KR102404727B1 - 농작업 기계에서의 자율 주행 경로 생성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 농작업 기계를 위한 자율 주행 경로 생성 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일양태에 따르면 농작업 기계의 자율 주행 경로 생성 방법이 제공된다. 이 자율 주행 경로 생성 방법은, 자율 주행 대상의 농작업 경로를 농작업 기계를 이용하여 주행하는 단계; 농작업 기계에 설치된 GNSS 측위 센서로부터 측위해 데이터를 수신하는 단계; 측위해 데이터의 품질을 검사하고 저장하는 단계; 농작업 기계의 주행을 종료하는 단계; 측위해 데이터를 이용하여 웨이포인트를 생성하는 단계; 생성된 웨이포인트를 저장하는 단계;를 포함하고, 상기 측위해 데이터의 품질을 검사하고 저장하는 단계는, 일정 시간 간격으로 측위 센서에서 계산되는 측위해 데이터를 저장하는 단계; 측위해 데이터의 품질 정보 중, GNSS-RTK의 모호수가 고정되지 않거나 GNSS 업데이트 경과 시간이 1초가 넘으면 불량 품질인 것으로 판단하여 농작업 기계의 수동 운행을 정지하고 측위해 데이터를 다시 수신하는 단계; 및 양호한 측위해 데이터가 쉰되면 농기계 수동 운전을 계속 진행하는 단계를 포함한다.

Description

농작업 기계에서의 자율 주행 경로 생성 방법{METHOD FOR CREATING AUTONOMOUS DRIVING PATHS IN AGRICULTURAL MACHINERY}

본 발명은 농작업 기계를 위한 자율 주행 경로 생성 방법에 관한 것으로 보다 구체적으로는 저렴한 비용을 통해 구현가능한 농작업 기계에서의 자율 주행 경로 생성 방법 및 이를 이용한 자율 주행 방법에 관한 것이다.

농업 분야는 농업 인구의 감소 및 고령화, 농업 경영비 상승 등으로 농업 여건 개선이 시급한 실정이다. 따라서, 농업 분야의 경쟁력을 갖추어야 하는데, 그 중 가장 중요한 요소가 IT 및 센서 기술과의 접목을 통한 고부가가치 산업으로의 변신이다.

한편, 최근 전자 기술의 발전으로, 농작업 기계를 무인으로 운용하고 있다. 일반적으로 자율주행기술은 운전자의 조작없이 자동차 스스로 주행환경을 인식하여 목표 지점까지 운행할 수 있도록 하는 기술로서, 차선이탈 방지 시스템과 차량 변경 제어기술, 장애물 회피 기술 등을 이용하여 출발지와 목적지를 입력하면 최적의 주행경로를 선택하여 스스로 주행할 수 있도록 하며, 자율주행기술이 적용된 자동차를 자율주행자동차 또는 무인자동차라한다.

이러한 자율주행기술은 기본적으로 도로를 주행하는 자동차에 적용되고 있지만, 군사적인 목적이나 농업기술에도 많이 이용되고 있다. 구체적으로 자율주행기술을 적용된 농작업 기계로서 자율주행 트랙터가 있다. 자율주행 트랙터는 스스로 알아서 움직이는 트랙터로서, 트랙터가 알아서 경작지의 위치와 크기를 측정한 후, 작업경로를 생성하여 작업하도록 하고 있다.

자율주행을 운영하기 위해서는 자율 주행 할 경로를 정의하는 것이 필수적이며 자율 주행을 위해 정밀한 자율주행 지도가 구축되어 있어야 한다. 그러나 국내의 대부분의 과수원이나 농경지의 경우 개인이 운영하고 있는 실태이고 따라서 고가의 자율 주행 지도를 구축하는 것은 실제 불가능하다.

