국제우주정거장서 자율비행한 로봇 데이터셋 최초 공개

애스트로비 로봇의 다양한 모션과 그에 따른 시야. 국제 우주정거장 모듈 내에서 애스트로비가 수집한 이미지 예시다. 무중력에서 수행하는 다양한 회전 모션과 그에 대응하는 이미지 정보를 포함하고 있다. 광주과학기술원(GIST) 제공

국제우주정거장(ISS) 내 무중력 환경에서 활동한 자율비행로봇 ‘애스트로비’의 통합 데이터셋이 세계 최초로 개발됐다. 자율항법 알고리즘 개발의 단초가 될 것으로 기대된다.

광주과학기술원(GIST)은 김표진 기계공학부 교수 연구팀이 미국항공우주국(NASA)의 애스트로비를 통해 수집된 센서 데이터의 통합 데이터셋을 개발 및 공개했다고 15일 밝혔다. 

무중력 환경인 우주 공간은 로봇이 모든 방향으로 자유롭게 움직이고 회전할 수 있다. 빛의 변화나 떠다니는 물체의 방해로 로봇이 주변을 인지하고 위치를 파악하는 데 어려움을 겪는다. 우주선 내 로봇의 장애물과 변화에도 안정적인 자율비행 연구를 위해선 이러한 공간적 특성이 반영된 다양한 시나리오에서의 데이터셋을 취득하는 것이 필수적이다.

하지만 국제우주정거장 내부에서 활용할 수 있는 안정적인 항법 기술의 연구개발에는 데이터와 자원이 부족하다는 한계가 있다. 특히 국내 연구 환경은 무중력 상태에서 로봇을 연구할 수 있는 플랫폼의 부족, 국제우주정거장에 대한 접근 제한이라는 이중고를 겪고 있다.

이번 연구에선 세계 최초로 우주정거장 내 자율비행 연구를 위한 데이터셋을 제안했다.

연구팀은 영상 항법에 어려움을 주는 시나리오를 분석하고 ‘비쥬얼 슬램(Visual SLAM)’과 ‘시각적관성거리계(VIO)’ 알고리즘을 비교 및 평가했다. 비쥬얼 슬램은 로봇이 우주정거장 내에서 자신의 위치를 파악하는 기술이다. VIO는 시각 데이터와 관성 측정 장치를 결합해 이동체의 위치와 자세를 추정하는 기술이다.

이렇게 개발된 애스트로비 데이터셋은 무중력 환경에서 발생할 수 있는 다양한 시나리오가 포함됐다. ‘자유 비행(Free Flight)’, ‘교정(Calibration)’, ‘차량 내부 활동(Intra Vehicular Activity)’, ‘시험과 오류 수정(Test and Debugging)’으로 구성된 4가지 카테고리를 통해 총 23개의 데이터셋을 공개했다.
  
이번에 공개된 데이터셋은 간단한 회전과 주행부터 극단적인 회전, 주변 탐색 등 실제 임무 수행 중 얻은 데이터를 포함한다. 자율비행 실험과 성능 평가에 필요한 모든 센서 정보를 통합해 제공한다.

나아가 연구팀은 애스트로비로부터 수집된 데이터를 활용해 무중력 우주 환경에서 적합한 항법 알고리즘을 평가했다.
  
총 여섯 가지 최신 위치 측위 알고리즘들을 이용해 동일한 데이터 셋으로 평가 환경을 구성하고 비교실험을 했다. 대부분의 시나리오에서 기하학 기반의 알고리즘이 안정적이고 정확한 성능을 보였다. 

연구를 이끈 김 교수는 “이번 연구 성과는 실제 국제우주정거장에서 얻어진 다양한 데이터셋과 자율항법 실험 결과를 통해 향후 우주 임무를 위한 더 효율적이고 안정적인 항법 시스템 개발에 대한 방향성을 제공했다는 데 가장 큰 의의가 있다”고 말했다. 

이어 “이번에 개발된 데이터셋과 실험 결과를 기반으로 우주비행사와 신속하고 정확한 협력이 가능한 자율항법 알고리즘을 개발하는 것이 최종 목표”라고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘미국전기전자공학회(IEEE) 로봇과 자동조작’ 온라인판에 지난달 12일 게재됐다.

해당 데이터셋은 애스트로비 웹사이트(https://astrobee-iss-dataset.github.io/)에서 누구나 확인할 수 있다. 

애스트로비 로봇이 활동하는 국제우주정거장의 네 가지 모듈. 실제 궤적과 이미지를 기반으로 만든 3차원 복원 모델. GIST 제공

[박정연 기자 hesse@donga.com]