KR101710364B1 - Remote Control System with Load Estimation Feedback for Unmanned Aerial Vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 무인비행체용 원격 조종 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무인비행체에 가해지는 부하 정보를 무선조종기에 받아 무인비행체의 원격 조종에 이를 반영하는 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a remote control system for an unmanned aerial vehicle, and more particularly, to a system for receiving load information applied to an unmanned aerial vehicle to a remote control of a unmanned aerial vehicle.
최근들어 드론이라고 불리는 다양한 종류의 무인비행체가 개발되어 다양한 용도로 사용되고 있다. 개발 초기에는 전장 탐색이나 비행 시뮬레이션을 위한 군용으로 주로 활용되었으나, 드론이 대중적으로 보급되기 시작하면서 무인비행체에 카메라를 탑재하여 영상 제작을 위한 용도로 활용하거나 상품 배송을 위한 용도 등 다양한 활용 범위로 제작이 진행되고 있다. Recently, various types of unmanned aerial vehicles called drones have been developed and used for various purposes. In the early stage of development, it was mainly used as a military for navigation and flight simulation. However, as the drones became widely popular, it was used for the purpose of image production by mounting the camera on unmanned aerial vehicles, Is underway.
상기 무인비행체를 조종하고자 할 때, 사용자는 무선조종기에 마련된 방향 버튼을 눌러 이동시키고자 하는 방향으로 무인비행체의 움직임을 제어하지만 종래의 무인비행체용 원격 조종 시스템은 도 1에 개시된 바와 같이 무인비행체와의 상호작용 없이 오직 조종자의 시각에 의존하여 조종자가 조종기에 이동 명령을 입력하면 상기 명령에 의해 기구부의 동작이 제어되는 방식이다. In order to control the unmanned aerial vehicle, the user controls the movement of the unmanned aerial vehicle in a direction to move the direction button by pressing a direction button provided on the radio navigator. However, the conventional remote control system for the unmanned aerial vehicle, The operation of the mechanical unit is controlled by the command when the controller inputs the movement command to the controller depending on the viewpoint of the controller only without the interaction of the controller.
이러한 원격 조종 시스템에서는 무인비행체와 관련되는 외부 외란에 의해 무인비행체에 가해지고 있는 부하상태를 정확히 알 수 없으며, 사용자의 시각적 정보만으로는 부하상태를 예측하는데 한계가 있다. In such a remote control system, the load state applied to the unmanned aerial vehicle due to the external disturbance related to the unmanned aerial vehicle can not be accurately known, and there is a limitation in predicting the load state only by the user's visual information.
상술한 바와 같이 외부 외란에 의해 무인비행체에 걸리는 부하를 감지하지 못하거나 늦게 감지하는 경우에는 사용자가 의도한 방향 또는 속도로 무인비행체를 조종하기 용이하지 않으며, 외란에 의해 사용자의 의도와는 다르게 무인비행체의 비행경로가 바뀔 수도 있기 때문에 다양한 사고를 초래할 위험 가능성도 내재하고 있다. 특히, 단순한 기체의 고장 및 파손뿐만 아니라 추락하는 경우에는 인명 피해와 같은 큰 사고가 발생할 가능성이 있다.As described above, when the load applied to the unmanned aerial vehicle can not be detected or detected late due to the external disturbance, it is not easy to control the unmanned aerial vehicle in the direction or speed that the user intends. Since the flight path of a flight can change, there is a possibility that it may cause various accidents. Especially, in case of a simple gas failure and damage as well as a fall, serious accidents such as personal injury may occur.
본 발명은 상술한 바와 같이 무인비행체를 원격 조종함에 있어서, 조종자가 바라보는 무인비행체의 시각정보와 더불어 무인비행체의 기구부로부터 전송되는 항법정보로부터 부하정보를 도출하여 조종자에게 피드백하여 줌으로써 현재 무인비행체의 상태를 파악하여 원격 조종에 이를 반영할 수 있는 원격 조종 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.As described above, in the remote control of the unmanned aerial vehicle as described above, in addition to the visual information of the unmanned aerial vehicle seen by the navigator, the load information is derived from the navigation information transmitted from the unmanned aerial vehicle mechanism and fed back to the navigator, And to provide a remote control system capable of grasping the state and reflecting it to the remote control.
