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도심 자율비행 드론을 위한 하늘 길을 열다
청주대학교 무인항공기학과 지능형로봇연구실 김상현 조교수

4차 산업혁명과 인공지능의 발달은 현대인의 삶의 모습을 근본적으로 변화시키고 있습니다. 특히 4차 산업 기술이 집약된 드론 기술 및 관련 서비스는 대표적인 미래 산업으로 꼽히고 있습니다. 불과 10년 전만해도 SF영화에서만 볼 수 있었던 하늘을 나는 택시, 드론을 이용한 택배, 재난구조, 문화재 보호 등 다양한 영역에서 실제 수요가 확산되고 있습니다. 하지만 상상이 현실로 실현되려면 넘어야 할 관문이 있습니다. 무엇보다 드론이 자율비행으로 도심을 날기 위해서는 건물이나 사람과 충돌하거나 추락할 위험을 방지하기 위해 사물인지기술이 필요합니다. 청주대학교 김상현 조교수가 도심 속 무인항공기가 자유롭게 비행하는 그날을 꿈꾸며 도전장을 내밀었습니다.

PART 1. 연구자의 길

김상현

도심형 무인항공기(드론)의 자율비행이라는 난제 해결에 도전하셨습니다. 교수님의 연구주제에 대해 소개해주세요.

드론이 건물과 사람을 피해 안전하게 비행할 수 있도록 기존의 위성 항법 시스템, 즉 GPS를 보조하는 기술을 연구하고 있습니다. 심층 신경망(Deep Neural Network)기술을 이용한 3차원 시맨틱 지도 작성 및 주변 환경 인식 기술과 3차원 정밀 위치 추정 기술이 주요 연구주제입니다. 드론은 GPS 정보로 자신의 위치를 인식하기 때문에 전파를 방해하는 요소가 많은 도심에서는 안전한 운용이 어려워 GPS만을 사용하는 자율비행 기술에는 많은 제약이 따릅니다. GPS 신호가 높은 빌딩과 같은 장애물에 부딪히면 신호 전파 경로가 틀어지고 이러한 신호를 네비게이션이 수신하면 위치정보가 왜곡됩니다. 2차원 도로를 달리는 자동차는 네비게이션의 정보 오류로 안전이 크게 위협받지 않지만, 3차원 공간에서 자율비행을 하는 드론은 GPS 정보에 왜곡이 발생하면 장애물과 충돌해 추락할 수 있습니다. 때문에 지금까지 자율비행 드론은 장애물이 거의 없는 개활지에서 주로 운용됐습니다. 도심에서 자율비행이 가능한 드론을 개발하여 다양한 미래 서비스를 창출하는데 일조하고자 합니다. 나아가 관련기술을 확장하여 도심형개인항공기 발전에도 기여하고 싶습니다.

김상현

대학원 시절부터 드론의 위치 인식 관련 연구를 하셨는데요. 관련 주제에 관심을 갖게 된 계기가 있나요?

대학과 대학원 모두 항공우주공학을 전공하였고 대학원에서는 인공위성이 영상 정보를 활용하여 다른 위성과 자동으로 도킹하는 연구 개발에 참여했습니다. 이 계기로 영상인식에 관심을 가지게 되었는데, 제가 박사과정을 수행하던 2016년에 알파고가 등장을 한 것입니다. 인공지능의 발전이 지금까지의 기술개발 방향과는 전혀 다른 패러다임을 제시하는 것을 목격하였고 알파고의 딥러닝 기술이 영상 인식 분야에 직접적으로 활용되는 것을 알게 되어 무인항공기 정밀 위치 추정 분야에 도입하고자 했습니다. 결국 박사 졸업을 남기고 연구주제를 딥러닝 기반 영상인식 기술로 확정하였고 다수의 실내 드론을 추적하는 연구에 도전했습니다.

