다물체 동역학 시뮬레이션을 이용한 이송 배추의 충격 특성 분석

신주원 ( Ju Won Shin ),한준영 ( June Young Han ),주현식 ( Hyun Sik Joo ),김대철 ( Dae Cheol Kim ),김혁주 ( Hyuck Joo Kim ),손형일 ( Hyoung Il Son ),신서용 ( Seo Young Shin ),조용진 ( Yongjin Cho ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

국내에서 생산하는 엽채류 중 배추는 재배면적 및 생산량의 비중이 높은 작물이다. 배추는 운송 및 적재에서 외부의 물리적 충격등에 의하여 물성 상태의 변형 및 상품성 가치의 손실을 초래할 수 있다. 배추 수확, 포장, 운송 및 적재 작업인 수확 전 과정이 모두 인력으로 소요되며, 이런 작업과정을 기계화하기 위해 수집형 자주식 배추수확기 개발하고 있다. 기계화된 수집형 자주식 배추 수확기 운용 과정에서 배추 눌림 및 낙하가 발생 될 수 있다. 이로 인하여 배추 물성 변형 및 파괴 등으로 배추의 상품적 가치의 손실이 발생 될 수 있다. 따라서 배추의 물성 변형을 최소화할 수 있는 요인들이 배추수확기 설계에 반영이 되어야 할 필요성이 있다. 본 연구의 목적은 다물체 동역학 시뮬레이션을 이용한 배추 충격 분석을 하고 물성 변형을 최소화할 수 있는 설계 기준안을 제시하는데에 있다. 국내 배추 물성 특성을 조사하고 이 특성들을 반영하여 배추 이송 및 낙하 3D모델링을 실시하였다. 다물체동역학 시뮬레이션을 활용하여 배추 낙하 높이와 이송 속도별로 배추의 하중 및 충격량 변화 분석을 실시하였다. 시뮬레이션 결과, 높이와 이송 속도에 따라 배추의 하중 및 충격량 변화특성들을 예측할 수 있었다. 이를 배추의 상품성 향상을 위하여 배추수확기의 설계 및 제어에 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

드론 기반 벼 재배 영상데이터 취득

신주원 ( Joo Won Shin ),주현식 ( Hyun Sik Joo ),김현진 ( Hyun Jin Kim ),이형수 ( Hyung Soo Lee ),김대철 ( Dae Cheol Kim ),김성민 ( Seong Min Kim ),이동훈 ( Dong-hoon Lee ),조용진 ( Yongjin Cho ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

무인기 혹은 드론을 이용한 영상정보취득은 높은 공간해상도와 인공위성 대비 높은 경제성과 손쉬운 운용이 가능하여 적시성을 요하는 다양한 분야에서 활용이 가능하다. 드론영상을 활용하여 농업 공간을 구축하고 벼생육 및 작황정보를 분석할 수 있는 기술개발을 목표로 한다. AI학습용 예측모델 개발용 데이터는 정확한 생육조사와 수확량 조사를 위하여 해남군 농업기술센터의 계약 재배중인 벼 농가(해남군 56필지, 201,347㎡)를 대상지로 선정하였다. 무인드론 영상취득 작업공정은 비행계획 수립, 보정판 설치, 드론비행, 영상 확인 및 현장검수 순으로 진행하였다. RGB센서(20MP)기준 공간해상도 3cm 비행고도 130m와 동일한 비행고도에서 촬영하였으며, Calibration Target 드론을 활용하여 촬영 전ㆍ후 광량에 따른 영상 값 보정을 실시하였다. 취득한 영상은 영상정합 소프트웨어를 활용하여 RGB, 다중분광, 열화상 촬영사진을 정합 처리한 후 인공지능 학습 파일로 적용하였다. 촬영 대상 지역 필지 단위 경계를 작성한 후 영상 이미지를 배경으로 필지 형태에 적용하였으며, shp 맵파일과 영상처리가 완료된 정사 영상 데이터를 GIS프로그램을 활용하여 중첩하였다. 영상 취득 시기에 벼 재배농가 생육데이터와 수확량 정보를 조사하였으며, AI예측모델 개발을 위한 토양 품질 조사를 하였다. 토양 품질조사 결과는 shp 맵에 중첩하여 필지별 속성 정보를 입력하였다. AI 예측모델 개발을 위해 더 많은 학습용 데이터를 취득하여 성능을 개선시킬 예정이다.