본 발명의 실시예는 무선조종기를 통한 조종자의 입력에 의해 무인비행체의 비행을 제어하는 원격 조종 시스템으로서, 비행 중의 항법 정보 및 내부 신호를 취합하는 정보수집부 및 날개부의 회전속도 또는 방향을 제어하는 모터부를 포함하는 무인비행체의 기구부; 및 상기 무인비행체의 기구부와 원격에서 통신하며 조종자의 명령에 따른 입력 신호를 송신하는 무선조종기를 포함하고, 상기 무선조종기는 조종자에 의해 이동명령을 입력받는 이동제어부; 상기 정보수집부로부터 항법 정보나 비행체 내부 신호를 수신 받아 상기 기구부에 걸린 부하 정보를 추정하는 부하 추정부; 상기 부하 추정부로부터 추정된 부하를 시각적으로 나타내는 모니터링부; 및 상기 부하 추정부로부터 추정된 부하를 촉각적으로 제시하는 촉각제시부를 포함할 수 있다. An embodiment of the present invention is a remote control system for controlling the flight of an unmanned aerial vehicle by an operator's input through a radio controller, comprising: an information collecting unit for collecting navigation information and an internal signal during flight; A mechanism part of a unmanned aerial vehicle including a motor part; And a remote controller for remotely communicating with a mechanical unit of the unmanned aerial vehicle and transmitting an input signal according to a command of the remote controller, wherein the remote controller includes: a movement controller for receiving a movement command by a remote controller; A load estimating unit that receives the navigation information and the internal signal of the airplane from the information collecting unit and estimates load information hung on the mechanical unit; A monitoring unit for visually indicating an estimated load from the load estimating unit; And a tactile suggesting unit for presenting the estimated load from the load estimating unit in a tactile manner.
상기 부하 추정부는 상기 기구부의 항법 정보로부터 수신된 기구부의 위치, 자세, 각속도값 및 비행체 내부 신호를 토대로 기구부에 가해지는 부하를 추정할 수 있다. The load estimating unit may estimate a load applied to the mechanical unit based on the position, posture, angular velocity, and internal signal of the mechanical unit received from the navigation information of the mechanical unit.
그리고, 상기 촉각제시부는 상기 부하 추정부에서 추정된 부하에 따라 다른 세기의 촉각을 발생시키는 것을 특징으로 하며, 상기 촉각제시부는 힘과 운동감을 촉각을 통해 느낄 수 있게 하는 햅틱 장치로 이루어질 수 있다. The tactile display unit may generate a tactile sense of a different intensity according to the load estimated by the load estimation unit. The tactile sense presentation unit may be a haptic device that allows the user to feel the force and the sense of movement through a tactile sense.
그리고, 상기 부하 추정부는 부하 상태 인식 알고리즘을 사용하여 외란에 의해 상기 기구부에 부하가 발생되고 있는지에 대한 여부를 판단할 수 있다. The load estimating unit may use the load state recognition algorithm to determine whether a load is being generated in the mechanical unit due to the disturbance.
그리고, 상기 부하 추정부는 기구부에 대한 수학적인 모델이 정해지지 않은 경우, 상기 정보수집부로부터 상기 기구부의 위치, 자세, 각속도값이나 내부 신호를 전송 받아 기구부에 작용하는 힘과 현재 기구부의 움직임에 의한 힘을 통해 부하값을 추정할 수 있다. 그리고, 상기 부하값은 기구부의 모터 출력값에서 현재 기구부의 가속도 센서에서 측정되는 값을 빼줌으로써 도출될 수 있다. If the mathematical model for the mechanical unit is not determined, the load estimator receives the position, posture, angular velocity value, or internal signal of the mechanical unit from the information collecting unit and calculates a force acting on the mechanical unit and a force Lt; / RTI > The load value can be derived by subtracting the value measured by the acceleration sensor of the current mechanical part from the motor output value of the mechanical part.
그리고, 상기 부하 추정 알고리즘으로부터 추정된 부하를 사용하여 상기 촉각제시부의 제어 입력을 결정하는 부하 구현 제어부를 더 포함할 수 있으며, 상기 촉각 제시부는 상기 부하 구현 제어부로부터 제어 입력을 받아 상기 기구부가 받고 있다고 추정되는 부하와 같은 방향으로 힘을 발생시킬 수 있다. The tactile display unit may further include a load implementation controller that determines a control input of the tactile suggestor using the load estimated from the load estimation algorithm, and the tactile suggestor receives the control input from the load implementation controller, The force can be generated in the same direction as the estimated load.
