받이 청소 및 준설에 2023년 기준 연간 224억 원을 지출하는 등 행정적 부담이 증가하고 있다.
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기존 인력 중심 청소 방식은 청소 후 수일 내 상습 투기 구역이 다시 원상 복귀되는 한계가 있으며, 고정 경로 기반 청소 로봇 역시 흡연 구역·건물 출입구·벤치 주변 등 담배꽁초 발생의 시공간적 규칙성을 반영하지 못한다.
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따라서 깊이 카메라와 YOLOv8 기반 소형 객체 탐지, 3D LiDAR 기반 자율주행, ConvLSTM 기반 시공간 히트맵 학습을 결합하여 운용 데이터가 누적될수록 청소 효율이 향상되는 자율 담배꽁초 수거 로봇이 필요하다.
기존 방식의 문제점
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담배꽁초는 흡연 구역, 건물 출입구, 벤치 주변 등 특정 장소에 반복적으로 발생하지만, 인력 청소는 발생 위치와 시간대를 예측하지 못해 사후 대응에 머무르는 한계가 있다.
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인력 중심 청소 방식은 청소 인력과 시간이 지속적으로 필요하며, 청소 후에도 수일 내 상습 투기 구역이 다시 원상 복귀되는 문제가 있다.
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담배꽁초는 크기가 작고 지면에 밀착되어 있어 일반적인 흡입식 또는 단순 쓸기 방식만으로는 안정적인 수거가 어렵다.
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무단투기된 담배꽁초는 토양·수질 오염과 빗물받이 막힘으로 인한 도심 침수 문제를 유발하지만, 기존 방식은 이를 사전에 예측하고 관리하는 체계가 부족하다.
핵심 아이디어
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깊이 카메라와 YOLOv8 기반 객체 탐지 기술을 활용하여 노면의 담배꽁초를 실시간으로 인식하고 위치·시간 데이터를 기록한다.
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3D LiDAR와 IMU 기반 자율주행 기술을 적용하여 실외 환경에서 순찰 경로를 따라 이동하고 장애물을 회피한다.
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로봇 전면 하부에 롤러 브러쉬 수거 장치를 배치하여 지면의 담배꽁초를 물리적으로 타격하고 내부 적재함으로 유도한다.
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수거 이력을 시공간 히트맵으로 누적하고 ConvLSTM 학습을 통해 담배꽁초 밀집 구역을 예측하여 순찰 경로를 자동 최적화한다.
활용된 핵심 기술 또는 이론
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YOLOv8 기반 소형 객체 탐지, RealSense 깊이 카메라, 3D LiDAR·IMU 기반 FAST-LIO SLAM을 활용하여 담배꽁초 인식과 실외 자율주행을 구현하였다.
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APF 장애물 회피, ConvLSTM 시공간 히트맵 학습, PID 주행 제어, 동역학·투사체 운동 해석을 적용하여 수거 경로 최적화와 롤러 브러쉬 수거 장치를 설계하였다.
기존 방식과의 차별성
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본 로봇은 깊이 카메라와 YOLOv8 기반 객체 탐지를 활용하여 노면의 담배꽁초를 실시간으로 인식하고, 탐지 위치와 시간 데이터를 자동으로 기록한다.
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단순 고정 경로 주행이 아니라, 담배꽁초 탐지 이력을 시공간 히트맵으로 누적하고 ConvLSTM 학습을 통해 밀집 구역을 예측하여 순찰 경로를 최적화한다.
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일반 흡입식 청소 방식과 달리, 전면 하부의 롤러 브러쉬가 지면에 밀착된 담배꽁초를 물리적으로 타격하여 내부 적재함으로 유도하는 구조를 적용하였다.
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3D LiDAR와 IMU 기반 자율주행 및 장애물 회피 기술을 결합하여 실외 환경에서도 사람의 직접 조작 없이 순찰, 탐지, 수거, 기록, 경로 개선이 반복되는 시스템으로 설계하였다.
문제 해결 과정
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담배꽁초 무단투기로 인한 환경오염, 빗물받이 막힘, 인력 청소의 반복성 문제를 분석하고 핵심 해결 과제로 정의하였다.
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기존 청소 로봇과 선행 연구를 조사하여 고정 경로 운행과 발생 패턴 미반영이라는 한계를 도출하였다.
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수거율과 주행 안정성을 확보하기 위해 구동부, 롤러 브러쉬, 브라켓, 적재 공간, 센서 배치를 고려한 하드웨어 구조를 설계하였다.
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YOLOv8 객체 탐지, 3D LiDAR 기반 자율주행, APF 장애물 회피, ConvLSTM 시공간 히트맵 학습을 통합하여 경로 최적화 시스템을 구성하였다.
최종 사용자
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지자체 환경미화 담당 부서 및 공공장소 청소 관리 기관
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공원, 보행로, 캠퍼스, 상가 주변 등을 관리하는 시설 운영자
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반복적인 담배꽁초 청소 업무를 수행하는 환경미화 작업자
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담배꽁초 없는 깨끗한 보행 환경을 이용하는 시민 및 지역 주민
기대효과
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담배꽁초 수거를 로봇이 보조함으로써 반복적인 인력 청소 부담과 관리 비용을 줄일 수 있다.
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담배꽁초가 자주 발생하는 구역을 데이터 기반으로 파악하여 상습 투기 구역을 선제적으로 관리할 수 있다.
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무단투기된 담배꽁초로 인한 토양·수질 오염과 빗물받이 막힘 문제를 줄여 도시 환경 개선에 기여할 수 있다.
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공원, 보행로, 캠퍼스 등 공공장소의 미관과 보행 쾌적성을 높여 시민들의 생활 만족도를 향상시킬 수 있다.
참여 정보
팀명
MIND
수강 교과목
캡스톤디자인1
지도 교수
양석조
참여 개발자
학생01박동준(메카트로닉스공학과), 학생02정영석(메카트로닉스공학과), 학생03김도연(메카트로닉스공학과)
