선형회귀 알고리즘 기반 변량 시비 제어를 위한 입상 비료 특성 모델링 연구

양창주 ( Changju Yang ),홍영기 ( Youngki Hong ),김경철 ( Kyung-chul Kim ),권경도 ( Kyung-do Kwon ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

본 연구는 벼 포장 환경에서 이앙기 작업과 동시에 수행되는 시비 작업 과정에서, 생산성 향상을 위해 재배 기간 중 추비 등의 작업으로 인한 노동력 부담 경감 효과를 위한 완효성 특성을 갖는 복합 성분이 함량된 입제 비료를 사용한다. 그러나 기존 일괄 비료 살포법으로 시비 작업시, 평균 약 1ha의 면적 내에 토질의 상태가 균일하지 못한 문제로 인하여 기대 소득을 위한 총 생산 목표량을 맞추기 위해 필요 이상의 비료가 투입되는 등의 토양 환경오염을 유발하는 문제가 발생되었다. 이와같은 문제를 해결하기 위해 균일한 토질의 상태 조성과 적정 비료량 투입이 필요하며, 사전 조사 및 분석된 토양 특성 정보를 기반으로 생성된 맵 데이터를 활용하여 위치별 적정량 비료 살포가 가능한 기술도입이 필요하다. 이를 위해, 벼의 생육에 가장 큰 영향을 미치는 요소인 질소, 인, 칼륨 성분과 같은 토양 내 무기질 비료 성분별 분석 결과를 기반으로 작성된 특성 맵을 이용하여 입상 비료의 물리적 특성에 따라 변량 시비 제어 알고리즘 개발을 위한 모델링을 제시한다. 이를 위해 선형회귀 알고리즘을 이용하여 입상비료의 물리적 특성에 따른 상관관계를 분석하고, 모델링을 수행하였다. 실험에 사용된 입제 비료는 국내에서 생산 판매중인 16종 제품을 대상으로 수행하였으며, 입제 비료의 물리적 특성을 기반으로 한 시비량 제어 모델 개발을 위해 정밀 무게측정이 가능한 전자저울을 이용하고, 임베디드 제어기가 장착된 변량시비제어기를 이용하여 단위 거리에 따른 비료 토출량을 조사하였으며, 본 논문에서 제안한 모델의 현장 적용 가능성을 확인하였다.

지능형 방제기의 효율적인 분사 제어를 위한 LiDAR 기반 고속 데이터 신호 처리 기법에 대한 연구

양창주 ( Changju Yang ),이명훈 ( Meonghun Lee ),김경철 ( Kyoung-chul Kim ),홍영기 ( Youngki Hong ),김현종 ( Hyunjong Kim ),이시영 ( Siyoung Lee ),류희석 ( Hee-suk Ryu ),권경도 ( Kyung-do Kwon ),김국환 ( Gookhwan Kim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

본 연구는 과수원내에서 가장 많이 사용되는 방제기에 과수 형상을 인식하여 효율적으로 농약을 분사하는 방법을 제시한다. 실험에 사용된 방제기는 상용 제품의 각 분사 노즐별 제어가 가능하도록 솔레노이드 밸브가 설치 되어있고, 이들을 On/Off제어를 위한 하위 제어기가 달려있으며, 실시간 밸브제어를 위해 센서로부터 획득한 데이터를 기반으로 과수의 형상을 인식하여 제어신호를 전송하기 위한 산업용 PC로 구성된 상위 제어기가 설치되어 있다. 과수의 형상을 인식하기 위해서는 3차원 공간상에서의 위치 좌표 및 과수의 유무를 구분할 수 있도록 센서를 장착시켜야 하며, 이를 위해 선정한 LiDAR는 직진성이 강한 파장 대역의 레이저 광원을 이용하여 물체의 표면에 반사되는 빛을 인식하고 3차원 공간에서 위치 좌표를 데이터화하여 사용하는 센서이다. LiDAR의 동작원리 특성상 내장되어있는 16개의 센서가 360°를 회전하며 0.1~0.4° 의 분해능을 갖고 데이터를 전송하기 때문에 단위 sequence 마다 최대 57,600개의 위치데이터를 처리해야하는 상황이 발생한다. Linux OS 및 ROS 환경에서 Python으로 구현된 소프트웨어로 시뮬레이션 한 결과, 단일 sequence 내의 위치 데이터들을 처리하는데 소요되는 시간은 최대 약 0.47초가 걸렸으며, 이는 LiDAR가 회전하는 주기시간보다 길기 때문에 실시간으로 밸브 제어를 할 수 없게 되고, 시스템 메모리의 버퍼에 누적된 데이터를 처리하기 위해 발생하는 버퍼링 현상으로 인해 정상 적인 동작을 할 수 없게 된다. 이를 해결하기 위해 데이터를 고속으로 처리 할 수 있도록 down-sampling 기법을 통해 개선 시켰으며, sequence delay 기법으로 분무 상태로 인한 인식 오류를 해소 하고, threshold 처리를 통해 과원내 설치된 관수 파이프 및 지지대를 인식한 위치 데이터를 배제 시켜서 필요한 곳에만 농약을 분사 할 수 있도록 개선시키고 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, 기존의 일괄 분사방식과 차이가 없음을 확인할 수 있었으며 농약 사용량이 최대 약 30% 까지 절감됨을 확인하였다.

