곤충처럼 장애물을 피하는 드론(UAV)

출처: Luleå University of Technology

무인자율항공기(UAV)는 상품 배송과 위험지역 감시 등 다양한 적용 가능성을 보여주고 있다. 하지만  드론이 실제 환경에서 임무를 수행하기 위해서는 갑자기 튀어나오는 주변 장애물을 피할 수 있어야 한다.

스웨덴 룰레오공과대학(Luleå University of Technology)과 캘리포니아공과대학 공동 연구팀이 최근 드론이 비행 중 장애물을 자동으로 회피할 수 있는 ‘비선형 모델 예측 제어(NMPC)’ 기반 기술을 개발했다. 

NMPC 접근 방법은 퀸즈대학교 벨파스트 캠퍼스 팬텔리스 소파사키스(Pantelis Sopasakis) 박사가 개발한 파라메트릭 최적화 소프트웨어인 OpEen(Optimization Engine) 구조를 기반으로 한다.

연구 결과(논문명: Nonlinear MPC for Collision Avoidance and Control of UAVs With Dynamic Obstacles)는 'IEEE 로보틱스 앤 오토메이션 레터스 저널(IEEE Robotics and Automation Letters journal)' 최근호에 실렸다.

출처: IEEE Robotics and Automation Letters journal

연구팀이 개발한 움직이는 장애물 회피 기술은 NMPC 기반 최적화 시스템이다. 이 시스템은 수학적 모델과 주어진 시간으로 작용하는 제어 입력에 기초해 미래 상황을 예측할 수 있다.

이는 '예측 지평선(Prediction horizon)'으로 불리는 모델이 미래의 여러 시간 단계를 예측한다. 즉 추적, 장애물 회피, 제약 유지 등 시스템이 원하는 목표를 가장 효과적으로 수행할 수 있는 방식이다.

공개한 영상을 보면, NMPC 기반 모델이 도시와 같이 변화하는 환경에서 드론의 뛰어난 자율 주행 및 장애물 회피 기능을 보여주고 있다.

구체적으로는 드론 주변 장애물 궤적을 예측하기 위해 NMPC 알고리즘을 사용하는 동시에 분류 모델을 사용해 다양한 궤적 유형을 구별하고 미래 장애물 위치를 예측한다. 이는 NMPC가 미래 상태를 예측하고 최적화해 작동하기 때문에 일부 측정을 기반으로 이동하거나 움직이는 장애물에 대한 미래 위치를 예측한다. 

이 방법은 제어, 로컬경로 계획 및 움직이는 장애물 회피가 제어 계층 하나로 통합된 솔루션이다.

연구팀이 NMPC 기반 모델을 다양한 움직이는 장애물 시나리오에서 실험한 결과 놀랍게도 드론이 마치 살아있는 곤충처럼 갑자기 나타난 장애물과 충돌을 피했다. 

특히 지정한 안전거리를 유지하며 매우 빠르게 움직이는 장애물과 충돌을 피하고 다시 원래 궤도로 돌아왔다. 이는 도시 환경에서 드론이 인간과 밀접한 상호 작용을 할 수 있음을 보여준다. 

이번 연구는 NMPC 기반 모델이 드론뿐만 아니라 복잡한 환경에서 이동 로봇 개발에도 사용할 수 있다. 

연구팀은 앞으로 움직이는 장애물 회피 기술 성능을 높이기 위해 장애물 추적 온보드 깊이 카메라와 통합은 물론 예측 방법을 개선할 계획이다.

김들풀 기자 itnews@