“보급초기에 정부기관 의무공급 필요해”

▶농산업 분야의 환경변화

최근 여러 산업분야에서는 4차산업혁명 핵심기술인 인공지능, 로봇 및 빅데이터 기술 등과 접목한 자동화, 디지털화를 통해 직면한 문제를 해결하고자 하는 움직임이 빠르게 확산하고 있다. 특히 농업현장에서는 센서와 컴퓨터, 로봇기술 등을 접목한 지능화, 무인화를 통해 인력난 해소, 농작업 편이성 제공 등 현안문제를 해결하고 농가의 소득증대 및 농산물의 안정적인 공급을 지원하고 있다. 그뿐만 아니라 농약과 비료의 사용을 줄이기 위한 지능화와 내연기관을 대신할 농기계 전동화를 통해 탄소저감 등 농업환경 부담을 줄이고 친환경 농산물을 생산, 공급하고자 하는 방향으로 진화하고 있다.

▶자율주행 기술의 적용

첨단농기계는 기존의 농기계에 로봇 등 ICT 기술을 접목해 사용자에게 농작업 편이성을 제공함으로써 더욱 쉽고 안전하게 농작업을 수행할 수 있도록 해준다. 대표적인 첨단농기계 적용기술로는 자율주행 기술을 꼽을 수 있다. 자율주행 기술은 농업기계 중 사용비중이 가장 높고 첨단화되어 있는 트랙터를 중심으로 기술개발이 이뤄지고 있다. 농작업 시 자율주행은 자동차에 비해 유리한 사용환경 조건을 가지고 있다. 특히 트랙터 작업의 경우 주변 장애물이 적고 다양한 자동차가 이동 및 교차하는 도로와는 달리 사고위험이 적으며 작업속도가 20㎞/h 내외의 저속으로 기술적인 측면에서 접근이 쉬운 장점이 있다. 최근에는 고정밀 위성항법시스템(RTK-GNSS)와 전동형 핸들 등을 활용한 자율주행 기술을 기존의 트랙터나 관리기 등 승용형 농기계에 장착해 작업자 대신 농경지를 10㎝ 이내의 오차로 스스로 직진주행하면서 경운, 정지, 파종 등의 농작업을 도와줄 수 있다. 업체에서 개발해 농가에 보급되고 있는 직진주행 이앙기의 경우도 2인이 하던 모내기 작업을 1인 작업이 가능하게 해준다.

▶농촌진흥청 자율주행 농기계 개발 사례

농촌진흥청에서도 자율주행과 결합한 다양한 첨단농기계에 대한 연구개발이 이뤄지고 있다. 이미 1999년에는 고정밀 GNSS와 영상, 인공지능 기반의 자율주행 트랙터 기술을 개발했다. 기존의 농기계에 장착해 활용할 수 있고, 농작업자나 장애물을 인식하고 회피할 수 있는 기술까지도 구현했다. 하지만 당시만 하더라도 고정밀 GNSS 장치의 가격이 너무 높아 산업화까지는 이뤄지지 않았다.

GPS와 영상기반 자율주행 트랙터

무논 환경에서 자율주행하면서 제초작업을 수행할 목적으로 벼농사용 제초 로봇도 개발했다(2015). 2D 레이저 센서를 이용해 모의 열과 지면의 높이차를 비교해 모를 밟지 않고 ±5㎝ 이내의 오차로 작물 열을 추종하고, RTK GNSS를 활용해 선회구간을 인식해 다음 작업 열로 진입할 수 있는 핵심기술을 개발했다. 또한, 인공지능 기술과 접목해 하나의 카메라로 모열을 인식, 추종할 수 있는 기술도 개발해 고가의 센서를 대체할 수 있는 기반기술을 확보했다.