트랙터와 같은 농작업 기계의 자율주행화는 국내의 열악한 농업환경과 인력난 등을 고려하면, 경쟁력 제고를 위한 필수 선택이라할 수 있지만, 경지면적이 좁고 비탈진 농지가 많은 농업환경으로 인해 국내에는 쉽게 적용되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 GNSS와 같은 측위 센서를 이용하여 사용자가 직접 자율주행할 경로를 생성하고 이에 기반하여 자율주행을 가능하게 할 수 있는 농작업 기계에서의 자율 주행 경로 생성 방법 및 이를 이용한 자율 주행 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일양태에 따르면 농작업 기계의 자율 주행 경로 생성 방법이 제공된다. 이 자율 주행 경로 생성 방법은, 자율 주행 대상의 농작업 경로를 농작업 기계를 이용하여 주행하는 단계; 농작업 기계에 설치된 GNSS 측위 센서로부터 측위해 데이터를 수신하는 단계; 측위해 데이터의 품질을 검사하고 저장하는 단계; 농작업 기계의 주행을 종료하는 단계; 측위해 데이터를 이용하여 웨이포인트를 생성하는 단계; 생성된 웨이포인트를 저장하는 단계;를 포함하고, 상기 측위해 데이터의 품질을 검사하고 저장하는 단계는, 일정 시간 간격으로 측위 센서에서 계산되는 측위해 데이터를 저장하는 단계; 측위해 데이터의 품질 정보 중, GNSS-RTK의 모호수가 고정되지 않거나 GNSS 업데이트 경과 시간이 1초가 넘으면 불량 품질인 것으로 판단하여 농작업 기계의 수동 운행을 정지하고 측위해 데이터를 다시 수신하는 단계; 및 양호한 측위해 데이터가 쉰되면 농기계 수동 운전을 계속 진행하는 단계를 포함한다.

전술한 양태에서 웨이포인트를 생성하는 단계는,

순차적으로 저장된 실시간 측위해 데이터가 입력되면, 이전 및 현재 위치 사이의 거리(D)를 계산하는 단계, 정지 여부를 판단하기 위해 거리(D)가 정지 여부 기준값보다 작은지 여부를 판단하는 단계; 거리(D)가 정지 여부 기준값보다 작은 경우 이전 위치와 현재 위치의 평균 위치를 계산한 후 평균 위치를 이전 위치로 전환시키는 단계; 및 거리(D)가 기준값보다 크면 이전 위치와 현재 위치를 이용하여 직선 경로를 생성하는 단계를 포함한다.

전술한 양태에서 웨이포인트를 생성하는 단계는,

거리(D)가 기준값보다 크면 이전 위치와 현재 위치를 이용하여 직선 경로를 생성하는 단계 이후, 이전 생성된 직선과 현재 생성된 직선 사이의 거리가 회전 구간 여부를 판단하기 위한 각도 기준값보다 작으면 현재 위치를 웨이포인트로 저장하는 단계; 이전 생성된 직선과 현재 생성된 직선 사이의 거리가 회전 구간 여부를 판단하기 위한 각도 기준값보다 크면 이전 생성된 직선을 현재 생성된 직선으로 전환하는 단계;를 포함한다.

전술한 양태에서 생성된 웨이포인트를 저장하는 단계는 자율주행 경로인 웨이포인트와 웨이포인트 사이의 접근 가능 여부 정보가 담겨있는 네트워크 데이터를 저장하는 것을 포함한다.

전술한 어느 하나의 양태에서 생성된 자율 주행 경로의 일부분에 대해 생성된 웨이포인트 데이터를 병합하는 자율주행 경로 병합 단계를 더 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고가의 위치 맵을 구축하지 않고 비교적 저렴한 측위 센서를 이용하여 무인 농업용기계의 자율 주행용 경로 생성 및 자율 주행 방법을 제공할 수 있어, 가격 경쟁력을 대폭 확보할 수 있고, 또한 기존에 비해 빠른 시간에 자율 주행 경로를 생성할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자율주행이 가능하도록 구성된 농작업기계의 내부 구성을 예시적으로 나타낸 도면;
도 2는 본 발명에 따른 농작업 기계용 자율 주행 경로 생성 과정을 나타내는 흐름도;
도 3은 본 발명에 따른 농작업 기계용 자율 주행 경로 생성 과정 중 웨이포인트 생성의 흐름을 나타내는 도면;
도 4는 본 발명에 따른 농작업 기계용 자율 주행 경로 병합 과정의 흐름을 나타내는 흐름도;
도 5는 본 발명에 따라 생성된 자율주행 경로를 이용하여 자율 주행을 실행하는 자율 주행 방법을 나타내는 흐름도;
도 6은 Enclosed based line of sight guidance 원리를 나타내는 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.

본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 [0032] 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 농작업 기계(100)의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

먼저, 본 발명의 실시형태에 따른 농작업 기계(100)는 트랙터, 콤바인, 경운기 등과 같이 경작지의 밭갈이, 비료살포, 비료운반, 각종 농작물 운반 등의 작업에 이용되는 다양한 운행 수단을 의미할 수 있다. 이를 위해, 농작업 기계(100)는 본체와 본체의 전방 및 후방 각각의 하부에 구비된 바퀴를 포함할 수 있다.

