발간등록번호

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농림축산식품부장관귀하 본보고서를 농작물생산효율극대화를위한군집원격제어기술기반스마트농업용 멀티드론시스템개발 ( 개발기간 :2015. 12. ~ 2017. 12.) 과제의최종보고서로제출 합니다. 2018. 3. 15. 주관연구기관명 : 전남대학교산학협력단 ( 대표자 ) 송진규 ( 인 ) 협동연구기관명 : 한국교통대학교산학협력단 ( 대표자 ) 백종배 ( 인 ) 참여기관명 : 진테크놀로지 ( 대표자 ) 김진영 ( 인 ) 주관연구책임자 : 손형일 협동연구책임자 : 정성엽 참여기관책임자 : 김진영 국가연구개발사업의관리등에관한규정제 18 조에따라보고서열람에동의 합니다.

보고서요약서 과제고유번호 115062-2 해당단계 연구기간 2016.12.18.~ 2017.12.17 단계구분 (2)/ (2) 단위사업 농식품기술개발사업 연구사업명 사업명 첨단생산기술개발사업 대과제명 ( 해당없음 ) 연구과제명 세부과제명 농작물생산효율극대화를위한군집원격제어기술기반스마트 농업용멀티드론시스템개발 해당단계 참여 연구원수 총 : 13 명 내부 : 13 명 외부 : 0 명 해당단계 연구개발비 정부 :100,000 천원 민간 : 33,334 천원 계 :133,334 천원 연구책임자 손형일 총연구기간 총 : 17 명 정부 :200,000 천원 참여 내부 : 17 명 총연구개발비 민간 :66,668 천원 연구원수 외부 : 0 명 계 :266,668 천원 연구기관명및 소속부서명 전남대학교산학협력단 한국교통대학교산학협력단 참여기업명 진테크놀로지 위탁연구 연구기관명 : 연구책임자 : 보고서면수 108-2 -

연구의 목적및내용 코드번호 D-01 연구목적 농업분야에서드론을활용하고자하는노력이계속되고있으나기존무인항공기대비낮은가반하중, 짧은체공시간등의문제점으로인한제약이있음 본연구과제에서는다수의드론을활용하여농업용멀티드론시스템을개발하는것을목표로함 연구내용 농업용멀티드론시스템을위한군집원격제어기술개발 멀티모달시스템을통한드론시스템의안정성향상기술개발 멀티드론제어를위한작업자인터페이스기술개발 멀티드론제어를위한작업자조작편의성향상기술개발 연구개발성과 정성적성과 Distance-based formation control 등을이용한멀티드론군집제어및속도원격제어기술및드론자동 / 원격제어가변제어알고리즘개발완료 Passivity 이론을이용한시스템안정성향상기술개발완료 스마트농업용멀티드론시스템의조작방법분석을통한 GUI & PUI 개발및다중영상기반작업자조작편의성향상기술개발완료 정량적성과 ( 사업화지표 ) 특허출원 3건 ( 연구기반지표 ) SCI급 3편, 비SCI급 6편게재, 학술발표 8건 ( 인력양성 ) 석사 2명, 학사 1명양성 ( 수상 ) 우수논문발표상 1건 연구개발성과의활용계획 ( 기대효과 ) 멀티드론의군집원격제어등의드론관련 HW & SW 기술, 멀티드론의자동운항및충돌회피제어, 스마트기기연동등의다양한편의옵션을통한스마트농업용드론제품을출시하고판매다각화 개발된연구성과를방제등의주요작업에적용할경우적기에최소방제를통한환경보호등농작업효율을극대화하고, 농업인건강보호등안전사고를사전에방지할수있는스마트농업환경의구축을기대할수있음 중심어 (5 개이내 ) 정밀농업 방제 스마트멀티 드론시스템 군집제어 작업자중심 인터페이스 - 3 -

Purpose& Contents Results 코드번호 D-02 Purpose Efforts to utilize drones in agriculture are continuing, but there are limitations due to problems such as low payload and short flight time compared to conventional unmanned aerial vehicles. In order to solve this problem, this research aims to develop a multidrone system for agriculture. Contents Remote swarm control for an agricultural multi-drone system Improvement in stability of a multi-drone system using multi-modal interfaces User interface for a multi-drone system Improvement in usability for a multi-drone system Results Remote swarm control using bearing-formation control method Remote velocity control and switching algorithm for automonous and remote-control mode System stability enhancement using passivity theory Ground control station based on GUI and PUI for a multi-drone system Expected Contribution KPI(key performance index) Results Patent applications: 3 files Paper publications: SCI-3 papers, nonsci-6 papers, conference: 8 papers Master s degree student: 2, Bachelor s degree student: 1 Best Conference Paper Presentation Award: 1 A smart agricultural drone system is expected to be launched and sold through various H/W and S/W options such as remote swarm control for multiple drones, ground control station, automatic navigation and collision avoidance of multiple drones, and applications on smart devices. The proposed system will contribute to precision agriculture through optimal pest control, advance prevention for safety problem of farmers, improvement of farmers health, and building of smart agricultural environment Keywords precision agriculture pest control smart multi-drone system swarm control user-friendly interface - 4 -

