자율로봇을 이용한 잡초 방제시스템
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잡초는 작물의 수량이나 품질에 좋지 않은 영향을 줄 수 있기 때문에 잡초방제는 농작물 생산에서 중요한 부분 중의 하나이다. 작물의 수량과 품질의 손실 규모는 작물과 잡초간의 경쟁력, 경쟁 지속기간, 밀도, 출아시기 및 근접성과 같은 많은 요인들에 영향을 받기 때문이다. 본 내용에서는 이랑작물에서 잡초 방제를 위한 자율이동 농업용 로봇의 성공적인 수행을 위한 핵심기술에 대한 현재 상황을 검토해 보도록 한다. |
1. 머리말
잡초는 작물과 수분, 양분 및 일조량을 놓고 경쟁하여 작물의 수량이나 품질에 좋지 않은 영향을 줄 수 있기 때문에 잡초방제는 농작물 생산에서 중요 이슈가 되고 있다.
작물의 수량과 품질의 손실 규모는 작물과 잡초간의 경쟁력, 경쟁 지속기간, 밀도, 출아시기 및 근접성과 같은 많은 요인들에 영향을 받는다.
전형적인 잡초방제는 출아 전에 제초제를 처리하거나 출아 후 경운과 이랑 짓기를 하여 기계적인 방법으로 제거하기도 하고, 제초제 내성작물을 재배할 경우에는 선택성 제초제를 처리하여 잡초만을 제거하기도 한다.
제초제 사용의 잡초방제는 생물학적으로나 경제적으로 효과적일지는 모르는지만 경우에 따라서는 환경비용이 추가로 소요된다.
지역에 따라서는 소비자들이 농약사용에 대한 기피와 유기농산물에 대한 관심이 높아지면 각종 농약사용의 규제로 제초제 사용도 제한될 수 있어 괭이나 호미와 같은 수작업의 제초가 요구되지만 비용이 많이 들고 효과도 떨어진다.
농업용 로봇은 농업 시스템의 중요한 물리적 생물학적 특성을 측정하는 검출체계(sensing system)와 농업 방식이 어떻게 조종되어야 하는지를 결정하는 감지체계(sensor system)로부터 정보를 조작하는 의사결정 능력 농업 체계를 적절히 조정하는 액추에이터 등의 3개의 기본구조로 구성된다.
다목적 자율로봇방식의 잡초방제는 유도장치(RTK GPS 또는 머신 비전), 잡초감지와 확인(GPS가 지원하는 다중분광영상) 및 정밀도에 따라 이랑의 잡초방제(마이크로 살포, 예취, 열, 전기충격) 및 설정 등 네 가지 핵심기술이 있다.
본 내용은 이랑작물에서 잡초 방제를 위한 자율이동 농업용 로봇의 성공적인 수행을 위한 핵심기술에 대한 현재 상황을 검토한 것이다.
2. 자율로봇을 이용한 잡초방제 핵심기술
이랑작물 유도장치는 고도의 자동화와 약간의 상업적인 성공을 달성하면서 유도·감지기술이 시도되고 기계시각(machine vision)과 GPS와 같은 두 가지 유형이 상업적인 목적에 널리 활용되고 있다.
기계시각과 GPS는 정확한 이랑추적능력, 실시간 경운과 자율농업로봇 제어능력, 파종작물에 대한 작업능력, 높은 잡초압력이 있을 때의 작업 능력, 잡초가 이랑에 없을 때의 작업능력 등을 이랑유도장치의 필요조건으로 제시하게 되었다.
비전시스템은 유도경계선을 필요로 하고 작물이랑 확인을 위해 통용되는 기계시각 방법은 불연속선 또는 곡선을 검출하기 위해 컴퓨터로 효과적인 처리절차를 밟아 변형시키는 기술로서 농업적 유도에 대한 용이한 이랑확인을 촉진하기 위하여 제시되고 콤바인의 자동유도를 위해 미국 특허를 많이 채택하고 있다.
