[논문]벼농사용 무인 제초로봇의 건답환경 주행 성능

김국환; 김상철; 홍영기

doi:10.7736/kspe.2014.31.1.43

벼농사용 무인 제초로봇의 건답환경 주행 성능
Traveling Performance of a Robot Platform for Unmanned Weeding in a Dry Field 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.31 no.1, 2014년, pp.43 - 50

김국환 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부) , 김상철 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부) , 홍영기 (농촌진흥청 국립농업과학원 농업공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper introduces a robot platform which can do weeding while traveling between rice seedlings stably against irregular land surface of a paddy field. Also, an autonomous navigation technique that can track on stable state without any damage of the seedlings in the working area is proposed. Detection of the rice seedlings and avoidance knocking down by the robot platform is achieved by the sensor fusion of a laser range finder (LRF) and an inertial measurement unit (IMU). These sensors are also used to control navigating direction of the robot to keep going along the column of rice seedling consistently. Deviation of the robot direction from the rice column that is sensed by the LRF is fed back to a proportional and derivative controller to obtain stable adjustment of navigating direction and get proper returning speed of the robot to the rice column.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문은 LRF와 관성 측정 장치(Inertial Measurement Unit, IMU)의 센서 융합을 통하여 벼농사 환경의 불규칙적인 지면에 대응하여 안정적으로 모열 사이를 주행하면서 제초작업을 수행할 수 있는 로봇 플랫폼을 소개하고 건답 환경에서의 주행 성능을 평가하고자 하였다.
그래서 제초제 없이 물리적 제초방식을 대신할 수 있는 새로운 제초기술의 개발이 필요하다. 본 논문은 친환경 미래 농업 기계로써 제초로봇을 제안한다. 제초로봇은 노동집약적 제초 프로세스에 로봇 기술을 적용시켜 경작 범위를 넓히고 생산성을 증대시킬 수 있다.
본 논문은 친환경 제초 작업을 수행하기 위해 개발된 제초로봇을 소개하고 LRF와 IMU의 센서융합으로 모열을 검출한 후, 모에는 어떠한 손상없이 기준 경로를 따라 안전하게 주행하는 방법에 대해 제안하였다. 제안한 알고리즘을 탑재한 로봇 플랫폼은 불규칙하고 곤죽 상태의 지면 위를 주행하기 위하여 고무 형태의 크롤러를 사용한 구동부, 친환경 유기 농업을 실현하기 위한 수소연료전지와 배터리 형태의 하이브리드 형태의 전원 공급장치 및 탈부착이 가능한 무동력 제초기구부로 구성되었다.

가설 설정

807 m이다. 최소 선회반경을 기반으로 조간인 300 mm를 넘지 않는다는 가정하에 주행 경로를 결정하였다. 또한 Fig.

