스카이커맨드

목표 및 제작 동기

[우리는 이미 훈련을 마쳤다] 현대 전술 무인 자원(로봇, 드론)의 가장 큰 공학적 모순은 "기술은 첨단화되었으나, 제어 방식은 여전히 수동 조종에 의존한다"는 점입니다. 기존 군용 UGV(지상무인차량)를 작전에 투입하기 위해서는 전문 조종 병사를 양성하기 위한 막대한 시간과 훈련 비용이 소모됩니다. 더욱이 실전에서는 작업자가 무거운 전용 컨트롤러를 휴대하고 1인칭 화면을 보며 조이스틱을 정밀 조종해야 하므로, 조작 난이도가 극도로 높을 뿐만 아니라 조종 병사가 전방 주시 태만으로 위험에 노출되어 핵심 전투력의 손실이 필연적으로 발생합니다. 하지만 우리는 이미 수십 년간 아주 간편하고 효율적인 무인 자원 제어 방식을 화면을 통해 경험하고 훈련해왔습니다. 리그 오브 레전드, 스타크래프트와 같은 실시간 전략 게임을 할 때, 우리는 복잡한 조이스틱 없이 미니맵 우클릭 한 번으로 전술 유닛들을 자유자재로 이동시켰습니다. 본 프로젝트는 이 대중적이고 직관적인 사용자 경험을 현실의 군사 및 산업 기술로 끌어올려, 단 1초 만에 실제 무인 로봇을 작전 구역으로 투입하는 '단일 클릭 기반 전술 제어 인터페이스(Single-Click Tactical Interface)'를 구축하고자 합니다. 또한 공중 비전 센싱 기술과 지상 액추에이터 제어 알고리즘을 유기적으로 결합하여, 지휘부에게 압도적인 편리성과 직관적인 HRI(인간-로봇 상호작용) 환경을 제공합니다. 전술 미니맵의 현실화: 작전 지역 상공의 정찰 옵저버가 전장을 촬영합니다. OpenCV 기반의 왜곡 보정 및 평면 변환(Homography Transformation)을 거친 이 실시간 이미지는 사령부 모니터에 스타크래프트의 '전술 미니맵' 형태로 투영됩니다. 1-Click 좌표 매핑 및 무선 송신: 사령관이 전술 미니맵 위에서 지원이 필요한 고립 지역이나 아군 진지를 '마우스 우클릭'합니다. 시스템은 클릭된 화면의 2D 픽셀 좌표(x, y)를 실제 물리 공간의 2D 절대 평면 좌표(X, Y)로 실시간 변환하여 지상 로봇에게 무선 전송합니다. 무인 서포터 유닛(UGV)의 자율 미션 수행: 좌표를 수신한 지상 로봇은 조종사의 수동 제어 없이 내장된 경로 탐색 알고리즘(A-star 및 DWA)을 통해 장애물을 자율적으로 회피 주행합니다. 지정 위치 도착 시 사령부의 명령에 따라 전술 연막 차장, 무인 자원 보급과 같은 핵심 서포트 임무를 완수합니다. [기대효과] ■1. 저비용/ 고효율 효과 : 수억원의 비용이 드는 군용 장비 대신, 범용 드론 자산, 오픈 소스 소프트웨어 라이브러리를 이용함으로써 비용을 감축시키고, 저가형 라이다 센서를 조합하여 작동 가능하게 하므로 가성비 높게 이용할 수 있습니다. ■2. 인명 피해 감소 효과: 총격전이나 포화가 빗발치는 전장과 같은 재난 현장에서 직접 물자를 보급하는 것이 아닌 원격에서 물자를 안정적으로 수송함으로써 인명 손실을 만들지 않고, 인명 구조 및 작전 성공의 효율을 높일 수 있다. ■3. 실시간 원격 관제 효과: 인간이 접근하기 어려운 지형이나 환경에서 드론을 통해 데이터를 수집하고, 관제 GUI에 즉각적으로 시각화함으로써 원격지에서 실시간으로 지형의 상태, 장애물 유무, 적군의 동태 등을 파악할 수 있습니다. ■4. 재설정 능력: 실제 전장에서 도로 유실, 적의 이동 등 환경이 유동적으로 변합니다. 고정된 환경에서 이동하는 로봇과 달리 지휘자가 실시간으로 관제화면을 모니터링하므로 상황 변화에 따라 그에 맞는 가장 안전하고, 효율적인 길로 수정하고, 재설정할 수 있습니다. ■5. 조작 메커니즘 단순화: 기존의 수동 조작 메커니즘은 전진이나 방향 전환과 같은 주행 자체의 집중하여 전체 환경을 파악하는 데에는 한계가 있습니다. 이 시스템에서는 단일 클릭 한 번으로 목적지의 좌표를 설정하고, 로봇에게 운전을 전담시키므로 조작이 간편하고, 지휘자는 운전자 역할이 아닌 지휘 임무에 몰두할 수 있게 되므로 작전 효율이 증가합니다. ■6. 운용 숙련도 감소: 기존의 수동 조종 방식은 무거운 하드웨어 컨트롤러를 다뤄야하므로 전문적인 고강도 훈련을 거친 조종수만 운용이 가능한 한계가 있었습니다. 그러나 본 시스템에서는 미니맵만 이해하면 누구나 다를 수 있으므로 범용성이 높습니다. 현장에 있는 어떤 인원이라도 즉각적으로 임무를 이어 받을 수 있어 작전의 유연성이 향상하고, 교육 시간과 예산을 절감할 수 있습니다.

