스마트팜 풍속 센서 검정 및 센서 성능 평가를 위한 시스템 개발

백선욱 ( Baek Sun Wook ),한철우 ( Cheol Woo Han ),김은국 ( Eun Kuk Kim ),박진근 ( Jingeun Park ),김영태 ( Young-tae Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

농업에서 스마트 팜 기술이 보급됨에 따라 센서 및 구동기를 포함한 스마트팜 ICT기자재에 대한 수요가 증가하고 있다. 하지만 검증되지 않은 제품이 시중에 유통되면서 농민들의 잠재적인 피해가 우려되며 검정에 대한 필요성이 증대되고 있다. 따라서 본 연구에서는 스마트 팜 ICT 기자재 구성요소 중 풍속 센서에 대한 검정장비를 구축하고 시중에 유통 중인 이종의 농업용 풍속센서를 선정하여 예비검정을 수행하였다. 검정 장비는 인공풍을 발생시키는 송풍기와 송풍기의 풍속을 측정하는 기준기 센서를 포함하고 있으며 중앙시스템에서는 검정 대상 센서와 기준기 센서의 데이터를 수집 및 저장하였다. 송풍기는 0~25m/s의 인공풍을 발생할 수 있으며 기준기는 0~30 m/s의 풍속을 측정 할 수 있다. 검정 시스템에 기준기 센서 적용에 앞서 센서의 풍속측정 신뢰성을 확보하기 위해 공인된 기관에서 풍속센서에 대한 교정을 수행하였으며 연구에 사용된 검정 대상 센서는 시중에서 유통되고 있는 초음파센서 1종, 광초퍼방식의 센서 2종을 선정하였다. 인공풍의 풍속 제어는 송풍기 터빈모터에 단계별 제어 신호에 의한 전압값을 인가하여 6단계의 인공풍을 순차적으로 발생시켰으며 이를 기준기 센서와 검정 대상 센서에서 동시에 풍속을 측정하여 기준기 센서와 검정 대상센서를 비교하는 방식으로 예비 검정을 수행하였다. 송풍기의 단계별 인공풍의 풍속 평균 표준편차는 0.12m/s로 안정적인 인공풍 생성과 전달을 확인하였다. 검정 대상센서의 예비 검정 결과 인공풍 단계의 전 구간에 걸쳐 초음파 풍속 센서의 평균 표준편차가 0.05m/s로 가장 낮았으며 광초퍼방식의 센서는 풍속이 높은 구간에서 표준편차가 0.8m/s까지 높아지는 것으로 나타났다. 기준기 센서와 비교하여 각 센서의 정확도는 광초퍼방식의 센서가 초음파 센서보다 높은 정확도를 보였다. 본 연구에서 구축한 농업용 풍속센서 검정용 시스템은 시중에서 유통되는 농업용 풍속센서를 검정 할 수 있는 성능을 보였다.

UAV 영상 정보를 이용한 개선된 R-CNN 기반 주변환경 장애물 인식 및 추적 알고리즘

오상언 ( Sang-eon Oh ),백선욱 ( Sun-wook Baek ),나심 ( Md. Nasim Reza ),이경환 ( Kyeong-hwan Lee ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

UAV의 영상 데이터를 통해 주변 환경의 장애물들을 자동으로 인식하는 시스템에 부합하기 위해 개선된 R-CNN 기반 장애물 인식 및 추적 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 크게 세 개로 분류할 수 있다. 첫 째는 검출하고자 하는 ROI (Region Of Interesting)를 설정하기 위하여 장애물들을 1차적으로 검출하는 것이다. 동물 및 보행자 등 이동형 장애물은 기울기의 방향성 특징들의 검출기법을 기반으로 분류하며, 전신주 및 바위 등 고정형 장애물은 변형된 랜덤하프변환을 기반으로 윤곽선 정보를 추출하여 위치정보를 판단하여 분류한다. 두 번째는 장애물 판단에 적합하게 구조적으로 개선된 CNN 기법을 기반으로 각각의 장애물 카테고리별로 1000장씩의 표본을 가지고 학습하는 과정이다. 세 번째는 인식된 장애물들에 추적 알고리즘을 적용하여 위치 데이터를 실시간으로 데이터베이스에 입력하여 누적시키고 장애물 이동에 맞춰 방향벡터를 생성하는 과정이다. 장애물들이 겹치거나 잠시 보이지 않는 현상이 발생하였을 경우에도 누적된 방향벡터 데이터들을 기반으로 이동반경과 과정을 예측하여 추적한다. 장애물의 인식 및 추적 성능 평가는 얼마나 정확히 검출하는 지에 대한 확률을 계산하기 위해 평균 검출 정확도(MAP)와 재현율(Recall)의 방법을 채택하여 테스트 하여, MAP는 평균 84%, Recall은 89%로 검출 및 추적성능이 우수함을 확인하였다.

