삼성전자는 다수의 5G 기지국과 안테나가 설치되어 있는 수원 디지털시티에서 드론을 이용해 기지국과 안테나 시스템 설치 상태를 촬영해 서버에 전송한 후, 인공지능을 활용해 기지국과 안테나가 최적의 각도로 유지되고 있는지 분석해 현장 작업자에게 실시간으로 전송해주는 솔루션을 시연했다.

기지국과 안테나의 설치 각도는 서비스 커버리지를 결정하고 인접 셀과의 간섭을 최소화해 끊김 없는 초고속 이동통신 서비스를 제공하는데 핵심적인 요소이다.

기존에는 여러 엔지니어가 개별 국사를 일일이 방문해 무거운 측정 장비를 활용해 직접 측정해 비용과 시간이 많이 들고, 측정값의 오류 가능성도 있었다.

특히, 삼성전자의 이번 솔루션은 기지국과 안테나의 설치 각도를 드론을 활용해 측정하기 때문에 빌딩 등 높은 고도에 설치되어 있는 장비도 작업자의 안전 문제없이 손쉽게 확인이 가능하며, 장비와 근접 촬영이 가능해 측정 오차 수준도 최소화 할 수 있다.

삼성전자 네트워크사업부 네트워크 오토메이션(Network Automation)그룹 정서형 상무는 “5G 통신장비가 우리 주변 곳곳에 설치되기 시작하면서 빠르고 효율적인 네트워크 관리와 최적화 솔루션에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다”며, “올해 말 정식 출시될 이번 솔루션은 드론·인공지능·5G 등 첨단 기술을 활용해 보다 안전하고 현장에 쉽게 적용할 수 있는 최적화 기술이 될 것”이라고 말했다.

▲ 삼성 5G 네트워크 성능 최적화 솔루션을 탑재한 드론이 기지국 및 안테나에 근접해 사진을 촬영하고 있는 모습

▲ 삼성 5G 네트워크 성능 최적화 솔루션 개발자가 기지국과 안테나 각도 측정을 위해 원격에서 드론을 조종하고 있는 모습

▲ 수원 디지털시티에 구축되어 있는 기지국 모습

▲ 삼성 5G 네트워크 성능 최적화 솔루션을 탑재한 드론으로 촬영한 안테나와 기지국 정보를 스마트폰으로 확인하는 모습

지난겨울, 평창 밤하늘에 수호랑을 수놓았던 드론 쇼는 분명 감동적이었다. 하지만 당시 관객들이 간과한 게 하나 있다. 드론 스스로 하늘과 땅, 숲과 나무, 함께 비행하는 ‘동료 드론’을 알아보고 날아간 게 아니라 위성이 알려주는 공간 좌표에 따라 정해진 대로 움직였단 사실이 그것.

드론, 자동차처럼 운전하려면 ‘자율 비행’ 필수

무인 자동차가 거리로 나오려면 도로 환경을 스스로 인식할 수 있는 기술이 필요하다. 자율비행 드론이 도심의 하늘을 비행하려 할 때에도 마찬가지다. 물론 차이점은 있다. 무인 자동차는 공간적 여유가 비교적 많고 무게에 대한 제약 조건도 크지 않다. 대용량 배터리를 탑재하고 여러 대의 컴퓨터와 고성능 센서를 설치, 필요한 정보를 확보한 후 복잡한 알고리즘을 적용하면 주변 환경을 충분히 인식할 수 있다.

하지만 드론의 경우 상황이 좀 다르다. 일단 하늘을 날아야 하기 때문에 고성능 센서나 제어기를 탑재하기가 만만찮다. GPS[1] 기술을 활용하면 공간 좌표는 얻을 수 있겠지만 나무나 전신주, 건물을 인식하고 다른 드론과의 충돌을 피하게 만드는 건 굉장히 어려운 일이다. 무엇보다 목표 지점으로 날아가게 하려면 드론 스스로 주변 환경을 인식하도록 해야 한다. 이 지점에서 궁금증이 하나 생긴다. ‘만약 드론 택시가 실제로 존재한다면 어떻게 작동될까?’

드론 택시처럼 사람을 태울 수 있는 드론이 자동차만큼이나 널리 보급된다고 상상해보자. 비행기는 자가용(自家用)이라도 다른 기기와 수 킬로미터의 안전 거리를 유지하는 한편, 공항 관제탑과의 교신을 통해 자신(과 주변) 위치 관련 정보도 제공 받으며 운항한다(수 미터 떨어진 상태에서의 고속 편대 비행은 일부 파일럿만이 구사할 수 있는, 고도의 기술이다).

자동차 운전 상황을 떠올려보자. 좌우를 살피며 전방 주시에 신경을 써도 가끔 교통사고가 나는데 위아래, 전후좌우에서 드론이 날아다니는 상황이라면 어떨까? 드론 운전자의 기술이 얼마나 고도화돼야 할지 어렵잖게 상상할 수 있다. 더욱이 빌딩 숲으로 이뤄진 도심에서 GPS가 정확한 위치를 파악하는 일은 여간 어렵지 않다. 이런저런 상황을 짐작해볼 때 드론이 오늘날 자동차처럼 운전 가능한 기기가 되려면 자율 비행이 가능해져야 할 것이다.

자율 비행 드론의 기반 기술은 GPS 아닌 센서

드론에 탑재된 센서만 활용, 실내∙외 환경을 스스로 인식하며 비행하는 기술은 전 세계적으로 활발하게 개발 중이다. 드론 자율 비행 기술은 GPS를 기반으로 하지 않는다. 그 대신 드론에 장착된 각종 센서로 환경을 인식하고, 경로를 스스로 만든 후 장애물을 피해 원하는 목표 지점까지 비행한다.

