중장비가 선도하는 자율주행: 이미 현실이 된 자율주행 기술

채굴, 농업 분야에서 자율주행 기술 이미 정착

자동차 업계의 현재 최대 초점은 자율주행차입니다. 기존 완성차 업체뿐만 아니라 애플, 알파벳의 구글 같은 기술 기업들도 인간 운전자를 보조하거나 스스로 주행하는 승용차와 경트럭 개발에 매진하고 있습니다.

하지만 중장비 제조사들은 이미 이를 달성했습니다. 캐터필러(일리노이주 피오리아)는 카네기 멜론 국립 로봇 공학 센터(피츠버그)의 도움으로 채굴 및 기타 용도의 자율주행 트럭을 판매하고 있습니다. 디어앤컴퍼니의 존 디어(일리노이주 몰린)는 자율주행 차량의 초기 개발자였으며, 이 경우 트랙터와 기타 농업 차량이었습니다. 수년간 NASA의 도움도 받았습니다.

이러한 제품의 촉매제는 비용 절감과 생산성 증대 필요성이었습니다. 예를 들어 자율주행 채굴 트럭은 운전자가 없기 때문에 더 오래 작동합니다. 자율주행 트랙터는 씨앗을 심고 비료를 더 정밀하게 살포해 중복을 줄이거나 없애 비용을 절약합니다.

이러한 차량들은 광산과 농장의 지정된 오프하이웨이 노선을 주행합니다. 이는 자동차가 개방된 도로에서 자율 주행하는 것보다 단순합니다.

"농업 및 채굴 차량 애플리케이션은 여전히 매우 복잡하지만 확실히 더 제약된 환경입니다."라고 카네기 멜론 로봇 공학 연구소의 일부인 국립 로봇 공학 센터 소장 허먼 허먼은 말했습니다. 이 센터는 캐터필러와 디어 모두와 협력해왔습니다.

최근 기술 발전이 오프하이웨이 자율주행 차량의 지속적 개발을 가속화했다고 허먼은 말했습니다.

"하드웨어 측면에서 더 유능할 뿐만 아니라 비용도 낮아진 많은 새로운 센서가 등장해 완전히 새로운 애플리케이션 세트를 가능하게 했습니다."라고 그는 이메일 인터뷰에서 말했습니다. "소프트웨어 측면에서도 AI(인공지능) 알고리즘의 많은 발전이 훨씬 더 나은 역량을 가능하게 했습니다."

더구나 허먼은 "더 많은 로봇을 설계하고 구축하면서 자율주행 트럭 같은 자율 시스템 구축에 필요한 시스템 엔지니어링 관점에 대한 이해가 훨씬 좋아졌습니다."라고 말했습니다.

채굴 작업 자동화

자율주행 중장비는 25년 이상 전으로 거슬러 올라갑니다. 캐터필러와 카네기 멜론은 1980년대부터 지표 채굴 장비 자동화 방법을 연구하기 시작했습니다.

1990년대 후반, 두 파트너는 자동 트럭 적재를 위한 로봇 굴착기 공동 연구를 진행했습니다. 이 시스템은 스캐닝 레인지 파인더를 사용해 적재할 트럭을 인식하고 작업 구역의 장애물을 감지했습니다.

"전문 인간 운영자 속도로 연질 재료를 트럭에 적재할 수 있는 굴착기용 자율 적재 시스템을 시연했습니다."라고 로봇 공학 연구소는 1998년 발표한 기술 논문에서 밝혔습니다. "시스템은 센서로 감지된 토양 침하에 따라 굴착과 덤핑 계획을 모두 수정합니다." 허먼은 이 프로젝트 팀의 일원이었습니다.

2000년대에는 카네기 멜론과 캐터필러가 DARPA(국방고등연구계획국) 자율주행차 대회에서 협력했습니다. 이후 자율 운반 솔루션(AHS), 즉 캣 793F 같은 자율주행 채굴 트럭 개발에 협력했습니다.

캐터필러는 2011년 테스트와 검증을 위해 3대의 자율주행 채굴 트럭으로 시작했다고 중장비 제조사가 제공한 배경 자료에서 밝혔습니다. 2년 후 6대를 상용 배치했습니다. 올해 말까지 3개 대륙에서 100대 이상의 이런 트럭이 운영될 것으로 예상됩니다.