프로젝트 컨셉

본 제안 시스템은 상단의 글로벌 비전 자원과 지상의 무인 모빌리티(UGV) 간의 유기적인 데이터 융합을 위해 [비전 센싱 ➔ 좌표 매핑 및 통신 ➔ 내비게이션 연산 ➔ 하드웨어 구동]의 4단계 프로세스로 구현됩니다. ■[1단계] 천장 카메라를 활용한 전장 미니맵 구현 (입력 단계) 실험 환경: 4m × 3m 크기의 실험실 방 천장에 일반 광각 웹캠을 고정하여 전체 트랙을 한눈에 볼 수 있도록 세팅합니다. 영상 왜곡 보정: 광각 카메라 특성상 외곽이 둥글게 휘는 왜곡이 생기는데, 이를 OpenCV 라이브러리를 활용해 똑바로 펴주는 전처리 작업을 합니다. 그 후, 화면을 위에서 정면으로 내려다보는 듯한 평평한 '게임 속 미니맵' 형태로 변환합니다. ■ [2단계] 마우스 클릭 좌표 추출 및 무선 통신 연동 (통신 단계) 화면-실제 좌표 변환: 지휘관이 노트북 모니터 화면(미니맵)에서 원하는 위치를 마우스 우클릭하면, 프로그램이 클릭된 화면의 픽셀 위치(x, y)를 실제 방 바닥의 미터 단위 위치(X, Y)로 계산해 냅니다. 데이터 전송: 제어 컴퓨터(노트북)에서 계산된 이 2차원 목적지 좌표 값은 Wi-Fi나 블루투스 무선 통신을 통해 지상에 있는 RC카(로봇)로 실시간 전송됩니다. ■ [3단계] ROS기반의 자율주행 및 장애물 회피 (연산단계) 최단 경로 탐색: 로봇의 메인 두뇌인 라즈베리 파이는 노트북으로부터 목적지 좌표를 받자마자, 로봇 운영체제인 ROS에 내장된 A-Star알고리즘을 돌려 고정된 벽이나 상자를 피해 가는 가장 빠른 길을 찾아냅니다. 돌발 장애물 우회(코스트맵 가중치 활용): 로봇이 이동하는 중에 탑재된 2D 라이다 센서가 지나가는 사람이나 새로운 장애물을 발견하면, 지도 위에 해당 구역이 위험도(가중치)를 실시간으로 높여 계산합니다. 로봇은 DWA 알고리즘을 통해 가중치가 높은 위험 구역을 부드럽게 돌아가며, 장애물이 사라지면 다시 원래 가려던 길로 복귀해 최종 목적지로 향합니다. ■[4단계] esp32 모터 제어 및 서포터 기능 구동(출력단계) 바퀴 구동(PID 제어): 라즈베리 파이가 계산한 이동 방향과 속도 명령은 하위 제어기인 Esp32로 전달됩니다. Esp32는 바퀴에 달린 엔코더 센서 값을 읽어오며 오차를 줄이는 PID제어를 통해 정확한 목표 위치까지 RC카를 굴립니다. 사각지대 방지 및 미션 수행: 라이다 센서가 미처 보지 못하는 로봇 바로 아래의 낮은 장애물은 초음파센서로 한 번 더 체크해 안전을 확보합니다. 목적지에 도착하면 esp32에 연결된 서보모터를 움직여 보급품을 아래로 떨어뜨리거나, 릴레이 모듈을 가동하여 연막 장치를 원격으로 가동합니다. [개발 역량] 학부수업내 회로이론, 기초 회로 실험, 객체지향 프로그래밍 교육을 충실히 이행하여 전공에 기반이 되는 임베디드 하드웨어 및 소프트웨어 설계 역량을 습득하였습니다. 