[문성태의 항공과 IT의 만남] ① 쿼드콥터 군집 비행 소개

[toggle title=”필자소개” load=”show”] 문성태 stmoon@kari.re.kr|광주과학기술원에서 컴퓨터공학 석사 학위를 받았다. 2007년 국방과학연구소의 한국형 헬리콥터인 수리온의 임무 컴퓨터를 개발했으며, 2010년 국가보안기술연구소에서 다양한 보안 업무를 수행했다. 현재 한국항공우주연구원 항공우주미래기술팀의 선임연구원으로서 IT 융합 소형무인기 군집비행을 연구하고 있다.

● 기획·정리 | 조수현 기자 suhyeoni@imaso.co.kr
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[toggle title=”테크니컬 레벨 ★” load=”hide”]1회 | 쿼드콥터 군집 비행 소개
2회 | 군집 비행을 위한 쿼드콥터 소개 및 분석
3회 | 마커 기반의 군집 비행 시스템[/toggle]

시작에 앞서 한 가지를 실토하면 필자는 항공 분야의 전문가가 아니다. 프로필에 소개됐듯 필자는 컴퓨터공학을 전공했다. 그러한 필자가 쿼드콥터 군집 비행에 대해 말한다는 것이 이상하지 않은가? 독자 중에는 쿼드콥터에 관심이 있어도 어떻게 접근해야 할지 몰라 망설인 분들도 더러 있을 것이다. 사실 필자도 예전에는 그러했다.

전자 시스템이 발전하고 수많은 연구 결과가 공개되면서 이 분야의 전문가는 아닐지라도 쿼드콥터를 쉽게 제어할 수 있는 시대가 도래했다. 최근 쿼드콥터가 주목받는 것은 제어가 쉽고 다양한 분야에 활용 가치가 높기 때문이다. IT 분야에서는 쿼드콥터를 공간의 제약을 뛰어넘는 수단으로 활용되고 있다. 다수의 쿼드콥터를 이용해 서로 충돌없이 협업할 수 있는 군집 비행 시스템에 대해 지금부터 살펴보자.

쿼드콥터 정의
군집 비행에 앞서 군집 비행에 사용되는 쿼드콥터의 정의와 역사 그리고 최근 활용 분야에 대해 알아보자. 멀티콥터의 일종인 쿼드콥터는 4개의 프로펠러가 달린 헬리콥터다. 멀티콥터는 로터(rotor, 발전기, 전동기 등의 회전 기계에서 회전하는 부분을 가리킴)의 개수를 늘려 보다 안정적으로 비행할 수 있는 일종의 항공기다. 헥사콥터, 옥타콥터 등의 멀티콥터가 다양한 측면에서 활용되고 있는데, 이 글에서는 쿼드콥터를 중심으로 설명한다.

쿼드콥터
쿼드콥터


쿼드콥터는 다양한 명칭으로 불리는데 공식 명칭은 쿼드로콥터(Quad Rotor type Helicopter의 합성어)다. 쿼드콥터에는 다수의 프로펠러가 장착돼 있어 기존 헬리콥터처럼 로터가 하나만 망가져도 곧바로 추락하지 않는다. 다른 비행체보다 안정적이고 제어도 쉽어 큰 주목을 받고 있다. 특히 최근에는 쿼드콥터가 IT와 융합하면서 스마트폰으로 조정하고 영상 데이터까지 송수신하게 되는 등 점차 활용 분야가 넓어지는 추세다.

쿼드콥터 역사
쿼드콥터는 초창기 수직 이착륙기를 연구할 당시부터 헬리콥터와 함께 연구되기 시작했다. 1920년대부터는 실증기가 개발됐다. 1985년에 이르러서는 Flying Jeep라는 별명의 Curtiss-Wright VZ-7 쿼드콥터가 개발됐다. 그러나 이 시대에 개발된 헬리콥터에 비해 성능이 우수하지 않아 결국 개발이 취소됐다. 이렇듯 초창기에 등장한 쿼드콥터는 조작이 매우 어렵고 성능도 뛰어나지 않아 연구 진행이 지지부진했다. 그러나 최근에는 발전된 전자 제어 시스템과 센서 덕분에 조작이 훨씬 쉬워지면서 UAV 형태의 쿼드콥터다 등장하기에 이르렀다. 이제 좁은 공간에서의 운동 능력은 전통적인 헬리콥터를 능가할 정도가 됐다.

