“무인자율작업용 기계시스템은 첨단기술융합체”

농업생산성을 높이기 위해, 또한 지역 균형발전과 인구분산을 통한 지역경제 활성화를 위한 귀농귀촌 정책의 확산을 위해서, 자율주행 농기계 기술적용은 매우 중요한 이슈이다. 더욱더 효율적이고 정확한 농작업이 가능해지며, 인건비를 줄이고 전반적인 농업생산성을 향상시킬 수 있고 원거리 원격작업이 가능해짐으로써 농작업 환경을 매력적인 경제동력으로 탈바꿈하는 계기를 만들 수 있다.

그러나 자율주행 기술을 구현할 때는 고려해야 할 몇 가지 주요사항들이 있다. 첫째, 농기계 자율주행 및 자율작업에서는 초정밀 측위기술을 바탕으로 한 정확한 경로설정과 모니터링이 담보돼야 한다. 특히 국내의 밭농업 환경은 농로의 폭이나 깊이, 농지의 모양이나 크기가 정형화돼있지 않고, 작업환경의 표준화를 이룰 수 없어 이러한 정확한 경로설정과 실제 주행의 오차가 작물의 재배에 큰 영향을 줄 수 있다.

RTK-GNSS 구성예시(FJDYNAMICS PTE, LTD.)

경북대학교 밭농업기계개발연구센터에서 진행한 디지털 트윈 자율/원격주행 사전 연구 및 시연

드론 촬영을 이용한 모델링 생성 방법 예시 (pixed4D)

경북대학교 밭농업기계개발연구센터 인근(농지) 비행경로

밭농업기계의 자율주행 기술에서 가장 중요한 고려사항은 자율주행 기계의 정확성과 정확성을 보장하는 것이다. 현재는 RTK-GNSS 기술 등을 사용하여 주행 오차를 극복하고 있다. RTK(Real-Time Kinematic)는 GNSS(Global Navigation Satellite System)의 일종으로, 고정밀 위치측정 기술을 말한다. RTK는 기본 GNSS(GPS) 측위기술에 비해 더 정확한 위치 정보를 제공한다. 일반적으로 m수준의 정확도를 가진 GNSS와 달리, RTK는 ㎝ 수준의 정확도를 제공한다. RTK는 두 개의 GNSS 수신기를 사용해 측위시스템을 구성한다. 하나는 고정 기준국(Fixed receiver)이고 다른 하나는 이동체에 설치되는 로버(Moverble receiver)이다. 기준국은 자율작업 및 자율주행이 실행되는 위치에 설치되며, 이동체에 설치되는 로버는 측정하려는 대상이 된다. RTK의 작동원리는 기준국과 로버 모두 GNSS 위성으로부터 신호를 수신하고 기준국은 자신의 알려진 위치와 수신한 위성신호를 기반으로 측정오차를 계산하며, 오차의 발생은 주로 신호지연, 위성궤도 오차 등이다. 기준국은 계산된 오차를 무선통신링크(일반적으로 UHF 또는 휴대폰 데이터네트워크)를 사용해 로버에게 실시간으로 전송한다. 로버는 기준국으로부터 받은 오차 보정정보를 사용해 자신의 위치를 더 정밀하게 계산해 ㎝ 수준의 위치정확도를 확보할 수 있다.

둘째, 작업 모니터링 기술이다. 자율주행이나 자율작업을 모니터링해 작업의 진척도를 확인하고 경로를 설정하기 위한 중요한 요소이다. CCTV, 드론 부착카메라 등을 통해 이러한 모니터링을 할 수 있지만, 전송방식이 비디오 스트리밍일 경우 데이터의 소모량이 커 상용화하기에는 통신비용이 문제가 된다. 이러한 문제를 극복하기 위해 최근에는 디지털트윈 기술과 자율주행 기술을 접목하는 연구가 진행되고 있다.

셋째, 광대역 데이터 전송기술과 통신 인프라가 중요하다. 초장거리 와이파이 POE(Power over Ethernet, 이더넷 전원장치) 기술은 데이터 신호 및 전력을 단일 이더넷 케이블 연결로 결합해 전력장치를 원격으로 작동시키는 엑서스 계층기술을 말한다. 현재 디지털트윈 트랙터 시뮬레이터의 기술적인 문제를 해결하기 위한 가장 적합한 기술로써. 간편함, 비용 절감, 지능형 디바이스 제어, 산업표준에 적합하며 IEEE 802.3bt 표준의 도입과 함께 발전하고 있는 기술로써 전력장치가 포트당 30W 이상의 POE를 작동하고 포트당 최대 60~90W의 POE를 지원할 수 있는 CPE(Customer Premises Equipment, 가입자 댁내장치) 기술은 자급장치로 독자적으로 자율주행트랙터 플랫폼에 인터넷 환경이 조성되지 않는 상태를 인터넷이 되도록 만들 수 있는 기술이다.

