대학원 FAQ

본 문서는 CDSL@UoS의 연구 및 생활이 궁금한 예비 랩원들을 위한 문서로, 연구실에서 진행하는 연구 및 연구실 생활과 관련하여 예상되는 질문과 그에 대한 간략한 답변이 나열되어 있습니다. 문서의 내용은 수시로 업데이트될 예정입니다. 아래 내용과 관련하여 궁금한 점이 있으면, 박경훈 교수(gyunghoon.park@uos.ac.kr) 혹은 연구실 대표 메일로 편하게 연락 주세요.

(마지막 작성일 : 2021년 5월 8일)

Q. CDSL@UoS는 어떤 연구실인가요?

A. CDSL은 Control and Dynamic Systems Laboratory(혹은 제어 및 동역학 연구실)의 약자로, 미분 방정식 혹은 동역학 식으로 표현되는 시스템의 수학적 모델에 기반한 제어 이론 및 알고리즘을 연구/개발하고, 이를 다양한 공학 문제에 적용하는 연구를 수행하고 있습니다. 특히 CDSL@UoS는 “There is nothing so practical than a good theory.”라는 격언을 연구실의 모토로 삼고, 수학적으로 엄밀하지만 동시에 현실의 공학 문제 해결에 많은 기여를 할 수 있는 제어 이론을 개발하는 데에 주된 관심이 있습니다. 이를 위해 다음과 같이 top-down과 bottom-up 방식을 병행한 연구들을 수행합니다.

• Bottom-up 연구 : 수학적으로 엄밀하고 논리적으로 완결성 있는 제어 이론을 먼저 연구하고, 개발한 제어 이론을 실제 산업 현장에서 중요하게 다뤄지는 문제들에 적용하여 그 가치를 검증하고자 합니다. 또한 제어 이론이 현실 문제에 적용되었을 때 발생할 수 있는 문제들을 심도 있게 고찰하고, 이를 바탕으로 기존 이론을 개선하거나 기존 이론의 단점을 극복할 수 있는 새로운 방향의 접근법을 제시합니다.

• Top-down 연구 : 산업 현장에서 많이 사용되지만 정확한 이해를 위해서 더 많은 해석이 필요한 제어 기법들의 이론적 근거를 확보하고, 이를 발전시킵니다.

현재 CDSL은 제어 시스템의 강인성(robustness), 안전성(safety) 및 보안(security), 데이터 기반(data-driven) 제어기 설계, 그리고 이종의(heterogeneous) 다개체(multi-agent) 시스템의 분산 제어에 대한 이론을 개발하고, 이를 활용하여 로봇 분야를 비롯하여 공학 전반에 걸친 중요한 문제에 대한 해법을 제시하는 데에 많은 관심이 있습니다. 최근 연구 주제에 대한 보다 자세한 사항은 Research 페이지를 참고해주세요.

Q. 제어 공학에 대해 간단히 알려주세요.

A. 제어 공학은 시스템이 목표하는 작업을 수행하기 위한 방법론을 연구하는 학문입니다. 아래 그림에 제어 공학의 목표를 설명하는 가장 기본적인 블록 다이어그램이 도식화되어 있습니다. 여기서 plant는 제어의 대상이 되는 시스템으로, 이 시스템의 출력인 output이 원하는 특징(예를 들어 reference라는 신호를 output이 추종)을 가지도록 controller(제어기)를 설계하는 것이 제어 공학의 기본 목표가 됩니다.

이를 위해, 제어 공학자들은 시스템을 다양한 방법으로 모델링하고, 모델에 근거한 제어 기법들을 제어 목적에 따라 여러 방향에서 연구해 오고 있습니다. 학부 수업에서는 “제어 공학”, “디지털 제어” 등이 대표적인 기초 과목들이므로, 이 과목들의 수강을 통해 제어 공학에 대한 이해를 한층 더 높일 수 있으리라 생각합니다. 제어 이론과 응용 분야에 대한 최근의 연구 흐름은, IEEE의 제어 이론 및 응용 분야의 society인 Control & Systems Society(CSS)에서 발간한 The Impact of Control Technology (2nd ed.)에서 확인해보실 수 있습니다.

