KR100842104B1 - Ａｄｓ―ｂ와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙유도 제어 방법 - Google Patents

Ａｄｓ―ｂ와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙유도 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 무인항공기에 설치된 ADS-B장비와 무인항공기가 착륙하고자 하는 착륙지점에 설치된 ADS-B장비 간의 통신을 이용하여 무인항공기에 설치된 비행제어부가 무인항공기를 착륙지점 상방으로 유도하는 무인항공기 유도 단계; 무인항공기에 설치된 카메라를 이용하여 착륙지점에 설치된 착륙표적의 영상정보를 촬영 및 취득하는 착륙표적 영상 취득 단계; 비행제어부가 영상정보를 영상처리하는 착륙표적 영상처리 단계; 착륙표적을 비행 고도별 및 경로각별로 기 촬영한 정보인 복수 개의 비교영상정보를 포함하는 조회테이블을 이용하여, 비행제어부가 기준영상정보와 카메라로 취득된 영상정보 간 비교를 통해 착륙표적을 인식하는 착륙표적 인식 단계; 비행제어부에 의한 조회테이블 비교 및 착륙표적의 영상처리를 이용하여, 착륙표적에 대비한 무인항공기의 고도와 경로각 및 착륙표적과 무인항공기 간의 x-y좌표차이 정보를 이용한 위치보정정보를 산출하는 위치보정정보 산출 단계; 및 비행제어부가 위치보정정보를 이용하여 무인항공기를 착륙표적상에 착륙시키는 무인항공기 착륙 제어 단계를 포함하는 ADS-B와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙 유도 제어 방법이 제공된다.
무인항공기, 유도 제어, 자동착륙, ADS-B, 영상정보, 카메라, 착륙표적

Description

ＡＤＳ―Ｂ와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙 유도 제어 방법{Guide and control method for automatic landing of UAVs using ADS-B and vision-based information}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 ADS-B와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙 유도 제어 방법의 흐름도,
도 2는 도 1의 방법을 위한 시스템 구성도,
도 3은 도 1의 무인항공기 유도 단계의 실시예를 나타내는 평면도,
도 4는 도 2의 카메라 설치 방향을 나타내는 측면도,
도 5는 도 1의 착륙표적 인식 단계에서 사용되는 조회테이블 생성의 실시예를 나타내는 측면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10...무인항공기 20...착륙지점
110...제1ADS-B장비 120...제2ADS-B장비
130...비행제어부 140...카메라 및 짐벌
150...착륙표적
본 발명은 ADS-B와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙 유도 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ADS-B(Automatic Dependent Surveillance Broadcast)장비와 영상정보를 이용하여 무인항공기(UAV;Unmanned Aerial Vehicle)를 특정 착륙지점으로 자동 착륙 유도 제어하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 무인항공기를 착륙시키는 방법에 있어서 종래에는 외부조종사의 조종에 의한 착륙 방법, 낙하산 또는 그물망을 이용한 착륙 방법, ILS(Instrument Landing System)나 레이더를 이용한 자동 착륙 방법 등이 있다.
그런데, 이상과 같은 착륙 방법은 추가의 인력유지 및 시설확보, 장비 장착 등에 많은 비용이 소모될 수 있을 뿐만 아니라 전파방해에 의한 교란 문제에 쉽게 노출될 수 있는 문제점 또한 있다.
이러한 단점을 보완하기 위해 카메라를 이용한 자동착륙 방법이 연구되고 있는데, 즉 카메라를 통해 착륙 지점의 표적 영상을 획득하여 필터링을 통해 표적 영상을 분리한 후, 명암, 색차, 픽셀개수 등의 문턱값을 적용하여 표적을 인식하고 필터를 이용하여 백색잡음을 제거함과 동시에 표적의 움직임을 추적하는 일련의 과정을 통해 이동표적에 대한 경로를 계획하게 된다.
그러나 이상과 같은 영상기반 시스템에 따르면, xy 평면상의 벡터인 2차원 정보만을 취득하므로, GPS, 관성센서, 레이저 센서 등의 부가적인 센서 값을 통한 위치 및 고도정보의 보정이 실시간 수행되어야 하는데, 이러한 경우 처리의 복잡성을 증대시키고 처리 시간이 지연되는 단점이 있다.