배추 수확기용 견인형 수집부 설계

주현식 ( Hyun Sik Joo ),신서용 ( Seo Young Shin ),신주원 ( Joo Won Shin ),김영길 ( Young Gil Kim ),김대철 ( Dae Cheol Kim ),김혁주 ( Hyuck Joo Kim ),손형일 ( Hyoung Il Son ),조용진 ( Yongjin Cho ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

부착형 수집부를 사용한 자주식 배추수확기는 앞/뒤쪽의 다른 무게 배분과 길어진 전장으로 인하여 주행 및 작업 안정성에 미흡함을 보이고 있다. 본 연구는 자주식 배추수확기의 주행 및 작업 안정성을 높이고자 견인형 수집부 설계를 실시하였다. 부착형이었던 배추수확기용 수집부를 견인형으로 바꾸기 위해 PRO-E를 이용하여 설계하였다. 첫 번째로 수집부 하단 양 사이드쪽에 브라켓을 위치시키고 각 브라켓마다 베어링 축설계를 하였다. 브라켓 형상은 ‘ㄷ’으로 하여 외부충격으로부터 타이어를 보호하고 구동 시 흙 돌 등의 이물질 배출이 가능하도록 하였다. 수집부의 프레임 하중과 배추 80포기 적재하중인 총 400 kg 의 하중을 견디도록 각 타이어는 직경 300 mm, 폭 110mm, 허용하중 200 kg 으로 선정하였다. 두 번째는 배추수확기 주행부와 견인형 수집부를 연결하고자 힌지핀 타입형 견인고리를 설계하였다. 배추 수확기의 주행부의 궤도와 견인형 수집부 주행부의 높이는 동일 선상에 있도록 배치하였다. 또한 견인형 수집부와 주행부 연결 높이 조절부를 설계하여 경사지 필드 작업환경에서도 작업이 가능하도록 하였다. 배추수확기용 수집부를 기존 부착형에서 견인형으로 구조를 변경하여 배추수확기 작업시 주행 및 작업 안정성을 높일 수 있다.

배추 수확기용 견인형 수집부 보완설계

주현식 ( Hyun Sik Joo ),신서용 ( Seo Young Shin ),신주원 ( Joo Won Shin ),김영길 ( Young Gil Kim ),김대철 ( Dae Cheol Kim ),김혁주 ( Hyuck Joo Kim ),손형일 ( Hyoung Il Son ),조용진 ( Yongjin Cho ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

부착형 수집부를 사용한 배추 수확기의 주행 및 작업 안정성을 개선을 위한 견인형 수집부를 설계 제작하였다. 하지만 제작된 견인형 수집부 시작기에서 주행 안정성에서 문제점이 발생되고 있으며 이를 해결하기 위한 보완설계가 필요하다. 또한 수집부의 배추 적재 작업시 배추 손실과 배추 적재로 인한 무게중심 변화등 발생되는 문제점을 개선할 방안이 필요하다. 첫째로 배추 수확기 수집부의 주행 안정성을 개선하기 위하여 다음과 같은 사항을 수정 보완하였다. 수확기 주행부와 견인형 수집부 간 주행 및 회전 시 서로 간섭하는 현상이 발생하였다. 이를 보완하기 위해 지면으로부터 배추 수확기 본체의 최소높이와 최대높이에 대응하도록 견인고리의 높이를 120 mm로 연장하여 힌지핀 내에서 상하로 움직일 수 있게 하였다. 견인고리 옆면의 가이드판으로 회전 각도 범위를 90도에서 15도로 최소화하여 수확기 주행부와 견인형 수집부 간의 간섭을 줄여 주행 안정성을 개선하였다. 둘째로 배추 수확기의 작업 안정성을 개선하기 위하여 다음과 같은 사항을 수정 보완하였다. 개선전 견인형 수집부의 주행바퀴는 2개를 사용하였으며 이는 배추 적재로 인한 수집부의 무게중심이 변화하여 앞 혹은 뒤쪽으로 기울여지는 현상이 발생하였다. 이를 해결하고자 수집부의 주행바퀴 2개를 추가하여 배추 적재시 수집부의 무게중심 변화에 대응하도록 하였다. 또한 주행시 변화하는 배추 이송 거리(배추 이송부에서 배추 수집부간 이송 거리)로 배추가 적재함으로 이송 불량이 발생되었다. 이를 보완하기 위해서 이송부 끝부분에 배추 이송 가이드라인을 설치하여 변화하는 배추 이송에 대응하여 배추가 적재함으로 이송될 수 있도록 설계하였다. 추가적인 필드 시험을 실시하여 본 연구에서 실시한 보완설계에 대한 검토가 필요하다.

