작성자 : 이승제
꽤 오래 전부터 우리 주변에는 R/C Controller 라고 불리는 무선 조종기를 통해서 모형 헬리콥터를 조종하는 취미를 가진 사람들이 있었습니다. 따라서 무인 비행체 자체는 그렇게 낯선 장비가 아닌데요. 그럼에도 불구하고 최근 10년 사이에 무인 헬리콥터를 제치고 크게 성장한 멀티로터 무인항공기의 성장동력은 어디서 찾을 수 있는 지, 조금은 자세한 설명을 통해 여러분의 이해를 돕고자 합니다. 본론에 앞서 이 글은 멀티로터 무인항공기에 대한 각별한 관심을 가지고 계신 일반인을 주 독자층으로 설정한 글로써 전문적인 멀티로터 및 관련 공학적 지식을 가진 분들께서 보시기엔 적절치 않을 수 있음을 미리 알립니다.
멀티로터의 명칭은 왜 다양할까?
우선 용어에 대한 점을 먼저 짚어보도록 하겠습니다. 멀티로터 무인항공기를 우리는 흔히 “드론”, “쿼드로터”, “쿼드콥터” 등의 이름으로 부르곤 합니다. 그러나 엄밀히 말해 이러한 용어들은 구분되어 언급되어야 하는데요. 먼저 멀티로터 무인항공기의 대표적 명칭인 “드론”이라는 용어부터 살펴 보도록 하겠습니다.
1. 드론
드론(Drone)의 어원은 수컷 꿀벌입니다. 일벌과 달리 수컷 꿀벌의 역할은 오로지 여왕벌과의 교미밖에 없기 때문에 이들은 일을 하지 않아도 되었고, 따라서 16세기까지만 해도 “drone”은 게으른 사람을 지칭하는 단어였다고 합니다. 1935년, 미국 해군 제독 William H. Standley는 영국에서 개발하던 사격연습용 원격조종 항공기 DH 82B Queen Bee의 시연을 보고 자국에 비슷한 형태의 물건을 개발하도록 지시하였습니다. 이 때 개발을 책임졌던 Delmer Fahrney 해군 중령은 영국의 Queen Bee(여왕벌) 에 대한 오마주로써 여왕벌에 대한 존경의 표현을 담아 자신들이 개발한 비행기를 “drone”라 불렀다 합니다.[1] 이후 드론은 무인항공기의 대명사가 되었고, 따라서 멀티로터 플랫폼이 대두되기 전까지만 해도 드론은 최근 우리 군이 도입하고자 하는 RQ-4 글로벌 호크 등과 같은 고정익 무인기를 지칭하는 데 더욱 어울리는 단어였다 하겠습니다. 2000년대에 들어 멀티로터 무인항공기가 시장에 진입하며 자연스레 “무인항공기 고정익 무인항공기” 라는 고정적인 인식은 깨지기 시작했습니다. 이후 멀티로터 무인항공기가 전체 무인항공기 시작을 석권하면서, 점차 현재의 “멀티로터 무인항공기=드론”이라는 의미관계가 굳어지게 되었습니다. 최근 멀티로터 무인항공기를 드론이라 칭하는 이유를 설명하는 다양한 글들 중에서는 멀티로터 무인항공기가 비행 시 내는 소리가 벌이 날갯짓을 하면서 내는 소리와 유사하기 때문에 붙여진 이름이라는 설명이 종종 보입니다. 당장 인터넷 사전 Thesaurus에 “drone”을 검색해 보아도 연관검색어로 “bee”와 함께 “buzz”(벌의 날갯짓 소리) 가 우선적으로 노출됩니다. 실제 멀티로터 무인항공기가 비행 시 내는 소리를 들어보면 벌의 날갯짓 소리와 유사하기 때문에 이러한 설명이 아주 틀렸다고 보긴 어렵겠지만[2], 최근에는 단순히 무인항공기를 넘어 무인 로봇 전체를 드론이라 칭하는 경향도 보이는 등 드론의 지칭이 무분별해지는 감도 있습니다. (ex. 수중 드론, 견마형 드론) 그러나 어원과 역사적 측면에서 아직까지는 비행이 가능한 무인기만을 드론이라 칭하는 게 맞습니다.