이런 기술이 실제로 구현 가능하려면 크게 세 가지 기술이 필요하다. △주변 장애물과 드론의 상대적 위치를 인식하는 환경인식 기술 △GPS 없이 스스로의 동작과 위치를 인식하는 위치추정 기술 △목표 지점까지의 비행 경로를 생성, 이를 추종해 비행하는 제어 기술이 각각 그것. 드론이 안전하게 비행하려면 3차원 장애물을 스스로 인식하고 피하는 건 물론, 목적지를 향해 이동하는 동안 자기 위치나 자세도 인식해야 하기 때문이다.

주변 장애물이나 (비행하려는) 빈 공간을 인식하는 건 3차원 공간에서 ‘채워진’ 곳과 ‘빈’ 곳을 찾는 문제로 단순화할 수 있다. 이런 모델을 만들 때 가장 대표적으로 쓰이는 게 벨로다인(Velodyne) 센서, 그리고 스테레오비전[2]이다. 벨로다인 센서란 ‘라이다(LiDAR)’[3]로 불리는 레이저 거리 센서가 기계적으로 회전하면서 3차원 공간상의 물체 표면 좌표를 알려주는 장치다.

레이저 빔 수가 하나면 한 점에 대한 거리 정보를, (한 줄로 정렬된) 여러 개의 레이저 빔을 사용하면 평면에 그려진 물체에 대한 거리 정보를 각각 알아낼 수 있다. 라이다 센서 내 레이저 빔은 용도에 따라 최소 8개에서 최대 128개까지 다양하게 장착된다. 벨로다인 센서를 활용하면 이 라이다 센서를 기계적으로 360도 회전시켜 전 방향을 스캔할 수 있다.

환경 인식 실험서 ‘스테레오비전’ 활발히 도입

라이다 센서는 장단점이 뚜렷한 편이다. 가시광선 영역의 빛에 의존하는 카메라와 달리 밤에도 사용 가능하고 거리 정보를 직접적으로 얻을 수 있는 건 장점이다. 반면, 레이저 빔 수에 따라 정밀도(resolution)가 달라지기 때문에 라이다 센서가 확보한 이미지만으로 ‘길 건너는 사람’과 ‘바람에 날아가는 신문지’를 정확하게 구분해내긴 쉽지 않다(최근 우버 사고[4]에서도 이 같은 한계가 드러났다.)

여러 가지 문제가 있지만 라이다 센서는 여전히 무인 자동차 가동에 없어선 안 될 장치다. 하지만 큰 덩치 때문에 드론엔 널리 활용되지 못하고 있다. 지금도 일부에선 (무인 자동차에서 활용되듯) △소형 라이다를 기계적으로 회전시켜 △3차원 거리 정보를 생성한 후 △주변 환경을 인식해보려는 시도가 이뤄지고 있다. 만약 CCD 카메라[5]나 CMOS 센서[6]처럼 소형 칩(chip) 형태의 ‘장거리용 다채널’ 라이다 레이저 빔 센서가 개발된다면 무인 자동차는 물론, 드론 분야에서도 혁신적 기술 개발이 이뤄질 것이다.

라이다 센서의 크기와 무게, 비행하는 드론 위에서 동적으로 작동하는 단점, 전력 문제 등으로 인해 일부에선 벨로다인 센서 대신 스테레오비전에 의존한 환경 인식 실험을 시도하고 있다. 이 경우, 두 개의 카메라를 사용하면 사람 눈과 같이 물체의 형상뿐 아니라 대략적 거리 정보까지 알아낼 수 있다. 삼각측량법을 쓰면 카메라를 한 대 사용하더라도 서로 다른 관찰 시점 간 이동 거리를 기반으로 카메라와 물체 간 거리를 계산하는 게 가능하다.

IMU·카메라 센서 함께 쓰면 거리 정밀 측정 가능

GPS 없이 드론의 위치나 동작을 알아내는 기술은 오늘날 가장 활발히 연구되는 분야 중 하나다. 한 대의 카메라를 활용하는 ‘모노큘러비전슬램(monocular vision SLAM[7])’이 대표적이다. 이 기술의 핵심은 한 장소에서 획득한 이미지와 이동 후 획득한 이미지 간 공통점을 아주 빠르게 찾아내는 것이다. 이때 공통되는 부분이 (고정된) 물체라면 그 변화에서부터 드론(카메라)의 이동 속도를 계산할 수 있다.

이처럼 ‘이미지 간 동일 지점의 지속 추적 기술’은 카메라로 물체를 인식하고 인식된 물체(나 카메라 이동) 위치를 추정하는 기본이다. 그 과정에서 흑백 정도나 주변 픽셀과의 차이 등 이미지의 국부적 특징이 활용된다. 다만 카메라로 얻은 이미지는 빛의 조건에 굉장히 민감하기 때문에 빛이 부족한 밤 시간대엔 사용하기 어렵다.

좀 더 현실적인 방법은 IMU 센서[8]와 카메라 센서를 함께 사용, 드론의 움직임을 추정하는 것이다. IMU 센서는 3축 가속도센서[9]와 3축 자이로센서[10]를 조합, 지자기[11] 방향을 기준으로 교정(calibration)하며 움직임을 포착하는 센서다. 흡사 자동차 속도계처럼 드론의 속도를 알려주는 센서로 이 속도를 적분[12]하면 카메라 한 대로도 이동 방향이나 거리를 보다 정확하게 측정할 수 있다. 단, 오차가 있는 속도를 적분해 이동 거리를 계산하는 만큼 멀리 갈수록 정확도가 낮아지는 점은 감안해야 한다.

경로계획, 전역·지역으로 구분… 인공지능 활용

마지막으로 짚어볼 기술은 경로계획(path plan)이나 작동제어와 관련돼있다. 경로계획은 전역(global)경로계획과 지역(local)경로계획으로 나뉜다. 전자는 ‘현 위치에서 목표 지점까지 어떻게 이동할지에 대한 고민’, 후자는 ‘바로 앞 장애물을 어떻게 피해갈지에 대한 고민’이라고 생각하면 된다.

