◆자율주행 농기계 기술의 이해

최근 농가인구의 감소로 농기계는 대형화되고 편리한 기계에 대한 요구도가 높아지고 있다. 특히 산업분야에서 다양하고 우수한 성능을 가진 센서와 액추에이터가 개발되면서 농업자동화 기술에 그 활용성이 늘고 있으며 이를 통해 농업생산성을 높이고 노동력 투입을 줄이는 스마트농업으로 빠르게 전개되고 있다. 과거 트랙터를 이용해 파종, 경운, 로터리 등 다양한 농작업을 수행할 때 운전자는 부착작업기를 조작하면서 주행을 해야 하기 때문에 높은 조작숙련도가 요구되고 장기간 작업 시 피로도가 증가하는 문제가 있었다. 자율주행 농기계 기술은 자동차 내비게이션과 같은 모니터를 이용해 운전자에게 주행 안내선을 보면서 주행할 수 있게 해 운전을 보조하거나 작업자가 주행선을 설정하면 자동제어기 원리에 의해 농기계가 위치를 인식하면서 목표지점에 도달하기 위해 스스로 조향핸들을 틀면서 자율주행 할 수 있는 기능을 제공한다. 이러한 자율주행 기술을 이용해 작업자는 포장에서 일정한 선을 따라 겹치지 않고 반복적으로 주행을 할 수 있기 때문에 운전편의성이 높아지고 종자, 비료, 농약 등을 필요한 곳에 적정량을 정확하게 투입할 수 있게 돼 생산성을 최대화하고 환경에 영향을 최소화하는 정밀농업(Precision Agriculture, PA)을 실현할 수 있도록 한다.

◆자율주행 농기계의 구성요소와 작동원리

자율주행 농기계의 기본 구성요소는 먼저, 절대위치와 자세정보를 얻는 GPS(Global Positioning System)와 관성센서(IMU, Inertial Measurement Unit), 조향핸들의 각도를 측정하는 각도센서 등의 센서조합이다. 두 번째로 포장 내 작업경로를 경로점(Waypoint) 형태로 생성하는 알고리즘과 현재위치와 목표위치의 차이를 이용 조향바퀴의 방향각을 계산하는 경로탐색 알고리즘 등의 소프트웨어와 이를 컴퓨터 내에 탑재해 두뇌역할을 하는 화상 상위제어기로 구성된다. 각 액추에이터와 작업기, 본체 등의 분산제어 ECU(Electronic Control Unit) 간에 메시지 통신을 수행하면서 주행속도, 방향각, 작업기 작동역할을 담당하는 하위제어기도 추가적으로 구성된다. 그 외 조향장치를 작동하는데 필요한 조향 ECU가 있으며 조향핸들의 각도를 직접 제어하는 방식과 조향실린더에 입력되는 스풀내의 유량을 제어하는 조향 액추에이터 시스템으로 작동된다. 화상 상위제어기는 작업상황에 대한 정보를 제공하고, 위치별 속성정보를 저장할 수 있게 해 정밀농업을 위한 이력정보를 활용할 수 있게 되어있다. 이러한 자율주행 농기계의 경로추종 성능은 몇 cm급의 위치정확도를 가진 GPS를 사용하느냐에 따라 크게 영향을 받는다.

자율주행 농기계 기술의 시기별 발전은 미국의 인공위상기반 지구측위시스템인 GPS가 제공하는 위치정확도 성능발전에 비례해 진행돼 왔다. 특히 1995년에 GPS가 민간용으로 사용할 수 있게 되고 2000년에는 과거 일부 허가받은 기관만 사용할 수 있도록 한 선택적 이용성(Selective Availability, SA) 보안코드 기능이 해제되면서 기존 100m 수준의 위치오차가 10m 이내로 낮아지면서 상업적 활용성이 높아지게 된 것이 큰 기회가 됐다. 이후 GPS 신호보정 기술은 고정기지국 정보를 이용해 인공위성의 측정오차를 보정하는 DGPS와 측정오차 정보를 별도의 위성을 통해 보정하는 SBAS 기술 등을 적용하면서 위치정확도는 30~40㎝ 이내의 오차수준까지 낮아지게 됐다. 이러한 오차수준은 땅을 가는 경운과 농약을 살포하는 방제 등과 같은 농기계를 위한 작업에 허용되는 오차범위였기 때문에 주행안내기를 이용해 운전자에게 알려주는 시스템의 보급을 촉진하게 됐다. 자동운전에 필요한 오차범위 2∼3㎝ 이내의 성능은 고정기지국을 농작업 포장에 근접하도록 직접 설치해 측정오차 값을 실시간으로 보정하는 RTK-GPS나 핸드폰을 이용해 위치보정값을 실시간으로 수신하는 VRS-GPS가 적용되면서 본격적으로 가능하게 됐다. 이후 최근에는 Master-Slave 또는 Follow-me 기술을 기반으로 한 군집주행 농기계시스템이 개발되고 IoT 무선통신기술을 적용해 기계 간 자동연동(Synchronization) 기능이 가능한 제품이 출시되고 있다. 가령 콤바인을 이용해 밀을 수확하면서 뒤따르는 트레일러가 곡물수집을 위해 일정거리를 유지하면서 자동으로 추종하는 기술이 개발되고 있다. 이와 함께 작업자가 탑승하지 않고 주어진 경로를 주행하면서 작업을 수행하는 무인 자율주행 트랙터는 일본과 미국은 물론 한국에서도 트랙터에 RTK-GPS와 각종센서, 제어기 등을 탑재하고 포장 내에서 자동선회를 포함해 농작업을 수행하는 자율주행 무인 트랙터의 연구개발을 완료한 상태이다.

