MIT은 항공우주공학 수업에서 학생들이 자율비행 소프트웨어를 직접 설계하고 드론 시험 비행을 통해 미지 환경에서 스스로 탐사·착륙하는 기술을 구현하도록 교육하고 있다. 니콜라스 로이(Nicholas Roy) 교수(왼쪽 서 있음)와 조너선 하우(Jonathan How) 교수(몸을 앞으로 숙인 모습)는 자율비행 시스템의 소프트웨어 분야를 깊이 탐구하려는 학생들을 위한 캡스톤 과정으로 이 새로운 수업을 개발했다.

 

 

 

 

 

“화성에서 스스로 착륙하라”

MIT, 자율비행 소프트웨어 직접 만드는 항공우주 수업 화제

미지 환경 탐사부터 안전 착륙까지

학생들이 설계한 자율항법 시스템, 실제 드론 시험 비행으로 검증

 

 

 

 

 

미국 매사추세츠주 케임브리지에 위치한 MIT(Massachusetts Institute of Technology)이 화성(Mars)과 같은 미지의 행성 환경에서 스스로 판단하고 탐사하며 착륙하는 자율비행 기술을 학생들이 직접 설계하고 시험하는 혁신적인 수업을 운영해 주목받고 있다. MIT Department of Aeronautics and Astronautics(MIT 항공우주공학과, AeroAstro)는 지난 3월 2일(현지시간) 학부 과정인 ‘16.85 자율시스템 캡스톤(Design and Testing of Autonomous Vehicles)’ 수업을 통해 학생들이 완전한 자율비행 소프트웨어 아키텍처를 설계하고 실제 드론에 적용해 시험 비행까지 수행했다고 밝혔다.

 

 

자율 차량 설계 및 시험 (Design and Testing of Autonomous Vehicles)-MIT AeroAstro

 

 

 

화성이나 달과 같은 외계 환경에서 비행하는 것은 극도로 어려운 도전이다. 수백만 마일 떨어진 곳에서는 지구의 조종사나 엔지니어가 실시간으로 개입할 수 없기 때문에, 자율 우주선은 스스로 주변 환경을 인식하고 장애물을 피하며, 평평하지 않은 지형에서도 안전하게 착륙할 수 있어야 한다. 모든 기동은 정교한 인지(perception), 경로 계획(planning), 제어(control) 시스템에 의존하며, 작은 계산 오류 하나가 수백만 달러 규모의 우주선을 표면에 추락시켜 임무를 시작하기도 전에 끝낼 수 있다. Nicholas Roy(니콜라스 로이) MIT 항공우주공학과 교수는 “이 문제는 산업계에서도, 연구 현장에서도 아직 완전히 해결되지 않았다”며 “방대한 코드와 소프트웨어를 통합하고 여러 하드웨어 요소를 결합하는 일은 결코 간단하지 않다”고 설명했다.

 

이 수업은 기존 ‘16.405 로보틱스: 과학과 시스템(Robotics: Science and Systems)’ 과목을 기반으로 발전했다. 이전 수업이 사전 구축된 소프트웨어를 사용해 지상 차량을 통한 자율주행을 학습하는 과정이었다면, 16.85 수업에서는 기본 쿼드로터 드론(quadrotor drone)만 제공된 상태에서 학생들이 항법 시스템을 완전히 새롭게 구축해야 한다. 학생들은 자율비행체가 미지의 환경을 탐사하고 지도를 만들며 흥미로운 대상물을 식별한 뒤, 완전히 평평하지 않을 수도 있는 지형에 안전하게 착륙하도록 만드는 소프트웨어를 직접 설계하고 구현한다.

 

자율시스템 캡스톤(자율 차량 설계 및 시험, Design and Testing of Autonomous Vehicles) 수업에서 MIT 학생들은 비행 자율 시스템을 위한 전체 소프트웨어 아키텍처를 설계하고 구현하며, 실제 시스템에 적용한 뒤 시험 비행까지 수행한다.