전역경로계획에선 출발 시점에 주어지는 정보를 활용, 현재 위치에서 목표 위치까지 이동할 방법을 찾는다. 주로 인공지능이 적용되며 굉장히 많은 풀이가 존재한다. 일단 경로가 생성되더라도 드론이 이동하는 도중 환경 상태가 바뀔 수 있는데, 이를 실시간으로 반영해 원하는 경로를 효율적으로 찾아내야 한다. 반면, 지역경로계획은 실제 드론 동작을 기반으로 가까운 장애물을 회피하며 비행할 수 있도록 설계하는 게 관건이다. 제아무리 예쁘게 만들어진 경로도 드론이 그걸 제대로 추종할 수 없다면 곤란하다.

간단한 예를 하나 들어보자. 이전 칼럼에서도 살펴본 것처럼 드론 중 가장 흔한 형태는 4개 모터로 구동되는 쿼드로터다. 3차원 공간에서 드론은 3개 위치(x·y·z)와 3개 각도(롤·피치·요[13])를 모두 제어해야 한다. 보통 땐 위아래(z)와 제자리 회전(요), 롤과 피치 등 4개 동작이 가능하고 수평 면에서 앞으로 날아가려면 몸체를 앞으로 숙여야 한다. 만약 드론 앞에 하나의 벽이 있고 그 대각선 방향으로 작은 틈이 나있다면 드론은 충분한 거리를 도움닫기 한 후에야 자세를 틀어 벽을 통과할 수 있다. 이는 흡사 평형 주차를 잘하려면 빈 주차 공간을 바로 옆에 두고 앞뒤로 왔다갔다해야 하는 것과 비슷한 이치다. 자동차와 달리 제자리에서 멈춘 후 방향 바꾸기가 쉽지 않은 것 역시 드론 경로 설정 시 어려운 점 중 하나다.

‘자율 비행 드론 레이싱’ ADR 2년간 치러보니

ADR(Autonomous Drone Racing Competition)이란 행사가 있다. 자율비행 드론 기술을 평가하기 위해 2016년 내가 만든 대회다. 그해 대전에서 열린 국제지능형로봇학회(IROS)[14]를 시작으로 지난해엔 캐나다 밴쿠버(IROS 2017)에서 두 번째 행사가 마련됐다. 올해 대회 역시 스페인 마드리드(IROS 2018)에서 개최될 예정이다(유튜브에서 ‘ADR IROS’를 검색하면 관련 동영상을 찾아볼 수 있다, 올해 행사 안내는 여기 참조).

ADR은 드론에 탑재된 영상 센서를 기반으로 정사각형(1.5mx1.5m) 게이트의 빈 공간을 순차적으로 인식, 먼저 통과하면 승리하는 대회다. 주요 평가 항목은 △급회전 시 대처 능력 △수평 지그재그(혹은 나선형 상향) 경로 △움직이는 장애물을 인식하고 피해가는 기술 등이다. 특히 장애물의 경우, 시곗바늘 같은 게 달려있어 계속 움직이므로 이를 피해 통과하는 게 중요하다. 게이트는 눈에 잘 띄는 오렌지색으로 제작되지만 서로 겹쳐 보이기 때문에 정확한 인식이 쉽지 않다. 팀별로 주어지는 시간은 총 20분(2017년 대회 기준). 그동안 각 팀은 자율비행 드론을 띄워 그 드론이 정해진 순서에 따라 되도록 많은 장애물을 통과하게 해야 한다. 비행은 여러 차례 시도할 수 있다. 단, 새로 시작할 땐 출발 위치를 엄수해야 한다.

첫 대회 등록 팀은 7개국 11개. 하지만 이런저런 문제로 실제 참가 팀은 3개뿐이었다. 지난해에도 6개국에서 14개 팀이 등록을 마쳤지만 출전을 최종 확정 지은 건 7개 팀, 행사 당일 자율비행을 시도한 건 5개 팀에 불과했다. 2017년 대회 우승은 13개 게이트 중 9개 게이트를 3분11초6[15]의 기록으로 통과한 멕시코국립천체물리∙광학∙전자공학연구소(INAOE)[16] 팀에 돌아갔다. 스위스 취리히연방공과대학교(ETHZ)[17] 의 데이비드 스카라무자(Davide Scaramuzza) 교수 팀은 8개 게이트를 35초 8의 기록으로 통과, 2위에 올랐다(스카라무자 교수는 드론의 비행 컨트롤러[18] 로 많이 사용되는 픽스호크를 개발한 주인공이기도 하다). 국내에선 카이스트(KAIST) 팀이 첫 대회에서 10개 게이트를 1분26초5의 기록으로 통과, 우승을 거머쥐었지만 지난해엔 연습 비행 도중 드론이 망가지는 바람에 안타깝게도 제 기량을 펼치지 못했다.

관건은 장애물 인식과 경로계획, 작동제어 기술

두 차례의 ADR을 치르며 자율비행 드론 기술이 무인자동차에 비해 아직 여러모로 부족하단 사실을 다시 한 번 깨달았다. 앞서 언급한 주요 기술은 말할 것도 없고 호버링[19] 같은 기기 제어 기술 수준 역시 마빅(Mavic)처럼 정교한 동작 제어 능력을 갖추기엔 역부족인 게 현실이다. 드론이 비행 도중 실시간으로 장애물을 인식하고 그 정보를 활용, 비행 경로를 생성하며 정확히 제어하는 기술은 여전히 세계 각국에서 활발하게 연구 중이다. 이런 기술이 무르익을 수만 있다면 ‘도심 드론 비행’도 먼 미래 일만은 아닐 것이다.

※이 칼럼은 해당 필진의 개인적 소견이며 삼성전자의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다

올 초 평창의 밤하늘은 오륜기∙스노보드맨∙수호랑으로 변하는 1218대의 드론 덕에 유난히 밝게 빛났다. 2018 평창동계올림픽 폐막식 당시 소형 드론 300대가 보여준 라이브쇼는 ‘아이언맨’ 윤성빈 선수의 질주가 돋보였던 스켈레톤, 어느덧 익숙해진 “영미!” 외침이 인상적이었던 컬링만큼이나 사람들에게 큰 감동을 선사했다.

