"Windshaper는 바람이 불고 돌풍이 발생하는 환경에서 유동과 드론 사이의 상호작용을 더 잘 이해하기 위한 저희 연구에 매우 귀중한 도구가 되었습니다!"
프린스턴 대학교의 지능형 로봇 모션 연구실(Intelligent Robot Motion Lab)은 2022년에 6x3 Windshaper를 도입했습니다. 그 이후 연구팀은 드론을 사용하여 바람의 흐름에서 입자의 거동을 모사하는 방법을 개발하는 데 매진해 왔습니다.
Windshaper를 활용한 연구에 대해 박사 과정생 네이트 사이먼(Nate Simon)이 다음과 같이 말했습니다:
프린스턴 대학교의 지능형 로봇 모션 연구실(IRoM Lab)은 로봇이 실제 환경에 안전하고 신뢰성 있게 적응할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다. 드론과 비행 로봇의 경우, 이는 강한 바람과 돌풍에 잘 견디는 능력을 의미합니다.
저희는 이전에 새로운 전방향 유동 센서와 돌풍 상황에서의 강화 학습 기반 바람 인지 제어 기술을 연구했습니다. 당시 논문에 사용된 실내 돌풍 발생 장치는 6개의 송풍 팬으로 구성되어 강력한 돌풍을 만들어냈지만, 돌풍의 특성(공간적 또는 시간적 특성)을 세밀하게 제어하기에는 한계가 있었습니다.
저희에게는 Windshaper가 필요했습니다! 저희는 Tyto Robotics와 협력하여 3x6 모듈형 Windshaper를 주문했으며, 2022년 12월에 제품을 인도받았습니다.
그 이후 저희의 60 x 25피트 모션 캡처 공간은 훨씬 더 바람이 많이 부는 곳이 되었습니다! 난류의 기초 및 응용 연구(FAST) 그룹과 협력하여, 저희는 음향 풍속계를 사용해 Windshaper의 유동장을 분석했습니다:
이러한 대규모 공간 풍속 데이터를 수작업으로 수집하는 것은 지루한 일이었기에, 저희는 FlowBot을 제작했습니다. FlowBot은 이동형 자율 음향 풍속계로, 유동장 전체를 매핑할 수 있습니다!
FlowBot은 고정되어 있기 때문에 측정 방식은 "오일러 방식"입니다. 하지만 저희는 유동을 따라 움직이는 입자의 관점, 즉 "라그랑주 방식"으로 유동 메커니즘을 이해하고 싶었습니다. 이를 위해 FAST 그룹의 협력 연구진은 작고 중성 부력을 가지며 헬륨으로 채워진 비누 거품을 추적하는 라그랑주 속도 측정 기술을 발명했습니다. 여러 대의 DSLR 카메라와 컴퓨터 비전 후처리 기술을 사용해 3차원 공간에서 거품을 정밀하게 추적합니다.
이 거품을 통해 저희는 입자가 기류 속에서 자연스럽게 어떻게 움직이는지 관찰할 수 있었습니다. 만약 드론도 이와 똑같이 라그랑주 입자처럼 자유롭게 움직일 수 있다면 어떨까요? 이 프로젝트는 "LaDrone"(라그랑주 드론)으로 알려졌으며, APS 뉴스 홈페이지에도 소개되었습니다!
Windshaper와 거품 추적 기술을 활용해 저희는 LaDrone이 돌풍에 어떻게 반응하는지 정밀하게 분석할 수 있었습니다!
저희는 LaDrone이 돌풍의 영향을 능동적으로 감지하고 증폭하여 입자처럼 더 잘 움직일 수 있도록 기능을 확장했습니다. 그 결과는 놀라웠습니다. 모든 시험에서 "돌풍 수용 제어기"(녹색)는 돌풍을 무시하는 제어기(빨간색)나 돌풍을 억제하는 제어기(보라색)보다 거품의 속도(파란색)를 훨씬 더 정확하게 추적할 수 있었습니다.
향후 연구에서는 빠른 추적 기술을 활용해 난류와 공진하고 에너지를 추출하여 더 효율적인 비행을 가능하게 하는 방법을 조사할 계획입니다.
Windshaper는 바람이 불고 돌풍이 발생하는 환경에서 유동과 드론 사이의 상호작용을 더 잘 이해하기 위한 저희 연구에 매우 귀중한 도구가 되었습니다!
네이트 사이먼, 박사 과정생(2025년 졸업 예정)
지능형 로봇 모션 연구실
기계 및 항공우주공학과
프린스턴 대학교
