자체 센서와 연산으로 비행하는 1.3 g 곤충형 플랩드‑윙 로봇

초록

본 논문은 1.29 g 무게의 플랩드‑윙 마이크로 로봇에 IMU, TOF 거리 센서, 광류 센서를 통합하고, 저전력 듀얼코어 MCU에서 실시간 자세·고도·위치 추정을 수행한다. 200 Hz 이상의 센서 업데이트와 100 Hz 이상의 제어 루프를 구현해 센터링 비행 시 RMS 위치 오차 3.96 cm를 달성했으며, 외부 모션 캡처 없이 30 s 동안 장애물을 회피하고 해바라기에 착륙하는 실험을 성공시켰다.

상세 분석

이 연구는 곤충 규모 비행체가 직면한 ‘센서·연산·전력’ 삼중 제약을 통합 설계 접근법으로 해결한다. 첫째, 전체 무게 1.29 g 중 244 mg(≈15 %)를 차지하는 3개의 맞춤형 PCB에 14 mg IMU(LSM6DSV80X), 13 mg TOF 센서(TM F8806), 90 mg 광류 센서(PAA3905E1‑Q), 7 mg MCU(CY8C6245FNI‑S3D41T)를 배치하였다. IMU는 기구적 진동과 온도 변동을 최소화하기 위해 0.4 mm 섬유유리 기판에 고정했고, TOF와 광류 센서는 하부에 장착해 지면에 대한 고도·속도 정보를 제공한다. 센서들의 샘플링 레이트는 IMU 480 Hz, TOF·광류 200 Hz 이상으로 설정돼 고속 플랩 진동(330 Hz)과 동기화가 가능했다.

둘째, 연산 효율을 극대화하기 위해 3단계 추정 파이프라인을 설계했다. Mahony 비선형 보완 필터를 이용해 480 Hz IMU 데이터로 자세와 자이로 바이어스를 실시간 보정하고, 자세 정보를 기반으로 Kalman 필터를 적용해 TOF 거리와 추력 명령을 결합해 고도·수직 속도를 추정한다. 마지막으로 별도 Kalman 필터가 광류 이미지 흐름을 이용해 수평 속도를 계산하고, 이를 적분해 수평 위치를 얻는다. 이와 같이 센서별 샘플링 주기에 맞춘 독립적인 필터 구조는 행렬 연산을 2×2 크기로 제한해 MCU 한 코어당 6 ms 이하의 계산 시간을 보장한다.

셋째, 제어 계층은 저수준 100 Hz 루프와 고수준 1 Hz 명령 인터페이스로 구성된다. 저수준 PID 기반 자세·고도 제어는 추정된 상태를 직접 피드백해 1.3 g 로봇이 1.9 : 1의 양력‑무게 비율을 유지하도록 한다. 고수준 명령은 외부 파일럿이 목표 위치를 지정하면, 경로 생성기가 선형 보간을 통해 목표를 전달하고, 저수준 제어기가 이를 추적한다.

전력 측면에서 센서·연산 부하가 전체 비행 전력(2.04 W)의 6 %에 불과해, 향후 태양광·레이저 충전 등 자율 전원 공급과의 통합이 용이하다. 실험 결과는 온보드 추정이 오프보드 모션 캡처와 RMS 자세 오차 1.8°, 고도 오차 0.2 cm, 수평 위치 오차 3.24 cm를 기록했으며, 30 s 비전 기반 비행에서 장애물 회피와 정밀 착륙을 성공시켜 기존 마이크로 비행체가 모션 캡처 의존성을 벗어난 최초 사례임을 입증한다.