영상 제작, 농업 관리… 최근엔 ‘드론레이싱’ 인기

드론은 현대인의 일상에 생각보다 훨씬 더 가까이 와있다. ‘1박2일’ ‘삼시세끼’ ‘윤식당’(이상 tvN) ‘도시어부’(채널A) 등 적지 않은 TV 프로그램이 드론으로 주요 장면을 촬영한다. ‘지미집(Jimmy Jib)’으로 불리는, 크레인 같은 구조물 끝에 카메라를 매달아 하늘에서 내려다보는 듯한 장면을 촬영하던 때가 있었지만 요즘은 드론을 써서 손쉽게 눈이 시원해지는 야외 광경을 확보한다.

선진국에선 이미 10여 년 전부터 드론을 영상 제작에 활용해왔다. 실제로 △뉴올리언스 허리케인(2005) △미국 캘리포니아 산불(2007, 이상 미국) △아이티 지진(2010) 등 자연재해 현장을 누빈 드론 촬영 영상은 셀 수 없을 정도다. 드론이 출현하기 전에도 소형 무인 헬리콥터에 카메라를 달아 항공 촬영을 시도하곤 했다. 하지만 엔진으로 구동되는 기체(機體)의 특성상 진동이 심한 게 문제였다. 반면, 드론엔 기체의 움직임을 보정할 수 있는 짐벌(Gimbal∙수평유지장치)이 탑재돼 이 같은 한계에서 비교적 자유롭다.

드론 활용 영역은 예상 외로 다양하다. 일례로 농지 작황을 파악하고 농약을 살포하는 작업, 거대 교각이나 플랜트를 점검∙감시하는 일에도 드론이 쓰일 수 있다. 또 하나 흥미로운 응용 분야는 프로 리그로 발전 중인 드론레이싱(drone racing)이다. 2016년 두바이에서 개최된 드론레이싱대회 ‘월드드론프리(World Drone Prix)’ 당시엔 한국 소년 김민찬(12)군이 ‘프리스타일’ 부문에서 최연소 우승을 거머쥐며 주목 받기도 했다.

드론레이싱은 쉽게 말해 무선 드론 조종 경주 대회다. 경주에 출전하는 파일럿은 헤드온고글을 쓴 채 드론이 비행하는 동안 실시간으로 들어오는 영상을 보며 드론을 조종한다. 드론에 장착된 카메라로 촬영된 이 영상은 FPV(First Person View) 형태여서 파일럿에게 마치 실제 드론에 탑승한 듯한 느낌을 선사한다. 최대 시속이 150㎞에 이를 정도로 속도감이 대단한데다 여러 장애물을 곡예 비행으로 통과할 수도 있어 레이싱 장면은 F1 자동차 경주대회만큼이나 박진감 넘친다. 해외에서 드론레이싱 프로리그가 시작된 건 2016년. 하지만 불과 2년여 만에 ESPN 등 스포츠 채널에서 전 세계 70여 개국에 경주 장면이 중계될 정도로 인기를 누리고 있다. 이 기세대로라면 조만간 F1에 버금가는 글로벌 스포츠 엔터테인먼트 사업으로 성장할 수도 있을 전망이다.

‘4개 모터 탑재형’이 일반적… 자세∙속도 자동 제어

드론이 단기간에 대중적으로 보급될 수 있었던 비결은 뭘까? 일단 드론은 무선조종(Radio Control, RC) 헬리콥터와 달리 일반인도 요령만 익히면 누구나 쉽게 조종할 수 있다. 뿐만 아니라 대당 가격도 일반인이 충분히 넘볼 수 있을 수준으로 내려왔다. 물론 그 과정에서 실로 다양한 기술이 적용됐다.

드론은 4개(혹은 6개) 모터가 쌍을 이뤄 시계 방향으로, 또 반시계 방향으로 회전하며 추진력을 얻어 날아간다. 4개 모터를 이용한 드론이 보다 일반적인데 이를 쿼드로터(Quadroter) 혹은 쿼드콥터(Quadcopter)라고 한다(흔히 ‘드론’이라고 하면 쿼드로터를 이를 때가 많다). 소형 엔진으로 구동되는 RC 헬리콥터와 달리 드론엔 BLDC 모터[1]가 탑재돼 제어가 좀 더 용이하다. 반면, 모터의 추진력만으로 띄워야 해 기체 무게를 줄이는 게 중요하다. 강성을 유지하면서도 기체 무게를 줄이기 위해 탄소섬유복합소재(carbon fiber)가 쓰이는 이유다.

또 하나, 드론을 일반인이 조종할 수 있으려면 모터 속도나 자세가 자동으로 제어돼야 한다. 일반적인 GPS의 정확도는 수 미터(m) 수준이다. 내비게이션 장치를 켜고 자동차 전용 도로를 주행할 때 평행하는 길이 있는 곳에서 가끔 내비게이션이 오작동할 때가 있다. 내비게이션 자체에 트래킹(tracking) 알고리즘이 탑재돼있지 않고 GPS 값만 보정, 위치를 인식하는 탓에 오차가 ‘두 길의 떨어진 거리 이상’ 나면 위치를 헷갈리는 것이다. 이와 달리 드론에선 △동작을 감지할 수 있는 MEMS[2] 기반 IMU[3] △바닥을 보며 광학적 흐름(optic flow)를 읽어내는 카메라 센서 △외부에서 위치는 알려주는 GPS 등이 복합적으로 작동, 자동 자세 제어가 가능하다. 누구나 쉽게 드론을 조종할 수 있는 비결이다.

지금껏 살펴본 드론은 모두 ‘직접 조종’ 방식으로 제어된다. FPV 형태로 보든 맨눈으로 보든 파일럿이 드론 비행 동작을 느끼고 살필 수 있는 것. 사람이 조종하더라도 드론 제어의 상당 부분은 이미 자동화됐다. 쿼드로터의 경우, 4개 모터 속도가 잘 제어돼야 원하는 대로 움직일 수 있다. 마주 보는 모터가 짝을 이뤄 시계 방향, 혹은 반시계 방향으로 회전한다. 한쪽 방향으로만 돈다면 공중에 떠오르는 추진력은 얻을 수 있지만 몸체가 반대 방향으로 회전하게 된다. (모멘텀이 일정해야 하니까!) 헬리콥터도 이런 몸체 회전을 막기 위해 자그마한 꼬리 날개가 돌고 있다.