원예용 스마트팜 ICT기자재 개발동향 및 표준화 현황 분석

한철우 ( Cheol Woo Han ),백선욱 ( Baek Sun Wook ),김은국 ( Eun Kuk Kim ),안치국 ( Chi-kook Ahn ),김영태 ( Young-tae Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

국내 농업인구의 고령화 및 여성화가 진행됨에 따라 농업노동인구가 감소하는 것과 동시에 이상기온 등의 문제로 인하여 온실 내 환경조정이 가능하고 노동투입이 적은 스마트 팜의 보급이 가속화되고 있다. 스마트 팜의 보급이 증가하면서 시설원예용 스마트 팜에 활용되는 ICT기자재를 판매하는 업체는 157개가 등록되어 있으며 판매 등록된 시설원예용 장비는 949종이다. (농림수산식품교육문화정보원, ‘19.9) 스마트 팜기술이 보급됨에 따라 농업인이 여가시간및 농가소득 증가 등의 긍정적 효과도 많이 나타나고 있으나 성능과 내구성이 보장되지 않는 ICT기자재의 유통으로 농업인의 안전문제 및 경제적 피해 등이 우려되고 있다. 또한 스마트 팜 ICT기자재를 보급하는 업체가 영세하여 설치 후 도산하는 경우에는 호환성 문제로 인하여 스마트팜 기자재 전체를 바꿔야 하는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 농업기술실용화재단과 한국전자통신연구원에서는 시설원예용 스마트팜에서 활용되는 ICT기자재 중 센서 12종, 구동기 9종에 대하여 표준을 제시하여 호환성 등을 확보하고자 하였다. 그러나, 표준에서는 센서나 구동기에 대한 전기적 연결 규격 및 기계적 연결 규격에 대한 범위를 매우 넓게 지정하고 있어 실제 현장에서 호환성을 확보하기는 어렵다. 따라서 본 연구에서는 시장에서 유통 중에 있는 스마트 팜 ICT기자재에 대한 전기적, 기계적 연결규격 등을 조사하여 대한 ICT기자재의 개발동향을 분석하고 조사된 데이터를 바탕으로 제정되어 있는 단체표준 및 국가표준 등과 비교하여 전기적·기계적 연결 규격에 대한 범위를 축소시키고 나아가 표준에 대한 개정 및 스마트팜 ICT기자재 검정기준 등에 활용하고자 한다.

무인항공기를 이용한 벼 생육 예측

유승화 ( Seung Hwa Yu ),백선욱 ( Sun Wook Baek ),이인 ( In Lee ),김석구 ( Seok Gu Kim ),이경환 ( Kyeong Hwan Lee ) 한국농업기계학회 2015 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.20 No.2

농업용무인항공살포기의 입제살포 성능시험을 위한 검정시스템 및 방법 개발

한철우 ( Cheol Woo Han ),백선욱 ( Baek Sun Wook ),박하은 ( Park Ha Eun ),안치국 ( Chi-kook Ahn ),김영태 ( Young-tae Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

