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[전문가 기고] 자율주행 농기계의 핵심기술과 연구동향- 김학진 교수(서울대학교 바이오시스템소재학부)
【전문가 기고】 자율주행 농기계의 핵심기술과 연구동향
- 김학진 교수(서울대학교 바이오시스템소재학부)

 

“영농 의사결정의 중요 플랫폼으로 활용”

자율주행 농기계시장 매년 20%씩 성장···2050년 450억달러 규모
국내시장 수입산이 잠식확대···국산화추진·정부차원 대책마련 시급

농업환경의 변화와 디지털 전환

최근 미국, 유럽, 일본 등의 농업 선진국은 4차 산업혁명의 주요 기술인 IoT 센서, AI, 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅, 자율주행 로봇 등의 첨단 과학기술기술을 사용하는 데이터기반의 ‘스마트농업’ 또는 “디지털파밍”으로 전환이 이뤄지고 있다. 이러한 변화는 수집된 데이터를 기반으로 비료, 농약 등의 농자재와 에너지를 효율적으로 투입하는 것이 가능하기 때문에 전세계의 식량과 물의 부족해결은 물론 최근 가속화되고 있는 지구온난화 문제해결을 위한 농업기술로 주목받고 있다. 우리나라의 경우에도 농촌고령화 대응과 농업생산기술의 디지털혁신을 구축하고 유통·소비 등을 연결하는 농업 전후방산업을 발전시키기 위한 기본계획을 수립해 농업의 미래경쟁력을 갖추기 위한 노력을 기울이고 있다.

 

자율주행 농기계의 태동 및 확산

자율주행 농기계는 주어진 작업경로를 스스로 인식(Perception)하고 판단(Cognition)하여 경운, 파종, 방제, 수확 등 다양한 농작업을 자동으로 수행할 수 있는 기계로서 최근 우리 농촌에는 자동직진주행이 가능한 이앙기를 시작으로 기존 농기계에 장착해 직진과 자동선회기능을 제공하는 외산 자율주행 키트가 판매보급되고 있으며, 최근에는 자동선회기능이 탑재된 일본 자율주행 트랙터와 이앙기 제품이 도입이 시작되고 있다. 이에 대응하기 위해 국내 농기계 완성차 업체와 전장업체는 자율주행 기술의 국산화에 박차를 가하고 있을 만큼 국내 농기계시장은 급물살을 타고 있다.

특히 일본의 자율주행 이앙기는 물론 농작업별로 작업정밀도의 옵션을 다양하게 제공해 제품이용의 선택성을 높이거나 정밀 농작업이 가능한 작업기 제어모듈이 탑재된 구보다, 얀마, 존디어를 비롯한 농기계회사 제품은 물론, 기존 농기계에 쉽게 장착해 다양한 자율농작업이 가능하도록 꾸밀 수 있는 탑콘과 FJ다이나믹스 등 수입산 전장 제어모듈의 국내시장 잠식이 빠르게 진행되고 있어 이에 대한 정부차원의 대책마련이 필요한 실정이다.

이러한 자율주행 농기계는 2020년 미국 인디애나주의 350개 농기계 판매점의 설문조사 결과에 따르면 자율주행 농기계에 수요가 2007년 30%에서 2020년에는 90%로 크게 높아졌음을 보고하고 있다. 이를 뒷받침하듯 자율주행 농기계의 시장은 매년 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 모듈은 획기적으로 낮출 수 있으며, 작업성능 측면에서도 사람에 비해 일정간격으로 똑바로 주행하면서 하는 작업이 유리해 결과적으로 작물을 심을 수 있는 재배면적을 더 확보할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 또한, 운전자는 작업진행 중에 자재준비나 작업정도 파악에 따른 보조작업도 가능해 보조인력의 투입을 줄 일 수 있어 비용측면에서도 유리한 점이 있기 때문인 것으로 판단된다.

 

자율주행 농기계의 핵심기술

자율주행 농기계의 기본 구성요소는 위치와 자세정보와 함께 조향핸들의 각도를 측정하는 각도센서를 포함한 센서조합, 포장 내 작업경로를 경로점(Waypoint) 형태로 생성하는 경로생성 알고리즘과 현재위치와 목표위치의 차이를 이용 조향바퀴의 방향각을 계산하는 경로탐색 알고리즘 등의 소프트웨어, 그리고 이를 컴퓨터 내에 탑재해 두뇌역할을 하는 주행안내 및 제어장치로 구성된다. 또한, 각 작동기와 작업기, 본체 간에 통신을 수행하면서 주행속도, 방향각, 작업기 작동에 필요한 조향장치와 구동장치 등의 다양한 액츄에이어터를 통해 작동하게 된다.