농촌진흥청 개발 제초 로봇(좌)과 인공지능 활용 모열 인식 작물 추종 기술(우)

최근에는 영상과 인공지능 기술을 활용해 경운한 곳과 경운하지 않은 포장의 경계를 인식해 자율작업을 수행할 수 있는 트랙터 자율주행 기술을 개발했다(2020). 땅을 경운하면서 트랙터에 장착된 영상카메라로 실시간 촬영해 흙의 색깔과 질감, 두둑 여부 등을 파악해 경운된 곳과 경운되지 않은 곳의 경계를 검출한다. 그리고 검출된 경계정보를 심층학습(딥러닝) 기술로 분석해 트랙터의 주행방향을 제어하며 직진주행과 선회하는 방식으로 트랙터 자율주행을 실험한 결과, 작업속도 3㎞/h 시 직진 주행경로 오차는 ±9.5㎝ 이내로, 운전자 주행 시의 오차 ±21.2㎝보다 낮은 결과로 나타났다. 이는 영상장치만으로 경로추종을 할 수 있을 뿐 아니라 장애물 인식도 가능해 하나의 단일센서로 복합적인 임무를 수행할 수 있어 생산 단가를 낮출 수 있다는 장점이 있다.

자율주행 트랙터의 인공지능 기반 조향각 계산

2020년에는 다채널 레이저센서인 LiDAR를 활용하여 3차원 공간상의 과수 위치 및 형상을 인식해 과수에만 농약을 살포할 수 있는 ‘지능형 로봇 방제기’를 개발했다. 원리는 과수원에서 병해충 방제를 목적으로 사용하고 있는 기존의 SS기(speed sprayer)의 분사구에 전자식 솔레노이드 밸브를 장착해 LiDAR를 통해 인식된 과수에만 농약을 살포할 수 있도록 분사구별 개폐제어를 하는 방식으로, 기존 SS기 대비 농약살포량을 20~40%까지 절감할 수 있으며, 이 방제기는 고정밀 GNSS 기반 궤도형 주행플랫폼에 탑재돼 사전에 설정해 둔 과수원 내 경로를 따라 자율주행하면서 무인방제를 수행한다. 지능형 로봇방제기를 사용해 방제할 경우, 농약절감률 30% 기준으로 추산해보면 총 과수원 대상 연간 1980억원의 생산비용 절감은 물론 농약의 토양유입 등으로 인한 환경 및 사회적 보상비용 약 639억원 등 연간 2619억원의 비용이 절감될 것으로 예상된다.

그 밖에 과수원용 제초로봇과 작업자 추종 운반로봇, 자동 약액충전 등의 기능을 추가한 지능형 방제로봇 기술고도화, 인공지능 및 영상기반의 사과 수확로봇 기술 등의 첨단농기계 관련 연구가 진행되고 있다.

스마트 로봇 방제기의 LiDAR 센서 활용 과수 인식

▶시사점 및 제언

이렇게 개발된 첨단농기계가 연구개발에만 그친다면 아무 의미가 없을 것이다. 이를 상용화해 농가에 보급하는 것도 중요한데, 첨단농기계에 대한 농민들의 인식 및 관심부족, 비싼 구매비용, 인프라 및 설비의 부재 등으로 인해 보급하기조차 쉽지 않은 것이 현실이다. 특히 첨단농기계를 제작, 판매할 업체들의 숫자도 적은 데다가 농작업 특성상 그 수요가 적어 선뜻 업체들도 첨단농기계를 제작, 판매할 엄두를 못 내는 실정이다. 게다가 첨단기술을 적용하기 위해서는 개발인력의 확보도 중요한데 이를 충원할 여력 또한 많지 않다는 것도 현실적인 문제 중 하나이다.

이를 해소하기 위한 하나의 방편으로, 보급 초기에는 사용 주체인 농민들을 수요대상으로 하기보다는 각 도 농업기술원이나 시군 센터, 농협 등을 통한 임대 또는 보급사업을 추진해 첨단농기계 제조사가 최소한의 공급물량을 확보할 수 있도록 해줄 필요가 있다. 이는 수요가 적은 만큼 선순환적 보급구조를 통해 농민도 부담 없이 첨단농기계를 접해볼 수 있게 함으로써 신기술에 대한 인식전환의 계기를 마련해 줄 수 있을 것이다.

이렇게 기초 인프라 구축, 첨단농기계 제조업체 활성화 및 농업과 로봇기술을 결합한 전동화, 무인화된 첨단농기계를 기반으로 한국형 미래농업 모델을 제시한다면, 인간과 첨단농기계의 협업을 통해 새로운 시대의 흐름에서 한국형 첨단농기계 기술의 미래 비전과 핵심기술로써 확실한 자리매김을 할 수 있을 것이다.