한편, 농작업 기계(100)는 사용자가 탑승하지 않더라도, 미리 설정된 경로를 따라 자율적으로 이동이 가능한 무인 농작업 기계로 구현될 수 있으며, 이를 위해, 농작업 기계(100)는 도 1와 같이 액추에이터부(110), 센서(120), 메모리(130) 및 프로세서(140), 카메라(160)를 포함할 수 있다.

액추에이터부(110)는 농작업 기계(100)의 주행을 제어하기 위한 구성이다. 예를 들어, 액추에이터부(110)는 엑셀레이터 액추에이터, 브레이크 액추에이터, 조향각 제어 액추에이터를 포함하여 이루어지고, 엑셀레이터 액추에이터를 통해 농작업 기계(100)에 마련된 바퀴의 회전 속도를 증가시키거나, 브레이크 액추에이터를 통해 농작업 기계(100)에 마련된 바퀴의 회전 속도를 감소시키거나, 바퀴를 정지시키거나, 조향각 제어 액추에이터를 통해 농작업 기계(100)에 마련된 바퀴의 회전축을 회전시켜, 농작업 기계(100)를 좌측 또는 우측 방향으로 회전시키도록 이루어진다.

센서 그룹(120)은 농작업 기계(100)의 위치 및 움직임을 감지한다. 이를 위해, 센서(120)는 도 1에 도시된 바와 같이 GNSS(Global Navigation Satellite System)와 같은 측위 센서(121) 및 주행 센서(122)를 포함할 수 있다.

측위 센서(121)는 위성을 이용하여 농작업 기계(100)의 위치, 속도, 방향각 등을 측정할 수 있다. 여기에서, 측위 센서(121)를 통해 획득되는 농작업 기계(100)의 위치, 속도, 방향각 등을 GNSS 센서의 측위해라 할 수있다.

측위 센서 중 GNSS 센서는 우주의 위성에서 송신는 전파를 이용하여 특정 위치의 좌표를 산출하는 시스템을 의미한다. 이와 같이, GNSS는 위성을 이용한다는 점에서, 시간 및 공간에 구애받지 않으며 다른 시스템에 비해 비교적 안정적으로 위치, 속도 및 시간 정보 등을 획득할 수 있다.

GNSS 센서(121)는 위성으로부터 수신된 GNSS 신호를 이용하여 자신의 위치를 결정하고, RTK(Real TimeKinematic) 기준국(300)으로부터 측위 보정 정보를 전달받고, 측위 보정 정보를 이용하여, GNSS 신호를 통해 결정된 자신의 위치를 보정할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시형태에 따르면, GNSS 센서(121)는 단일 주파수 기반의 저가형 GNSS 센서로 구현될 수있다. 즉, 농작업 기계의 경우, 드론(drone), 비행체, 선박 등에 비해 상대적으로 저속으로 이동한다는 점에서, 단일 주파수만으로도 충분히 정확한 위치가 측정될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시형태에 따르면, 단일 주파수 기반의 GNSS 센서를 이용한다는 점에서, 2개 이상의 주파수를 이용하는 센서보다 저렴하게 농작업 기계(100)의 위치를 측정할 수 있게 된다. 이 경우, RTK 기준국(300)은 cm급 정확도를 갖는 위치를 계산할 수 있도록 측위 보정 정보를 생성하여 저가형의 GNSS 센서(121)로 제공할 수 있다.

주행 센서(122)는 농작업 기계(100)의 속도, 방향각 등을 측정할 수 있다. 이를 위해, 주행 센서(122)는 농작업 기계(100)의 방향각을 측정하기 위한 조향각 센서 및 농작업 기계(100)의 속도를 측정하기 위한 속도 센서 등을 포함할 수 있다.

메모리(130)는 자율 주행 경로가 저장된다. 이 경우, 농작업 기계(100)는 사람에 의하지 않고, 무인으로 자율 주행 경로에 따라 자율적으로 주행할 수 있다. 한편 도 1에 도시하지는 않았지만 농작업 기계(100)에는 무인 주행으로 농작업 기계(100)를 동작시킬 것인지 아니면 운전자가 직접 차량을 주행할 것인지를 선택하기 위한 모드 선택부가 더 제공될 수도 있다.

사용자가 모드 선택부를 통해 수동 주행을 선택한 경우 프로세서는 사용자로부터의 조작에 기반하여 차량을 동작시키는 반면 사용자가 모드 선택부를 통해 무인 주행을 선택한 경우 프로세서는 미리 정해진 자율주행모드로 차량을 동작시키게 된다.