또한, 종래에는 움직이는 착륙지점에 관한 비행체 유도에는 한계가 있는데, 즉 고정된 착륙지점의 경우는 착륙지점의 GPS 정보를 미리 취득한 후 비행체 유도를 수행하면 되나, 함상 착륙과 같이 착륙지점이 유동성을 가진 경우에는 상기 착륙지점의 위치를 비행체에 실시간 전달해야 하는 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 이러한 경우 상기 착륙지점의 착륙표적을 추적하는 동안 모든 영상처리가 실시간 처리되어야 하는 부담이 있으며, 표적의 뒤틀림에 관한 정보가 존재하지 않아 그에 관한 인식 알고리즘 및 연산이 추가로 수행되어야 하므로 영상처리 시간이 크게 할애되게 되며, 상기 이동하는 표적의 인식 및 그에 따른 비행 자세정보의 전달이 매우 취약하여 비행체의 즉각적인 반응을 지연시키고 각종 사고를 발생시킬 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, ADS-B장비를 이용하여 고정형뿐만 아니라 이동형 착륙지점에 관한 무인항공기의 유도가 가능하고, 상술한 ADS-B장비뿐만 아니라 카메라 영상정보 및 조회테이블 정보를 이용함에 따라 무인항공기 자동 착륙 시스템에 관한 신뢰성을 보장할 수 있는 ADS-B와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙 유도 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 ADS-B와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙 유도 제어 방법은, 무인항공기에 설치된 ADS-B장비와 상기 무인항공기가 착륙하고자 하는 착륙지점에 설치된 ADS-B장비 간의 통신을 이용하여 상기 무인항공기에 설치된 비행제어부가 상기 무인항공기를 상기 착륙지점 상방으로 유도하는 무인항공기 유도 단계; 상기 무인항공기에 설치된 카메라를 이용하여 상기 착륙지점에 설치된 착륙표적의 영상정보를 촬영 및 취득하는 착륙표적 영상 취득 단계; 상기 비행제어부가 상기 영상정보를 영상처리하는 착륙표적 영상처리 단계; 상기 착륙표적을 비행 고도별 및 경로각별로 기 촬영한 정보인 복수 개의 비교영상정보를 포함하는 조회테이블을 이용하여, 상기 비행제어부가 상기 기준영상정보와 상기 카메라로 취득된 영상정보 간 비교를 통해 상기 착륙표적을 인식하는 착륙표적 인식 단계; 상기 비행제어부에 의한 상기 조회테이블 비교 및 상기 착륙표적의 영상처리를 이용하여, 상기 착륙표적에 대비한 상기 무인항공기의 고도와 경로각 및 상기 착륙표적과 무인항공기 간의 x-y좌표차이 정보를 이용한 위치보정정보를 산출하는 위치보정정보 산출 단계; 및 상기 비행제어부가 상기 위치보정정보를 이용하여 상기 무인항공기를 상기 착륙표적상에 착륙시키는 무인항공기 착륙 제어 단계를 포함한다.
또한, 상기 무인항공기 착륙 제어 단계시, 상기 카메라의 시야각이 상기 착륙표적을 벗어나는 경우, 상기 비행제어부가 상기 ADS-B장비를 이용한 상기 무인항공기 유도 단계를 재실행할 수 있다.
그리고, 상기 착륙표적 인식 단계와 위치보정정보 산출 단계는, 상기 비행 고도별 및 경로각별 달리 취득되는 상기 착륙표적의 픽셀점유율와 표적형상 정보를 이용하여 상기 기 촬영된 기준영상정보와 상기 카메라의 영상정보 간을 비교하는 것에 의해 수행될 수 있다.
또한, 상기 착륙표적은, 상기 착륙지점이 고정된 고정식 착륙표적 또는 상기 착륙지점이 이동되는 이동식 착륙표적일 수 있다.
한편, 상기 위치보정정보 산출 단계 이후에는, 상기 비행제어부가 상기 영상처리된 영상정보에 칼만필터링을 수행하는 것에 의해 상기 영상정보의 백색잡음을 제거하고 상기 영상정보의 미세 움직임을 감지하는 칼만필터링 단계를 더 포함할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적인 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 ADS-B와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙 유도 제어 방법의 흐름도, 도 2는 도 1의 방법을 위한 시스템 구성도, 도 3은 도 1의 무인항공기 유도 단계의 실시예를 나타내는 평면도, 도 4는 도 2의 카메라 설치 방향을 나타내는 측면도, 도 5는 도 1의 착륙표적 인식 단계에서 사용되는 조회테이블 생성의 실시예를 나타내는 측면도이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 ADS-B와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙 유도 제어 방법에 관하여 도 1 내지 도 5를 참고로 하여 상세히 설명하고자 한다.
도 3을 살펴보면, 상기 무인항공기(10)는 제1ADS-B장비(110), 비행제어부(130) 및 카메라 및 짐벌(140)이 구비되며, 상기 착륙지점(20)에는 상기 무인항공기(10) 측의 제1ADS-B장비(110)에 대응되는 제2ADS-B장비(120) 및 착륙표적(150)이 구비된다.
