SUPER: 홍콩대 안전성 보장 고속 항공 로봇, 드론 내비게이션 혁신

새처럼 빠르고 안전하게 미지 환경 탐색하는 SUPER 드론 시스템

새들이 미지의 환경을 놀라운 속도와 민첩성으로 탐색하는 반면, 드론은 일반적으로 외부 유도나 사전 매핑된 경로에 의존합니다. 그러나 홍콩 대학교(HKU) 공학부 기계공학과 푸 장(Professor Fu Zhang) 교수와 연구자들이 드론과 마이크로 항공기(MAV)가 이전보다 훨씬 더 새의 비행 능력을 모방할 수 있게 하는 개발을 달성했습니다.

SUPER의 놀라운 성능 지표

팀은 초속 20미터(약 시속 45마일) 이상의 속도로 비행하고, 2.5mm(약 0.1인치) 두께의 장애물(전선, 나뭇가지 등)을 오직 온보드 센서와 컴퓨팅 파워만으로 회피할 수 있는 안전성 보장 고속 항공 로봇(SUPER)을 개발했습니다. 휠베이스 280mm(약 11인치), 이륙 중량 1.5kg(약 3.3파운드)의 컴팩트한 디자인으로 SUPER는 뛰어난 민첩성을 보여줍니다.

장 교수는 이 발명을 드론 기술 분야의 게임체인저라고 설명했습니다. "숲을 빠르게 기동하며 나뭇가지와 장애물을 고속으로 여유롭게 피하는 '로봇 새'를 상상해보세요. 이는 자율 비행 기술의 중요한 진전입니다. 우리 시스템은 MAV가 이전에 달성할 수 없었던 안전 수준으로 복잡한 환경을 고속으로 탐색할 수 있게 합니다. 드론에게 새의 반사신경을 주는 것과 같아서, 목표를 향해 경주하면서 실시간으로 장애물을 피할 수 있게 합니다."

하드웨어와 소프트웨어의 정교한 통합

돌파구는 하드웨어와 소프트웨어의 정교한 통합에 있습니다. SUPER는 핀포인트 정확도로 70미터(약 230피트) 거리까지 장애물을 감지할 수 있는 경량 3D 라이다(LiDAR) 센서를 활용합니다. 이는 비행 중 두 가지 궤적을 생성하는 고급 계획 프레임워크와 짝을 이룹니다: 미지 공간으로 모험해 속도를 최적화하는 것과 알려진 장애물 없는 구역 내에 머물며 안전을 우선시하는 것.

라이다 데이터를 포인트 클라우드로 직접 처리함으로써 시스템은 계산 시간을 크게 단축해 고속에서도 신속한 의사결정을 가능하게 합니다. 이 기술은 고대 유적지 자율 탐사 같은 다양한 실제 애플리케이션에서 테스트되었으며 실내외 환경에서 원활한 내비게이션을 입증했습니다.

"얇은 장애물 회피와 좁은 공간 탐색 능력은 초 단위가 중요한 수색 및 구조 같은 애플리케이션에 새로운 가능성을 엽니다. 야간을 포함한 다양한 조명 조건에서의 SUPER의 견고함은 24시간 운영을 위한 신뢰할 수 있는 도구로 만듭니다."라고 제1저자 윤판 렌(Yunfan Ren)은 말했습니다.

테크 브리프 독점 인터뷰: 장 교수

가장 큰 기술적 과제는?

"가장 큰 장애물은 숲이나 재난 지역 같은 알려지지 않은 지저분한 장소를 정말 빠르게 비행하면서 추락하지 않는 작은 드론을 만드는 것이었습니다. 오직 온보드 센서와 컴퓨터만 사용해 빠르게 생각하고 반응해야 했는데, 이것이 어려웠습니다. 드론은 멀리 있는 장애물을 발견하고, 몇 밀리초 내에 안전한 경로를 계획하며, 아직 완전히 보지 못한 영역의 숨겨진 위험을 피해야 했습니다. 이 모든 조각들(속도, 안전, 실시간 계획)을 작은 드론에서 함께 작동시키는 것은 거대한 과제였습니다."

간단히 설명하면 SUPER는 어떻게 작동하나요?

"SUPER는 시속 45마일 같은 고속으로 알려지지 않은 장소를 아무것에도 부딪히지 않고 질주할 수 있는 작고 초민첩한 드론입니다. 라이다라는 레이저 센서를 사용해 230피트 거리까지 나무, 전선, 벽 같은 장애물을 '보고' 주변 환경의 3D 지도를 만듭니다. 0.1초마다 SUPER의 온보드 컴퓨터는 두 경로를 계획합니다: 미탐색 영역이 안전하다고 가정해 속도를 최대화하는 빠른 경로와, 안전한 것으로 알려진 영역에 머물며 추락을 피하는 백업 경로. 외부 도움(GPS나 추가 컴퓨터) 없이 가장 좋은 경로를 선택해 빠르게 날면서 안전하게 유지합니다."

이 작업의 촉매제는?

"우리는 재난 지역에서 사람 찾기나 어려운 장소에서 물자 전달 같은 비상 상황에서 드론이 돕는 아이디어에서 영감을 받았습니다. 속도와 안전이 중요한 상황에서요. 대부분의 드론은 빠르게 날지만 추락 위험이 있거나, 이런 상황에서 유용하기엔 너무 느렸습니다. 우리는 틈새를 보았습니다: 오직 자신의 센서만 사용해 알려지지 않은 장소에서 빠르고 안전할 수 있는 드론을 만든 사람은 아무도 없었습니다. 그래서 우리는 새로운 레이저 센서와 스마트 계획을 결합해 수색 및 구조 같은 실제 과제를 처리할 수 있는 드론인 SUPER를 만들기 시작했습니다."

