권철현 기계공학과 교수

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“단순히 연구하고 개발하는
것에서 나아가 그 결과들을 실제 우리
일상에서 또는 새로운
기술력을 필요로 하는 곳에
어떻게 접목을 시켜 신뢰도 높은
모빌리티를 개발할 수 있을까를
고민한다.”

‘미래 도전 국방기술’은 4차 산업혁명에 발맞춰 기존 기술들의 인공지능(AI), 무인시스템(자율비행, 자율주행)등의 첨단기술과 연계하여 기존 무기체계를 뛰어넘는 신개념 무기에 쓰일 수 있는 혁신적인 기술을 말한다. 연구자로서 단순히 연구하고 개발하는 것에서 나아가 그 결과들을 실제 우리 일상에서 또는 새로운 기술력을 필요로 하는 곳에 어떻게 접목을 시켜 신뢰도 높은 모빌리티를 개발할 수 있을까를 고민해온 권철현 교수에게 이번 대회 참가는 당연했다.
“이번 대회에서 주어진 ‘GPS 및 조종자의 통신이 없는 환경에서의 비행기술 개발, 장애물 회피/통과 및 표적 인식 기술 개발 등의 제약 조건에의 자율비행 문제 해결방안 도출’이라는 목표가 우리 연구팀에서 꾸준히 연구한 내용을 통합해 그간 쌓아온 기술력을 점검해 볼 수 있는 기회라고 생각했습니다. 추후 이어질 후속 연구에 좋은 밑거름이 되기도 할 테고요.”
이번 대회를 통해 개발하고자 하는 핵심 기술은 도심 건물 내부 및 수풀 지역 등 복잡한 환경에서 독자 항법장비를 이용한 자율비행 및 자율 임무 수행 알고리즘이었다. 전장에서는 복잡한 건물 내부 또는 수풀, 산림지역과 같이 GPS 및 통신 불가 환경에서 임무를 수행하는 경우가 대부분이기 때문에 이러한 제약을 극복하고 자율적으로 임무 수행이 가능한 드론을 개발하기 위해서다.
대회에서 주어진 임무는 두 가지였다. 첫 번째는 제한시간 내에 편도(One-way)로 구성된 코스에서 2D/3D 장애물을 회피하면서 출구를 통과하는 것이고, 두 번째는 정해진 시간 내에 표적을 인식, 표적의 위치를 파악하고 원점으로 복귀하는 것이었다. 권철현 교수팀은 두 임무를 수행하기 위해 자율주행에서의 핵심 기술인 측위(위치/자세 추정), 인지, 판단, 제어 기법을 연구·개발했다. 자율 비행 시스템은 다양한 센서들을 활용하여 시스템을 구성하게 되는데 이때 더 많은 센서들을 활용할수록 더 많은 환경에 대한 정보를 얻을 수 있고 보다 안정적인 자율비행 시스템을 개발할 수 있다. 하지만 이번 대회에서는 추가적인 제약 환경으로 센서의 종류를 Camera, 2D LiDAR, 1D LiDAR 각 한 대씩으로 제한해 기술 구현에도 한계가 있었다.
“저희는 측위 기술 개발에 가장 많은 노력을 기울였습니다. GPS가 없는 제약 환경에서는 정확한 측위기술이 확보가 되어야 안정성 있는 비행을 할 수 있기 때문입니다. 알고리즘을 개발하고 상위 제어기와의 시스템 통합 단계에서 온보드 컴퓨터의 연산 문제가 발생해 처음 계획과 다른 알고리즘을 적용하여 최종 개발을 완료했죠.”
대회에서는 시상식과 함께 1, 2위 팀의 기술 공유 발표를 통해 서로의 차이점과 기술력을 확인할 수 있는 시간도 마련됐다. 그렇다면 국내외의 자율비행 기술은 어디까지 와 있는 걸까?
“제어, 경로계획, 인지 등 각각의 기술 모듈은 상당한 수준까지 연구 개발되었다고 봅니다. 그런데 각 모듈의 성능만 보면 안 됩니다. 각각의 기술들을 모두 통합한다고 바로 비행할 수 있는 게 아니거든요. 하드웨어에 따른 소프트웨어 모듈의 성능을 조정하여 기술 개발을 해야 합니다. 현재까지 사용되는 전체 시스템은 인지-계획-제어 등 순차적인 구조를 가져 어느 한 부분에서 지연이 생기면 전체 시스템이 지연되는 문제점을 가지고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 센서 입력을 바로 제어 출력으로 바꾸는 엔드 투 엔드(end-to-end) 딥러닝 기반의 솔루션들이 연구되고 있는데, 아직은 초기 연구 단계인 솔루션이라 특정 환경에서만 동작한다는 한계가 있습니다. 자율비행 드론의 상용화를 위해 이러한 종합적인 문제를 고려하고 다양한 환경에서도 잘 작동하는 솔루션들이 연구되어야 한다고 생각합니다. 저희도 이런 부분에 경쟁력을 갖추기 위해 노력하고 있고요.” 이번 대회는 자율비행에 한해 과제가 주어졌지만 권철현 교수의 고신뢰 모빌리티 제어 연구실의 연구 주제는 자율비행만이 아니다. 자율주행과 CPS도 연구하고 있다. “현재 우리가 사용하는 대다수의 시스템을 보면 거의 모든 시스템이 디지털화돼있습니다. 이를 사이버 물리 시스템(Cyber Physical System, 이하 CPS)이라고 하는데, 이 시스템에 사이버 공격을 통해 물리적 거동을 관장하는 센서 및 액추에이터에 오작동을 야기한다면, 치명적인 물리적 사고로 이어지게 됩니다. 간략한 예시로 이란에서 미군의 무인기를 해킹 후 포획한 것이 되겠죠. 이런 사이버 공격을 받았을 시 공격을 감지하고, 핵심 기능을 유지할 수 있는 고신뢰·고안전 CPS 개발을 위한 연구를 진행 중입니다.”
지난해 신생 연구팀으로 모여 이번에 처음 대회에 참가해 장려상을 받은 권철현 교수팀은 이미 내년 대회 참가를 결정했다. 올해의 경험을 발판으로 아쉬웠던 점을 털어낼 생각에 기대에 찬 팀원들의 눈빛이 반짝인다.

권철현 기계공학과 교수(뒷줄 가운데)와 연구팀