상기 카메라 및 짐벌(140) 중 상기 짐벌은 카메라의 위치 이동의 제어가 가능한 일반적인 짐벌장치에 관한 것으로서, 본 발명에서는 상기 무인항공기(10)에 설치되는 카메라 및 짐벌(140)을 하나의 카메라 장비로 보아도 무관하며 상기 카메라 및 짐벌(140)에 관하여 이하에서는 간단히 카메라(140)로 명명하기로 한다. 한편, 상기 착륙표적(150)은 이미지, 문자 등의 형태일 수 있다.
먼저, 도 1 또는 도 2와 같이, 무인항공기(10)에 설치된 제1ADS-B장비(110)와 상기 무인항공기(10)가 착륙하고자 하는 착륙지점(20)에 설치된 제2ADS-B장비(120) 간의 통신을 이용하여 상기 무인항공기(10)에 설치된 비행제어부(130)가 상기 무인항공기(10)를 상기 착륙지점(20) 상방으로 유도한다(S110).
즉, 상술한 무인항공기 유도 단계(S110)는, 상기 착륙지점(20)으로부터 멀리 떨어진 무인항공기(10)가 상기 무인항공기(10)에 탑재된 제1ADS-B장비(110)와 상기 착륙지점(20)에 설치된 제2ADS-B장비(120) 간의 통신에 의해 상기 착륙지점(20)의 상측으로 유도되는 과정을 의미한다.
더 상세하게는, 상기 무인항공기(10)상의 비행제어부(130)는, 상기 각 ADS-B장비(110,120) 간의 통신에 의해 취득된 데이터를 이용하여 상기 착륙지점(20)에 대한 상기 무인항공기(10)의 GPS위치정보, 높이, 방위각, 속도 등을 산출하고 그에 따른 유도 제어명령을 생성하여 상기 무인항공기(10)를 상기 착륙지점(20) 상측을 향해 유도하게 된다.
이때, 상기 무인항공기(10)는, 이후의 착륙표적 영상 취득 단계(S120)가 원활히 수행되도록, 상기 무인항공기(10)에 탑재된 카메라(140)에 의한 착륙표적(150)의 인식이 가능한 상공 지점까지 이동 유도되는 것이 바람직하다. 물론, 상기 착륙표적(150)이 인식가능한 고도, 경로각 등의 정보는 카메라(140)의 시야각, 해상도, 날씨 등에 따라 적절히 변경 조정될 수 있는 부분이다.
한편, 이상과 같은 착륙표적(150)에는 도 2와 같은 착륙표적(150)이 설치되는데, 이러한 착륙표적(150)은 상기 착륙지점(20)이 고정된 형태인 고정식 착륙표적(150) 또는 상기 착륙지점(20)이 이동되는 형태인 이동식 착륙표적(150)일 수 있다.
여기서, 이상과 같은 ADS-B장비(110,120)를 이용한 통신 방식에 따르면 함상(艦上)에서와 같이 상기 착륙표적(150)이 이동하는 경우에도 상기 무인항공기(10)를 착륙지점(20)까지 용이하게 유도할 수 있어 자동착륙 시스템의 신뢰도를 향상시킬 수 있으며 시스템을 간소화시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 상기 무인항공기(10)에 탑재되는 상기 비행제어부(130)는 오토파일럿을 의미할 수 있다.
이러한 상기 무인항공기 유도 단계(S110)는 도 3 및 아래의 표 1을 참고로 하여 다음과 같은 실시예에 의해 수행될 수 있다.
[표 1]
Figure 112007043540513-pat00001
상기 표 1에서 LOS(Line Of Sight)는 무인항공기(10)와 착륙지점(20) 간을 잇는 직선을 의미한다.
도 2와 같이, 무인항공기(10)를 착륙지점(20) 상방까지 유도하는 상기 무인항공기 유도 단계(S110)를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 무인항공기(10)의 오토파일럿 즉, 상기 비행제어부(130)에 입력되는 제어 명령은 경로각 변화율 명령(
Figure 112007043540513-pat00002
)과 속도 변화율 명령(
Figure 112007043540513-pat00003
)이다.
