국립농업과학원 자율주행 농기계 연구 로드맵
단기 · 중장기 계획으로 단계적 연구개발 진행
4차 산업혁명 기술을 농업에 적용하게 할 대표적인 수단으로 ‘무인 · 자율주행 농기계’는 절대 빠질 수 없는 것 중 하나며, 어쩌면 가장 기본적인 수단이다. 현재 국내 무인 · 자율주행 농기계의 기술수준은 사실상 자동조향(Level-1) 단계서 머물러 있으며, 최고 기술 보유국과의 기술격차는 최소 5년 이상 나는 것으로 관련 전문가들은 내다보고 있다.자율 주행 트랙터를 수도작에 이용할 경우 생산비를 관행농법과 비교해 30% 가량 감소시킬 수 있다. 아울러 제초 작업을 무인화로 전환할 경우, 10a당 1시간이 소요되며, 인력으로는 약 16시간이 소요돼 획기적으로 노동시간 또한 절감할 수 있다.전문가들은 이와 같은 자율주행 농기계의 효율성을 더욱 극대화시키기 위해서는 농지기반 정비, 특히 밭농업의 경우 파종 및 정식 시기부터 기계화가 가능하도록 농업기반 조성 및 재식거리의 표준화, 그리고 무인 · 자율주행 농기계 부품의 표준화가 이뤄져야 한다고 강조한다. 본지는 국내 국가연구기관서 진행중인 ‘무인자율주행 농기계’ 관련 연구 및 동향에 대해 정리해봤다.
◆ 국립농업과학원 자율주행 농기계 연구개발 현황
△ 원격제어 트랙터 및 무인 자율주행 트랙터 개발 (1999년)
원격지에서 영상과 조이스틱을 활용한 트랙터 운전이 가능한 모델을 개발했다. RTK-GPS(실시간 GPS)를 활용한 무인 자율주행 기술을 개발해 장애물이나 작업자를 인식하고 회피할 수 있는 기술을 구현해냈다.
△벼농사용 제초로봇 개발(궤도형) (2011~2014년)
무논에서 5cm 이내의 오차로 모 사이를 자율주행하면서 잡초를 제거하는 로봇으로서 모의 열 사이를 주행하며 조간 사이에 발생한 잡초를 절단 및 제검함과 동시에 표토 교란을 통해 잡초의 발아를 억제한다. 핵심기술로서는 무논 주행로봇, 자율주행기술, 수소연료전지와 배터리를 활용한 하이브리드를 동력으로 하는 조합기술 등이 있다. 1시간/10a로 인력의 16배 능률을 자랑한다. 주행 오차 ±3cm와 잡초제거율은 80%를 기록했다.
△벼농사용 제초로봇 개발(바퀴형) (2015~2018)
연약지 무논에서 적응이 우수하고, 기존 승용관리기와 부품 호환 설계로 실용화 촉진형 로봇으로 고지상고(660mm), 4륜 조향, 침하가 심한 간척지 논에서도 효율적으로 주행한다. 아울러 6조식 이앙기로 심은 모열 사이에 안전 커버를 씌운 회전날을 사용해 물리적으로 제초한다. 2차원 레이저 스캐닝 및 접촉식 작물 인식 기술과 자율농작업 기술이 핵심기술로 50분/10a 인력의 20배 능률을 자랑한다. 주행 오차 ±5cm와 잡초제거율은 80%를 기록했다.
2018년에는 인공지능 기술을 적용한 영상 기반 모열 인식 및 추종기술을 개발해 인공지능 기법 중 하나인 CED(Convolutional Encoder-Decoder Network) 모델을 이용해 모열을 인식하고 추종하는 기술을 구현함으로써 고가의 센서를 저가의 센서로 대처해 생산 비용을 절감시켰다.
△과원용 자율주행 로봇플랫폼 및 자율항법 알고리즘 개발 (2016~2018)
사과 과수원에서 주기적으로 해야만 하는 필요 농작업을 로봇으로 대체하는 것을 목표로 했따. 구동 및 조향은 BLDC 모터를 사용해 제어하며 이는 매연을 발생시키지 않는다. 장애물 인식 및 회피 기술을 탑재하고 오류가 발생할 경우를 대비해 비접촉식 범퍼시스템을 구축해 작업 안전성을 확보했다. 전, 후륜 이중조향 방식을 통해 로봇의 자세 변화를 최소화해 센서 기반 경로 추종 알고리즘을 단순화 했다. 상황별 과수열 추종시험결과, 오차 5cm와 각도 편차 1.99도 이내의 주행을 했다.
△과원용 로봇 방제 기술 연구 (2018~2020)
자율주행 플랫폼 기반 과수 유무 및 형상을 인식해 선택적 방제가 가능한 스마트 방제기를 개발중이다. 총 18개의 분사 노즐에 솔레노이드 밸브를 장착해 인식된 정보를 기반으로 덕립적으로 개폐 제어가 가능하다.