기계시각알고리즘(machine vision algorithms)을 대조해보면 환경과 농업습성의 차이에서 오는 지역상황을 이해하는 것이 중요하다. 예를 들면 첫 번째 경작 시 잡초가 많은 이랑작물에 사용하기 위해 개발된 대부분의 기계시각유도알고리즘(machine vision guidance algorithms)에서는 잡초는 일종의 무작위 공간 배치로 취급한다.
작물이 자연강우에 의해서만 수분을 공급받는 천둥지기 지역에서는 잡초종류와 토양상태가 일부 다른 잡초에 호의적이라는 생각은 매우 합리적일 수도 있다.
실시간 이동과 위치결정 시스템(RTK GPS)은 기계시각 시스템과 대등한 정확도를 제공할 수 있다. GPS 체계는 완전한 유도 시스템을 제공하고 기계시각에 의해 제공된 관련 유도와는 달리 재식방식 유도장치가 붙은 RTK GPS를 사용하여 이식된 작물이나 좌표정보를 포함하는 지도제작 기술유형을 사용하여 측량된 작물이랑을 요구한다.
RTK GPS 체계는 또한 GPS 기지국이 RTK GPS유도장치가 부착된 트랙터 또는 농업 로봇은 10㎞ 이내에 있기를 원하다. GPS 유도 시스템은 구부려진 이랑을 따르기 위하여 프로그램을 쉽게 만들 수 있는 이점이 있으며 작물의 시각적인 외관에 달려 있지 않기 때문에 기계시각 유도 시스템 성과도 떨어뜨린다.
인공위성을 이용한 농업목적의 운행은 최적의 인공위성 가동률에 따라 제초일정을 디자인할 수 없기 때문에 실적에도 영향을 미치게 된다. 시속 6.5㎞의 RTK GPS 유도시스템으로 폭 2.5m, 길이 30m의 곡선경로 시험에서 최대 13㎝ 에러를 보였으며, RMS(Root Mean Square)에러는 6㎝로 조사되었다. 식물 종에 따라 기계시각에 사용되는 다양한 시각특성은 일반적으로 생물학적 형태학, 분광특성 및 시각적인 구성으로 대별된다.
토양기반의 기계시각은 시각적인 장면의 복합성, 연구된 식물의 수, 분류목적, 억제되지 않는 환경요인의 수, 영상 취득조건, 실시간 활용에 대한 적합성과 통계적 확인 등에 따라 변형시켜 활용되고 있다.
생물형태학에서 형태인식은 기하학적 의미와 같은 추상적 개념이 증가하는 수준에서 수행된다. 식물 종의 확인에 있어 기계시각의 연구는 전 식물군 중에서 몇 가지 공통된 기하학적 잎 구조를 인식하는 데 집중하고 있다.
향후 로봇방식의 잡초방제 디자인은 각 식물의 복합적인 전망에 이용되고 다수의 자유도를 가진 로봇방식의 팔에 설치된 다중 사진기를 통합하여 사용할 수도 있을 것이다.
식물 종 확인을 위한 색상이나 분광반사율을 이용하는 기술은 광범위한 색상이나 색도 값에 따라 식물과 토양의 구분에 이용되고, 광 반사율을 이용하여 잡초와 작물을 구별한다. 위치 특정 보정기술의 분광반사율을 활용하면 잡초와 작물을 구별할 수 있을 것 같다.
식물 종을 확인하기 위한 흑백 스케일과 컬러영상에서 컴퓨터로 계산된 시각구조의 이용을 조사한 결과 계산 시간이 중요한 요인으로 구조특색의 보다 작은 세트를 이용하여야 하고 이를 이용하여 잔디와 같은 화본과 잡초와 넓은 잎의 담배 종류로 분할될 때 분류 비율은 각각 98%와 95%이었다.