쿼드로터는 2개의 짝으로 모터 회전 방향을 달리해 몸체 회전 문제를 해결한다. 공중에 떠오른 드론은 상하좌우, 그리고 롤(Roll)[4]∙피치(Pitch)[5]∙요(Yaw)[6] 등 모두 여섯 방향으로 움직일 수 있다. 하지만 제어할 수 있는 건 4개 모터 속도다. 즉 2개의 자유도가 부족한 부족자유도 시스템이다. 평행주차, 즉 △주차 공간에 나란하게 차를 위치시키고 △운전자 어깨 선에 앞쪽 경계선을 맞춘 후 △핸들을 꺾어 후진하여 들어간 다음 △다시 반대 방향으로 핸들을 꺾는 등 차량을 옆으로 움직이기 위해 앞뒤로 조작하는 상황을 떠올리면 이해하기 쉽다.

드론은 4개의 모터를 제어해 여섯 방향의 움직임을 만들어낸다. 사람이 조종하는 드론 역시 4개 모터를 적절히 제어해 원하는 방향으로 날려보낼 수 있도록 설계된다. 드론에서 이런 성능을 수행하는 게 비행 컨트롤러(flight controller)다. 드론이 땅과 수평 방향으로 움직이려면 우선 자세를 움직이고자 하는 방향으로 숙인 후 4개 모터 속도를 높여야 한다. 바로 이 과정에서 비행 컨트롤러가 작동한다.

‘바둑돌 1000개 한 명이 동시에 움직이는’ 정교함

▲ 불빛을 머금은 드론들이 하늘에 활자를 만드는 쇼를 선보이고 있다 (출처 : 인텔 ‘슈팅스타’ 드론 공식 홈페이지)

수많은 드론이 한꺼번에 비행하며 조직적 움직임을 만들어 내려면 더 많은 부분에서 자동화된 제어가 이뤄져야 한다. 평창 드론쇼를 예로 들면 오륜기∙수호랑 등 구체적 대상의 모양이 점으로 표시된 후 드론이 각 점의 위치로 이동해야 한다. 이때 조종자는 각 드론의 위치를 센티미터(㎝) 단위 정확도로 제어할 수 있어야 한다.

평창 드론쇼를 연출한 ‘슈팅스타’ 드론 팀은 지상에 베이스 스테이션(base station)을 두고 GPS의 위치 정확도를 높인 RTK(Real-Time Kinematic) GPS를 이용해 드론 위치를 인식했다. 모든 드론의 위치를 정확히 측정, 원하는 방향으로 움직여 특정 형상을 만들어내는 일은 흡사 1000개의 바둑돌을 동시에 움직이는 것과 같다. 그 작업을 한 사람이 동시에 수행하는 것, 바로 그 일을 슈팅스타 팀이 평창에서 해냈다.

그렇다면 미래의 드론은 어떤 모습일까? ‘스타워즈’ 시리즈나 ‘제5원소’와 같은 영화 속 미래 풍경엔 ‘드론 택시’가 등장한다. 드론 택시엔 ‘로봇 파일럿’으로 표현되는 자율 비행 기능이 있어 빌딩 숲 사이를 스스로 인식하며 질서 정연하게 날아 다닌다. 2차원 평면에서 1차원 길을 따라 움직이는 무인자동차와 달리 자율 비행 드론은 3차원 공간에서 비행해야 하는 만큼 무인자동차와는 또 다른 문제를 내포하고 있다. 다음 회에선 자율 비행 드론에 대해 얘기하고자 한다.

※이 칼럼은 해당 필진의 개인적 소견이며 삼성전자의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다

[1] brushless DC motor. 코일을 기계적인 브러시가 아닌 트랜지스터로 변환하는 것으로 브러시가 없기 때문에 스파크가 발생하지 않고 가스 폭발의 위험도 없다. DC 보통 모터보다 수명이 길기는 하나 값이 비싼 것이 흠이다.
[2] Micro Electro-Mechanical System(초소형 전자기계 체계)
[3] Inertial Measurement Unit(관성 측정 장치)
[4] 좌우로 회전하는 것
[5] 앞으로 쏠릴 때 기울어지는 방향
[6] Z축 뱡항으로 회전하는 것

(※이 기사는 참여자들의 개인적 생각을 기반으로 작성된 것인 만큼 삼성전자의 특정 제품이나 사업과는 무관합니다)

#1. 스마트 사이니지에 ‘맞춤형 큐레이션’ 접목하면 어때?

스마트 사이니지(smart signage)는 디스플레이 등에 영상과 정보를 표시하고 이를 네트워크로 원격 관리하는 융합 플랫폼이다. “생동감 넘치는 스마트 사이니지에 사물인터넷(Internet of Things, IoT)을 접목, 큐레이션 서비스를 제공한다면 일상이 훨씬 편리해질 것”이란 게 대학생 기자들의 공통된 의견이었다.

#2. IoT, 잘만 활용하면 정신질환 치료에도 효과적일 거야

이날 마주한 대학생 기자 5인방의 대화는 ‘IoT가 인간 삶에 어떻게 온기를 불어넣을까?’에 관한 주제로 이어졌다. 특히 이날 토론의 주제는 ‘IoT로 구현된 스마트홈’ 쪽으로 집중됐다. 특이했던 건 “IoT가 정신질환 해소에 유용할 수 있다”는 김동찬씨의 견해였다. 일부는 “유괴 등 어린이 대상 범죄 예방 수단으로도 활용될 수 있을 것”이란 견해를 내놓기도 했다.