이 트럭에는 인간 운영자가 없습니다. 설계된 노선이 있지만 할당된 목적지에 도달하기 위해 대체 노선을 선택할 수 있습니다. 원격 채굴 현장에 배치되며 인간 감독관이 운영하는 중앙 제어 시스템이 감독합니다. 센서와 관련 기술로 트럭은 다른 차량과 채굴 인력을 피합니다. 물체나 차량이 길을 막으면 정지합니다. 또한 진단 데이터를 제공하고 수리가 필요하면 제어 센터에 알립니다.

캐터필러는 카네기 멜론 로봇 센터와 "활발히 협력" 중이라고 조 포캐시, 회사 피츠버그 자동화 센터 엔지니어링 슈퍼바이저는 이메일에서 밝혔습니다.

"이 솔루션에는 많은 복잡성과 기술이 들어갑니다."라고 허먼은 말했습니다.

농장에서

농장에도 트랙터와 콤바인 같은 자율주행 차량이 있습니다. 존 디어의 차량은 완전 자율주행이 아닙니다. 운영자가 여전히 탑승합니다. 첫 곡선 열을 운전해 트랙터 가이드 시스템에 가르칩니다. 그 후 시스템이 대부분 운전을 수행하고 운영자는 핸들에서 손을 뗄 수 있습니다.

디어는 자율주행 기술을 고객이 비용을 줄이고 장비를 더 오래 가동하는 방법으로 보았습니다.

"고속도로에서 타이어를 흰 선 위에 유지해야 한다고 상상해보세요."라고 존 디어 통합 솔루션 선진 엔지니어링 매니저 테리 피켓은 말했습니다. "흰 선을 벗어날 때마다 3달러가 든다면 당신은 거의 눈이 튀어나올 것입니다.

"1996년에 본격적인 길을 걷기 시작했습니다."라고 피켓은 계속했습니다. "스탠퍼드 대학과 GPS 기반 가이드 연구를 했습니다." 1990년대 후반, 회사는 스탠퍼드와 첨단 GPS 기반 가이드 시스템뿐만 아니라 견고성과 비용 효율성을 위해 설계된 디어 시스템을 위해 긴밀히 협력했습니다. "그 시점에 현장 작업을 위해 얼마나 정확해야 할지 결정하려 했습니다."라고 피켓은 말했습니다.

2000년대 초반, 디어는 첫 오토트랙 시스템을 출시했습니다. 당시 목표는 40cm 이내 정확도였고 "우리는 25cm를 달성했습니다."라고 피켓은 말했습니다.

이 시기에 디어는 NASA 제트 추진 연구소와 GPS 수신기 협약을 맺었습니다.

2004년, 디어는 스타파이어 GPS 수신기를 수정해 NASA의 지상국 네트워크에 접속하고 GPS 신호 보정을 위한 NASA 소프트웨어를 사용할 수 있게 했습니다. 디어가 자체 시스템을 개발한 후 2015년 NASA와의 라이선스는 종료되었습니다.

NASA 협약은 "우리를 3-4년 일찍 시장에 진입하게 했습니다."라고 피켓은 말했습니다. "자체 시스템 개발하면서 더 집중적이고 깊은 사고 프로세스를 할 수 있게 했습니다."

"25cm 정확도 시스템에서 7-8cm 시스템으로, 지금은 3cm 정확도까지 왔습니다."라고 그는 말했습니다.

운영자 지원 외에도 디어 시스템은 경작, 파종, 비료 살포를 위한 작업기 가이드를 돕습니다. 디어 시스템은 트랙터와 작업기가 동일한 정밀 경로를 따르도록 돕습니다. 예를 들어 트랙터가 곡물 카트를 끌어 콤바인에서 곡물을 적재할 올바른 위치로 이동할 수 있습니다.

디어는 완전 자율주행 농업 차량 프로토타입을 만들었지만 곧 배치될 것으로 기대하지 않는다고 피켓은 말했습니다. "기술 자체가 문제가 아닙니다. 전체 작업을 어떻게 수행하느냐가 문제입니다."

자율주행 프로토타입

다른 기업들도 완전 자율주행 트랙터를 연구 중입니다. CNH 인더스트리얼(런던)은 케이스와 뉴홀랜드 브랜드로 농업 장비를 판매하며, 오토노머스 솔루션스(유타주 로건)와 함께 2016년 아이오와주 분에서 열린 팜 프로그레스 쇼에서 두 프로토타입을 공개했습니다.

"현재 농기계는 무인 운행이 불가능합니다."라고 CNH의 기술 파트너인 오토노머스 솔루션스 마케팅 디렉터 맷 닐슨은 말했습니다. "회전을 돕는 기술은 있지만 진정한 무인은 없습니다."

