신기술동향 - ④ 드론: 기술적 원리 및 응용 동향

[손명숙]

신기술동향

④ 드론: 기술적 원리 및 응용 동향

서울공대지 2017 Summer No.105

이동준 기계항공공학부 교수

서론

최근 많은 관심을 받고 있는 드론의 사전적인 의미는, 캠브리지 사 전의 두 번째 정의에 따르자면 “탑승 조종사 없이 지상에 있는 사 람이 제어하는, 특히 취미생활에 쓰이는 비행체”로 정의된다. 이러 한 드론의 정의에는 예전부터 있었던 무선조종 (고정익) 비행기나 (회전익) 헬리콥터 등도 포함되는데, 호버링(정지비행)이 안 되거 나, 제어가 복잡하며, 조종을 용이하게 해주는 자율비행 기능도 일 반적으로는 구현되어 있지 않은 등 하여 그 사용이 제한적이었다. 최근 회자되는 호버링이 가능하며 조종도 상대적으로 훨씬 수월한 멀티로터 드론(본 기고문에서는 편의상 그냥 드론이라 한다 <그림 1>)은 프랑스에서 1990년대 말에 연구되었고, Ar.Drone이라는 상 용 드론이 2000년대 초반에 처음으로 시장에 나오게 되었는데, 특 히 카메라를 장착하여 상대적으로 저렴한 가격에 사람들의 시야를 이제껏 닫지 못하였던 하늘로 확장시켜 줌으로써 시장이 폭발적으 로 커지게 되었고, 이러한 성공에 잇닿아 드론을 다른 영역(예: 배 송, 플라잉카, 공중작업 등)에 활용해보려는 연구도 세계적으로 활 발히 진행되고 있다. <그림 2>

<그림 1> 헥사로터 드론

 

<그림 2> 드론의 활용 예시 (JISR 2017 v10, p.79-93): (a) Amazon PrimeAir 배송드 론; (b) Airbus 항공기 구조검사 드론;

(c) Trimble ZX5 건설환경 3차원모델링 드론; (d) Scentroid DR300 환경측정 드론; (e) AirDog 피사체 추종촬영 드론; (f) Intel 500 Drone Light Show;

(g) ATI AgBOT 농업용 드론; (h) EHANG 184 플라잉카 드론]

기술적 원리

통상적인 드론은 다수의 로터(모터+프로펠러)를 기체에 수직한 방향으로 대칭적으로 장착, 각 로터의 회전수를 다르게 제어함으로 기체의 회전을 발생시켜 추력 방향을 vectoring하고 이와 동시에 추력의 크기를 조정하여 원하는 방향으로 비행할 수 있도록 고안되었다. <그림 3> 이러한 디자인은, 헬리콥터의 스와시플레이트 등 복잡한 기구부 없이도 단순하게 비행 제어를 가능하게 해줄 뿐 아니라, 드론이 횡방향으로는 직접적 제어 입력이 없는 VTOL(수직이착륙기)와 유사한 구동부족(under-actuation)을 가지는 시스템이기는 하지만, 회전과 비행을 분리해서 제어할 수 있도록 해 줌으로써 제어와 조종을 용이하게 만들어 준다. <그림 4>

이러한 호버링과 제어 용이성을 동시에 가져다주는 드론의 디자인은, 동시에 짧은 운용시간과 작은 가반하중(payload)의 문제를 야기하게 되는데, 이는 프로펠러를 항상 돌려서 체공해야 함과 동시에, 프로펠러 크기가 작아지게 되므로 프로펠러 크기에 비례하여 추력이 감소하게 되고, 이를 만회하기 위해 로터의 속도가 커지게 되며, 이로 인해 효율이 떨어지게 됨에서 기인한다. 이러한 드론의 근본적인 문제는, 드론의 다양한 산업의 실제적 활용을 위해서는 배터리 기술의 비약적인 발전이나 새로운 에너지원의 개발, 또는 새로운 디자인의 신개념 드론 연구가 필요함을 시사한다.

드론의 비행 제어 구현을 위해서는 드론의 상태(회전각, 각속도, 위치, 고도, 비행속도 등)를 알아야 제어 입력을 결정할 수 있는데, 일반적으로 저가의 온보드 센서 만을 이용하여 이러한 상태 추정을 정확하게 하는 것이 드론의 핵심 기술 중 하나이다. 먼저 원하는 방향으로 비행하거나 추락을 피하기 위해서는 드론의 회전을 알아야 하는데, 이를 위해 가장 널리 쓰이는 방법은 각속도계와 가속도계로

<그림 3> 드론 비행원리

구성된 IMU(inertial measurement unit)과 지자기 센서를 사용하여, 가속도계로 중력방향을 추정하고, 지자기 센서로 남북방향을 추정하여 드론의 공간상 회전을 추정하는 방법이다. 이와 함께 각속도계를 이용 회전 추정의 속도를 높이고, 다른 센서 정보도 동시에 이용하여 IMU의 바이어스 등을 보정하는 다중 센서융합(sen­sor fusion)은 드론 비행 성능 향상을 위해서는 필수적인 기술이다.