2. 기타 명칭들 (쿼드로터, 쿼드콥터, 헥사로터, 옥토로터 등등…… )
일반 사회에서 멀티로터 무인항공기를 부르는 명칭은 너무도 다양합니다. 특히 쿼드콥터라는 명칭이 유명합니다. 그러나 “드론”을 제외한 나머지 대부분의 명칭들은 멀티로터 무인항공기의 형태에서 기인한 이름들인 경우가 많습니다. 멀티로터 무인항공기는 대부분 본체에서 뻗어 나온 팔이 있고, 팔의 끝 부분에 모터와 프로펠러가 부착되어 있는 형태를 가집니다. 이 때 장착된 팔과 프로펠러의 개수에 따라 4개의 팔일 경우 라틴어 접두어로 숫자 4에 대응하는 Quad- 를 붙여 Quad-rotor 혹은 Quad-coptor, 6개일 경우 Hexa- 를 붙여 Hexa-rotor 혹은 Hexa-coptor, 8개일 경우 Octo- 를 붙여 Octo-rotor 혹은 Octo-coptor 등으로 불리게 되는 것입니다. 그리고 이러한 다양한 종류의 형상을 아우르기 위하여 학술적으로는 다수를 의미하는 Multi- 를 붙여 Multi-rotor, 혹은 Multi-coptor 라는 명칭을 쓰기도 합니다. 특수한 경우를 제외하고는 멀티로터 무인항공기의 프로펠러 개수는 4개를 시작으로 두 개씩 한 쌍으로 프로펠러 개수가 증가합니다. 비행을 위한 최소한의 프로펠러 개수는 보통 4개이고, 그보다 많은 프로펠러를 가지는 멀티로터 무인항공기는 무거운 이륙하중을 요구 받는 상황 등 비교적 특수한 목적에서 사용되기 위해 설계되는 만큼 쿼드로터 형상의 무인항공기가 가장 대중적입니다. 따라서 쿼드로터는 멀티로터 무인항공기 중 가장 유명한 형태에 대한 명칭일 뿐으로, 부착된 팔과 프로펠러의 개수에 상관없이 모든 무인항공기를 쿼드로터라 칭하는 일은 없어야 하겠습니다.
원리를 통해 살펴보는 멀티로터 무인항공기 대중화의 비결
오랫동안 R/C 헬리콥터 무인항공기는 정지비행이 가능한 무인항공기의 제왕으로 군림했었습니다. 그러나 2000년대에 들어 멀티로터가 대중화되기 시작하면서 R/C 헬리콥터는 무인항공기의 왕좌를 멀티로터에게 물려줘야만 했습니다. 이번 글에서 우리는 R/C 헬리콥터와 멀티로터의 비행 원리를 간략히 살펴봄으로써 멀티로터 무인항공기가 R/C 헬리콥터를 제치게 된 이유를 알아보도록 하겠습니다.
1. 간략히 짚어보는 헬리콥터의 원리
먼저 헬리콥터의 비행 원리를 살펴보겠습니다. 헬리콥터는 동체 상단에 지면과 평평한 방향으로 부착된 메인 로터와 꼬리 부분에 수직으로 부착된 테일 로터로 구성되어 있습니다.
a. 메인 로터
헬리콥터가 중력을 이겨내고 공중에 떠 원하는 방향으로 비행하기 위해서는 추진력이 필요합니다. 그리고 헬리콥터의 비행에 필요한 거의 모든 추진력은 메인 로터로부터 나옵니다. 메인 로터는 바닥 방향으로 강력한 바람을 만들어 내는데, 바람에 의한 반작용으로 추진력이 생긴 헬리콥터는 중력을 이겨내고 날아오를 수 있게 됩니다. 메인 로터가 만들어내는 바람의 세기가 강하면 헬리콥터는 상승하며, 반대로 바람의 세기가 약하면 헬리콥터는 하강합니다. 헬리콥터가 동체를 앞, 뒤로 기울이면 헬리콥터는 전진, 후진을 하게 되며, 좌, 우로 기울이면 헬리콥터는 좌측, 우측으로 이동하게 됩니다. 메인 로터의 바람의 세기를 조절하는 과정을 ‘추력제어’, 헬리콥터 동체의 기울기를 조절하는 과정을 ‘자세제어’라고 합니다.