초창기의 쿼드콥터(최초의 쿼드콥터(좌), flying jeep(우))
초창기의 쿼드콥터(최초의 쿼드콥터(좌), flying jeep(우))

활용 분야
멀티콥터 활용 사례 중 실생활에서 흔히 접할 수 있는 것으로 항공 영상 정보를 꼽을 수 있다. ‘1박 2일’이나 ‛꽃보다 할배’ 등의 인기 방송 프로그램은 역동적 영상을 얻기 위해 멀티콥터를 활용하고 있다. 과거에는 이러한 항공 영상을 얻기 위해서는 헬기가 필요했는데, 비용적인 이유로 항공 촬영이 어려웠다. 그러나 지금은 보다 저렴한 비용의 멀티콥터가 등장하면서 항공 촬영이 좀 더 보편화되고 있다. 특히 쿼드콥터는 크기가 작아 가방에 담고 다니다가 필요할 때 조립해 날릴 수 있어 유용하다.

핼리캠이 촬영한 항공사진
핼리캠이 촬영한 항공사진


또 다른 활용 사례로 아마존을 꼽을 수 있다. 최근 아마존은 웹사이트를 통해 쿼드콥터와 같은 무인 드론을 이용한 30분 배송 시스템인 ‘프라임 에어’ 프로젝트를 공개했다. 제프 베조스 아마존 CEO는 이 프로젝트를 통해 고객이 주문을 하면 아마존 물류센터에서 16km 안에 있는 고객에게 2.2kg 이하의 소형 제품을 무인 헬기를 이용해 배송할 계획이다. 이 프로젝트는 2015년에 상용화될 예정이다. 그러나 아직까지는 해결해야 할 문제가 많지만 IT 기술의 융합으로 자율 비행과 같은 많은 문제들이 점차 해결되고 있어 상용화도 먼 미래의 일은 아닐 것이다.

아마존의 쿼드콥터 택배
아마존의 쿼드콥터 택배


최근 자율 비행 기술이 발전함에 따라 쿼드콥터의 활용 분야가 다방면으로 확대되고 있다. 이란의 RTS 랩에서는 구명튜브를 여러 개 달고 비행할 수 있는 쿼드콥터 개발이 한창이다. 직접 구조가 힘든 상황에서 위험에 빠진 사람에게 구명 튜브를 주기 위함이다. 이 구명 헬기는 구명 보트와 달리 여러 사람이 바다에 흩어져 있는 상황일지라도 동시에 많은 사람들에게 구명 튜브를 던질 수 있다. 또한 해변가에 구명 헬기들이 항공 모함과 같은 곳에 배치하거나 태양전지로 충전하는 등의 기술도 함께 연구되고 있다.

감시, 측량, 농촌 방제 작업에도 활용이 기대된다. 해외에서는 이미 쿼드콥터를 경찰이 범위를 추적하거나 주변을 감시하는 용도로 활용하고 있다. 또한 기존에는 넓은 논에 농약을 뿌리기 위해 헬기를 사용했지만 비용이 비싸고 농약이 헬기 바람에 흩어져 식물에 충분히 묻지 않는 단점이 있었다. 이를 해결하고자 최근에는 초정밀 GPS 기술을 활용해 자동으로 정해진 위치에 농약을 살포하고 자동으로 충전하는 쿼드콥터도 개발되고 있다.

군집 비행

PAV 발전 전망
PAV 발전 전망


쿼드콥터에 대한 관심이 증가하면서 다양한 활용 사례가 등장하고 있다. 그 결과 다수의 쿼드콥터들이 하나의 임무를 위해 동시에 운용되는 기술도 나온 상황이다. 개인용 항공기가 보편화되는데 이러한 기술이 필수적이기 때문이다. 게다가 다수의 무인기가 충돌 없이 공동으로 정해진 임무를 수행하는 것은 넓은 범위를 정찰하는 등의 어려운 임무에 대한 성공 확률을 높일 수 있다. 군집 비행을 이용하면 정찰 임무 외에도 3차원 지도 생성, 목표물 인식 및 타격, 적대적 무인기 식별 및 저지 등의 복잡한 임무도 쿼드콥터로 수행할 수 있게 될 전망이다.

