2.1 밭작물 수확용 농기계

밭작물의 수확용 농기계는 농촌진흥청의 자료를 기초로 그림 2와 같이 예취형 수확기, 굴취형 수확기, 콤바인으로 크게 구분할 수 있다^[2].

그림. 2. 밭작물 수확용 농기계 장비 종류

Fig. 2. Agricultural machinery equipment type for harvesting crops

예취형 수확기는 두류나 참깨 등의 농작물을 베어 수확하는 자주식 기계 또는 관리기로 예취 장치 등을 갖추고 있는 장비이고, 굴취형 수확기는 감자 및 마늘 등 땅속작물이나 약초류를 굴취하거나 뽑는 방법으로 수확하는 자주식 기계나 농업용 트랙터 뒤에 부착 가능한 장비이다.

콤바인은 잡곡, 고추 등의 농작물을 수확하는 자주식 기계로 예취나 탈과, 탈곡장치 및 정선장치 등을 갖추고 있다.

본 연구에서는 트랙터에 부착하여 감자와 양파 등을 수확하는 굴취형 수확기 장비를 개발 대상으로 한다.

2.2 국외 기술 동향

최근 해외에서 개발한 대표적인 지능형 구근류 수확기들은 그림 3과 같다.

폴란드 Agribot社에서 개발한 밭농업용 자율작업 농기계 Agribot은 경사지, 비정형 포장 조건에서 적용 가능한 무인 농용 로봇 장비로 감자, 무, 배추 등 다양한 구근류 밭작물에 적용할 수 있고, 농작업 환경에 적합한 심플한 구조 설계와 분산통신 전자제어 장치들로 이뤄져 있다.

캐나다 UNIVERCO 社의 트랙터 부착용 양파 수확기는 전자식 컨트롤 장치가 부착된 장비로 트랙터에 부착된 컨트롤러를 통해 굴취 높이와 속도를 제어 가능하며, 스프레더 암이 있는 16개의 롤러 테이블을 통해 시간당 32톤을 수확 가능하다.

그림. 3. 국외 업체의 밭작업용 장비

Fig. 3. Equipment for harvesting of fields from foreign companies

프랑스 SIMON 社의 양파 수확기는 전자 유압식 컨트롤러를 통해 컨베이어 이동 속도와 높이를 조절 가능하다.

이처럼 국외의 밭작물 수확기들은 무인화와 자동화에 초점을 맞춰 개발되고 있으며, 대부분의 국외 굴취형 수확기는 수확물 저장과 이송을 위한 트레일러가 병행되어 작업이 이뤄지는 형태로, 주로 대규모 밭작물 수확에 적합한 장비이다.

2.3 국내 기술 동향

국내 밭작업용 구근류 수확 장비인 땅속작물 수확기는 그림 4와 같이 수확 방식이 일반형과 수집형으로 나뉘고, 구동 방식이 트랙터에 부착되는 비자주식과 자체 구동이 가능한 자주식 타입으로 나뉘는 것을 확인할 수 있다.

그림. 4. 국내 땅속작물 수확기 분류 방식

Fig. 4. Classification of the domestic underground crop harvester

현재 국내 대다수의 땅속작물 수확기는 트랙터에 부착되는 비자주식 타입이며, 기계적 방식으로 수확 작물과 토질에 따른 작업별 조정 작업을 능동적으로 대응하기 어렵다.

그리고 전체 동력을 트랙터 PTO 동력에만 의존하여 작동하는 일체형 시스템 구조로 되어 있기 때문에 개별 제어 및 독자적인 구동이 불가능하다.

최근 콤바인 농기계에서는 분산제어방식을 적용하여 시스템 신뢰성을 향상시키고, 다양한 센서와 부품들을 농기계에 적용하여 작업 안전성 등을 향상시키고 있다^[3-6].

이처럼 땅속작물 수확기도 국내 밭 환경에 적합한 지능형 장비가 필요하다.

국내 밭은 흙, 자갈, 돌멩이, 나무 조각 등 다양한 이물질들이 혼재되어 있어 땅속작물 수확 작업 시 굴취, 선별, 수집 등 복합 작업이 필요하며, 밭 환경에 따라 능동적으로 작업별 기능 조정을 해야 한다.

본 연구에서는 기존 기계식 장비의 한계를 극복하기 위해 밭의 환경적 차이점과 수확 작물별 종류에 따라 전자 제어로 굴취 깊이, 선별 속도를 제어하고 수집부 하중 인지와 경고 알람, 연속 박스 교체 등과 같은 다양한 편의/안전 기능을 제공하는 땅속작물 수확기의 지능형 제어 시스템을 개발한다.

3.1 제어 시스템의 레이아웃 및 작동 방식 소개

기존 땅속작물 수확기 장비 대비 제어 방식이 개선된 지능형 시스템의 전체적인 레이아웃을 그림 5에서 보여주고 있다^[6].

개발한 지능형 제어 시스템은 유압 모터와 유압 실린더 그리고 전자 제어 모듈과 컨트롤러를 통해 각 기능별 개별 제어와 순차 제어가 가능하다.