최근 국내 농업은 4차 산업혁명으로 ICT기술의 융합이 가장 활발하게 적용되고 있는 분야 중 하나이다. 그 중, 가장 선제적으로 도입된 농업용무인항공살포기는 벼 직파 및 시비, 농약살포 등을 항공살포로 진행하였을 때 벼 재배 노동력의 50%이상 절감 할 수 있을 정도로 활용도가 높다. 항공살포에서 가장 중요한 성능은 대상 경작지에 균등살포의 가능여부를 판단하는 유효작업폭이 농업용무인항공살포기의 성능 척도가 된다. 유효 작업폭이 일정이하로 나타날 경우에는 약제가 비산되거나 경작지의 일부분에 집중 살포되어 작물에 피해를 준다. 이런 피해를 최소화 하고 농업용무인항공살포기의 성능 및 안전성을 확인하기 위하여 항공방제 성능에 큰 영향을 미치는 요소는 살포패턴과 유효작업폭으로 드론의 구성요소 중 살포방법, 위치, 하향풍, 로터의 위치 등 다양한 인자로 결정되어 진다. 그러나, 기존 유효작업폭 측정방식은 개방된 공간에서 진행함으로서 비행속도, 고도, 풍속 및 풍향 등에 대한 영향을 받아서 시험재현성 등에 대한 문제점이 지속적으로 제시되어 왔다. 본 연구에서는 입제살포 시의 시험재연성 및 다양한 외부환경에서의 시험을 위하여 비행속도(0~5m/s), 비행고도(2~3m), 측정범위 8m, 비행경로 등을 고정하여 농업용무인항공살포기의 유효작업폭을 정확하게 측정할 수 있도록 하였다. 또한, 이러한 연구결과를 바탕으로 하여 농업용무인항공살포기 검정 등의 시험방법을 개선하고 농업인들에게 우수한 제품이 보급될 수 있도록 하고자 한다.

농업용무인항공기 실내검정시스템을 위한 환경 모사장치 개발

한철우 ( Cheol Woo Han ),김영태 ( Young-tae Kim ),백선욱 ( Baek Sun Wook ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

최근 농업의 4차산업혁명으로 ICT융복합 기술이 스마트팜, 농업용드론, 로봇 등 다양한 분야에서 활발히 적용되고 있다. 특히 농업용무인항공살포기 분야는 가장먼저 상용화 되어 활발히 보급되어 벼농사의 경우 벼재배 노동력의 50%이상 절감 할 수 있을 정도로 활용도가 높다. 그러나, 항공방제가 균일하게 되지 않았을 경우, 약제가 비산되어 인접농가에 영향을 주거나 집중적으로 살포되어 대상 작물에 약해 피해를 줄 우려가 있다. 따라서, 농업용무인항공살포기를 농업인이 사용하기 전 항공방제 균일도의 지표라고 할 수 있는 방제성능과 비행성능 등을 확인하는 것은 필수적으로 진행되어야 한다. 국내 농업기계 검정을 담당하고 있는 농업기술실용화재단에서는 방제성능을 시험하기 위하여 살포유량, 유효살포폭, 비행자세 및 고도, 안전성 등을 확인하는 검정업무를 진행하고 있다. 방제성능을 시험하기 위한 주요요소 중 유효살포폭은 농업용무인항공살포기의 균일살포에 매우 중요한 시험항목 중 하나이나, 그러나 시시각각 변화하는 외부환경을 모사하여 실제 균일살포와 유사하게 시험하는 것으로서 농업용무인항살포기의 바람에 대한 저항성 등을 알아보고자 하였다. 본 연구에서는 대형팬 16개를 활용하여 풍향 (-45 ~ 45) °, 풍속 1-5 m/s를 구현할 수 있도록 시험장치를 제작하고 유효살포폭 측정장치 위에 풍향풍속 센서를 부착하여 실시간으로 풍속을 조정할 수 있도록 하였으며 이를 활용하여 유효살포폭 측정장치에서의 풍향풍속을 실시간으로 제어하고 농업용무인항공살포기가 풍향 및 풍속에 따라 시험결과를 보고 균일살포를 위한 변량살포제어장치를 최종적으로 만들고자 한다.

농업용무인항공살포기의 유효살포폭 측정 장치 개발

한철우 ( Cheol Woo Han ),김영태 ( Young-tae Kim ),백선욱 ( Baek Sun Wook ),김은국 ( Eun Kuk Kim ),임지섭 ( Ji-seob Lim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.1