이러한 상기 두 가지 명령 변수는 아래의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112007043540513-pat00004
[수학식 2]
Figure 112007043540513-pat00005
수학식 1의 경우는, 도 3과 같이 상기 무인항공기(10)가 착륙지점(20), 즉 착륙표적(150)의 왼쪽에서 접근하는 경우로서 k1과 k2는 모두 양수(k1>0, k2>0)이어야 하며 이는 유도루프의 안정성을 보장하기 위한 것이다. 즉, 현재의 시선각(
Figure 112007043540513-pat00006
)이 시선각 명령(
Figure 112007043540513-pat00007
)보다 작은 경우, 상기 무인항공기(10)의 경로각(
Figure 112007043540513-pat00008
)이 반시계 방향으로 변하도록 하기 위함이다.
수학식 2는, 현재의 상대거리(
Figure 112007043540513-pat00009
)가 상대거리 명령(
Figure 112007043540513-pat00010
) 보다 큰 경우 상기 무인항공기(10)의 속도를 높여야 하므로 k3는 양수(k3>0)이어야 하며 k4는 시뮬레이션을 통한 성능 분석을 통해 적절한 값을 획득하여야 한다.
그리고, 현재의 경로각 변화율(
Figure 112007043540513-pat00011
)과 경로각 변화율 명령(
Figure 112007043540513-pat00012
)의 차이 및 현재의 속도 변화율(
Figure 112007043540513-pat00013
)과 속도 변화율 명령(
Figure 112007043540513-pat00014
)의 차이를 나타내는 각 오차는 수학식 3 및 수학식 4와 같다.
[수학식 3]
Figure 112007043540513-pat00015
[수학식 4]
Figure 112007043540513-pat00016
상기 두 가지 명령
Figure 112007043540513-pat00017
와
Figure 112007043540513-pat00018
가 무인항공기(10)의 오토파일럿에 해당되는 상기 비행제어부(130)에 입력되는 경우, 속도 변화율(
Figure 112007043540513-pat00019
)을 제어하는 제어기와 경로각 변화율(
Figure 112007043540513-pat00020
)을 제어하는 제어기가 상기 각 오차인
Figure 112007043540513-pat00021
과
Figure 112007043540513-pat00022
를 '0'에 가까워지도록 제어함에 따라, 결과적으로 상기 무인항공기(10)가 상기
Figure 112007043540513-pat00023
의 각도와
Figure 112007043540513-pat00024
의 거리로 상기 착륙지점(20)까지 유도되도록 할 수 있다.
일반적으로, 상기 ADS-B장비(110,120)에 내장된 GPS/WAAS(Global Positioning System/Wide Area Augmentation System) 송신기의 위경도 오차는 수평 및 수직에 대해 통상 각각 1m 이하이다.
여기서, 상기 카메라(140)가 표적을 인식할 수 있는 범위를 수 미터에 해당하는 반경으로 본다면, 이러한 상기 1m 이내의 오차는 카메라(140)에 의해 착륙표 적(150)을 인식할 수 있는 범위까지 상기 무인항공기(10)를 유도하기에는 충분히 안전한 범위이다.
한편, 상기 무인항공기(10)가 상기 착륙지점(20)에 최대한 근접하여 다가가기 위해서는 상기
Figure 112007043540513-pat00025
와
Figure 112007043540513-pat00026
는 각각 0°와 0m가 되어야 하는데, 이러한 경우 상기 무인항공기(10)를 상기 착륙지점(20)과 일치되는 지점으로 정확하게 유도할 수 있다.
단, 무인항공기(10)가 상기 착륙지점(20)까지 유도되는 단계(S110)에 있어서, 상술한 무인항공기(10)는 고도를 일정하게 유지하면서 횡방향으로 움직이는 2차원 기동만을 수행할 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않으며, ADS-B장비(110,120) 간의 통신을 이용하여 고도 변화와 동시에 횡방향 이동되는 3차원 기동 또한 충분히 가능함은 물론이다.
한편, 착륙지점(20)까지의 무인항공기(10) 유도 단계(S110)에 관하여, 본 발명에서는 표 2, 도 3 및 수학식 1 내지 수학식 4를 이용하여 설명하고 있으나 이는 단지 실시예에 불과하고 반드시 상술한 바로 한정되지 않으며, ADS-B통신에 의한 보다 다양한 비행체 유도 과정이 적용될 수 있음은 물론이다.
다음으로, 상기 무인항공기 유도 단계(110) 이후에는, 상기 무인항공기(10)에 설치된 카메라(140)를 이용하여 상기 착륙지점(20)에 설치된 착륙표적(150)의 영상정보를 촬영 및 취득한다(S120).
이때, 상기 카메라(140)는 도 4와 같이, 무인항공기(10)의 z방향, 즉 지면에 수직인 상태로 고정되어 있다.
다음으로, 상기 비행제어부(130)는 상기 카메라(140)에 의해 취득된 영상정보에 대한 영상처리를 수행한다(S130).
