기계/조선

계측과 제어_2020.7(Vol.59) 총론 요약 (p437-443)

드론 시스템의 발전과 응용
드론의 최신 기술 동향과 전망
일반재단법인 첨단로보틱스재단 노나미 겐조(野波 健蔵) 이사장

1. 머리말
멀티콥터형 소형무인항공기(이하, 드론)의 발상은 항공공학이 아니라 전자공학, 로보틱스, 컴퓨터사이언스라는 타 분야에서 탄생했다. 그리고 이미 약 20년 이상이 경과해 기술도 차츰 성장기에서 성숙기로 접어들고 있다. 그 의미에서 드론의 설계 이론도 확립되는 시기가 되었다. 드론은 기존의 항공기와 비교해 월등히 가볍고, 배터리로 구동하며 부품 수도 약 2천개로 노트북 수준이다. 구성 주요 부품은 노트북과 거의 같다. 이 때문에 하드웨어의 범용화가 촉진되는 이유다. 본고에서는 드론의 기술 동향에 대해 최신 화제나 장래 전망을 중심으로 소개한다.

2. 드론의 하드웨어 기술 동향

2.1 모터∙프로펠러∙슈라우드 기술
모터나 프로펠러는 향후 제3자 상공비행 등의 도시부에서의 물류 드론이나 승객용 드론을 염두에 둔다면, 프로펠러 가드를 발전시킨 슈라우드 또는 덕티드 팬(Ducted Fan)이라 불리는 안전설계나 소음저감 설계가 급선무다. 이 경우, 고출력∙저소음의 최적화 설계에 의한 모터, 프로펠러, 슈라우드의 일체 설계가 요구된다. 이와 같은 수직 이착륙을 갖춘 덕디트 팬형 드론은, 동등의 고정익 및 개방익 드론과 비교해 많은 이점이 있다.

그것들은 큰 안전성 향상, 대폭적인 퍼포먼스 향상, 또한 프로펠러 소음 억제 효과 등이 기대된다. 슈라우드는 둥그스름한 모양의 ‘전면부(Leading Edge)’와 매끄러운 모양의 ‘후면부(Trailing Edge)’을 갖고 있으며, 난류를 층류로 바꾸는 작용이 있기 때문에 도시부 상공 등에서의 소음 저감화에 효과를 발휘한다. 또한 슈라이드의 설계에도 의존하지만 파워와 직경을 동일 조건으로 가정하고, 개방익 드론의 페이로드를 94% 증가할 수 있는 효과가 있다고 보고되고 있다.

2.2 배터리 기술
배터리는 현재 리튬이온 배터리가 사용되고 있다. 이 배터리의 정식 명칭은 리튬이온 이차전지(lithium-ion rechargeable battery)이며, 정극과 부극 사이를 리튬이온이 이동하면서 충방전을 하는 이차전지다. 정극, 부극, 전해질 각각의 재료는 용도나 업체에 따라 다양하지만 대표적인 구성은 정극에 리튬전이금속복합산화물, 부극에 탄소재료, 전해질에 유기용매 등의 비수용성 전해질을 이용한다.

리튬 폴리머 배터리는 리튬이온 배터리의 일종으로, 전해질에 겔 타입의 폴리머(고분자)를 이용하고 있다. 한편, 리튬이온 배터리를 초월하는 차세대 배터리로 기대를 받고 있는 것이 ‘리튬-황 배터리(Lithium-Sulfur Battery)’로, 내구성 향상이나 대형화로 이어지는 성과가 나왔다. 이 배터리는 정극에 황, 부극에 리튬 금속화합물을 사용, 단위 중량 당 용량의 에너지 밀도는 리튬이온 배터리의 4배 이상이 된다. 1~2년 사이에 실용화될 가능성이 있다. 또한 장기적으로는 고체 전해질을 사용하는 전고체 배터리, 나트륨 이온 배터리, 공기 중의 산소를 흡수해 화학 반응하는 공기 배터리 등이 기대를 받고 있다.

2.3 전자 스피드 컨트롤러
전자식속도제어기(ESC)는 속도기준신호(조절판 레버, 조이스틱)에 따라 전계효과트랜지스터(FET)의 스위칭 레이트를 변화시킨다. 듀티 사이클 또는 스위칭 주파수를 조정함으로써 모터의 속도를 바꾼다. 브러시리스 DC 모터는 기존의 브러시 달린 DC 모터와 비교해 고효율, 전력 절약, 장기 수명, 경량이므로 무선 제어 비행기나 드론에 많이 이용된다.