제어 공학은 일반적인 수학적 모델로 표현된 시스템의 구동을 다루는 학문이기 때문에, 다양한 모습으로 우리와 함께 하고 있습니다. 일상 생활에서는 온수의 온도를 알맞게 맞추어 출수하는 정수기나 청소 후 정해진 위치로 정확히 이동하는 로봇 청소기가 대표적인 예시라고 할 수 있습니다. 조금 더 스케일을 키워보면, Boston dynamics의 덤블링하는 이족 보행 로봇 Atlas와, 안전하게 지상에 착륙하여 재사용이 가능하도록 개발된 Tesla SpaceX의 Falcon heavy의 사례들을 통해 제어 공학의 핵심 개념들이 우리의 미래에 어떤 모습으로 다가올지 예측해볼 수 있습니다.

Q. 제어 이론 연구는 어떻게 진행되나요?

A. 일반적인 형태의 제어 이론 연구는 수학적으로 기술된 시스템 모델을 기반으로 제어 알고리즘을 개발하고, 이를 수식과 모의 실험, 실제 실험 등으로 검증하는 형식으로 진행됩니다. 이를 조금 더 세분화하면, 다음과 같습니다.

• 제어 대상인 시스템을 모델링하고, 이를 바탕으로 현재 고려하는 문제를 수학적인 언어로 기술합니다.

• 위의 문제를 해결할 수 있는 방법에 대하여, 문제를 단순화하거나 개념적인 접근을 통해 기본 아이디어를 얻습니다.

• 아이디어를 확장하여, 일반적인 제어 이론을 수학적 엄밀성을 유지하며 수식으로 전개합니다.

• 개발한 이론을 모의 실험 혹은 실제 실험에 적용하고, 그 효용성을 검증합니다.

위의 과정에서 제어 이론 개발에 집중하기 위해, 몇 가지 항목은 다소 단순화할 수 있습니다. 예를 들어 많이 연구되고 있는 시스템들은 별도의 모델링 없이 기존 문헌에서 잘 알려 수학적 모델을 차용하거나, 시스템을 특정하지 않고 이론을 전개할 경우 일반적인 형태로 기술되는 미분 동역학 모델에 기반하여 제어 이론을 전개합니다. 또한 수식을 통한 이론 도출에 집중하기 위해 실제 실험 대신 잘 짜여진 모의 실험으로 알고리즘을 검증하는 경우도 많습니다.

한편 제어 이론 논문은 제어 기법의 검증을 엄밀한 전개를 바탕으로 하기 때문에, 응용 위주의 연구 분야 논문들과는 다소 구성에 차이가 있습니다. 이와 관련하여 참고할 만한 학술지 및 학술대회의 목록은 Publication 페이지에서 확인해볼 수 있습니다.

Q. 제어 공학은 연구/공부하기 너무 어렵고, 고리타분하며, 현실 문제와 동떨어져 있다는 이야기를 들었습니다.

A. 제어 이론 연구를 수행하기 위해서는 학부/대학원 수준의 제어 공학 뿐 아니라 주변 분야(예를 들어, 해석학 및 선형대수학)에 대한 지식 습득이 선행되어야 합니다. 한편 연구 주제에 따라 로봇 제어를 병행할 경우 로봇 공학에 대한 학습도 필요합니다. CDSL@UoS에서는 대학원생 입장에서 겪게 되는 제어 공학 연구의 어려움에 대해 교수와 학생이 많은 고민을 나누고, 이를 해소하고 대학원생들이 독립적인 제어 공학 전문가로 성장할 수 있도록, 교수의 직접적인 지도 아래 다양한 방면의 교육적인 지원을 제공할 예정입니다. 예를 들어 학생들(특히 석사 저년차 학생들)의 기초 연구 능력 증진을 위해, 주기적으로 학생들 간 혹은 지도 교수가 직접 지도하는 연구실 내부 세미나를 열어서 제어 이론 연구에 필요한 지식들과 논문 작성법, 발표 방법 등에 대해 학습하는 기회를 제공하고자 합니다.

