KR101160454B1 - 무인항공기의 자세 제어를 이용한 3ｄ 공간정보구축 방법 - Google Patents

무인항공기의 자세 제어를 이용한 3ｄ 공간정보구축 방법 Download PDF

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Abstract

급변하는 도시변화의 정보를 담은 영상을 빠르게 획득할 수 있도록 무인 항공기를 이용하여 3D GIS의 모델링을 수행함에 있어서 무선 조종기를 이용하는 사람이 파악하기 어려운 항공기의 미묘한 자세변위를 사전에 파악하여 조종을 원활하게 할 수 있도록 하기 위한 무인항공기의 자세 제어를 이용한 3Ｄ 공간정보구축 방법이 개시된다. 본 발명은 도시의 3차원 공간정보의 효과적인 수시갱신을 위하여 무인항공기와 디지털카메라를 이용한 근접 항공사진측량 기법을 제안하고 제안된 기법의 신뢰도를 높이기 위하여 GPS수신기로부터 무인항공기의 3차원적인 위치정보를 취득하고, 취득한 위치정보를 이용하여 무인항공기의 자세를 정확하게 측정함으로서 무인항공기의 정확한 위치 파악 및 자세제어가 가능하다.

Description

무인항공기의 자세 제어를 이용한 3Ｄ 공간정보구축 방법{Construction method of 3D Spatial Information using position controlling of UAV}
본 발명은 무인 항공기의 자세 제어를 이용한 3D 공간정보구축 방법에 관한 것으로, 급변하는 도시변화의 정보를 담은 영상을 빠르게 획득할 수 있도록 무인 항공기를 이용하여 3D 공간정보구축을 수행함에 있어서 무선 조종기를 이용하는 사람이 파악하기 어려운 항공기의 미묘한 자세변위를 사전에 파악하여 조종을 원활 또는 자동으로 조정하게 할 수 있도록 하기 위한 무인항공기의 자세 제어를 이용한 3D 공간정보구축 방법에 관한 것이다.
국토 및 도시정보의 3차원 공간정보 분석과 의사결정을 위하여 도시의 정밀한 3D 공간정보를 구축하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 지방자치단체에서도 유비쿼터스 기반의 도시 관리를 위한 3차원 도시 구축을 진행하고 있다. 3차원 공간정보는 디지털 항측 카메라, 레이져 스캐너, 다중경사사진촬영시스템등 다양한 기법을 이용하여 구축되고 있으며, 기존 2차원 지도가 가지고 있는 단점을 보완하여 사용자에게 각종 지형공간정보를 정량적ㆍ정성적으로 제공할 수 있기 때문에 관광정보시스템, 도시정보시스템, 네비게이션 시스템, 생활정보 서비스 등 다양한 콘텐츠로 개발되고 있으며 GIS 분석 및 구축된 공간정보를 활용에 중요한 역할을 한다.
또한, 구축된 3D 공간정보는 빈번한 도시 개발로 인한 변화에 적극 대응하여 수시 갱신되어야 하며 갱신이 이루어지기 전까지는 공간정보 관련 서비스의 질은 물론 대민 공간정보 제공의 신뢰도가 저하된다. 그러므로 3D 공간정보는 현재 수치지도 갱신과 같이 일정한 기간을 두고 수행되는 일괄갱신 방식보다 변화가 발생한 지역만 수시 갱신할 수 있어야 한다.
지형공간정보를 효율적으로 취득하기 위하여 다양한 관측 센서를 탑재하여 임무를 수행할 수 있는 탑재체(platform)들이 개발되고 있다. 특히, 유인 항공기로 임무를 수행하기 어려운 지역이나 도심지를 관측할 때, 경제성과 비행안정성을 고려하여 무인항공기가 도입되고 있다.
무인항공기는 1950년대 말부터 군사 분야에서 군 정찰용으로 개발되기 시작하였으며 회전익 및 고정익 항공기, 비행선등 다양한 플랫폼 형태로 개발되고 있으며, 유인비행기의 보완장비로써 감시 및 조사, 지형관측이나 원격탐측, 환경 및 지형 모니터링 등 여러 분야에서 활용되고 있다. 무인항공기의 항공촬영기술은 사람이 타지않는 기체에 무선송수신 제어기를 장착하여 무선으로 비행기를 조종하면서 촬영하는 것이다. 무인 항공기의 영상 촬영은 영상 송수신 장비를 이용하여 촬영시스템으로부터 전송되는 영상중 좋은 영상을 선별적으로 촬영하여 취득하는 것으로 축척을 고려하지 않고 촬영을 하게 된다.
그러나, 무인 항공기를 이용한 지형정보를 취득하는 방법은 활발하게 연구가 되었지만 무인 항공기의 자세 정보를 취득하고 이를 제어하는 시스템은 전무한 실정이다. 무인 항공기의 위치 정보만을 파악하여 지형정보를 취득하는 종래의 방법은 원하는 위치에서의 항공촬영 및 영상 보정의 정밀도면에서 취약점을 보인다.
즉, GPS 수신기를 이용하여 3차원 좌표를 구하는 방법으로 구할 수 없는 항공기의 자세에 대한 정보를 얻을 수 있어 영상자료 취득 과정에서 무선 조종기를 이용하는 사람이 파악하기 어려운 항공기의 미묘한 자세변위를 사전에 파악하여 조종을 원활하게 하고 자동항법의 필요성이 제기된다.
본 발명은 이러한 필요성을 감안하여 발명된 것으로, GPS수신기로부터 무인항공기의 3차원적인 위치정보를 취득하고, 취득한 위치정보를 이용하여 무인항공기의 자세를 정확하게 측정함으로서 무인항공기의 정확한 위치 파악 및 자세제어가 가능하며, 정확한 3차원 위치자료에 기반한 무인항공기가 촬영한 지형정보에 대한 3D 공간정보구축을 수행할 수 있어서 영상자료와 공간정보를 동시에 취득하여 활용함으로써 3차원적인 공간정보를 재생산하고자 할 수 있는 무인항공기의 자세 제어를 이용한 3D 공간정보구축 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
위성으로부터 GPS신호를 수신할 수 있는 수신기를 장착한 무인항공기의 자세 제어를 이용한 3Ｄ 공간정보구축 방법에 있어서,
GPS위성에서 보내는 전파를 수신하여 위성정보를 확인하고 상기 무인항공기에서 위도, 경도, 고도데이터인 x,y,z를 추출하는 단계;
무인항공기가 촬영을 하면서 이동하였을 때, 하기 <식 1>과 같이 무인항공기의 이동 경로 기울기를 측정하여 자세정보를 롤링(rolling)(Φx), 피칭(pitching)(Φy), 요잉(yawing)(Φz)값으로 연산하는 단계;
Figure 112010036713544-pat00001
<식 1>
획득된 무인 항공기의 위치정보 및 획득된 무인항공기의 자세정보를 반복적으로 계산하여 계획경로로 무인항공기의 경로를 유도하여 영상정보 및 공간정보를 수집하는 단계;