도 4의 상태에서 상기 카메라(140)에 의해 취득된 칼라영상은 그레이 스케일로 변환 처리된 후 색차성분을 제외한 명암성분을 통해 인식될 수 있다. 이때 상기 명암성분의 계산은 아래 수학식 5를 이용하여 원하는 표적의 명암 값으로 조절 가능하다.
[수학식 5]
Figure 112007043540513-pat00027
여기서 상기 명암성분의 조절은 컴퓨터 프로그래밍 또는 작업자의 조작에 의해 가능할 수 있다. 상기 수학식 5의 Y는 명암(밝기)성분, R은 red, G는 Green, B는 Blue를 나타낸다. 이상과 같이 획득 및 처리된 영상은 예를 들면 7×7 저주파 필터링이 수행된 후 차후에 있을 조회테이블과의 비교 단계를 거칠 수 있다.
즉, 이상과 같은 영상처리 단계(S130) 이후에는, 상기 착륙표적(150)을 비행 고도별 및 경로각별로 기 촬영한 정보인 복수 개의 비교영상정보를 포함하는 조회테이블을 이용하여, 상기 비행제어부(130)가 상기 기준영상정보와 상기 카메라(140)로 취득된 영상정보 간 비교를 통해 상기 착륙표적(150)을 인식한다(S140).
즉, 상기 조회테이블은 상기 카메라(140)에 의해 촬영된 영상정보가 해당 착륙표적(150)의 영상과 일치하는지를 판단하는 기준이 됨은 물론이며, 카메라(140)에 의한 취득된 영상정보와 상기 조회테이블 상의 비교영상정보 간의 영상 비교를 통해, 현재 무인항공기(10)의 고도와 경로각이 어느 위치에 존재하는지 또한 파악 가능하도록 한다.
이상과 같은 조회테이블은 상술한 무인항공기 자동 착륙 유도 제어가 수행되기 이전에 도 5와 같은 일 실시예를 통해 기 취득 및 저장된 데이터를 의미한다.
즉, 도 5는 조회테이블 생성을 위해 미리 수행되는 이미지 획득 방법에 관한 참고도로서, 먼저 고정식 카메라(140)를 비행체에 부착한 상태에서 미리 정해놓은 착륙표적(150)의 이미지를 고도별 및 경로각별로 각각 촬영한다.
이때, 무인항공기 착륙을 위한 적정고도 또는 적정고도 범위를 가상으로 정하여 이미지를 획득하는 것이 바람직하다.
도 5과 같이, 상기 적정고도가 300m, 카메라(140)의 시야각은 20°, 카메라(140)의 x축(또는 y축) 해상도가 640픽셀(pixel)인 경우, 아래 수학식 6과 같이 촬영된 영역인 이미지상의 실제 거리가 산출될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112007043540513-pat00028
즉, 카메라상의 640픽셀은 실제 389m를 나타내는 것으로서, 이미지상의 1픽셀은 실제 약 0.607m로 표현될 수 있다.
즉, 상기 카메라(140)의 일정 시야각(도 5에서는 20°)에 대하여 촬영된 640픽셀 중, 상기 착륙표적(150)에 관한 영역은 상기 전체 640픽셀 중의 전부 또는 일부를 차지할 수 있다.
예를 들면, 상기 무인항공기(10)의 일정 경로각에 대하여 상기 착륙표적(150)으로부터의 무인항공기(10)의 비행 고도만을 달리하여 카메라(140) 촬영을 각각 수행하는 경우, 촬영된 표적 영상정보(이미지)의 표적형상은 고도별로 동일할 수 있으나 픽셀점유율은 상기 고도별 달라질 수 있으며 상기 고도가 높을수록 픽셀점유율은 점차로 낮아질 수 있다.
또한, 상기 무인항공기(10)의 일정 고도에 관하여 상기 무인항공기(10)의 경로각을 달리하여 카메라(140) 촬영을 각각 수행하는 경우, 촬영된 표적 영상정보(이미지)의 표적형상과 픽셀점유율이 상기 경로각별 달라질 수 있다. 즉, 경로각에 따라 표적형상에 기울임이 발생되어 픽셀점유율이 증가되는 예가 발생될 수 있다.(예를 들면, 표적형상이 원형(또는 사각형)인 경우 상기 경로각에 따라 상술한 원형이 일그러진 타원형(또는 직사각형이나 평행사변형 등)으로 촬영될 수 있다.)
즉, 이상과 같은 방법으로 생성되는 상기 조회테이블은, 무인항공기(10)의 고도별, 경로각별 각 영상에 관한 형상정보 및 픽셀점유율을 포함하고 있다.
