신기한 기계로 다가왔던 드론은 어느덧 취미와 산업 심지어 전쟁에 까지 사용며 우리 일상에 보편화 되었습니다. 현재 사용되는 대부분의 드론은 GPS 위성정보를 이용하여 비행하는데, 실내환경 및 일부 환경에서는 위성신호를 사용할 수 없습니다. 이번 포스팅에서는 GPS없이 드론을 비행시킬 수 있도록 할 수 있는 neuromorphic 카메라의 개발 내용을 소개하는 IEEE Spectrum의 글을 통해 관련 내용을 소개합니다.
개요
위성 기반 내비게이션은 대부분의 현대 위치 추적 시스템의 근간을 이루지만, 항상 신뢰할 수 있는 것은 아닙니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 두 개의 회사가 협력하여 드론을 위한 GPS 없는 내비게이션 시스템을 개발하고 있습니다. 이 시스템은 뉴로모픽 센싱 기술과 관성항법장치(INS)를 결합하여 구현됩니다.
GPS는 위성 네트워크와 무선으로 통신하는 수신 장치를 통해 사용자의 위치를 매우 정밀하게 삼각 측량하여 파악합니다. 그러나 이 신호는 대형 건물, 밀집된 나무, 혹독한 기상 조건 등에 의해 간섭을 받을 수 있으며, 스푸핑된 라디오 신호를 사용한 고의적인 교란에도 취약합니다.
이러한 한계를 극복하기 위해 GPS가 실패할 경우 사용할 수 있는 대체 내비게이션 방식이 설계되었으나, 이들 역시 한계가 존재합니다. INS는 가속도계와 자이로스코프와 같은 센서를 사용하여 알려진 출발 지점에서 차량의 위치를 추적합니다. 그러나 작은 측정 오류가 시간이 지남에 따라 축적되면서 점차적으로 위치 정확도가 감소하는 ‘드리프트’ 현상이 발생할 수 있습니다. 시각 내비게이션 시스템은 항공기의 아래 지형을 카메라로 스캔하여 현재 위치를 계산하지만, 이는 상당한 컴퓨팅 및 데이터 리소스를 필요로 하므로 소형 및 저비용 차량에는 적용하기 어렵습니다.
현재 두 내비게이션 기술 회사가 협력하여 이러한 접근 방식을 통합하고 각 방식의 장점을 극대화하는 새로운 시스템을 개발 중입니다. 영국 브리스톨에 위치한 MBDA의 자회사인 NILEQ는 뉴로모픽 카메라를 사용하는 저전력 시각 내비게이션 시스템을 개발해왔습니다. 이제 이 기술은 호주 시드니에 본사를 둔 Advanced Navigation이 개발한 광섬유 기반 INS와 통합되어 GPS 없이도 저비용 드론이 안정적으로 내비게이션을 할 수 있는 시스템으로 발전하게 됩니다.
Advanced Navigation의 CEO 크리스 쇼는 두 기술이 결합됨으로써 “GPS가 불가능한 어려운 환경에서도 내비게이션 문제를 깔끔하게 해결할 수 있다”고 설명하며, 이 시스템을 통해 “아주 오랜 시간 동안 아주 먼 거리를 이동할 수 있다”고 강조했습니다.
쇼는 또한 차량의 내비게이션 시스템을 선택할 때는 항상 성능과 비용 간의 절충이 필요하다고 말했습니다. 저비용 플랫폼인 드론에 고가의 고정밀 INS를 설치하는 것은 일반적으로 합리적이지 않지만, 작은 크기와 저비용의 INS는 위치 드리프트에 더 취약합니다. 그는 “때로는 10분에서 20분 내에 오류가 너무 커져서 위치 정확도가 충분하지 않게 되는 경우도 있다”고 덧붙였습니다.