추력제어: 선풍기의 날개는 하나의 플라스틱 덩어리로 이루어져 있습니다. 그리고 강, 중, 약 버튼으로 날개의 회전속도를 바꿔 바람의 세기를 조절합니다. 반면, 헬리콥터는 선풍기와 달리 바람의 세기를 조절하기 위해 날개의 회전속도를 바꾸지 않습니다. 대신, 아래 사진의 우측 그림에서 볼 수 있듯 여러 개의 부품들로 구성된 헬리콥터 날개의 회전속도는 그대로 둔 채, 메인 로터의 날갯깃(blade)의 평균각도를 조절해(주황색 화살표 방향 회전) 추진력의 크기를 조절하게 됩니다(컬렉티브 피치). 판자를 들고 일정한 속도로 뛰는 경우를 생각해볼 때, 모서리 방향으로 판자를 들고 뛸 때와 비교해 평평한 면 방향으로 판자를 들고 뛸 때 우리는 바람에 의한 저항을 크게 받습니다. 이때, 판자의 각도를 모서리 방향일 때를 0도, 면 방향일 때를 90도라고 한다면 0도에서 90도 사이 각도를 선택함으로써, 우리는 판자에 의해 발생하는 공기저항의 크기를 고를 수 있습니다. 마찬가지로 메인 로터가 일정한 속도로 회전하고 있더라도 날갯깃의 각도를 0도부터 90도 사이의 값 중에서 선택함으로써 우리는 비행 시 원하는 크기의 추진력을 고를 수 있습니다.
자세제어: 대부분의 선풍기에는 회전 버튼이 있습니다. 버튼을 누르면 바람의 세기는 그대로인 채 선풍기 머리는 좌우로 회전을 시작해 바람의 방향을 바꾸게 됩니다. 그러나 헬리콥터는 메인 로터의 축을 기울여 추진력의 방향을 결정하지 않습니다. 메인 로터 축은 비행 중 언제나 동체에 수직으로 꼿꼿이 자리잡고 있으며, 대신 메인 로터를 구성하는 각각의 깃이 한 바퀴 회전하는 동안 특정 각도에서는 깃의 각을 낮추었다가 반대편 각도에서는 깃을 크게 올리는 등, 1회전 동안의 각 깃의 각 위치 당 각도 (사이클릭 피치)를 주기적으로 조절함으로써 헬리콥터 동체를 기울일 수 있는 토크를 생성하게 됩니다.
b. 테일 로터
헬리콥터는 메인 로터의 회전을 통해 추진력을 얻습니다(상단 좌측 그림 파란 색 화살표). 만약 헬리콥터에 메인 로터만 장착되어 있었다면 회전에 대한 반작용으로 동체는 메인 로터와 반대방향으로 원치 않는 회전이 발생하게 됩니다 (상단 좌측 그림 노란 색 화살표). 비행 중 원치 않는 동체의 회전은 매우 위험한 상황으로, 여러 전쟁영화에서 우리는 꼬리날개를 피격 당한 헬리콥터가 빙글빙글 돌면서 추락하는 장면을 많이 보았을 것입니다.