즉, 상기 착륙표적 인식 단계(S140)는 표적형상정보를 이용하여 상기 기 촬영된 기준영상정보와 상기 카메라의 영상정보 간을 비교하는 것에 의해, 촬영된 표적형상이 실제 착륙표적(150)의 형상과 일치하는지를 인식할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 무인항공기 착륙시 비슷한 착륙표적이 있는 경우 상기 조회테이블의 비교영상정보와 비교를 통해 이미지상의 표적을 신속하게 추적할 수 있는 장점이 있다.
한편, 이러한 착륙표적 인식 단계(S140)에서 착륙 표적의 인식이 불가능한 경우는 도 1과 같이 상기 영상정보 취득(S120)을 다시 수행하여 이전 단계를 재수행하는 것도 가능하다.
한편, 상기 착륙표적 인식 단계(S140) 이후에는, 상기 비행제어부(130)에 의한 상기 조회테이블 비교 및 상기 착륙표적(150)의 영상처리를 이용하여, 상기 착륙표적(150)에 대비한 상기 무인항공기(10)의 고도와 경로각 및 상기 착륙표적(150)과 무인항공기(10) 간의 x-y좌표차이 정보를 이용한 위치보정정보를 산출한다(S150).
즉, 앞서 상술한 바와 같이, 고도별 및 경로각별 달리 취득되는 영상정보의 픽셀점유율과 표적형상 정보를 이용하여, 상기 카메라(140)의 영상정보와 상기 조회테이블의 비교영상정보 간을 비교하는 것에 의해, 무인항공기(10)의 현재 고도와 경로각을 실시간 파악할 수 있으며, 이에 따라 현재 무인항공기(10)의 경로각과 고도 및 이로 인한 무인비행기(10)의 뒤틀림 정도의 산출하는 노력을 절감할 수 있다.
한편, 상기 착륙표적(150)에 대한 영상처리를 통해 상기 착륙표적(150)과 무인항공기(10) 간의 x-y좌표차이 정보를 연산할 수 있으며, 이러한 연산은 기존에 사용되고 있는 다양한 카메라 보정기법에 의해 수행될 수 있다. 즉 상기 카메라 보정기법은 카메라에서 촬영된 영상정보(카메라 이미지플랜 상의 위치)를 이용하여 실제 표적과의 뒤틀림 정도를 알 수 있는 방법이다.
예를 들면, 촬영된 착륙표적(150)의 영상정보를 영상처리하고 아래와 같은 수학식 7을 이용하여 비행체의 x축 좌표 및 y축 좌표를 취득할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112007043540513-pat00029
즉, 카메라 이미지플랜 상의 표적 x축 좌표와 y축 좌표를 이용하여 상기 무인항공기의 x축 좌표와 y축 좌표를 산출해낼 수 있으며, 산출된 무인항공기의 x축, y축 좌표와 실제 착륙표적(150)의 x축, y축 좌표 간의 차이를 연산하는 것에 의해, 상기 착륙표적(150)에 대한 현재 무인항공기(10)의 위치 뒤틀림이 연산될 수 있다.
이때, 상기 비행제어부(130)는 이러한 위치 틀어짐에 관한 연산 정보를 이용하여 위치보정정보를 실시간 산출하여 무인항공기(10)와 상기 착륙표적(150) 간의 위치 틀어짐과 상대거리 및 고도를 점차로 줄여나가면서 상기 무인항공기(10)를 더욱 정확하고 안전하게 착륙될 수 있도록 유도할 수 있다.
즉, 이상과 같이, 상기 카메라(140)에 의해 획득된 이미지의 영상처리 후 조회테이블과 비교를 수행하여 착륙표적을 인식하고, 상기 영상처리된 이미지와 항법정보를 이용하여 현재 위치의 추정이 가능하다. 즉, 상술한 조회테이블 정보와 상기 수학식 7의 연산을 이용하여 현재 경로각과 고도 및 현재위치의 산출이 가능하다.
한편, 상기 위치보정정보 산출 단계(S150) 이후에는, 상기 영상정보에 칼만필터링을 수행한다(S160).
즉, 상기 비행제어부(130)는 카메라(140) 촬영 후 영상처리된 영상정보에 칼만필터링을 수행하는 것에 의해 상기 영상정보의 백색잡음을 제거하고 상기 영상정보의 미세 움직임을 감지할 수 있도록 한다.