 

이 과목은 로이 교수와 함께 Jonathan How(조너선 하우) MIT 공학부 포드 교수(Ford Professor of Engineering)가 공동으로 개발했다. 하우 교수는 “비행체는 임무와 환경 속에 숨겨진 다양한 위험을 구분하면서도 임무를 완수해야 한다”며 “학생들이 스스로 신뢰할 수 있는 시스템을 설계하는 방법을 배우는 것이 핵심 목표”라고 말했다. 학생들이 개발한 자율비행체는 장애물 코스에서 실제 시험을 거친다. 이 시험 환경에는 불확실한 지형과 까다로운 착륙 지점이 포함돼 있어 비행체는 스스로 주변을 탐색하고 지도 정보를 구축하며 안전한 착륙 지점을 찾아야 한다.

 

프로젝트는 실제 우주 임무와 비슷하게 팀 단위로 진행된다. 이번 첫 수업에서는 7명씩 두 팀이 구성돼 자율비행 시스템을 개발했다. 항공우주 제어연구실(Aerospace Controls Laboratory) 소속 대학원생이자 조교인 앤드루 피시버그(Andrew Fishberg)는 “요즘 가장 어려운 문제는 기술 자체보다도 협업과 조정”이라며 “팀원마다 서로 다른 전문성을 가지고 있기 때문에 이를 하나의 시스템으로 통합하는 것이 큰 도전”이라고 설명했다. 학생들은 소프트웨어 설계뿐 아니라 팀 내 의사소통과 보고서 작성에서도 ‘시스템 사고’를 적용해야 하며, 이러한 과정 역시 실제 항공우주 프로젝트와 유사한 경험을 제공한다.

 

 

각 팀이 개발한 소프트웨어를 사용해 드론들은 크레사 자율시스템 센터(Kresa Center for Autonomous Systems)에서 장애물 코스를 비행했다.

 

하우 교수는 “비행체는 임무와 주변 환경 속에 숨어 있는 다양한 위험 요소를 구별하면서도 임무를 수행하고 살아남을 수 있어야 한다”며 “우리는 학생들이 스스로 신뢰할 수 있는 시스템을 만드는 방법을 배우기를 바란다”고 말했다.

 

 

자율 시스템 기술은 외계 탐사뿐 아니라 지구에서도 활용 가능성이 크게 확대되고 있다. 인간이 접근하기 위험한 지역을 탐사하거나 도심 항공 모빌리티(UAM), 재사용 발사체 등 다양한 분야에서 자율비행 기술의 중요성이 커지고 있기 때문이다. 수업에 참여한 4학년 노라 밀러(Norah Miller)는 “자율성 분야는 내가 진출하고 싶은 분야”라며 “이 수업을 통해 완전한 비행 임무를 위한 소프트웨어를 처음부터 끝까지 개발하는 경험을 할 수 있었다”고 말했다.

 

교수진에게도 이 수업은 학생들의 성장 과정을 확인할 수 있는 의미 있는 과정이다. 하우 교수는 “몇 년 전만 해도 학생들은 미분방정식을 배우고 있었지만, 이제는 자신들이 작성한 소프트웨어를 실제 드론에 탑재해 실험 공간에서 비행시키고 있다”고 말했다. 수주 동안 이어진 학습과 개발, 반복적인 시험과 개선 끝에 진행된 최종 비행 테스트에서 학생들은 도전적인 임무를 성공적으로 수행했다. 로이 교수는 “우리는 성공이 보장되지 않는 하드웨어와 어려운 임무를 제공했지만 학생들은 엄청난 노력을 기울여 기대 이상으로 도전에 응답했다”고 평가했다. 이러한 교육 과정은 미래 항공우주 엔지니어들이 불확실한 환경에서도 스스로 판단하고 문제를 해결할 수 있는 역량을 갖추도록 하는 데 중요한 역할을 하고 있다.