#3. VR, 거동 불편한 환자에게 색다른 경험 제공 수단 될 거야

오늘날 가상현실(Virtual Reality, VR)은 게임 분야에서 특히 주목 받고 있다. 하지만 대학생 기자단은 머지않은 미래에 VR이 기술 훈련에 널리 쓰일 거라고 예상했다. “VR을 심리 치료 수단으로 활용하면 좋을 것 같다”는 의견도 눈길을 끌었다.

#4. 드론, 취미로 ‘우주사진 촬영’도 가뿐히 할 날 오겠지?

아직까진 ‘취미용 기기’로서의 용도가 주를 이루는 무인항공기 드론(drone). 미래엔 어떤 모습으로 변화할까? 드론은 앞선 주제와 비교했을 때 대학생 기자들의 상상력을 한층 자극시킨 주제였다. 드론을 통한 우주 사진 촬영, ‘반려 드론’ 등 다양한 의견이 쏟아져 나왔다.

스마트 사이니지와 IoT, VR에서부터 드론까지…. 이날 대학생 기자단 다섯 명이 종횡무진 수다 떨며 나눈 얘기 중 일부는 다소 허무맹랑하게 느껴졌다. 하지만 마냥 웃어 넘길 일은 아니다. 언젠간 이때 나온 시나리오가 실제로 구현될 수도 있을 테니까. 불과 수십 년 전만 해도 ‘필수품’으로 자리 잡을 거라곤 누구도 예상치 못했던 스마트폰이 바로 그 증거 아닐까?

CES 2016 행사가 열리고 있는 미국 라스베이거스!
2600㎡(약 790평) 규모의 삼성전자 부스에선 사물인터넷의 미래를 체험할 수 있는데요.
현장을 직접 보지 못해 아쉬워하는 독자들을 위해 삼성전자 뉴스룸이 특별히 부스에 드론(drone)을 띄웠습니다.
드론이 부스 곳곳을 누비며 촬영한 특별 영상, 지금 바로 확인하세요!

최근 ‘드론(drone)’이란 용어가 매스컴에 심심찮게 등장하고 있다. 일상생활에서도 비교적 손쉽게 접할 수 있을 정도다. 나영석 PD의 ‘꽃보다…’ 시리즈 등 TV 프로그램에선 드론을 공중에 띄워 제작한 일명 ‘헬리캠(helicam, helicopter camera) 영상’이 나오고, 주말 한강 일대 공원에서도 취미용 드론으로 서울시 경관을 촬영하는 시민을 쉽게 볼 수 있다. 세계 최대 온라인쇼핑몰 아마존(Amazon)은 상품을 중개하는 유통 영역에서 상품의 보관과 배송을 담당하는 물류 영역으로 사업을 확장하며 상품 배송 서비스에 드론을 도입하기도 했다.

▲ 최근 대형 마트에서 판매를 시작한 드론(출처: 롯데 하이마트/출처가 명기된 이미지는 무단 게재, 재배포할 수 없습니다)

오늘날 드론은 방송 촬영과 재난 구호, 단순 취미(성인), 완구(어린이) 등 다양하게 사용되고 있다. 국내외 대형 마트와 온라인 마켓에서도 누구나 드론을 구입할 수 있다. 취미용 기기는 비전문가도 손쉽게 조종할 수 있을 정도로 조작법이 단순해졌으며 대당 가격도 10만 원대까지 떨어졌다.

가장 먼 조상은 중국 장난감 ‘대나무잠자리’

드론은 무인비행체(UAV, Unmanned Aerial Vehicle)의 일종이다. ‘벌이나 풍뎅이 같은 곤충이 날개를 빠르게 떨면서 내는 소리’를 뜻하는 영단어 ‘drone’에서 유래했다. 당초 드론은 군사용 기기였다. 목표물을 겨냥할 때, 혹은 적군의 비행이나 미사일 공격을 유도하는 미끼로 적의 전력을 파악할 때 주로 사용됐다. 시간이 좀 더 흐른 후엔 인명 피해 염려 없이 적진에 정찰 비행을 보내거나 폭발물을 탑재해 적진에 떨어뜨리는 등 보다 적극적 용도로 쓰였다. 미국 IT 전문 월간지 와이어드(Wired)에 따르면 2012년 현재 미국 공군이 보유한 비행기 석 대 중 한 대는 드론을 포함한 무인비행체다(2015년 1월호).

요즘 주목을 끌고 있는 드론엔 대부분 모터로 회전하는 소형 프로펠러가 여럿 달려 있다. 드론의 ‘가장 먼 조상’을 굳이 꼽자면 아시아 지역의 전통 장난감인 대나무잠자리(bamboo-copter)라고 할 수 있다. 대나무 막대기를 칼로 깎아 적당한 각도로 파내고 ‘T’ 자형 날개를 만든 후 가운데 막대를 손으로 비벼 날아 올리는 이 장난감은 기원전 4세기 무렵부터 이미 중국에서 애용되고 있었다는 기록이 남아 있을 정도로 그 역사가 오래다.

15세기 이탈리아 화가·건축가·조각가 레오나르도 다 빈치(Leonardo da Vinci)는 ‘비행 나사(aerial screw)’라는 장치의 상상도를 그렸다. ‘비행기 발명의 선구자’ 중 한 사람인 19세기 영국 발명가 조지 케일리 경(Sir George Cayley)은 어릴 때 선물로 받은 중국 대나무잠자리 장난감을 갖고 놀며 ‘쉬이 날아오르는 비행체’에 대한 꿈을 키웠다. 그는 고무줄 밴드를 감아 프로펠러를 돌려 날리는 비행기 장난감을 만들었는데, 이 장난감에 열광해 실제 비행기를 만든 이가 바로 그 유명한 라이트 형제(Wright brothers)다.