△자율주행 농기계 활용 기반 기술 연구 (2018~2020, LS엠트론 공동)
고가의 센서(RTK-GPS 등)을 대신해 영산 기반 무인 농작업을 위한 자율주행 트랙터 핵심 기술들을 개발하고 있다. 자율주행 농기계의 안전한 농작업 체계적 활용기반 구축과 매뉴얼 등을 만들고 있다.
◆ 향후 계획 및 개발 방향
△단기(5년 이내)
자율주행 핵심 요소기술을 기존 농기계에 적용 가능하도록 개선 및 보완해 기개발 기술의 조기 상용화 과제 기획을 수행할 것이다. 1) 머신 비전 기반 트랙터 자율주행 기술 고도화 및 지능형 무인 농작업기를 개발할 것이다 (2021~2030년). 2) 자율주행 농기계 간 협동 작업 체계 구축 및 이기종간 정보 공유기술을 연구할 것이다. (2023~2027).
△중장기(5~15년)
자율주행 플랫폼 기반 머신 비전 및 인공지능 기술을 적용한 수확가능 농작물 인식, 판단 및 수확 기술 연구를 진행할 것이다. 한국형 스마트팜 실현을 위한 자동화 및 로봇 활용 통합 관리 기술을 연구할 계획이다. 아울러 연약지반에서도 자유로운 주행 및 작업이 가능한 농작업 로봇 플랫폼을 개발하기 위한 연구도 진행한다.
미니 인터뷰 김국환 농업공학부 스마트팜개발과 박사
Q. 첨단 기술 등을 활용한 미래농업기술의 현주소는 어떠한가.
A. 최근 농업 인구의 감소, 고령화 등의 문제를 해결하기 위해 제초, 방제, 이송, 수확, 모니터링, 파종, 접목, 이식, 비료·퇴비 살포 등의 다양한 농작업의 자동화·무인화를 목적으로 농업 로봇의 연구 개발에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있다. 특히 최근 4차 산업혁명의 도래와 그 핵심 기술들이 농업에 도입되어 로봇화, 자동화 기반의 스마트 농업이라는 새로운 패러다임으로 발전하고 있다.
고정밀 센서, 컴퓨팅 파워, 클라우드 시스템, 5G 기술 등을 통해 고투입, 다수확 농업의 한계를 극복하고 최적 농법으로 전환하여 투입 자원의 감소와 수확량의 증가로 농가의 소득 증대 및 농산물의 안정성은 높아지고, 농업의 환경 부담은 크게 감소되고 있다.
Q. AI 등을 접목시킨 첨단 농업기술의 발전으로 갈수록 줄어드는 농업 현장 노동인력을 대체할 수 있을 것인가. 대체가 된다면, 효율성은 어느 정도인가. 그 시기는 언제쯤으로 예상하고 있는가.
A. 무인 농업 시대가 점점 우리와 가까워지고 있다고 생각한다. 노지 뿐 아니라, 시설원예, 축산 등 다양한 농업 분야에서도 농작업의 자동화, 무인화 기술들이 개발, 상용화되고 있으며, 농업 로봇 기술의 발전은 농사 기술 및 농작업 체계에도 큰 영향을 미치고 있다. 이 말은 농업기술의 발전만으로는 무인 농업의 실현이 어려우므로 농기계뿐 아니라, 시설, 원예, 식량, 축산 등 각 분야의 다양한 전문가들이 머리를 맞대고 스마트팜과 농업 로봇 관련 기술의 고도화에 앞장서야 한다는 것이다.
또한, 기술 개발에만 머무는 것이 아니라, 직접적으로 농민에게 도움을 줄 수 있는 기술의 상용화를 목표로 연구 개발에 좀 더 박차를 가한다면 향후 10년 안에 일부에서는 무인 농업 시대가 도래할 것으로 기대하고 있다.
Q. 앞으로의 계획은 무엇인가.
A. 앞으로의 계획은 첨단 농기계 관련 연구 개발과 병행하여 농업 로봇 산업 활성화를 위해서 로봇 업체와 농기계 전문 산업체의 협력 관계 구축과 융합형 연구 개발을 통한 관련 원천 기술의 확보로 국내 농업 로봇 산업 생태계 조성이 이바지하고. 이를 위해서는 로봇 농업을 위한 기초 인프라 구축, 농업과 로봇 기술 융합을 기반으로 한 한국형 미래 농업 모델 개발에 앞장설 것이다.
또한, 첨단 농기계 활용 방법이 아무리 단순하더라도 연구·개발 및 보급 초기에는 안전성, 작업 환경 적용, 초기 작업 설정 등 관리 및 활용을 위한 전문 인력도 필요하기 때문에 농업 로봇 전문가 양성 기반을 확보하여 농업 로봇 활용을 극대화 시킬 것이다.