제안 방법

3(b)에서 보는 바와 같이, 로봇은 모열을 x_c에위치하도록 하여 주행하게 된다. 검출된 모열의 위치가 x_i라면 x_c와의 차를 통해 오차 e를 산출하고, 오차에 대한 PD 이득값을 적용하여 로봇이 조간의 중심을 따라 이동할 수 있도록 하였다. 국부 경로 추종 및 조향을 위한 흐름도는 Fig.
제안한 알고리즘을 탑재한 로봇 플랫폼은 불규칙하고 곤죽 상태의 지면 위를 주행하기 위하여 고무 형태의 크롤러를 사용한 구동부, 친환경 유기 농업을 실현하기 위한 수소연료전지와 배터리 형태의 하이브리드 형태의 전원 공급장치 및 탈부착이 가능한 무동력 제초기구부로 구성되었다. 로봇 플랫폼의 불규칙한 지면에서의 모열 추종 성능을 평가하기 위한 주행 시험은 두 가지 형태의 발생 가능한 경로인 직선과 곡선 구간의 조합을 병행하여 논리적으로 합당하게 조성된 시험 환경에서 수행되었다. 시험 결과, 기준 경로에 대하여 최대 편차 62 mm 이내로 모열을 따라 주행할 수 있다는 것을 검증하였고 이는 조간 폭과 주행 트랙 폭을 고려하였을 때 충분히 좋은 추종 성능을 나타내고 있다는 것을 알 수 있다.
로봇의 동력은 화석 연료의 사용으로 인한 배출 가스 발생을 줄여 친환경 유기농업을 추구하기 위하여 수소연료 전지와 배터리의 융합을 통한 하이브리드 형태로 제작하였다. 하이브리드형 동력 공급 장치는 수소연료전지와 플러그인 충전이 가능한 니켈수소 배터리(Nickel Metal Hydride, NiMH), 전력 변환기, 하이브리드 시스템 제어기로 구성되어 있다.
선회 시 발생하는 비틀림으로 인한 휨 현상을 방지하고, 곤죽 상태의 지면 위에서 충분한 추종 추력을 얻기 위하여 로봇의 프레임은 스틸형강을 사용하여 강도를 보완하였다. 로봇의 차폭의 중심거리는 700 mm로 하여 300 mm의 일정한 간격으로 심겨진 모열 사이를 주행하면서 불규칙적인 노면에서도 안정성을 유지할 수 있도록 제작하였다. Fig.
본 논문에서 제안한 알고리즘을 적용하기 위하여 이앙기를 사용하여 작업한 것과 동일한 작업 환경을 조성하였다. 총 6조로 이앙이 가능이며 조간은 300 mm, 주간은 150 mm로 이앙한 것과 같은 공간을 2,500 mm의 폭 5,000 mm의 길이로 구성하였다.
그렇기 때문에 일반적인 형태의 바퀴로 논 위를 주행하는 것은 매우 어렵다. 본 논문에서 제초로봇은 Fig. 1(a)에서 보는 바와 같이 무논의 모열 사이를 주행할 수 있도록 궤도형태로 하였고, 토사로 인하여 궤도가 벗겨지는 것을 방지하기 위하여 고무 재질의 크롤러로 선택하였다. 궤도 폭은 100 mm로 하였다.
25도 간격으로 거리측정이 가능하다. 본 논문에서는 측정구간의 정중앙인 90도를 기준으로 하여 60~120도 구간에서 모열을 측정하였다. 0.
궤도 폭은 100 mm로 하였다. 선회 시 발생하는 비틀림으로 인한 휨 현상을 방지하고, 곤죽 상태의 지면 위에서 충분한 추종 추력을 얻기 위하여 로봇의 프레임은 스틸형강을 사용하여 강도를 보완하였다. 로봇의 차폭의 중심거리는 700 mm로 하여 300 mm의 일정한 간격으로 심겨진 모열 사이를 주행하면서 불규칙적인 노면에서도 안정성을 유지할 수 있도록 제작하였다.
총 6조로 이앙이 가능이며 조간은 300 mm, 주간은 150 mm로 이앙한 것과 같은 공간을 2,500 mm의 폭 5,000 mm의 길이로 구성하였다. 실험을 위하여 플라스틱으로 제작된 인공모를 사용하여 지면에 구멍을 뚫어 고정시켰다. 환경 조성 시 편차를 줄이기 위하여 바닥에 두 개의 줄자를 고정하고 주간과 조간을 기준 삼아 지면에 실로 격자를 만들었다.
눈으로 정확하게 측정하는 것은 어렵기 때문에 데이터는 약간의 측정 오차를 갖고 있다. 오차를 최소화하기 위하여 구동 트랙의 양 쪽 모두를 측정한 후, 두 측정 데이터의 평균 값을 로봇의 주행 경로로 결정하였다. 측정된 주행 경로는 Fig.
본 논문은 친환경 제초 작업을 수행하기 위해 개발된 제초로봇을 소개하고 LRF와 IMU의 센서융합으로 모열을 검출한 후, 모에는 어떠한 손상없이 기준 경로를 따라 안전하게 주행하는 방법에 대해 제안하였다. 제안한 알고리즘을 탑재한 로봇 플랫폼은 불규칙하고 곤죽 상태의 지면 위를 주행하기 위하여 고무 형태의 크롤러를 사용한 구동부, 친환경 유기 농업을 실현하기 위한 수소연료전지와 배터리 형태의 하이브리드 형태의 전원 공급장치 및 탈부착이 가능한 무동력 제초기구부로 구성되었다. 로봇 플랫폼의 불규칙한 지면에서의 모열 추종 성능을 평가하기 위한 주행 시험은 두 가지 형태의 발생 가능한 경로인 직선과 곡선 구간의 조합을 병행하여 논리적으로 합당하게 조성된 시험 환경에서 수행되었다.
각각의 조간 작업부의 후미에는 한 쌍의 날개 모양의 회전륜 형태로 제작된 주간 작업부를 연결하였다. 제초 작업부와 암의 연결은 제초로봇의 불규칙적인 움직임에도 작업기가 작물을 손상시키지 않고 제초작업을 수행할 수 있도록 전우좌우 방향으로 약 15 mm의 유격을 두어 자중에 의한 기구부 위치의 변화와 바닥의 불규칙적인 굴곡면에 즉각 대응할 수 있도록 제작하였다.
조성된 작업 환경에서 제초로봇의 주행 시험에 대한 경로를 얻기 위하여 격자 형태의 작업 공간의 기준면으로부터 로봇의 구동 트랙에 의해 생긴 궤적들의 중심까지의 거리를 측정하였다. 눈으로 정확하게 측정하는 것은 어렵기 때문에 데이터는 약간의 측정 오차를 갖고 있다.
측정된 모열에 대한 보정 데이터를 이용하여 로봇은 경로를 결정하고 국부 경로를 추정한다. Fig.
실험을 위하여 플라스틱으로 제작된 인공모를 사용하여 지면에 구멍을 뚫어 고정시켰다. 환경 조성 시 편차를 줄이기 위하여 바닥에 두 개의 줄자를 고정하고 주간과 조간을 기준 삼아 지면에 실로 격자를 만들었다.