김상현

산업체에 근무하며 스마트팩토리용 드론 개발에도 참여하셨는데요. 학교와 산업현장에서의 다양한 경험이야말로 든든한 연구자산이 되었을 것 같아요.

드론을 이용한 물류와 보안서비스가 가능하려면 그만큼 높은 기술력이 요구됩니다. 하지만 현재 드론시장은 레저용 중심으로 발전해왔고, 산업현장에 적용할 수 있도록 높은 기술력이 요구되는 산업용 드론은 중소기업에서 자체 개발하기 어려운 실정입니다. 대학원 졸업 무렵 삼성전자 본사에서 스마트공장의 자동화를 위한 지능형 드론 개발자를 모집해, 운 좋게 삼성전자에 입사를 하여 산업현장을 직접 경험하며 상용화 기술개발의 중요성을 몸소 경험 했습니다. 공장건물은 멀리서 보면 단순한 네모 박스 같지만, 실제 공장 안팎으로 구조와 설비가 굉장히 복잡하고 드론의 통신을 방해하는 요소들이 많습니다. 특히 옥상에는 수많은 인프라가 깔려있어 GPS 및 통신 신호가 끊기는 경우도 있습니다. 연구실처럼 제한된 공간이 아닌 거대한 스마트 팩토리를 대상으로 연구하며, 실제 생활에 필요한 드론 개발을 위한 직관력을 얻을 수 있는 기회였습니다. 이는 2020년에 청주대에 부임하며 도심에서 활용 가능한 드론 개발의 바탕이 되기도 했습니다. 제가 몸담고 있는 청주대는 2019년 무인항공기학과를 신설하고, 지난해 충북 드론 UAM 연구센터를 구축하여 보다 도전적인 연구를 수행할 수 있는 환경을 갖추고 있습니다.

PART 2. 내가 하는 연구?

김상현

연구재단의 생애첫연구를 통해 <도심 무인항공기 시스템을 위한 심층 신경망 기반 시맨틱 지도 작성 및 위치 추정 기술 연구>를 수행중이신데요. 연구의 주요내용은 무엇인가요?

미래 도심에는 GPS 전파를 방해하는 요소는 더 많아질 전망입니다. 최악의 경우 빌딩숲 속에서 GPS가 끊기더라도 무인항공기가 안전하게 비행할 수 있도록 인공지능 기술 중 하나인 심층 신경망을 적용하여 무인항공기가 인간과 유사한 방식으로 주변 환경을 인식할 수 있는 기술을 개발하는 것입니다. 무인항공기에 탑재된 카메라로부터 실시간으로 얻어지는 영상을 처리하기 위한 심층 신경망 기반 사물/주변 환경 인식 기술을 개발하고, 이를 활용한 3차원 시맨틱 공간 지도 작성, 센서 융합 기반 3차원 위치 추정 기술 확보가 주요 목표입니다. 이들 기술을 활용하면 무인항공기가 스스로 지도 정보로 참고하여 안전경로를 찾아 비행할 수 있습니다.

김상현

시맨틱 지도 작성부터 비행 테스트까지 많은 과정이 필요한데요. 연구는 어떤 방법으로 진행되나요?

먼저 드론이 비행할 하천을 촬영하여 주변 지형지물 등 기초 데이터를 수집합니다. 하지만 이 데이터는 한정된 시간과 위치에서 촬영된 것이기 때문에, 그 외 시간대 및 계절, 날씨 등에서는 주변 환경의모습이 다릅니다. 따라서 게임엔진을 이용해 시간에 따라 변화하는 도시환경을 구현합니다. 이렇게 심층 신경망 학습용 데이터베이스로 시뮬레이션과 실제 비행을 통해 획득된 데이터를 활용합니다. 이어 시맨틱 지도를 만들 수 있는 인공지능 SW를 개발하고 드론을 실제 환경에서 테스트하기 위해서 카메라가 창작된 소형 드론 시스템을 개발하여 도심 환경을 모사한 실내 공간 혹은 실외 환경에서 테스트를 진행합니다. 현재는 테스트를 위한 소형 드론 플랫폼을 완성한 단계입니다. 여기에 과제를 통해 개발한 인공지능 SW를 탑재해 비행테스트를 진행하고 있습니다.

