		보 도 자 료
2021년 8월 5일(조간)부터 보도될 수 있도록 협조 부탁드립니다. * 인터넷, 방송, 통신은 8월 4일 11시부터 보도 가능
배포일시	2021. 8. 4.(총 13쪽)		담당부서	스마트팜개발과
담당과장	강금춘 과장 (063-238-4031)		담 당 자	김국환 연구사 (063-238-4037)

무인 농업시대 성큼, ‘자율주행 트랙터’ 나온다

- 농촌진흥청, 인공지능·위성 항법 시스템 활용 자율주행 트랙터 산업화 기반 마련 -

□ 농촌진흥청(청장 허태웅)은 인공지능 기술을 접목한 영상인식 기반 트랙터 자율주행 기술을 개발하고, 농기계 업체와 함께 고정밀 측위시스템(RTK-GPS)을 활용해 주행 기술을 고도화하는 등 자율주행 트랙터 산업화 기반을 마련했다.

고정밀 측위시스템(RTK-GPS): LTE 통신망 등을 사용하는 실시간으로 위치 보정을 통해 정밀한 측위 정보를 제공해주는 위치 정보 시스템

○ 농촌진흥청은 지난해부터 농업기술 혁신을 위해 농업의 디지털화와 첨단농기계, 농업로봇 개발, 시설재배 기술 혁신, 현장 밀착형 지역농업 연구를 적극적으로 추진하고 있다.

□ 이번에 개발한 기술은 고가의 위성 항법 시스템(GNSS)을 대체할 인공지능 기반 영상인식 트랙터 자율주행 기술이다.

위성 항법 시스템(GNSS): 위성에서 발신한 전파를 이용해 언제 어디서든 정밀한 측위 정보를 획득할 수 있는 시스템으로 GPS(미국), GLONASS(러시아), Galileo(유럽), BeiDou(중국), QZSS(일본) 등이 대표적인 GNSS 시스템임.

○ 이 기술은 경운할 때 생기는 흙 부수기(쇄토) 작업 여부를 트랙터 앞에 장착된 카메라로 찍어 심층학습(딥러닝) 기술로 분석해 경운된 구간과 그렇지 않은 구간의 경계를 검출한 후, 미리 정해진 주행 기준선과 비교해 발생한 오차만큼 트랙터를 조향 제어하는 기술이다.

○ 트랙터 전면에 장착된 카메라로부터 얻은 영상 정보를 기반으로 자율주행 시킨 결과, 작업속도 3km/h 시 직진 주행 경로 오차는 ±9.5cm 이내였다.(운전자 주행 시 오차 ±21.2cm)

○ 이 기술은 고가의 위성 항법 시스템보다 합리적인 예산으로 시스템 구성이 가능하고, 영상 정보를 이용하기 때문에 장애물을 인식하거나 돌발 상황에 대처하기 쉽다.

○ 이번에 개발된 기술은 산업재산권 출원을 완료했으며, 앞으로 기술 완성도를 높여 관련 업체를 통해 실용화할 계획이다.

영상 기반 경로 인식 및 조향각 산출 기술을 지원하는 자율주행 농기계 장치와 그 동작 방법(10-2019-0140396)

□ 이와 함께, 농촌진흥청은 농기계 업체와 함께 고정밀 측위시스템을 활용한 트랙터 자율주행 고도화 기술을 개발했다.

○ 이 기술은 고정밀 측위시스템을 활용해 사전에 작업 경로를 설정하고, 설정된 경로를 따라 직진 주행과 선회를 할 수 있는 자율주행 기술이다.

○ 농기계 업체는 직진 자율주행 기술을 우선 트랙터에 적용해 농업 현장에 보급하고, 선회, 장애물 인식과 회피 등 고도화한 자율주행 기술을 산업화 할 계획이다.

