국방 전문기업 LIG넥스원, 무인지상로봇을 말하다 :: Today

국방 전문기업 LIG넥스원, 무인지상로봇을 말하다
미래 전장에서의 자율형 무인지상로봇에 관한 연구

▲ LIG넥스원의 무인지상로봇기술이 적용된 조류퇴치로봇

방위산업 분야의 전문가인 LIG넥스원의 소프트웨어연구센터에서 무인지상로봇 관련 논문 ‘미래 전장에서의 자율형 무인지상로봇에 관한 연구’를 발표했다. 이에 본지에서는 그간 다양한 국방 관련 로봇을 개발하며 국내 로봇산업계에서 활약해 온 LIG넥스원의 노하우가 집약된 무인지상로봇 관련 기술을 소개한다.

1. 무인지상로봇 적용 기술의 이해

1)무인지상로봇의 구성 요소
주어진 임무를 수행하는 무인지상로봇은 크게 로봇의 움직임을 담당하기 위한 동력체인 이동 플랫폼과 각종 무기장착, 적 탐색을 위한 카메라가 탑재된 임무장비로 구성된다. 무인지상로봇의 이동 플랫폼은 차체, 차륜 구동장치, 전원공급을 위한 전원장치, 무인지상로봇의 이동 위치 식별과 자율 주행을 위한 항법장치, 장애물 인식 센서와 각종 컴퓨터 및 객체 탐색과 인식을 위한 영상전송 장치 및 네트워크 장치로 구성된다.
무인지상로봇은 항법처리컴퓨터, 차량 플랫폼, 통합주행 컴퓨터, 장애물 처리 컴퓨터의 4가지 항목으로 구성된다. 여기서 항법 처리 컴퓨터는 위성 항법 보정 시스템인 디지털 위치 추적 시스템, 디지털 나침반, 경사계 그리고 관성 측정 장치로부터 데이터를 전송 받아 이를 통합해 가공하고, 항법 데이터로 활용한다. 지상로봇의 통합 주행 컴퓨터는 로봇의 움직임을 계획하는 경로계획 모듈, 전달된 항법 정보를 수신하는 항법정보 수신 소프트웨어 모듈, 장애물 수신 소프트웨어 등으로 구성된다. 또한 장애물 처리 컴퓨터는 원거리 레이저 거리측정기, 근거리 레이저 거리측정기, 초음파 센서 그리고 3차원 스캐너를 통해 이동 장애물과 고정 장애물을 인식하는 기능을 수행한다. 일반적으로 무인지상로봇과 통제장치의 데이터 전송을 위해서는 제어 데이터와 상태 데이터의 전송을 위한 TCP/IP 그리고 영상을 통제장치로 전송하기 위한 UDP가 활용될 수 있다.
지상로봇의 항법 운용을 위해 위치 추적 시스템, 관성 측정 장치/경사계, 디지털 나침반을 통해 입력된 정보를 활용한 항법처리컴퓨터의 상세 구조는 그림 1과 같다. 또한 지상로봇 운용 중에 나타나는 이동 및 고장 장애물을 회피하기 위해 활용되는 장애물 처리 컴퓨터의 세부 구조와 해당 컴퓨터의 통합정보처리 소프트웨어 모듈은 그림 2에서 제시한다. 여기서 통합 정보처리 소프트웨어 모듈은 항법 컴퓨터와 장애물 인식 컴퓨터 그리고 구동 제어기를 활용해 지역경로를 생성하고 해당 경로에 따른 구동 및 조향 명령을 생성함으로써 장애물을 회피하는 기능을 수행한다.