이번 Advanced Mobility Global Contest를 통해서 습득한 지식을 확장하고 실제 환경에서 활용할 수 있는 수준으로 끌어내기 위한 공부를 진행 및 계획하고 있습니다. 현재 프로젝트 구현을 위해서 전자공학을 바탕으로 물리적인 움직임과 ai를 결합에 도전하고자 합니다. 현재는 먼저 맵 구현을 위한 opencv를 활용한 2D 렌더링(특징점 추출) 실현을 목표로 스터디를 진행하고 있습니다. 또한 인식한 맵을 바탕으로 가장 최적의 경로를 찾기위한 센서(Lidar, 초음파, 카메라 등) 기반환경 인식 방법, 자율주행 및 장애물을 회피하며 목적지까지 이동하는 기술(Path Planning&Local Planning)에 적용되는 경로계획 알고리즘(A 알고리즘, DWA)및 라이브러리 사용 방법을 추가적으로 프로젝트를 진행하면서 습득할 예정입니다. 또한 저희는 아두이노 설계 및 구현 경험을 통해서 기본적인 제어 루프 설계 능력을 갖추고 있습니다. 저희가 가진 임베디드 설계 및 구현 능력을 바탕으로 안정적인 피지컬 제어를 구현할 예정입니다. [지원 동기] 저희는 같은 실험 과목을 이수하여 회로구성에 대해서 고민하고 오차를 함께 분석하는 과정을 겪으며 호흡을 맞추기 시작했습니다. 실험실에서 회로를 결선하고, 계측기를 다루면서 단순히 학업적 동료의 관계를 넘어선 유대감을 쌓았습니다. 함께 식사를 하던 도중 서로 군 시절 담당했던 병과에 대한 이야기가 나오게 되었고 군용으로 다뤘던 장비가 다소 난이도가 높았고 투입시키기에도 열악하다는 생각을 하게 되었습니다. 이어서 '현실의 첨단 무인 로봇을 게임속 유닛처럼 지도에 단 한번의 클릭으로 움직이면 좋지 않을까?' 라는 의문을 품게 되었습니다. 이를 해결하기 위해 무선 네트워크 사양과 라즈베리파이와 같은 하드웨어 및 센서 지식을 융합하면 실현할 수 있겠다는 확신이 들었습니다. 따라서 우리가 평소에 하는 게임에서 경험했던 사용자 경험(UI)를 실제 국방 기술 및 보급 시스템에 적용할 수 있도록 구현해보고자 이번 대회에 지원하게 되었습니다. 저희는 이미 현실의 전장으로 훈련을 마쳤습니다. 현실에서 피부로 느낀 모든 것을 녹여 이론이 아닌 실제로 완벽히 구동하는 원클릭 전술 UGV 시스템을 완성해내겠습니다. 실험과목을 함께하며 회로 오류와 소프트웨어 버그를 수없이 해결해왔고 이러한 검증된 팀워크를 바탕으로 프로젝트 수행 과정에서 발생할 돌발 변수와 예외 상황을 그 어떤 팀보다 신속하고 유연하게 해결하겠습니다. 저희는 군 전역자들로서 실제 전술 환경에서의 애로 사항을 누구보다 깊이 이해하고 있습니다. 기존의 무겁고 복잡한 수동 조종 방식에서 탈피하여, 훈련이 필요없는, 누구에게나 익숙한 ‘단일 클릭 제어 인터페이스’라는 새로운 인간 로봇 상호작용의 패러다임을 제안하고 예상치 못한 변수들을 극복해나가며 저희의 설계 역량을 증명해보이겠습니다.

팀원 기여도

• 정한준e4ds 회원
• 최우진e4ds 회원
• 홍용준e4ds 회원