이 연구는 소형 트랙터를 기반으로 로봇 플랫폼을 구성하여 트랙터의 자율주행 기술을 개발하고자했다. 이를 위해 현재까지 모바일 로봇기술로 제안된 여러 항법시스템을 중심으로 이론 고찰과 시뮬레이션 및 적용시험을 통해 트랙터의 자율주행 시스템으로 적용 가능성에 대하여 검토했다. 또한 각각의 항법시스템과 제어시스템을 트랙터에 탑재하고 통합된 시스템으로 운영하였을 때 성능을 평가하고 결과를 분석하였고, 기술개발의 완성도를 더욱 높이기 위해 금후 이루어 져야할 연구과제들을 제시하였다. 1. 농업로봇 모바일 플랫폼 구성을 위해 20kw급 트랙터에 주행과 ...
이 연구는 소형 트랙터를 기반으로 로봇 플랫폼을 구성하여 트랙터의 자율주행 기술을 개발하고자했다. 이를 위해 현재까지 모바일 로봇기술로 제안된 여러 항법시스템을 중심으로 이론 고찰과 시뮬레이션 및 적용시험을 통해 트랙터의 자율주행 시스템으로 적용 가능성에 대하여 검토했다. 또한 각각의 항법시스템과 제어시스템을 트랙터에 탑재하고 통합된 시스템으로 운영하였을 때 성능을 평가하고 결과를 분석하였고, 기술개발의 완성도를 더욱 높이기 위해 금후 이루어 져야할 연구과제들을 제시하였다. 1. 농업로봇 모바일 플랫폼 구성을 위해 20kw급 트랙터에 주행과 조향, 작업기를 제어할 수 있도록 액추에이터를 개발하였다. 직류모터와 엔코더에 의해 폐루프 제어되는 조향제어기를 제작하여 시험한 결과, 각도 분해능은 0.2°, 전조향각 ±35°, 전 조향시간은 1.8 초 였다. Hedrick이 제안한 실험식에 따라 유압실린더와 압력변환기를 이용하여 제작된 브레이크 제어기는 응답시간이 160ms였고, 분해능은 1.33kg/㎠였다. 2. Novatel사의 RT-3150과 RT-20으로 기지국과 이동국 시스템을 구성하여 DGPS 시스템으로 운용했을 때 조정위치의 측위오차는 약 6.6cm, 이동 중의 반복오차는 13cm 이내로 나타났다. 특히 사용된 DGPS의 공시오차 20㎝보다 측정오차가 작은 이유는, 본 연구에서 DGPS가 제시하는 3차원 정보 중에서 높이 정보를 배제한 2차원 오차를 분석하였기 때문인 것으로 판단된다. 3. 방위각 측정을 위해 각각 90°의 간격으로 배치된 자기검출소자(PNI's Vector2X)로부터 지속적으로 변화하며 자북측정에 영향을 미치는 외부자계의 간섭을 효과적으로 제거할 수 있는 보정방법을 개발하고 이를 이용해 전주나 고압 트랜스 등 지자기 교란원이 존재하는 소구획 포장에서 상대위치를 측정하는데 이용될 수 있는 지자기 방위센서의 자동보정기술을 개발하였다. 센서의 출력이 60% 이상까지 왜곡되더라도 센서데이터를 보정했을 때 대체로 5% 이내의 오차로 복원되는 결과를 얻었을 수 있었다. 다만 왜곡이 매우 컸을 경우 복원 후 방위각사이의 각도 합이 360° 보다 작아지는 경우도 발생이 되었으며 금후 보완연구가 필요한 것으로 나타났다. 4. 작업선 검출을 위해 영상처리를 이용한 경로탐색 알고리즘을 개발하였고, 영상획득을 위해서는 한 대의 칼라 CCD 카메라와 칼라 frame grabber를 사용하였다. 획득한 이미지로 부터 Sobel mask를 사용하여 경운영역과 비경운영역의 작업선 경계 검출을 하였다. 