1. Summary 8 2. Important and state of domestic and foreign technologies 24 3. Research contents and results 29 4. Objective achievement and contribution of related area 59 5. Research results and application of research results 86 6. Foreign technologies collected during research project 91 7. Security Level of Research results 97 8. The present state of Research equipment in National Science and Technology Information System 98 9. Laboratory safety management implementation Performance 99 10. Typical research results 102 11. Other matters 103 12. Reference 104 <Attached> Opinion on Self-evaluation - 5 -

1. 연구개발과제의개요 8 1-1. 연구개발의목적 8 1-2. 연구개발의필요성 8 1-3. 연구개발범위 8 2. 국내외기술개발현황 24 3. 연구수행내용및결과 29 3-1. 연구개발추진전략및방법 29 3-2. 연구개발추진체계 29 3-3. 연구개발추진일정 31 3-4. 연구개발수행내용및연구결과 32 3-5. 연구개발성과 32 4. 목표달성도및관련분야에의기여도 59 4-1. 목표달성도 59 4-2. 관련분야기여도 72 4-3. 드론의위치오차에대한정량적평가결과 73 5. 연구결과의활용계획등 86 5-1. 핵심기술별인구결과활용계획및기대효과 86 5-2. 개발된멀티드론시스템기술과농업분야와의상관관계 86 5-3. 연구결과실용화계획 88 5-4. 연구개발제품에대한활용성을높이기위한법적또는환경적조건제안 88 6. 연구과정에서수집한해외과학기술정보 91 7. 연구개발결과의보안등급 97 8. 국가과학기술종합정보시스템에등록한연구시설 장비현황 98 9. 연구개발과제수행에따른연구실등의안전조치이행실적 99 10. 연구개발과제의대표적연구실적 102 11. 기타사항 103 12. 참고문헌 104 < 별첨 > 자체평가의견서 - 6 -

주의 1. 이보고서는농림축산식품부에서시행한첨단생산기술개발사업의연구보고서입니다. 2. 이보고서내용을발표하는때에는반드시농림축산식품부에서시행한첨단생산기술개발 사업의연구결과임을밝혀야합니다. 3. 국가과학기술기밀유지에필요한내용은대외적으로발표또는공개하여서는아니됩니다. - 7 -

1. 연구개발과제의개요 코드번호 D-03-8 -

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본 과제에서는 다음의 3계층 제어구조를 가지는 군집원격제어 및 협조제어 알고리즘을 제안하고 이를 심화 연구하고자 한다. 3계층 제어구조는 그림 5에 나타내었다. UAV 제어 계층: 각 무인로봇은 가상의 kinematic VP (virtual point)의 이상적인 경로 를 추종하도록 제어한다. 그리고 번째 UAV의 Cartesian 좌표는 으로 나타낸다. VP 제어 계층: 각 VP의 모션은 원격제어명령과 군집제어명령에 따라 제어된다. 따라 서 각 UAV의 번째 VP, 의 운동은 다음 수식에 의해 결정된다. 돌 는 작업자로부터의 원격제어명령이다. 여기서, 는 VP (1) 애 돌 사이의 충 방지제어, 는 장 물과의 충 방지제어, 그림 5. 3계층 군집원격제어 구조 원격제어 계층: 작업자는 식 (2)로 모델링되는 햅틱 인터페이스를 사용하여 VP의 속도 를 제어함과 동시에 UAV의 상태정보를 햅틱 피드백 받는다. - 13 - (2)

(3) (4) (5) - 14 -

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cos (6) - 16 -

max (7) (8) - 17 -

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코드번호 D-03-23 -

2. 국내외기술개발현황 코드번호 D-04-24 -

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3. 연구수행내용및결과 코드번호 D-05 Ÿ Ÿ Ÿ - 29 -