대상 데이터

곡선 구간의 경우, 이앙기의 최소 선회반경을 기준으로 결정하였다. 이 때, 최소 선회반경은 이앙기의 차폭 C_b에 의해 결정되는데, 본 논문에서는 다양한 이앙기 중에서 6조식이며 차폭이 1,985 mm인 것을 선정하였다. 이 이앙기로 작업하였을 때 생성될 수 있는 최소 선회반경 ρ는 식(7)로 계산된다.
본 논문에서 제안한 알고리즘을 적용하기 위하여 이앙기를 사용하여 작업한 것과 동일한 작업 환경을 조성하였다. 총 6조로 이앙이 가능이며 조간은 300 mm, 주간은 150 mm로 이앙한 것과 같은 공간을 2,500 mm의 폭 5,000 mm의 길이로 구성하였다. 실험을 위하여 플라스틱으로 제작된 인공모를 사용하여 지면에 구멍을 뚫어 고정시켰다.

이론/모형

이러한 영상처리와 작물 인식 방법을 이용하면 전 영역에 걸쳐 제초제를 일정하게 뿌리지 않고 잡초의 영역에만 국부 분사하는 것이 가능하다.^6,7 이러한 연구에는 Bayes 분류기, HIS 변환, Hough 변환 등의 알고리즘이 사용되었다.⁸ 또한, 영상 처리 기법은 벼농사 같은 작업 공간을 주행할 때 작물열을 검출하여 경로를 찾는데도 이용되었다.
그렇기 때문에 모를 밟지 않고 모열을 따라 이동하면서 제초작업을 수행하기 위해서는 실시간으로 모열을 감지해야만 한다. 본 논문에서는 모열을 검출하기 위해서 LRF 를 사용하였다. LRF는 측정 부위를 지면을 향하도록 하여 로봇의 전방에 부착하고 로봇의 진행방향에 대해 한번에 나란히 심겨지는 6조와 나란한 횡방향으로 고정(Fig.