GPS를 대체하는 카메라 기반 내비게이션
시각 내비게이션 시스템은 관성항법장치(INS)에 정기적으로 높은 정확도의 위치 정보를 제공하여 INS가 자신의 위치를 재보정할 수 있는 해결책을 제시할 수 있습니다. 그러나 이러한 시스템에 사용되는 고해상도 카메라는 방대한 양의 데이터를 생성하며, 이는 대규모 위성 이미지 데이터베이스와 비교하기 위해 계산 비용이 높은 알고리즘을 필요로 합니다. 이처럼 높은 연산 자원을 소형 드론과 같은 전력 제한이 있는 플랫폼에 장착하는 것은 일반적으로 실현 가능하지 않습니다.
NILEQ의 시스템은 뉴로모픽 카메라를 활용하여 시각 내비게이션에 필요한 자원을 크게 줄였습니다. 인간의 망막 작동 방식에서 영감을 받은 이 카메라는 일련의 이미지를 캡처하는 대신, 센서의 개별 픽셀에서 밝기 변화를 추적합니다. 이를 통해 기존 카메라보다 훨씬 적은 데이터를 생성하며 훨씬 빠른 속도로 작동할 수 있습니다.
MBDA의 미래 개념 연구 책임자인 필 허튼(Phil Houghton)에 따르면, NILEQ의 독점 알고리즘은 카메라 출력 데이터를 실시간으로 처리하여 차량이 지나가는 특정 지형의 “지형 지문”을 생성합니다. 이 지형 지문은 위성 이미지를 기반으로 생성된 지형 지문 데이터베이스와 비교되며, 해당 데이터베이스는 차량 내에 저장됩니다. 지형 지문을 생성하는 과정에서 데이터가 압축되기 때문에, 허튼은 “호스트 플랫폼에 적재되는 데이터베이스의 크기는 매우 작고, 실시간 검색에는 최소한의 계산만 필요하다”고 설명했습니다.
한편, 뉴로모픽 카메라는 현재 적외선을 활용할 수 없어 야간 운용이 어렵다는 점도 지적되었습니다. 하지만 적외선 뉴로모픽 카메라는 현재 개발 중이며, 몇 년 안에 출시될 것으로 기대된다고 허튼은 덧붙였습니다.
뉴로모픽 카메라는 일반 카메라보다 가격이 더 비싸며, 대략 1,000달러 정도의 비용이 든다고 Advanced Navigation의 CEO 크리스 쇼는 밝혔습니다. 그러나 이는 저가의 INS와 결합할 수 있다는 점에서 비용 효율성을 얻을 수 있습니다. 그는 “고급 내비게이션 시스템은 수십만 달러에 달할 수 있습니다. 뉴로모픽 카메라와 저가 관성 센서를 결합한 접근법은 비용과 크기 면에서 큰 이점을 제공합니다”고 강조했습니다.
Advanced Navigation은 INS를 제공하는 것 외에도, AI 기반 센서 융합 소프트웨어를 사용해 두 기술의 출력을 결합하여 드론 내비게이션 시스템에서 GPS 신호와 동일한 방식으로 활용할 수 있는 단일 신뢰 위치 정보를 제공합니다. 쇼는 “이 분야의 많은 고객은 간단히 연결해서 사용할 수 있는, 별다른 학습 곡선이 필요 없는 시스템을 원합니다. 세부 사항을 알고 싶어하지 않죠”라고 말했습니다.
쇼는 이 결합 내비게이션 시스템의 비행 시험을 올해 말 시작할 계획이며, 2025년 중반까지 고객에게 제품을 제공하는 것을 목표로 하고 있다고 덧붙였습니다.
마무리
이번 포스팅에서는 GPS의 한계와 이를 극복하기 위한 대안으로 뉴로모픽 카메라와 관성항법장치를 결합한 새로운 내비게이션 시스템에 대해 살펴보았습니다. 이러한 기술적 접근은 드론과 같은 소형 및 저비용 플랫폼에서도 높은 정확도와 신뢰성을 제공할 수 있는 가능성을 보여줍니다. 향후 적외선 뉴로모픽 카메라의 개발과 상용화가 이루어진다면, 야간이나 더욱 까다로운 환경에서도 이 시스템이 효과적으로 작동할 것으로 기대됩니다. 이처럼 혁신적인 기술들이 우리의 일상에 어떤 변화를 가져올지 앞으로의 행보가 주목됩니다.