Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 문성태 선임연구원 한국항공우주연구원 미래항공우주기술팀
드론에 대한 관심이 집중되면서 택배 및 촬영 등 다양한 분야에서 드론이 활용되고 있다.
특히 최근에는 하나의 드론이 아닌 다수의 드론들이 협업하여 임무를 수행하는 군집 비행 기술이 많은 발전을 이루었다.
군집 비행 기술은 복잡한 임무 수행시 다수의 드론들의 협업을 통해 가능한 빠른 시간 내에 임무를 수행하고, 성공 확률을 증가시키는 것을 그 목적으로 한다.
뿐만 아니라, 미래사회에서 PAV(Personal Air Vehicle)가 대중화되는 경우 다수의 기체들의 충돌 없이 운영 가능한 시스템 개발을 위해서도 연구되고 있다.
하지만 이 기술은 미래 기술이고 구현하기 어려워 대부분 대학에서 시뮬레이션 기반 개념 연구가 대부분이었다.
이러한 군집 비행이 가시화된 것은 2012년 봄 정도로 기억된다.
그 당시 TED 강연 중 미국 펜실베이니아 대학의 Kumar 교수팀은 실내에서 모션캡처를 활용해 작은 드론의 군집 비행을 선보였다.
사실 그전만 해도 대부분의 군집 비행에 대한 연구는 시뮬레이션으로만 진행되었기 때문에 실제 드론을 가지고 시연을 보인 것은 실로 놀라운 일이었다.
이를 계기로 한국항공우주연구원에서는 실제 드론을 활용한 군집 비행 연구를 시작하게 되었고, 실내 군집 비행 기술을 국내에서 최초로 개발해 2103년에 서울 ADEX(국제항공 우주 및 방위산업 전시회)에서 시연해 많은 화제를 불러 모았다.
하지만 실내 군집 비행은 대부분 적외선 카메라 기반의 모션 캡처 시스템 환경에서만 이루어져 범위의 제약을 받기 때문에, 실외에서는 이 군집 비행 기술을 적용하기 어려웠다.
한편 최근 군집 비행에 필요한 요소 기술들의 발전으로 미국, 중국, 및 일본에서는 다수의 드론을 활용한 실외 군집 비행 시스템 개발에 성공하였다.
특히 이 군집 비행 기술은 문화 산업과 융합되어 새로운 시장을 창출하였고, 다양한 응용 기술들이 선보이고 있다.
일본 MicroAD의 경우 스카이매직이라는 군집 비행 시스템을 개발했고, 25대의 드론을 이용해 후지산을 배경으로 일본 전통 음악과 어우러진 군집 비행을 선보였다.
비록 실외 군집 비행 규모는 다른 나라에 비해 작지만, 다양한 LED 표현을 할 수 있도록 드론을 직접 제작하였고, 일본 고유 기술로 발전하게 되었다.
미국 Intel은 정밀 제어가 가능한 드론을 개발한 회사를 인수 합병해 100대 군집 비행 기술을 개발하였다.
이후 군집 비행 시연에 적합하도록 슈팅스타라는 드론을 제작하는 동시에 시나리오 제작 툴을 개발하면서 군집 비행시스템 전체를 개선하였다.
그 결과 Intel은 월트 디즈니 월드 리조트에서 300대의 드론으로 군집 비행 시연을 성공했고, 최근에는 슈퍼볼 게임에서 500대의 드론 군집 비행으로 성조기를 표현하는 등 다양한 군집 비행을 시연하고 있다.
중국의 Ehang은 그동안 군집 비행에 대해서 잘 알려지지 않았지만, 최근 미국이 기록하고 있던 기네스북 기록인 500대를 깨고, 1,000대 군집 비행에 성공했다.
이처럼 실외 군집 비행 기술은 본 목적과 달리 예술 문화와 접목되면서 새로운 모습으로 새로운 시장을 개척해 가고 있다.
필요 기술
군집 비행이 가능하기 위해서는 정밀 위치인식, 다수 드론 통신 기술 및 동시 제어 기술이 필요하다.
이와 더불어 다수의 드론이 사용되기 때문에 각 드론의 무결성을 사전에 검증하고 비행하기 위한 안정성 확보가 필요하다.
정밀 위치인식 기술의 경우, 최근 기술의 발전으로 다양한 방법으로 실외에서 위치인식이 가능해졌다.
우선 위치인식을 위해 널리 알려진 방법으로는 GPS 센서가 있다.
이 경우 INS와 융합하여 위치인식이 가능하다.
하지만, 오차가 5~10m 정도 발생하기 때문에 정밀한 군집 비행이 어렵다.
한편, 영상센서 기반 위치인식 방법은 드론의 바닥면에 영상센서를 탑재하여 Optical-flow 기법을 활용하여 이동량을 계산하고 이를 기반으로 위치인식의 정밀도를 높이는 방법이다.
하지만, 영상센서 기반의 방법은 조도에 민감하여 성능 변화를 가져오기 때문에 시간에 따라 다른 결과를 초래할 수 있다.
다른 방법으로는 UWB(Ultra-wide Band)를 이용하는 방법이 있다.
이 경우 송신기와 수신기 사이에 전파의 이동 시간을 고려하여 거리를 측정하고, UWB 수신기를 3대 이상 설치하여 삼각 측량 방법으로 위치를 인식하는 방법을 사용한다.
특히 이 기술은 GPS와 연관이 없기 때문에 실내외에서 모두 사용이 가능하다는 장점이 있다.
영상센서에 비해 시간에 따른 성능 변화가 없지만 다수의 수신기가 필요 하고 동시 측정 가능한 드론 수가 한정되어 있으며 초기 Base Station을 설치하고 보정하는 데 많은 시간이 필요하다.
