- 무인 작업기계의 안전신뢰성을 높이는 가상현실 핵심기술 개발에 박차

- 스마트 건설, 스마트 팜 등 자율작업 시대 앞당길 것 기대

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)은 VR(가상현실)을 기반으로 다양한 산업용 작업기계 무인화를 앞당길 수 있는 ‘무인 작업기계 가상시험 및 관제기술’을 개발했다.

산업용 작업기계는 농업, 건설업 등 외부의 열악한 환경에서 활용되는 경우가 많아 무인으로 작업할 수 있는 기술이 요구되어왔다. 하지만 운영 시나리오가 매우 다양하고 안전과 비용 측면에서 제약이 커 무인화 기술개발에 어려움을 겪어왔다.

기계연 스마트산업기계연구실 차무현 책임연구원 연구팀은 국내 농기계 전문기업 LS엠트론과 손잡고 ‘VR 기반 무인 작업기계 가상시험 및 관제기술’을 개발했다. 농업 현장에서 쓰이는 작업 기계에 무인 기술을 실제로 적용하기 전에 가상환경에서 다양한 테스트를 할 수 있는 모의시험기술과 장거리에서도 무인 작업을 관제하는 기술이 핵심이다.

VR 기반 무인 작업기계 가상시험 시뮬레이션

한국기계연구원이 개발한 VR 기반 무인 작업기계 가상시험 프로그램 실행 화면(왼쪽)과 실제 무인 트랙터와 연동하여 가상시험을 수행하는 장면(오른쪽). 기계연이 개발한 ‘VR 기반 무인 작업기계 가상시험 및 관제기술’을 이용하면 실제 야외에서 무인 작업기계를 자율운행하기 전 화면을 보면서 다양한 작업 경로와 시나리오에 따라 무인으로 잘 작동하는지 시험할 수 있다.

사용자가 위성 지도의 위치정보를 기반으로 작업 경로를 지정하면, 3D 기반의 가상 작업환경에서 무인 작업 과정을 시뮬레이션해 볼 수 있다. 환경 인식과 경로 제어 등의 무인화 핵심성능을 가상으로 시험할 수 있어, 실제 필드시험을 대체하거나 보완할 수 있다.

특히, 유압 액츄에이터 작동지연과 같이 대형 작업기계의 구체적인 운영특성까지 반영할 수 있는 자율주행 제어알고리즘 시험기법을 개발하여, 더욱 현실적인 주행 테스트를 진행할 수 있게 됐다.

VR 기반 무인 작업기계 영상 및 3D 기반 관제

한국기계연구원이 개발한 ‘VR 기반 무인 작업기계 가상시험 및 관제기술’을 이용한 원거리 영상 관제 장면(왼쪽)과 트랙터의 작업 완수 여부를 3D 프로그램으로 확인하는 장면(오른쪽). 기계연이 개발한 ‘VR 기반 무인 작업기계 가상시험 및 관제기술’을 이용하면 작업자가 화면 앞에 앉아 관제하는 대로 기계가 야외 환경에서 정확하게 작동하는지 테스트할 수 있다.

또한, 실제 운영 중인 무인화 작업기계와 연동하여, 장거리 카메라 영상을 이용한 원격조작과 모바일기기를 이용한 차량 통제도 가능하다. 

이를 이용하면 스마트 팜이나 스마트 건설 분야처럼 여러 대의 작업기계가 동시에 작업을 할 때도 중앙에서 효율적으로 관제할 수 있다. 그뿐만 아니라 실제 무인 작업 차량의 센서 데이터를 동기화하여 3D 기반으로 작업의 모든 과정을 실시간 모니터링할 수도 있다.

가상시험결과를 활용한 실차 시험 및 몰입형 관제 시스템

한국기계연구원의 ‘VR 기반 무인 작업기계 가상시험 및 관제기술’을 이용하여 무인 트랙터가 실제 환경에서 작업하는 모습(왼쪽)과 HMD(Head mounted Display·머리 착용 디스플레이)를 착용하고 원격으로 주행하는 모습(오른쪽). 기계연이 개발한 ‘VR 기반 무인 작업기계 가상시험 및 관제기술’을 이용하면 가상시험으로 개발한 알고리즘대로 무인 작업을 진행할 수 있고, 작업 결과도 실시간으로 확인할 수 있어 효과적인 통합 관제가 가능하다.

아울러 이번 기술은 오픈소스를 활용한 순수 국내기술로 개발됐다. 농업용 트랙터뿐 아니라 다양한 산업용 작업기계의 무인화 운용개발에도 기여할 것으로 기대하고 있다. 이와 함께 해당 기술을 이전받은 LS엠트론은 향후 자율주행 중대형 트랙터 개발 및 스마트 팜 서비스화 기술개발 등에 이를 활용할 계획이다.

차무현 책임연구원은 “산업용 작업기계의 무인화 수요와 더불어, 상용화를 위한 안전/신뢰성 요구사항도 점차 증대되고 있는 상황”이라며, “현장 필드시험보다 훨씬 다양하고 복잡한 시나리오의 사전시험이 가능한 데다 데이터 축척도 할 수 있어 무인화 제품개발 및 시험에 필요한 시간과 비용을 효과적으로 절감할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기계연 주요사업 ‘산업용 모바일 작업기계 자율화 기반기술개발’ 과제의 일환으로 수행되었으며, 해당 기술과 관련하여 한국 CDE(Computational Design and Engineering) 학회에서 주최하는 2020년 디지털 트랜스포메이션 경진대회에서 과학기술정보통신부 장관상(대상)을 수상한 바 있다.

한국기계연구원 기계시스템안전연구본부 스마트산업기계연구실(실장 이한민 책임연구원, 042-868-7812 / hmlee@kimm.re.kr)은 4차산업혁명 기술을 산업기계 분야 전반에 적용하기 위한 다양한 연구를 수행하고 있다.

농업용 작업기계 뿐만 아니라, 굴착기, 크레인 등의 건설기계, 국방용 특수임무 장비, 육상-공중 협력 무인 차량을 비롯한 다양한 종류의 오프로드 산업기계를 대상으로 무인화, 자율화에 대한 핵심기술을 개발하고 있으며, 최근 ▲ 인공지능 안전기능 및 운전자 편의 기능을 가진 고신뢰성 250톤급 전지형 크레인 개발(산업부, 2018-2022), ▲ 육해공 자율협력 임무 수행을 위한 험지 주행 지상 무인 이동체 시스템 개발(과기부, 2020-2027), ▲ 육공 분리 합체형 도심 환경 자율배송용 육상 무인 이동체 개발(과기부, 2020-2027), ▲활주로 제설 장비의 무인화 기술개발 (방사청, 2019-2022) 등 무인 자율기계기술과 관련한 다양한 연구를 수행하고 있다.

문의: 한국기계연구원 기계시스템안전연구본부 스마트산업기계연구실

차무현 책임연구원 042-868-7927 / mhcha@kimm.re.kr