그리고, 상기 모니터링부는 상기 부하 추정부에서 추정된 부하 정보에 따라 상기 기구부에 가해지는 부하의 방향과 세기를 디스플레이 할 수 있다. The monitoring unit may display the direction and the intensity of the load applied to the mechanical unit according to the load information estimated by the load estimation unit.
실시예에 따른 무인비행체용 무선조종기는 조종자가 이동명령을 입력하기 위한 복수개의 제어명령 입력 수단으로 이루어진 이동제어부; 무인비행체의 기구부에 마련된 정보수집부로부터 항법 정보 및 비행체 내부신호를 수신 받아 상기 기구부에 걸린 부하 정보를 추정하는 부하 추정부; 상기 부하 추정부로부터 추정된 부하를 시각적으로 나타내는 모니터링부; 및 상기 부하 추정부로부터 추정된 부하를 촉각적으로 제시하는 촉각제시부를 포함할 수 있다. The remote controller for a UAV according to an embodiment includes a movement controller including a plurality of control command input means for the operator to input a movement command; A load estimating unit that receives the navigation information and the internal signal from the information collecting unit provided in the mechanism unit of the unmanned aerial vehicle to estimate load information on the mechanism unit; A monitoring unit for visually indicating an estimated load from the load estimating unit; And a tactile suggesting unit for presenting the estimated load from the load estimating unit in a tactile manner.
그리고, 상기 부하 추정부는 상기 기구부의 정보수집부로부터 수신된 기구부의 위치, 자세, 각속도값 및 모터에 입력되는 제어 신호 등을 포함한 비행체 내부 신호 등을 토대로 부하 추정 알고리즘을 사용하여 기구부에 가해지는 부하를 추정하는 것을 특징으로 한다. The load estimating unit estimates a load applied to the mechanical unit using a load estimation algorithm based on an internal signal of the vehicle including a position, an attitude, an angular velocity value of the mechanical unit received from the information collecting unit of the mechanical unit, Is estimated.
그리고, 상기 모니터링부는 조종자에게 상기 부하 추정부에서 추정된 부하 정보에 따라 상기 기구부에 가해지는 부하의 방향과 세기를 디스플레이하는 스크린 형태의 패널로 형성될 수 있다. The monitoring unit may be formed of a screen-type panel that displays the direction and intensity of the load applied to the mechanical unit according to the load information estimated by the load estimation unit, to the controller.
그리고, 상기 촉각제시부는 부하 추정 알고리즘으로부터 추정된 부하를 사용하여 제어 입력이 결정되며, 상기 기구부가 받고 있다고 추정되는 부하와 같은 방향으로 힘을 발생시키는 것을 특징으로 한다.The tactile suggesting unit determines a control input using a load estimated from a load estimation algorithm, and generates a force in the same direction as a load assumed to be received by the mechanism.
본 발명의 실시예에 따르면, 비행중인 무인비행체의 기구부에서 발생되는 부하를 추정하여 이를 무선 조종기에 시각적, 촉각적으로 피드백하여 줌으로써 사용자가 무인비행체 기구부의 비행 상태를 더욱 정확히 판단할 수 있다. According to the embodiment of the present invention, the load generated in the mechanism part of the unmanned aerial vehicle in flight can be estimated and fed back to the radio control device visually and tactually so that the user can more accurately determine the flight status of the unmanned aerial vehicle mechanism part.
본 발명의 실시예에 따르면, 무인비행체에 별도의 센서 또는 장치를 추가하지 않고도 항법 정보 및 비행체 내부 신호를 통해 무인비행체 기구부의 부하 상태를 추정할 수 있으므로 무인비행체의 설계변경 없이 원격 조종이 가능하다. According to the embodiment of the present invention, since the load state of the unmanned aerial vehicle can be estimated through the navigation information and the internal signal of the air vehicle without adding additional sensors or devices to the unmanned aerial vehicle, the remote control can be performed without changing the design of the unmanned aerial vehicle .
본 발명의 실시예에 따르면, 조종자는 무인비행체의 시각적 또는 촉각적인 부하 정보를 통해 의도하고자 하는 방향 및 속도로 무인비행체의 이동을 제어할 수 있으며, 무인비행체가 더욱 안정적으로 비행할 수 있도록 조종이 가능하기 때문에 추락 또는 인명 피해와 같은 사고를 미연에 방지할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the operator can control the movement of the unmanned aerial vehicle in a direction and a speed intended for the intention through the visual or tactile load information of the unmanned aerial vehicle, It is possible to prevent accidents such as a fall or personal injury.