최근 농업의 4차산업혁명으로 ICT융복합 기술이 스마트팜, 농업용드론, 로봇 등 다양한 분야에서 활발히 적용되고 있다. 특히 농업용무인항공살포기 분야는 가장먼저 상용화 되어 활발히 보급되어 벼농사의 경우 벼 재배 노동력의 50%이상 절감 할 수 있을 정도로 활용도가 높다. 그러나, 항공방제가 균일하게 되지 않았을 경우, 약제가 비산되어 인접농가에 영향을 주거나 집중적으로 살포되어 대상 작물에 약해 피해를 줄 우려가 있다. 따라서, 농업용무인항공살포기를 농업인이 사용하기 전 항공방제 균일도의 지표라고 할 수 있는 방제성능과 비행성능 등을 확인하는 것은 필수적으로 진행되어야 한다. 국내 농업기계 검정을 담당하고 있는 농업기술실용화재단에서는 방제성능을 시험하기 위하여 살포유량, 유효살포폭, 비행자세 및 고도, 안전성 등을 확인하는 검정업무를 진행하고 있다. 방제성능을 시험하기 위한 주요요소 중 유효살포폭은 농업용무인항공살포기의 균일살포에 매우 중요한 시험항목 중 하나이다. 그러나, 기존의 시험방법은 실외에서 평균풍속 1 m/s, 순간풍속 2 m/s 이하에서 측정하였으며 비행조작을 숙련된 조종사가 진행함으로서 비행속도, 고도, 비행경로 등이 각 시험마다 변경되어 시험의 재현성을 확보하기 어려운 문제점이 있었다. 또한, 실외 시험의 경우에는 기상환경의 문제로 연중 4개월 이상의 시험이 불가능하여 민원처리가 늦어지는 문제점이 있었다. 본 연구에서는 문제를 해결하기 위하여 외부환경에 대한 영향이 없는 실내에서 유효작업폭을 측정하기 위한 장치를 개발하고자 하였다. 실내 유효작업폭을 측정하기 위하여 이동체와 시험기대의 무게를 합하여 100 kg의 부하를 가지고 최대 시험 속도 5 m/s를 가지며 1 ~ 3 m 비행고도 설정, 항공기의 로터 속도 제어를 위한 rpm 미터 및 외부시험기기 등을 제작하고, 실내에서 유효작업폭을 측정한 결과를 분석하여 유효작업폭 측정장치를 시험재현성 등을 알아보고자 한다.

KS X 3267을 기반으로 디지털농업기자재 호환성(RS485) 시험을 위한 검정시스템 및 검정방법 개발

한철우 ( Cheol Woo Han ),박진근 ( Park Jin Gune ),백선욱 ( Baek Sun Wook ),안치국 ( Chi-kook Ahn ),김영태 ( Young-tae Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

정부에서는 100대 국정과제 83번에서 지속가능한 농식품 산업 기반 조성을 목표로 ‘22년까지 스마트팜을 시설원예 7천 ha, 축산 5천호 보급 및 관련 R&D 투자 확대를 목표로 ’18년부터 ‘22년까지 추진하고 있다. 이러한 정책기조와 국내 농업노동인구가 감소 및 이상기온 등의 문제로 인하여 온실 내 환경조정이 가능하고 노동투입이 적은 스마트 팜의 보급이 가속화되고 있다. 그러나, 스마트 팜 내에 설치되는 디지털농업기 자재의 성능, 호환성 등에 대한 확인이 없이 설치되고 있어 이로 인하여 발생할 수 있는 A/S비용증가 및 농작물 생육 피해 등은 농가에서 부담하고 있는 상황이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 RS485 통신을 기반으로 국가표준(KS X 3267)이 제정되었으며 농림축산식품부에서는 이를 확산하기 위한 스마트팜 국가 표준 확산사업을 수행 중에 있다. 그러나, 스마트 팜을 판매 중인 업체가 실제로 이러한 표준을 준수여부와 온실통합제어기 등이 비상상황(센서 및 구동기 고장 등)이 되었을 때, 어떻게 판단하여 대응할 것인지에 대하여서는 다룬 논문이나 제도 등이 없는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 국가표준(KS X 3267)이 적용된 센서, 구동기 및 온실통합제어기 등의 표준준수여부를 확인 할 수 있는 장비 및 시험방법 개발하고 스마트팜 국가표준사업에서 지원을 받아 제작된 센서 및 구동기 10여종에 대하여 통신호환성 시험을 수행하였으며 온실통합제어기에 대해서는 가상으로 구동기 및 센서 등을 구현하여 실험할 수 있도록 시뮬레이터를 제작하고 시험을 수행하였다. 이러한 결과를 바탕으로 디지털농업 ICT기자재 검정방법 및 검정기준 등을 우수하고 정확한 디지털농업기자재가 보급되도록 활용하고자 한다.

