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드론이 테니스를 칠 수 있는 비결은?

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2015년 09월 22일 11:34 프린트하기

요즘 드론이 참 여기저기서 쓰입니다. 아직은 사람이 조종하는 게 대부분이지만, 얼마 있으면 드론이 알아서 날아다니며 시킨 일을 하는 모습을 보게 될지도 모릅니다. 드론끼리 테니스를 치는 것도 가능하다고 하는데요, 어떻게 그럴 수 있을까요?

 

드론 3대가 그물망을 이용해 공을 위로 던졌다가 받는 모습. - ⓒMarkus Hehn, ETH Zurich 제공
모션캡처 카메라에 인식될 수 있는 테니스 공을 받치고 있는 드론의 모습. - ⓒMarkus Hehn, ETH Zurich 제공

 

● 공이 올 지점을 예측한다


라엘로 단드레아 스위스 취리히연방공과대 교수팀은 사람과 드론, 심지어는 드론끼리 테니스를 할 수 있는 알고리즘을 개발했습니다. 이 알고리즘은 드론 여러 대가 그물망을 이용해 던진 공을 받거나 다시 그물망을 튕겨 공을 던지는 명령을 수행할 수 있도록 합니다.

 

드론과 공을 주고 받는다고 해봅시다. 대각선 위로 던진 공은 중력의 영향으로 포물선을 그리면서 떨어집니다. 시간에 따른 공의 위치를 나타내는 이 포물선은 이차함수 y=ax^2+bx+c로 나타낼 수 있습니다.

 

드론은 이 이차함수에 관한 미분방정식을 풀어 날아오는 공의 바로 다음 순간 위치를 계산해 반응합니다. 시간에 따른 공의 위치에 관한 식을 미분하면 공의 순간 속도를 알 수 있죠. 이것으로 드론은 자신이 어느 순간, 어느 속도로 어느 위치에 가야 공을 받아칠 수 있을지 계산합니다.

 

● 표적만 정해주면 추적한다

 

드론이 움직이는 물체를 따라다닐 수도 있습니다. 이를 ‘트래킹’이라고 합니다. 테니스를 칠 때와 달리, 물체와 부딪치지 않아야겠죠. 드론도 움직이고 물체도 움직이는데, 이들은 어떻게 서로 충돌하지 않을 수 있을까요?

 

드론이 충돌을 피하면서 트래킹을 하도록 만드는 알고리즘에는 여러 종류가 있는데, 그 중 가장 간단한 방법은 물체와 드론 사이의 거리를 일정하게 유지하는 방법입니다.

 

드론과 표적 물체의 거리를 10m로 정했다고 합시다. 드론은 표적 물체와 자신 사이의 거리가 12m일 때는 물체 방향으로 가속해 거리를 좁힐 겁니다. 그러다 9m 정도로 가까워지면, 10m 거리가 될 때까지 다시 속도를 줄이겠죠.

 

이 방법은 드론이 충돌하지 않으면서 물체를 따라갈 수 있도록 해 줍니다. 우리 눈에는 마치 드론과 물체가 서로 밀었다 당기는 동작을 반복하는 것처럼 보입니다.

 

드론 3대가 그물망을 이용해 공을 위로 던졌다가 받는 모습. - ⓒMarkus Hehn, ETH Zurich 제공
드론 3대가 그물망을 이용해 공을 위로 던졌다가 받는 모습. - ⓒMarkus Hehn, ETH Zurich 제공

 

● 드론도 배운다


날면서 배우는 드론자전거를 타고 트랙을 따라 빠르게 달리는 사이클 경기에서는 속력뿐만 아니라 자세도 중요합니다. 경기장의 트랙이 안쪽으로 비탈지게 돼 있어 빠른 속력으로 달리다 자칫 몸이 흐트러지면 균형을 잃고 쓰러져 크게 다칠 수 있기 때문이죠. 그래서 운동선수들은 트랙을 계속 달리면서 연습하고, 또 연습합니다.

 

드론도 마찬가지입니다. 곡선을 그리면서 날 때는 자세 제어를 잘 해야 빠르고 안정적으로코너를 돌 수 있습니다. 드론도 운동선수처럼 학습을 통해 더 정확한 자세를 익히도록 만들 수 있는데, 이럴 때 쓰는 알고리즘을 ‘인터랙티브 학습 알고리즘’이라고 합니다.

 

이 알고리즘의 기본 원리는 피드백입니다. 한 바퀴를 돌 때마다 내가 입력한 비행경로와 실제 드론이 날아간 경로의 차이가 클수록 (-) 점수를, 그 차이가 작을수록 (+) 점수를 주는 방식이죠.

 

이 피드백 점수의 총합이 항상 최대가 되도록 규칙을 정해놓으면, 드론은 여러 바퀴를 돌면서 입력한 비행경로와의 차이를 점점 줄여나갑니다. 생쥐가 미로를 빠져나왔을 때 보상으로 치즈를 주는 것과 비슷한 강화 학습이죠. 이렇게 계속 연습하다보면 사람보다 드론이 테니스를 잘 치게 되는 날이 오는 거 아닐까요?

 

 

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