□ 농촌진흥청 스마트팜개발과 강금춘 과장은 “농촌진흥청에서 개발한 기술이 농촌 현장에 빠르게 적용될 수 있도록 산·관·연 협력체계를 구축하고, 정책이나 지원 사업, 검인증 기준 등을 조기에 마련해 첨단농기계 산업화 기반을 확대해 나갈 계획이다.”라며,

○ “이러한 선순환 구조를 통해 산업화가 자리 잡는다면 머지않은 미래에 무인 농업시대가 현실로 다가올 것이다.”라고 전했다.

○ 농기계업체의 최종민 책임연구원은 “농기계에 첨단 기술을 도입하기 위해 많은 예산과 노력을 집중하고 있다.”라며, “정부에서 첨단농기계 산업화 기반을 마련해 준다면, 농가에 빠르게 보급될 수 있도록 최선을 다하겠다.”라고 말했다.

【참고자료】자율주행 기술 수준 및 산업화 동향 등

	보도자료 관련 문의나 취재는 농촌진흥청 스마트팜개발과 김국환 농업연구사(☎ 063-238-4037)에게 연락 바랍니다.

<참고자료>

참고 1		자율주행 기술 수준 및 산업화 동향

(시장규모) ‘15년 트랙터 세계 시장 규모는 504억 달러(177만 대), 국내 시장 규모는 약 6천억 원(1만5천 대) 수준

* 자율주행 트랙터 세계 시장 규모는 ‘15년 6억$ 수준, ‘23년 12억$, ‘50년 450억$ 규모로 예측(’16년, 골드만삭스 등)

기술 수준

□ (선진국) 자율작업이 가능한 level 3∼4단계, (국내) level 1∼2단계 기술격차는 최소 5년 이상 추정

구 분		Level 0 (원격제어)	Level 1 (자동조향)	Level 2 (자율주행)	Level 3 (자율작업)	Level 4 (무인자율작업)
국외	기술	-	●	●	◕	◕
	기업		ASI(이탈리아), Ag-leader(미국)	TOPCON (일본)	Johndeere(미국), Kubota(일본)	Johndeere(미국), AGCO(독일)
국내	기술		●	◕	◑	-
	기업		LS엠트론 동양물산 대동공업	LS엠트론 대동공업 동양물산	LS엠트론 대동공업 동양물산
◔: 도입단계, ◑: 연구개발중, ◕: 연구개발완료, ●: 상용화(대량양산) 단계

상용화 사례

□ (선진국) 미국, 유럽 중심 add-on 방식 자동 조향 시스템 실용화 진행

- (ASI) 기존 트랙터에 추가 장착이 가능한 universal vehicle automation 장비 개발 및 상용화

* 원격·무인운전, 최적 경로 생성, 장애물 감지(트랙터 가격 85∼1백만 원 수준)

- (Kubota) 자율주행 농기계 ‘Farm Pilot’ 시리즈 개발

* GPS 탑재 직진 시 자동 조향이 가능한 이앙기 출시(‘16.4, 가격 42.5백만 원)

□ (국내) 자율주행에 필요한 위치 기반 경로 생성, 추종을 위한 자동 조향제어 기술 등 개발, 기존 농기계에 적용 및 제품화

* 트랙터 5대(7천 5백만 원, 동양물산), 이앙기 20대(3천 3백만 원, 대동공업)

참고 2		영상인식 기반 트랙터 자율주행 기술

영상 기반 경계 인식 및 조향제어

□ 농작업 포장 환경 영상인식 및 인공지능 기반 경계 검출 기술

- 카메라 활용 실시간 영상 수집 → 경운/미경운 경계 검출

* (영상인식) 두둑, 쇄토작업 유무 경계 추출 → 기준 설정

* (인공지능 학습) 농작업 포장에서 직선·곡선구간 영상 총 2,279장

- 영상 정보 인공지능(딥러닝 기술) 분석 → 조향각 산출

* (경로오차) 작업속도 3km/h 시 직진 주행 경로오차 ±9.5cm(운전자±21.2cm)