그리고 검출된 작업선 경계의 정보를 알아내기 위해 Hough transform을 이용하여 방향각과 오프셋을 구하기 위한 모델을 제시하였다. 영상기반의 작업경로 검출에 의한 경로 추종은 약 ±20cm 정도의 오차를 나타냈다. 5. 트랙터의 자율주행 알고리즘을 검증하기 위하여 컴퓨터 상에서 실제와 유사한 조건으로 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션 결과 보여진 RMS는 퍼지제어를 쓰지 않았을 때 29.5cm 이었고 퍼지제어를 썼을 때는 14.6cm이었다. 이를 바탕으로 포장에서 실제 실험결과 영상처리와 지자기센서를 이용하여 자율주행이 가능함을 알 수 있었다. 더욱 향상된 트랙터의 자율주행을 위해서는 조향에 필요한 유압실린더의 제어간격을 1초 이내로 줄일 필요가 있다. 6. 통합제어시스템에 의한 경로추종성능은 WGS84 좌표계로 표시된 임의의 직선경로를 추종 주행하도록 하였다. 출발점으로부터 2m 정도 떨어진 측후방에서 트랙터가 출발하도록 했을 때 약 3초 후 목표 경로와 30cm 이내의 오차로 접근되었으며 직선경로에서는 20cm 이내의 오차를 지속적으로 유지할 수 있었다. 그러나 선회나 곡선경로의 주행 시에는 최단경로와 비교하여 최대 50cm 정도의 오차를 보이고 있으며 조향제어기의 불안정이 나타나기도 하였다. 7. 무인트랙터가 정확히 목표경로 위를 주행하기 위해서는 제어장치의 정밀도 뿐 아니라 최적화된 주행 알고리즘과 측위신호의 안정화가 주행오차에 큰 영향을 미치는 것으로 나타나 이들 기술을 개발하기 위한 별도의 연구가 있어야 할 것으로 판단된다.
이 연구는 소형 트랙터를 기반으로 로봇 플랫폼을 구성하여 트랙터의 자율주행 기술을 개발하고자했다. 이를 위해 현재까지 모바일 로봇기술로 제안된 여러 항법시스템을 중심으로 이론 고찰과 시뮬레이션 및 적용시험을 통해 트랙터의 자율주행 시스템으로 적용 가능성에 대하여 검토했다. 또한 각각의 항법시스템과 제어시스템을 트랙터에 탑재하고 통합된 시스템으로 운영하였을 때 성능을 평가하고 결과를 분석하였고, 기술개발의 완성도를 더욱 높이기 위해 금후 이루어 져야할 연구과제들을 제시하였다. 1. 농업로봇 모바일 플랫폼 구성을 위해 20kw급 트랙터에 주행과 조향, 작업기를 제어할 수 있도록 액추에이터를 개발하였다. 직류모터와 엔코더에 의해 폐루프 제어되는 조향제어기를 제작하여 시험한 결과, 각도 분해능은 0.2°, 전조향각 ±35°, 전 조향시간은 1.8 초 였다. Hedrick이 제안한 실험식에 따라 유압실린더와 압력변환기를 이용하여 제작된 브레이크 제어기는 응답시간이 160ms였고, 분해능은 1.33kg/㎠였다. 2. Novatel사의 RT-3150과 RT-20으로 기지국과 이동국 시스템을 구성하여 DGPS 시스템으로 운용했을 때 조정위치의 측위오차는 약 6.6cm, 이동 중의 반복오차는 13cm 이내로 나타났다. 특히 사용된 DGPS의 공시오차 20㎝보다 측정오차가 작은 이유는, 본 연구에서 DGPS가 제시하는 3차원 정보 중에서 높이 정보를 배제한 2차원 오차를 분석하였기 때문인 것으로 판단된다. 3. 