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드론은 조종사가 탑승하지 않고 외부에서 원격 조종을 하거나 자율비행을 통해 주어진 임무를 수행하는 무인비행체다. 형태·종류·목적에 따라 분류되는데 촬영, 농약 살포, 산불 감시 등 사용 범위가 다양하다. 드론은 무인택배 서비스, 3D 지형 모델링 등 여러 산업 분야에 새로운 솔루션으로도 활용되고 있으며, 군사적으로도 활용 범위가 점차 확대되고 있다. 

그동안 국방 분야에서도 다양한 드론 연구개발이 진행돼 왔다. 미국은 항공기 형태의 정찰용 무인기를 정찰 및 공격 임무에 투입해왔다. 수직 이착륙이 가능하고 자유롭게 방향을 전환할 수 있는 회전익이나 멀티콥터 형태의 드론은 감시·정찰, 군수 물자 수송 등 다양한 임무에 활용되고 있다. 국내를 보면 2018년 육군이 드론봇전투단을 창설했다. 드론을 작전에 투입하고, 이를 운용하는 장병을 육성하는 등 드론을 활용해 전투력을 끌어올리려는 노력을 기울이고 있다. 특히 육군은 군단·사단급 부대의 관할 권역에 16개 드론교육센터를 개설했으며 올 연말까지 2개소를 추가로 개설, 총 18개의 드론교육센터를 갖출 예정이다. 이를 통해 육군은 연간 최대 1000여 명의 ‘드론 전사’를 배출하게 될 것으로 보인다.

감시정찰의 핵심... 자율비행 드론 기술

국방 분야에서 드론은 작전 수행에 매우 중요한 요소로 자리 잡고 있다. 만일 전투원을 미지의 작전 현장에 투입하기에 앞서 드론이 환경을 정찰하고 지형 정보와 위험 요인을 식별할 수 있다면 아군의 생존율을 높일 수 있을 것이다. 또한 스스로 움직이는 드론을 상대 건물이나 벙커, 지하시설에 침투 시켜 내부 구조와 장애물 위치, 표적 등을 파악할 수 있다면 효과적으로 작전을 수행할 수 있다.

그렇다면 드론이 자율비행을 하기 위해선 어떤 기술이 필요할까. 환경 인식부터 자세 제어, 경로 계획, 통신 등 다양한 기술이 요구된다. 국방과학연구소는 "정찰 목적의 자율비행을 위해 여러 기술 요소 중 GPS와 통신을 사용할 수 없는 지역에서 드론 스스로 위치를 인식하고 정찰지역의 자동 맵 생성, 표적 인식 등을 중요하게 생각하고 있다"고 설명했다.

기본적으로 드론이 스스로 위치를 추정하기 위한 방법은 실외인지 실내인지에 따라 큰 차이가 있다. 실외의 경우 드론은 GPS를 통해 자신의 위치를 인식한다. 그러나 실내는 벽이나 장애물이 있어 GPS 신호를 수신할 수 없기 때문에 드론이 자신의 위치를 인식할 수 있는 다른 방법이 필요하다. 대표적인 방법이 ‘위치 측정 및 동시 지도화(SLAM·Simultaneous Localization and Mapping)’ 기술이다. 센서를 통해 주변 정보를 얻고 이를 이용해 주변 환경 지도를 작성한 뒤 지도 안에서 자신의 위치, 속도 등을 추정하는 방식이다. 영상 센서와 라이다(LiDAR) 센서의 융합을 통해 드론이 주변 지역을 스캔하고 지도를 작성해 자신의 위치를 추정하는 것이다

미래 드론, GPS 닿지 않는 지하 벙커에서 위치 스스로 인지하고 경로계획 수립

이 기술은 모바일 로봇 분야에서 활발히 연구가 진행돼 왔다. 최근 이 기술을 드론 플랫폼에 적용할 수 있는 연구가 진행 중이다. 고속 비행 환경에서도 사용할 수 있고, 소형·경량화 컴퓨팅 보드에서도 구현할 수 있는 기술 연구가 그것이다. 또한 관성 측정장치(IMU·Inertial Measurement Unit) 센서 정보를 융합해 항법 알고리즘의 정확성을 개선하려는 방법들이 개발돼 정확한 실내 비행이 가능해졌다.

드론은 이러한 SLAM 결과를 활용해 실내에서 자신의 위치를 인지하고 경로계획을 수립해 임무를 수행하게 된다. SLAM을 통해 얻은 지도는 드론 자율비행뿐 아니라 운용자가 표적의 위치를 파악하는 핵심 데이터로 활용될 수 있다.

드론의 실내 감시정찰은 다양한 기술이 필요하므로 산·학·연이 머리를 맞대고 있다. 국방과학연구소 국방첨단기술연구원에서는 기술변화를 신속하게 반영해 신개념 무기체계 소요를 선도할 수 있도록 미래도전기술개발 사업을 추진하고 있다. 다양한 프로그램을 통해 인공지능, 자율비행 등 신기술을 개발하고 있으며, 최근에는 기술경진대회를 열고 드론의 실내 자율비행 능력을 확인하기도 했다. 국방과학연구소가 주제를 제안하고 민간팀이 참가해 경연을 벌인 이 대회는 현 기술 수준과 목표 달성 가능성을 확인하는 자리가 됐다.

국방과학연구소는 "드론으로 상대 벙커나 지하시설을 정찰하기 위해서는 플랫폼의 소형화, 비행시간의 장기화, 프로펠러 소음 감소, 제한적인 조명 극복 등 많은 기술과 노력이 필요하다. 단일 드론으로는 임무에 한계가 있어 최근에는 소형의 다수 군집 드론을 활용한 군집 임무계획에도 집중하고 있다"며 "국내 연구진이 함께 노력해 자율비행 드론 분야 기술 발전을 이뤄 국방에 활용하는 날을 기대한다"고 밝혔다.  

  안승회 기자 l