오픈소스를 활용한 수직 이착륙 무인기 개발
한국항공우주연구원(KARI)은 항공우주 과학기술의 새로운 탐구와 기술 선도를 통해 국민 경제 발전과 생활 향상에 기여하는 국가 기관입니다. 이곳에서는 항공기, 인공위성, 우주발사체 등 종합 시스템 연구부터 안전성 확보를 위한 품질인증까지 폭넓은 업무를 수행합니다. 특히 무인이동체사업단은 육상, 해상, 공중을 아우르는 무인 이동체의 원천 기술을 개발하고 실증하는 데 주력하고 있습니다. 다수의 무인기가 다양한 임무를 효율적으로 수행할 수 있도록 기술적 토대를 마련하며, 실증용 기체인 수직 이착륙 무인기의 설계와 시험을 통해 미래 항공 기술의 가능성을 현실로 구현해 나가는 중추적인 역할을 담당합니다. 수직 이착륙 무인기(VTOL)는 활주로 없이 헬리콥터처럼 이착륙하면서도 비행 시에는 고정익 항공기의 높은 효율을 갖는 기체를 의미합니다. 회전익의 기동성과 고정익의 장거리 운용 능력을 결합한 이 방식은 활주로 확보가 어려운 도심이나 도서 지역에서 매우 유용하게 활용됩니다. 최근에는 차세대 에어 모빌리티 시스템인 도심 항공 모빌리티(UAM)와 개인용 항공기(PAV), 그리고 물류 배송 분야의 핵심 이동 수단으로 큰 주목을 받고 있습니다. 다만 이착륙을 위한 추가 장비로 인해 무게가 늘어나고 항속 거리에 영향을 줄 수 있다는 과제가 존재하지만, 운영의 유연성 측면에서 이를 상쇄하는 충분한 가치를 지니고 있어 산업적 확장이 기대되는 분야입니다. 무인기 개발의 핵심인 비행 제어 시스템을 위해 세계적으로 널리 활용되는 오픈 소스 프로젝트가 바로 PX4입니다. 2009년 취리히 연방 공대에서 시작된 이 프로젝트는 현재 리눅스 재단의 드론코드 협회를 통해 비영리 목적으로 지속적인 연구와 개발이 이루어지고 있습니다. PX4는 저렴한 비용으로 표준화된 비행 제어 컴퓨터와 소프트웨어를 제공함으로써 드론 생태계에 참여하는 기업들에게 더 많은 기회를 창출해 줍니다. 특히 마브링크(MAVLink)나 지상 관제 시스템(QGC) 등 풍부한 주변 기능과 가제보(Gazebo) 시뮬레이션 환경을 지원하여 개발 편의성을 극대화합니다. 전 세계 전문가들의 집단지성을 통해 성능 개선이 빠르게 이루어지는 점도 큰 강점입니다. 실제 연구 현장에서는 리프트-크루즈 방식을 채택한 50kg급 무인기 LC-50B에 PX4를 적용하여 비행 성능을 정밀하게 검증하고 있습니다. 하지만 오픈 소스 코드를 대형 기체에 그대로 적용하기에는 한계가 있어, 천이 비행 알고리즘 수정과 방향 제어기 구조 변경 등 총 여섯 가지 주요 수정 작업을 진행했습니다. 기체가 커질수록 안전한 상황에서 기체의 반응 특성을 확인하는 과정이 필수적이기 때문에, 연구진은 매틀랩(MATLAB)을 활용한 시뮬레이션 모델 고도화와 외부 센서 연동을 통해 시스템의 신뢰성을 확보했습니다. 이러한 세밀한 튜닝 과정은 오픈 소스의 유연성을 극대화하여 실제 산업용 무인기에 최적화된 제어 시스템을 구축하는 핵심 동력이 됩니다. VTOL 기체의 특성상 회전익 모드에서 바람이 불면 수직 꼬리날개의 영향으로 원치 않는 방향 전환 힘이 발생할 수 있습니다. 이때 회전익 모터의 반토크 제어 명령과 꼬리날개에서 발생하는 물리적인 힘이 충돌하면서 제어기에 과부하가 걸리고, 최적화되지 않은 경우 추락 위험까지 초래할 수 있습니다. 연구팀은 파라미터 최적화를 통해 외부 환경에서도 안정적인 비행이 가능하도록 알고리즘을 개선했으며, 이를 가시권 비행과 자동 비행 시험으로 성공적으로 검증했습니다. 이러한 성과는 향후 130kg급 연료전지 하이브리드 무인기 개발의 기술적 밑거름이 될 것이며, 더욱 길어진 항속 거리와 효율적인 임무 수행 능력을 갖춘 차세대 무인기 시대를 앞당기는 계기가 될 것입니다.
