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한웅철,김학진,전찬우,김정훈 한국농업기계학회 2019 바이오시스템공학 Vol.44 No.4
This article reports a simulation study conducted using a three-dimensional tractor-driving simulator to develop an implement control algorithm and evaluate the tillage coverage and field efficiencies of a virtual autonomous tractor following paths generated based on different headland turning methods. To minimize the no-tilled or unnecessarily tilled areas that occurred in our previous study, a tillage implement control algorithm was designed by enabling the raising or lowering of a three-point hitch with appropriate delay times. The effects of headland turning methods, i.e., X-shaped, R-shaped, and C-shaped turns, on path tracking and full-path simulation of autonomous tillage operations were studied. The results of the simulation studies were evaluated in terms of tracking error, skipped area, and field efficiency. The developed implement control algorithm effectively reduced both no-tilled and unnecessarily tilled areas in comparison with those obtained without the implement control algorithm. The magnitudes of changes in no-tilled and unnecessarily tilled areas were from 4.5 to 0.4 m2 and from 4.6 to 0.3 m2 , respectively. In a study in which an autonomous tractor followed a desired path in a virtual field of 100 m × 40 m at a constant traveling speed of 4 km h−1 designed to investigate the influence of the three different headland turning methods, the simulator allowed a quantifiable comparison of tillage operation performance for the various headland turns by showing lateral deviations < 9 cm, heading angle errors < 16°, ratios of skipped area < 2%, and field efficiencies ranging from 81.3 to 86.6%. Full-path simulation tests of the autonomous tillage operation conducted in virtual rectangular fields with a length of 100 m and various widths showed that field efficiency was inversely proportional to the field width. The use of the 3D tractor-driving simulator was effective for designing tillage implement control algorithms and studying the effects of headland turning methods on path tracking. These results are applicable to the development of path generation and tracking algorithms suitable for autonomous tillage operations
자율경운 트랙터를 위한 다변형 포장 자동 경로생성 기술 연구
한웅철 ( Xiongzhe Han ),전찬우 ( Chan-woo Jeon ),김학진 ( Hak-jin Kim ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2
농지의 경로 계획은 농작업의 질을 향상이 가능하며 현장 운영 생산 에너지 소비도 절감이 가능하다. 자율주행 트랙터는 복잡한 형상 조건을 갖는 포장에서는 그에 대응하는 올바른 주행 경로계획이 주어질 때에만 그 적용이 가능하다. 선행 연구에서는 직사각형 형태의 농지에 적합한 주행과 선회방식을 포함한 경로생성 알고리즘 개발을 활발히 진행되었으나 다변형 형태와 같은 다른 구획형태에 따른 농작업 최적 경로에 대한 연구는 미비한 상태이다 본 연구에서는 다변형 형태의 포장에 적합한 경로생성과 탐색 알고리즘 개발을 위하여 포장 외부 경계선, 유효 작업 폭, 작업 겹침 량, 주행 방향 (0~180도) 및 회경작업부(Headland)에서 회경 횟수 입력 정보를 이용하는 다변형 포장 경로생성 알고리즘을 개발하고자 하였다. 이를 위해 포장 외부 경계 정보는 포장의 꼭짓점을 UTM(Universal Transverse Mercator) 좌표로 변환한 다변형태 정보를 포함하는 Text 파일형태로 저장하고 포장 내부 경계정보는 회경작업부에서 결정된 회경 횟수를 이용 생성하는 방식으로 개발하였다. 회경 횟수는 2~3 회로 가정하였으며 첫 번째 회경 경로과 포장 외부경로선간의 거리는 유효 작업 폭 절반 (w/2)로 유지 생성하고 나머지 회경 경로는 유효 작업 폭(w) 만큼의 거리를 유지하여 순차적으로 생성하는 방식이다. 복잡한 다변형 포장형태 내에서 미경지 작업 영역이 발생 방지를 위하여, MBB(Minimum Bounding Box) 원리 기반으로 왕복 직진작업 경로를 생성하였으며 사용자가 설정된 주행 방향 혹은 최적화 기법을 적용해 도출된 주행방향을 이용 MBB 내에서 평행선 생성 후 각 평행선과 포장 내부 경계선이 교차된 두 점을 트랙터 직진 주행의 작업 시작점과 종료점으로 도출하였다. 트랙터의 중복작업 영역과 회전 미 작업거리는 적합한 주행 방향에 따라 결정하였으며 내부 왕복작업부에 직진 경로와 포장경계선 방향이 수직방향 관계이면 중복작업 영역과 회전 미 작업 시간이 가장 작으며 수직 방향 관계가 아닌경우는 교차 각도 (θ=θ<sub>경로</sub>-θ<sub>포장</sub>)를 이용 회경작업부에서 회전을 위한 미 작업 영역 경로를 생성하였다. 또한, 다변형 포장에서 트랙터가 최적화 작업 방향으로 주행 시 회경 작업부에서 최소작업 시간을 소모하기 때문에 작업 효율을 개선하기 위해 일정한 주행 속도 (v)로 가정하였으며 X, R형 2가지 선회 형태에 따른 작업 소모 시간을 최적화 하고자 필드 분해법으로 이용 Convex형태의 다변형 포장 뿐만 아닌 non convex 형태에서 전역경로를 생성하였다.