비전 센서를 이용한 자율 경운 트랙터의 조향각 산출 = Steering Angle Calculation of Self-plowing Tractor Using Vision Sensor

국문 초록 (Abstract)

최근 농가 인구 감소 및 고령화에 의한 노동력 부족 현상으로 농업 기계 지능화 및 무인화에 대한 필요성이 대두되어 왔다. 농기계 무인화는 자율주행 기술과의 결합을 통해 실현 가능할 것으로 예상되며 최근 RTK-GPS와 액추에이터를 이용하여 애드온 타입의 요소 기술을 활용한 연구 및 제품 개발이 진행되고 있다. 그러나 현재 적용 중인 GPS, 레이저센서 및 스티어링 조작 시스템은 매우 고가로, 소규모 농가에서 도입하기에는 어려움이 있다. 본 연구는 기존 시스템에 비해 경제적인 비전 센서, 즉 카메라를 이용한 트랙터 자율 경운 알고리즘을 개발하기 위한 선행 연구로, 밭에 적용하기에 앞서 트랙터 시험장에서 기초 실험을 진행하였다. 트랙터 운전석 쪽에 카메라를 설치하고 주행 영상을 촬영하면서 실시간으로 차선을 추출, 차선추종을 위한 차선 각도 및 거리를 산출하였다.
VGG-16 기반 차선 검출 신경망 모델인 LaneNet을 응용해 차선을 이진 세그먼트(binary segments)로 검출한 후, 연결 성분(connected components)을 계산해 잡음을 제거하였다. 잡음이 제거된 차선 세그먼트에서 차선의 각도와 트랙터와 차선 사이의 거리를 추정하였다. 영상을 촬영할 때, 트랙터의 엔진룸 앞 부분에 마커를 카메라 FOV(field of view)의 가운데 아래 부분에 위치시켜 기준(reference)으로 삼았고, 템플릿 매칭(template matching)을 이용해 매 프레임마다 검출하였다. 이 때, 검출된 기준의 좌표를 (x₀, y₀)라 하면, 트랙터와 차선 사이의 거리는 기준으로부터 차선 방향으로 수평으로 이동했을 때 맞닿는 점인 (x₁, y₀) 와 기준(x₀, y₀)사이의 거리 |x₁, y₀|를 이용하였다. 조향각은 차선 위의 임의의 점 (x₂, y₂)과 점 (x₁, y₀)사이의 직선의 기울기arctan □□□□를 이용하여 산출하였다. 실시간 처리속도는 프레임당 NVIDIA RTX 2080ti 기준 0.04초, Intel i7-4770 기준 0.6초로, 트랙터의 느린 작업 주행 속도를 감안하였을 때, 실시간 영상을 이용한 제어가 충분하다고 판단되었다.
실험을 통해 검증된 차선각도 및 제어기술을 토대로, 논밭 환경에 적용하여 경운이 이루어진 영역과 그렇지 않은 영역을 나누고 조향각을 산출, 이를 활용한 자율 경운 기술을 개발할 예정이다.