인공지능 학습을 통한 벼 작황정보 예측

주현식 ( Hyun Sik Joo ),신주원 ( Joo Won Shin ),김동은 ( Dong Eum Kim ),김대철 ( Dae Cheol Kim ),김성민 ( Seong Min Kim ),이동훈 ( Dong Hun Lee ),조용진 ( Yongjin Cho ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

정밀한 농작물 생육상태 진단 및 수확량 예측 분석 모델을 개발을 위해서는 최적화된 분석 모델개발이 필요하다. 확보한 드론 영상으로 농업 공간정보 구축하고 벼 농작물 생육/작황 상태 모니터링 정보를 가시화 기술이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 학습용 데이터 기반하에 AI 플랫폼 구축하는데 있다. AI 학습 데이터 구축을 위해 영상전처리 후의 필지단위 타일링 가공 데이터에 작황정보 현장조사 라벨링 데이터를 업로드하였으며 작물 필지와 그 외 지역 구분을 위한 필지 외곽선 추출작업 진행하였다. 테이블 구성 및 이미지 마스킹에 대한 메타정보를 입력하였다. 작물 및 재배면적 판독을 위한 학습 데이터 구축을 위해 각 재배/수확필지를 구분하여 태깅하였다. 인공지능 데이터 구축에서는 75 : 25 로 비율의 Train set으로 진행하였다. 드론 영상은 일정 크기인 512 x 512픽셀로 그리드 분할하고, 태깅된 데이터는 마스킹 이미지로 변환하여 그리드 분할하였다. 그리드 분할된 이미지와 마스킹 이미지는 학습과 테스트를 위한 데이터로 75 :25 의 비율로 분리하였다. AI 알고리즘을 활용한 농작물 생육상태 진단 및 품질, 수확량 예측 분석 모델 선정하였으며, 최적 분석모델 개발을 위한 Classification & Segmentation + Regression Analysis 모델을 적용하였다. 알고리즘을 바탕으로 선정된 벼 농작물 판독 및 인식 모델인 U-Net 모델 개발을 완료하였다. 딥러닝 기술 기반의 이미지 분할기술 중 Semantic Segmentation 기술을 활용하여 이미지 분할 방법 적용하여 농작물(벼)판독 및 재배면적 산출하였다. 선정된 작물의 품질 및 수확량 예측을 위한 추론 모델인 RESNET 모델을 개발할 예정에 있다.

공간통계학을 활용한 논 토양 성분 지도 작성

한준영 ( June Young Han ),신주원 ( Ju Won Shin ),원진호 ( Hyun Sik Joo ),양명균 ( Jin Ho Won ),김대철 ( Seung Min Kim ),김성민 ( Dae Cheol Kim ),주현식 ( Myoung Kyun Yang ),상완규 ( Wan Kyu Sang ),양창주 ( Chang Ju Yang ),조용진 ( 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