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코드번호 D-05-31 -

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코드번호 D-05 카메라 조이스틱 드론 상태 기능 내용 3DR SOL O Parr ot sky Input DJI PHA NT OM3 Pro DJI INS PIE R1 PUI 3DR SOL O Parr ot sky Output DJI PHA NT OM3 Pro 짐벌각도조절1 상하 O O O 짐벌각도조절2 좌우 O O 카메라조절 ( 짐벌 x) 카메라앵글이동 O 촬영버튼 사진촬영버튼 O O O O 동영상녹화버튼 동영상녹화버튼 O O O 조이스틱1 상승하강 O O O O 조이스틱2 전진후진 O O O O 조이스틱3 좌회전 / 우회전 O O O O 조이스틱4 좌측 / 우측수평이동 O O O O 리턴홈버튼 비행시작점이동 O O O O 비상버튼 비상버튼, 호버링 O O take off/ landing 비행모드버튼 모드 O O (P= 위치,A= 자세,F= 기능 ) 사용자지정모드 사용자지정 x2 모드 O O 외부포트1 HDMI O O O 외부포트2 USB, micro USB O O O 기체배터리 O O controller 배터리 O O O O controller와통신상태 와이파이 O O 고도 O GPS O 고도 거리 가속도 속도 조종기와기체사이높이 map O DJI INS PIE R1 GUI 기능 내용 짐벌각도조절 1 상하 3DR SOLO Input Parro t sky DJI GO 3DR SOLO Output Parro t sky DJI GO 카메라 짐벌각도조절 2 좌우 카메라조절 ( 짐벌 x) 카메라앵글이동 O 촬영버튼사진촬영버튼 O O O 동영상녹화버튼동영상녹화버튼 O O O 조이스틱 1 상승하강 O 조이스틱 조이스틱 2 전진후진 O 조이스틱 3 좌회전 / 우회전 O 조이스틱 4 좌측 / 우측수평이동 O 드론리턴홈버튼비행시작점이동 O - 41 -

상태 비상버튼 비상버튼, 호버링 take off/ landing O O 모드 비행모드버튼 (P= 위치,A= 자세,F= 기능 ) 사용자지정모드 사용자지정 x2 모드 외부포트1 HDMI 외부포트2 USB, micro USB 기체배터리 O controller 배터리 O O controller와통신상태 O O 와이파이 O O 고도 O O GPS O 고도 O O 거리 O 가속도 O 속도 O O 조종기와기체사이높이 O O map O O - 42 -

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User Interface 기능 내용 GUI PUI Input Output Input Output 각도조절카메라짐벌조절 O zoom in/out O 카메라 카메라기체선택 O O 촬영버튼 O 동영상녹화버튼동영상녹화버튼 O 카메라영상 O 조이스틱 1 상승하강 O 조이스틱 조이스틱2 전진후진 O 조이스틱3 좌회전 / 우회전 O 조이스틱 4 좌측 / 우측수평이동 O 리턴홈버튼비행시작점이동 O 비상버튼비상버튼, 호버링 O Muti drone 드론 모드 O O 기체선택버튼 O 기체시동버튼 O ALL/ one O 포메이션변경 O O O take off O 상태 각각의기체배터리 O 각각의 controller 배터리 O O 지도 O 각각의드론번호 O O 각각의와이파이 O 각각의고도 O 각각의 GPS O - 44 -

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코드번호 D-05-47 -

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코드번호 D-05-56 -

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코드번호 D-05-58 -

4. 목표달성도및관련분야기여도 코드번호 D-06 Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ - 59 -

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- 실제 시연 장면 (1) 단일 드론 자동제어를 통한 농경지 예찰 시나리오 그림 50. 농경지 예찰 시연 장면 : 실험 케이스 1 (2) 멀티 드론 자동제어를 통한 농경지 예찰 시나리오 그림 51. 농경지 예찰 시연 장면 : 실험 케이스 2-65 -

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코드번호 D-06-67 -

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5. 연구결과의활용계획 코드번호 D-07-86 -

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6. 연구과정에서수집한해외과학기술정보 - 91 -

코드번호 D-08-92 -

코드번호 D-08 Reference Objective Task UAV Control Sensors Crop D. Campbell et al. (2017) R. Jannoura et al. (2015) M. P. Christiansen et al. (2017) B. S. Faical et al. (2017) J. Torres-Sanchez et al. (2013) To describe a modular and generic system that is able to control the UAV using computer vision Evaluation of crop biomass using true colour aerial photographs Designing and testing a UAV mapping system for agricultural field surveying To propose a computer-based system that able to adapt the UAV control rules To describes the specifications and configurations of a UAV for site-specific weed management Remote Sensing Monitoring Mapping Spraying Remote Sensing Singe Quadcopter type drone Single Hexacopter type drone Single Quadcopter type drone Single Helicopter type drone Signle Quadcopter type drone Ground Control Station (Auto) Remote Control (Teleoperation) Ground Control Station (Auto) Ground Control Station (Auto) Ground Control Station (Auto) RGB camera, Ultrasonic, Spraying system RGB digital camera Color camera, LiDAR Spraying control system Point-and-shoot camera, Multispectral camera Weed Pea, Oat Wheat Field Sunflower P. J. Zarco-Tejada et al. (2013) Development of methods for leaf carotenoid content estimation, using an UAV Remote Sensing Single Fixed-wing type drone Ground Control Station (Auto) Multi-spectral / Hyper-spectral camera Vineyard D. Doering et al. (2014) H. Xiang et al. (2011) Development of an autonomous system to perform inspections for agriculture based on the use of multiple UAVs Development of an automatic aerial image georeferencing method for an UAV platform Monitoring Remote Sensing Multiple Quadcoptor type drone Single Helicopter type drone Ground Control Station (Auto) Onboard navigation system (Auto) RGB camera Multi-spectral camera Field Field - 93 -

