아주대, 잠자리 처럼 바람따라 비행 가능한 드론 제어 시스템 개발

잠자리처럼 바람을 타고 비행하는 새로운 형태의 드론 제어 기술이 개발됐다.

한국연구재단은 아주대학교 강대식, 한승용, 고제성 교수 공동 연구팀이 날갯짓 드론의 날개 변형 데이터를 측정하고, 강화 학습을 통해 ‘감각 비행’이 가능한 제어기를 개발했다고 밝혔다.

잠자리나 나방 같은 비행 곤충은 불안정한 공기 흐름에도 제자리 정지 비행(호버링)이나 회전 비행력이 뛰어나다.

이를 모방한 '날개짓' 드론은 프로펠러 방식의 회전익보다 구조체가 유연하고 부드러워 충돌에 강한 장점이 있다. 소음저감 효과도 우수하다.

날개짓 드론 제어 기술을 개발한 아주대 강대식, 한승용, 고제성 교수(이상 교신저자, 왼쪽부터)

제1저자인 아주대 김태위, 홍인식 박사와 임성훈 연구생, 조지아 공대 노승은 연구생.(왼쪽부터)

그러나 이들 날개짓 드론은 회전익 드론 제어 방식을 사용하기 때문에 정지 체공은 가능하지만, 바람을 타고 비행하는 장거리 비행에는 한계가 있다.

연구팀은 이 점에 착안해 비행 곤충 날개의 종 모양 감각기관 ‘컴패니폼 센실라’처럼 바람에 의한 날개 변형 정도를 감지하고, 이 정보를 활용해 신속하게 비행을 제어할 수 있는 초경량 고민감도 균열센서를 개발했다.

김태위 박사는 "이번에 개발한 비행 시스템은 기존의 드론 비행 제어 시스템이 갖춘 가속도계 없이 날개 변형과 바람변화, 자신의 상태를 정확히 감지할 수 있다"고 부연 설명했다.

컴패니폼 센실라'는 날개 변형정도를 감지하는 것으로 알려진 비행곤충 감각기관이다. 잠자리 날개 하나에만 약 80여 개가 분포한다.

연구팀은 초민감-초박막 균열기반 센서로 '컴패니폼 센실라'를 모사, 상용 날개짓 드론에 부착했다. 날개변형에 따른 신호변화를 수집하고, 최신 인공지능 제어기법인 강화학습 소프트-액터-크리틱(Soft-Actor-Critic) 알고리즘으로 날갯짓 드론 제어에 성공했다.

날갯짓 곤충과 날갯짓 드론에서 날개 변형을 감지하는 메카니즘을 보여준다.(그림=아주대)

실험 결과 새로운 비행 제어 시스템(Fly-by-Feel)은 비행 중 바람 방향과 세기를 약 80%의 높은 정확도로 분류했다. 3m/sec으로 바람이 부는 환경에서도 드론이 목표 지점으로 날아가 제 위치를 유지할 수 있다. 바람이 불지 않는 환경에서는 스스로 비행 경로를 추적해 사용자가 지정한 6가지 경로로 비행할 수 있다.

강대식 교수는 “실효성을 검증한 데 의의가 있다”며 “이번 결과가 정지체공 뿐 아니라 글라이딩이 가능한 날갯짓 드론 개발의 단초가 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

교신저자는 아주대 강대식·한승용·고제성 교수다. 공동 제1저자는 아주대 김태위· 홍인식 박사, 임성훈 연구생과 노승은 연구생(조지아 공대) 등이다.