도 1은 종래의 무인비행체용 원격 조종 시스템을 나타낸 도면
도 2는 실시예에 따른 무인비행체용 원격 조종 시스템을 나타낸 도면
도 3은 실시예에 따른 무인비행체용 원격 조종 시스템의 부하 추정부에서 수행되는 알고리즘의 예시를 나타낸 도면
도 4는 실시예에 따른 무인비행체용 원격 조종 시스템의 부하 추정부에서 수행되는 Model-based 기법의 알고리즘을 나타낸 플로우 차트
도 5는 실시예에 따른 무인비행체용 원격 조종 시스템의 부하 추정부에서 수행되는 Model-free 기법의 알고리즘을 나타낸 플로우 차트
도 6은 실시예에 따른 부하 추정 알고리즘에서 부하 상태 인식 알고리즘의 예시를 나타낸 플로우 차트
도 7은 실시예에 따른 무인비행체용 원격 조종 시스템에서 무선조종기를 나타낸 도면1 is a diagram showing a conventional remote control system for unmanned aerial vehicles
2 is a view showing a remote control system for an unmanned aerial vehicle according to an embodiment;
3 is a diagram illustrating an example of an algorithm performed by the load estimating unit of the remote control system for an unmanned aerial vehicle according to the embodiment
4 is a flowchart showing an algorithm of a model-based technique performed in a load estimating unit of a remote control system for an unmanned aerial vehicle according to an embodiment;
5 is a flowchart showing an algorithm of a model-free technique performed in a load estimating unit of a remote control system for an unmanned aerial vehicle according to an embodiment
6 is a flowchart showing an example of a load state recognition algorithm in the load estimation algorithm according to the embodiment
7 is a diagram illustrating a radio remote controller in a remote control system for an unmanned aerial vehicle according to an embodiment;
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다. The embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to these embodiments. In describing the present invention, a detailed description of well-known functions or constructions may be omitted for the sake of clarity of the present invention.
도 2는 실시예에 따른 무인비행체용 원격 조종 시스템을 나타낸 도면이다. 2 is a diagram illustrating a remote control system for an unmanned aerial vehicle according to an embodiment.
도 2에 개시된 바와 같이 실시예에 따른 무인비행체용 원격 조종 시스템은 무선조종기를 통한 조종자의 입력에 의해 무인비행체의 비행을 제어하는 원격 조종 시스템으로서, 무인비행체의 본체에 해당되는 기구부(30) 및 상기 무인비행체의 기구부(30)와 원격에서 통신하며 조종자(10)의 명령에 따른 입력 신호를 송신하는 무선조종기(20)를 포함하여 구성될 수 있다. As shown in FIG. 2, the remote control system for an unmanned aerial vehicle according to an embodiment of the present invention is a remote control system for controlling the flight of an unmanned air vehicle by inputting a controller through a radio controller, And a
상기 기구부(30)는 비행 중에 항법 정보 및 내부 신호를 취합하는 정보수집부(31) 및 기구부의 측면에 구비된 복수개의 날개 중 적어도 하나의 회전속도 또는 방향을 제어하는 모터부(32)를 포함할 수 있다. The
상기 정보수집부(31)는 무인비행체의 비행을 위해 필수적으로 구비되어야 하는 항법 센서, 자이로 센서, 가속도 센서나 비행체 내부에서 모터 제어를 위한 전기 신호 정보 등을 수집하거나 취합할 수 있다. 상기의 센서들은 기존의 무인비행체에 공지된 구성으로 자세한 설명은 생략한다. The
실시예의 무인비행체용 원격 조종 시스템은 상기 정보수집부(31)로부터 비행중인 기구부의 항법 및 내부 신호 데이터를 받고, 이를 무선조종기로 송신하여 현재 기구부 주변의 외란에 의해 기구부가 받고 있는 부하 정보를 추정하는 점에 그 특징이 있다. 여기서 외란이라 함은 비행중인 무인비행체의 기구부의 이동에 영향을 주는 모든 힘으로 이해될 수 있으며, 주로 바람과 같은 요소 또는 무인비행체에 카메라와 같은 추가적인 장치가 구비된 경우에 발생되는 외적인 흔들림과 같은 요소 등이 포함될 수 있다. The remote control system for the unmanned aerial vehicle of the embodiment receives the navigation and internal signal data of the flying mechanism from the
그리고, 부하(Load)라 함은 현재 상술한 바와 같은 외란에 의해 현재 기구부에 걸리는 힘을 의미하며, 부하가 있는 경우에는 기구부가 외란에 의해 특정한 방향으로 힘을 받고 있는 상태이고, 부하가 없다는 것은 외란에 따른 영향이 없이 조종자가 의도한 대로 무인비행체가 이동할 수 있음을 의미한다. The term " load " means a force applied to the current mechanical part due to the disturbance as described above. When there is a load, the mechanical part is in a state of receiving a force in a specific direction due to disturbance. This means that the unmanned aerial vehicle can move as intended by the navigator without affecting the disturbance.