헬리콥터의 꼬리에 붙어있는 테일 로터는 메인 로터와 마찬가지로 깃의 각도를 조절하여 바람을 일으켜 추진력을 발생시킵니다. 테일 로터는 수평한 방향으로 장착된 메인 로터와는 달리 수직으로 장착되어 있습니다. 따라서 메인 로터와 달리 상단 좌측 그림의 초록색 화살표의 방향과 같은 추진력을 얻습니다. 노란색 화살표 방향으로(시계 반대방향) 회전하고 있는 동체에 초록색 테일 로터 방향의 힘이 가해질 경우, 우리는 동체를 더 이상 돌지 않도록 만들 수 있습니다. 즉, 테일 로터는 원치 않는 동체회전을 막기 위한 장치로써 동체 회전방향의 반대 방향으로 힘을 발생시켜 메인 로터에 의한 회전 힘을 상쇄시킴으로써, 동체의 회전을 제어할 수 있게 됩니다.
이렇듯 헬리콥터의 비행을 위한 매커니즘은 매우 복잡한 편입니다. 그리고 헬리콥터의 비행 시 발생하는 일들을 수학적으로 분석하는 과정은 더더욱 복잡합니다. 따라서 이러한 복잡성으로 인해 헬리콥터에게 원하는 임무를 수행하도록 제어하는 일은 매우 제한된 전문가들만이 가능한 일이었으며, 헬리콥터를 전공하지 않은 타전공자 혹은 일반인이 비행원리를 이해하고 응용하기 위해 접근하는 것은 매우 어려웠습니다. 그러나 다음 문단에서 설명할 멀티로터 무인항공기는 헬리콥터에 비교할 수 없을 정도로 간단한 동작원리를 가지고 있습니다. 간단한 동작원리로 인해 항공공학에 전공지식을 가지고 있지 않은 사람들도 상대적으로 쉽게 멀티로터를 제어할 수 있게 되었고, 이러한 손쉬운 접근성은 멀티로터의 대중화의 주역이 되었습니다.
2. 멀티로터의 원리와 등장배경
먼저 프레임을 살펴보면 멀티로터 무인항공기는 본체, 프로펠러 개수에 맞춰 뻗어있는 팔, 그리고 랜딩 기어로 구성되어 있습니다. 각각의 팔 끝에는 프로펠러가 장착된 모터가 위치하고 있고, 헬리콥터와 달리 멀티로터 무인항공기의 프로펠러 깃의 각도 (피치)는 선풍기 날개와 마찬가지로 고정되어 있습니다. 동체 내부에는 각 모터의 회전속도를 제어하기 위한 전자변속기 (ESC; Electric Speed Controller)와 멀티로터 무인항공기의 자세, 속도 및 위치를 감지하기 위한 AHRS/Navigation 센서, 센서정보를 바탕으로 멀티로터를 제어하기 위한 비행 컴퓨터, 비행 중 필요한 에너지를 공급하는 배터리, 각 멀티로터 무인항공기의 운행 목적에 부합하도록 제작된 각종 센서류 (GPS, 카메라, 기압계 등등) 들이 자리잡고 있습니다. 그러나 수많은 멀티로터 무인항공기의 구성요소들 중 비행을 위해 움직이는 부품은 오직 모터뿐입니다. 게다가 대부분의 멀티로터 무인항공기는 전후 좌우로 대칭을 가지는 형태를 띠고 있어, 각 프로펠러들의 회전에 따른 거동을 이해하기 위한 공학적 분석 시 수식의 형태가 매우 간단합니다. 또한 대부분의 멀티로터 무인항공기는 서로 반대되는 방향으로 회전하는 짝수 개의 프로펠러를 가지고 있어, 각 모터들의 회전에 의해 발생하는 반작용 토크가 자연스레 상쇄됩니다. 따라서 멀티로터는 상대적으로 복잡한 테일 로터 제어를 통해 반작용 토크를 상쇄되는 헬리콥터에 비해 동체 회전에 관한 제어가 비교할 수 없을 정도로 쉽습니다. 이쯤에서 우리는 합리적인 질문이 하나 생깁니다.
“그러면 왜 이리도 쉬운 멀티로터 플랫폼이 상용화되는데 이렇게 긴 시간이 걸렸을까요?”.