코드번호 D-08 Reference Objective Task UAV Control Sensors Crop Practical experimentation with Area Coverage Multiple A. Barrientos et Ground Control IMU, pressure an integrated tool to create a and Path Quadcoptor type al. (2011) Station (Auto) sensor, GPS full map using multiple UAVs Planning drone Vineyard To propose a model to Single J. A. Arroyo et Ground Control Multi-spectral estimate Nitrogen nutrition Remote Sensing Quadcoptor type al. (2017) Station (Auto) camera level in crops drone Corn 그림 64. 해외농업용드론관련연구들 - 94 -

코드번호 D-08-95 -

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7. 연구개발결과의보안등급 코드번호 D-09-97 -

8. 국가과학기술종합정보시스템에등록한연구시설 장비현황 코드번호 D-10 구입기관연구시설 / 연구장비명 규격 ( 모델명 ) 수량 구입연월일 구입가격 ( 천원 ) 구입처 ( 전화번호 ) 비고 ( 설치장소 ) NTIS 장비 등록번호 - 98 -

9. 연구개발과제수행에따른연구실등의안전조치이행실적 안전관리추진내용 1. 연구활동종사자안전교육 2. 연구실정기안전점검실시 3. 연구실정밀안전진단실시 4. 연구실정기안전점검및정밀안전진단결과에대한개선 5. 연구실안전장비조사및공급 ( 교육부사업 ) 6. 연구실안전문화확산을위한사업등 항목적용범위시행기관비고 연구실정기안전점검 ( 년 1 회이상 ) 연구실정밀안전진단 (2 년 1 회이상 ) 연구실실내공기질관리 ( 매년실시 ) 연구실종사자에대한안전교육 ( 매학기별 6 시간이상 ) 연구종사자건강검진 ( 매년실시 ) 연구활동종사자안전공제 ( 매년실시 ) - 과학기술분야모든연구실전남대학교 - 유해물질및유해인자취급연구실 - 정기점검결과추가점검이필요한연구실 - 측정및분석 - 유해화학물질사용, 유해인자보유, 정밀진단결과 4 등급연구실 전남대학교 전남대학교 - 과학기술분야모든연구활동종사자전남대학교 - 과학기술분야연구활동종사자전남대학교 - 과학기술분야연구활동종사자전남대학교 구분 성명 비고 용봉캠퍼스 윤찬, 이안승 학동캠퍼스 여수캠퍼스 송주현, 엄기용 김흥식, 염세원 - 99 -

구분 안전점검시행시기 대상연구실 비고 정기점검 월광주캠퍼스해당연구실 월여수캠퍼스해당연구실 정밀진단 월광주캠퍼스해당연구실 월여수캠퍼스해당연구실 교육과정 공통과정 A 과정 B과정 C과정 A,B,C 공통과정 분류기준 - 연구실안전및안전일반과정 : 연구실안전및일반적위험성, 연구실사고예방, 연구실사고대처, 연구실안전보건 - 화재및폭발 : 화재및폭발, 화재로인한신체피해, 소방안전설비사용요령, 화재시행동요령 - 유해화학물질취급과관리 : 물질안전보건자료 가스, 인화성시약, 유해화학물질, 생물및동물의취급, 방사성동위원소 일반시약, 소규모인화성시약, 불연성가스화학실험을수행하지않는전기, 설계, 컴퓨터 비 고 - 100 -

구분 내용 비고 보상기준 연구실에서발생한사고로연구활동종사자가부상질병 신체장해사망등생명및신체상의손해발생시보상 사망 인당 억원보상 보상내용 후유장해 억원을한도로후유장해등급별정액보상 부상 천만원을한도로 인당상해등급별정액및실손보상 - 101 -

10. 연구개발과제의대표적연구실적 코드번호 D-12-102 -

11. 기타사항 코드번호 D-13-103 -

12. 참고문헌 코드번호 D-14-104 -

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