농업용 로봇기술의 발전
Green 환경과 정밀농업에 기여하고 있는 로봇기술
① 미국 John Deere社의 Autotrac과 Autofarm이 탑재된 대동 JD 6220 트랙터
최첨단의 우주항공기술의 집약인 인공위성을 이용한 GPS 시스템과 수십 년간 산업현장에서 진보와 개량을 거듭하여 완성도 높은 로봇 제어 시스템 기술이 종국에는 인간에게 위해를 가하는 전투로봇에 적용되어 무엇인가 안타까움을 더한다면 이 기술이 인간의 미래를 풍요롭게 하고 환경을 보다 잘 보존케 하는 정밀농업에 기여하는 것을 보면 참으로 뿌듯한 희망이 차오른다. 오늘날 많은 기술이 상호 연관되고 융합적으로 작용하고 있는 정밀 농업에 로봇기술이 특별히 트랙터의 자율주행에 어떻게 적용되고 이용되고 있는지 간단히 소개하기로 한다.
Auto Guidance Performance를 가능케 하는 GPS의 위치정밀도
Auto Guidance Unit을 장착한 트랙터는 기본적으로 트랙터 본체와 작업기, GPS/GNSS 수신기 및Antenna, Display & Controller와 조향 유닛(유압식 Hy`d Block ass`y 혹은 핸들식)으로 구성되어 있다.
포장에 위치한 트랙터는 인공위성들로부터 GPS 신호를 받아 위치를 인식하면 기 인식된 포장의 범위를 직선, 곡선 혹은 서클의 형태로 컨트롤러에서 기 입력된 프로그램에 의해 조향장치에 적절한 제어를 통하여 자율 주행하면서 경작하게 된다. 이때 트랙터 운전자는 어디까지나 전체 시스템 관리자로서 트랙터 내외의 상황과 작업 상태 비상시의 종합 판단을 하는 것으로 통상적인 조종, 핸들 조작으로부터는 완전히 해방되어 있다고 할 수 있다.
이러한 Auto Steering 기술은 Mobile Robot 제어 기술로부터 온 것이며 경제적인 고려에 따라 일부의 기능을 운전자와 협업하고 있는 것으로 전적으로 기술의 불완전성으로 인한 것이라고 볼 수는 없다.
이러한 기술을 통하여 경작지의 이중 경작(Overlap)을 최소화하여 연료를 약 8% 정도 절감 하여 CO2의 발생량을 최소화할 수 있고(트랙터의 숫자와 소모되는 기름의 양을 고려하면 이산화탄소의 배출저감 효과는 대단하다), 주야간의 작업 가능화로 적시의 집약적인 경작이 가능하고 작업자의 피로 정도를 현격히 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 포장작업의 총괄적 관리가 가능하게 되어 포장에 대한 다양한 데이터의 수집과 축적은 변량 관리라는 보다 높은 차원의 종합적인 관리를 가능하게 해준다. 이러한 이점이 있는 Auto Guidance Performance는 그 정밀도가 GPS의 위치정밀도와 보다 정밀한 조향제어 기술에 달려 있는데 여기서는 GPS의 위치 정밀도를 향상시키는 방법에 관하여 알아본다.
다양한 GPS System 적용을 통한 정밀도 향상 방법
② Auto Guide System의 구성 - Outback eDriveX Precision Steering System
Auto Guidance에 응용되고 있는 정밀도는 GPS System Maker와 Auto Guidance System 제작사들 간에 다양한 기준이 있지만 편의상 전세계적으로 가장 많이 운용되고 있는 John Deere의 Autotrac을 기준으로 보면 SF1 Grade±10″(Autotrac System Package Price 약 U$10,500), SF2±4″(Autotrac System Package Price 약 U$18,500), SF2 RTK±1″(Autotrac System Package Price 약 U$25,000)급으로 구분할 수 있다.
간편하게 SF1는 WASS, SBAS를 이용한 L1 DGPS 개념이고, SF2는 Omni를 이용한 L1/L2 DGPS 개념이며, SF2 RTK는 L1/L2 Base Station(Modem Data Link)을 이용한 RTK Rover라고 보면 정확하진 않지만 이해하기 편한 개념이라고 보면 될 것 같다.
위에서 본바와 같이 Auto Steering의 정밀도는 GPS의 위치 정밀도와 보다 정밀한 조향제어 기술에 달려 있으므로 고가의 SF2 RTK±1″를 이용하면 되겠지만 여기에 정밀조향용 Display & Controller를 더하면 상당한 고가로 일반 농가에서의 사용에 경제적 부담이 크지게 된다. 따라서 고가의 SF2 RTK±1″를 절반값 정도로 줄일 수 있다면 이 부담은 크게 완화될 것이고 이것을 가능하게 하는 방법 중의 하나가 VRS(Virtual Reference System)로 국내에는 미국 Trimble의 VRS(Virtual Reference System)를 사용하는 기지국과 인프라가 갖추어져 있다.
이 VRS DGPS는 상대적으로 고가인 Base Station(Modem Data Link)을 이용한 RTK Rover DGPS 보다 편리하고 저가의 장비로 고성능 위치 정밀도를 얻는 GPS System이다.
이 VRS DGPS 방식으로 운용할 경우 1개의 고정밀 GPS/GNSS Receiver와 모뎀만으로도 SF2 RTK±1″의 정밀도를 얻을 수 있어 시스템 비용을 반 정도로 줄일 수 있고, 따라서 Auto Steering 장착 트랙터의 보편화와 좁은 경작지를 가지고 있는 국내에서 그 적용성이 높을 것이라 생각해 연구를 실행하게 되었다.