1960년대 정밀 파종기의 발달로 이랑의 작물 간격은 보다 더 일정하게 되고 건너뛰는 것은 줄어들었다. 이러한 기술은 자동솎음 기계의 몇 가지 유형의 발달로 1960년대와 1970년대 이랑 작물을 위해 개발하게 되었다.
전기화학 희석제, 정밀분무장치, 기계시각의 정밀화학 응용시스템, 열 잡초방제, 선택적 열수처리, 화염 잡초제거와 같은 모든 잡초제거를 포함하는 기계장치의 네 가지 유형은 이랑잡초 방제를 위한 것이다.
GPS는 정밀농업을 위한 근본적인 도구로서 파종과 생육관리의 두 가지 관점에서 검토되어야 한다. 자동 RT GPS 파종지도 제작시스템을 잡초방제에 적용하기 위해서는 앞서 설명한 기계시각 기술을 응용한 정밀도 향상에 주력함으로서 효율적인 작물과 잡초의 식별에 이용될 것이다.
3. 로봇을 이용한 잡초방제시스템의 현장연구
사탕무에 자율 로봇방식의 잡초방제시스템을 개발하였다. 이랑 잡초 확인을 위한 기계시각시스템과 잡초제거를 위한 선택성 회전괭이를 연결한 결과 로봇은 이랑을 따라 선택적으로 사탕무 사이의 잡초를 제거할 수 있었다.
로봇의 식별비율을 개선하기 위해 식물모양과 색상특징 및 식물간격을 결합하는 감지기 통합접근을 시도하여 잡초 종류와 식물외형을 보다 세밀하게 구별할 수 있는 시스템을 만들어 본상시기의 유기농 사탕무밭에서 실험한 결과 사탕무의 99%는 보존되면서 잡초의 41~53%는 제거되었다.
이식 양상추에 로봇 잡초방제시스템을 개발하여 로봇 말단장치(end effector)는 15㎸ 전기출력으로 제초하였다. 시야에서 잡초를 찾아 전기탐침으로 위치를 결정하여 말단장치에 정확한 정보를 제공하기 위하여 2개의 기계시각시스템을 이용한 포장시험에서 잡초 84%와 양상추 99%를 탐지할 수 있었다.
실시간 로봇 식 잡초 방제 체계를 개발하여 상업적인 목화 포장에서 시험한 결과 0.45㎧의 지속적인 속도로 이동하고 있는 동안 잔디 같은 화본과 잡초를 목화와 구별하고 표적으로 한 잡초에서만 약제 살포 적용이 가능하였다.
4. 맺는말
이 논문은 상업적인 농업을 위한 다목적 로봇방식의 잡초방제시스템의 개선을 위해 요구되는 네 가지 핵심 기술의 현재 상황을 요약하였다.
유도장치, 탐지 및 확인, 정밀한 줄 잡초 방제, 및 지도 작성의 4개 기술 중 탐지 및 확인을 제외한 기술은 상당한 수준으로 발달하여 일부 상업적인 목적까지 달성하였으나, 확실한 잡초탐지와 확인은 로봇 잡초방제기술에서 일차적인 장애로 남아 있다.
이랑 간 로봇 제초시스템의 정확한 위치제어를 위해 RTK GPS 유도시스템과 기계시각 둘 다 상업적으로 이용 가능하다. 이들 시스템은 이랑을 똑바로 추적하는 이점도 있지만 조건에 따라 위치를 조절할 수 없는 단점도 가지고 있다.
기계시각 유도방식은 재배작물을 활용한 유도중심선을 필요로 하고, RTK GPS 방식은 재배 초기에 사용하는 것이 유리하다. 기계시각 유도를 위한 비용은 RTK GPS보다 상당히 저렴하다. 완전한 농업조건의 광범위한 잡초방제 적용에는 아직도 수많은 추가연구가 필요하다.