방제기의 효율적인 분사를 위한 LiDAR 기반 제어 알고리즘 구현

양창주(Changju Yang),김국환(Kookwhan Kim),이명훈(Meonghun Lee),김경철(Kyoung-chul Kim),홍영기(Youngki Hong),김현종(Hyunjong Kim),이시영(Siyoung Lee),류희석(Hee-suk Ryu),권경도(Kyoung-do Kwon) 대한전기학회 2020 정보 및 제어 심포지엄 논문집 Vol.2020 No.10

영상 데이터 수집을 위한 매니퓰레이터 플랫폼 이동 제어기법 연구

양창주 ( Changju Yang ),김국환 ( Gookhwan Kim ),김경철 ( Kyung-chul Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

농작업의 기계화가 도입된 이래로 노동력을 절감하기 위한 노력이 지속되어 왔으며 그중 특히 농업은 그 수요가 매우 높은 산업 분야이다. 특히, 온실의 경우 노지 농업에 비해 상대적으로 기계화 도입이 용이한 조건을 갖추고 있으며, 사람의 팔 대신 작업이 가능하도록 하기 위한 자동화 분야에서 활용되었던 영상인식 기반의 빈-피킹과 같은 기술의 접목이 매우 빠르게 이루어지고 있다. 일반적인 제조현장과는 달리, 농업환경에서는 정형화되어 있지 않은 농작물을 대상으로 작업을 수행해야 하는 어려움이 있다. 이를 위해 영상 인식기반의 수확작업, 숙도판별, 개체수 모니터링 기술 및 농작업 경로설정과 같은 연구들이 많이 진행되고 있다. 본 논문에서는 상기의 연구를 목적으로 활용하는 매니퓰레이터 기반 플랫폼이 작물의 특성으로 고려하여 온실 내에서 이동하기 위한 제어 알고리즘에 관한 기법을 제안하였다. 실험을 위해 사용된 매니퓰레이터 플랫폼은 온실의 내부 온도를 유지하기위해 설치된 온수 파이프를 레일로 사용하도록 하드웨어를 제작하였으며, 사람이 작물의 위치를 인식하는 작업환경을 고려하여 유사하게 동작할 수 있도록 스테레오 카메라의 위치와 각도를 설정하였다. 작물의 잎과 대상 객체와의 구조적 특성으로 인한 수직 방향의 카메라 각도의 인식 한계성을 극복하기 위해 플랫폼이 이동하는 과정에서 사전에 3차원 좌표를 인식할 수 있도록 단위 구역을 설정하여 이동하도록 알고리즘을 고안하였다. 매니퓰레이터의 이동 제어를 위해 산업용PC를 제어기로 구현하고 RS485 통신 프로토콜을 기반으로 정밀제어를 수행하였다. 또한, 시뮬레이션 수행을 위해 구체 모형의 3D 좌표값 비교를 통해 제안한 기법의 적용 가능성을 확인하였다.

LiDAR를 활용한 과수 형상에 따라 선택적 방제가 가능한 지능형 방제기

양창주(Changju Yang),김국환(Gookhwan Kim),이명훈(Meonghun Lee),김경철(Kyoung-Chul Kim),홍영기(Youngki Hong),김현종(Hyunjong Kim),이시영(Siyoung Lee),류희석(Hee-Suk Ryu),권경도(Kyung-Do Kwon),오민석(Min-seok Oh) 유공압건설기계학회 2020 드라이브·컨트롤 Vol.17 No.4

Driving on irregular and inclined roads using agricultural machinery such as spraying machines or trucks in orchards causes farmer casualties associated with the overturning of agricultural machinery. In addition, the harm to agricultural workers caused by the excessive inhalation of the scattered pesticide frequently occurs during pest control processes. To address these problems, we introduced precision agricultural technology that could selectively spray pesticides only where the fruit is present by recognizing the presence or shape of the fruit in the orchard. In this paper, a 16-channel LIDAR (VLP-16) made of Velodyne was used to identify the shape of fruit trees. Solenoid valves were attached to the end parts of 12 nozzles of the orchard spraying machine for on/off control. The smart spraying machine implemented in this way was mounted on a vehicle capable of autonomous travel and performed selective control depending upon the shape of the fruit trees while traveling in the orchards. This is expected to significantly reduce the amounts of pesticides used in orchards and production costs.