한편 RTK-GPS(Real Time Kinematics GPS)의 경우 정밀도가 센티미터급으로 측정될 수 있고, GPS와 같은 방법으로 위성으로부터 데이터를 받기 때문에 UWB와 달리 별도의 센서를 설치하고 보정해야 하는 번거로움이 없다.
뿐만 아니라, 동시 측정 가능한 드론 대수의 제한이 없기 때문에 군집 비행에 적합하다.
단점으로는 다른 센서에 비해 센서 가격이 고가라는 점이다.
하지만 최근 센서 가격이 많이 내려감으로써 군집 비행에 활용할 수 있게 되었다.
다수 드론 통신 기술로는 다양한 방법이 있지만, 기본적으로 WiFi 기술이 널리 활용되고 있다.
하지만 이 경우 2.4㎓ 등의 ISM 밴드를 사용하기 때문에 간섭 영향이 많고, 다수의 기체를 사용할 때는 많은 문제점이 발생한다.
따라서 최근에는 LTE 기술이 활용되기 시작했고, 5G와 같은 기술이 사용될 전망이다.
뿐만 아니라, 드론 간 통신을 위해 메쉬 네트워크를 생성하는 기술도 개발되고 있다.
동시 제어 기술로는 확장 칼만 필터 기반의 센서 융합을 통한 정밀 위치 및 자세 제어를 통해 제어하는 기술이 사용되고 있다.
이러한 기술은 이미 항공 분야에 개발된 기술들이지만, 최근 오픈소스로 공개되면서 항공 기술을 정확히 모르더라도 드론에 활용할 수 있게 되었다.
특히 동시 제어시 발생하는 충돌을 해결하기 위해 충돌 회피 기술들이 연구 및 적용되고 있다.
기술 성과
한국항공우주연구원에서는 2012년부터 다양한 군집 비행 기술을 개발하였다.
실내의 경우 마커 기반과 모션 캡처 기반의 군집 비행 기술을 각각 개발하였다.
마커 기반의 경우 바닥면의 마커를 드론이 인식하고, 위치를 예측하여 군집 비행하는 기술이다.
모션 캡처 기반의 실내 군집 비행 기술의 경우 마커 기반 기술보다 더 정밀하기 때문에 다양한 활용이 가능하다.
모션 캡처의 경우 1㎜ 정확도로 최대 1,000㎐까지도 측정이 가능하므로, 정밀 비행에 적합하고, 다수의 드론을 동시에 탐지할 수 있어 군집 비행에도 적합하다.
특히 이 기술들은 2015년 아시아 국제 음악 시상식인 MAMA(Mnet Asia Music Award) 공연에 활용되었고, 최근에는 국립중앙과학관에 설치되어 상설 시연이 이루어지고 있다.
특히 모션 캡처 기반의 군집비행을 통해 개발한 정밀 제어 기술은 공의 위치를 미리 예측하여 공 받는 드론 기술로도 활용되고 있다.02
한편, 실외 군집 비행 기술은 RTK-GPS 방법을 사용하여 2016년 정밀 실외 군집 비행을 성공적으로 수행하였다.
실외 군집 비행 시스템의 전체 구조는 그림 6과 같다.
우선 지상에 RTK-GPS Base Station을 설치하여 RTK-GPS 보정 신호를 지상국 시스템을 통해 드론들에게 전달한다.
한편, 사용자는 동시에 동작하는 다수 드론들의 시나리오 파일을 드론들에게 전송하면 드론들은 저장된 시나리오에 맞춰 군집 비행을 수행하게 된다.
이때 각 드론들은 모두 동기화되어 있기 때문에 시나리오에 맞춰 이동하게 되면 충돌 없이 운용이 가능하다.
기존 GPS 기술로 군집 비행을 수행할 때 제어 오차가 수 미터 오차가 나는 반면 자체 개발한 RTK-GPS 기반 실외 군집 비행 기술은 제어 오차가 센티미터급으로 매우 정밀한 비행이 가능해졌다.
특히, RTKGPS의 특성상 끊김이 종종 발생할 수 있는데, 자체개발한 알고리즘을 사용하여 이 경우도 안정적인 비행이 가능하도록 개발하였다.04
기존 GPS 기반 군집 비행 기술과 비교하면 개발한 군집 비행 기술의 정밀도를 명확하게 비교할 수 있다.
시험을 위해 원 모양 궤적 시나리오를 수행하였고, 기체 간 간격은 3m로 하였다.
수행 결과 그림 7과 같이 GPS-INS의 경우 정확한 궤적 비행이 되지 못하는 반면, 제안한 방식을 사용한 경우 정확한 원을 그리며 비행할 수 있었다.
이때 위치 제어 오차를 확인해 본 결과, 위치 제어 오차는 20㎝ 미만이었다.
이 기술을 바탕으로 이제 국내에서도 다양한 실외 정밀 군집 비행이 가능해졌다.
현재는 임무의 안정성을 위해 센서의 다중화 작업을 수행하고 있으며, 보다 정밀하고 빠른 RTK-GPS 기술을 도입하여 빠른 기동도 가능한 시스템으로 개선 작업을 하고 있다.
01 마커 기반 실내 군집 비행 from “http://youtu.be/UCDr4xFQ_X4”
02 볼 잡는 드론 from, “https://youtu.be/xJFwb-7fgj4”
03 모션 캡처 기반 실내 군집 비행 from “https://youtu.be/LQzzlV5TCmQ”
04 문성태, 최연주, 김도윤, 성명훈, 공현철, “RTK-GPS 기반 실외 군집 비행 시스템 개발”, Journal of KIISE, Vol. 43, No. 12, pp. 1315-1324, 2016
05 실외 군집 비행, “https://youtu.be/gLm_bsR_Ef8”