이 질문에 대한 대답은 여러 가지가 있겠으나, 많은 사람들이 동의하는 부분은 크게 세 가지로 “센서의 발전 (소형화 및 경량화)”, “전자계통의 가격경쟁력”, “배터리의 발전”이 있습니다. 위 세 가지 요소들이 어째서 멀티로터의 부흥을 이루어 내었는지를 이해하기 위해 우리는 먼저 간략하게나마 멀티로터의 비행원리를 살펴 보아야 합니다.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
*멀티로터의 비행원리
멀티로터 무인항공기는 보통 4개 이상의 프로펠러가 발생하는 추력을 통해 비행합니다. 각 프로펠러의 추력 방향은 멀티로터 동체를 기준으로 수직으로 고정되어 있습니다. 어떤 물체든 질량을 가진 물체는 원하는 방향으로 이동하기 위해 그 방향으로 적절한 힘이 가해져야만 합니다. 이는 멀티로터 무인항공기도 예외가 아니라서, 멀티로터가 원하는 방향으로 비행하기 위해서는 그 방향으로 힘을 가해야 합니다. 그러나 추력을 발생시킬 수 있는 프로펠러는 동체에 대해 수직으로 고정되어 있기 때문에, 특정 방향으로 이동하고자 할 때 우리는 해당 방향으로의 힘을 얻기 위해 동체를 기울여 추력의 일부를 원하는 방향으로 분배하는 과정을 필요로 합니다. (하단 그림 참고)
분배된 힘 들 중 수평 힘들을 “수평 분력”, 수직 힘을 “수직 분력”이라고 하며, 동체를 원하는 만큼 기울이는 과정을 우리는 “자세제어”라고 합니다. 예를 들어 상단 그림과 같이 체공 중인 멀티로터 무인항공기가 x방향으로 이동하고자 하는 경우, 우리는 모터 2,4의 회전 속도는 그대로 둔 채 모터 1의 회전속도는 줄이고 모터 3의 회전속도는 늘리는 명령을 전송합니다. 그 결과로 기체는 앞쪽으로 기울어지게 되며, x축 방향으로 추력의 분배가 이루어지기 때문에 전진방향으로 가속됩니다. 모터 3의 추력의 크기가 모터 1의 크기보다 큰 상황이 계속되면 멀티로터 무인항공기는 전진방향으로 계속 기울기가 증가하여 결국 동체가 뒤집어지게 됩니다. 이 점 때문에 우리는 동체가 원하는 각도에 도달하면, 다시 모터 1과 3의 추력 차이를 없애는 방향으로 모터 명령을 갱신합니다. 이 때, 아무리 같은 종류의 모터와 프로펠러로 이루어진 추력 발생 장치에 동일한 명령을 내리더라도, 발생하는 모터 추력의 크기는 미세하게나마 다를 수 있기 때문에 단순히 동일한 명령을 각 모터에 인가하는 것만으로는 동체가 안정화되지 않습니다. 대신, 우리는 동체에 컴퓨터를 장착해 주기적으로 현재 각도가 목표 각도와 얼마나 다른지를 센서를 통해 실시간으로 체크하고, 만약 각도 오차가 발생하였다면 이를 보정하도록 각 모터들에 추가적인 전자 신호를 보내야 합니다. 이러한 전자적 시스템을 SAS(Stability Augmentation System)이라 하며, 제조사마다 다르지만 멀티로터 드론은 SAS를 통한 자세 안정화를 적게는 초당 100회에서 많게는 수천 회까지 수행해야 자세제어의 안정성과 조종성을 확보할 수 있습니다.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
