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- 완전히 자율적 탐색, 자체 축을 중심으로 LIDAR 스캐너와 지속적으로 회전하여 주변 스캔
- 360도 시야를 가지며 이를 LIDAR를 사용하여 내비게이션 및 레이저 스캐닝에 사용 가능
- PULSAR 드론은 불확실한 지역의 구조 임무를 지원하거나 환경 조사를 돕기 위해 사용

동굴 매핑을 위한 자율 드론
비행 로봇은 GPS가 없는 동굴이나 기타 장소에서도 레이저 스캔을 수행할 수 있다.

빛이나 GPS가 필요하지 않음:
연구원들은 GPS 추적 없이 지역과 칠흑 같은 어둠 속에서 독립적으로 비행할 수 있고 LIDAR 레이저 스캐닝을 사용하여 지도를 작성할 수 있는 드론을 개발했다(예: 동굴, 벙커 또는 복도 내부). 비행 로봇은 완전히 자율적으로 탐색하고 자체 축을 중심으로 LIDAR 스캐너와 지속적으로 회전하여 주변을 스캔한다. 그는 독립적으로 장애물 주위를 날아다니며 던진 공도 피할 수 있다. 

▲ PULSAR 드론은 LIDAR를 사용하여 이 동굴을 독립적으로 탐색하고 매핑했다. © Chen et al./Science Robotics 8, eade4538(2023)

드론은 오랫동안 없어서는 안 될 조력자였다. 자율 및 반자율 항공기는 조감도를 제공하고 다양한 구조와 지형을 매핑하며 모든 종류의 감시 작업을 지원한다. 어둡고 위성 수신이 없으면 사용할 수 없다. 지금까지 그들은 울창하고 어두운 숲, 거대한 건물 또는 동굴과 지하 통로에서 실패했다.

매핑 도우미로 회전하는 비행 로봇

그러나 이제 상황이 바뀌고 있다. 홍콩 대학의 Nan Chen이 이끄는 팀은 이제 GPS 지원 없이 자율적으로 주변 환경의 3D 레이저 스캔을 수행할 수 있는 드론을 개발했다. PULSAR라고 불리는 드론은 길을 찾고 독립적으로 장애물을 피할 뿐만 아니라 특히 경제적이고 효율적인 매핑 도우미이기도 하다.

이것은 예를 들어 접근하기 어려운 동굴과 통로를 매핑하는 데 특히 적합한 새로운 유형의 드론을 만든다. 그러나 울창한 숲이나 실내에서도 PULSAR 드론은 초기 테스트에서 알 수 있듯이 충돌 없이 자율적으로 탐색한다.

▲ 그림 1. 동력 비행 초저작동 LiDAR 감지 공중 로봇(PULSAR)의 개요. (A) PULSAR는 완전한 3D 위치 제어를 위해 하나의 액추에이터(즉, 모터)를 사용하고 자율 탐색을 위해 온보드 LiDAR 센서를 사용한다. (B) 보상되지 않은 모터 카운터 토크는 자연스럽게 센서 수평 FoV를 360°로 확장하는 자체 회전을 유발한다. (C) 밤에 알 수 없는 숲이 우거진 환경에서 PULSAR의 자율 비행; 비행 궤적은 온보드 청색 발광 다이오드(LED)로 표시된다. (D) 주간 숲속 자율비행 비행 궤적은 빨간색 경로로 표시된다. (출처:A self-rotating, single-actuated UAV with extended sensor field of view for autonomous navigation / Science Robotics)

하이라이트:
비행 로봇은 비행 중에 지속적으로 자체 축을 중심으로 회전하기 때문에 360도 시야를 가지며 이를 LIDAR를 사용하여 내비게이션 및 레이저 스캐닝에 사용할 수 있다.

로터와 레이저 스캐너만 있으면 돼

기존의 쿼드로콥터와 달리 새로운 비행 로봇에는 중앙 로터가 하나만 있다. 이에 따라 프로펠러 블레이드와 로터를 기울여 추진력을 부여하고 비행 방향을 조정한다고 팀은 설명했다. 동시에 로터의 회전으로 인해 드론의 동체 전체가 반대 방향으로 회전한다. 정상적인 상황에서는 항공기가 그 자리에서 선회만 할 뿐이지만 측면 제동 날개와 로터의 특수 설계가 이를 방지하고 회전 속도를 초당 약 2.7회전으로 늦춘다.