넷째, 다양한 환경 및 실시간 작업데이터가 중요하다. 디지털 트윈 가상공간을 만드는 첫 번째 단계는 다양한 소스에서 자료를 수집하고, 여기에는 형상 데이터, 즉 크기, 레이아웃, 토양정보 데이터(Soil model)와 같은 물리적 공간에 대한 정보와 온도, 습도, 일조량과 같은 필수 환경정보와 함께 직접 농용로봇 플랫폼에 센서나 카메라 등을 부착해 수집된 정보 데이터를 빅데이터화 하는 것이 매우 중요하다. 이는 향후 AI와 빅데이터 기술을 통합하는 사전적 준비이다. 또한, 플랫폼 장비의 운전상황과 유지보수에 꼭 필요한 실시간 장비정보 데이터도 장비의 운전상황 파악을 위해 꼭 필요한 정보이다.

다섯째, 에너지 저장장치가 있다. 최근에는 전기구동농기계(EV)에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 여기에 가장 문제가 되는 것은 배터리의 용량확보 및 폭발, 화재 등의 안전문제 해결이 가장 큰 숙제이다. 전기차 배터리 화재는 드물게 발생하지만, 전기차의 안전성과 전력 저장시스템의 신뢰성에 대한 우려를 불러일으킬 수 있다. 최근에는 발열 및 화재위험을 줄일 수 있도록 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리(Solid-state battery)에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 전고체 배터리는 일반적으로 더 높은 에너지 밀도를 갖는다. 전고체 배터리는 아직 초기연구 및 개발단계에 있다. 연구자들은 다양한 고체 전해질 재료, 배터리 구조 및 제조기술을 탐구하고 있다. 일부 성공적인 연구결과가 있지만, 아직 상용화에 필요한 성능 및 안정성을 달성하지 못하고 있다. 최근 경북대학교 밭농업기계개발연구센터는 슈퍼케페시터 배터리를 동력원으로 하는 전기구동 플랫폼연구를 진행하고 있다. 슈퍼캐패시터(Super-capacitor)와 배터리(Battery)는 전기에너지 저장장치로 사용되지만, 작동원리와 성능특성이 다르다. 슈퍼캐패시터는 전기축전기를 기반으로 한 기술로, 빠른 충전과 방전 속도를 갖고 있다. 반면 배터리는 전기화학적 반응을 통해 에너지를 저장하며, 일반적으로 슈퍼캐패시터보다 높은 에너지 밀도를 갖는다. 슈퍼캐패시터와 배터리를 결합한 것을 슈퍼케페시터 배터리라고 부르고 이러한 하이브리드 시스템은 슈퍼캐패시터의 빠른 충전·방전 속도와 높은 파워밀도, 그리고 배터리의 높은 에너지밀도와 긴 지속시간을 모두 활용할 수 있다. 슈퍼케페시터 배터리는 전기구동 플랫폼에 빠른 충전과 높은 출력을 통해 가속 및 제동에너지 회생에 이점을 제공한다. 또한, 그리드의 피크 전력수요를 처리하거나 재생가능 에너지의 불규칙한 발전을 보완할 수 있다. 농작업 환경을 극복하고, 화재나 폭발에 대한 걱정에서 벗어나 안정적인 전력 공급에 혁신을 기대할 수 있는 슈퍼케페시터 배터리의 연구와 개발이 성과를 가질 수 있다면, 농업 자율주행 및 작업환경에 더욱더 효율적이고 내구성을 높일 것이다. 또한, 완전한 무인자율주행 농작업을 위한 무인자동충전시스템에 대한 상용화 연구도 동시에 진행되고 있다.

마지막으로는 안전에 대한 고려이다. 작업자, 동물 및 기계 자체의 안전을 보장하는 것이 중요하다. 자율주행 차량에는 장애물 감지 및 충돌방지를 위한 강력한 감지 센싱시스템과 비상정지 기능이 있어야 한다. 이러한 안전기능이 없으면 기계가 사람이나 동물과 충돌할 가능성으로 인한 커다란 문제가 발생할 수 있다.

이와 같이 농작업의 무인자율작업용 기계시스템은 단순한 자율주행기술만이 아닌 센서기술, 빅데이터, AI, 디지털트윈, 배터리, 모터제어기술 등이 복합적으로 결합된 첨단기술융합체 기술이며, 상용화 된다면 관행에 비해 효율적이고 정확한 농작업을 통해 농업생산성 향상 및 신성장동력으로서 탈바꿈하는 계기를 만들 수 있을 것이며, 정부의 디지털농업 전환의 주요한 정책이 될 것으로 판단된다.