하지만 드론의 개발 과정은 라이트 형제에서 비롯된 비행기 개발 과정과 사뭇 다른 노선을 걸어왔다. 일단 비행 방식이 근본적으로 다르다. 비행기는 처음엔 자동차처럼 엔진의 힘으로 바퀴를 굴려 빠르게 전진한다. 그렇게 힘을 받으면 날개 모양 때문에 날개 위아래 공기압 간 차이가 생긴다. 그 차이가 충분히 힘을 발하는 순간 기체(機體)가 날아오르게 된다. 이에 비해 드론은 날개에 연결된 모터를 빠르게 회전시키면 순식간에 날개 위아래 공기압 사이에 엄청난 차이가 발생하면서 회전과 거의 동시에 기체가 공중에 뜬다. 헬리콥터가 뜨는 것과 같은 원리다.

드론과 비행기는 에너지의 쓰임도 다르다. 비행기의 경우, 지표면에선 공기 저항이 크지만 일단 공중에 높이 뜨고 나면 공기 저항이 크게 줄어 비행에 그리 많은 연료가 들지 않는다. 그 덕에 한 번 연료 충전으로 꽤 장거리 비행을 할 수도, 수많은 사람과 화물을 나를 수도 있다. 반면, 드론은 헬리콥터처럼 뜨고 나는 작동 자체에 많은 에너지가 들어간다. 프로펠러 회전에 쓰이는 에너지가 엄청나기 때문에 사람을 태우거나 무거운 짐을 싣거나 하기엔 무리가 있다.

군사 작전, 경찰 임무, 로맨스… 자가용까지?

‘무거운 중량을 감당하기 어렵다’는 특성은 드론이 무인(無人)비행체로 개발되는 결정적 계기가 됐다. 자칫 한계로 작용할 수 있는 이 점을 역으로 이용, 사람이 직접 할 수 없거나 하기 힘든 일을 수행하도록 개발된 것이다.

군용(軍用) 드론은 이런 점에서 드론의 가장 전형적 활용 방안이라 할 수 있다. 적군을 마주하고 있는 상황에선 정찰·유인·공격 등 어떤 활동이든 인명 손상과 직결되므로 드론이 그 임무를 대신할 수 있다면 군사력 낭비를 줄일 수 있다. 최근엔 경찰에서도 드론 활용 빈도가 높아지는 추세다. 특히 무기 소지자와의 접촉 시도나 광범위한 지역 수색 등에서 단단히 한몫하고 있다.

민간 분야에서의 드론은 영상 촬영 분야의 ‘미션 임파서블’을 가능하게 해준다. 지난 2011년 미국 월스트리트의 ‘점령하라(Occupy)’ 시위를 생중계한 드론 ‘오큐콥터(Occucopter)’는 캘리포니아 남부 지역에서 밀렵꾼을 감시하는 데도 큰 역할을 했다. 한국에선 지난해 2월 경북 경주에서 발생한 마우나리조트 붕괴 사고 당시 드론이 본격적으로 등장했다. 그뿐 아니다. 화산 분화구나 바다 소용돌이 등을 위에서 내려찍는 영상도 카메라 탑재 드론을 통해 속속 만들어지고 있다.

최근엔 가볍고 견고한 탄소섬유 복합체를 소재로 한 드론의 등장으로 탑재 가능한 화물 용량이 늘어나 택배 분야의 ‘미션’을 수행하는 사례도 늘고 있다. 지난해 9월 독일 운송 기업 DHL이 띄운 드론은 악천후로 접근조차 어려웠던 섬 지역에 식량과 약품을 전달하는 택배 임무를 성공적으로 완수하기도 했다.

드론은 종종 재밌거나 로맨틱한 용도로도 쓰여 화제를 모은다. 지난 2013년 영국 런던의 한 레스토랑에 등장한 ‘웨이터 드론’은 손님이 애플리케이션(이하 ‘앱’)으로 주문한 초밥을 정확히 실어 테이블까지 나르는 데 성공했다. 지난해 겨울 미국과 유럽 일부 지역에선 ‘겨우살이 다발 밑에서 키스하면 사랑이 이뤄진다’는 속설에 기초해 드론을 활용, 연인 고객 머리 위로 겨우살이 다발을 날라주고 실제로 키스한 커플은 촬영해 비디오 클립을 제공하는 이벤트를 진행해 인기를 끌었다.

하지만 뭐니 뭐니 해도 드론의 가장 강력한 특성은 ‘수직상승비행’에 있다. 수직상승비행은 드론의 ‘부모’ 격인 헬리콥터, 그보다 훨씬 더 전신(前身)에 해당하는 나선(spiral) 회전 프로펠러 응용 장난감과 실험적 비행체의 계보를 잇는 공통점이기도 하다. 탑재 가능 용량이 크지 않다는 한계만 개선된다면 드론은 자가용과 같은 소규모 비행체로 개발될 수도 있을 것이다. 활주로가 필요 없으니 집 마당에서 띄워 올려 회사 현관 앞에 착지시킬 수도 있다. 교통 체증 때문에 짜증 낼 일도 없고, 창공을 시원하게 가르며 출퇴근할 수 있어 직장 생활은 한층 즐거워질 것이다. 공상과학소설에 종종 등장하는 ‘1인 비행체’가 머지않아 실현될지도 모른다.

선두 업체 기업가치 9조 원에 이르기도

드론이 세계적 이슈가 된 건 폭넓은 상업적 활용도 덕분이다. 당장 아마존이나 DHL 같은 유통 기업이 드론의 상용화를 추진하는 것만 해도 드론을 활용하면 운송에 드는 비용과 시간을 획기적으로 절감할 수 있기 때문이다. 실제로 드론의 활용도는 무궁무진해 드론 산업에 진출한 기업가치 역시 빠르게 상승하고 있다.

2015년 5월 현재 전 세계적으로 손꼽히는 드론 업체는 중국 DJI, 프랑스 패럿(Parrot), 3D로보틱스(3D Robotics) 등이다. 이 중 DJI는 최근 벤처캐피털 업체 액셀파트너스(Accel Partners)에서 약 80억 달러(약 8조6000억 원)의 기업가치를 평가받으며 액셀파트너스 역대 최고 투자액(7500만 달러)을 투자받았다. DJI의 올해 예상 매출액은 10억 달러(약 1조1000억 원)다.

