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- 저자 : 한길수 ( Kilsu Han ) (검색결과 13 건)
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이대현 ( Daehyun Lee ),한길수 ( Kilsu Han ),이현동 ( Hyundong Lee ),김국환 ( Gookhwan Kim ),이명훈 ( Meonghun Lee ),김점순 ( Jeomsoon Kim ),홍성준 ( Sungjun Hong ),이경재 ( Kyongjae Lee ),송장훈 ( Janghoon Song ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2
최근 국내농업은 지구 온난화에 따른 기후변화와 국가 간 교역 확대, 해외여행 증가 등으로 인해 농산물 수입이 지속적으로 확장되고 있으며, 이는 검역병해충 및 외래·돌발 병해충의 발생 확산을 야기하여 농가의 병충해 피해를 증가시키고 있다. 특히, 이 중 과수 화상병의 경우 빠른 전염속도로 인해 발생 시과수원을 폐원시키므로 농가의 심각한 피해를 가져다주고 있어 문제해결이 시급한 실정이다. 국내에서는 병충해 관리를 위해 정기적인 예찰 및 방제를 수행하고 있지만 인력 활용 및 육안으로 감염 여부를 판정하고 있어 정확한 예찰이 어려울 뿐만 아니라 인력에 의한 병의 전파가 지속적으로 우려되고 있다. 드론은 무인비행장치로 최근 비행 제어 기술의 고도화로 인해 다양한 산업에서 그 활용범위가 급속도로 향상되고 있다. 농업분야의 경우 영상 장치의 소형화, 경량화를 통해 다양한 영상센서를 드론에 장착함으로써 농지의 다양한 정보의 실시간 측정이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 드론 기반 항공 예찰을 위한 기초 연구로 항공예찰 영상의 분석 및 드론 이착륙 관리를 위한 통합 관제 시스템을 설계하였다. 통합 관제 시스템은 드론 이착륙을 위한 스테이션과 항공영상 수신 및 제어 신호 송신, 항공영상 DB 관리 및 영상 분석이 가능한 데이터 처리부로 구성된다. 이착륙 스테이션은 드론 보관을 위한 케이스 내부에 드론이착륙 지원을 위한 상하 리프트 제어와 착륙 플레이트, 기구부 등이 설치되며, 드론의 이착륙에 따라 루프가 자동 개폐되도록 설계되었다. 데이터 관리부는 수신된 항공 영상을 위치-예찰정보로 데이터베이스화한 후 이를 이용하여 영상학습 모델 기반 과수병 예찰영상 분석을 수행한다. 학습 영상 데이터는 각각의 항공 영상을 분할하여 훈련, 검증, 테스트 데이터로 분류하며, 훈련 데이터는 샘플 수 증가 및 오버피팅(over-fitting) 감소를 위해 잘라내기, 회전, 밝기/색상 변환 등 데이터 증강 후 사용된다. 영상학습 기반예찰 기술의 적용성은 사과 과수 화상병 항공영상을 이용하여 적용 가능성을 평가하였다. 본 시스템을 활용한 예찰 수행 시 인력 예찰 문제 해결 및 과수원의 항공영상 정보 수집의 자동화가 가능할 것으로 예측되며, 이를 위해서는 과수병 증상이 발현된 항공영상 관련 데이터베이스 구축을 통한 예찰 모델 정확도 향상과 최적화된 드론의 운행 제어를 통한 항공 예찰의 효율 향상이 필요할 것으로 판단된다.
