[공학저널 강영호 기자] 최근 고령화·저출산으로 인한 농촌지역의 노동력 부족 문제를 해결하기 위한 대안으로 ‘자율주행 농기계’의 개발이 활발하게 이뤄지고 있다.
현재 자율주행트랙터·자동수확기 등 다양한 자율주행 농기계가 개발되고 있지만, 국내 농기계의 자율주행 레벨은 직진 구간에서의 주행이 가능한 정도에 머무르고 있다는 것이 전문가들의 의견이다.
이에 따라 여러 국책연구원에서는 자율주행과 더불어 곡선 주행까지도 가능한 농기계 개발 연구가 활발히 이뤄지고 있다.
특히 한국기계연구원은 기계시스템안전연구본부를 중심으로 자율화·인공지능 관련 연구를 수행하고 있으며, 건설·농산업 등 험지에서 특수 작업이 필요한 다양한 산업용 작업기계의 지능화·무인화 연구를 주도하기 위한 노력을 기울이고 있다.
기계시스템안전연구본부 스마트산업기계연구실은 주변 환경 인지기술과 자율주행, 건설기계·농기계의 자율화와 안전기술 개발 등 산업기계 분야에 필요한 연구를 수행하면서 4차 산업혁명에 대응한 핵심기술 개발에 주력 중이다.
한국기계연구원 기계시스템안전연구본부 스마트산업기계연구실 이한민 연구실장(사진)은 “자율화, IoT와 같은 4차 산업혁명 기술의 흐름에 따라 스마트산업기계연구실도 기존에 주로 연구해오던 건설기계, 농기계 등의 산업기계 분야에 무인화, 자율화 기술을 접목하기 위해 연구실 명칭과 연구 분야를 미래지향적인 방향으로 바꾸게 됐다”며 “드라이브트레인, 구조 시험과 해석 등 기존에 수행해오던 전통적인 연구를 지속적으로 이어나가면서 동시에 오프로드 작업기계의 자율 작업·주행과 같은 신기술 개발에 집중하고 있다”고 말했다.
온로드(On-road) 자율주행차와는 달리 오프로드(Off-road) 자율작업기계의 경우 운용되는 환경이 훨씬 열악해 자율화의 여러 기술 중에서도 특히 ‘환경인식 기술’이 중요하다.
주행 가능 경로가 구분돼 있지 않고 노면이 울퉁불퉁하거나 불균일한 모래, 흙, 자갈, 진흙 등과 같이 다양한 종류의 토양 위에서 운용되며, 지형·지물이 수시로 변경되고 비산 먼지와 물웅덩이와 같은 극한 상황에 놓여지기 때문에 환경인식 기술의 강건성이 무엇보다 강조되고 있는 것이다.
이에 스마트산업기계연구실에서는 그 동안의 연구를 통해 굴착기, 트랙터 등의 오프로드 자율화 시스템 개발에 관한 기반 기술과 연구 인프라를 확보했다. 올해부터는 오프로드 환경인식과 관련한 핵심 요소기술 개발에 보다 심도 있게 집중할 예정이다.
그간 스마트산업기계연구실은 오랜 기간 동안 축적한 기어 설계 기술을 SW화해 기어 설계 프로그램을 자체 개발했으며, 농기계 기업과 SW개발 기업 등에 총 5건, 4억 이상의 기술이전 성과를 달성하기도 했다.
이에 그치지 않고 현재 트랙터 자율주행 과제에서 개발하고 있는 센서융합을 통한 저가형 환경인식 기술, 주행경로 정밀추종 제어기술, 열악한 현장시험을 대체하는 자율주행 가상시험 시뮬레이터 기술 등 연구를 진행 중이다.
정밀측위를 위해서는 고가의 GPS, INS 장비가 필요한데 이를 대체하기 위해 저가의 GPS, 비전 센서 등을 활용해 정밀 위치추정 알고리즘을 개발해야 한다. 연구 끝에 최근 스마트산업기계연구실은 기존 대비 3배 이상 저렴한 센서 모듈로 유사한 성능을 얻는 데 성공했다.
또한 노면 상태 예측이 힘든 토양에서 주행경로를 정밀하게 추종하기 위해 작업기계의 특성을 반영한 최적 알고리즘 개발을 통해 농지 직진주행 평균오차를 10cm 이내로 달성하는 성과를 얻기도 했다.
이밖에도 개발한 자율주행 제어기술을 실차에 적용하기 전 다양한 환경에서 테스트를 시행하기 위해 실제 장비와 가상환경이 결합된 HILS(Hardware-in-the-loop Simulation) 가상주행 시뮬레이터를 개발해 다양한 토양 조건 하에서 경로추종 제어기의 성능 검증을 수행한 바 있다.
이 실장은 “향후 무인화시스템 분야의 연구 역량을 갖춘 연구기관과의 협력으로 4차 산업혁명 시대의 스마트 제조업을 이끌어 갈 기계기술 개발에 박차를 가할 것”이라며 “오프로드 작업기계를 대상으로 보다 높은 수준의 자율화를 위해 앞으로도 지속적인 연구개발을 진행해나갈 계획이며, 각 개별 차량에 대한 자율화를 완성하고 이후 다수 차량 간의 협업이나 군집 주행 기술로 연구를 확장해 나가는 로드맵을 가지고 있다”고 전했다.