김상현

연구를 진행 하며 예상지 못한 어려움, 해결해야 할 과제가 있다면 무엇인가요?

자율주행 자동차의 경우 고성능 하드웨어의 크기와 무게에 크게 구애받지 않고 차에 실을 수 있지만, 드론은 아무리 성능이 우수한 기술과 시스템도 소형화, 경량화가 뒷받침 되지 않으면 무용지물입니다. 이를 위해서 한정된 성능의 하드웨어에서 구동 가능한 계산량이 적으며 효과는 뛰어난 알고리즘을 찾는 것이 첫 번째 과제입니다. 또 다른 어려움은 드론비행금지 구역이 많아 연구를 위한 드론을 마음껏 날리지 못하는 점입니다. 특히 청주는 청주공항이 있어서 개활지에서도 테스트하는 데 제약이 있습니다. 그래서 야외가 아닌 실내에서 1단계 테스트를 진행 후 야외에서 2단계 테스트를 실시합니다.

김상현

연구 2년차를 맞았는데요. 지금까지의 성과와 앞으로의 계획도 소개해주세요.

지난 한해 심층 신경망 기반 ‘객체 인식 및 추적 기술 연구’와 ‘시맨틱 공간 지도 작성 기법 연구’를 중심으로 진행했습니다. 또 대각선 250㎜ 크기의 레이싱 드론의 기본 플랫폼 구조를 결정하고 본체를 제작 했습니다. 본체 크기는 실내외 테스트를 위한 운반과 활용이 수월하고 추락 시에도 주변에 최소한의피해를 주도록 아주 작은 사이즈로 택했습니다. 올해는 드론의온보드에서 실시간으로 동작하는 딥러닝 알고리즘을 테스트하고 게임엔진 기반 가상 환경 시뮬레이터을 개발하여 DB를 추가확보 하고자 합니다.

PART 3. 나의 원동력, 나의 경쟁력

김상현

교수님만의 연구 경쟁력은 무엇인가요?

연구와 취미가 결합된 직업을 가지고 있다는 점 같습니다. 드론과 다른 형태의 로봇은 물론 문화예술 분야와 여행에도 관심이 많습니다. 이 같은 관심과 호기심이 바탕이 되어 드론 연구를 수행할 때도 더 좋은 배터리, 더 좋은 GPS 정보 수신 방법 개발과 같은 공학적 사고에 머물지 않고 SF 영화 제작이나 스포츠 경기에서 활용 가능한 드론처럼 새로운 활용을 보다 많이 고민하고 있는 것 같습니다. 향후에는 사람이 조종하지 않아도 드론 스스로 사람이나 자동차를 따라 이동하는 드론을 개발하여 더욱 역동적인 스포츠 영상 등 다양한 산업적 활용도 가능할 것으로 기대하고 있습니다.

김상현

다양한 관심만큼 연구와 삶의 조화, 사람과의 소통도 중요하게 생각할 것 같습니다. 교수님이 꿈꾸는 연구자의 모습도 궁금합니다.

관심 분야가 넓은 만큼 사람을 만나거나 연구를 함에 있어 스스로 한계나 제약을 두려고 하지 않습니다. 특히 교수라는 직업은 연구를 수행하는 동시에 학생을 가르치는 일도 함께 해야 합니다. 본업인 연구와 자기개발을 위한 노력만큼 개성이 각기 다른 학생들과의 소통을 위해서도 많이 노력하고 있습니다. 또 하나, 중요하게 생각하는 것은 연구가 연구로 끝나면 안 된다는 점입니다. 연구비를 지원 받으면 그에 대한 사회적 부가가치를 창출해야 한다고 생각하기 때문에 제 연구를 통한 가치 창출은 물론, 관련 산업체 자문도 활발히 참여하고자 합니다.