자율 주행 경로는 생성하고자 하는 자율 주행 경로를 농작업 기계(100)가 수동으로 주행하는 동안에, GNSS 센서(120)에서 획득된 데이터에 기초하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 자율 주행 경로는 농작업 기계(100)가 자율 주행 대상 경로(가령, 경작지,험로, 도로 등의 경로)를 수동으로 먼저 주행하고, 수동 주행 중에 GNSS 센서(120)로부터 획득된 농작업 기계(100)의 위치, 속도 및 방향각 등에 의해 생성될 수 있다. 이러한 자율 주행 경로를 생성하는 구체적인 방법에 대해서는 후술하도록 한다.

또한, 프로세서(140)는 도 1에 도시된 바와 같이, 경로 제어 모듈(141) 및 모터드라이브 제어 모듈(142)을 포함한다. 도 1에서는 모듈들을 개별적으로 도시하였으나, 적어도 2 개의 모듈들이 조합되어 하나의 유닛으로 구현될수도 있다는 것은 자명하다.

프로세서(140)는 농작업 기계(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 이를 위해, 프로세서(140)는 농작업 기계(100)의 동작을 제어하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(generic-purposeprocessor)(예: CPU 또는 application processor) 등으로 구현될 수 있다.

본 발명에서 "자율주행을 위한 경로 생성 기술"은 자율주행 운용을 위한 경로를 생성하는 기술로 사용자가 수동으로 농기계를 운용하여 획득된 측위해를 바탕으로 자율주행 경로인 웨이포인트(waypoint)를 생성하는 기술이다. 본 발명에서 개발된 자율주행 경로 생성 기술은 이동경로에 대한 자율주행 경로 생성 알고리즘과 자율주행 경로 병합 알고리즘으로 구성되고 이하에 설명되는 바와 같다.

가. 자율주행 경로 생성 알고리즘

본 발명에서는 사용자가 자율주행 할 경로를 수동으로 농기계를 운전하여 획득된 위치 정보를 이용하여 경로를 생성하는 위치 정보 기반 자율 주행 경로 생성 알고리즘을 개발하였다. 위치 정보 기반 자율 주행 경로 생성 알고리즘의 처리 과정을 요약하면 다음과 같다.

위치 정보 기반 자율주행 경로 생성 알고리즘은 차량이 이동할 수 있는 경로에 대한 측위해를 획득하여 웨이포인트 기반의 자율주행 경로를 생성하는 기능을 수행한다.

도 2는 본 발명에 따른 위치 정보 기반 자율주행 경로 생성 알고리즘의 처리과정을 나타내는 흐름도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 위치 정보 기반 자율주행 경로 생성 데이터는 ① 측위 센서로부터 측위해 수신 ② 실시간 측위해 데이터 품질검사 및 저장 ② 웨이포인트 데이터 생성, ④ 웨이포인트 데이터 저장 순서로 처리된다.

먼저 측위 센서로부터 측위해 수신 단계는 도 1에서와 같이 경로 제어 모듈(141)에서 GNSS 센서 또는 측위 센서(121)로부터 수신되는 측위해를 수신하는 것을 의미한다.

사용자가 자율 주행 경로 생성을 위해 농작업 기계의 수동 운전을 수행하면 일정 시간 간격으로 측위 센서가 경로 제어 모듈(141)에 측위 데이터를 전송한다.

이어진 단계에서 경로 제어 모듈(141)은 측위해 데이터의 실시간 품질 검사를 수행하는데, 예를 들면 경로 제어 모듈(141)은 미리 정해진 시간 간격으로 측위 센서에서 제공하는 측위해와 품질정보를 바탕으로 품질이 양호한 측위해를 저장한다.

측위 정밀도가 비슷한 수준의 측위해를 이용하여 경로를 생성하기 위하여, 측위해 품질정보가 불량하면 농기계 모터드라이브(142)에 정지 명령어를 보내 농기계 수동 운전을 일시 정지시키며, 측위해 품질정보가 양호해지면 농기계 모터드라이브(142)에 정지 명령어를 해지하여 농기계 수동 운전을 계속할 수 있도록 한다.

측위해 품질정보의 불량 기준은 GNSS-RTK 모호수가 고정되지 않거나 GNSS-RTK 기준국 보정 신호 전송 경과 시간이 1초가 넘는 경우로 설정될 수 있다.

사용자가 이동경로에 대한 수동 운전을 완료하면 경로 제어 모듈(141)은 주행 완료 명령어를 농기계에 전송하여 농기계의 수동 운전을 정지시키고 웨이포인트 데이터 생성을 위한 측위해 데이터가 저장된다. 실시간 측위해 데이터의 저장 형식은 다음과 같다.

