다변형 포장에서의 무인 트랙터 경운작업용 경로생성 및 강인 추종 제어기 개발

Abstract

최근 농기계가 대형화 되면서 작업 성능은 과거에 비해 크게 높아졌지만 국내의 영농조건은 대부분 1 ha 이내의 좁은 면적의 포장에서 파종, 경운, 방제, 파종 등 다양한 농작업에서 사용되면서 작업의 정도도 일정 경로를 따라 겹치지 않고 적정 폭으로 운전하고 새머리 선회를 정밀하게 수행하는 농기계 작업기술이 필요하다. 특히 무인 농작업 기계기술을 고려했을 때 좁은 포장에서 포장 형상이 직교형을 포함한 비정형 형태에서 자동 농작업과 선회가 가능한 경로생성과 추종기술 개발은 중요하다. 반면에 국외의 상용 자동 주행제어시스템은 직진과 곡선 자동 주행 기능만 제공되고 새머리에서의 농기계 자동선회 기술은 가능하지 않기 때문에 국내 적용이 어려운 기술수준이다. 본 연구에서는 농업용 트랙터에 무인자율주행을 위한 각종 제어 및 조작 장치를 탑재하고 다양한 형태의 포장형상에서 무인 자율로 농작업이 가능하도록 작업경로 자동 생성과 추종 제어 시스템을 개발하고자 하였다. 이를 위해 직교형, 사다리형, L자형 등 다양한 형상의 포장 내에서 경운작업을 수행하고 자동선회가 가능한 경로생성 알고리즘과 주행 중 발생하는 노면의 슬립정도를 측정하면서 작업경로를 최적으로 추종하는 강인 조향제어기술을 개발하였으며, 가상현실에서 무인 농작업이 가능한 시뮬레이터를 이용하여 개발한 알고리즘을 검증하였으며 최종적으로는 개발 기술을 실제 농용트랙터에 탑재하여 포장에서 무인 경운작업을 수행하여 작업 성능과 효율 등을 숙련된 작업자가 수행한 결과와 비교 개발기술의 효용성을 평가하였다. 농지형태 조건에 입력에 따른 자동 경로생성 알고리즘은 포장의 좌표와 트랙터 및 작업기의 주요치수를 입력하게 되면 작업경로와 트랙터가 주행하는 경로점인 웨이포인트(Waypoint)를 자동으로 생성하는 사용자 편이형 프로그램 형태로 개발하였다. 이를 통해 경로점 표시와 좌표 데이터 생성은 물론 예상 작업시간, 작업거리, 유효 작업시간, 유효 작업거리 및 포장 작업효율 등을 사용자가 사전에 알 수 있는 정보를 제공하도록 하였다. 정밀 추종에 영향을 주는 노면의 상태에 따른 측면 슬립 각은 GPS/INS 시스템을 이용하여 얻은 횡 편차 값과 방향각 오차정보를 기반으로 실시간으로 측정하고 이를 이용하여 강인 제어기 설계에 반영하였다. 무인 가상 농작업이 가능한 컴퓨터 시뮬레이터는 확장 기구모델을 기반으로 측면 슬립현상이 반영된 주행모델을 RoboticsLab 프로그램을 이용하여 개발하였으며 경사지에 따른 트랙터의 자세변화에 따른 위치 오차현상과 GPS 장착위치와 작업기 상/하강 작동에 따른 농작업 미경지 현상을 시뮬레이션 환경에 구현하였다. 이를 이용하여 개발한 3차원 위치보정기술과 작업기 제어알고리즘의 성능을 포장시험 전에 사전 검증하여 개발 시뮬레이터의 효용성을 확인하였다. 개발한 경로생성과 추종알고리즘의 실제 포장작업 적용성을 확인하기 위하여 26마력급의 소형 트랙터에 실시간 제어기에 주행 알고리즘을 탑재하였으며 제어명령에 따른 주행부와 작업기의 자동 작동을 위해 관련 작동기를 설계 제작하였다. 자율주행 쟁기와 로터리 포장 시험결과 개발한 동적 경로추종 알고리즘의 RMS 주행 위치 오차는 10 cm 이내로 기존 Look-ahead 추종방법과 사람 직접 주행하는 것 보다 우수한 결과를 나타내는 것으로 얻었다. 제안한 미경지 영역 방지를 위한 작업기 상승/하강 제어 시험을 통해 작업기 제어 성능을 평가한 결과 트랙터가 새머리 영역으로 진입 및 새머리 영역에서 탈출 시 평균 RMS 위치 오차가 모두 15 cm 이내의 성능을 나타내는 것으로 확인하였다. 80 m30 m의 직교형태 포장에서 쟁기작업을 수행한 결과 포장 작업시간은 48.6 min, 포장 작업효율은 79.9%, 포장 작업 면적의 비율은 90.3%로 관행적으로 전문 작업가가 수행하는 작업수준을 나타내었다. 또한, 다변형태인 사다리 형태와 L자 형태의 포장에서 진행한 결과 각 포장에서 14.9 cm과 21.8 cm의 RMS 위치 오차로 주행이 가능하였다. 사다리 형태의 포장에서는 자율주행 트랙터의 포장 작업효율은 62.1%, 포장 작업 면적비율은 91.1%로 나타났다. 반면에 L자 형태의 포장에서는 자율주행 트랙터의 포장 작업효율은 65.5%, 포장 작업 면적비율은 91.4%로 나타나 숙련된 작업자가 하는 작업시간수준과 미경지 발생정도를 나타내어 개발한 경로생성과 추종기술은 자율주행 트랙터를 이용한 경운작업에 적용이 가능한 것으로 나타났다. 향후 보완 연구로서 자율주행 트랙터를 이용하여 경운 작업 시 토양조건으로 인하여 과도한 부하가 발생 시 작업기를 정밀 상/하강 조작하거나 트랙터의 주행속도를 제어하는 등 트랙터와 작업기의 강인제어기술 개발이 요구되며 경사지 조건의 밭포장에서 작업을 수행 개발 기술의 경사지 무인 농작업 적용성을 구명하는 것이 필요할 것으로 판단된다.