1960년대 개발된 잡초방제기술(기계, 열, 화학, 전기)의 4가지 유형은, 로봇으로 선택적인 줄 잡초방제에 적당하다. 기계, 열, 화학제품에 의한 3가지 기술은 이랑 간 잡초방제를 위한 상업용 제품으로 개발되었다.
현재의 농약살포는 작물에서 1㎝ 범위의 잡초까지도 타깃으로 하지만 GPS기술과 GIS 소프트웨어는 보다 광범위하면서 노동력을 절감할 수 있다. 농업에서는 잡초 학자들이 제작한 잡초분포지도를 이용한 매뉴얼 개발에 사용되고 있다. 따라서 기계시각 잡초감지 기술과 잡초지도를 통합하면 보다 효율적인 잡초관리 수단을 자동화할 수 있을 것이다.
잡초탐지와 확인을 위한 각종 기계시각에 대한 연구는 작물과 잡초간의 이상적인 조건에서 수행 되었고, 작물과 잡초 또는 65~95%의 범위에서 개체별 종의 구분은 양호한 것으로 보고되었다. 열거된 오류의 공통원인은 식물체 구분에서 차폐에 기인되었다.
잡초와 작물이 보이지 않거나 바람, 곤충, 기상피해, 물 또는 영양스트레스나 그림자에 의한 잎 색상의 변형도 기계시각의 작물과 잡초구분에 상당한 영향을 미친다. 따라서 잡초 탐지나 확인의 정확한 자동화방법이 필요하지만 확실한 잡초감지 기술의 부족은 로봇에 의한 잡초방제에 한계가 되고 있다.
이 같은 노력으로 작물에 따라서는 일정수준을 갖는 로봇방식의 잡초방제시스템이 구축되었다. 이 시스템은 기존의 잡초방제보다 인력과 농약 사용조건을 크게 감소시키어 향후 잡초방제 기술에 대한 전망은 밝다. 이미 국제적 거래의 상업용 농업이 크게 확산되고 있어 이 같은 광범위한 조건에 적합한 기술을 충분히 활용하기 위하여 보다 구체적인 연구가 수행되어야 할 것이다.
5. 전문가 제언
우리나라 농촌은 그동안 인력제초를 주로 하며 인력 중경 제초기를 거쳐 트랙터용 제초제 살포장치를 이용하가도하고 이앙 동시 제초제 살포기를 병용하면서 지금에 이르고 있다.
농업인구의 급격한 저하와 농촌사회의 고령화, 여성들의 역할확대 등으로 볼 때 농촌의 일손을 덜 수 있는 농기구의 자동화와 무인 자율 로봇 식 잡초 방제 방식과 같은 농기계 또는 농업용 로봇의 개발은 우리 농촌이 극복해야 할 과제로 보인다.
우선 선행 조건으로 파종에서 수확까지 작업을 표준화할 필요가 있으며 그리하여 RTK GPS가 지원하는 다중분광영상 등을 도입 정확하게 구분하고 GPS, 기계시각, 액추에이터 등을 활용하여 아주 정밀하게 마이크로 살포, 예취, 열, 전기충격 등을 실시함으로서 농약의 극미량 사용 내지 잡초부분만의 살포로 먹을거리의 안전성 확보라는 꿈의 유기농 실현이 가능할 것이다.
레이저 반사경 유도방법이나 카메라화상에 의한 추적시스템을 응용하는 초기단계의 농업용 로봇을 만드는 단계이지만 지방자치단체의 관심도 많은 것으로 알려져 있다.
아직은 잡초의 탐지와 확인이 농업분야의 가장 중요한 과제로 남아있지만 RTK-GPS를 활용한 고정밀도 측위가 실시간으로 가능하고 머신 비전에서는 그 hole의 크기가 6.25㎜라는 정확한 수치 및 그 형태를 요구하기 때문에 Image Quality를 설계의 최우선으로 삼는다면 보다 정밀하고 저렴한 국산 농업용 로봇의 탄생을 기대한다.