[표 1] 실시간 측위해 저장 형식

이어진 단계에서는 저장된 측위해 데이터를 이용하여 자율주행을 위한 웨이포인트를 생성한다.

이 단계에서, 사용자가 농기계 수동 운전을 통해 획득한 품질이 양호한 자율 주행 경로에 대한 위치 데이터를 이용하게 된다. 웨이포인트 데이터 생성은 저장된 실시간 측위해 데이터와 정지 여부를 판단하기 위한 인접 점간 거리, 회전 구간 여부를 판단하기 위한 각도 기준값을 이용하여 이동경로에 대한 자율주행 경로인 웨이포인트를 생성한다.

도 3은 자율주행 경로인 웨이포인트를 생성하는 흐름을 나타내는 흐름도이다. 이 순서도에서 순차적으로 저장된 실시간 측위해 데이터가 입력되면(S110), 이전 및 현재 위치 사이의 거리를 계산하고(S111), 정지 여부를 판단하기 위한 단계 S113에서 인접 점간 거리가 기준값보다 작으면 이전 위치와 현재 위치의 평균 위치를 계산(S210)한 후 평균 위치를 이전 위치로 전환시키며(S211), 단계 S113에서 거리 기준값보다 크면 이전 위치와 현재 위치를 이용하여 직선을 생성하게 된다(S114).

또한 회전 구간 여부를 판단하기 위한 단계 S117에서 이전에 생성된 직선과 현재 생성된 직선 사이의 거리가 회전 구간 여부를 판단하기 위한 각도 기준값보다 작으면 이전 생성된 직선을 현재 생성된 직선으로 전환하고(S118) 각도 기준값보다 크면 현재 위치를 웨이포인트로 저장하게 된다(S214).

다시 도 4를 참조하면, 웨이포인트 데이터의 저장 단계는 자율주행 경로인 웨이포인트와 웨이포인트 간의 접근 가능 여부 정보가 담겨있는 네트워크 데이터를 저장된다. 웨이포인트 데이터와 네트워크 데이터 저장 형식은 다음 표와 같다.

[표 2]웨이포인트 데이터 저장 형식

[표 3] 네트워크 데이터 저장 형식

나. 자율주행 경로 병합 알고리즘

본 발명에서 자율주행 경로 생성은 사용자가 이동경로에 대한 위치 정보 기반 자율주행 경로를 생성하기 위해, 농작업 기계를 수동 운전하여 획득한 데이터를 이용하여 웨이포인트를 생성하기 때문에 실제 작업환경에 대한 모든 경로를 한번에 획득할 수 없는 한계가 존재한다. 본 발명에서는 이러한 한계를 보완하기 위하여 일부 경로에 대해 생성된 웨이포인트 데이터를 병합할 수 있는 자율주행 경로 병합 알고리즘을 개발하였다. 자율주행 경로 병합 알고리즘은 작업 경로 병합 알고리즘과 우회 경로 병합 알고리즘으로 구분될 수 있다.

도 4는 자율주행 경로 병합 알고리즘을 나타내는 흐름도이다. 도 4에 도시된 바와 같이 작업경로 병합 알고리즘은 먼저 단계 S301에서 사용자가 순차적으로 병합하고자 하는 작업경로 웨이포인트를 입력하면 다음과 같은 방법으로 작업경로 웨이포인트를 병합하게 된다.

단계 S301에서 작업경로 웨이포인트가 입력되고 난후, 단계 S302에서 작업경로의 시작점을 기준으로 입력된 모든 작업경로 웨이포인트의 측지좌표인 위도, 경도, 타원체고를 NED (North East Down) 좌표계를 기준으로 한 좌표로 변환한다.

이어진 단계 S303에서는 입력된 작업경로 웨이포인트 간의 교차점 존재여부를 결정한다. 교차점 존재는 인접 웨이포인트로 생성되는 직선을 교차점 판단 알고리즘을 통해 결정되게 된다. 교차점 판단 알고리즘은 Line-Line intersection: https://en.wikipedia.org/wiki/Line%E2%80%93line_intersection 을 이용하여 구현하였다.