□ 검출된 경계 정보 활용 트랙터 조향각 산출 및 주행 제어

- 설정 기준과 검출 경계와의 간격을 계산하여 조향각 산출, 주행·선회

□ CAN 통신 및 영상 처리 등 자율주행 트랙터 제어 환경 구축

- 인식된 정보를 CAN 통신 활용 트랙터 제어 및 보정 데이터 전송

* CAN(Controller Area Network) : 자동차·트랙터 내부 장치 간 상호 통신 방식(국제 표준 ISO11783(트랙터) 규격 준수)

<인공지능 기반 경계 검출 기술>	<경계 검출 및 조향각 산출>

금후 계획

□ 첨단농기계 연구협의체 활용 협업 및 산업화 기술 도출

* 산업화 로드맵, 정책 및 지원사업 발굴 및 제안, 공동연구 추진 등

참고 3		GPS 기반 트랙터 자율주행 기술

GPS 기반 경로 설정 및 추종, 조향제어

□ 사전 설정된 GPS 기반 경로 추종 및 선회 등 트랙터 자율주행

- 포장 구획 경계 4지점 기준 작업 범위 입력, 사전 주행 경로 설정

- 트랙터 및 작업기 정보 고려 통과지점 설정 및 최적 작업 경로 결정

* 트랙터와 작업기의 물리적 정보(폭, 길이 등), 경로 종류(직진, 회전) 고려

* 설정 경로상에 중간 통과지점(way point) 다수 설정으로 추종 정확도 향상

□ 다양한 선회 방법 중, 국내 작업 환경에 적합한 선회기술 확보

- 키홀(Key hole), 스위치백(switch-back) 방식 선회

* 국내 농작업 포장은 작은 구획으로 구성되어 좁은 선회구간 필요

□ 직진·선회 주행, 작업기 위치(높이)·PTO 속도 제어

- CAN 통신 기반 조향, 주행속도, 작업기 높낮이, PTO 등 제어

* CAN(Controller Area Network) : 자동차와 트랙터 내부 장치 간 상호 통신 방식(국제 표준 ISO11783(트랙터) 규격 준수)

□ 자율주행 트랙터용 HMI(Human-Machine Interface) 제어기

- 트랙터 정보, 농작업 포장·경로(직진, 선회) 입력 → 경로 생성 완료

* 사용자 입력 → 직진·선회 경로 좌표생성 → 트랙터 자동제어

<자율주행 트랙터>	<HMI 제어기>	<GPS 기반 사전 경로 설정>

금후 계획

□ 직진 가능한 자율주행 트랙터 상용화 추진(‘21)

< 묻고 답하기 >

Q1	자율주행 트랙터는?

○ (개념) 작업자가 직접 조작하지 않아도 지형 환경을 인식해 스스로 주행하며 농작업이 가능한 첨단농기계 기술을 트랙터에 적용한 것임

○ (구성) 자율주행을 위해 기존 트랙터에 (1) 고정밀 측위시스템인 GPS 모듈, (2) 핸들이나 유압 실린더를 조작하기 위한 조향제어 모듈, (3) 경로 생성, 상태 모니터링을 위한 주행 제어기 등을 장착하여 자율주행 기능 부여

○ (목적) 자율주행 트랙터는 설정된 경로 또는 환경 인식을 통해 농작업 환경을 스스로 주행하면서 경운, 정지, 시비, 운반 등의 무인 농작업을 수행하는 것임. 무인 농작업을 위해 자율주행 기술은 필수적으로 필요한 기술.

○ 기술 단계

구 분	Level 0 (원격제어식)	Level 1 (자동조향)	Level 2 (자율주행)	Level 3 (자율작업)	Level 4 (무인자율작업)
자동화 범위
기술 특성	리모트컨트롤 이용 제어	자동 직진 조향	자동 경로생성 ㆍ추종	경로생성·추종 + 작업기제어	무인완전자율주행·작업

Q2	자율주행 트랙터 산업화 현황

○ 미국, EU, 일본 등에서는 자동차의 자율주행 핵심기술을 무인 트랙터에 적용, 상용화에 성공하여 트랙터 시장의 혁신을 주도하고 있음.

- 주요 회사로는 미국의 존디어(John Deere), 일본의 쿠보타(kubota), 이탈리아 ASI, 독일의 AGCO 등이 있음.