동시에 "그게 방향입니다."라고 그는 말했습니다. "이 기술에 흥분하기 쉽습니다. 엄청난 도약입니다. 하지만 아직 할 일이 훨씬 많습니다."

프로토타입에는 카메라, 레이더, 라이더가 장착되어 있습니다. 라이더는 레이저로 물체를 감지합니다. "그게 차량의 눈이 됩니다."라고 닐슨은 말했습니다. 운영자는 노트북이나 태블릿으로 경로를 프로그래밍하고 차량을 모니터링할 수 있습니다. "스마트폰 기능은 아직 없습니다. 미래에 추가될 것입니다."라고 그는 말했습니다.

자율주행 트랙터 프로토타입 기술은 자율주행차 개발 작업으로 센서 비용이 낮아진 혜택을 받았다고 닐슨은 말했습니다.

"GM, 포드, 구글 같은 기업들에 매우 감사합니다."라고 그는 말했습니다. "기술에 쏟아부은 막대한 자금이 확실히 우리를 도왔습니다."

완전 자율주행 트랙터가 상용 배치될 시기는 알려지지 않았습니다. 자율주행차와 마찬가지로 법적 책임 문제 해결이 필요할 것입니다. 비용 문제도 있습니다.

"초기 단계 기술은 매우 비쌉니다."라고 그는 말했습니다. "초기 도입자는 대규모 농장이 될 것입니다."

자체 주차 세미 트럭

자율주행 중장비의 또 다른 영역은 고속도로 바로 밖, 적재 도크와 기타 시설입니다.

이튼 코퍼레이션(아일랜드 더블린)은 전력 관리 회사로 대형 상용 트럭용 자체 주차 장치를 개발 중입니다. 회사는 이를 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)이라고 부릅니다.

ADAS에는 두 가지 형태가 있습니다. 도크 어시스트는 운전자가 트럭을 적재 도크에 최대한 가깝게 후진시킵니다. 운전자가 서비스 브레이크를 작동해 드라이브 상태에서 차량을 정지시킵니다. 장치의 스위치를 켜면 트럭이 천천히 후진합니다. 도크 어시스트가 변속기 제어를 작동시킵니다.

변속기는 도크에 밀리면서 가해지는 토크를 기반으로 도크를 감지합니다. 트럭이 정지하고 주차됩니다. 도크 어시스트는 '레벨 2' 시스템으로 운전석에 사람이 없으면 작동할 수 없습니다.

자율 자체 도킹은 더 정교합니다. GPS가 포함되며 트럭이 주차할 도크를 찾습니다. 시스템이 변속기에 명령을 보내 속도를 조정하고 클러치를 작동시킵니다. 시스템이 운전자 손대지 않고 핸들을 제어합니다.

"확실한 출시일은 없습니다."라고 이튼 상용 파워트레인 그룹 글로벌 제품 전략 매니저 크리스 닐슨은 말했습니다. "몇 년 내에 트럭 도킹을 돕는 우리 기술을 보게 될 것이라고 말하는 것은 안전합니다."

개발을 이끄는 것은 비용입니다. 트럭은 도킹 사고로 종종 손상됩니다. "클러치, 인프라, 트레일러에 손상을 줄 수 있습니다."라고 그는 말했습니다. 또한 "업계 전반의 가장 큰 과제 중 하나는 운전자입니다. 큰 부족이 있습니다.

"3-4년 동안 이걸 가지고 놀며 현재 상태를 개발했습니다."라고 닐슨은 계속했습니다. "업계가 따라잡기를 조금 기다렸습니다. 관심 급증으로 우리 노력을 본격화하고 있습니다."

산업 현장에서 자율주행하는 것은 중장비만이 아닙니다. 시그리드(펜실베이니아주 코라오폴리스)는 적재와 하역용 GP8 시리즈 6 자율주행 팔레트 트럭을 출시합니다. 지게차 크기이며 5세트 비디오 카메라를 사용합니다.

카네기 멜론의 허먼 허먼은 오프하이웨이 환경에서 자율주행 시스템이 속도를 낼 것으로 기대합니다.

"소비자/공공 용도로 널리 퍼지기 전에 많은 산업 애플리케이션에서 자율주행 기술 채택이 가속화될 것으로 기대합니다."라고 그는 말했습니다. "다른 산업에도 유사한 솔루션을 개발하고 싶습니다."