실시예의 무인비행체용 원격 조종 시스템에 포함되는 무선조종기는 조종자에 의해 이동명령을 입력받는 이동제어부(24), 정보수집부로부터 항법 및 내부 신호 정보를 수신 받아 상기 기구부에 걸린 부하 정보를 추정하는 부하 추정부(22), 상기 부하 추정부(22)로부터 추정된 부하를 시각적으로 나타내는 모니터링부(21) 및 상기 부하 추정부(22)로부터 추정된 부하를 촉각적으로 제시하는 촉각제시부(23)를 포함할 수 있다. The remote controller included in the remote control system for the unmanned aerial vehicle according to the embodiment includes a
상기 이동제어부(24)는 조종자에 의해 눌려지거나 방향이 전환되는 다수개의 제어명령 입력 수단으로 구성될 수 있으며, 각각의 제어명령 입력 수단은 기구부에 마련된 날개 중 어느 하나의 속도를 제어할 수 있다. 또한, 기구부의 수평 방향으로의 움직임을 제어하기 위한 적어도 4개의 제어명령 입력 수단과 기구부를 수직방향으로 이동시키기 위한 적어도 4개의 제어명령 입력 수단이 구비될 수 있으며 구체적인 구성은 추후에 개시되는 도면을 통해 설명한다. The
상기 부하 추정부(22)는 상기 정보수집부로부터 항법 및 내부 신호 정보를 수신 받아 상기 기구부에 걸린 부하 정보를 추정하는 구성으로, 부하 추정 알고리즘이 내장되어 있어 항법 정보로부터 수신된 기구부의 위치, 자세, 각속도값 등을 토대로 기구부에 가해지고 있는 부하를 추정할 수 있다. The load estimating
실시예의 무선조종기에는 상기 부하 추정부(22)로부터 추정된 부하를 시각적으로 나타내는 모니터링부(21)가 마련되며, 하나의 실시예로 무선조종기 상단부에 패널과 같은 디스플레이 화면으로 제공될 수 있다. 상기 디스플레이 화면에는 기구부의 형태가 나타나고, 기구부에 가해지는 힘의 크기 및 방향이 화살표로 표시될 수 있다. 이는 하나의 예시이며, 사용자 설정에 따라 디스플레이 화면에 보여지는 부하 정보는 가변적으로 변경될 수 있다. The wireless controller of the embodiment is provided with a
그리고, 실시예의 무선조종기에는 상기 부하 추정부(22)로부터 추정된 부하를 촉각적으로 제시하는 촉각제시부(23)가 마련될 수 있다. 하나의 예시로서, 상기 촉각제시부(23)는 이동제어부(24)와 결합된 형태로 구비될 수 있으며, 이동제어부(24)의 각각의 제어명령 입력 수단에 촉각제시부(23)가 마련될 수 있다. 즉, 조종자는 무인비행체의 조종을 위해서 이동제어부의 제어명령 입력 수단에 손가락을 접촉할 시에, 부하 추정부에서 전송된 부하 정보에 따라 각각의 제어명령 입력 수단에서 다른 강도의 촉각을 제시받을 수 있다. The radio control unit of the embodiment may be provided with a
상기 촉각제시부는 힘과 운동감을 촉각을 통해 느낄 수 있게 하는 햅틱 장치로 구현될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 조종자가 손가락을 접촉하였을 때 차이감을 느낄 수 있는 진동 장치로도 구현이 가능하다. The tactile display unit may be implemented as a haptic device that allows the user to feel the force and the sense of movement through a tactile sense, but the present invention is not limited thereto. It is also possible to implement a vibration device that can sense the difference when the controller touches the finger.