▲ 그림 1. 항법처리 컴퓨터 상세 구조

▲ 그림 2. 장애물처리 컴퓨터 (a) 상세구조 (b) 통합정보처리

2)무인지상로봇의 형상
무인지상로봇의 형상은 전장 환경과 같은 다양한 험지에서의 운용이 가능하도록 견고한 차륜형으로 설계되며 부여되는 임무와 목적에 따라 장애물 회피를 위한 별도의 장치가 탑재되기도 한다. 또한 이동 플랫폼과 임무장비의 동작에 소요되는 전력을 확보하기 위해 리튬폴리머 배터리를 활용하고 중량 및 부피를 최적화하는 방향으로 설계한다. 중량이 감소함에 따라 소비되는 전력량이 감소하고 이에 따라서 한 번에 수행 가능한 작전 지역의 범위가 함께 증가하는 효과를 얻을 수 있어 전체적인 작전의 효율성이 증대될 수 있다. 또한 유압식 브레이크와 전기식 주차 브레이크를 장착함으로써 동력의 활용성을 증대시키는 동시에 전장지역에서 여러 가지 원인으로 갑작스럽게 발생할 수 있는 각종 위험 상황에 대처할 수 있도록 한다.
무인지상로봇에 장착될 다수의 전방 카메라와 후방 카메라에 대한 영상 실험을 사전에 수행함으로써 개발 과정에서 원격통제장치 운용자가 최적의 상태에서 원활한 지상로봇 운용이 가능한지를 실험하는 것이 가능하다. 이와 같은 실험은 장착되는 카메라의 개수가 무인지상로봇에 부여된 임무 및 전장 운용환경 등에 의해 결정되며 이에 따라 제공되는 통신 대역폭에서의 영상 데이터 전송 방법을 새롭게 적용해야 하기 때문이다. 수행된 실험을 통해 각 카메라의 설치 각도를 미리 확인하는 동시에 영상을 통해 운용자가 무인지상로봇의 주간 및 야간 이동을 원활하게 수행할 수 있음을 확인한다. 원격통제장치에 제공되는 전방 및 후방 영상을 활용해 운영자는 넓은 시야각을 제공받음으로써 전장 상황 인식이 보다 정확하게 처리되고, 아울러 전장 지역에서 무인지상로봇을 원활하게 운용하는 것이 가능하다.

무인지상로봇 제작을 위한 설계도면(左)과 제작된 무인지상로봇 이동 플랫폼(右)

2. 원격통제장치 기술의 이해

1)원격통제장치 소프트웨어 구성
원격통제장치는 햅틱(Haptic) 장치를 이용해 입력된 운용자의 로봇 플랫폼 및 임무장비 제어신호를 전송, 원격에서 무인지상로봇의 동작을 제어하기 위한 시스템이다.
원격통제장치는 운용자의 입력을 받는 햅틱 장치, 무인지상로봇의 운용 상태를 확인할 수 있는 전시장치, 내/외부 데이터를 처리하는 정보처리 장치 등으로 구성된다. 이와 같은 원격통제장치의 소프트웨어 구성은 상황처리 모듈을 통한 로봇 및 임무장비의 상태정보 전시, 위치정보 전시, 각종 영상 전시와 정보처리 모듈을 통한 임무계획, 사후 분석, 대응방안 제공 등의 알고리즘을 제공한다.
또한 신호처리 모듈을 통해 운용자의 햅틱 제어 신호를 무인지상로봇에 전송해 원격 조정이 가능하도록 한다. 무인지상로봇의 효율적인 운용 기능을 수행하기 위한 원격통제장치의 소프트웨어 구성항목이 요구된다.
제시하는 원격통제장치의 소프트웨어는 전시처리, 시스템관리, 장비점검, 신호처리, 자료관리, 전술정보 융합처리, 제어처리, 정보처리, 복합임무통제의 9개 소프트웨어 컴포넌트로 구성된다. 여기서 전시처리 소프트웨어 컴포넌트는 디지털 지도를 기반으로 각종 정보 처리 결과를 도시하거나 무인지상로봇이 전송한 영상을 화면에 보여주는 기능을 수행하며, 신호처리 소프트웨어 컴포넌트는 무인지상로봇에서의 영상 압축과 복원을 수행하는 기능을 한다. 또한 전술정보 융합처리 소프트웨어 컴포넌트는 표적 객체 인식과 전장상황 정보 분석을 통해 다양한 정보를 영상을 기반으로 추출함으로써 무인지상로봇이 위치한 전장 상황을 보다 정확하게 인지할 수 있도록 하는 기능을 제공하며, 복합 임무통제는 무인지상로봇 간 주어진 임무를 협업함으로써 보다 복잡한 임무를 수행할 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
그림 3은 원격통제장치 소프트웨어의 구성항목과 하위 단계인 소프트웨어 컴포넌트, 그리고 각 소프트웨어 컴포넌트에 대한 상세 기능 정의를 나타내는 소프트웨어 단위(CSU; Computer Software Unit)를 나타낸다.