VRS DGPS 시스템의 제작과 John deere 6220 트랙터 적용
③ VRS DGPS의 플로토 타입
④ Hemisphere사의 R220 L1/L2 GPS Receiver
VRS DGPS 시스템은 기본적으로 GPS L1/L2, GNSS 수신보드, Control용 Mobile PC, USB형 CDMA 모듈로 구성했으며 국토지리원의 VRS Server로부터 기지국 데이터를 받았다.
<그림3>은VRS DGPS의 플로토 타입으로, 차후 트랙터에 내장될 것을 고려하여 제작되어 콘솔 타입이나 VRS DGPS 자체로 이용할 경우에는 Hemisphere社의 L1/L2 GPS Receiver인 R220과 Rover Firm Ware 옵션, Mobile PC 그리고 USB형 CDMA 모듈을 추천한다. 각 시스템이 유닛화 되어 있고 2개의 케이블만 있으면 간단히 운용할 수 있기 때문이다.
플로토 타입을 제작해 Field Test를 해본 바 VRS DGPS System에서 위치정밀도 H.V:1-3cm 이내의 안정적인 위치 정보를 받을 수 있었다.
이로써 추가의 연구만 있다면 국내에 이미 설치되어 있는 수많은 기지국을 이용하여 VRS DGPS 시스템을 이용할 경우 거의 반값으로 고가의 SF2 RTK±1″의 정밀도를 얻을 수 있어 향후 농업용 트랙터에 보다 저렴한 방식의 장비를 탑재하여 운용할 수 있다는 확신을 갖게 되었다. 단, 인터넷 수신이 안 되는 곳에서는 VRS DGPS를 이용하기 어려운 단전이 있으나 강원도 오지가 아닌 경우 국토의 대부분이 이용가능하고 GPS 자체의 정밀도로도 낮은 수준의 작업에는 무리가 없다.
내비게이션만큼 폭발적 수요 기대되는 DGPS
⑤ VRS DGPS 플로토 타입에서 얻은 위치 정밀도로, 아래편에 정밀도가 보인다.
Auto streering System(JD社의 Autotrac과 Autofarm社의 RTK 5001)을 대동을 통해 구입한 JD 6220 트랙터에 장착 후 운용해보니 역시 미국에서 자국 시장용으로 개발된 장비라 밭농사 위주로 시스템과 운용 소프트웨어가 구성되어 있고 수 에이커 이상의 큰 농장에서 운용하기 좋게 제작되어 있었다. 시스템의 고정밀성에 따른 효용과 작업자의 피로도 경감 효과는 대단하였다. 모든 포장 정보에 대한 자료가 체계적으로 수집되고 분석할 수 있는 가장 기본적인 운용 플랫폼이라고 생각되었다.
그러나 이 분야에 연구하실 분들에게는 John Deere Autotrac은 미국 국내용으로 개발되어 해외 운용이 근본적으로 차단되어 있어(SF2부터는 지원되지 않음) 매년 상당한 금액의 GPS 수신료 부담 등으로 연구 시 곤란을 겪게 될 것이다. 국내에는 Base와 Rover를 같이 운용할 수 있는 Outback이나 Autofarm, Trimble社 제품이 좋을 것 같다.
10년전 국내에 차량용 내비게이션의 가능성이 소개되고 일부 벤처 기업들이 선투자와 연구할 때 필자도 ‘이 좁은 나라에 내비게이션이 무슨 필요가 있나’라며 반신반의 한 적이 있다.
10년이 흐른 지금 거의 모든 고급차에는 공장에서 장착되어 출고되고 있고, 콤팩트 급의 자동차마저도 10대중 7곱 8대는 추가로 장착되어 운용되고 있으며, 필자의 차에도 내비게이션이 걸려 있어 단순한 길안내가 아니라 여러 정보를 주는 훌륭한 운전의 동반자로서 필수불가결한 역할을 하고 있다.
비록 Auto Steering 시스템이 차의 경우와는 다르다 할지라도 10년 후에는 지금 차의 내비게이션의 역할과 크게 다르지 않을 것이며, 그때는 모든 트랙터의 기본 사양으로 공장에서 장착되어 출고되며 정밀농업과 친환경 농업의 기본 장비로서 운용되지 않겠나하는 생각을 지울 수 없다.
너무 화려한 그리고 미래 지향적인 엔터테인먼트 로봇 개발과 제작도 중요하지만 수요도 있고 필요도한 의료 로봇, 방위 로봇 그리고 농업용 로봇에도 보다 많은 관심과 재원이 투입되었으면 하는 바람이 앞선다.
⑥ 선진 P시소유 JD 6220 Tractor에
Auto Steering system 장착 후 Test 하고 있는 모습.
모바일 로봇에 필수인 고품질 저가형 DGPS
위성항법보정시스템으로 알려진 DGPS(Differential Global Positioning System)는 GPS 오차를 보정하는 기술로 인해 정밀GPS라고도 한다. 즉, GPS 시스템은 지구에서 멀리 떨어진 위성에서 신호를 수신하기 때문에 발생하는 오차를 수정하기 위해 지상의 방송국에서 위성에서 수신한 신호로 확인한 위치와 실제 위치와의 차이를 전송하여 오차를 교정하는 기술인 것이다. 특히, 미국, 호주 등에 비해 좁은 땅을 가진 우리나라의 경우 그 정밀도는 더욱 높아야 하기에 실외용 로봇플랫폼에게 DGPS는 필수 아이템이다. 바로 이러한 점을 주목한 WKP는 가상기지국을 활용해 오차를 보정함으로써 정밀도를 높이는 획기적인 방법을 사용해 1인치 내의 오차율을 보이는 고정밀 DGPS를 개발했다.
WKP Machines Co. www.wkpcom.co.kr