- 골드만삭스(2016) 등에 따르면 자율주행 트랙터 세계시장규모는 2023년 12억 불, 2050년에는 450억 불로 예상

○ 자율주행 기술 상용화 사례

- 자율주행 트랙터 기술은 add-on 방식의 자동 조향 시스템이 미국, 유럽 중심으로 현재 실용화가 진행되고 있음

- 이탈리아 ASI는 기존 트랙터에 추가로 장착이 가능한 universal vehicle automation 장비를 개발 및 상용화, 원격 및 무인운전과 최적 경로 생성 및 장애물 감지가 가능. 가격은 $75,000∼$150,000 수준임

- 트림블(Trimble) 사는 경로 제어 및 조향 지원을 위해 기존 트랙터에 장착 가능한 자율주행 모듈인 Autopilot, Ez-Pilot, Ez-Steer 등을 판매 중

- 쿠보타(kubota)는 자율주행 농기계 ‘Farm Pilot’ 시리즈를 개발하고 있으며 2016년 4월에 GPS를 탑재해 직진 시 자동 조향이 가능한 팜파일럿(Farm Pilot) 이앙기를 출시함. 가격은 392만엔 수준임

○ 자율주행 농기계 국내 산업화 현황

- 국내의 경우, 자율주행에 필요한 위치 기반 경로 생성, 추종을 위한 자동 조향제어 기술 등은 개발되어 기존 트랙터 적용(prototype)은 완료하였으나 상용화된 사례는 없음

- 현재 농촌진흥청에서는 “무인 농작업을 위한 자동 조향 시스템 연구” 과제를 통해 모듈형 자동 조향 시스템을 개발하여 국산화 추진 중(‘20∼’22)

- ㈜대동에서 직진 자율주행 이앙기를 개발하여 상용화 추진 중

- LS엠트론, ㈜대동, TYM(구.동양물산)에서는 올해 하반기부터 직진 자율주행 트랙터 상용화를 계획하고 있음

Q3	다른 나라의 자율주행 농기계(트랙터 포함) 기술 수준 및 연구 동향

○ 트랙터 기술 수준의 경우, 미국 등 선진국은 자율작업이 가능한 level 3∼4단계, 우리나라는 level 1∼2단계로 기술격차는 최소 5년 이상 추정

- 국내의 경우, level 1∼2 수준의 직진 자율주행 트랙터를 대동, LS엠트론 등에서 올해 하반기부터 상용화를 준비 중

* 대동에서는 직진 자율주행이 가능한 이앙기를 ‘20년부터 상용화하였음

- 선진국의 경우, level 3단계 일부 상용화, level 4단계 실증ㆍ검토 중

- 미국의 존디어 등은 level 3단계 판매와 동시에 문제점(고도 경사지 안정성, 장애물 회피성 등) 지속 보완 중, level 4단계 연구개발 완료

- 일본의 쿠보타, 얀마 등은 현재 level 3단계 연구개발을 완료하였고, 2018년부터 로봇 트랙터, 이앙기를 상용화하기 시작함

○ 연구 동향을 살펴보면, 국외에서는 Johndeere, CNH 등의 다국적 기업을 중심으로 무인 자율주행 및 자율작업(level 3∼4) 트랙터 제품 개발이 추진되고 있음

- 존디어의 반자동 트랙터에는 GPS 추적 모듈이 장착되어 위치 기반 정보를 활용한 정밀 농업 및 자율 이동이 가능

- CNH는 레이더, 라이다(LiDAR), 카메라, GPS가 탑재된 콘셉트 무인 트랙터를 팜 프로그레스 쇼(Farm Progress Show)에 전시

- AGCO는 유인 선행 트랙터를 따라 자율주행하는 무인 로봇 시스템 ‘Guide Connect’, 주행 경로를 따라 조향 및 주행속도를 제어하는 ‘VarioGuide’ 개발을 완료하였음.

- 쿠보타(Kubota)는 자동주행 농기계 ‘팜파이럿(Farm Pilot)’ 시리즈를 개발하였음.