토양오염에 대한 관심이 높아짐에 따라 농업 분야에서는 친환경 정밀농업 기술의 필요성이 높아지고 있다. 작물의 생산성을 높이기 위한 관행적인 방법으로 복합비료를 사용하고 있지만, 복합비료의 과다 사용은 토양 오염을 일으킬 수 있다. 특히, 질소, 인, 칼륨 등의 성분들의 과다한 사용은 지하수와 표토의 오염을 일으켜 연작장해 및 토양 염류화를 야기한다. 농가에서는 복합비료 시비를 토양 속성에 관계없이 동일 양을 투입하고 있다. 이러한 농작물의 생산성을 유지하면서 환경적 문제를 개선하기 위해서는 토양 성분에 따라 적절한 시비가 이루어져야 한다. 본 연구에서는 논 토양성분을 분석하여 토양 성분 지도를 작성에 목적을 두고 있다. 경기도 화성시에 위치한 논 필지에서 GPS 위치정보에 따라 토양시료들을 채취 후 한국농업기술진흥원의 토양검증센터에 의뢰하여 토양 성분을 분석하였다. 수집한 토양 성분은 자기상관성을 모델링 하여 공간 예측을 수행하는 Variogram을 활용하여 토양 성분 간의 공간적 상관관계를 분석하였으며, 이를 바탕으로 토양 성분 지도를 작성하였다. 이는 위치별 토양 성분 변이에 따라 비료 투입량을 변량적으로 제어하는 기술에 활용하여 적절한 비료 관리가 가능하다.

밭작업용 제초 로봇 개발을 위한 기초 연구 (I)-제초가 채소의 수확량에 미치는 영향 분석

신서용 ( Seo Yong Shin ),주현식 ( Hyun Sik Joo ),신주원 ( Joo Won Shin ),정남진 ( Nam Jin Chung ),조용진 ( Yongjin Cho ),남요상 ( Yo Sang Nam ),김대철 ( Dae Cheol Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

최근 농촌의 노동력이 고령화되고 외국 노동자 인력 수급이 어려워지고 있어, 농촌 노동력 부족이 예상된다. 따라서 농번기에 노동력이 집중되는 제초작업을 위한 효율적이고 편리한 제초 로봇 개발이 시급한 실정이다. 국내에서는 벼농사용 제초 로봇이 개발되었으나 실용화 되지 못하고 있고, 외국에서 제초 로봇이 개발되어 있으나 고가이고 국내 실정에 맞지 않다. 따라서 국내 전형적인 밭농업 형태인 두둑이 있는 밭에서 동력소모가 적고 편리하게 제초할 수 있는 저렴한 제초 로봇 개발 및 보급이 필요한 실정이다. 본 연구는 밭작업용 제초 로봇을 개발하기 위한 기초 연구로서 제초로봇의 제초 효과와 고추 수확량을 조사하였다. 전북대학교 농업기계시험포장에 고추 재배를 위한 이랑을 성형하였으며 두둑에 비닐 피복 후 고추를 이식 후 두달 동안 재배하였다. 성형한 두둑 폭은 800mm, 고랑 폭은 600mm이다. 고추 품종은 일시 수확형 품종인 적영과 AR레전드를 대상으로 하였다. 각각의 품종에 대하여 제초 로봇 처리구와 무처리구를 3반복으로 두었으며, 처리구는 2주에 2회 제초 로봇이 운행되도록 처리하였다. 본 제초 시스템은 밭에서 고랑을 자주식으로 이동하면서 잡초가 자라기 전 혹은 조금 자랐을 때 더 이상 자라는 것을 물리적으로 방지하는 형식이다. 실험 결과, 제초 로봇에 의하여 0.6 m2 면적 내의 잡초발생량(생체중)은 5280.7g에서 619.7g으로 88.3% 감소였다. 무처리구와 처리구의 고추 1주당 평균 수확량을 비교해본 결과, 적영의 경우 145.5g에서 488.1g으로 235.5% 증가하였고, AR레전드의 경우 261.7g에서 406.0g으로 55.1% 증가하였다. 결론적으로, 제초로봇을 이용하여 노동력의 소모 없이 잡초 방제가 가능하고 관행재배 정도의 수확량도 얻을 수 있기 때문에 제초 로봇을 이용한 제초 자동화의 실현이 기대된다.