미국과 일본은 물론, 유럽 주요 국가에선 드론이 일상 영역까지 파고들었지만 국내에선 여전히 군사·공공 분야에 집중된 게 사실이다. 하지만 “조만간 국내에서도 상업용 드론 시장이 크게 성장할 것”이란 게 전문가들의 한결같은 예측이다. 지난달 22일 서울 강남구 테헤란로에서 열린 ‘드론 세미나’는 이 같은 전망을 방증한다. 인터넷 벤처생태계 발전을 목적으로 하는 비영리 민·관 협력 단체 스타트업 얼라이언스가 주최한 이 세미나엔 100여 명의 참석자가 몰려 드론에 대한 업계의 뜨거운 관심을 보여줬다.

이미 상당수의 국가가 법적으로, 혹은 기타 행정적·사회적 장치를 통해 드론 활용 기준을 정하려 노력하고 있다. 하지만 관련 제도가 시장 변화를 제대로 따라가지 못하는 모양새다. 현행 항공법 자체가 유인(有人)항공기 위주로 돼 있어 드론에 관한 구체적 규정 자체가 없다시피 한 실정이다. 드론 운행과 촬영이 허용되는 주파수는 10㎽에 불과한데 이 주파수론 조종 가능거리가 최대 200m에 불과하다. 제도상으로도 ‘고도 150m, 눈에 보이는 거리 내’에서만 조종할 수 있도록 정해져 있다.

드론 업계가 시장의 탄력을 받으며 날로 성장하고 있지만 그 그림자도 커가고 있다. 비행 중인 드론은 행인을 다치게 할 수 있다. 크고 작은 범죄를 저지르기 위한 수단으로 드론을 이용할 가능성도 존재한다. 단순히 악의를 갖고 열린 창으로 드론을 집안에 들여보내 피해 주는 것 역시 아주 쉬운 일이다. 올 1월 26일(이하 현지 시각) 미국 워싱턴D.C. 백악관 뜰에서 발견된 상업용 드론은 한 드론 애호가의 실수가 빚어낸 해프닝으로 끝났지만, 지난 14일 역시 백악관 인근에선 일반인이 의도적으로 백악관 안쪽에 드론을 진입시키려다 체포되기도 했다.

드론은 비교적 가까운 거리에서 무선장치를 통해 동체를 조정하도록 돼 있다. 이때 발생하는 주파수가 인근에서 사용 중인 전자제품의 작동을 방해할 수 있는 점도 우려 사항 중 하나다. 이 같은 이유로 미국 텍사스주(州) 오스틴에서 열리는 뮤직 페스티벌 ‘사우스 바이 사우스웨스트(SXSW)’ 주최 측은 지난 3월 개최된 올해 행사 당시 공연장 내부에서의 드론 촬영을 금지했다. 드론세미나에 참석한 한 드론업체 관계자는 “드론산업이 활성화되려면 국내에서도 비행 규칙이나 전자제품 관리, 민·형사 처벌 문제 등 다양한 분야에서 새로운 통합적 조정이 이뤄져야 한다”고 말하기도 했다.

성패 좌우할 핵심은 ‘관련 소프트웨어 개발’

드론 산업과 관련, 한편에선 “다른 정보통신기술(ICT)나 모바일 산업처럼 드론 산업을 국가적으로 양성할 필요가 있다”고 목소리를 높인다. 아닌 게 아니라 드론은 다양한 IT 기술의 총체라 할 만하다. 비행체로서의 하드웨어인 외형에 △‘비행 장치’로 대표되는 비행 관련 기술 △무선 신호로 기체를 움직이는 원격제어 기술 △드론 자체의 임무 수행과 관련된 데이터 처리 등 무수한 IT 기술이 결합돼 있기 때문. 특히 드론을 쉽고 정확하게 움직이게 하려면 인간을 대신해 컴퓨터가 해줘야 할 부분이 적지 않다.

드론은 몇 쌍의 프로펠러를 이용해 날고 움직인다. 이 프로펠러들의 회전 방향과 속도 조절 정도에 따라 뜨고 내리며 공중에 머물러 있거나 방향을 바꾸는 등의 모든 동작이 조절된다. 취미 수준의 드론 조종에선 이 모든 과정에 사람이 개입한다. 하지만 드론이 보다 본격적으로 이용될 경우 지금까지처럼 사람이 전적으로 조종을 맡게 되면 일이 너무 많아져 집중력 저하 현상이 나타나며 자칫 큰 사고로 이어질 수 있다.

바로 이 과정에서 드론 관련 소프트웨어 산업의 중요성이 대두된다. 바람 세기나 지표면·목표물·장애물 등과의 거리, 프로펠러별 작동 상태, 조종자가 제시하는 방향으로의 진행 등 다양한 요인에 관한 정보를 재빨리 처리할 수 있는 소프트웨어 유무가 드론의 성패를 좌우할 수 있다는 얘기다. 최근엔 스마트 기기용 앱을 활용한 드론 조종 소프트웨어가 각광 받고 있기도 하다.

“기존 헬리콥터 모형은 작동하기 매우 복잡합니다. 사람이 헬리콥터 장치를 일일이 조정해 기체를 띄워 올리는 건 불가능하죠. 복잡한 기계를 최대한 단순하게 만드는 게 바로 소프트웨어입니다. 소프트웨어는 드론이 안정적으로 비행할 수 있도록 환경을 감지하고 방향을 잡아갑니다.” 호르디 무뇨스(Jordi Munoz) 3D로보틱스 창업자 겸 최고경영자(CEO)는 지난달 8일 미국 경제지 월스트리트저널과의 인터뷰에서 이렇게 말했다. 무뇨스의 발언에서도 ‘드론 개발의 핵심은 소프트웨어 개발’이란 사실이 다시 한 번 확인된 셈이다. ‘정보통신·처리 기술 강국’ 한국의 드론 산업 진출 가능성이 여전히 희망적인 이유다.