▲ 그림 3. 원격통제장치 소프트웨어 구성항목

2)원격통제장치 사용자 인터페이스 및 하드웨어 형상
원격통제장치는 디지털 지도를 기반으로 무인지상로봇의 위치를 전시하는 동시에 특정 위치로의 자율 이동 명령을 내리게 하는 인터페이스이다. 또한 무인지상로봇 다수의 카메라를 통해 입력된 영상을 전시하며 사용자가 원하는 영상만을 선별해 전시하거나, 실시간으로 네트워크의 상태를 고려해 필요 시 영상의 전시를 중단하거나 영상의 해상도와 비트율 등을 조절함으로써 무인지상로봇에서 원격통제장치로 전송되는 데이터량을 최적화한다. 특히 디지털 지도하에서 다중 무인지상로봇의 움직임을 사전에 통제하는 임무를 설정하는 기능을 부여함으로써 한 운용자가 다수의 무인지상로봇을 통제하는데 요구되는 효율성을 확보한다. 또한 지도의 이동과 2차원 지도와 3차원 디지털 지도 간의 변환을 수행함으로써 운용자에게 로봇 운용의 편리성을 제공한다. 다수의 무인지상로봇을 각각 다른 공간으로 이동했을 경우 이를 동시에 통제하고 움직임을 효과적으로 탐색하기 위해 미니 맵을 제공한다. 이를 통해 다수 무인지상로봇의 현재 위치를 신속하게 식별하는 것이 가능하다.
로봇의 전방 카메라, 후방 카메라와 임무장비 등에 탑재되어있는 주야간 컬러카메라와 적외선 카메라로부터 입력된 영상들을 전시하며 운용자의 선택에 따라 영상을 선별해 전시하거나 실시간으로 변화하는 통신 상태를 고려해 영상의 품질을 결정한다.
또한 무인지상로봇의 구동을 가능하게 하는 배터리 상태나 전장 정보를 취득하는데 사용되는 카메라 상태값을 전시하거나 설정하도록 한다. 이를 통해 로봇의 주행플랫폼 및 임무 장비의 상태를 운용자가 신속하게 확인하거나 갑작스럽게 발생할 수 있는 긴급 상황을 처리할 수 있으며 정보의 취득과 특정 위치로의 이동 명령을 내림으로써 부여된 작전을 효율적으로 수행하는 것이 가능하다.
우리나라의 경우에도 무인지상로봇의 통제를 위한 원격통제장치 기술 개발이 다양한 분야에서 진행되고 있다. 특히 LIG넥스원과 한국원자력연구원은 공항에서 항공기의 안전을 확보하기 위해 조류의 접근을 방지하는 무인지상로봇과 원격통제장치로 구성된 조류퇴치 시스템을 개발 중에 있다.
여기에서 활용되는 원격통제장치는 디지털 지도를 기반으로 공항 내 무인지상로봇의 위치를 정확히 표기하고 다양한 햅틱 장비를 활용해 통제하며, 카메라를 통해 입력된 영상을 기반으로 무인지상로봇 주변에서 발생되는 각종 상황을 인식하고 실시간으로 분석하는 역할을 수행하도록 개발된다.

▲ 디지털 지도를 기반으로 한 사용자 인터페이스(左)와 무인지상로봇의 상태정보 사용자 인터페이스(右)

3. 결론 및 향후 전망

현재 무인체계는 정부, 산업계와 학계에서의 활발한 연구 노력이 지속됨에 따라 다양한 성과가 나타나고 있다. 특히 육군은 2025년까지 3단계에 걸쳐 군사용 무인 로봇을 개발하는 계획을 발표했으며 이를 위해 국내 군사용 무인지상로봇은 군 용도와 특수 목적에 적합하도록 설계되어 개발되고 있다. 이는 미국의 기술 습득 단계와 매우 유사하게 진행되고 있으며, 일부 민수 분야의 무인지상로봇 역시 일본과 유사한 형식으로 특수 목적에 맞게 선택적으로 개발되고 있다.
아직 어느 나라도 완전 자율 무인지상로봇 기술 개발을 성공하지 못했다. 따라서 우리가 기대하는 수준의 자율성을 가지는 무인지상로봇을 개발해 내기 위해 앞으로도 관련 연구 개발이 여러 분야에서 지속되어야 한다.
따라서 우리나라에서도 가까운 시일 내에 고도의 지능을 내재한 무인지상로봇이 개발될 것이며, 특히 국내 방위산업체인 LIG넥스원은 세계 최첨단 정밀전자 무기체계 개발 경험을 바탕으로 최단 시간 내에 이를 이루어 내도록 끊임없이 노력하고 있다.
높은 수준의 자율화를 기반으로 개발될 무인지상로봇은 군 작전이 수행되는 전장 환경에서 인적, 물적 손실을 최소화하는 동시에 타 전투체계와 유기적으로 결합해 작전을 성공적으로 이끄는데 주된 역할을 수행할 것으로 기대한다.