유한요소해석을 이용한 배추수확기용 견인형 수집부 견인 고리 응력분석

주현식 ( Hyun Sik Joo ),신주원 ( Joo Won Shin ),김대철 ( Dae Cheol Kim ),조용진 ( Yongjin Cho ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1

국내 생산 엽채류 중 배추는 재배면적 및 생산량이 가장 높은 비중을 차지하는 중요한 작물이다. 배추는 이식, 관리, 수확의 작업에서 대부분 인력에 의존하고 있다. 그중 배추의 수확 작업은 7~8명이 한 조를 이루어 배추의 절단, 포장, 이송, 적재의 공정 과정을 거치며 대부분 인력에 의존하고 있어 기계화율이 매우 낮은 상태이다. 특히 많은 노동력이 요구되는 수확 및 적재 과정에서 기계화 시스템이 필요한 상황이며, 배추수확기를 개발 중에 있다. 배추수확기용 수집부의 주행 및 작업 안정성을 확보하고자 견인형으로 설계하였으며, 견인형 수집부의 설계 단계에서 응력분석을 검토할 필요성이 있다. 따라서 본 연구는 유한요소해석을 이용하여 견인형 수집부의 견인 고리 및 힌지핀의 안정성과 변형률을 분석하였다. 설계된 견인형 수집부의 견인 고리는 적절한 회전반경을 위해 사다리꼴 형태로 설계하였으며 또한 견인 고리 옆면의 가이드판으로 회전 각도범위를 90 도에서 15 도로 최소화 하여 주행 및 회전 시 배추수확기의 간섭을 줄였다. 또한 배추수확기의 최소 높이와 최대 높이에 대응할 수 있도록 견인형 수집부 견인 고리의 높이를 120 mm로 연장하여 설계하였다. 견인 고리의 두께는 8 mm로 설정하였으며 재료는 SS400을 사용하였다. 배추수확기와 견인형 수집부를 연결하기 위해선 힌지핀을 사용하여 연결하며, 직경 지름22 mm, 재료 SM45C 의 힌지핀을 사용하였다. 유한요소해석을 위해 단순화 작업된 설계 모델링을 하였으며, mesh 사이즈는 해석의 정밀도를 높이기 위해 3 mm로 설정하였다. 응력조건은 배추가 적재되지 않았을 때, 중간 적재, 최대 적재의 총 3가지의 응력조건을 주었다. 또한 견인 고리가 최대 높이와 최소 높이, 중간 높이의 3가지 수준에 대해 응력분석을 실시하였다. 배추의 최대 적재 응력조건에서 견인 고리의 최대 높이일 경우 응력분포는 213.19 ~ 35.601 Mpa가 도출되었으며 변형률은 0.0018 mm ~ 0.00019 mm, 안전 계수는 1.2 ~ 6.46로 나타났다. 견인 고리가 중간높이의 경우 응력분포는 129.71 ~ 14.413 Mpa가 도출되었으며, 변형률은 0.00063 ~ 0.00014 mm, 안전 계수는 2.8 ~ 4.1로 나타났다. 견인 고리가 최소높이의 경우 응력분포는 218.39 ~ 29.795 Mpa가 도출되었으며 변형률은 0.0015~ 0.00017 mm, 안전 계수는 1.05 ~ 9.1로 나타났다. 결론적으로 각 재료의 항복 강도에 비해 발생한 응력의 최댓값보다 높기 때문에 적정한 설계로 판단된다.

DRS를 이용한 논 토양 특성 예측 모델 개발에 관한 연구

주현식 ( Hyun-sik Joo ),신주원 ( Ju-won Shin ),한준영 ( June-young Han ),김용현 ( Yong-hyun Kim ),김성민 ( Seung-min Kim ),김대철 ( Dae-cheol Kim ),송민희 ( Min-hee Song ),상완규 ( Wan-kyu Sang ),조용진 ( Yong-jin Cho ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

