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오늘날 사람들이 온라인에서 구매한 물건들은 드론에 의해 배달될 날이 멀지 않았다. 무엇보다 드론이 운반하는 포장물들이 목적지까지 정확히 도착하게 하는 것이 중요하다. 이를 위해 과학자들은 그들 스스로가 중간 비행 ‘상태’를 모니터링 하는 로봇 비행 프로그램을 개발하기위해 애쓰고 있다.
드론은 원격으로 조종하는 무인 항공기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)를 통칭한다. 조종사가 리모컨 등으로 조작하지 않아도 미리 장착된 프로그램에 따라 비행할 수 있다는 점에서 무선조종기와 다르다. 몇 년 전만 해도 드론 또는 무인 항공기는 사실상 잘 알려지지 않았다.
교육·군사용 넘어 사용범위 넓어져
최초 무인 항공기는 1916년 군인 출신 과학자 아키볼드 로가(Archibald Low)가 무기를 실은 비행체가 먼 거리의 적을 타격하거나 조종사의 안전을 위해 만든 군사용이다. 1930년대에 이 무인 항공기의 비행 소리가 윙윙거리는 수컷 벌과 같다는 이유로 ‘드론’이라는 이름을 붙였다. 그동안 드론은 교육이나 훈련 목적으로 사용됐다. 이후 드론은 이스라엘의 레바논 침공 때 처음 실전에 투입됐다. 미군은 분쟁 지역에서 미군의 피해를 줄이기 위한 군사작전에 드론의 사용을 늘려왔다.
드론 제정법을 조사한 미국 상원 사법위원회의 패트릭 리히(Patrick Leahy) 의장은 “드론이 국내에서 사용될 경우 감시와 여러 정보를 수집하게 돼 수백만 미국인들의 일상에 광범위하고 중요한 영향을 미칠 것이라고 본다”라고 주장했다. 이처럼 무인 항공 기술에 대한 불안은 오늘날에도 여전히 남아 있다. 그러나 감시가 때로는 긍정적인 결과를 가져오기도 한다. 한 예로 미국 텍사스에서 고기 핏물을 몰래 버린 농장주가, 우연히 드론으로 강을 관찰하던 무인 항공기 취미자에게 걸려 신고 당하는 사건이 있었다. 이제 무인 항공기의 사용은 스파이 작전이나 군사 기술에만 한정되지 않는다.
컬럼비아에 있는 미주리대에는 저널리즘 전공 학생들이 배울 수 있는 드론 수업이 있다. 학생들은 드론을 정보 수집의 도구로 사용해 비디오, 사진, 탐사보도 등을 수행하는 법을 배운다. 이를 통해 수마트라오랑우탄과 같이 나무 위에 살지만 쉽게 관찰하기 어려운 동물들의 생활을 관찰한 생태 결과를 저널에 게재한다.
야생동물이 밤에 농장을 뛰어다닐 때 열 감지 카메라가 장착된 드론을 사용해 피해를 예방할 수 있다. 시간도 절약하고 인간이 직접 진창길을 헤매지 않아도 되는 이점이 있다. 또한 드론은 동물 권리 옹호에 쓰일 수 있다. 사냥 반대 단체들이 불법 사냥이나 개인 동물에 대한 학대를 목격한다면 드론으로 이를 관찰한 후 증거로 제출할 수도 있다.
스키나 베이스 점프(건물, 다리 등 높은 곳에서 낙하산을 타고 내려오는 스포츠)와 같은 극한 스포츠의 사진이나 비디오를 찍을 때도 드론은 훌륭한 역할을 한다. 스포츠 활동 때 드론을 가져가 이륙시킨 후 자신을 따라오게 하는 식으로 사용한 후 다시 가방에 넣어두면 된다.
교통이 발달한 미국에는 4백만 개의 복잡한 이중 교차로가 있다. 그래서 사람이 두 눈으로 모든 도로를 주의 깊게 보기 힘들다. 이때 드론을 이용한다. 드론으로 도로나 다리를 점검하거나 레이저 매핑(laser mapping)으로 땅을 조사할 수 있고, 교통 체증이나 사고가 발생했을 때 공무원들에게 알릴 수 있다.