위의 설명에서 볼 수 있듯이 멀티로터 무인항공기에게 전자 센서와 비행 컴퓨터는 필수적인 존재입니다. 헬리콥터의 경우 메인로터 깃의 관성이나 추가적으로 부착하는 스테빌라이저 바 라고 부르는 특수한 장치로 인해 조종입력에 대한 반응속도가 적절히 지연되도록 설계하면 사람의 반응속도만으로도 조종이 가능해 지지만, 멀티로터 무인항공기의 경우 적어도 초당 100회 이상의 신호를 발생시켜 자세를 제어해야 하기 때문에 컴퓨터의 도움이 꼭 필요합니다. 그러나 항공기의 자세를 측정하는 센서인 AHRS(Attitude, Heading Reference System)은 과거 기계적 동작원리로 작동하였기 때문에 부피가 매우 크고 무거웠으며, 센서로부터 취득한 데이터를 바탕으로 제어신호를 계산해야 할 비행 컴퓨터 또한 무겁기는 마찬가지였습니다. 또한 가격도 매우 비싸 비행에 필수적인 탑재체의 가격만으로도 이미 일반 대중이 구입할 수 있는 수준을 현저히 뛰어넘곤 했습니다. 그러나 시간이 흘러 현재의 AHRS는 과거의 기계적 동작원리에서 벗어나 반도체 기반의MEMS 기술을 통해 손톱만한 칩의 형태로도 생산되기 때문에 매우 적은 부피를 차지하게 되었고 무게도 매우 가벼워 졌습니다. 비행컴퓨터의 경우도 100g을 넘지 않는 무게와 손바닥만한 크기까지 줄어들어 비교적 크기가 작은 멀티로터 무인항공기에 탑재하는 것도 전혀 무리가 아니게 되었습니다. 물론 가격 또한 매우 저렴해 졌습니다. 또한 무인항공기의 전력원인 배터리의 경우, 리튬 계열의 배터리 기술의 발달을 통해 무게 당 에너지 저장밀도가 과거 니켈이나 납 계열의 배터리에 비해 압도적으로 높은 배터리들이 생산되었고, 경량화된 배터리를 통해 비행체 전체 무게가 줄어드는 효과를 가져와 비행 효율성을 크게 개선할 수 있게 되었습니다. 이러한 기술의 발전은 2000년대 초반에 와서 멀티로터 무인항공기에 적용이 가능해졌고, 이에 따라 합리적인 가격대의 좋은 비행성능을 가진 멀티로터 무인항공기가 탄생할 수 있었던 것입니다.
멀티로터의 한계와 전망
우리는 뉴스나 다큐멘터리에서 멀티로터 무인항공기의 장밋빛 미래를 그리는 광경을 종종 목격합니다. 이러한 영상에서는 세계 유수의 택배운송업체들이 멀티로터를 이용해 집앞까지 물품을 운송하고, 산간 오지에 의료 지원이 필요할 경우 약품이나 제세동기를 실은 드론이 자동으로 의사가 있는 곳까지 가기도 합니다. 빌딩이나 큰 교각의 정기적인 검사를 위해 멀티로터 무인항공기를 이용하기도 하고 심지어 총을 장착한 멀티로터가 사람 대신 정찰 및 교전에 임하기도 합니다. 그러나 현실은 그리 녹록지 않습니다. 2017년 현재까지 아직도 멀티로터 무인항공기의 가장 큰 시장은 취미용과 공중촬영으로 제한되어 있고, 우리가 보아왔던 많은 멀티로터의 응용들은 아직까지는 실용화 단계와는 거리가 있어 보입니다. 이번 장에서 우리는 현 시점에서 멀티로터의 응용을 가로막는 장벽들이 어떤 것들인지를 살펴보고, 각 장벽들이 해결 가능한 것들인지에 대한 전망을 살펴보도록 하겠습니다.
1. 멀티로터의 한계
먼저 기술적 측면에서 대표적으로 언급되는 문제들은 다음과 같습니다.
*짧은 체공시간
현재의 멀티로터 무인항공기의 비행 가능시간은 매우 짧습니다. 초창기 멀티로터 무인항공기의 체공시간은 대략 15분 내외였습니다. 현재에도 비행시간은 비약적으로 증가하지는 못했습니다. 이는 카메라 촬영을 위해 장시간 체공하거나, 물품운송을 위해 장거리를 왕복하는 임무수행 시 큰 제약이 될 수 있습니다. 체공시간 연장을 위해서는 경량화, 고효율화와 더불어 배터리의 에너지밀도 향상을 꾀하거나, 하이브리드 자동차와 같이 새로운 컨셉의 전력생성 체계개발이 요구됩니다.