제어/로봇 공학의 연구 스타일과 관련하여 강조하고 싶은 부분은, 제어/로봇 공학 분야의 연구는 학부 교과목의 이해로부터 연구를 바로 시작해볼 수도 있는 다른 분야의 연구와 연구 일정 및 연구 결과물의 양에서 필연적으로 차이가 있다는 점입니다. 특히 이론의 수식적인 전개의 경우 투자된 시간과 연구 성과물이 비례하지 않는 경우가 많기 때문에, 비슷한 시기에 다른 분야로 진학한 학생들과의 비교를 통해 많은 스트레스를 받고 슬럼프를 겪기도 합니다. (물론, 성과가 겉으로 드러나지 않을 뿐, 꾸준히 연구하다 보면 대부분의 경우 언젠가는 소기의 성과를 달성하게 되며, 졸업 시기가 너무 늦어지지 않도록 지도 교수도 적절히 지도하려 합니다.) 따라서 이런 부분들을 분야의 특성으로 이해하고, 큰 조바심을 느끼지 않으며 꾸준한 연구를 수행하는 것이 제어/로봇 공학 연구실 생활에서 매우 중요하며, 이를 극복하는 데에 어려움이 있을 경우 지도 교수와 상담하기를 권장합니다.

다른 전통적인 연구 분야들과 마찬가지로 제어 공학 역시 그 역사가 매우 오래 되었고, 그에 따라 연구의 방향성이 복잡해지면서 "제어 이론이 현실 문제와 동떨어져 있다"라는 지적을 많이 받기도 합니다. 사실 제어 대상인 시스템 혹은 공학 문제에 따라, 최신의 제어 이론 혹은 알고리즘이 필요하지 않는 경우도 많이 있습니다. "모든 시스템의 제어는 PID 제어로 다 끝난다"는 잘 알려진 rule-of-thumb은 여기에 기인하는데, 이러한 구문은 비교적 저차(low-order)로 모델링할 수 있는 시스템이나 안정적인 환경에서 구동하는 시스템들의 경우 어느 정도 맞아 떨어집니다. 이런 상황에서는 복잡한 제어 이론을 개발하는 것이, 내가 다루고 있는 현실의 문제와 동떨어져 있다고 생각해볼 수도 있겠습니다. 하지만 만약 우리의 제어 목표가 도전적이고 어려워지거나 훨씬 복잡한 시스템을 다루게 된다면(앞에서 언급한 Boston dynamics의 이족 보행 로봇이나 재활용 가능한 비행체 등을 생각해볼 수 있겠죠?), 제어기 설계 시 학부 수준에서 배우는 단순한 제어 기법 혹은 이론으로는 해결되지 않는 부분도 있음을 알게 됩니다. CDSL@UoS은 제어 공학이 필요하고 또 많은 기여를 할 수 있는 공학 문제들을 찾고 이에 대한 근원적인 해법을 찾음으로써, 현실 문제와 제어 이론 사이의 연결 고리를 찾기 위해 노력하고자 합니다.

위의 이야기와는 약간 상반된 내용일 수 있는데, 한편으로는 몽상가적인 발상으로 뜬구름을 만들어내는 것 또한 제어 이론의 역할이며, 이러한 노력이 좋은 연구 결과로 이어지기도 합니다. 예를 들어 인공 지능의 한 갈래인 reinforcement learning 등의 경우, 그 유용성 및 안정성에 대한 기본적인 이론은 이미 2000년대 이전부터 개발되어 왔으나, 부차적인 기술적 bottleneck(e.g., 연산량과 데이터 축적 기술의 한계)으로 인해 실용적인 관점에서는 제대로 활용되지 못했다고 합니다. 하지만 최근 들어 관련된 주변 기술들의 발전과 함께, 잠깐 잊혀졌던 reinforcement learning이 AlphaGo의 모습으로 나타나 화려한 스포트라이트를 받게 되고, 지금은 공학 전반의 트렌드를 구성하고 있으니 신기한 일입니다. 제어 이론에서 이루어지는 공상과도 같은 논의들 역시 이와 어느 정도 비슷한 성격이 있어서, 지금 당장 쓸모는 없어보이지만 다양한 이유로 추후에 쓸모를 만들어내는 결과들이 많이 있습니다. 이러한 관점에서 "좋은 제어 이론을 연구한다면 당장 현실성이 없어 보여도 언젠가는 빛을 볼거다"는 마음가짐도 필요합니다.

학생 개인의 입장에서는, 다소 어려울 수 있는 제어 이론을 연구함으로써 제어 공학에 대한 전반적인 이해도가 높아지기 때문에, 만약 대학원 졸업 이후의 진로에서 다양한 형태의 제어 문제와 부딪히더라도 충분히 해결해낼 수 있다는 능력을 가질 수 있으리라 생각합니다. (그리고, 졸업생들이 그런 능력을 가질 수 있도록 CDSL@UoS가 항상 노력하고자 합니다.)