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사과 과원 내 자율 주행을 위한 항법 알고리즘의 강인성 평가
김국환 ( Gookhwan Kim ),이재수 ( Jaesu Lee ),한길수 ( Kilsu Han ),이현동 ( Hyundong Lee ),도윤수 ( Yunsu Do ),홍영기 ( Youngki Hong ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2
과수원에서는 나무가 질병 등의 문제로 제거된 경우, 로봇이 과수열을 인식하여 주행할 때 누락된 과수로 인해 드리프트 등 심각한 오류를 발생시킬 수 있다. 본 연구의 목적은 사과 과수원 내에서 자율 주행하는 로봇을 위한 5가지의 자율 항법 알고리즘에 대하여 로봇의 좌우에 배치된 과수열 중 누락된 과수에 대처할 수 있는지에 대한 강인성을 비교, 분석하여 최적의 알고리즘을 결정하고자 하였다. 강인성 검증을 위해 사용한 로봇 플랫폼은 Clearpath Robotics사의 Husky A200 로봇으로 과수열 및 쟁애물 검출하기 위한 이차원 레이저 거리 센서(laser range finder, LRF), 로봇의 자세측정 및 데이터 보정을 위한 관성측정장치(inertial measurement unit, IMU), 로봇의 주행 거리 및 속도를 추정하기 위한 바퀴 주행측정기(odometry)가 장착되었다. 본 연구에서 비교, 분석된 5가지 자율항법 알고리즘은 (1) Hough 변환 (Hough transform), (2) 최소제곱법(Least square fitting), (3) 확장 칼만필터(Extended Kalman filter), (4) 이미지 기반 파티클 필터(Particle filter based on laser scan image)와 (5) 모델 기반 파티클 필터(Particle filter based on laser scan model)이다. 시험을 위해 과원에서 나무를 일시적으로 제거할 수 없기 때문에 임의로 누락시킬 과수에는 반사가 심한 테이프를 붙여 나무가 누락된 것처럼 인식되도록 하였다. 시험을 위한 로봇의 주행 속도는 0.25m/s의 속도로 총 2회에 걸쳐 성공(success)과 실패(failure)로 각 알고리즘에 대한 성능을 비교, 분석하였는데, 나무 또는 지줏대와의 물리적 접촉이 생기기 전에 주행을 끝냈을 경우, 실패(failure)로 표시하여 주행을 종료시켰고, 성공(success)인 경우에는 과수열 사이의 중심선인 기준경로(reference path)를 기준으로 경로 편차(literal deviation) 0.1m 이내, 각도 편차(angular deviation)를 계산하는 방식으로 평가하였다. 각 알고리즘에 대한 강인성 평가 결과, 이미지 기반 파티클 필터가 경로 편차 0.05m로 제일 낮은 오차를 나타내었고, 각도 편차는 1.99°로 모델 기반 파티클 필터가 좋은 성능을 나타내었다.
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무논 환경에서의 초기 제초 작업을 위한 부유형 로봇 개발
김국환 ( Gookhwan Kim ),이재수 ( Jaesu Lee ),한길수 ( Kilsu Han ),이현동 ( Hyundong Lee ),홍영기 ( Youngki Hong ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2
최근 친환경 농업은 건강과 환경에 대한 많은 사람들의 관심 증폭에 발맞춰 안전한 식품의 생산 요구가 확산되고 있다. 제초제의 사용을 줄이면서 잡초를 제거하기 위해서는 수작업이 가장 좋은 방법이나, 시간과 비용이 많이 든다. 본 연구는 이앙 후, 3~4주 지난 무논 상태에 적용 가능한 초기 제초 작업이 가능한 부유형 제초 로봇을 사용하여 제초제의 사용 없이 물리적으로 잡초를 제거하는 기술에 대해 제안하고자 하였다. 본 연구에서 제안한 부유형 제초 로봇은 프로펠러의 풍력을 동력으로 하여 무논 위를 랜덤하게 주행하며 브러쉬 타입의 끌개 형태의 작업기(브러쉬 롤)를 활용하여 땅속에 심겨진 잡초를 제거하기 위해 무논 바닥을 긁는 방식으로 제초 작업 수행한다. 