◆자율주행 농기계의 제품사례

미국의 존디어(John Deere)社는 트랙터 주행안내기의 제품으로 Greenstar Lightbar를 출시했는데 LED 불빛의 좌우 켜짐 정도에 따라 운전자가 주어진 경로를 따라 제대로 가고 있는 지를 알려줌으로써 비료, 농약살포 작업 시 중첩 살포되는 문제를 최소화하는데 유용하게 이용되고 있다. 일본의 탑콘(Topcon) S300 또는 미국의 Trimble사의 Ez-Steer 자동 조향키트는 기존 트랙터 조향핸들에 전기모터가 내장된 조향시스템을 바꾸어 달고 GPS 수신기를 설치해 LCD 패널 콘솔형태의 제어기로 이용경로를 설정하고 자동운전이 가능하도록 해 운전자의 조작 없이도 중첩 없이 원하는 경로를 따라가는 기술을 구현했다. 일본의 Kubota社의 경우는 벼의 모를 무논에 심는 자율주행 이앙기를 개발해 운전자의 핸들조작 없이도 직진주행이 가능하게 하고 운전자는 모판을 보충하거나 부족한 비료를 통에 공급하도록 해 작업성능을 높이고 인력투입을 최소화하는 효과를 제공하고 있다. 운전자 없이 무인 자율작업을 수행하기 위해서는 작업상태를 모니터링하고 주어진 명령에 따라 자동으로 제어하는 마이크로 컴퓨터 형태의 통합 단말기가 필요하며, 이에 Topcon, Raven, Trimble社 등 여러 GPS 솔루션업체에서는 관련 통합 콘솔을 제품화해 트랙터와 베일러 등에 장착해 파종, 경운, 베일링 등에 활용될 수 있도록 하고 있다.

◆자율주행 농기계 기술의 미래전개와 필요 개발기술

국외 자율주행 농기계 기술을 선도하는 미국, 유럽, 일본 등의 사례의 경우를 보면 현재 자율주행 농기계 기술개발은 크게 두 가지 방향으로 전개되고 있다. 첫 번째는 트랙터, 콤바인 수확기(Combine harvester), 살포기 (Sprayer) 등과 같은 기존 농기계에 Dual GPS와 IMU 일체형 위치 및 자세 센서시스템을 장착해 통합 단말기와 연동, 각 ECU간에 통신을 통해 농작업의 부하를 계측해 자동변경하는 지능화된 정밀 전자제어 기술과 함께 Lidar, 카메라 등의 영상센서를 이용 데이터를 퓨전(fusion)과정을 거쳐 주변환경을 실시간으로 인식·판단해 대응하는 안전 농작업 자율주행 기술이다. 두 번째는 전기모터와 유압부품을 기반으로 한 전장이 2m 이내의 크기를 갖는 소형 주행 플랫폼에 제초, 농약살포 등 작물관리 작업을 위해 기구부 또는 살포장치와 같은 작업기를 부착하는 농용로봇과 같은 형태로서 포장을 주행하면서 GPS, 카메라, 초음파 센서 등 다양한 센서를 이용 대상작물과 주변환경을 실시간으로 인식해 작물의 상태를 파악하고 필요한 농작업을 자동으로 수행하는 기술이다.

국내기술의 전개방향은 선진국과 일치할 것으로 전망되지만 자율주행 농기계 기술개발과 보급이 미국과 유럽의 실용화 정도와 같은 수준으로 되기 위해서는 국내 영농조건 특성에 맞는 기술로 연구개발이 진행돼야 한다. 예를 들면, 국내의 논과 밭의 포장조건은 국외 선진국에 비해 크기가 작고 포장의 형태도 밭농사의 경우는 직교형이 아닌 다변형 형태의 포장이 많고 경사도가 상대적으로 높아 자율주행기술 적용이 어려운 문제가 있다. 특히 미국의 경우는 작업 시작과 끝지점에서 선회가 이뤄지는 새머리(headland)에서는 자동주행 기능을 사용하지 않고 작업자가 운전하고 그 새머리에는 별도의 농작업을 수행하지 않는 반면에 국내 논 포장에서는 논둑이 존재하고 새머리에도 작업이 이뤄지기 때문에 더욱 정밀한 경로생성과 탐색기술이 개발돼야 한다. 또한, 벼농사에 적용되기 위해서는 높은 수분상태의 토양조건에서 주행 중 미끄러지는 슬립문제를 고려하는 경로탐색과 조향기술이 적용되어야 한다. 이외에도 밭농사 경사지 포장에서 슬립과 위치 신호보정을 동시에 수행하는 알고리즘 연구도 국내 자율주행 농기계 기술에서는 중요한 연구내용이다. 자율주행 농기계의 중요 정보인 필요한 위치인식에 사용되는 GPS 센서는 가격을 낮추면서 높은 정확도를 확보하는 것이 실용화 측면에서 매우 중요하다. 미국의 경우는 SBAS 형태인 WASS시스템이 가동되면서 기존의 고가의 DGPS 대신에 무료로 제공되는 WASS 신호를 이용해 30㎝ 이내의 정확도를 확보하고 있어 자율주행 농기계 기술 활용이 높아지고 있다. 국내의 경우도 자율주행 좌표측정에 오차를 가지고 있는 GPS 신호와 다른 기지국 상대 위치정보를 수집하거나, 영상센서를 이용 두둑이나 농작물을 인식해 위치정보를 보정하여 정확도를 높이는 기술이 개발이 되면 자율주행 농기계 기술의 적용은 더욱 늘어날 것으로 기대된다.

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