Q. 제어 공학의 응용 분야에 대하여 알려주세요.

A. 제어 공학은 일반적인 수학적 모델로 기술되는 물리 시스템의 동작 방법론을 제공하기 때문에, (심지어 같은 제어 기법이라 하더라도) 다양한 공학 문제에서 응용이 가능합니다. 예를 들어, 지도 교수의 주된 연구 주제 중 하나인 외란 관측기의 경우, 이론은 일반화된 동역학 모델을 바탕으로 도출되었지만, 이를 정수기, ODD/HDD, 트럭 플라투닝 등 다양한 분야에서 활용할 수 있습니다. 제어 학계에서는 스마트 그리드, 가상-물리 시스템(cyber-physical system), 인공 지능 등과 같이 최근 세상에 많은 주목을 받는 시스템들에 제어 이론의 연구 결과들을 적용하는 것을 활발히 시도하고 있습니다. 한편 로보틱스는 고전적인 제어 공학의 응용 분야로, 많은 제어 기법들이 로봇 제어를 통해 도출되고 일반화되었습니다. CDSL@UoS는 로봇 제어를 주 응용 분야로 하여 제어 응용 연구를 수행하는 한편, 장기적으로는 개발한 제어 이론을 적용해볼 수 있는 새로운 응용 분야들을 개척해나갈 예정입니다.

Q. CDSL@UoS에서의 로봇 연구는 어떠한 방향으로 진행되나요?

A. CDSL@UoS은 아래 목표들에 주목한 로봇 제어 알고리즘 연구를 수행하고자 합니다.

• 제어 알고리즘의 개선을 통해 기존 로봇 제어 기법으로는 수행하기 어려웠던 작업들을 수행합니다.

• 제어 기법의 개발을 통해, 고가 로봇들과 비등한 성능을 낼 수 있게 하는 저가 로봇의 제어 알고리즘을 개발합니다.

• 로봇 분야에서 많이 활용되어 왔지만 수학적 해석이 필요한 로봇 제어 알고리즘의 해석 방법을 제시합니다.

만약 로봇을 제작하는 단계부터 시작하여 제어 알고리즘 연구까지 수행하려면, 연구실에 정말 많은 인적/재정적 자원이 필요할 뿐더러 본 연구실의 기본 방향인 제어 이론 연구에 소홀해지기 쉬울 것입니다. 때문에, CDSL@UoS는 잘 만들어진 로봇을 연구 과제의 재원으로 구매 혹은 로봇 설계를 연구하는 대학/연구소 연구진과의 협업하여 하드웨어를 구비하고, 이 위에 제어 알고리즘을 개발하고 적용하여 효용성을 검증함을 목표로 합니다. 만약 로봇의 종류에 따라 구매 혹은 협업이 어려운 경우에는, 현실을 최대한 잘 반영한 물리 엔진 기반의 모의 실험을 통해 제어 알고리즘을 검증하고자 합니다.

현재(작성일 기준) CDSL@UoS는 로봇 매니퓰레이터 및 모바일 로봇, 그리고 이를 결합한 형태인 모바일 매니퓰레이터와, 휴머노이드 로봇 등의 이족/다족 보행 로봇의 제어에 많은 관심이 있습니다. 이 중 일부의 구매에 사용할 재원을 확보하여, 2021년 1학기 중 로봇 매니퓰레이터인 Franka Emika의 Panda 2대와 모바일 로봇인 Clearpath Robotics의 Husky UGV 1대를 구매할 예정입니다.