쿼드콥터와 같은 소형기 시장은 앞으로 3차원 차세대 교통 시스템인 개인용 항공기(Personal Air Vehicle) 분야로까지 발전할 전망이다. PAV가 일반화되면 수만 대의 PAV가 동시에 비행하게 되므로 다수의 항공기가 근접 비행을 하게 된다. 따라서 PAV 상용화를 위해서는 비행체간 충돌 없이 안전하게 비행할 수 있는 군집 비행 기술이 필요하다.

군집 비행 기술은 미래의 항공 기술 정착을 위해 반드시 필요한 기술임은 분명하다. 그러나 다수의 무인기를 직접 제어하고 관리한다는 것은 생각보다 쉽지 않다. 많은 연구자들이 시뮬레이션 위주로 연구를 수행하고 있는데 최근에는 미국 펜실베니아 대학의 Kumar 교수팀과 스위스 ETH의 D’Andrea 교수팀은 실제 환경에서 군집 비행 연구를 수행해 주목을 받고 있다.

Kumar 교수(좌), 소형 무인기 군집비행(우)
Kumar 교수(좌), 소형 무인기 군집비행(우)

Kumar 교수팀은 TED에서 전 세계에 군집 비행 기술을 선보였다. 다수의 비행체가 매우 정밀하게 날아다니는 모습을 본 사람들은 놀라움을 금치 못했다. 이 자리에서 그는 소형 무인기들이 행렬을 이뤄 장애물을 피해 정해진 목적지까지 이동하거나 충돌 없이 8자 모양으로 움직이는 등 다채로운 광경을 보여줬다. 심지어 소형 무인기가 악기를 연주하기까지 했다.

Kumar 교수의 수하였던 Daniel Mellinger와 Alex Kushleyev는 졸업 후 KMEL Robotics를 창업했다. 이 벤처기업은 무인비행체 군집 비행과 관련된 기술 선도 업체 중 하나다. 이 벤처기업은 2012년 칸 국제광고제(Cannes Lions International Festival of Creativity)의 NDS(New Directors Showcase) 2012에서 Saatchi & Saatchi 사와 협업해 동적 조명 전시모듈과 반사거울을 결합한 형태의 콘텐츠 표현기술을 구성해 ‘Meet Your Creator’라는 공연을 펼쳤다.

쿼드콥터를 활용한 'Meet Your Creator' 공연
쿼드콥터를 활용한 ‘Meet Your Creator’ 공연


특히 최근에는 렉서스 차 광고에 쿼드콥터가 등장하기도 했다. 이 광고에서 다수의 비행체가 일렬로 이동하거나 새로운 형상을 표현하는 등 다양한 시도를 보여줬다.

렉서스 자동차 광고
렉서스 자동차 광고


스위스 취리히연방공과대학(ETHZ)의 D’Andrea 교수 연구진도 TED Global 2013 등에서 정밀하고 민첩한 쿼드콥터 비행 제어 기술을 대중에게 시연했다. 이 팀은 다수의 무인 비행체가 건축물을 짓거나 협업해 무거운 물건을 움직이고, 정밀한 제어를 통해 막대의 균형을 잡아 다른 쿼드콥터에게 던지면 떨어지는 위치를 예측해 다시 그 막대를 잡아 균형을 유지하는 등의 시연을 선보였다.

D'Andrea 교수가 시연한 협업비행
D’Andrea 교수가 시연한 협업비행

kumar와 D’Andrea 교수 연구진은 군집 비행을 주변 환경의 변화가 없는 실내에서 연구했다. 특히 쿼드콥터의 위치를 아주 정확하고 빠르게 파악하는 모션캡처를 활용했기에 정확한 제어가 가능했다. 그러나 실외처럼 넓은 환경에서는 모션캡처를 사용할 수 없어 이와 다른 기술이 필요하다.