만약 교차점이 존재하면 먼저 입력된 작업경로 웨이포인트는 첫 번째 웨이포인트부터 교차점이 포함된 웨이포인트까지 작업경로를 추출하고, 다음 입력된 작업경로 웨이포인트는 교차점이 포함된 웨이포인트부터 끝 점 웨이포인트까지 추출하여 병합하게 된다. 만약 교차점이 존재하지 않으면 먼저 입력된 작업경로 웨이포인트의 끝점과 다음 입력된 작업경로 웨이포인트의 시작점 사이의 거리를 계산하여 일정 기준 이내이면 두 작업경로를 병합하고, 일정 기준을 초과하면 병합하지 않는다. 웨이포인트의 병합이 종료되면 시작점부터 웨이포인트 인덱스를 순차적으로 다시 정의하고, 웨이포인트 출력 형식과 네트워크 데이터 저장 형식에 맞게 저장되게 된다.

우회경로 병합 알고리즘은 작업경로 웨이포인트와 우회경로 웨이포인트를 병합하여 최종 자율주행 경로 웨이포인트를 생성하는 역할을 수행한다. 우회경로 병합 알고리즘의 NED 좌표 변환과 교차점 판단은 작업경로 병합 알고리즘과 동일하나 우회경로와 작업경로를 구분하기 위하여 웨이포인트 인덱스 시작 번호를 다르게 지정하는 점에서 차이점이 있다.

다음으로 자율주행 방법에 대해 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 자율주행 운영 방법의 흐름을 나타내는 동작흐름도이다. 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 자율주행 방법은, 전술한 바와 같은 자율주행 경로 생성 방법, 즉 측위 센서에서 계산된 측위해와 자율주행 경로인 웨이포인트를 이용하여 모터드라이브(142) 제어 파라미터를 계산한 후, 모터드라이브에 전송하여 자율주행 경로를 추종시킨다. 자율주행 기술은 ① 자율주행을 위한 경로 정의(S401), ② 자율주행 운용 여부 판단(S402), ③ 웨이포인트 전환(S403), ④ 목표점 판단(S404), ⑤ 주행 제어 파라미터 계산(405) 단계를 포함한다.

단계 S401에서 자율주행을 위한 경로 정의는 자율주행 운용 기술이 실행될 시에 현재 위치를 기준으로 자율주행 경로인 웨이포인트의 최근접 위치를 찾고, 최근접 위치를 기준으로 최종 종료점까지의 주행하기 위한 웨이포인트를 추출하게 된다. 상기 과정은 자율주행 실행 시 한번만 처리되게 되며, 생성된 추출한 웨이포인트를 이용하여 자율주행이 수행되게 된다.

단계 S402에서 자율주행 운용 여부 판단은 측위센서에서 제공되는 측위해의 품질을 검사하여 자율주행 운용 여부를 판단하는 역할을 수행한다. 본 발명에서 측위 센서의 품질정보 중 모호수가 고정된 GNSS-RTK 측정치 업데이트 경과 시간이 2초 이내이며, 위치 정밀도가 0.5m 이내일 경우에 자율주행을 수행하도록 정의하였다. 상기 기준값을 초과할 경우에는 모터드라이브에 좌측 및 우측 트랙 속도를 0을 전송하여 차량을 정지시킨다.

단계 S403에서 웨이포인트 전환은 현재 웨이포인트를 계속 이용할 것인지 아니면 다음 웨이포인트로 전환할 것인지를 결정한다. 자율 주행 시에 농기계는 자율 주행 경로인 연속된 웨이포인트 사이를 이동하므로, 자율 주행의 안정성을 향상시키기 위해서는 현재 위치에 따라 적절하게 웨이포인트가 전환될 필요가 있다. 또한 무한궤도형 농기계는 제자리 회전이 가능하므로, 웨이포인트 전환 시에 먼저 현재 웨이포인트가 제자리 회전 지점인지를 결정할 필요가 있다.

자리 회전 지점 여부는 아래의 수식과 같이 정의될 수 있고 웨이포인트 전환은 다음과 같은 순서로 처리되게 된다.

1) 현재 웨이포인트와 인접 전후 웨이포인트로 생성되는 두 직선의 사잇각 계산함

2) 두 직선의 사잇각이 제자리 회전 기준 각도보다 크면 제자리 회전 지점이라 정의함

여기서 n은 현재 선택된 웨이포인트 인덱스, WPn_North와 WPn_East는 각각 현재 농기계의 위치를 원점으로 하는 NED(North East Down) 좌표계를 기준으로 표현된 현재 웨이포인트의 북쪽 및 동쪽 방향의 위치 좌표, r는 제자리 회전 지점 여부를 결정하는 제자리 회전 기준 각도를 나타낸다.