다시 말해서, 영상정보 상의 잡음 성분을 제거하는 것에 의해 상기 영상정보를 더욱 명료하고 깨끗한 상태로 변형 가능함에 따라, 상기 영상정보의 미세 움직임까지 감지 가능하도록 하는 것이다. 이러한 촬영된 영상정보의 미세 움직임은 상기 무인항공기(10)의 움직임에 또는 상기 착륙지점(20)의 움직임에 의해 발생될 수 있는데, 본 발명은 상기 착륙지점(20)의 움직임에 따른 영상정보의 움직임까지 용이하게 추적할 수 있는 효과 또한 있다.
이상과 같은 칼만필터링에 의하면, 외란에 의한 잡음을 제거함과 동시에 목표물을 지속적으로 추적할 수 있도록 하며 아래의 수학식 8에 의해 수행가능하다.
[수학식 8]
Figure 112007043540513-pat00030
또한 하기 표 2에는 상기 수학식 8의 각 계수에 관한 설명을 나타내고 있다.
[표 2]
Figure 112007043540513-pat00031
다음으로, 상기 칼만필터링 적용 단계(S160) 이후에는, 상기 비행제어부(130)가 상기 산출된 위치보정정보를 이용하여 상기 무인항공기(10)를 상기 착륙표적(150) 상에 착륙시킨다(S170~S180).
즉, 비행제어부(130)는 상기 촬영된 표적 영상정보의 영상처리 및 조회테이블을 이용한 무인항공기(10)의 경로각, 고도, 위치 정보를 이용하여 상기 위치보정정보를 산출한 후 그에 따른 위치 제어명령을 실시간 생성하고, 이에 따라 상기 무인항공기(10)가 상기 착륙지점(20)의 착륙표적(150)을 향해 점차로 고도를 낮추면서 상기 착륙표적(150) 상에 정확하고 안전하게 착륙될 수 있도록 한다.
이러한 무인항공기 착륙 제어 단계(170)시, 상기 비행제어부(130)는 영상정보의 영상처리를 통해 취득한 x좌표, y좌표, 고도 등의 차이를 0으로 수렴하는 제어명령을 생성함으로써 무인항공기(10)의 착륙을 시도할 수 있다.
물론, 이러한 상기 무인항공기 착륙 제어 단계(S170) 동안에는 상술한 영상 처리에 의한 위치제어뿐만 아니라 상기 무인항공기(10)와 착륙표적(150)에 각각 설치된 ADS-B장비(110,120) 간의 통신을 상시 유지함으로써 ADS-B장비(110,120)를 이용한 위치제어도 동시에 가능함은 물론이다.
상기 ADS-B장비(110,120) 간의 통신의 경우, 특정 고도 이하의 지상에서는 타 전파로 인한 전파방해, 난반사 등의 전파장애로 인해 통신의 오차, 오류 또는 전파단절이 발생되어 위치 감지 및 제어가 불가능한 경우가 발생할 수 있다.
그런데, 본 발명에 따르면, 카메라(140) 촬영된 영상정보의 영상처리 및 조회테이블의 비교가 상기 비행제어부(130)에서 실시간 수행되는 것에 의해 상술한 ADS-B장비(110,120)에 의한 위치보정의 한계를 극복할 수 있으며, 상기 무인항공기(10)에 관한 보다 정교한 위치 제어가 가능하도록 할 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 무인항공기 유도 단계(S110) 동안에는 상기 ADS-B장비(110,120)를 이용하여 상기 착륙지점(20)으로부터 일정 거리 떨어져 있는 무인항공기(10)를 상기 착륙지점(20) 근처 상방의 특정 고도(카메라가 촬영될 수 있는 고도)까지 유도하는 LONG-TERM 제어 구간으로 볼 수 있다.
그리고, 상기 착륙표적 영상 취득 단계(S120) 내지 상기 무인항공기 착륙 제어 단계(S190) 동안에는 상기 카메라(140) 촬영에 의한 영상처리 및 조회테이블 비교를 이용하여 상기 무인항공기(10)가 해당 착륙지점(20)의 착륙표적(150)을 향해 점차로 고도를 낮추면서 안정된 착륙을 시도하는 SHORT-TERM 제어 구간으로 볼 수 있다.