자율주행 농기계 기술이 시장에 제품으로 처음 등장하게 된 것은 1990년대로 과거 군사적 목적으로 사용됐던 GPS 기술이 민간으로 사용하게 되는 시점부터 본격적으로 가능하게 됐다. 초기의 제품은 그림에 나타난 바와 같이 트랙터 주행안내기의 제품으로서 LED 불빛의 좌우 켜짐 정도에 따라 운전자가 주어진 경로를 따라 제대로 가고 있는지를 알려줌으로써 비료, 농약살포작업 시 중첩살포되는 문제를 없애는 데 효과적으로 사용됐다. 이후 자동조향기술로 발전이 이뤄지게 되면서 최근에는 직진주행과 함께 자동선회를 자동으로 수행하는 제품기술은 물론 트랙터 전방에 설치된 카메라를 이용해 작물열을 감지해 실시간으로 주행 안내선을 생성해 작물 주간사이를 주행할 수 있도록 해 작물손상을 최소화하는 자율주행 농기계도 시장에 보급되고 있다. 또한, 농기계간에 자동 연동(Syncronization) 기능이 제공되는 기술도 개발됐다. 예를 들면, 작물을 수확하는 콤바인을 뒤따르는 트레일러가 곡물 수집을 위해 일정 거리를 유지하면서 자동으로 추종하는 기술이 개발됐다. 이러한 기계 연동기술은 콤바인과 트랙터의 속도와 위치를 계속 동기화하기 때문에 충돌을 예방할 수 있다.

[그림 1] (좌상)농기계주행 안내장치, (우상)자동선회기능의 자율주행 농기계, (좌하)영상센서를 이용한 작물열 검출 자율주행 장치, (우하) 콤바인과 트레일 자동연동 기능. <출처: www.deere.com>

국내외 자율주행 농기계 연구동향

국내의 자율주행 농기계 기술은 트랙터를 이용해 논 포장 내에 경운과 균평작업을 자동으로 수행하는 수도작용 자율농작업 모듈개발 연구가 활발히 진행돼 완성차 기업인 대동, TYM, LS엠트론은 100~149 마력급의 트랙터에 GPS와 조향제어 모듈을 탑재한 시작기를 개발했으며 최근 시장에 시제품을 출시했다. 연구측면에서는 비정형 수도작 포장 내에서 내부 왕복작업과 선회와 회경 마무리작업에 필요한 경로를 자동으로 생성하고 이를 사람의 개입 없이 스스로 작업을 수행하는 자율농작업 트랙터를 개발해 그 성능을 검증했으며 실증시험을 진행하고 있다.

국내외 자율주행 농기계의 발전은 인간의 조작개입이 없이 농경지에서 작업을 지시하면 주변을 실시간으로 인식하면서 자율주행 및 정밀작업을 수행하는 방향으로 전개되고 있다. 즉, 과거 자율주행 농기계는 작업자가 주어진 경로를 생성하면 안내선을 정확하게 따라가면서 작업하는 자동화 단계에서 이제는 농기계가 주변 장애물을 인식하면서 대응을 하고 작물과 토양를 인식해 작업을 수행하는 등 사고할 수 있는 인공지능기술이 탑재된 자율농작업 기계기술 방향으로 진행되고 있다.

이를 뒷받침하듯이 2022년과 2023년 연속으로 소비자 가전전시회(CES, Consumer Electronics Show)에서 최고 혁신상을 받은 존디어 제품과 같이 사람이 탑승하지 않고 주행하면서 농작업을 수행하는 트랙터가 장착된 카메라를 인식해 주변 장애물을 인식하고 원거리에 있는 농민에게 조작자에게 알림을 통해 작업진행을 판단하는 기술, 토양의 수분상태와 조건을 근거로 종자의 깊이를 정밀하게 조절하고 파종구역만 경운해 탄소배출을 조절하는 지능화되고 친환경적인 농작업 기술을 자율주행 로봇기술 방향이 크게 주목받게 됐다. 결국 1995년 GPS 기술 사용을 필두로, 1990년대 후반 주행안내키트 보급, 2000년 자율주행 키트의 개발보급, 2010년 자율주행 트랙터, 최근의 주변인식 무인트랙터, 군집주행에 의한 자율주행 농작업 신기술 등의 개발 흐름으로 전개되고 있다.

 

자율주행 농기계 기술의 활용성 확대

미래 영농에는 이러한 자율주행 농기계의 발전과 IoT 센서기술과 연동되는 텔레매틱스 커넥티드팜 기술이 보편화되고 그 활용성이 높아질 것이다. 센서를 이용해 현장에서 작물과 토양, 수자원 등의 시계열, 공간 데이터를 수집하고, 수집된 정보를 실시간으로 클라우드 서버로 전송 저장되며, 생육정도와 수확량 데이터를 분석·평가해 모델을 수정하면서 다음 해를 위한 영농 의사결정을 반영하는데 있어 자율주행 농기계 기술은 중요 플랫폼으로 이용될 것으로 전망된다.

[그림2] 자율주행 농기계 기술의 발전단계

 

농축산기계신문  stylett77@alnews.co.kr

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