인간 신체의 한계를 넘어서
조지아공대 CONECTech 연구소 소장인 하비에르 이리재리(Javier Irizarry)는 “인간 육체적으로 제한되는 일을 드론이 대신 수행한다”고 말했다. 핵 사고가 발생한 지역과 같이 인간이 접근하기 어려운 곳에 들어가 생존자를 찾는 데 도움을 줄 수 있다는 뜻이다. 온라인 소매 대기업 아마존은 지난해 12월 한 가지 계획을 발표했다. 드론의 빠른 사용으로 어디서 소비자가 상품을 주문하든 반시간 내에 고객에게 전달하겠다는 내용이다. 그러나 제 시각에 안전하게 도착할 수 있게 하려면 작은 비행 로봇은 강한 바람, 연료 부족, 그리고 잠재적인 센서 오류와 같은 상황들을 처리, 극복할 수 있어야 한다.
매사추세츠공과대학(MIT)의 항공 엔지니어 알리-아크바르 아가-무함마디(Ali-akbar Agha-mohammadi)는 “포장 배달과 같은 것들은 지속적으로 수행돼야 하기 때문에 필수적으로 시스템의 상태를 고려해야 한다”라고 진술했다. 아가-무함마디와 그의 동료들은 드론이 자신의 장비와 센서의 상태를 모니터링할 수 있는 컴퓨터 알고리즘을 개발했다. 이를 통해 드론의 문제를 방지할하겠다는 생각이다. 예를 들어 연료가 부족할 때 드론은 가장 가까운 충전 시설로 진로를 정한다.
또한 드론이 이륙 전에 목적지까지 가기 위해 가능한 모든 경로를 계산하는 능률적인 방법도 찾았다. 이로써 드론은 잠재적인 충돌도 피할 수 있게 됐다. 연구원들은 실제 환경에서 드론에 대한 모의실험을 해봤다. 우선 기계가 여러 배달을 수행하게 한다. 다음으로 과학자들은 상태-모니터링 시스템을 가진 것과 그렇지 않은 것의 수행을 비교해 봤다. 자가-모니터링 하는 드론은 고정된 드론과 같은 숫자의 포장물을 배달했으나 작은 문제와 고장이 있었다.
점점 발전하는 자가-모니터링 능력
자율 운반체들은 길을 찾기 위해 종종 마르코브 결정 프로세스(Markov decision process, MDP)라 불리는 의사 결정 방법을 사용한다. 마르코브 결정 프로세스는 각각의 활동 지점에서 다른 활동들로 가는 가능성의 나무다. 이 프로세스는 최소의 위험과 연관된 결정을 나타내 주는 경로들과 관련돼 있다. 그러나 마르코브 프로세스는 강한 돌풍 때문에 측정을 배제할 수 있는 현실 세계에서는 잘 작동하지 않았다. 그래서 연구원들은 가능성의 나무(일종의 미래 예측 시스템)와 연관되지만, 결과가 발생하는 확률이 포함된 각각의 경로 지점이 제외된 형식의 방법을 사용해 봤다. 그러자 계산하기 어렵지만 가능한, 거대한 숫자가 도출됐다.
이어 이 계산을 더 관리하기 쉽게 하기 위한 분류가 진행됐다. 하나는 드론의 위치에 대한 경로를 유지하는 것(수송 계획)이고, 나머지는 수송기의 부품 상태를 모니터링 하는 것(미션-수준 계획)이다. 근본적으로 이 알고리즘은 수송기 계획을 가장 그럴 듯한 가능성의 수준까지 좁혀준다. 즉 드론이 이륙 전에 미리 계산되는 것과 공중에 떠 있을 때 스스로 미션-수준 계획을 하기 위한 컴퓨터 사용 기능이 갖춰지는 셈이다.
관련 연구원들은 가까운 미래에 새로운 상태-모니터링 시스템을 사용해 실제 포장물 운반에 관련된 드론을 테스트 할 계획을 갖고 있는 것으로 알려졌다. 이들은 시카고에서 개최되고 있는 ‘국제 지능형 로봇 및 시스템 컨퍼런스(IROS, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems)’에서 조만간 그 결과를 발표할 예정이다.
드론의 사용이 상용화된다면 결국 동적 감시카메라의 역할까지 수행할 수 있게 된다. 세상이 더욱 작아지고 인류가 가까워지고 있다지만, 인간 삶의 질도 풍부해질 수 있을지에 대해서는 앞으로 더 지켜봐야 할 과제다.
김재호 학술객원기자 kimyital@empas.com