조종자는 각각의 제어명령 입력 수단에서 느껴지는 촉각에 의해서 현재 기구부가 어느 방향으로 어느 정도의 부하를 받고 있는지를 대략적으로 추정할 수 있으며, 이를 추후 조종에 반영하여 기구부의 비행을 안정화시킬 수 있다. The operator can roughly estimate in what direction the current mechanism part receives the load in the current direction by the tactile sense felt by the respective control command input means, and can stabilize the flight of the mechanism part by reflecting it to the steering maneuver later.
도 3은 실시예에 따른 무인비행체용 원격 조종 시스템의 부하 추정부에서 수행되는 알고리즘의 예시를 나타낸 플로우차트이다. 3 is a flowchart illustrating an example of an algorithm performed by the load estimating unit of the remote control system for an unmanned aerial vehicle according to the embodiment.
도 3을 참조하면, 우선 무선조종기에 기구부의 항법 정보(기구부의 위치, 자세, 속도, 가속도, 각속도 등) 또는 제어 및 신호 정보(모터부에 인가되는 전류, 전력 등)가 전송되는 단계(S10)가 완료되면, 현재 기구부에 부하가 가해지고 있는지를 판단하는 단계(S20)가 수행된다. 부하가 없는 것으로 판단되는 경우에는 부하 추정 알고리즘이 종료되고, 조종자는 의도한대로의 무인비행체의 조종을 수행할 수 있다. Referring to FIG. 3, first, a step S10 of transmitting navigation information (position, attitude, velocity, acceleration, angular velocity, etc.) or control and signal information (current, Is completed, a step S20 is performed to determine whether a load is applied to the current mechanism section. If it is determined that there is no load, the load estimation algorithm is terminated, and the pilot can perform manipulation of the unmanned aerial vehicle as intended.
부하가 있는 것으로 판단된 경우에는 부하값을 추정하는 단계(S30)가 수행될 수 있으며, 부하 추정은 Model-based 기법 또는 Model-free 기법을 통해 추정될 수 있으며 이는 무선조종기에서 사용자의 선택에 따라 조절이 가능하다. If it is determined that there is a load, a step S30 of estimating a load value may be performed, and the load estimation may be estimated by a Model-based technique or a Model-free technique. Adjustable.
도 4는 실시예에 따른 무인비행체용 원격 조종 시스템의 부하 추정부에서 수행되는 Model-based 기법의 알고리즘을 나타낸 플로우 차트이다. FIG. 4 is a flowchart illustrating an algorithm of a model-based technique performed in a load estimating unit of a remote control system for an unmanned aerial vehicle according to an embodiment.
도 4를 참조하면, 우선 기구부에 기본적으로 장착되어 있는 GPS, IMU에서 기구부의 위치, 자세, 각속도 값 및 모터제어를 위한 전압, 전류 값을 무선조종기로 피드백 받는 단계(D10)가 수행된다. 이어서, 부하 상태 인식 알고리즘을 통해 기구부에 부하가 가해지고 있는지에 대한 여부를 판단하는 단계(D20)가 수행된다. 부하가 없는 것으로 판단되는 경우에는 부하 추정 알고리즘이 종료되고, 조종자는 의도한대로의 무인비행체의 조종을 수행할 수 있으며, 부하가 있는 것으로 판단된 경우에는 외란 관측기를 통해서 기구부에 작용하는 부하를 추정하는 단계(D30)가 수행될 수 있다. 실시예는 외란 관측기에 제한되지 않고, 모델기반으로 외란을 추정 할 수 있는 다양한 방법을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, a step (D10) of feeding back the position, attitude, angular velocity and voltage and current value of the mechanical part to the radio controller is performed in the GPS and IMU basically installed in the mechanical part. Next, a step (D20) is performed to determine whether or not a load is applied to the mechanical part through the load state recognition algorithm. If it is judged that there is no load, the load estimation algorithm is terminated and the pilot can perform manipulation of the unmanned aerial vehicle as intended. If it is judged that there is a load, the load acting on the mechanism portion is estimated through the disturbance observer Step D30 may be performed. The embodiment is not limited to the disturbance observer, and may include various methods for estimating the disturbance based on the model.