*소음
멀티로터 무인항공기의 프로펠러 추진 방식은 공기와 상호작용하면서 발생하는 충격파로 인해 필연적으로 소음을 발생시킵니다. 이를 우리는 공력 소음이라 부르며, 공기 중을 움직이는 거의 대부분의 물체는 필연적으로 공력소음을 발생시킵니다. 문제는 사람이 멀티로터 무인항공기의 프로펠러 소음을 같은 크기의 타 소음에 비해 불쾌감을 더 느낀다는 점입니다[3]. 타 항공기에 비해 멀티로터 무인항공기의 활동 범위는 우리의 일상생활 공간과 매우 붙어있습니다. 기술이 성숙할 경우, 우리는 건물 내부에서도 사람과의 충돌 우려 없이 자유로이 오고 가는 인공지능 멀티로터 무인항공기를 볼 지도 모릅니다. 이렇게 사람과 지근거리로 다가올 멀티로터 무인항공기를 우리 사회가 거부감 없이 받아들이기 위해 소음 문제는 필수적으로 해결해야 할 과제입니다.
*항법정보 획득의 한계
멀티로터 무인항공기를 제어할 때 우리는 항법(navigation), 유도(guidance), 제어(control)로 불리는 세 가지 요소를 필요로 합니다. 일명 GNC라고도 불리는 위 필수 항목들 중 항법은 멀티로터 무인항공기의 현재 위치와 속도정보를 취득하는 방법에 관한 것입니다. 제아무리 좋은 비행성능을 가진 무인항공기일지라도 항법 정보가 정확하지 않으면 엉뚱한 곳으로 가버리기 때문에, 전체 임무수행에 있어 가장 중요한 정보가 항법정보입니다. 실외비행 시에는 GPS 정보를 가공하여 위치 및 속도정보를 알 수 있습니다. 그러나 실내에서는 GPS 정보를 획득할 수 없습니다. 멀티로터 무인항공기의 실내 비행 기능은 플랫폼을 더욱 더 효과적으로 활용하기 위한 매우 중요한 기술입니다. 이러한 점 때문에 많은 연구자들은 지금 이 순간에도 영상 센서, LIDAR 등을 이용한 안정적인 실내 항법 기술 개발을 위해 고군분투하고 있습니다.
이외에도 사회, 제도적으로 제기되는 문제점도 있습니다.
*공역 문제
지금껏 개인이 운용하는 물체가 지상을 벗어나 공중에 이처럼 쉽게 도달한 적이 없었습니다. 그러나 하늘길은 우리의 생각보다 훨씬 더 복잡하게 얽혀 있어서, 관제를 받지 않는 미확인 비행 물체가 많아질 경우 안전상의 문제로 직결될 수 있습니다. 일례로 작년 4월에 영국 Heathrow 공항에서 최초로 민항기와 멀티로터 사이의 충돌사고가 발생한 바 있습니다. [4] 자체적 시스템이 갖춰진 기관과 달리 개인은 매우 통제하기 어려운 대상이기 때문에 기술적으로 이러한 문제를 해결할 방법이 갖춰져야 합니다. 세계 민간 멀티로터 판매량 1위의 DJI사는 대부분의 자사 멀티로터 무인항공기가 GPS를 탑재하고 있음을 착안하여 각국 정부가 지정한 비행금지구역 내에서는 모터회전을 금지하는 코드를 삽입하는 등의 조치를 취하고 있습니다.[5]
*사생활 침해 문제
현재까지 민간 분야에서 가장 많이 쓰이는 멀티로터들의 주된 용도는 촬영입니다. 사람이 도달하지 못하는 절벽, 혹은 오지에도 손쉽게 멀티로터 무인항공기를 보내 고화질의 촬영을 할 수 있다는 점은 분명 큰 장점입니다. 그러나 동시에 기존 우리 사회에서 프라이버시를 지키기 위한 수단, 예를 들어 담장이나 출입금지구역 등의 물리적 한계를 너무도 쉽게 극복할 수 있어 개인의 사생활이 침범 당할 가능성이 급증하게 되었습니다. 현행 법률은 이러한 상황을 상정하고 만들어진 것이 아니어서 법적 다툼의 여지는 상당합니다.