변량시비기를 이용한 입상 비료의 시비량 제어기법 연구

양창주 ( Changju Yang ),강예지 ( Yeji Kang ),홍영기 ( Youngki Hong ),김국환 ( Gookhwan Kim ),김경철 ( Kyung-chul Kim ),권경도 ( Kyung-do Kwon ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

노지 농업 작물 중 벼를 대상으로 하는 농사의 경우 이앙 재배시 질소비료를 사용하게 된다. 관행 농업에서 수행해온 비료 표준사용량은 목표 수량과 쌀의 품질요인을 토대로 결정하였으며, 토양 성분분석에 의한 비료 사용기준은 질소의 경우 토양검정 비료 추천식으로 결정하여 적용되어왔다. 비료회사에서 생산 공급하는 입상 형태의 비료는 알갱이 형태로 제조된 복비로서, 재료 조달의 용이성 및 냄새가 거의 없고 및 노동력이 절감된다는 장점 때문에 널리 쓰이고 있다. 그러나 입상비료는 담수형태의 논에서 비선형적으로 물에 용해되기 때문에 이앙시 근접한 곳에 직접 살포하는 방식으로 사용하고 있다. 본 논문에서는 이러한 비료의 물리적 특성을 고려하여 적정량의 결정 비료량을 정밀하게 살포하기 위한 변량시비기의 제어 알고리즘을 제안하였다. 실험환경으로는 비료회사별 제조 및 판매 중인 다양한 입상형태의 비료를 변량시비기 플랫폼을 활용하여 수행하였으며, 요구 비료 성분 함량 대비 소요 비료 살포량을 비교 분석하였다. 비료 살포량 제어를 위해 임베디드 모듈로 구성된 에뮬레이터를 이용하였고 전자적 계측이 가능한 무게 센서를 이용하여 비료량을 계측을 통해 제어 알고리즘 적용이 가능함을 확인하였다.

LiDAR를 활용한 환경인식 기반 궤도형 제초로봇 연구

양창주 ( Changju Yang ),원진호 ( Jin-ho Won ),홍영기 ( Youngki Hong ),김국환 ( Gookhwan Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

현재 우리나라의 농업은 농촌인구의 감소와 고령화로 인한 노동력 절감형 과원체계의 필요성이 증대되고 있다. 특히, 과원에서 스피드 스프레이어 등 농기계를 활용하여 과원의 불규칙한 노면과 경사진 곳을 주행하면서 농작업을 수행할 때, 전복 사고로 인한 사상자가 연평균 3% 정도 꾸준히 발생하고 있는 실정이다. 본 논문에서는 농작업 기계의 무인, 지능화 기술에 대한 핵심기술을 확보하기 위해 과원에서 노동력 요구도가 높은 농작업 중 하나인 제초 작업에 대해 무인화 및 로봇화 기술과 접목시켜 농작업 편이성을 제공하기 위한 무인 제초로봇 기술을 제안하였다. 제초로봇이 과원과 같이 불규칙한 노면에서 원활하게 주행이 가능하고, 새머리구간에서 제자리 회전을 하는 등 좁은 공간에서도 쉽게 선회할 수 있도록 궤도형 주행 장치를 기반으로 설계 및 개발하였다. 제초로봇에는 과수열과 장애물, 새머리구간을 인식하기 위해 LiDAR 센서를 활용하였고, LiDAR로 측정된 위치값의 정확도를 높이기 위해 관성측정장치를 활용하여 자세 변화를 측정하여 3차원 공간 상에서 검출된 물체의 위치 값을 보정하였다. 제초 작업기는 로봇의 전방에 장착하여 과수 사이의 제초 작업이 가능하도록 설계 및 제작하였으며, 제초 작업부에 접촉 또는 비접촉 센서를 장착하여 과수를 인식하고 가변형 제초 작업부가 동작하도록 한 것이다. 제초로봇의 자율주행은 GPS와 같은 자기 위치 측정장치 없이 LiDAR를 활용하여 3차원 공간상에서 과수 사이의 상대 위치를 결정하는 방식으로 과수열 사이의 중심에서 이동할 수 있도록 하였으며 전방을 기준으로 LiDAR의 특정 위치(좌우 90도) 이상에서 과수가 검출되지 않으면 선회구간이라 정의하고 회전할 수 있도록 하였다. 또한, 전방의 일정 구간에서 검출되는 장애물(연속적으로 검출되는 일정 이상의 크기로 이루어진)도 LiDAR로 인식하여 회피 또는 정지하는 방식을 통해 안전하게 주행할 수 있도록 하였다. 본 연구는 GPS 등의 고가의 장치를 대신하여 하나의 센서를 활용하여 과수열, 선회 구간 및 장애물 인식 등이 가능하도록 기술을 제안하였다. 추후, 현장 적용 시험을 통해 기술 안정화를 수행하며 실효성을 검증할 계획이다.