이러한 기술을 오스트리아에 위치한 Ars Electronica의 Futurelab이 선보였다. 실외에서 군집 비행을 선보인 것인데, LED 조명을 부착한 50대의 소형 무인비행체를 사용해 하늘에 그림을 그리는 듯한 Lightpainting이라는 독특한 전시모델을 공개했다.

Lightpainting 시연(50대 군집비행)
Lightpainting 시연(50대 군집비행)


한편 국내에서도 많은 연구실에서 군집 비행을 연구 중이다. 한국항공우주연구원에서는 2013년 항공우주 및 방위산업 전시회(ADEX) 2013에서 소형 무인비행체 9대를 동시에 제어해 크레용팝의 ‘빠빠빠’에 맞춰 군무를 시연했다.

항공우주연구원 군집비행(항공우주 및 방위산업 전시회 2013)
항공우주연구원 군집비행(항공우주 및 방위산업 전시회 2013)

한국항공우주연구원에서는 다양한 군집 비행 연구를 위해 연구소 내에 17×17×6.5㎥ 크기의 플라잉 플로어 시연 환경을 구축했다. 최근에는 와이파이를 통해 20대의 비행체를 동시에 제어하는 시험에 성공시켰다.

와이파이 기반의 군집 비행 시연(총 20대)
와이파이 기반의 군집 비행 시연(총 20대)

군집 비행 필요 요소 기술
군집 비행을 수행하기 위해서는 서로 충돌을 회피할 수 있는 비행체간의 정밀한 위치 인식 기능이 필요하다. 또한 각 비행체에게 명령을 전달할 통신 기술도 요구된다. 특히 다수의 비행체에 명령을 전달해야 하기 때문에 신뢰성이 높고 가능한 실시간성이 보장되는 통신 시스템이 필요하다. 마지막으로 동시 제어와 관리를 담당할 지상국 시스템도 군집 비행에 필요한 요소 기술 중 하나다.

● 위치 인식
협소한 실외 공간에서 다수의 무인 비행체가 대형을 갖추고 동작하기 위해서는 서로간의 위치를 파악할 수 있어야 한다. 비행체의 위치를 인식하는 방법으로는 크게 모션캡처와 같은 외부 장비를 통해 수동적으로 현재 위치를 전달받는 방식과 이미지와 같은 지형 정보를 토대로 비행체 내에서 위치를 인식하는 능동적인 방식이 있다.

이미지 기반 자율 비행 방식
이미지 기반 자율 비행 방식

이미지 기반의 자체 위치 인식 방법은 카메라를 통해 비행체의 위치를 추적한다. 다양한 방식으로 구현할 수 있는데, 바닥면에 마커를 부착하고 하단 카메라를 통해 자신의 위치를 추정하는 방법이 일반적이다. 각 마커에는 각 현재의 위치정보가 포함돼 있어 그 위치에 비행체의 자세정보를 고려해 자신의 위치 정보를 파악하는 식이다.

바닥면의 마커를 활용해 군집 비행을 하는 기본적인 환경은 <그림 14>와 같다. 각 쿼드콥터는 바닥면에 부착된 카메라를 가지고 마커를 촬영하고 그 데이터를 지상국 시스템에 전달한다. 지상국 시스템은 이 영상 데이터에서 마커의 위치를 찾아내고 그 위치 정보를 기반으로 비행체의 위치 정보를 파악한다. 지상국 시스템은 시라니오에 맞춰 각 쿼드콥터에게 다음 이동 장소를 자신의 위치를 기반으로 전달해 다수의 비행체를 동시에 제어한다.

이미지 기반 구집 비행 시험 환경
이미지 기반 구집 비행 시험 환경


이미지 기반 방식은 별도의 장비 없이 저렴한 카메라만으로 위치를 인식할 수 있다. 반면 지상국 시스템은 다수의 비행체로부터 영상 데이터를 수신해야 하기 때문에 많은 부하에 시달리게 된다. 게다가 카메라 성능상의 이유로 고도가 높거나 빠르게 이동할 때에는 마커를 제대로 파악하지 못할 수 있다. 카메라 화질 문제로 어느 정도 오차 발생이 불가피한 것이다. 다행스럽게도 최근에는 비행체에 탑재된 컴퓨터의 성능이 향상됨에 따라 이미지 처리를 비행체 내에서 수행하는 식으로 지상국 시스템의 부하 문제를 개선하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.

