김학진 서울대 BK 글로벌스마트팜 교육연구단 단장

◇ 미래기술로 주목받는 자율주행 농기계

최근 미국, 유럽, 일본 등의 농업 선진국은 4차 산업혁명의 주요 기술인 IoT 센서, AI, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅, 자율주행 로봇 등의 첨단 과학기술기술을 활용하는 데이터 기반의 ‘스마트 농업’ 또는 “디지털 파밍”으로 전환이 이루어지고 있다. 이러한 변화는 수집된 데이터를 기반으로 비료, 농약 등의 농자재와 에너지를 효율적으로 투입하는 것이 가능하기 때문에 전 세계의 식량과 물의 부족 해결은 물론 최근 가속화되고 있는 지구 온난화 문제 해결을 위한 농업기술로 주목 받고 있다. 우리나라의 경우에도 농촌 고령화와 농촌 일손부족의 심화와 함께 디지털농업을 통해 미래 경쟁력을 갖춰야 한다는 목소리가 높아지고 있다.

자율주행 농기계는 주어진 작업경로를 스스로 인식(Perception)하고 판단(Cognition)하여 경운, 파종, 방제, 수확 등 다양한 농작업을 자동으로 수행할 수 있는 기술로서 최근 급속히 확산되고 있는 추세이다. 우리 농촌에는 자동 직진주행이 가능한 이앙기를 시작으로 올해부터 자동 선회기능이 탑재된 일본 농기계 제품이 시판되기 시작하면서 국내 농기계 시장이 급물살을 타고 있지만 아직 우리의 기술은 세계적 수준과는 다소 격차가 있는 것이 사실이다.

◇ 자율주행 농기계기술의 확산추세

2020년 미국 인디애나주의 350개 농기계 판매점의 설문조사 결과에 따르면 자율주행 농기계에 수요가 2007년 30%에서 2020년에는 90%로 크게 높아졌음을 보고하였다. 또한, 자율주행 농기계의 시장도 20% 이상의 높은 연평균 성장률과 함께 2050년에는 450억달러 수준까지 성장할 것으로 전망하고 있다. 이는 일반 도로와 달리 논과 밭에서는 일정 차선이 없는 조건에서 반복되는 농작업을 수행해야 하기 때문에 정밀조작에 대한 운전자의 피로도를 자율주행 모듈을 통해 획기적으로 낮출 수 있으며, 작업성능 측면에서도 사람에 비해 일정간격으로 똑바로 주행하면서 하는 작업이 유리하여 결과적으로 작물을 심을 수 있는 재배면적을 더 확보할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 또한 운전자는 작업 진행 중에 조향에 집중하는 것이 아니라 보조자가 담당해 왔던 자재 준비나 작업 진행상황, 작업의 강도들을 면밀히 살펴볼 수 있어 보조인력 투입에 따른 비용의 발생을 줄일 수 있고 효율적인 농작업 컨트롤을 통해 농업생산성을 보다 높일 수 있다는 점들이 높은 평가를 받고 있다.

현재 세계 자율주행 농기계시장을 가장 앞서나가고 있는 미국 John Deere의 경우에는 1995년 자율주행 트랙터 연구를 처음 시작했을 때만해도 존디어 내부에서조차도 별로 관심을 받지 못했지만 지금은 후발 자율주행 농기계 생산업체와의 기술수준을 초격차로 벌이며 세계시장을 리드해 가고 있는 추세다. 이와 함께 글로벌 농기계 생산업체인 CNH, AGCO, Kubota 등도 자율주행 농기계를 주력제품으로 본격 출시해 세계시장 점유율 확대에 나서고 있어 자율주행 농기계시장은 더욱 경쟁이 치열해질 전망이다.

자율주행 농기계를 이용한 무인방제

◇ 국내 자율주행 농기계 시장동향

국내의 자율주행 농기계 기술은 최근까지 트랙터를 이용하여 논 포장 내에 경운과 균평 작업을 자동으로 수행하는 수도작용 자율 농작업 모듈 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 국내 대표적 농기계 생간기업인 대동, TYM, LS엠트론은 80~100 마력급의 트랙터에 GPS와 조향제어 모듈을 탑재한 시작기를 개발한바 있으며 현재 포장에서 실증실험을 진행 중에 있다.

트랙터에 비해 비교적 기술적용이 수월한 이앙기의 경우에는 센서기술을 활용해 직진주행과 자동선회가 가능하고 일부 이앙 작업부를 제어할 수 있는 자율주행 이앙기의 상용화가 이루어져 이미 지난해부터 시판되고 있다. 국내 자율주행 농기계의 기술개발은 일부 요소기술의 경우 선진국에 근접하고 있지만 상용화를 위한 산업 인프라는 상당히 취약한 편이다. 특히 핵심부품인 조향, 제동 엑추에이터, 전장제어모듈, GPS모듈, 자율농기계용 환경인식 센서모듈 등은 해외의존도가 높아 관련 산업기술의 인프라 구축에도 관심을 기울여야 한다.