LiDAR를 이용한 과수원용 로봇 방제기의 가우시안 필터 기반 고효율 분사 제어 알고리즘 개발

양창주(Changju Yang),원진호(Jinho Won),김국환(Gookhwan Kim),권경도(Kyung-Do Kwon),김경철(Kyung-Chul Kim),홍영기(Youngki Hong) 제어로봇시스템학회 2021 제어·로봇·시스템학회 논문지 Vol.27 No.11

In general, control work carried out by farmers in orchards causes environmental pollution problems due to residual pesticides generated in the process of excessive spraying, and is directly exposed to the skin and respiratory tract, adversely affecting the health of farmers. As a countermeasure to this problem, a technology to automatically control machinery used in agriculture is required, and this study proposes a control algorithm for a control robot system that can spray high-efficiency pesticides in an orchard environment. The shape and presence or absence of the fruit tree were checked using the LiDAR sensor, and a Gaussian filter-based control signal algorithm was designed and simulated. The main techniques used in the algorithm were gaussian filtering, down sampling, threshold processing, and sequential data delay techniques, and the effect was confirmed through simulation.

배 과수원 대상 LiDAR 기반의 인식 영역별 고효율 분사 제어 알고리즘 개발

양창주(Changju Yang),원진호(Jin-ho Won),김국환(Gookhwan Kim),권경도(Kyung-Do Kwon),김경철(Kyoung-Chul Kim),홍영기(Youngki Hong) 한국통신학회 2021 韓國通信學會論文誌 Vol.46 No.11

배 과수원 대상 LiDAR 센서기반 과수 인식을 위한 이산 순차지연 기법 연구

양창주 ( Changju Yang ),김국환 ( Gookhwan Kim ),김경철 ( Kyung-chul Kim ),권경도 ( Kyung-do Kwon ),홍영기 ( Youngki Hong ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

일반적으로 과수원에서 시행되는 관행 방제 방식은 과다 살포 과정에서 발생한 잔류 농약으로 인한 환경오염문제와 현장 작업자에 직접 노출로 인한 피부 및 호흡기 질병 유발 등의 건강 문제가 있었다. 이에 대한 대응책으로 무인화한 농업용 기계를 도입하고 있으며 그중 핵심적으로 경작지 내를 이동하기 위한 자율 조향 기술과 농약을 적당량만 살포하기 위한 분사 제어 기술이 필요하다. 배 과수원에서 사용되는 가지 유인방식 중 2본주지 배상형은 기존의 Y자형보다 작업이 편리하도록 높이를 낮추기 위해 아치형으로 조성하는 특징을 갖고 있다. LiDAR 센서를 사용하여 과수의 체적 데이터를 수집하고 분석한 결과, 2본주지 배상형의 구조적 특성에 기인한 문제로 인해 인식 구간 영역별로 과수 체적에 대한 인식 사각지대가 존재하는 것으로 분석되었다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 이산 순차 지연 알고리즘을 적용한 LiDAR 센서 기반 고효율 분사 제어 알고리즘을 제안하였다. 실험환경으로는 과수원을 일정한 속도로 이동하며 작업하기 위해 GPS기반 궤도형 자율 주행 이동 플랫폼을 활용하고 분사 노즐별로 장착된 솔레노이드 밸브를 제어하도록 하드웨어를 구성하였고, 소프트웨어적으로는 산업용 PC에 Linux OS 와 ROS 환경에 Python으로 프로그램을 구현하였으며, 알고리즘에 사용된 주요 기법으로 다운 샘플링, 가우시안 필터링, 임계값 처리 기법을 적용하고 시뮬레이션을 통해 그 효과를 확인하였다.