이미지 기반 위치 인식 시험
이미지 기반 위치 인식 시험


외부 장비를 이용하는 수동적인 방법 중 가장 대표적인 것이 모션캡처 방식이다. 모션캡처 시스템은 3D 애니메이션, 영화 속 캐릭터의 자연스러운 움직임을 연출하기 위해 사용된다. 뿐만 아니라 인간의 보행을 비롯한 다양한 동작을 분석하거나 가상 현실에서의 움직임 분석, 물체의 위치 트래킹 등 광범위한 영역에서 활용되고 있다. 최근 MIT와 펜실베니아 대학에서는 모션캡처 시스템을 항공 제어 분야에 활용했다. 실내 군집 비행에서도 정밀한 제어를 위해 모션캡처 기술을 도입한 것이다. 모션캡처 방식은 최대 초당 1000번까지 측정 가능해 정확한 데이터를 확보할 수 있고, 이미지 프로세싱 작업을 카메라 내부에서 처리하기 때문에 서버의 부하도 적다.

모션캡처 시스템 활용 예
모션캡처 시스템 활용 예


모션캡처를 이용한 군집 비행 시험 환경은 <그림 17>과 같다. 우선 소형 무인 비행체를 인식할 수 있는 모션캡처 카메라가 3대 이상이 필요하다.

모션캡처 시스템 기반 군집비행 시험 환경
모션캡처 시스템 기반 군집비행 시험 환경


카메라는 성능에 따라 마커를 볼 수 있는 거리가 달라지기 때문에 처음 설정 시 사용 공간을 미리 확인하고 결정해야 한다. 각 카메라는 모션캡처 데이터를 모션캡처 서버에 전달한다. 그러면 서버는 원본 데이터를 바탕으로 실제 위치 데이터를 생성하고 이를 연결된 지상국 시스템에 전달한다. 지상국 시스템은 모션캡처 정보를 이용해 소형 무인 비행체의 자세 정보를 확인하고 시나리오에 따라 이동에 필요한 제어 정보를 무선 네트워크로 비행체에 전달한다.

마커를 이용한 비행체 인식
마커를 이용한 비행체 인식


모션캡처는 측정하고자 하는 객체에 마커를 붙이고, 모션캡처 카메라를 통해 그 위치를 파악한다. 다수의 객체를 구분해 위치를 측정할 경우 각 객체마다 다른 패턴으로 마커를 부착해야 한다. 이 때 모션캡처 프로그램은 대칭 결과를 확인해 자동으로 패턴의 유사성을 구분한다. 그러므로 다수의 비행체를 구분하기 위해서는 다수의 마커를 붙여 다양한 패턴을 만들 수 있어야 한다.

이미지 기반의 위치 인식과 함께 모션캡처 시스템을 사용한 결과를 보면 정확도에 대한 차이가 확연하게 드러난다. 환경에 따라 많은 차이가 있지만 3m 높이의 비행체가 이동할 경우 최대 0.5m 정도의 오차가 발생한다.

모션캡처와 이미지 기반 위치인식 정확도 비교 그래프(좌), 위치 정확도 오차 그래프(우)
모션캡처와 이미지 기반 위치인식 정확도 비교 그래프(좌), 위치 정확도 오차 그래프(우)

● 통신
군집 비행을 위해서는 다수의 비행체들에게 일정 주기로 명령을 보내고, 각 비행체로부터 데이터를 주기적으로 받아야 한다. 이런 이유로 다수의 비행체와 통신할 수 있는 신뢰성 있는 무선 기술이 필요하다. 이러한 통신에서 가장 중요한 요소는 실시간성이다. 모든 데이터는 정해진 시간에 맞춰 명령 데이터를 전달해야 인접한 비행체간 위치를 파악하고 충돌 없이 임무를 수행할 수 있다.