만약 현재 선택된 웨이포인트가 제자리 회전 지점이면, 현재 농기계의 Yaw와 현재 웨이포인트와 다음 웨이포인트로 생성된 방위각의 차이가 일정 각도 이내일 경우에는 다음 웨이포인트로 전환되며, 그 반대의 경우에는 현재 웨이포인트를 유지하게 된다.

만약 현재 선택된 웨이포인트가 제자리 회전 지점이 아닐 경우에는 다음 수식과 같이 현재 농기계의 위치와 현재 선택된 웨이포인트 사이의 거리가 일정 반경 이내이면 웨이포인트를 전환하게 되며, 그 반대의 경우에는 현재 웨이포인트를 유지하게 된다.

여기서, R_WP는 웨이포인트 전환 여부를 결정하는 기준 반경을 의미한다.

도 6은 Enclosed based Line of Sight (LOS) Guidance의 원리를 설명하기 위한 설명도이다. 본 발명에서 도 6에 도시된 바와 같이 목표점 판단 단계(S404)에서는 현재 차량 위치와 선택된 웨이포인트에 기반하여 다음 시각에 이동할 위치점을 설정하게 된다.

목표점 판단 방법은 현재 웨이포인트와 이전 웨이포인트로 생성된 직선과 현재 차량의 위치를 원의 중심으로 하여 기준 반경(R)을 통해 생성되는 원과 만나는 지점을 목표점을 결정하는 "Enclosed based Line of Sight (LOS) Guidance (Jensen, T. M. Waypoint-following guidance based on feasibility algorithms, Master dissertation, Norwegian University of Science, Norway, 2011.)"의 방법을 적용하였다.

만약 현재 차량의 위치와 현재 웨이포인트 사이의 거리가 기준 반경(R) 보다 작은 경우에는 목표점은 현재 웨이포인트의 좌표로 선택되게 된다.

다음으로 제어 파라미터 계산 단계(S405)에 대해 설명하도록 한다.

제어 파라미터 계산 단계에서는 제자리 회전일 때와 이동일 때로 나누어 다음 시각에 목표점에 도달하기 위한 좌측 및 우측 트랙의 속도 값을 계산하게 된다.

제자리 회전일 때에는 현재 농기계의 위치와 현재 웨이포인트 위치 사이의 거리가 반경(R)보다 작은 경우로 좌측 및 우측 트랙 속도의 크기는 일정한 상수 값으로 지정하고 회전 방향에 따라 좌측 및 우측 트랙 속도의 부호는 다르게 지정하게 된다. 예를 들어, 제자리 왼쪽 회전일 경우에는 좌측 트랙 속도의 부호는 양수, 우측 트랙 속도의 부호는 음수를 갖는다.

이동일 때에는 현재 농기계의 위치와 현재 웨이포인트 위치 사이의 거리가 반경(R)보다 큰 경우로 목표지점으로 이동하기 위한 목표 각도(α_TP)와 목표 속도(V_TP)를 다음 수식을 통해 계산하게 된다.

여기서, TP_North와 TP_Wast는 각각 현재 농기계의 위치를 원점으로 하는 NED (North-East-Down) 좌표계를 기준으로 표현된 현재 목표점의 북쪽 및 동쪽 방향의 위치 좌표, ψ는 현재 차량의 Yaw, Vmin과 Vmax은 각각 최소 차량 속력과 최대 차량 속력, σ은 농기계 회전 각도에 따라 감속하기 위한 기준값을 의미한다.

목표 각도와 목표 속도가 계산되면 목표점으로 이동하기 위한 좌측 및 우측 트랙 속도가 계산하게 된다.

여기서, v_Left와 v_Right는 각각 좌측 및 우측 트랙 속도, 은 좌우 트랙 사이의 거리, Δt는 제어 시간 간격(초)을 의미한다.

전술한 바와 같이 본 발명은 농작업 기계의 자율 주행을 위한 경로 생성 및 자율 주행을 제어하는 구체적인 방법을 설명하였다. 본 개시의 다양한 실시 예들은 기기(machine)(예: 컴퓨터)로 읽을 수 있는 저장 매체(machine-readable storage media에 저장된 명령어를 포함하는 소프트웨어로 구현될 수 있다.

기기는, 저장 매체로부터 저장된 명령어를 호출하고, 호출된 명령어에 따라 동작이 가능한 장치로서, 개시된 실시 예들에 따른 전자 장치(예: 전자 장치(A))를 포함할수 있다. 상기 명령이 프로세서에 의해 실행될 경우, 프로세서가 직접, 또는 상기 프로세서의 제어하에 다른 구성요소들을 이용하여 상기 명령에 해당하는 기능을 수행할 수 있다.

