델프트공대-바헤닝언대 연구팀, 드론 고장 징후 감지하는 기술 개발

▲네덜란드 델프트공대에서 '임계 둔화(critical slowing down)' 기법을 테스트하는 과정에서 원을 그리며 비행하는 드론. (사진=델프트공대)

사람은 달리다 발목을 삐면 통증을 느끼고 자연스럽게 절뚝거리며 움직임을 조절한다. 통증이 더 큰 부상으로 이어지는 것을 막기 위한 경고 신호 역할을 하는 것이다. 만일 드론의 프로펠러가 너무 오래돼 기능이 떨어질 경우, 이를 미리 알아챌 수 있다면 드론의 추락을 막을 수 있을 것이다.

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네덜란드 델프트공과대(Delft University of Technology)와 바헤닝언대학교(Wageningen University) 공동 연구팀은 자연의 적응 메커니즘에서 착안해 드론이 스스로 고장 징후를 감지하고 대응할 수 있는 기술을 개발했다. 생태계 붕괴를 예측하는 데 사용되던 이론을 드론과 자율 시스템에 적용하는 데 성공한 것이다.

이번 연구 성과는 미국 국립과학원회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences)에 발표됐다. (논문 제목:Early warning signals for loss of control in complex systems)

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연구팀은 자연에서 발견되는 '임계 감속(Critical Slowing Down)' 현상을 활용했다. 임계 감속 현상은 자연의 생태 시스템이 한계점에 가까워질수록 외부 충격을 받은 뒤 원래 상태로 회복하는 시간이 길어지는 현상을 의미한다. 생태학에서는 숲이나 호수 같은 생태계가 붕괴 직전에 있는지를 판단하는 핵심 지표로 활용된다.

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예를 들어 건강한 숲은 가뭄을 겪더라도 빠르게 회복되지만, 생태계의 복원력이 약해지면 회복 속도가 점차 느려진다. 결국 과거에는 문제가 되지 않았던 작은 기후 변화에도 대규모 산림 고사가 발생할 수 있다. 연구자들은 이러한 회복 속도의 변화를 통해 생태계가 임계점에 접근하고 있는지를 예측한다.

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델프트공대 연구팀은 이 개념을 드론과 같은 능동 제어 시스템에도 적용 가능한지를 검증했다. 그동안 드론과 항공기처럼 실시간 제어기가 지속적으로 개입하는 시스템에선 이런 생태학적 지표가 제대로 작동하지 않는 것으로 알려졌다.

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그러나 이번 연구 결과, 드론이 불안정한 상태에 가까워질수록 생태계에서 관측되는 것과 동일한 조기 경고 신호가 나타났으며, 이를 통해 실제 제어 불능 상태에 빠지기 전에 위험을 예측할 수 있었다.

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야스퍼 판 베어스(Jasper van Beers) 연구원은 "사람은 부상을 입으면 통증을 통해 현재 몸 상태를 인식하고 어떤 행동이 안전한지 판단한다. 기계는 이러한 자기 인식 능력이 부족하지만, 이번에 개발한 새로운 지표는 시스템이 한계에 접근하고 있음을 스스로 인식하도록 만드는 첫걸음이 될 수 있다"고 설명했다.

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실시간 측정 데이터에서 도출된 새로운 지표가 공학 시스템이 한계에 다가가고 있음을 인식할 수 있는 능력을 부여할 수 있다는 설명이다.

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연구팀은 델프트공대 항공우주공학부의 드론 연구시설인 사이버주(CyberZoo)에서 다양한 실험을 진행했다. 드론의 프로펠러를 일부 손상시키거나 제어 한계까지 비행시키면서 실제 비행 데이터를 수집했다. 이어 이 데이터를 시뮬레이션과 결합해 어떤 손상과 비행 조건이 제어 상실로 이어지는지를 분석했다.

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이번 기술은 위험 감지에 그치지 않고 시스템의 행동을 실시간으로 변경하는 데도 활용할 수 있다. 예를 들어 항공기 날개가 일부 손상되더라도 비행 방식을 자동으로 조정해 안전하게 비행을 지속하도록 지원할 수 있다.

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기존 고장 진단 기술은 기체 구조나 물리 모델을 정확하게 알고 있어야 하는 경우가 많았지만, 이번 기술은 저렴한 기체의 센서를 통해 수집되는 실시간 데이터를 활용해 이상 징후를 파악할 수 있다.

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연구팀은 이 기술이 사회기반시설의 상태 모니터링, 항공기와 자동차의 예지보전(Predictive Maintenance), 제조 공정의 품질관리, 자율주행차와 자율로봇의 안전성 향상 등 폭넓은 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

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백승일 기자 robot3@irobotnews.com

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