가장 널리 사용되는 무선 기술은 IEEE802.11, 즉 와이파이다. 와이파이는 어디서든 쉽게 접할 수 있어 군집 비행에 손쉽게 적용할 수 있다. 그러나 와이파이는 서버 클라이언트 방식으로 통신하기 때문에 서버에 과부하가 걸리기 쉽다(<그림 19> 참조). 또한 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 방식 이기 때문에 주파수 충돌이 일어나면 Back-Off 알고리즘에 의해 일정 시간이 지난 후에 재전송을 시도해 실시간성이 완벽히 보장되지 않는다.

모션캡처 방식에서의 통신
모션캡처 방식에서의 통신


무엇보다 우려되는 점은 혼선이다. 와이파이는 주파수 대역이 공유돼 있기 때문에 혼선이 발생할 가능성이 높다. 사람들이 많은 공간에서는 혼선으로 인해 비행체가 명령을 받지 못하는 문제가 종종 발생한다. 따라서 와이파이는 연구 또는 시험용으로 사용할 것을 권장되고 있다. 와이파이를 사용해야 할 경우 내부적으로 명령을 받지 못하는 긴급한 상황을 대비한 로직 개발이 필요하다.

즉 실시간성이 보장되고 안정적인 통신도 가능한 시분할 통신 방식이 가장 적합하다. 또한 주파수 혼선을 제거하기 위해 최대한 사용이 적은 5GHz 대역을 쓰거나 특정 주파수 대역의 사용 허가를 받은 후 사용해야 한다. 그러나 현재 소형 무인기용 시분할 방식 통신 모듈은 개발이 보편화돼 있지 않기 때문에 직접 제작해야 한다.

동시 제어
쿼드콥터 비행 제어에는 주로 PID(Proportional Integral Differential) 제어기가 사용된다.  PID 제어기는 실제 산업현장에서 쓰이는 자동제어 방식 가운데 가장 흔히 이용되는 제어 방식으로, 피드백 제어기 형태를 가지고 있다. 제어하고자 하는 대상의 출력값을 측정해 이를 참조값 또는 설정값과 비교해 오차를 계산한다. 이 오차값을 이용해 제어에 필요한 제어값을 계산한다.

PID 제어기
PID 제어기

표준형 PID 제어기는 차후 설명할 3개의 항을 더해 제어값(MV: manipulated variable)을 계산한다. 이 세 항은 각각 오차값, 오차값의 적분(integral), 오차값의 미분(Derivative)에 비례하기 때문에 비례-적분-미분 제어기(Proportional­Integral­Derivative controller)라고도 불린다. 각 항들의 의미는 다음과 같다.

· 비례항 : 현재 상태에서의 오차값의 크기에 비례해 제어한다.
· 적분항 : 정상상태(steady-state)에서의 오차를 없앤다.
· 미분항 : 출력값의 급격한 변화에 제동을 걸어 오버슛(overshoot)을 줄이고 안정성(stablilty)을 향상시킨다.

군집 비행에서는 바닥면에 설치된 마크들의 좌표계(또는 모션캡처 좌표계)를 절대 좌표계에서 비행체 좌표계인 동체 좌표계로 변환하기 위해 DCM(Direction Cosine Matrix)을 사용한다. 그리고 서로간의 충돌이 발생하는 경우를 대비해 충돌 회피 알고리즘도 적용해야 하나 이 글에서는 다루지 않는다.

DCM 알고리즘
DCM 알고리즘


지금까지 군집 비행의 필요성과 연구 분야에 대해 살펴봤다. 다소 이론 위주의 설명이 많았으나 다음 시간에는 본격적으로 자율 비행 방법과 군집 비행 기술을 실전 위주로 설명하겠다. 우선 시험 기체로 사용할 AR.Drone 쿼드콥터를 분석한다. 이후 AR.Drone을 가지고 이미지 기반의 자율 비행 방법을 살펴보고, 다수의 AR. Drone을 동시에 제어하는 방법도 간략히 설명할 예정이니 많은 기대 부탁한다.

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