한편, 상기 무인항공기 착륙 제어 단계(S180)시, 상기 카메라(140)의 시야각 이 상기 착륙표적(150)을 벗어나는 경우, 상기 비행제어부(130)는 상기 ADS-B장비(110,120)를 이용한 상기 무인항공기 유도 단계(S110) 및 그 이후의 단계까지 재실행함으로써 재착륙 시도가 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 착륙표적(150)이 카메라(140) 시야각으로부터 벗어나는 경우로는, 착륙 시도 중에 상기 착륙지점(20)에 움직임이 발생되거나(이동식 착륙지점), 상기 무인항공기(10) 제어의 오류 등에 의해 발생될 수 있다. 본 발명에서는 이러한 경우, 카메라(140)가 착륙표적(150)을 재인식할 수 있도록 무인항공기(10)를 일정 거리 이상으로 회항시킨 후 다시 ADS-B장비(110,120) 간의 통신을 이용하여 무인항공기(10)가 착륙표적(150) 상방까지 이동될 수 있도록 제어함으로써 자동 착륙의 재시도가 가능하도록 유도할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따른 ADS-B와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙 유도 제어 방법에 따르면 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 무인항공기 및 착륙지점 간의 ADS-B의 통신을 이용하여 고정형뿐만 아니라 이동성 있는 착륙지점에 관한 무인항공기의 유도가 용이하게 가능하다.
둘째, ADS-B통신을 수행함에 따라 카메라가 표적을 놓친 경우에도 표적 근처 를 향해 무인비행기의 재유도가 가능한 이점이 있다.
셋째, 조회테이블 정보와 촬영된 표적의 영상정보를 이용함에 따라 현재 무인항공기의 경로각과 고도 등을 산출하는 노력을 절감할 수 있고 표적의 뒤틀림에 대한 보정 또한 용이하게 가능하다.
넷째, 조회테이블을 이용하여 착륙표적의 인식률을 증대시키고 표적의 이동이나 흔들림 등의 변화되는 환경에 대한 신속한 대응이 가능하도록 한다.
다섯째, ADS-B장비뿐만 아니라 카메라 영상정보 및 조회테이블 정보를 이용함에 따라 무인항공기 자동 착륙 시스템에 관한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 무인항공기에 설치된 ADS-B장비와 상기 무인항공기가 착륙하고자 하는 착륙지점에 설치된 ADS-B장비 간의 통신을 이용하여 상기 무인항공기에 설치된 비행제어부가 상기 무인항공기를 상기 착륙지점 상방으로 유도하는 무인항공기 유도 단계;
    상기 무인항공기에 설치된 카메라를 이용하여 상기 착륙지점에 설치된 착륙표적의 영상정보를 촬영 및 취득하는 착륙표적 영상 취득 단계;
    상기 비행제어부가 상기 영상정보를 영상처리하는 착륙표적 영상처리 단계;
    상기 착륙표적을 비행 고도별 및 경로각별로 기 촬영한 정보인 복수 개의 비교영상정보를 포함하는 조회테이블을 이용하여, 상기 비행제어부가 상기 기준영상정보와 상기 카메라로 취득된 영상정보 간 비교를 통해 상기 착륙표적을 인식하는 착륙표적 인식 단계;
    상기 비행제어부에 의한 상기 조회테이블 비교 및 상기 착륙표적의 영상처리를 이용하여, 상기 착륙표적에 대비한 상기 무인항공기의 고도와 경로각 및 상기 착륙표적과 무인항공기 간의 x-y좌표차이 정보를 이용한 위치보정정보를 산출하는 위치보정정보 산출 단계; 및
    상기 비행제어부가 상기 위치보정정보를 이용하여 상기 무인항공기를 상기 착륙표적상에 착륙시키는 무인항공기 착륙 제어 단계를 포함하는 ADS-B와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙 유도 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 무인항공기 착륙 제어 단계시,
    상기 카메라의 시야각이 상기 착륙표적을 벗어나는 경우, 상기 비행제어부가 상기 ADS-B장비를 이용한 상기 무인항공기 유도 단계를 재실행하는 것을 특징으로 하는 ADS-B와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙 유도 제어 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 착륙표적 인식 단계와 위치보정정보 산출 단계는,
    상기 비행 고도별 및 경로각별 달리 취득되는 상기 착륙표적의 픽셀점유율와 표적형상 정보를 이용하여 상기 기 촬영된 기준영상정보와 상기 카메라의 영상정보 간을 비교하는 것을 특징으로 하는 ADS-B와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙 유도 제어 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 착륙표적은,
    상기 착륙지점이 고정된 고정식 착륙표적 또는 상기 착륙지점이 이동되는 이동식 착륙표적인 것을 특징으로 하는 ADS-B와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙 유도 제어 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 위치보정정보 산출 단계 이후에는,
    상기 비행제어부가 상기 영상처리된 영상정보에 칼만필터링을 수행하는 것에 의해 상기 영상정보의 백색잡음을 제거하고 상기 영상정보의 미세 움직임을 감지하 는 칼만필터링 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ADS-B와 영상정보를 이용한 무인항공기의 자동 착륙 유도 제어 방법.
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