▲ 회전하는 PULSAR 드론의 구조. © Chen et al./Science Robotics 8, eade4538(2023)

드론의 두 번째 핵심 부품은 LIDAR 유닛이다. 내장된 레이저는 지속적으로 환경을 스캔하고 Chen과 그의 팀이 설명하는 것처럼 70도 넓은 시야 범위에서 초당 24만 포인트를 캡처할 수 있다. 드론이 지속적으로 회전하기 때문에 고해상도의 전방위 시야를 제공한다. 한편으로 LIDAR는 비행 로봇을 내비게이션 보조 장치로 사용하고 다른 한편으로는 주변 환경을 고해상도로 매핑하는 데 사용할 수 있다.

어려운 조건에서도 유연한 탐색

연구원들은 PULSAR 드론이 어둠 속 울창한 숲 등 여러 장소에서 자율적으로 얼마나 잘 탐색할 수 있는지 테스트했다. "비행 로봇의 경로 플래너는 드론의 현재 위치에서 다음 웨이포인트로 이어지는 적절한 비행경로를 자동으로 생성했다"고 팀은 설명했다. 드론은 나뭇가지, 나무 줄기, 나뭇잎과 같은 장애물과 충돌하지 않고 이 경로를 따라갔다.

Chen과 그의 동료들이 보고한 바와 같이 실내 실내에서의 추가 테스트에서 큰 팬으로 관리되는 갑작스러운 돌풍에도 불구하고 공기 중에 안정적으로 유지되었으며 위치에서 불과 몇 센티미터만 벗어났다.

또한 흥미로운 점은 드론이 동적 장애물에도 반응할 수 있다는 것이다. 그녀에게 공이 던져지면 그녀는 충돌을 피할 수 있을 만큼 빠르게 접근하는 물체를 인식했다. "이 결과는 PULSAR가 민첩한 움직임을 수행하고 모든 수평 방향에서 주변을 주시할 수 있음을 보여준다"고 연구원들은 말했다. 드론은 비행 중에 하나의 로터만 사용하기 때문에 유사한 크기와 페이로드의 쿼드로콥터보다 약 26% 적은 에너지가 필요하다.

▲ 그림 8. LiDAR 센서를 이용한 야외 실험. (A) 야외 목재 환경에서 PULSAR의 자동 웨이포인트 탐색. 출발지와 도착지가 동일하다. 각 경유지에 표시된 시간은 PULSAR가 해당 경유지에 도착한 시간이다. 비행 중에 환경의 3D 포인트 클라우드 맵이 동시에 구축된다. (B 및 C) PULSAR를 사용한 동적 볼 회피. 공은 (B)와 (C)에 각각 표시된 회피 과정을 나타내는 두 개의 직교 방향에서 던졌다. 두 경우 모두 왼쪽의 겹쳐진 스냅샷은 볼 궤적, PULSAR에 의해 감지된 볼의 위치 및 PULSAR에 의해 실행된 회피 궤적을 보여준다. 오른쪽 이미지는 환경 지도, 현재 LiDAR 포인트 측정, 감지된 공 위치 및 궤적, 공을 피하기 전과 후의 전체 UAV 궤적의 3인칭 보기를 보여준다. 왼쪽의 스냅샷을 캡처하는 카메라의 포즈는 녹색 화살표로 표시된다. 환경 맵은 온보드 컴퓨터에서 실행되는 LiDAR 관성 주행 거리계 시스템에 의해 동시에 구축된다. (D)자율 웨이포인트 내비게이션 실험에서 오도메트리 및 궤적 플래너의 계산 시간. (E) 동적 장애물 회피 실험에서 오도메트리 및 동적 장애물 감지기 및 플래너의 계산 시간.(출처: 관련논문 A self-rotating, single-actuated UAV with extended sensor field of view for autonomous navigation)

"영화 프로메테우스처럼“

과학자들에 따르면 PULSAR 드론은 드론 기반 매핑의 기존 격차를 메울 수 있다. 빛도, GPS도 없는 곳에서도 자율적으로 행동할 수 있기 때문이다. "장편 영화 '프로메테우스'에서 실시간으로 동굴의 3D 지도를 생성하기 위해 자동 회전 드론이 사용된다. 지금 우리가 연구하고 있는 것과 매우 유사한 것이다"고 Chen은 말했다. PULSAR는 이미 동굴에서 첫 번째 실제 테스트를 성공적으로 완료했다.

예를 들어 PULSAR 드론은 불확실한 지역의 구조 임무를 지원하거나 환경 조사를 돕기 위해 사용될 수도 있다. 애플리케이션에 따라 다른 센서도 탑재할 수 있기 때문이다. "드론은 다양한 환경에서 안전하게 탐색할 수 있어 밤낮으로 환경 데이터를 수집할 수 있다"고 팀은 말했다.
(Science Robotics, 2023; doi: 10.1126/scirobotics.ade4538)
출처: American Association for the Advancement of Science (AAAS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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