방위각 측정을 위해 각각 90°의 간격으로 배치된 자기검출소자(PNI's Vector2X)로부터 지속적으로 변화하며 자북측정에 영향을 미치는 외부자계의 간섭을 효과적으로 제거할 수 있는 보정방법을 개발하고 이를 이용해 전주나 고압 트랜스 등 지자기 교란원이 존재하는 소구획 포장에서 상대위치를 측정하는데 이용될 수 있는 지자기 방위센서의 자동보정기술을 개발하였다. 센서의 출력이 60% 이상까지 왜곡되더라도 센서데이터를 보정했을 때 대체로 5% 이내의 오차로 복원되는 결과를 얻었을 수 있었다. 다만 왜곡이 매우 컸을 경우 복원 후 방위각사이의 각도 합이 360° 보다 작아지는 경우도 발생이 되었으며 금후 보완연구가 필요한 것으로 나타났다. 4. 작업선 검출을 위해 영상처리를 이용한 경로탐색 알고리즘을 개발하였고, 영상획득을 위해서는 한 대의 칼라 CCD 카메라와 칼라 frame grabber를 사용하였다. 획득한 이미지로 부터 Sobel mask를 사용하여 경운영역과 비경운영역의 작업선 경계 검출을 하였다. 그리고 검출된 작업선 경계의 정보를 알아내기 위해 Hough transform을 이용하여 방향각과 오프셋을 구하기 위한 모델을 제시하였다. 영상기반의 작업경로 검출에 의한 경로 추종은 약 ±20cm 정도의 오차를 나타냈다. 5. 트랙터의 자율주행 알고리즘을 검증하기 위하여 컴퓨터 상에서 실제와 유사한 조건으로 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션 결과 보여진 RMS는 퍼지제어를 쓰지 않았을 때 29.5cm 이었고 퍼지제어를 썼을 때는 14.6cm이었다. 이를 바탕으로 포장에서 실제 실험결과 영상처리와 지자기센서를 이용하여 자율주행이 가능함을 알 수 있었다. 더욱 향상된 트랙터의 자율주행을 위해서는 조향에 필요한 유압실린더의 제어간격을 1초 이내로 줄일 필요가 있다. 6. 통합제어시스템에 의한 경로추종성능은 WGS84 좌표계로 표시된 임의의 직선경로를 추종 주행하도록 하였다. 출발점으로부터 2m 정도 떨어진 측후방에서 트랙터가 출발하도록 했을 때 약 3초 후 목표 경로와 30cm 이내의 오차로 접근되었으며 직선경로에서는 20cm 이내의 오차를 지속적으로 유지할 수 있었다. 그러나 선회나 곡선경로의 주행 시에는 최단경로와 비교하여 최대 50cm 정도의 오차를 보이고 있으며 조향제어기의 불안정이 나타나기도 하였다. 7. 무인트랙터가 정확히 목표경로 위를 주행하기 위해서는 제어장치의 정밀도 뿐 아니라 최적화된 주행 알고리즘과 측위신호의 안정화가 주행오차에 큰 영향을 미치는 것으로 나타나 이들 기술을 개발하기 위한 별도의 연구가 있어야 할 것으로 판단된다.
This study was conducted to develop autonomous guidance technologies of robot platform based on small farm tractor. For the study, 20kw of a small tractor was modified to robot platform with actuator that controlled by electric signal. Theory of various navigation system was studied to apply to trac...
