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Nikkei Robotics_2019.1 Case Study (p20-25)

다케나카공무점, 도심 건설 현장에서 드론 사용
빌딩에 둘러싸인 토지를 매일 자율비행으로 굴삭토량 계측

드디어 드론이 도시의 건설 현장에도 활용되기 시작하였다. 다케나카공무점이 호텔 등이 들어서는 도쿄 이다바시의 복합시설 건설 현장에 드론을 활용한다. 공사의 진척을 디지털 형식으로 매일 효율적으로 파악할 수 있도록 하였다. 드론은 측량 용도로 보급되고 있지만 지금까지는 교외의 건설 현장이나 토목공사 등에 사용되는 일이 많았다. 빌딩이 밀집된 도심 공사에 이용되는 일은 적었다. 이번 도입은 도심에서의 드론 활용의 선구적인 사례라고 할 수 있다.

기존의 측량용 드론은 부정기적인 스팟 계측이 주요 용도로 오퍼레이터에 의한 수동 조작도 많았다. 수회로 한정된 횟수의 비행이라면 사람이 조종해도 문제 없다. 그러나 공사 진척을 파악하기 위해 매일 정기적으로 비행할 경우는 오퍼레이터에게 매번 의뢰하게 되면 인건비가 증가한다. 때문에 자율비행 드론이 적합하다. 이번에 다케나카공무점은 드론 벤처기업인 AeroSense의 자율비행 드론 서비스를 이용하였다.

다케나카공무점은 지금까지 오사카후 스이타시의 축구경기장 건설공사 등을 통해 공사 현장의 어느 공정에 드론 활용이 적합한지를 검토해 왔다. 그러한 경험을 살려 이번에는 건설공사 중에서도 흙을 파거나 말뚝을 부설해서 건물의 토대를 만드는 ‘기초공사’에 초점을 맞췄다.

기초공사에서는 어느 정도의 양의 흙을 팠는지 매일 기록할 필요가 있다. 이렇게 굴삭한 흙의 양은 기존에는 흙을 운반하는 트럭 대수로 계산했었다. 이번에는 드론이 현장을 매일 공중 촬영하여 흙의 표면 모양을 직접 계측할 수 있도록 하였다. 판 흙의 총량만이 아니라 현장 내의 어디가 얼마나 굴삭이 진행되고 있는지 3차원적으로 계측할 수 있어 공사의 진척을 일목요연하게 알 수 있게 되었다.

-- 빌딩에 둘러싸인 인구밀도도 높은 도시 지역 --
도심에서 드론을 비행시키는 것이 어려운 이유는 교외와 비교하여 빌딩이 밀집되어 있고 인구밀도도 높기 때문이다. 예를 들면 강풍이 불어 드론이 날라가거나 주변 빌딩에 GPS전파가 차단되어 자기위치를 추정하지 못하게 되면 주위 건물에 충돌하여 추락할 위험성이 있다. 자율비행 드론은 자기위치를 정확하게 추정하지 못하면 치명적인 사고로 이어진다.

또한 도심에서는 보행자나 차량도 많아 만일 드론이 추락했을 경우 막대한 피해가 발생할 수 있다. 실제로 이번 건설 현장 바로 옆에는 수도고속도로가 통과하고 있고, 보행자의 왕래도 많았다. 교외라면 건설 현장과 주변 건물과의 거리는 도시보다 많이 떨어져 있는 경우가 많다. 인구도 도심 정도로 밀집되어 있지 않기 때문에 드론 비행에 있어서 도심만큼 엄격한 환경이 아니다.

도심에서의 드론 비행은 법률에 저촉되는 면도 많다. 원래 드론을 ‘제3자’의 상공에서 비행시키는 일은 항공법에서 금지하고 있기 때문이다. ‘제3자’란 드론 비행 계획을 모르고 있거나, 드론과 관계없는 사람으로 드론 조종자∙감시자 이외의 사람이라면 거의 해당한다. 인구밀도가 높은 도심에서는 드론이 바람으로 인해 부지 이외의 곳으로 날라가면 항공법에서 원칙적으로 금지하고 있는 ‘제3자 상공 비행’ 상태가 된다.

이번 건설 현장은 도쿄 신주쿠에 위치하고 있으며 항공법상 국토교통부 장관의 비행허가를 얻어야 하는 ‘인구집중지구’에 해당한다. 이번 현장에서도 이 허가는 취득하였다. 그러나 취득한 경우에도 제3자 상공을 비행시키는 것은 불가능하다. 드론 실증 실험을 일부러 과소지나 산간지역에서 실시하는 것은 이러한 제3자 상공 비행을 피하기 위해서다.