Q. CDSL@UoS에서 석사 및 박사 학위를 받기 위해서는 어떤 조건을 만족해야 하나요?

A. 기본적으로 학위 수여를 위해서는 석사 혹은 박사 학위에 맞는 능력이 배양되고 검증되어야 한다고 생각하며, 따라서 본 FAQ에서는 정량적인 조건보다는 지도 교수가 석사/박사 학위자에게 기대하는 역량들을 소개하려 합니다. 우선 석사의 경우 주어진 문제에 대하여 연구 수행이 가능한지가 주요한 역량이라 생각합니다. 이를 얻기 위해 연구실은 문제를 논리적으로 해결하는 능력과 자신의 연구 결과를 글과 말로 표현하는 능력을 집중적으로 배양하고자 하며, 이러한 능력이 잘 검증되면 석사 학위를 수여하고자 합니다. 한편 박사는 문헌 조사를 통해 기존 해법으로는 다룰 수 없었던 문제를 설정하고, 이에 대한 자신만의 해법을 제시하는 것이 가장 중요한 역량 중 하나입니다. 또한 박사 과정생이 독립적인 제어 공학 연구자로 성장하기 위해서는, 타 연구자와의 교류를 통해 협업 스킬을 향상하는 동시에, 하나 이상의 시스템에 대해 자신이 개발한 제어 이론을 적용하는 경험이 필요하다고 생각합니다. 물론 연구 경험이 적은 석사/박사 과정생들이 이러한 요구 조건들을 혼자 충족시키기는 쉽지 않기 때문에, CDSL@UoS는 연차에 맞는 연구실 차원의 다양한 교육을 계획하고 수행하고자 합니다.

Q. 어떤 종류의 프로젝트를 수행하게 되며, 인건비는 어떤 기준으로 배정되나요?

A. 연구실의 프로젝트 수행은 크게 두 분류로 나누어 진행하고자 합니다.

• 연구와 직접적으로 관련된, 혹은 논문 등 졸업과 관련된 연구 성과를 낼 수 있는 프로젝트의 경우, 연구실원 대부분이 함께 참여하여(혹은 과제가 많을 경우 분산하여) 프로젝트를 수행하고, 이로부터 기본 인건비를 지원 받게 됩니다.

• 그 외 연구 성과를 내기 어렵거나 금액이 작은 프로젝트들의 경우, 과제 제안 단계에서 참여 희망 학생을 모집 받고, (당연하지만) 참여 학생들이 역할에 따라 (대체적으로 균등하게) 인건비를 분배 받는 형식으로 진행합니다. 따라서, 기본 인건비를 제외한 추가 인건비를 받을 수 있게 됩니다.

인건비는 연구실 프로젝트 진행 상황에 따라 매 학기마다(혹은 매 월마다) 달라질 수 있으니, 자세한 금액은 지원 시점에 담당 교수와의 면담을 통해 확인하는 것이 가장 정확할 것입니다. 다만 대학원 생활에 어려움이 있을 정도의 경제적 문제는 맞이하지 않도록 지도 교수가 모든 노력을 다할 것이며, 교육 및 재정적 자원의 한계를 고려하여 연구실의 규모를 적당한 선으로 제한하려 합니다.

연구 계획서 작성 등은 대부분 담당 교수가 직접 맡고, 석사 및 coursework 중인 박사 저년차 학생들에게는 연구에 집중할 수 있는 환경을 만들고자 합니다. 다만 박사 고년차 학생에 한해서는 보고서 작성을 일부분만 공유하여, 보고서 작성법을 교육하고자 합니다.

Q. CDSL@UoS는 어떤 학생을 주로 선발하나요?

A. CDSL@UoS는 제어 공학과 로봇 제어 연구에 열의가 있는 학생들을 환영합니다.

한편 지원 학생 입장에서는, 아래의 항목들에 대해 스스로 질문해봄으로써 CDSL@UoS에 잘 적응할 수 있을지를 판단해 볼 수 있을 것 같습니다. (물론, 아래 질문과는 무관하게 지도 교수와 면담해보는 것도 좋은 방법입니다.)

• 제어 공학의 주요 목표와 철학에 관심이 많습니다. (지도 교수를 예로 들면, 학부 제어 과목을 수강할 때 "임의의 시스템이 내가 원하는 행동을 수행하도록 제어할 때 그 원리를 구체적으로 제시하는 제어 공학"이 흥미로웠고, 이 때부터 대학원에 가보고 싶다는 생각이 들었던 것 같습니다.)

• 공식을 이용하는 것보다는, 그 공식이 어떻게 도출되었는지와 원리가 무엇인지에 더 관심이 많으며, 한 번 즈음은 공식을 수식으로 유도해보려는 시도를 해봤습니다.

• 혼자 공상하는 것을 좋아합니다. (제어 이론 연구는 머리 속에서 행해지는 다양한 사고 실험이 아이디어의 핵심이 되는 경우가 많습니다.)