<자율주행 트랙터, CNH>	<자율주행 트랙터, ATC>

Q4	자율주행 트랙터의 주요 구성은?

○ (구성) 자율주행을 위해 기존 트랙터에 (1) 고정밀 측위시스템인 GPS 모듈, (2) 핸들이나 유압 실린더를 조작하기 위한 조향제어 모듈, (3) 트랙터의 자세를 측정하기 위한 관성 측정장치, (4) 바퀴의 현재 조향각을 측정하기 위한 각도 측정 센서, (5) 경로 생성, 상태 모니터링을 위한 주행 제어기 등을 장착하여 자율주행 기능 부여

- RTK-GPS : 실시간으로 위치 정보를 국토지리정보원에서 제공하는 보정신호를 활용하여 측정오차 ±2∼3cm 이내의 고정밀 위치 정보 측정

- 조향제어 모듈 : 농기계의 핸들을 모터가 장착된 탈부착이 가능한 모듈형 핸들로 대체하거나 농기계 앞차축의 유압 실린더에 유압 밸브를 장착하여 트랙터의 진행 방향을 제어할 수 있도록 해줌

- 관성 측정장치(IMU) : 트랙터의 roll, pitch, yaw 등의 자세 각을 측정하여 트랙터의 자세 변화에 따른 GPS 정보 기반 현재 위칫값 등을 바로잡아 위치 정밀도를 향상하거나 GPS 오류 발생 시 위치 정보 추정 등에 활용

- 휠 각도센서 : 보통 포텐시오미터(ex·가변저항)를 사용하며 회전에 따른 각변위를 전압 변화로 나타내는 센서로 바퀴의 회전축에 장착하여 바퀴의 진행방향각을 측정하여 제어 장치에서 도출된 제어 값을 통해 정확한 조향제어를 할 수 있도록 해줌

- HMI (Human Machine Interface) : 트랙터의 작업 경로 생성, 자율주행 시 트랙터와 센서, 제어 장치의 상태 정보를 사용자에게 제공하는 등 사용자와 자율주행 트랙터 간 인터페이스 환경

- 기타 : 최근에는 영상, LiDAR 등의 센서를 장착하여 장애물을 인식한다든지, 현재 위치에 대한 3차원 공간지도를 구축하는 등 자율주행 트랙터에 적용 가능한 센서와 기술들이 적용되고 있음

Q5	개발 기술의 특징과 현장 적용 효과

○ 개발 기술은 영상 정보를 딥러닝 기술로 분석하여 트랙터의 조향각을 산출하고, 이를 활용한 주행 및 선회를 할 수 있도록 한 것임.

- 영상 정보로부터 두둑, 쇄토/미쇄토 구간에 대한 경계를 추출하여 미리 설정된 기준 주행선과 검출 경계와의 오차를 계산하여 조향각을 결정하는 방식임

○ 영상 기반 경계 인식 및 트랙터 조향제어 방법

step 1. 카메라 활용 실시간 영상 수집

step 2. 인공지능 모델 활용 경운/미경운 경계 검출

* LaneNet 기반 인공지능 모델 설계 → 학습(직선, 곡선구간 영상 등) → 인공지능 모델 생성

step 3. 미리 설정된 주행 기준과 검출 경계와의 오차를 계산

step 4. 오차를 조향제어를 위한 입력값으로 변환

step 5. CAN 통신 활용 트랙터로 제어 입력값 송신, 조향제어

CAN(Controller Area Network): 자동차나 트랙터 내부 장치 간 상호 통신 방식(국제 표준 ISO11783(트랙터) 규격에 따름)

<인공지능 기반 경계 검출 기술>	<경계 검출 및 조향각 산출>

○ 인공지능 활용 기술의 장점 및 보완 사항

- (장점) 위성항법시스템(GNSS)보다 합리적인 예산으로 시스템 구성이 가능하고, 영상 정보를 이용하기 때문에 장애물 인식이나 돌발 상황에 대처하기 위한 기술을 함께 사용 가능. 또한, 고정밀 측위시스템(RTK-GPS)과 달리 데이터 이용료가 필요하지 않음

- (보완 사항) 인공지능 기반 영상인식 기술의 경우, 같은 농작업 환경이라도 날씨와 시간에 따라 햇빛 등의 차이로 영상 정보가 변하고, 지역에 따라 토질이 달라 학습을 위해 많은 상황에 대한 영상 정보가 필요.

