코로나 19 백신 운송과 우크라이나 전쟁에 드론 기술이 도입되는 등 최근 다양한 분야에서 드론 활용이 확대되면서 비행 기술 또한 해마다 발전을 거듭해 오고 있습니다. 시장조사기관 프레시던스 리서치(Precedence Research)에 따르면, 전 세계 상업용 드론 시장 규모는 2022년 243억 9,000만 달러를 기록한 것으로 추산되며, 2030년에는 약 5,045억 달러까지 성장할 것으로 전망됩니다. 이처럼 드론 시장이 거대한 몸집을 키워가는 가운데, 최근 국내에서 독자적인 드론 자율비행 제어 기술이 개발되어 비행 기술 수준을 한 단계 높일 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.
바람을 감지하고 자율비행…’감각 비행’ 개발
지난 9월 20일, 한국연구재단(NRF)은 아주대학교의 공동 연구팀이 ‘날갯짓 드론’의 날개 변형 데이터를 측정하고, 강화 학습을 통해 ‘감각 비행(fly-by-feel)’ 제어기를 개발했다고 밝혔습니다.
새나 곤충의 날개짓을 모방하는 드론은 스스로 바람을 감지하고, 목표 위치까지 자율적으로 비행할 수 있습니다. 감각 비행은 새나 곤충이 비행할 때 날개와 몸에 느껴지는 바람의 압력과 공기의 흐름을 감지하여 방향과 속도를 조절하는 비행을 뜻하는 말입니다. 비행체가 카메라나 GPS 같은 복잡하고 무거운 센서를 사용하지 않고도, 주위 환경의 변화를 인지할 수 있습니다. 이러한 기능으로 드론 기동성을 향상시키고 에너지 효율을 증가시킬 수 있다는 것이 장점입니다. 마치 새처럼 돌풍 속에서도 자율비행이 가능한 드론 기술이 국내 연구진에 의해 개발된 것입니다.
생물학적 메커니즘을 모방한 효율적인 비행 제어 시스템
잠자리나 나방 등과 같이 날개 달린 곤충이나 새들은 불안정한 공기 흐름에도 ‘호버링(hovering)’과 회전 같은 우수한 비행 능력을 발휘합니다. 호버링이란 일정한 고도를 유지한 채 움직이지 않는 상태로, 공중에서 정지 비행하는 것을 의미합니다. 비행체 중에서는 수직 이·착륙이 가능한 헬리콥터나 드론(멀티콥터), VTOL(수직 이착륙기) 등이 호버링을 구현할 수 있습니다. 현재까지 개발된 날갯짓 드론의 경우 호버링은 가능하지만, 바람을 타고 비행하는 장거리 비행에는 한계가 있습니다.
날갯짓하는 곤충들은 날개에 ‘컴패니폼 센실라’라고 불리는 종 모양의 작은 감각 기관을 가지고 있습니다. 이 기관은 바람에 의한 날개의 변형 정도와 변형 시 발생하는 미세한 압력을 감지할 수 있습니다. 따라서 곤충이 날개를 정밀하게 조절하고 비행 중 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 아주대 공동 연구팀은 바로 이 점에 착안해 컴패니폼 센실라를 모사한 날갯짓 드론의 비행 제어 시스템을 개발했습니다.
연구팀은 먼저 컴패니폼 센실라가 밀집된 날개의 접합 부분인 힌지(hinge)에 직접 개발한 초경량 고민감도 ‘균열 센서’를 부착하고, 날개 변형에 따른 신호 변화를 수집했습니다. 또한, 머신 러닝 기술을 이용해 날개 변형 정보 속에 드론 비행 제어에 필요한 바람의 방향과 속도 정보가 포함되어 있음을 확인했습니다.
이와 같이 날개 변형 정보를 통해 개발된 비행 제어 시스템은 비행 중 바람의 방향과 세기를 약 80%의 높은 정확도로 분류합니다. 바람이 부는 환경에서도 드론이 목표 지점으로 날아가 위치를 유지할 수 있으며 바람이 불지 않는 환경에서는 스스로 비행경로를 추적하여 사용자가 지정한 6가지 경로로 비행이 가능합니다.
미래 드론 산업을 향한 힘찬 날갯짓
국내 연구팀이 이번에 개발한 드론 자율비행 기술 개발은 프로펠러 방식의 회전익 드론보다 구조체가 유연하고 부드러워 충돌에 강합니다. 특히 소음 저감 효과도 우수해 효율적인 초경량 드론 모델로 주목받고 있습니다. 기존에 없던 날개 변형 정보 기반의 날갯짓 드론 제어 시스템에 대한 실효성을 검증한 데 상당한 의의가 있는 것인데요. 이러한 자율비행 기술이 정지 체공뿐 아니라 글라이딩이 가능한 날갯짓 드론 개발에 실마리가 될 것으로 기대되고 있습니다.
특히 날갯짓 드론의 감각 비행 제어 기술은 돌풍 속에서 자율비행이 가능한 스파이 로봇이나 탐험 및 재난구조 로봇 등 초소형 비행체 활용에 도움이 될 것으로 전망됩니다. 국내 자율비행 기술을 바탕으로 어떤 환경에서도 자율비행 제어 가능한 드론이 우리 생활에 등장할 날이 성큼 다가왔습니다.
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