로봇의 구조를 살펴보면, 로봇의 몸체는 물이 차 있는 수면 위를 풍력을 활용하여 이동 및 방향 전환이 용이하도록 합성 수지 속에 섬유 기재를 혼입시켜 강도는 뛰어나면서 가볍고 내구성이 강하도록 설계, 제작하였다. 또한, 로봇의 주행을 위한 동력원인 추력을 발생시키기 위해 2개의 팬을 장착하였고, 이 팬에 전기실린더를 장착하여 팬의 추력 발생 방향을 조절하여 부유형 로봇의 방향 전환이 용이하도록 설계, 제작하였다. 제초 작업을 위한 브러쉬 타입의 제초 장치는 프레임 암을 사용하여 높낮이를 조절할 수 있도록 하였고, 교체의 편의성을 고려하여 조인트 바의 축 방향 장력을 조정할 수 있도록 스프링을 장착하였다. 부유형 제초 로봇의 몇 가지 특징을 살펴보면, (1) 브러쉬 롤에 낀 잡초 등 이물질을 제거하기 위하여 캠 형태의 구조물을 회전시킬 모터를 장착하여 브러쉬에 붙은 이물질을 충격을 통해 털어낼 수 있도록 하였다. (2) 팬은 크게 두 가지 기능을 수행하는데, 하나는 프로펠러를 회전시켜 추력을 발생시키는 역할을 수행하고, 다른 하나는 팬을 회전시켜 로봇의 방향을 전환하는 역할을 수행한다. 이 때, 팬의 추력 발생 방향을 제어하기 위해 전기실린더를 장착하였다. (3) 로봇의 전면에는 윈치를 장착하여 로봇의 고장이나 배터리 방전으로 인해 동작하지 않는 경우, 윈치를 밖의 고정 부위에 걸어 로봇을 외부로 끌어낼 수 있도록 하였다.
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영상 기반 병충해 예찰을 위한 DB 수집 및 관리 체계 설계
김국환 ( Gookhwan Kim ),이재수 ( Jaesu Lee ),한길수 ( Kilsu Han ),이현동 ( Hyundong Lee ),홍성준 ( Sungjun Hong ),이경재 ( Kyongjae Lee ),송장훈 ( Janghoon Song ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2
최근 들어 전국에서 다양한 병충해 피해가 다발적으로 발생되고 있는데, 특히 과수 화상병의 경우 빠른 전염속도로 인해 발생 시 과수원을 폐원시켜 농가에 심각한 피해를 가져다주고 있어 문제 해결이 시급한 실정이다. 문제 해결을 위해 정기적인 예찰 및 방제를 수행하고 있지만 인력만으로 감염 여부를 판정하는 것은 많은 비용이 발생할 뿐 아니라 정확한 예찰이 어렵고 인력에 의한 병의 전파가 우려되고 있다. 본 연구에서는 여러 영상 센서들을 드론에 장착하여 과원 내 다양한 정보를 실시간으로 획득, 분석을 위한 통합 관제 시스템을 제작하였고, 획득한 영상들의 분석, 수집 및 관리를 위해 DB를 구축하여 체계적인 데이터 관리 및 분석을 위한 토대를 마련하고자 하였다. 본 연구에서는 화상병 의심주 판별을 위해 드론을 활용하여 총 4가지 영상 자료(RGB, NIR, Red-Edge, 초분광)를 취득하여 DB화 하였다. DB화를 위해 먼저 과수원 별로 각각 영상 센서를 장착한 후, 드론을 띄워 과원에 대한 구간별 공간별 영상을 취득하였다. 취득한 영상은 무선 통신방식을 통해 관제 시스템으로 전송된다. 전송된 스틸영상과 여러 장의 스틸영상을 기반으로 영상 정합을 얻어진 과원맵으로 구분되는데, 스틸 영상은 영상 분석을 통해 화상병 의심주를 판별하는데 활용하였고, 영상 정합을 통해 얻은 과원맵은 찾아진 의심주를 표시하고, 과원의 어느 위치에 의심주가 있는지를 알려주는 역할을 한다. 이렇게 구분된 영상 정보를 각각 사용자(과수원별 고유 ID 발급)를 기반으로 주소, 촬영 날짜, 위경도, 고도, 과수품종, 그루수, 년생 등 과원 상태에 대한 세부 사항을 기반으로 이미지명, 이미지 크기, 수평, 수직 해상도, 촬영 시기의 조리개 오픈 정도, 파일크기, 픽셀 정보 등 물리적인 스틸 영상 정보와 영상 정합을 통해 얻어진 과원맵에 대해 고유 ID, 촬영 날짜 및 시간, 기준 위치를 기반으로 3D 좌표값(m)으로 표시된 화상병 의심주 위치 및 의심 가능성(확률), 의심주 수 등의 병증 기반 DB 관리 체계를 구축하였다. 이렇게 구축된 DB 체계는 전국적으로 수행되는 정기 및 수시 예찰기간동안 인력 예찰에서 탈피하여 체계적이고 최적화된 DB 환경 기반으로 정확하고 효율적인 예찰 시스템으로 발전할 것으로 판단된다.