김상현

연구자로서 다양한 가능성을 갖고 계신데요. 궁극적으로 도전하고 싶은 연구 목표는 무엇인가요?

인간수명의 증가와 인공지능의 발달로 모든 사회 분야에서 새로운 기술과 서비스가 창출되고 있습니다. 지금은 드론을 주요 플랫폼으로 연구하고 있지만 언젠가는 실제 사람과 정서적 교감이 가능한 애완동물로봇 개발에 도전하고 싶습니다. 드론에 탑재되는 인공지능 기술이 더욱 고도화되면 사람과 소통하는 반려동물 로봇에도 적용 가능합니다. 이미 일본 소니사가 반려동물 로봇을 선보였지만, 앞으로 반려동물 로봇시장은 더욱 확장되리라 예상됩니다. 실제 반려동물 로봇이 사람 및 주변환경을 인식하고 사람과 교감하기 위한 새로운 행동을 하는 기능을 갖게 되면 정말 반려동물 같은 정서적 교류도 가능해 실제 동물을 양육하기 어려운 분들에게 큰 도움이 되리란 기대입니다.

김상현

신진연구자로서 재단에 전하고 싶은 말씀이 있으신가요?

대학으로 이직하며 연구재단 생애첫연구지원사업을 통해 안정적인 연구기반을 마련할 수 있었습니다. 아쉬운 점은 이렇게 좋은 연구 지원제도가 생각보다 많이 알려져 있지 않다는 점입니다. 그래서 프로그램 홍보가 더 활성화되면 좋을 것 같습니다. 더불어 아직 실적이 없는 신진연구자들의 가능성을 보고 지원해주는 진입장벽이 낮은 지원제도가 더 많아졌으면 좋겠습니다. 이를 통해 연구의 뿌리를 내린 신진연구자들이 향후 국책과제 등 다양한 가능성을 모색하고 확장할 수 있도록 말입니다.

신진연구자 프로필

내 인생의 책과 영화

지능형 로봇 개발 및 테스트를 위한 가상 환경 시뮬레이터

제가 항공우주공학도의 꿈을 키울 수 있게 해준 <T-50, 이렇게 만들었다>를 소개합니다. 지금도 연구실에 꽂혀있습니다. 고등학교때 T-50 다큐멘터리를 보고 크게 감명받고, 관련 책을 바로 구입했습니다. 초음속기 개발은 미국이나 러시아 등 다른 나라에서만 가능한 이야기인줄 알았는데, 우리나라도 관련 기술을 개발했다는 사실이 정말 자랑스러웠습니다. 평소 책을 읽을 때 첫 구절이 가장 중요하다고 생각합니다. 이 책 역시 ‘우리는 정말 최선을 다했다’라는 문구가 오래도록 남습니다. 그리고 제 인생의 롤모델을 찾은 영화이야기도 하고 싶습니다. 크리스찬베일이 주인공으로 나온 <포드 V 페라리>입니다. 포드사가 기존 사업구조의 틀을 깨고 레이싱대회를 통해 혁신을 추구하는 이야기도 흥미로웠지만 주인공의 삶도 감명 깊었습니다. 주인공인 켄 마일스는 자동차를 직접 수리하거나 튜닝하여 레이싱카도 제작하고 동시에 레이싱 대회에도 레이서로 참여하는 정말 다재다능하고 열정적인 인물입니다. 그러면서도 아내를 존중하고 아들에게도 좋은 추억을 많이 만들어주는 등 가정에 충실한 인물로 묘사되었습니다. 저도 주인공처럼 열정적인 연구자이자 따뜻한 남편이자 아버지가 되었으면 하는 소망입니다.

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