유도된 경로대로 무인항공기를 이동시켜 영상정보 및 공간정보를 수집하고, 상기 획득된 영상자료를 표면모형(Digital Surface Model ; DSM)을 제작하고 지형분석 및 경관정보 추출하여 3차원 모델링하는 단계를 포함하는 것이다.
본 발명에서는 도시의 3차원 공간정보의 구축 및 효과적인 수시갱신을 위하여 무인항공기와 디지털카메라를 이용한 근접 항공사진측량 기법을 제안하고 제안된 기법의 신뢰도를 높이기 위하여 GPS수신기로부터 무인항공기의 3차원적인 위치정보를 취득하고, 취득한 위치정보를 이용하여 무인항공기의 자세를 정확하게 측정함으로서 무인항공기의 정확한 위치 파악 및 자세제어가 가능하며, 정확한 3차원 위치자료에 기반한 무인항공기가 촬영한 지형정보에 대한 3D 공간정보구축을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에서 설명하는 무인항공기의 롤링(rolling), 피칭(pitching), 요잉(yawing)을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 무인항공기의 자세 제어를 이용한 3D GIS의 모델링 방법의 개념을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 무인항공기에서 촬영된 항공사진의 일 예를 보여주기 위한 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 무인항공기에서 촬영된 항공사진을 기반으로 3D 도화한 원시데이터의 일 예를 보여주기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 무인항공기에서 촬영된 항공사진을 기반으로 3D 모델링한 일 실시예를 보여주기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 자세제어가 가능한 무인항공기 시스템은 무인항공기(100)에 장착되어 항공사진 촬영을 위한 진동방지기능을 갖춘 짐벌(110)과 무인 항공기(100)에 장칙되어 GPS위성에서 보내는 전파를 수신하여 위성정보를 확인하고 무인항공기(100)에서 위도, 경도, 고도데이터인 x,y,z를 추출하도록 하기 위한 지피에스(GPS:global positioning system) 수신기(120)를 포함한다.
또한, 무인항공기(100)의 이동 경로 기울기를 측정하여 무인항공기(100)의 자세정보를 롤링(rolling), 피칭(pitching), 요잉(yawing)값으로 연산하며, 지피에스 수신기(120)로부터 획득된 무인 항공기의 위치정보 및 연산을 통하여 획득된 무인항공기의 자세정보를 반복적으로 계산하여 계획경로로 무인항공기의 경로를 유도하여 영상정보 및 공간정보를 수집하기 위한 제어부(200)를 구비한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 무인항공기의 자세 제어를 이용한 3D 공간정보구축 방법은 무인항공기(100)에 장착된 GPS 수신기(120)와 GPS위성의 송수신이 연결된 상태에서 무인항공기(100)를 이륙시켜 항공사진의 촬영을 통하여 영상자료 및 공간정보를 취득한다. 무인항공기(100)의 촬영은 촬영될 주요 대상들을 3차원적인 높이를 고려하여 검토하고, 영상에서 보이는 건물의 크기와 실제건물의 크기 및 촬영 경로를 방해할 수 있는 장애물이 있는지를 고려하여, 촬영축척 또는 촬영될 영상의 공간해상도를 결정 후 촬영고도를 설정한 다음 중복도를 고려하여 촬영경로를 설계한다.
촬영경로상의 촬영고도에 도달하면 무인항공기(100)에 장착된 GPS 수신기(120)에서는 GPS위성에서 보내는 전파를 수신하여 위성정보를 확인하고 무인항공기의 위도, 경도, 고도데이터인 x,y,z를 추출한다. 이후에 촬영경로를 향해 계획된 좌표로 무인항공기(100)를 유도함으로써 촬영이 이루어지고, 이를 통해 영상자료가 취득되면서 영상자료와 함께 카메라의 3차원 위치정보(x, y, z)가 함께 획득된다.
이와 동시에 제어부(200)는 최초의 GPS 수신기(120)에서 획득된 무인항공기(100)의 위도, 경도, 고도데이터인 x,y,z를 이용하여 무인항공기가 촬영을 하면서 이동하였을 때, <식 1>과 같이 무인항공기의 이동 경로 기울기를 측정하여 자세정보를 롤링(rolling)(Φx), 피칭(pitching)(Φy), 요잉(yawing)(Φz)값으로 연산한다.
즉, 무인항공기(100)가 임의의 a점에서 b점으로 이동하였을 때, 하기 <식1>을 이용하여 변화한 좌표 값을 이용하여 무인항공기의 이동 경로 기울기를 측정할 수 있다. Φy는 xy평면에 대하여 기울어진 정도를 의미하고,Φz는 xz평면에 대하여 기울어진 정도를 의미한다.
Figure 112010036713544-pat00002
<식 1>
<식 1>에서 Φx,Φy,Φz의 값은 도 1에서 보는 바와 같이, 각각 무인비행기의 롤링, Y축은 피칭, Z축은 요잉방향으로의 회전요소이다.
이와 같이 획득된 GPS 수신기(120)에서 획득된 무인항공기(100)의 위치정보데이터 및 제어부(200)에서 연산된 무인항공기의 자세정보를 반복적으로 계산하여 계획경로로 무인항공기의 경로를 유도하여 영상정보 및 공간정보를 수집한다. 즉, 무인카메라(100)에 장착된 GPS 수신기(120)를 통하여 수신된 3차원 위치 (x, y, z) 값과 무인항공기(100)가 임의의 a점에서 b점으로 이동하였을 때, 좌표값을 이용하여 무인항공기의 이동 경로 기울기를 반복적으로 측정함으로서 설정된 촬영경로 좌표와 현재의 촬영 위치 및 자세가 반복적으로 비교 계산되고, 계획경로로부터 일탈할 경우 방향을 바로잡아 경로를 유도하게 된다.
이러한 과정을 통하여 유도된 경로대로 무인항공기를 이동시켜 영상정보 및 공간정보를 수집하고, 획득된 영상자료를 이용하여 수치표면모형(Digital Surface Model ; DSM)을 이용한 지형분석 및 경관정보 추출하여 3차원 3차원적으로 정의되는 공간영상자료를 생성한다. 촬영된 항공사진중 복수의 사진을 선별하여 자료처리하고, 카메라 내부표정요소와 선별된 항공사진, 기준점성과를 이용하여 외부표정, 절대표정 및 광속조정을 실시한다. 이후에 지상기준점과 인공지물의 3차원 도화를 실시함으로써 도 3에서 도 5에서 보는 바와 같이 대상지역의 3차원 공간데이터를 취득한다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.