- (추후 계획) 농촌진흥청 보유 정보와 과학기술정보통신부에서 주관한 농업 데이터 정보화 사업을 통해 공유된 영상 정보 등 많은 데이터를 활용하여 학습, 기술 확대 적용

Q6	향후 자율주행 트랙터 연구 방향과 보급계획

○ (5년 이내 단기 계획) 자율주행 핵심 요소기술을 기존 농기계에 적용할 수 있도록 개선, 보완하여 기개발 기술의 조기 상용화 과제 수행

- 무인 농작업을 위한 모듈형 조향제어 시스템 개발(‘20∼’22)하여 기존의 농기계에 자율주행기술을 접목하여 현장 실증을 거친 후, 산업화까지 추진할 예정임

- 지능형 쟁기, 로터리, 균평기뿐 아니라, 트랙터로 작업 가능한 농작업을 포함한 머신 비전 기반 트랙터 자율주행 기술 고도화 및 지능형 무인 농작업기 개발(‘22∼’30)할 것이며,

- 자율주행 농기계간 협동 작업 체계 구축 및 다른 기종 간 정보 공유기술 연구(‘23∼’27)로 협동 작업을 위한 최적 경로계획 및 역할 분담, 이전 작업 시 획득한 정보를 동종(v2v) 혹은 이종(v2x) 농업로봇이 활용할 수 있도록 정보 공유기술 등을 포함하고 있음

○ (5∼15년 중장기 계획) 자율주행 플랫폼 기반 머신 비전 및 인공지능 기술을 적용한 수확 가능 농작물 인식, 판단 및 수확 기술 연구를 중심으로 (1) 빠르고 정확한 수확 대상 농작물 인식, 판단 기술, (2) 로봇 매니퓰레이터를 이용한 3차원 공간상 경로계획 및 추종 기술과 (3) 안전한 농작물 수확을 위한 그리퍼 및 엔드이펙터 기술 등을 개발할 계획임.

- 또한, 연약지반에서도 자유로운 주행 및 작업이 가능한 농작업 로봇 플랫폼 연구를 통해 논, 밭 등 비정형 노면뿐 아니라 비가 온 이후 연약한 지반 등의 환경에 유연하게 동작하면서 농작업이 가능한 로봇 플랫폼 및 알고리즘을 개발할 계획임.

○ 첨단농기계의 보급계획은 농기계 업체와의 협업, 연계 방안 마련을 통해 산업화를 주도해 나갈 계획임.

- 이를 추진하기 위해 국립농업과학원과 농기계 업체 간 노지 디지털 농업 산업화를 위해 지난해 업무협약(‘20.10.22)을 체결하였고, 노지 디지털 농업, 미래 농업 모델 등 첨단농기계 기반 구축 및 산업화 모색을 목적으로 첨단농기계 연구협의체를 구성(‘20.11.22)함.

첨단농기계 생산업체 4개 사((주)대동, LS엠트론, TYM(구, 동양물산), 국제종합기계

- 첨단농기계 연구협의체 활동을 통한 산업화 로드맵, 정책 및 지원사업 등 산업화 방안 논의를 위해 주기적(분기별)으로 회의를 개최하고 있음.

자율주행 농기계 Level 3 (유인·자율농작업) 산업화 로드맵

- 첨단농기계 관련 정책 및 농기계 지원사업 의견 제안, 검토를 위해 농식품부, 농협 등 관계자의 의견을 수렴해 조기 산업화 기반을 마련하고자 함. 또한, 농업기술실용화재단을 통해 자율주행 트랙터를 포함한 첨단농기계 관련 정책 및 지원사업과 함께 검인증 기준을 마련하여 산업화 기반을 확보하고자 함.