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2차원 레이저 센서 데이터의 클러스터링 기법을 이용한 자율 주행 구간 및 선회 인식 방법 연구
김국환 ( Gookhwan Kim ),이재수 ( Jaesu Lee ),한길수 ( Kilsu Han ),이현동 ( Hyundong Lee ),이상규 ( Sanggyu Lee ),홍영기 ( Youngki Hong ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2
자율주행 농기계를 구현하기 위해서 가장 중요한 것 중 하나는 주변의 환경을 인식하고 그 환경에 따라 문제 없이 이동하는 것과 작업 구간을 벗어 나지 않고 안정적으로 작업할 수 있도록 선회하는 메커니즘을 구현하는 것이다. 또한, 단순한 센싱 메커니즘과 저렴한 센서를 활용하여 제품의 단가를 줄이는 것 또한 중요한 요소 중 하나이다. 본 연구에서는 2차원 레이저 센서만을 활용하여 데이터를 영상화한 후, 클러스터링 기법(clustering algorithm)을 이용하여 주행 구간을 결정하여 과수원 사이를 안정적으로 주행하면서 선회 구간을 인식, 판단하여 안정적으로 다음 작업열로 진입할 수 있는 방법에 대해 제안하였고 시험을 통해 검증하였다. 작물열 및 선회 구간 인식을 위해 자체 제작한 로봇 플랫폼을 사용하였고, 작물열, 장애물 및 선회 구간인식을 위해 로봇의 전, 후방에 이차원 레이저 거리 센서(SICK, LMS111모델)를 장착, 사용하였다. 작물의 위치 식별 시스템을 활용하여 로봇의 현재위치를 기준으로 나무의 정확한 위치를 결정하기 위해 K-평균 클러스터링 알고리즘(K-means clustering algorithm)을 사용하였는데, K-means 클러스터링 기법은 두 열의 작물열을 대표하는 둘 중 하나의 클러스터를 측정 지점으로 할당하는 방식으로 개별 작물들은 하나 이상의 레이저 센서로 측정되어 각 나무 주변으로 측정 지점에 대해 작은 클러스터를 구성하게 된다. 이때, 로봇의 현재 위치를 기반으로 작물 기준점 사이의 유클리디안 거리를 구하고, 그 거리가 작물간 간격의 0.75배보다 작으면 동일한 지점으로 간주하여 동일한 클러스터로 할당하였고, 유클리디안 거리가 0.75배보다 크면 새로운 클러스터로 할당하는 방식으로 작물열에 대한 클러스터를 구성하였다. 이런 방식으로 얻어진 클러스터들을 기반으로 선회 구간의 인식 방법에도 적용하였다. 선회 구간 인식에 있어 가장 중요한 것은 선회 구간에 도착하였을 때를 판단하는 것이다. 본 연구에서는 이미 레이저 센서로 작물열을 판단하기 위해 작물의 위치 정보를 클러스터 형태로 저장하였기 때문에 레이저 센서의 측정 범위와 작물열간 거리를 고려하면 한번의 스캔으로 측정 가능한 작물의 수를 계산할 수 있다. 이렇게 검출된 작물에 대한 클러스터의 수가 과수열의 누락을 고려하여 4회 연속 존재할 경우 주행구간으로, 4회 이하로 존재할 경우에는 로봇은 선회 구간이라고 판단하여 로봇의 선회 및 다음 작업열로 진입하는 방식으로 선회하였다.