-- GPS전파의 수신 상황에 주목 --
다케나카공무점은 엄격한 환경인 도심에서 어떻게 드론을 현장에 활용할 수 있었을까? 자율비행 드론을 안전하게 비행시키기 위해서는 다양한 대책이 필요하다. 다케나카공무점은 그 중에서도 특히 4개의 요소에 주목하여 검토하였다. 드론의 비행에 악영향을 미칠 가능성이 있는 요소, ‘기후’ ‘자기장’ ‘전기장’ ‘GPS전파의 수신 상황’이다.

이 중에 기후, 자기장, 전기장의 3개에 대해서는 운용 방법을 연구함으로써 대처하였다. 기후의 경우는 강풍이 불 때는 비행시키지 않도록 하고, 외부의 강한 자기장이나 전기장으로 인해 드론의 전자컴퍼스나 전자회로가 오작동을 일으키지 않도록 비행 중에는 현장의 중장비나 공장기계를 정지하는 등의 대책을 강구하였다. 또한 건설 현장은 전력회사의 변전소와 인접해 있었기 때문에 드론의 플라이트 컨트롤러 등에 영향을 미치는 주파수대의 전자파가 나오지 않는다는 것도 사전에 확인하였다

-- ‘GPS의 오차’를 시뮬레이터로 --
GPS전파의 수신 상황에 대해서는 일반적으로 도시는 그다지 좋은 환경이라고 할 수 없다. 주위의 높은 빌딩에 GPS 전파가 차단되는 등 드론이 자기위치를 정확하게 추정하지 못하는 경우가 있기 때문이다. 자율비행 드론이 GPS 전파를 충분하게 수신할 수 없게 되면 카메라에 의한 visual SLAM이나 LIDAR 등의 다른 수단으로 자기위치를 추정하지 않는 한 비행경로에서 벗어나 빌딩이나 크레인 등의 장해물에 충돌하여 추락할 우려가 있다.

이러한 GPS의 수신 상황이나 추정 오차의 영향에 대해서는 전기장이나 자기장처럼 운용 상의 아이디어로는 해결하기 어렵다. 때문에 다케나카공무점은 사전에 치밀한 검증을 실시하였다. 구체적으로는 건물에 둘러싸인 도심의 건설 현장에서 GPS로 측정한 위치 좌표가 실제로 얼마나 벗어나는지를 조사하였다.

다케나카공무점은 우선 주변 빌딩에 의한 전파 차폐가 가장 엄격해지는 지표면 근처에서 조사하였다. 건설 현장 내에서 10m마다에 총 24곳의 평가점을 설정. 각각의 점에서 드론을 삼각에 올려 놓고 드론의 GPS장치로 위치 좌표(위도∙경도)를 계측하였다. 지표에서의 높이는 1.4m다. 옆 건물과의 사이에 도로가 없고, 부지 바로 옆에 건물이 있는 공간에서는 GPS로 계측한 위치가 벗어나는 경향을 볼 수 있었다. 단, 오차는 수m 정도로 부지 밖으로까지 크게 벗어날 정도는 아니었다.

그러나 정말 조사하고 싶은 것은 드론이 비행하는 높이 50m의 공역에서의 ‘GPS 오차’다. 이 오차를 실측하기 위해서는 실제 드론을 비행시킬 필요가 있다. 그러나 본 조사의 목적은 도심에서 드론을 비행시킬 때의 위험성을 예측하는 것이다. 때문에 오차 계측을 위해 드론을 불필요하게 비행시켜서는 본말전도다. 또한 가령 비행시켰다고 해도 상공을 비행하고 있는 드론의 3차원 위치를 정확하게 계측하는 것은 일반적인 방법으로는 불가능하다. 레이저를 사용한 측량기기 ‘토탈 스테이션’을 이용하여 상공을 비행하는 드론을 자동 추적하는 방법으로 계측해야 하기 때문에 번잡하다.

그래서 다케나카공무점은 실제 드론을 비행시키지 않고 상공에서의 GPS의 오차 정도를 검증하는 방법으로서 전파 시뮬레이터를 활용하였다. 건설 현장 주변 건물의 3D모델을 준비하고, 빌딩에 따른 GPS전파의 차폐나 반사, 회절 등 전파의 전반을 계산함으로써 GPS의 오차를 추측하였다.