2. 전망
위 언급된 다섯 가지의 문제점 이외에도 멀티로터의 더 나은 활용을 위한 많은 문제들은 산적해 있습니다. 그러나 현재 멀티로터 무인항공기에 제기되는 많은 문제점들은 결국 해결이 가능한 문제들입니다. 리튬이온 배터리의 에너지밀도는 나날이 증가하고 있어 짧은 체공시간의 원인으로 지목받는 배터리는 계속해서 성능이 개선되고 있으며, 프로펠러의 형상 설계 및 덕트 형태의 추진기를 부착하여 소음을 억제하는 등의 노력도 있습니다. 실내 항법의 경우 스테레오 및 RGBD 카메라, LIDAR센서를 이용한 비행이 기술적으로 충분히 입증되어 있으며, 드론의 활용에 대한 법적 문제 역시 공역 이외에서 12Kg 미만의 멀티로터를 150m까지 띄우는 데에 제한을 없애거나 민간에 자유비행구역을 제공하는 등으로 해결해 나가고 있습니다. 사생활 침해와 관련된 문제 또한 대중의 인식 개선과 법원의 판례가 누적됨으로써 더욱더 개선될 것이라 믿습니다.
기술적 문제들은 결국에는 해결 가능한 경우가 많습니다. 논리적인 분석을 통해 문제를 발견하고 이에 대한 기술적 합리적 방안을 제시하는 공학자의 치열한 노력은 인류의 역사 속에서 기존의 불가능하다고 여겨졌던 수많은 일들을 현실로 이루어 냈습니다. 세계 각국의 연구자들은 지금 이 순간에도 한계들을 극복해 가며 멀티로터 무인항공기를 활용한 창의적인 연구들을 계속하고 있습니다. 로봇 팔이 달린 멀티로터 무인항공기가 서랍을 스스로 열고 닫으며 탐색을 하기도 하고[6], 두 대 이상의 멀티로터가 협업하여 길거나 무거운 물체를 운반하기도 하며[7], 줄로 연결된 화물을 들고 흔들림으로 인한 불안정성을 극복하며 스스로 비행하기도 합니다[8].
이번 글을 통해 우리는 멀티로터의 용어, 헬리콥터와 대비되는 간단한 구조의 멀티로터 비행원리 및 멀티로터의 대중화의 이유, 그리고 현 시점의 멀티로터가 가지고 있는 한계와 전망을 간략하게 살펴보았습니다. 본 글에서 언급한 것처럼 지금의 멀티로터는 다양한 방면으로 한계를 맞이하고 있습니다. 그러나 구조가 단순하여 정비가 용이하고, 안정적인 비행이 가능하며 동시에 경제적인 플랫폼의 가격을 가지는 멀티로터는 위 문제점을 모두 이겨낼 수 있는 매우 큰 장점들을 가지고 있습니다. 그 무엇보다 멀티로터는 지금껏 우리가 보아온 여러 종류의 장비들 중 개인이 하늘에 다가갈 수 있는 가장 손쉬운 장비입니다. 무궁무진한 가능성을 지닌 멀티로터 무인항공기의 미래를 독자 분들께서는 어떻게 생각하시는 지 궁금합니다. 이번 글을 통해 조금은 멀티로터에 대해 친숙해지셨기를 바라며 독자 분들께서 생각하는 멀티로터 무인항공기의 미래는 어떠한 것들이 있는지 생각해 보실 수 있는 기회가 되길 바라겠습니다.
[2] 실제 드론의 비행 소리는 이곳을 참고하세요: https://youtu.be/__pyyU1PI8I?t=30s
[3] 멀티로터형 무인항공기 소음의 불쾌감에 영향을 주는 음질 인자의 분석 및 예측, 곽두영, 2017년
[4] http://www.hani.co.kr/arti/international/europe/740180.html
[5] http://news.joins.com/article/17830859