국내 자율주행 농기계의 기술수준은 자동으로 농작업이 가능한 레벨 3 단계의 자율작업 트랙터용 개방형 통합제어 시스템 기술개발 연구가 한창이다. 경로생성 및 탐색기능의 알고리즘 개발을 통해 소기의 성과를 이루고 있지만 국내 농기계 생산업체가 공용으로 사용할 수 있는 표준화된 하드웨어 및 소프트웨어 모듈은 답보상태에 머물러 있다. 관련 소프트웨어 모듈을 개발해도 경세성을 이유로 기업이 나서지 않아 산업화가 이루어지지 않기 때문이다. 결국 산업화가 되기 위해서는 국내 기업들이 공용플랫폼으로 채택되어야만 경제성을 바탕으로 실용화가 촉진될 것으로 보인다.

위치경로를 이용해 자율주행 농기계로 경작하고 있는 농지모습

◇ 국내 자율주행 농기계의 발전 위한 추진전략

국내 자율주행 농기계의 핵심기술들을 개발하고 실용화를 촉진하기 위해서는 몇가지의 추진전략들이 필요하다.

첫째, 개발한 핵심기술의 신속한 제품화가 필요하다. 이를 위해서는 연구개발한 기술을 제품화 측면에서 기능을 분리하여 농가 적용에 맞는 단계적 옵션 모듈로 제품군을 출시해야 한다. 예를 들면 주행안내 보조장치, A-B 라인 기반 직진 주행모듈, 자동선회 지원모듈, 내부작업과 회경작업을 포함한 자동농작업 모듈 등 다양한 옵션군으로 하여 농가조건에 맞는 제품군으로 출시되어야 한다.

둘째, 자율주행 농기계 핵심기술인 위치인식 모듈과 화상통합 자율주행제어 전장모듈을 공유 플랫폼 기술로 하여 기업간에 공동개발과 사용을 전제로한 신속한 실용화 사업전개이다. 이는 자율주행 농기계의 절대적인 성능을 지배하는 위치센싱 모듈은 위성항법시스템의 위치 정밀도와 안정성을 높이기 위해서는 외산 GPS 모듈 탑재와 신호처리장치, 그리고 국토지리정보원의 VRS 시스템 기술, LTE망을 연결하는 통신 인프라 구축이 되어야 하기 때문에 농기계 기업과 통신기업 공동개발과 정부의 지원으로 개발 시너지를 효과적으로 얻을 수 있음을 의미한다. 화상 자율주행 통합제어 전장모듈은 국내 농업조건에 맞는 농작업 경로생성과 농기계 조건에 적합한 추종 알고리즘을 탑재하고 표준통신을 이용하여 농기계와 작업기와의 연결이 될 수 있게 하여 디지털농업을 위한 데이터 수집에 필수 모듈을 목표로 공동개발을 통하여 외국산 자율주행 전장모듈의 시장진입에 효과적으로 대응하는 것이 필요하다.

셋째, 자율주행 농기계와 디지털농업 기술에 대응하는 국가적 인프라 구축사업 추진이다. 자율주행 농기계용 경지구획 지도를 구축하고 WiFi, 5G 무선 휴대폰 통신망을 연결하여 농경지에서 위성항법 신호가 더욱 안정적으로 얻어질 수 있는 환경을 만들어 다양한 버전의 자율주행 농기계용 모듈 사용이 가능하도록 하고 농작업정보 수집하여 커넥티드팜 시스템 기술과 연계할 수 있도록 하여야 한다.

마지막으로, 선진국과 경쟁할 수 있는 차별화된 자율주행 농기계 핵심기술의 개발이다. 예를 들면, 다양한 경지구획에서 미경지 구역을 최소화면서 농작업을 자동으로 수행할 수 있는 작업경로를 생성하는 기술, 농작업시 토양 노면조건에 의해 발생하는 슬립을 감지하여 농기계 주행과 작업기를 효율적으로 제어하는 기술, 포장경계와 주변 인식물을 실시간으로 인식하여 대응하여 작업성능과 작업 안전을 확보하는 인공지능기반 자율주행 농작업모듈 기술 등을 들 수 있다. 이를 통해서 다양한 외산 제품의 기술과 대응하고 제품의 경쟁력을 확보 수출 품목으로도 발전시킬 수 있을 것이다.

농촌의 고령화와 일손 부족의 환경에서 자율주행 농기계와 같은 첨단 기술의 도입이 늘고 있는 것은 그만큼 농업의 변화가 크다는 것을 의미한다. 다행히 우리나라는 첨담 ICT 기술 및 통신 인프라가 잘 구축되어 있으며, 관련 세계 최고수준의 요소기술도 확보하고 있다. 또한 핵심기술들을 발전시키기 위한 전문인력들도 잘 갖추어져 있는 편이다. 다만 산업화를 위한 규모의 경제 측면에서는 부족한 부분을 정부와 산업체가 협력체계를 구축해 대응해 나간다면 충분히 극복할 수 있을 것이라고 본다. 또한 해외 스마트농업 시장에서 국내 자율주행 농기계 등 관련 제품과 부품이 인정받아 외형을 확대하게 되면 선순환 구조를 이루어 비약적인 발전이 가속화될 수 있을 것이다.

◇ 시사점

자율주행 농기계는 단순히 산업기반만의 문제가 아닌 우리 미래농업을 준비하고 국가의 식량산업을 유지해 나갈 수 있는 필수 선택사항이다. 우리 농업이 데이터 기반의 디지털농업으로 가는 데 있어서 자율주행 농기계는 피할 수도, 우회할 수도 없는 당면한 문제이기 때문이다.

자율주행 수확기의 작업모습

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