성능/효과

로봇 플랫폼의 불규칙한 지면에서의 모열 추종 성능을 평가하기 위한 주행 시험은 두 가지 형태의 발생 가능한 경로인 직선과 곡선 구간의 조합을 병행하여 논리적으로 합당하게 조성된 시험 환경에서 수행되었다. 시험 결과, 기준 경로에 대하여 최대 편차 62 mm 이내로 모열을 따라 주행할 수 있다는 것을 검증하였고 이는 조간 폭과 주행 트랙 폭을 고려하였을 때 충분히 좋은 추종 성능을 나타내고 있다는 것을 알 수 있다.
8은 기준 경로와 측정 경로의 절대 오차를 나타내고 있다. 절대오차의 최대 값은 62 mm 인데, 로봇의 트랙 폭이 100 mm 이고, 조간이 300 mm 임을 고려하면 기준 경로부터의 62 mm의 편차는 모열에 어떠한 손상도 없고 로봇의 조향 제어는 충분히 안정적이다고 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잡초제거를 위한 수작업의 단점은?	농업분야, 잔디, 골프장, 스포츠 분야 등에서 잡초를 관리하기 위하여 다량의 제초제가 사용되고 있는데, 이로 인한 환경 오염은 경제적 이익에 비해 피해가 심각하다. 제초제의 사용을 줄이면서 잡초를 제거하기 위해서는 수작업이 가장 좋은 방법이나, 시간과 비용이 많이 든다. 1 농촌 인구의 급속한 고령화와 여성화로 인한 노동력 감소는 그런 힘든 작업을 더 어렵게 한다.
	여러 분야에서 제초제가 사용되는 이유는?	최근 친환경 농업은 건강과 환경에 대한 많은 사람들의 관심 증폭에 발맞춰 안전한 식품의 생산 요구가 확산되고 있다. 농업분야, 잔디, 골프장, 스포츠 분야 등에서 잡초를 관리하기 위하여 다량의 제초제가 사용되고 있는데, 이로 인한 환경 오염은 경제적 이익에 비해 피해가 심각하다. 제초제의 사용을 줄이면서 잡초를 제거하기 위해서는 수작업이 가장 좋은 방법이나, 시간과 비용이 많이 든다.
	농촌의 제초제거 수작업이 어려운 이유는?	제초제의 사용을 줄이면서 잡초를 제거하기 위해서는 수작업이 가장 좋은 방법이나, 시간과 비용이 많이 든다. 1 농촌 인구의 급속한 고령화와 여성화로 인한 노동력 감소는 그런 힘든 작업을 더 어렵게 한다. 그래서 제초제 없이 물리적 제초방식을 대신할 수 있는 새로운 제초기술의 개발이 필요하다.

참고문헌 (12)

Watchareeruetai, U., Takeuchi, Y., Matsumoto, T., Kudo, H., and Ohnishi, N., "Computer Vision Based Methods for Detecting Weeds in Lawns," Proc. of IEEE Conference on Cybernetics and Intelligent Systems, pp. 1-6, 2006.
Chen, B., Tojo, S., and Watanabe, K., "Machine Vision for a Micro Weeding Robot in a Paddy Field," Biosystems Engineering, Vol. 85, No. 4, pp. 393-404, 2003.

상세보기
Jung, B., Yeo, I., and Cho, C., "Autonomous Traveling of Unmanned Golf-Car using GPS and Vision System," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 26, No. 6, pp. 74-80, 2009.
Jiang, G., Ke, X., Du, S., and Chen, J., "A Straight Line Detection Based on Randomized Method," Proc. of 9th International Conference on SIGNAL PROCESSING PROCEEDINGS, pp. 1149-1152, 2008.
Igawa, H., Tanaka, T., Kaneko, S., Tada, T., and Suzuki, S., "Visual and Tactual Recognition of Trunk of Grape for Weeding Robot in Vineyards," Proc, of IECON 09, pp. 4274-4279, 2009.
Hemming, J. and Rath, T., "Computer-vision-based Weed Identification under Field Conditions using Controlled Lighting," Journal of Agricultural Engineering Research, Vol. 78, No. 3, pp. 233-244, 2001.

상세보기
Lee, W., Slaughter, D., and Giles, D., "Robotic Weed Control System for Tomatoes," Precision Agriculture, Vol. 1, No. 1, pp. 95-113, 1999.

상세보기
Jiang, G., Zhao, C., and Si, Y., "A Machine Vision Based Crop Rows Detection for Agricultural Robots," Proc. of International Conference on Wavelet Analysis and Pattern Recognition, pp. 114-118, 2010.
Furgale, P. and Barfoot, T., "Stereo Mapping and Localization for Long-range Path Following on Rough Terrain," Proc. of IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 4410-4416, 2010.
Zhao, H., Liu, Y., Zhu, X., Zhao, Y., and Zha, H., "Scene Understanding in a Large Dynamic Environment through a Laser-based Sensing," Proc. of IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 127-133, 2010.
Ryo, T., Noboru, N., and Akira, M., "Automatic Guidance with a Laser Scanner for a Robot Tractor in an Orchard," Proc. of the International Conference on Automation Technology for Off-road Equipment, pp. 369-373, 2004.
Subramanian, V., Burks, T., and Arroyo, A., "Development of Machine Vision and Laser Radar Based Autonomous Vehicle Guidance Systems for Citrus Grove Navigation," Journal of Computers and Electronics in Agriculture, Vol. 53, No. 2, pp. 130-143, 2006.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증