명령은 컴파일러 또는 인터프리터에 의해 생성 또는 실행되는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장매체는, 비일시적(non-transitory) 저장매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적'은 저장매체가 신호(signal)를 포함하지 않으며 실재(tangible)한다는 것을 의미할 뿐 데이터가 저장매체에 반영구적 또는 임시적으로 저장됨을 구분하지 않는다.

일 시예에 따르면, 본 발명에 개시된 다양한 실시 예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer programproduct)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체(예: compact disc read only memory (CD-ROM))의 형태로, 또는 어플리케이션 스토어(예: 플레이 스토어TM)를 통해 온라인으로 배포될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.

다양한 실시 예들에 따른 구성 요소(예: 모듈 또는 프로그램) 각각은 단수 또는 복수의 개체로 구성될 수 있으며, 전술한 해당 서브 구성 요소들 중 일부 서브 구성 요소가 생략되거나, 또는 다른 서브 구성 요소가 다양한 실시예에 더 포함될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 일부 구성 요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 개체로 통합되어, 통합되기 이전의 각각의 해당 구성 요소에 의해 수행되는 기능을 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따른, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성 요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적, 병렬적, 반복적 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 적어도 일부 동작이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 다른 동작이 추가될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아닌 설명을 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 의해 제한되기 보다는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 농업용기계
110 : 액추에이터부
120 : 센서
130 : 메모리
140 : 프로세서

Claims (5)

1. 농작업 기계의 자율 주행 경로 생성 방법에 있어서,
   자율 주행 대상의 농작업 경로를 농작업 기계를 이용하여 주행하는 단계;
   농작업 기계에 설치된 GNSS 측위 센서로부터 측위해 데이터를 수신하는 단계;
   측위해 데이터의 품질을 검사하고 저장하는 단계;
   농작업 기계의 주행을 종료하는 단계;
   측위해 데이터를 이용하여 웨이포인트를 생성하는 단계;
   생성된 웨이포인트를 저장하는 단계;를 포함하고,
   상기 측위해 데이터의 품질을 검사하고 저장하는 단계는,
   일정 시간 간격으로 측위 센서에서 계산되는 측위해 데이터를 저장하는 단계;
   측위해 데이터의 품질 정보 중, GNSS-RTK의 모호수가 고정되지 않거나 GNSS 업데이트 경과 시간이 1초가 넘으면 불량 품질인 것으로 판단하여 농작업 기계의 수동 운행을 정지하고 측위해 데이터를 다시 수신하는 단계;
   양호한 측위해 데이터가 쉰되면 농기계 수동 운전을 계속 진행하는 단계를 포함하되,
   웨이포인트를 생성하는 단계는,
   순차적으로 저장된 실시간 측위해 데이터가 입력되면, 이전 및 현재 위치 사이의 거리(D)를 계산하는 단계,
   정지 여부를 판단하기 위해 거리(D)가 정지 여부 기준값보다 작은지 여부를 판단하는 단계;
   거리(D)가 정지 여부 기준값보다 작은 경우 이전 위치와 현재 위치의 평균 위치를 계산한 후 평균 위치를 이전 위치로 전환시키는 단계;
   거리(D)가 기준값보다 크면 이전 위치와 현재 위치를 이용하여 직선 경로를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
   농작업 기계의 자율 주행 경로 생성 방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   웨이포인트를 생성하는 단계는,
   거리(D)가 기준값보다 크면 이전 위치와 현재 위치를 이용하여 직선 경로를 생성하는 단계 이후,
   이전 생성된 직선과 현재 생성된 직선 사이의 거리가 회전 구간 여부를 판단하기 위한 각도 기준값보다 작으면 현재 위치를 웨이포인트로 저장하는 단계;
   이전 생성된 직선과 현재 생성된 직선 사이의 거리가 회전 구간 여부를 판단하기 위한 각도 기준값보다 크면 이전 생성된 직선을 현재 생성된 직선으로 전환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
   농작업 기계의 자율 주행 경로 생성 방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 생성된 웨이포인트를 저장하는 단계는 자율주행 경로인 웨이포인트와 웨이포인트 사이의 접근 가능 여부 정보가 담겨있는 네트워크 데이터를 저장하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는
   농작업 기계의 자율 주행 경로 생성 방법.
   
5. 제1항, 제3항, 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   생성된 자율 주행 경로의 일부분에 대해 생성된 웨이포인트 데이터를 병합하는 자율주행 경로 병합 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
   농작업 기계의 자율 주행 경로 생성 방법.
   

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