Claims (1)

  1. 위성으로부터 GPS신호를 수신할 수 있는 수신기를 장착한 무인항공기의 자세 제어를 이용한 3Ｄ 공간정보구축 방법에 있어서,
    ⅰ)상기 GPS위성에서 보내는 전파를 수신하여 위성정보를 확인하고 상기 무인항공기에서 위도, 경도, 고도 데이터인 x,y,z를 추출하는 단계;
    ⅱ)상기 무인항공기가 촬영을 하면서 이동하였을 때, 하기 <식 1>과 같이 무인항공기의 이동 경로 기울기를 측정하여 자세정보를 롤링(rolling)(Φx), 피칭(pitching)(Φy), 요잉(yawing)(Φz)값으로 연산하는 단계;
    Figure 112011078323829-pat00003
    <식 1>
    상기 <식1>에서 Δｘ, Δｙ, Δｚ는 무인항공기가 x, y, z로 이동한 변위를 나타냄.
    ⅲ)상기 ⅰ단계에서 획득된 무인 항공기의 위치정보 및 상기 ⅱ단계에서 획득된 무인항공기의 자세정보를 반복적으로 계산하여 계획경로로 무인항공기의 경로를 유도하여 영상정보 및 공간정보를 수집하는 단계;
    ⅳ) 상기 유도된 경로대로 무인항공기를 이동시켜 영상정보 및 공간정보를 수집하고, 상기 획득된 영상자료를 이용하여 수치표면모형(Digital Surface Model ; DSM)을 이용한 지형분석 및 경관정보 추출하여 3차원 모델링하는 단계를 포함하는 무인항공기의 자세 제어를 이용한 3D 공간정보구축 방법.
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