‘감각 비행’ 제어기 개발

한국연구재단(이사장 이광복)은 아주대학교 강대식, 한승용, 고제성 교수 공동 연구팀이 날갯짓 드론의 날개 변형 데이터를 측정하고, 강화 학습을 통해 ‘감각 비행’ 제어기를 개발했다고 밝혔다.

날갯짓 드론이 스스로 바람을 감지하고 목표 위치까지 자율적으로 비행할 수 있는‘감각 비행’ 제어기술은 스파이로봇, 탐험 및 재난구조 로봇 등에 활용이 기대된다.

감각 비행(fly-by-feel)은 새나 곤충이 비행할 때 날개와 몸에 느껴지는 바람의 압력과 공기의 흐름을 감지하여 방향과 속도를 조절하는 비행을 뜻한다.

이는 비행체가 카메라나 GPS같은 복잡하고 무거운 센서를 사용하지 않고도, 주위 환경의 변화를 인지할 수 있어 기동성을 향상시키고 에너지 효율을 증가시키는 장점이 있다.

잠자리, 나방 등과 같은 자연계의 비행 곤충은 불안정한 공기흐름에도 호버링(제자리에서 정지 비행하는 것. 비행체 중 수직이착륙이 가능한 헬리콥터나 멀티콥터(드론), VTOL 등이 호버링을 구현할 수 있으며, 동물 중에서는 벌새, 잠자리, 박각시, 모기가 대표적으로 호버링을 할 수 있다.)과 회전 같은 우수한 비행 능력을 발휘한다.

이 같은 특성을 모방한 날갯짓 드론은 프로펠러 방식의 회전익 드론보다 구조체가 유연하고 부드러워 충돌에 강하며, 소음저감 효과도 우수해 효율적인 초경량 드론 모델로 주목받고 있다.

하지만, 현재 날갯짓 드론은 회전익 드론의 제어 방식을 사용하기 때문에 정지 체공은 가능하지만, 바람을 타고 비행하는 장거리 비행에 한계가 있어 독자적인 제어 시스템 개발이 필요한 상황이다.

연구팀은 비행 곤충이 날개에 위치한 종 모양의 감각 기관인 ‘컴패니폼 센실라’를 통해 바람에 의한 날개의 변형 정도를 감지하고, 이 정보를 활용하여 신속하게 비행을 제어하는 점에 착안해 문제 해결에 나섰다.

연구팀은 컴패니폼 센실라를 모사한 초경량 고민감도 균열센서를 개발하고, 이를 날갯짓 드론에 부착하여 날개변형에 따른 신호변화를 수집하였다.

또한 머신 러닝 기술을 이용해 날개 변형 정보 속에 드론 비행 제어에 필요한 바람의 방향과 속도 정보가 포함되어 있음을 확인하였다.

실험 결과 새로운 비행 제어 시스템은 날개변형 정보를 통해 비행 중 바람의 방향과 세기를 약 80%의 높은 정확도로 분류하였으며, 바람이 부는 환경에서도 드론이 목표 지점으로 날아가 위치를 유지할 수 있다.

더불어 바람이 불지 않는 환경에서는 스스로 비행 경로를 추적하여 사용자가 지정한 6가지 경로로 비행할 수 있다.

강대식 교수는 “이번 연구는 기존에 없던 날개변형 정보 기반의 날갯짓 드론 제어 시스템을 개발하고, 실효성을 검증한 데 의의가 있다”라며 “이번 결과가 정지체공 뿐 아니라 글라이딩이 가능한 날갯짓 드론 개발의 단초가 되길 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 머신 인테리젼스(Nature Machine Intelligence)’에 9월 20일 게재되었다.