농업용무인항공살포기의 유효살포폭 측정장비 구축을 위한 농업용 드론 개발동향 분석

김은국 ( Eun Kuk Kim ),한철우 ( Cheol Woo Han ),백선욱 ( Baek Sun Wook ),임지섭 ( Ji-seob Lim ),김영태 ( Young-tae Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

최근 4차 산업혁명이 진행되면서 농업에서도 ICT기술이 융합된 스마트팜, 농업용 드론 및 로봇 등 다양한 기술이 보급·확산되고 있다. 특히 농업용 드론 중 하나인 농업용무인항공살포기는 가장먼저 보급되어 항공방제를 통하여 수도작 중 방제에 소요되는 노동력을 약 50% 이상 절감이 가능하다. 그러나 항공방제는 기체의 비행성능과 살포균일도가 낮을 경우에는 비산, 집중살포 등으로 작물 및 인접 농가에 약해 피해를 준다. 기체의 비행성능은 비행제어장치의 설정을 수정하거나 부품의 교체를 통하여 비교적 쉽게 개선이 가능하나, 살포균일도의 경우에는 노즐, 로터의 하향풍 등 여러 가지의 영향으로 반복시험으로 개선을 하여야 한다. 살포균일도는 유효살포폭을 측정하여 계산하는데 시험결과가 외부환경에 영향을 받으므로 시험결과에 대한 재현성 및 신뢰성 등을 확보하기가 어렵다. 따라서 본 연구에서는 유효살포폭을 외부환경의 영향을 받지 않는 상태에서 측정하기 위하여 실내에 유효살포폭 측정장비를 구축하기 위하여 농업기술실용화재단 종합검정 기준에 적합한 농업용무인항공살포기를 대상으로 프레임 직경, 로터(날개) 길이, 최대회전반경 등을 조사하여 실내시험장비에 농업용무인항공살포기를 부착하기 위한 지그 및 실내주행장치, 구조물 등의 크기를 조사하고자 하였으며 조사된 결과를 바탕으로 농업용무인항공살포기 실내검정시스템을 구축하고자 한다.

드론용 정밀 파종기의 살포 성능에 관한 연구

이춘구 ( Chun Gu Lee ),강영호 ( Young-ho Kang ),한철우 ( Cheol Woo Han ),백선욱 ( Baek Sun Wook ),장현수 ( Hyun-soo Jang ),유승화 ( Seung-hwa Yu ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

농작물의 파종을 위하여서는 파종기 및 정식기를 사용하는 것이 일반적이나 조사료를 재배하거나 간척지에서 파종하는 경우 일반적인 파종기 사용이 부적합하다. 이에 따라 배부식 동력살포기를 이용하여 파종을 실시하는데 노동 강도가 커 작업을 수행하기가 어려움이 많다. 최근 농업 분야에 많이 이용되는 드론의 경우 비행하며 작업이 가능하고 다양한 작업기의 부착이 가능하여 드론용 정밀 파종기에 대한 연구가 최근 이슈가 되고 있다. 그러나 기존의 드론용 입제 살포기는 방사형으로 살포하여 입제가 편중되거나 외기에 의하여 지면에 균일하게 살포되지 못하고 특정 영역에 집중되는 문제점 등이 발견되었다. 이를 개선하기 위하여 선행연구를 통하여 균일살포식 파종기를 설계 및 제작하였다. 본 연구에서는 해당 파종기를 이용하여 고정조건과 비행조건시의 살포폭과 살포균일도를 측정하여 실제 살포 성능을 관행 기종과 비교하고자 하였다. 파종기 고정 실험의 경우 지게차를 이용하여 2, 5m 높이에서 파종기만 가동하며 살포폭과 살포균일도를 측정하였고, 비행조건의 경우 2m 고도에서 비행하면서 살포폭과 살포균일도를 측정하였다. 파종은 볍씨를 이용하여 수행하였다. 실험결과 신개발 기종의 살포폭은 5m 정도로 기존의 드론용 입제 살포기에 비하여 부족하였으나 살포 균일도는 우수한 것으로 나타났다. 또 비행 살포의 경우 외부 기상에 의한 영향을 많이 받는 만큼 추가적인 반복 실험을 통하여 실험 결과를 보완하고자 한다.