현재 ESC의 용량에는 3개의 카테고리가 있다. ①저 레이트(최대 25A): 거의 모든 민생용 드론은 이 타입을 사용하고 있다, ②중 레이트(최대 60A): 대형 민생용 드론, ③고 레이트(60A 이상, 최대 150A): 주로 승객 드론(플라잉 자동차)에 사용된다.

ESC의 새로운 동향으로서는 드론의 대형화에 따른 ESC의 개조로, 저 사이즈 및 저 전류 드론인 MOSFET 스위치에서, 중형 드론용의 중~고전류 ESC의 IGBT로의 변경이다. 또한 초고전류 어플리케이션에서는 ESC에 실리콘 카바이드 등의 와이드 밴드갭 파워 스위치 기술이 사용된다. 또한 최근에는 PWM의 대형파 구동에서 정현파 구동으로 변경, 이를 통해 효율이 향상되고 손실이 감소되고 있다. 이것은 고출력 어플리케이션에서는 필수다.

2.4 드론의 일반적인 충돌회피 기술
드론의 일반적인 충돌회피 기술에 대해서는 (1)카메라에 의한 Vision based, (2)초음파 센서, (3)적외선, (4)레이저 라이더, (5)소형 레이더 등에 의한 방법이 일반적이다.

(1) Vision based
(2) 초음파(Ultrasound)
(3) 적외선(Infrared, IR)
(4) Lidar
(5) Radar

2.5 드론 탑재 센서와 자율비행의 고도화

3. 드론 자율비행과 데이터 해석을 위한 소프트웨어

드론의 자율비행용 온보드 소프트웨어는 드론 자체의 자세제어나 비행제어를 담당하는 소프트웨어다. 이 소프트웨어를 통해 무인기는 자율적인 안정비행이나 장해물회피비행을 실현할 수 있다. 이러한 소프트웨어는 독자의 코드 또는 오픈 소스 소프트웨어(Drone Code)를 사용해 드론 업체가 개발하고 있다.

드론의 자세추정과 자세안정화제어 및 목표궤도추종비행제어는 현재 거의 확립되었다고 할 수 있다. 현재의 소프트웨어 연구개발의 동향은 자율항법의 가일층의 고도 제어를 실현하는 것이다. 예를 들면, 장해물 회피 비행을 자율적으로 실행하고, 그것을 저속∙고속 비행에서 실행 가능하며, 옥내 및 옥외 모두 실행 가능한 것이다. 또한 예를 들면 전선과 같은 가는 장해물, 작은 장애물이라도 감지해 회피할 수 있는 것이다.

현재 세계의 유력 드론 업체는 여러 대의 자율제어, 군(群) 제어에 정력적으로 착수하고 있다. 한편, 드론쇼와 같은 리더기와의 상대 위치를 유지하는 3D그래픽을 이용한 수백 기, 수천 기를 1대의 PC와 한 사람의 오퍼레이터로 비행시키는 엔터테인먼트도 있다. 이 기술도 결국에는 재해 대응 등에서 활용할 수 있을 것이다.

4. 드론 활용에서 분야별 기술 성숙도 레벨

농업은 드론 기체가 거의 확립된 분야로, 농업용으로 주문 제작된 드론도 많이 존재한다. 그러나 정밀농업∙스마트농업과 같은 분야에서는 정보 수집을 위해 보다 전문적인 센서가 필요하다. 이는 새로운 센서에 의한 새로운 해석 소프트웨어의 니즈를 의미하고 있다. 측량∙점검 건설분야에서는 기존의 기체에 대해서 거의 조건을 충족하고 있다. 그러나 Lidar나 밀리파 레이더 등의 새로운 센서는 중량, 용적, 가격 등을 개선할 필요가 있다.

빅데이터의 후처리 소프트웨어도 니즈가 높고, 새로운 소프트웨어 알고리즘이 요구된다. 재해 대응의 수색과 구조 분야는 보다 특수한 기체가 필요하다. 예를 들면, 추운 기후나 더운 기후에서 보다 강하고 보다 안정적인 배터리, 보다 높은 환경 적응성 등이다. 무인기를 안전하고 내구성이 있는 기체로 개선할 필요가 있다. 예를 들면, 보다 장거리 비행, 보다 많은 적재량, 화물의 탑재나 릴리스 시스템 등에서 검토가 필요하다. 완전 자율항법에 관해서도 원거리 이미지 전송 통신 등의 과제가 있다. 여러 기체의 비행을 위한 안전운항관리시스템 등의 사회 기반이 요구된다.