This study was conducted to develop autonomous guidance technologies of robot platform based on small farm tractor. For the study, 20kw of a small tractor was modified to robot platform with actuator that controlled by electric signal. Theory of various navigation system was studied to apply to tractor guidance system and tested with mounting on robot tractor platform. 1. The electric control systems of the tractor were consisted of hydraulic equipments and operated by a solenoid valve opened or closed with PWM(pulse width modulation) control method. Steering control unit in closed loop showed that the resolution of control angle, full steering angle, and full steering time were 0.2°, ±35°and 1.8seconds, respectively. Brake control unit show that there were 160ms and 1.33kg/㎠ in response time and pressure control resolution respectively. 2. Test of tracking trace was performed in square plaza sized of 50×22m. RT-20 GPS receiver(made by NovTel co, accuracy: 20cm(rms)) was mounted on tractor as absolute positioning system. Error deviation of positioning data processed by the algorithm were less then 13cm(rms). 3. The tractor heading and offset were obtained using Hough transform of the R-value color images. Autonomous guidance was simulated via a computer before a field test. The tractor was tested twice in a field under wet and dry soil surface conditions. The field test results were proved that the tillage operation could be done autonomously within about 25cm deviation with the machine vision 4. Path planning algorithms to search optimum paddy road path and operation path were suggested. An algorithm of generating the shortest paddy road path was implemented using Djikstra's algorithm. The paths were compared with those of conventional field operations at selected field sizes and shapes. 5. System Integration for unmanned operation of tractor was carried out with two ways. One is the integration by the serial communication in order to protect from interference with each system that must achieve of itself such as navigation system including GPS and Gyro, image processing system. Another is the integration by the software in order to have tightly relation to each system which controlled operating actuator such as sensor system. 6. It was that 5 sets of straight line was established on WGS84 coordination on the field as the path for test of tracking of tractor which was integrated unmanned navigation system and control system. When the prototype tractor started at a distance of 2m backward form start position, tracking error was reduced less then 30cm after 3 second on starting, and kept continuously less then 20 cm during tracking the straight path. But turning around at the end of desired paths, tractor was often off the ideal path until maximum 40 cm. 7. In order to trace the desired path with precision, It is necessary that continuous studying on robust navigation system and algorithm for adaptive tracking control of unmanned tractor for agriculture.
This study was conducted to develop autonomous guidance technologies of robot platform based on small farm tractor. For the study, 20kw of a small tractor was modified to robot platform with actuator that controlled by electric signal. Theory of various navigation system was studied to apply to tractor guidance system and tested with mounting on robot tractor platform. 1. The electric control systems of the tractor were consisted of hydraulic equipments and operated by a solenoid valve opened or closed with PWM(pulse width modulation) control method. Steering control unit in closed loop showed that the resolution of control angle, full steering angle, and full steering time were 0.2°, ±35°and 1.8seconds, respectively. Brake control unit show that there were 160ms and 1.33kg/㎠ in response time and pressure control resolution respectively. 2. Test of tracking trace was performed in square plaza sized of 50×22m. RT-20 GPS receiver(made by NovTel co, accuracy: 20cm(rms)) was mounted on tractor as absolute positioning system. Error deviation of positioning data processed by the algorithm were less then 13cm(rms). 3. The tractor heading and offset were obtained using Hough transform of the R-value color images. Autonomous guidance was simulated via a computer before a field test. The tractor was tested twice in a field under wet and dry soil surface conditions. The field test results were proved that the tillage operation could be done autonomously within about 25cm deviation with the machine vision 4. Path planning algorithms to search optimum paddy road path and operation path were suggested. An algorithm of generating the shortest paddy road path was implemented using Djikstra's algorithm. The paths were compared with those of conventional field operations at selected field sizes and shapes. 5. System Integration for unmanned operation of tractor was carried out with two ways. One is the integration by the serial communication in order to protect from interference with each system that must achieve of itself such as navigation system including GPS and Gyro, image processing system. Another is the integration by the software in order to have tightly relation to each system which controlled operating actuator such as sensor system. 6. It was that 5 sets of straight line was established on WGS84 coordination on the field as the path for test of tracking of tractor which was integrated unmanned navigation system and control system. When the prototype tractor started at a distance of 2m backward form start position, tracking error was reduced less then 30cm after 3 second on starting, and kept continuously less then 20 cm during tracking the straight path. But turning around at the end of desired paths, tractor was often off the ideal path until maximum 40 cm. 7. In order to trace the desired path with precision, It is necessary that continuous studying on robust navigation system and algorithm for adaptive tracking control of unmanned tractor for agriculture.
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