그 결과 지표에서 높이 1.4m의 지점에서는, 실제 드론의 GPS로 계측한 오차와 대략 유사한 경향을 보인다는 사실을 확인할 수 있었다. 실제 드론의 계측 결과와 마찬가지로 부지 바로 옆에 건물이 있는 공간에서는 전파 시뮬레이터에서도 마찬가지로 위치가 벗어나는 경향을 확인하였다. 전파 시뮬레이터에서의 GPS전파 전송의 모의 정밀도는 대체로 타당하다고 판단할 수 있었다.

그래서 이번에는 실제로 드론이 비행하는 상공에서의 GPS 전파 상황을 시뮬레이터로 산출하였다. 10m, 25m, 50m라는 3단계의 고도에서 시뮬레이션한 결과, 고도가 올라감에 따라서 GPS의 오차가 줄었다. 고도가 올라가면 주변 빌딩에 의한 전파의 차폐 등이 줄어 계측에 사용할 수 있는 GPS 위성 수가 많아지기 때문이다.

지표에서 1.4m의 지점에서는 시뮬레이터 상에서는 5~6개의 GPS위성밖에 계측할 수 없었던 공간에서도 상공 50m의 지점에서는 10개 이상 계측할 수 있을 것으로 추측하였다.

전파 시뮬레이터는 구조계획연구소의 위성측위분석 툴 ‘GPS-STUDIO’를 이용하였다. 이 툴은 빌딩에 의한 GPS전파의 차폐나 반사 등을 모방하고, 위성 궤도 등을 바탕으로 특정 시각에서의 GPS 위성의 위치도 모방한다. 이 때문에 실제 드론에 의한 GPS계측 결과와 시뮬레이션 결과를 비교할 때는 시뮬레이터에도 실제 드론에서의 계측 시의 시간을 주고 GPS 위성의 위치가 각각 같아지도록 하였다. 시뮬레이션에 사용하는 건물의 3D모델로서는 이번 건설 현장의 중심에서 반경 150m 이내에 있는 빌딩을 대상으로 하여 지도회사의 데이터를 바탕으로 작성하였다.

-- 토량은 물론 말뚝 중심 위치도 계측 --
다케나카공무점은 이들 검증 결과를 충분히 고려하여 16년 12월~17년 1월 말의 약 2개월 동안 도쿄 이다바시의 건설 현장에서 드론을 비행시켰다. 토량 등의 계측을 하루에 한 번, 총 23회 실시하였다.

드론은 공사 작업자가 휴식을 취하는 점심 시간을 이용해 비행시켰다. 약 15분에 걸쳐 부지 전체를 거의 매일 자동으로 촬영한다. 공중 촬영한 약 100장의 사진을 통해 ‘SfM(Structure from Motion)’으로 점군데이터를 작성하였다. 전날의 점군데이터와의 차이를 보면 그 날에 판 토량을 알 수 있다. 공중 촬영 당일 오후에 에어로센스가 점군데이터 산출을 시행하고, 이튿날 아침에 공사 현장 담당자가 현장의 PC로 그것을 확인하였다. 촬영 이미지의 오버랩률은 진행 방향 80%, 가로방향 60%로 하였다. SfM에 의한 점군데이터의 작성에 있어서는 사전에 건설 현장 부지의 모퉁이 7곳에 마커를 설치하였다. 마커의 위치와 높이를 미리 계량해 두고, 이것을 기준점으로 하여 점군데이터를 보정하도록 하였다.

드론은 토량 계측 이외에 3개의 공정에서도 활용하여 계측을 효율화하였다. 구체적으로는 1)굴삭하여 표면을 평탄하게 고른 흙의 면 ‘노상(Subgrade)’이 계획한 높이로 되어 있는지, 2)말뚝중심(杭芯)이 올바른 위치에 시공되어 있는지, 3)굴삭한 부지 내에 주변 흙이 섞이지 않도록 막는 울타리가 기울어져 있지 않은지를 계측하는데 사용하였다. 기존에는 이들 계측은 토털 스테이션 등을 사용할 필요가 있었지만 이번에는 드론의 공중 촬영 이미지나 점군 데이터를 활용할 수 있었다.

예를 들면, 2)의 말뚝중심의 위치 계측은 16개의 말뚝이 계획한 위치에 시공되어 있다는 사실을 공중 촬영 이미지를 통해 확인하였다. 드론에서의 계측 결과를 실제 측량치와 비교한 결과, 평균 오차는 37mm 정도로 허용 범위에 들어갔다.

  -- 끝 --