물류 드론에 관해서는 기체의 신뢰성∙내구성∙안전성에 관해 내공증명이 가능한 레벨에 대한 품질보증이 요구된다. 따라서 가일층의 하드웨어 개선부터 장해물 회피를 동반하는 완전 자율비행이 가능한 센싱, AI 등을 이용한 고장 해석이나 위험 해석을 비행 중에 할 수 있는 대뇌형 드론의 등장이 기다려진다.

5. 고속대용량 5G와 이동전화 상공 이용 관련 통신기술의 동향

5G는 4G를 잇는 무선통신시스템이다. 5G의 인터페이스는 6GHz 이하의 주파수대를 사용해 LTE/LTE-Advanced와 호환성을 유지하면서, 6GHz를 넘는 센티파(마이크로파)에 보다 가까운 28GHz 대역도 사용한 새로운 무선통신방식이다. 5G 통신의 이점은 생활의 극적인 변화다. 방대한 데이터에 근거해 드론의 보급 가속화, 완전 자율주행의 실현, IoT에 의한 스마트시티 등이 기대된다.

5G의 보급으로 VR, AI, 동시 다수기 드론의 자율비행과 같은 관련 기술이 발전하며, 이들의 이노베이션을 통해 경제 성장이나 산업의 신진대사가 촉진된다. 또한 25년에는 5G의 접속 수가 12억에 달할 것이라고 한다. 5G는 고속∙대용량∙저지연∙다접속의 특징이 있다. 4G의 통신속도는 이론적으로는 매초 100메가비트(Mbit/s)이며 5G는 매초 10기가비트(Gbit/s)다. 즉, 5G는 이론상의 최고 속도에서 현재의 4G보다도 100배 고속화된다. 5G는 지연을 대폭으로 줄일 수 있어 응답성이 향상된다. 4G에서 20밀리초 정도의 지연은 5G에서는 4밀리초(ms)의 지연으로 약 1/5정도가 된다.

기지국 1대에서 동시에 접속할 수 있는 단말을 4G와 비교해 비약적으로 늘릴 수 있다. 예를 들면 지금까지는 자택에서 PC나 스마트폰 등 수대 정도가 접속했지만 5G를 통해 100대 정도의 기기나 센서를 동시에 인터넷에 접속할 수 있게 된다. 커버하는 지역으로 비교하면 1㎢당 4G는 4천대의 동시 접속이, 5G는 100만대의 동시 접속이 가능해진다.

무인항공기는 항공법에서 지표에서의 고도가 150m 이하다. 인구 집중 지구나 공항 등 주변 이외의 공중 영역이라면 별도의 신청을 하지 않아도 비행시키는 것이 가능해져, 농업분야나 물류분야로 대표되는 다양한 분야에서의 이용 확대가 기대된다. 그러한 가운데 커버 지역이 넓고, 고속∙대용량의 데이터 전송이 가능한 이동전화시스템을 드론 등에 탑재해 이미지∙데이터 전송 등에 활용하고 싶다는 니즈가 높아지고 있다. 한편, 이동전화시스템은 지상에서의 이용을 전제로 구축되었기 때문에 이동전화를 드론 등에 탑재해 상공에서 이용하면 지상의 이동전화에 혼선을 줄 우려가 있다.

6. 마무리

세계의 드론 시장은 취미용에서 산업용 드론으로 중심축이 옮겨가고 있다. 현재 주요 시장은 취미용 드론이지만 2020년 현재 거의 정점에 달해 있다. 앞으로 드론 시장의 대부분은 산업 응용이 차지하게 될 것이다. 그리고 대부분의 산업 응용 드론은 10년 이내에 수요가 안정화될 것이다. 물류 드론이나 승객용 드론은 대규모의 새로운 시장을 형성하기 시작한 것으로 보인다. 취미용과 물류∙승객용 드론 이외는 하드웨어와 소프트웨어로 나뉘어 나타나고 있다. 산업용, 설비∙점검용, 건축∙건설용 드론은 하드웨어와 소프트웨어의 시장이 팽팽한 상황이 될 것이다. 기술 동향은 이러한 시장 요구와 시장 동향에 크게 영향을 받고 있다. 앞으로는 도시부∙제3자 상공비행의 물류나 승객용 드론의 요구가 높아질 것이다. 따라서 기체의 대형화, 이와 관련된 내공증명이나 형식증명을 취득할 수 있는 기체, 탑재 센서, 소프트웨어의 기술 개발이 강력하게 추진될 것이다.

 -- 끝 --