본 시스템의 전원부는 메인 전원부와 보조 전원부로 나뉘는데, 메인 전원부는 PTO 동력부를 제너레이터와 연결하여 구동 시 발생되는 회전력을 전기에너지로 변환하여 제어부에 공급하고 배터리에 충전시키는 방식이고, 보조 전원부는 트랙터에서 나오는 12V 전원을 케이블 하네스(Harness)로 연결하여 제어부에 추가 공급하는 방식이다^[6].

본 제어 시스템의 레이아웃을 통해 제어 및 구동되는 작동 방식 시나리오는 그림 6에서 확인할 수 있다^[6].

먼저 굴취 수확 작물의 종류(감자, 양파)를 선택하면 그에 맞게 굴취 깊이가 조절되고, 선별부에서는 선택된 굴취 수확 작물에 따른 해당 속도와 방향으로 구동된다.

그림. 5. 지능형 땅속작물 수확기 시스템 레이아웃

Fig. 5. Intelligent underground crop harvester system Layout diagram

그림. 6. 시스템 제어 및 작동 방식 개념도

Fig. 6. Conceptual diagram of system control and operation

수확물들이 선별부를 거쳐 수확부에 쌓이면 로드셀 센서로 무게를 감지하고, 특정 무게치에 도달하면 알림이 뜨며 수확부 박스를 자동으로 교체한다.

이상의 제어 기능들을 전자 컨트롤러를 통해 사용자가 전체 제어 혹은 개별 제어한다.

3.2 제어 시스템의 세부 주요 기능

지능형 땅속작물 수확기로 밭농사 작업 시 생산성과 작업 효율성 및 편의성을 높이기 위해 그림 6과 그림 7에서처럼 크게 4가지 세부 주요 기능들을 개발 및 적용한다^[6].

첫째, 작물과 두둑에 따른 굴취부 깊이 제어 기능으로 트랙터와 연결되는 수확기 유압 실린더의 전/후 제어를 통해 굴취부 상/하 조절을 한다.

그림 8과 같이 작업자가 굴취 작물에 따라 컨트롤러로 유압 실린더의 길이를 조절할 수 있다.

사용한 유압 실린더는 DAEHAN Hydroulic社의 링크실린더-1571 모델로 유압 펌프를 통해 나오는 유압량을 제어함으로써 실린더를 통해 작물별 굴취부의 깊이를 최대 40mm이내로 조절할 수 있다.

그림. 7. 땅속작물 수확기의 4가지 개별 제어 기능

Fig. 7. Four individual control functions of underground crop harvester

그림. 8. 굴취부 깊이 제어 기능

Fig. 8. Excavation depth control function

둘째, 선별부 속도 및 방향 제어 기능으로 수확 작물에 따라 사용자가 선별부 체인의 속도를 제어하고 필요 시 체인의 정/역 회전도 조절 가능한데, 이는 선별부 체인을 구동시키는 유압 모터를 통해 구현된다.

그림. 9. 선별부 속도 및 방향 제어 기능

Fig. 9. Sorting part speed and direction control function

유압 모터는 SINJIN PRECISION社의 OP-H050-GAAO 모델로 용적 50 cc, 정격회전속도 910 rpm, 정격출력토크 8.0 kgf.m의 사양으로 산업용 및 농업용 기계 장치에 많이 사용되고 있으며, 그림 9와 같이 작업자가 선별부의 속도와 방향을 제어함으로써 선별 작업의 효율성을 증대시킬 수 있다.

셋째, 수집부 하중 측정 및 경고 알람 기능으로 수집부로 하강하는 작물의 하중을 측정하고, 하중에 따라 경광 및 경음 방식으로 작업자에게 수집부 박스의 교체시기를 사전에 알려줄 수 있다.

수확물 하중을 감지하기 위해 로드셀을 사용한 무게 감지 방식, 포텐셔 미터를 활용한 각도 감지 방식, 초음파 센서를 이용한 높이 감지 방식 등 다양한 센싱 방식을 통해 알아낼 수 있지만, 본 연구에서는 동적환경에서의 수확물 하중을 측정하기 위하여 가장 안정적인 로드셀 방식을 사용하였다.

로드셀 센서는 YZC-1B 모델과 로드셀 전압 증폭 역할을 하는 앰프 모듈로 HX711 모델을 사용하였고, 발생되는 충격이나 진동의 외란 값을 보정하기 위해 칼만 필터를 적용한다.

그림 10에 나온 것처럼 로드셀과 아두이노 그리고 LCD 모듈을 통해 하중 측정 회로를 테스트해 본 후에 실제 장비에 로드셀을 장착하였다.

넷째, 하역부의 자동 박스 교체 기능으로 수집부를 통해 수확된 작물들이 박스에 가득 차게 되면 빈 박스로 교체하게 된다.

이는 로드셀에서 신호를 보내고 유압 모터가 롤러를 통해 가득 찬 박스를 측면으로 밀어 내어 지면에 떨어지는 방식으로 이 기능은 선별부 속도 제어 방식과 동일하게 유압 모터를 제어함으로써 구현된다.

그림 11에서 설계된 모듈을 확인할 수 있으며, 본 기능은 작업자가 컨트롤러에서 자동과 수동 방식으로 선택할 수 있게 설계하였다.

그림. 10. 수집부 하중 측정 및 알람 기능

Fig. 10. Collecting part weight measurement and alarm function

그림. 11. 하역부 자동 박스 교체 기능

Fig. 11. Automatic box replacement function