드론의 회전과 추력 제어가 되면 무선 조종이 가능하게 된다. 하지만 자동 호버링으로부터 경유 지점 비행, 궤적 추적 비행, 자동 귀환 등 자율 비행을 위해서는 드론의 공간상 위치 추정이 필요한데, 이를 위해 가장 널리 사용되는 방법은 위성측위시스템(GNSS: GPS, GLONASS 등)이다. GNSS를 이용하면 실외 자율 비행은 상대적으로 수월하게 구현할 수 있다. 하지만, 실내 비행이나 건물 근처, 다리 밑 등 GNSS 신호 수신이 제한된 환경에서는 사용할 수 없으며, GNSS의 낮은 정확도(미터 단위 에러)와 느린 신호주기(수 Hz) 역시 정밀 비행에는 부적합하다. 이를 위해 최근 카메라를 이용하여 SLAM(simultaneous localization and mapping)을 수행하며 자율 비행을 하거나, GNSS와 카메라를 융합하여 비행 정밀도를 높이는 연구가 이루어지고 있으며, 몇몇 상용 드론에도 장착되고 있다.

<그림 4> 드론 제어구조

응용 동향

현재까지 드론의 가장 성공적인 활용은 사람의 시야를 하늘로 확장 시킨 공중영상촬영으로 드론 촬영영상은 최근 방송에서도 자주 볼 수 있고, 촬영드론이 고가의 크레인 카메라를 대체하고도 있다. 드 론의 디자인에서 오는 조종의 용이성은 이러한 공중촬영에 적합하 다. 하지만 그에 동반되는 구동부족 문제는 비행을 시작하거나 바 람이 불 때 기체가 회전해야 함을 의미하고, 이는 영상의 꺼떡거림 으로 이어지게 된다. 이로 인하여 고화질 영상촬영을 위해서는 상 대적으로 고가인 짐벌의 사용이 필요하게 되며, 이는 고가와 저가 드론을 나누는 기준이 되기도 한다.

최근에는 기계학습이나 인공지능 기법을 카메라 영상에 적용하여 새로운 기능 구현을 통해 드론의 상품성을 높이는 연구 개발이 활 발한데, 특히 대표적인 것은 드론을 활용한 셀피 기능이나 피사체 추종촬영 등이 있고, 이미 몇몇 상용 드론에는 채택되어 있다. 이 와 함께 다수의 공중촬영영상을 붙여서 건설 현장의 진척 상황을 보여주는 3차원 환경 지도를 작성하거나, 공중촬영영상을 분석하 여 농업 현장의 병충해 등을 평가하는 등의 연구와 제품 개발도 진행되고 있다.

드론을 이용한 배송 서비스는 미국 아마존을 필두로 독일 DHL이 나 국내 업체들도 활발히 개발하고 있는데, 드론의 제한된 가반 하 중 때문에 그리 무겁지는 않지만 중요하거나 시급한 물품 배송을 중심으로 진행되고 있다. 현재까지는 이루어졌던 드론 배송 시연은 비교적 탁 트인 넓은 야외 환경에서만 진행되었으며, GNSS수신이 제한적이나 더 정밀한 비행이 요구되는 도심 환경에서 드론 배송 서비스는 아직 갈 길이 멀다고 할 수 있다. 이를 위해서는 정밀 도 시환경 지도정보를 사용하거나, 카메라와 GNSS를 융합하여 실내 외전환 비행을 구현하고 비행정밀도를 높이는 연구도 진행되고 있 다. <그림 5> 이와 함께 전깃줄 등 인식이 어려운 장애물 회피의 문 제, 도심 배송 중 추락에 대한 안전 문제, 사생활 침해의 문제 등도 앞으로 해결이 필요한 문제들이다.

공중촬영이 사람의 눈을 하늘로 확장했다면, 공중작업은 사람의 손 을 하늘로 확장한다는 점에서 향후 파급력이 클 것으로 예상되는 데, 특히 유럽에서는 DLR과 Alstom 등이 참여하는 다년도 대형 과제를 이 분야를 선점하고자 진행하고 있으며, 교량이나 화력 발 전소 등 대형 구조물의 구조 평가 및 보수, 송전탑 등 고소 구조물 의 수리 및 더 나아가 여러 대의 드론을 이용한 협업 조립 등을 목 표로 하고 있다.

<그림 5> GNSS-카메라-IMU융합 실내외비행

촬영이나 배송과는 다르게, 공중작업은 드론의 공간상의 위치 제어만 필요한 것이 아니고 회전 제어도 동시에 하는 것이 필요하다. 하지만 일반적인 드론은 위에서 언급한 구동부족의 문제 때문에 회전을 하려하면 위치가 움직이게 되고, 위치를 움직이기 위해서는 회전을 해야만 하는 등 공중작업에는 적합하지 않다. 이를 위하여 드론에 로봇팔을 장착하여서 구동부족을 극복하는 연구가 진행되고 있으며, 이와 함께 구동부족과 제한된 가반하중, 또한 위에서 아래로 누르지 못하는 등의 드론 디자인의 한계점을 극복하는 새로운 디자인의 신개념 공중작업용 드론 플랫폼도 최근 활발히 연구되고 있다. <그림 6>

 

<그림 6> 공중작업용 신개념 드론