향후 연구 계획

"우리는 SUPER를 계속 개선하게 되어 기쁩니다. 한 가지 큰 계획은 사람이나 차량 같은 움직이는 물체를 더 잘 다루게 하는 것입니다. 다음에 어디로 갈지 예측해 더 부드럽고 안전한 경로를 계획하는 것입니다. 또한 더 나은 모터나 더 매끄러운 디자인으로 드론을 더 가볍고 공기역학적으로 만들어 더 빠르고 더 적은 에너지로 비행하게 하고 싶습니다. 더 작은 물체를 더 멀리 볼 수 있도록 라이다 업그레이드도 검토 중입니다. 게다가 GPU 같은 강력한 칩을 사용해 소프트웨어를 가속화하는 방법을 탐구 중이며, 미지 지역 탐사, 교량 점검, 빠르고 안전한 패키지 배달 같은 용도로 문을 열 것입니다."

추가하고 싶은 말씀

"SUPER가 낮이나 밤, 빽빽한 숲이나 좁은 공간 등 모든 조건에서 비행할 수 있다는 것이 특별합니다. 대부분의 드론이 볼 수 없는 2.5mm 전선 같은 초박형 장애물도 피할 수 있습니다. 이는 실험실 테스트뿐만 아니라 실제 작업에 대비가 되어 있음을 의미합니다. 예를 들어 움직이는 차 추적이나 붕괴된 건물 탐사가 가능합니다. SUPER가 재난 구호나 비상 대응 같은 어려운 상황에서 사람들을 실제로 돕는 연구에서 현실로 드론이 이동하는 것을 보여주게 되어 자랑스럽고, 더 실용적인 로보틱스 솔루션에 영감을 주길 바랍니다."

아이디어를 실현하려는 연구자들에게 조언

"사람들에게 중요한 실제 문제에서 시작하세요. 삶을 더 쉽거나 안전하게 만드는 것처럼요. 하드웨어를 잘 만드는 사람, 코딩을 잘하는 사람, 실무적 측면을 아는 사람 등 다른 기술 가진 이들과 팀을 이루세요. 컴퓨터 시뮬레이션과 실제 실험으로 아이디어를 일찍 자주 테스트해 문제를 발견하고 고치세요. 실패를 두려워하지 마세요. 각 테스트가 무언가를 가르쳐줍니다. 인내심을 갖고 계속 밀고 나가세요. 멋진 아이디어를 실제 세계에서 작동하는 것으로 바꾸는 데는 시간, 끈기, 많은 조정이 필요합니다."

트랜스크립트 요약

새들은 오랫동안 빽빽한 환경을 고속으로 탐색하면서 놀라울 정도로 낮은 실패율을 유지하는 능력으로 인간을 매료시켜 왔습니다. 마찬가지로 마이크로 항공기는 인간이 만든 가장 민첩한 기계 중 하나로 새와 같은 민첩한 비행을 달성할 잠재력을 가집니다. 인간 전문가들이 고속과 안전을 균형있게 유지하는 새와 같은 민첩성을 자율 비행에서 복제할 수 있지만, 현재 접근법은 종종 안전을 속도를 위해 희생하거나 그 반대의 경우입니다. 이는 중요한 질문을 제기합니다: 자율 MAV가 미지의 실제 환경에서 고속과 안전을 모두 어떻게 달성할 수 있을까요? SUPER라는 안전성 보장 고속 항공 로봇을 소개합니다. SUPER는 휠베이스 280mm, 이륙 중량 1.5kg로 컴팩트하며 추력 중량비 5.0 이상을 달성합니다. 360° 라이다 센서를 장착해 70m 거리까지 200,000Hz 초과 포인트 속도로 물체 감지 가능. 고급 라이다 기반 지각, 안전성 보장 계획, 최적 제어 모듈로 SUPER는 오직 온보드 센싱과 연산만으로 미지 환경을 20m/s 이상 속도로 탐색합니다. 극도로 복잡한 환경에서도 안전성을 저해하지 않고 민첩하게 기동합니다. 고급 라이다 기반 지각 시스템으로 SUPER는 전력선 같은 얇은 장애물을 효율적으로 감지하고 회피합니다. 2.5mm 미만 얇은 물체를 20밀리초 만에 식별해 최첨단 비전 기반 상용 제품이 상당한 어려움을 겪는 도전적 환경에서 정밀 내비게이션 가능. 라이다의 능동 감지 메커니즘으로 SUPER는 완전한 어둠에서도 전천후 작동 가능. 이러한 예외적 능력으로 SUPER는 다양한 실제 애플리케이션에서 테스트되었습니다. 실내외 공간을 원활하게 탐색하며 고대 유적지 자율 탐사 적용 가능. 안전 보장으로 빽빽한 숲 횡단 가능. 물체 추적 임무에서 실내외, 주야간 목표 근접 추적과 장애물 회피 가능. 고속 내비게이션 능력, 안전성 보장 설계, 견고한 성능으로 SUPER는 고속 자율 내비게이션의 실험실에서 실제 응용으로의 전환에 중요한 이정표를 표시합니다. 완벽하지 않지만 연구자들은 SUPER가 자율 배송, 점검, 매핑, 수색 및 구조 같은 미래 실제 시나리오에서 새로운 가능성을 열길 희망합니다.