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김국환 ( Gookhwan Kim ),이재수 ( Jaesu Lee ),한길수 ( Kilsu Han ),이현동 ( Youngki Hong ),홍영기 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2
본 연구는 무논 환경에서 자율 주행하는 로봇을 위한 터치식 모열 검출 장치를 소개하고 실제 차륜형 제초 로봇에 장착하여 시험하였다. SICK사의 레이저 스캐너와 같은 고가의 센서를 활용한 모열 검출 방식은 로봇의 제작 단가를 증가시킬 뿐 아니라, 검출 알고리즘도 복잡하게 만들기 때문에 본 연구에서는 기구 구조가 단순하면서 저가인 터치 방식의 센서를 이용하여 모열을 검출하여 자율 주행 시 항법 오차로 인한 작물 손상을 최소화 하고자 하였다. 터치식 모열 검출 장치는 가이던스 기구부와 로봇의 진행 방향각 측정을 위한 포텐시오미터만을 이용하여 모열을 검출할 수 있도록 개발되었다. 가이던스 기구부는 두 열의 모열의 사이에 놓여 모열이 심겨진 방향에 따라 회전하면 회전축에 장착된 포텐시오미터를 이용하여 모열이 심겨진 방향각을 측정하여 로봇이 모열을 따라 이동할 수 있도록 하였다. 가이던스 부분은 앞 부분을 뾰족하게 하여 모열 사이에 잘 위치할 수 있도록 하였고 가이던스의 끝 단은 가이던스 기구부를 고정해주는 브라켓을 제작하여 몸체부에 부착시켰다. 이 때, 가이던스 기구부 브라켓과 몸체부 사이에 포텐시오미터를 연결하여 가이던스가 모열 사이에 놓여 로봇이 이동하면서 진행해야 되는 방향각을 측정하는 원리로 설계, 제작되었다. 터치식 모열 검출 장치의 중요한 특징 중 하나는 장치와 로봇과의 연결을 위한 2단 링크부에 액추에이터를 장착하여 노면의 상태에 따라 높낮이를 제어할 수 있도록 하였다는 것이다. 바닥에 놓인 터치식 모열 검출 장치가 로봇의 자세 변화에 따라 유연하게 대응하도록 하기 위함인데, 높낮이가 변화하면 2단 링크부 중앙에 장착된 다른 하나의 포텐시오미터를 통해 링크각의 변화를 감지하고 이에 따라 장치의 높낮이를 조절할 수 있도록 하였다. 이는 장치가 로봇의 자세 변화에도 일정하게 고정되어 있지 않고 유연하게 움직여 무논의 노면 상태에도 유연하게 모열을 검출함과 동시에 파손을 방지하기 위함이다. 터치식 모열 검출 장치의 바닥 부분은 무논환경과 같이 물과 진흙이 혼재한 상태에서 쉽게 미끄러져 이동할 수 있도록 설계, 제작하였는데, 로봇의 앞 부분에 장착되어 모열을 따라 이동하면서 모열이 심겨진 상태를 측정하여 로봇의 방향각을 결정하는데 활용하였다. 이렇게 제작된 모열 검출 장치는 레이저 센서만을 활용한 모열 추종방식보다 8~15%가량 손상을 줄일 수 있었지만, 모의 뿌리가 안착되고 줄기의 평균 직경이 약 2.5mm 이상이 되는 이앙 후, 약 30일이 지난 이후부터 적용이 가능하였다.
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