토양은 작물 생장에 있어 가장 큰 영향을 끼치므로 건강한 작물을 생산하기 위해서는 토양에 대한 성분을 파악하고 관리하는 것이 중요하다. 기존 관행 농법으로 인하여 토양에 대한 황폐화가 지속되면 농작물 생장에 직접적으로 영향을 끼치므로 지속 가능한 농업을 실현하기 위해서는 토양에 대한 정확한 성분 파악이 필요하다. 토양 성분분석 방법은 토양 시료를 채취하여 실험실 내에서 화학적 분석을 통하여 측정할 수 있지만 이것은 시간, 노동력 등 많은 비용으로 인하여 비실용적이다. 이를 보안하기 위해서 DRS (Diffuse Reflectance Spectroscopy)을 활용한 토양 성분 예측 모델 개발이 이루어지고 있다. DRS는 기존의 실험실 내 화학적 분석 방법과는 다르게 많은 시간과 노동력을 절감할 수 있으며 화학물질을 사용하지 않으므로 친환경적이다. 많은 연구자들은 DRS을 활용한 토양의 물리적 및 화학적 특성 예측 모델을 개발하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 본 연구의 목적은 국내 논 토양의 시료를 채취 후 각 시료에 대한 다양한 토양 성분 특성을 측정하고 DRS를 활용하여 토양 성분 예측 모델을 개발하고자 한다. 국내에서 대규모로 논 재배가 이루어지고 있는 경기도 화성시 장안면 수촌리의 4개의 필지를 선정하고 토양 시료를 채취하였다. 현장에서 수거한 토양 시료는 한국농업기술진흥원의 토양검증센터에 의뢰하여 다양한 토양 성분 특성을 측정하였다. 측정된 토양 성분 분석 결과들과 DRS를 활용하여 토양 성분 예측 모델을 개발하였다. 예측 모델은 부분 최소 제곱 회귀 (Partial Least Squares Regression, PLSR) 방법을 이용하여 개발하였으며, 국내 논 토양의 토양 특성을 DRS로 예측할 수 있었다.

배추 포장부 요인 시험

김규봉 ( Kyu Bong Kim ),신서용 ( Seo Young Shin ),이승훈 ( Seung Hun Lee ),주현식 ( Hyun Sik Joo ),신주원 ( Joo Won Shin ),한용호 ( Youg Ho Han ),김대철 ( Dae Cheol Kim ),조용진 ( Youngjin Cho ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

배추의 무게는 2~4kg/개로 타 작물에 비해 무겁고 부피가 크다. 배추 포장시 한 망당 3개의 배추를 포장하므로 망배추는 10kg 이상의 중량을 갖게 되어 배추 수확 작업자의 신체에 부담을 주게된다. 작업자의 신체 부담을 줄이기 위하여 배추 망포장 시스템 공정을 구축하였다. 구축한 공정을 바탕으로 요인 시험장치를 제작 후 요인 성능 시험을 실시하였다. 배추 망포장 요인시험은 요인시험장치(1430 x 550 x 620mm (L x W x H))와, 시료는 시중에 판매 중인 배추(품종 : 청원, 폭 250mm, 높이 400mm, 무게 3.31kg)와 배추망(크기 ‘대’, 너비 550mm, 길이 620mm)를 사용하였다. 성능 검증은 배추망 자동 공급, 공급된 배추망 일정한 위치 확보 여부, 배추망 투입구 확장 여부, 배추망 고정 여부를 확인하였다. 배추망은 스토리지 형태로 연속적으로 공급할 수 있도록 만들었다. 배추망을 확장하고 배추를 투입하는 과정중에, 배추망이 망걸이에 결속되지 않고 슬립되어 망걸이로부터 분리되는 현상이 발생되었다. 또한 배추의 자중을 견디지 못하고 배추망이 망걸이로부터 낙하되는 경우도 발생되었다. 이와 같은 배추망 포장작업의 불량률을 감소시키기 위해서는 배추망 스토리지 위치고정 가이드, 망걸이 확장부 유도 가이드 추가 설계가 필요하며, 배추의 자중을 지지할 수 있도록 배추 망걸이를 최대로 확장시킬 수 있도록 시스템 보완 설계가 필요하다.