상술한 부하 추정 알고리즘의 예시를 들면 다음과 같다. 기구부의 상태(위치, 자세)를 다음의 수학식 1과 같이 정의한다.An example of the above-described load estimation algorithm is as follows. The state (position, posture) of the mechanism section is defined by the following equation (1).
상기 수학식 1을 기반으로 하여 기구부의 다이나믹을 수학식 2로 표현할 수 있다.Based on Equation (1), the dynamics of the mechanical unit can be expressed by Equation (2).
상기 수학식 2를 기초로, 외란이 포함된 전체 다이나믹을 수학식 3과 같이 유도할 수 있다.Based on Equation (2), the entire dynamics including the disturbance can be derived as Equation (3).
상기 수학식 3을 통해서, 비선형 외란 관측기를 수학식 4와 같이 설계할 수 있으며, 이를 통해 외란에 의한 부하를 추정할 수 있다.From Equation (3), the nonlinear disturbance observer can be designed as Equation (4), and the load due to the disturbance can be estimated through this.
상술한 바와 같이 Model-based(모델 기반) 기법의 알고리즘은 무인비행체의 구조가 수학적으로 모델링되어 있어 이를 통해 자세와 위치를 도출할 수 있는 경우에 적용되는 것이 바람직하다. 또한, 실시예는 부하 추정부에 대한 수학적인 모델을 이용할 경우, 모델 기반(Model-based)의 외란을 추정할 수 있는 방법들(Disturbance observer, Disturbance estimator, Kalman filter, H∞ filter 등)을 이용하여 기구부에 작용하는 외란을 추정하는 것이 가능하다.As described above, it is preferable that the algorithm of the Model-based (model-based) technique is applied to the case where the structure of the unmanned aerial vehicle is mathematically modeled and the attitude and position can be derived through the mathematical modeling. In addition, the embodiment uses a method of estimating a model-based disturbance (Disturbance observer, Disturbance estimator, Kalman filter, H ∞ filter, etc.) when a mathematical model for the load estimation unit is used It is possible to estimate the disturbance acting on the mechanical part.
도 5는 실시예에 따른 무인비행체용 원격 조종 시스템의 부하 추정부에서 수행되는 Model-free 기법의 알고리즘을 나타낸 플로우 차트이다. FIG. 5 is a flowchart showing an algorithm of a model-free technique performed in a load estimating unit of a remote control system for an unmanned aerial vehicle according to an embodiment.
도 5를 참조하면, 우선 기구부에 기본적으로 장착되어 있는 GPS, IMU에서 기구부의 위치, 자세, 각속도 및 모터제어를 위한 전압 전류 값을 무선조종기로 받는 단계(T10)가 수행될 수 있다. 이어서, 부하 상태 인식 알고리즘을 통해 기구부에 부하가 작용되고 있는지에 대한 여부를 판단하는 단계(T20)가 수행될 수 있다. Referring to FIG. 5, a step (T10) may be performed in which the position, attitude, angular velocity, and voltage current value for the motor control are received by the radio controller in GPS and IMU basically installed in the mechanical unit. Then, a step (T20) of judging whether or not a load is being applied to the mechanical part through the load state recognition algorithm can be performed.
부하가 발생되지 않는 것으로 판단되는 경우에는 부하 추정 알고리즘이 종료되고, 조종자는 의도한대로의 무인비행체의 조종을 수행할 수 있으며, 부하가 발생되고 있는 것으로 판단된 경우에는 발생된 부하를 추정하는 단계(T30)가 수행될 수 있다. 상기 T30 단계에서는 모터에 의해 기구부에 작용하는 힘과 현재 기구부의 움직임에 의한 힘을 통해 부하값을 추정할 수 있다. 실시예에서는 기구부의 모터 출력값에서 현재 기구부의 가속도 센서에서 측정되는 값을 빼주어 이 값을 현재 기구부에 걸리는 부하인 것으로 추정할 수 있다. If it is determined that the load is not generated, the load estimation algorithm is terminated, the pilot can perform manipulation of the unmanned aerial vehicle as intended, and if it is determined that the load is being generated, T30) may be performed. In the step T30, the load value can be estimated through the force acting on the mechanical part by the motor and the force due to the movement of the current mechanical part. In the embodiment, the value measured by the acceleration sensor of the current mechanical part is subtracted from the motor output value of the mechanical part, and this value can be assumed to be the load applied to the current mechanical part.
상술한 바와 같이 실시예의 Model-free 기법의 알고리즘은 무인비행체의 구조가 수학적으로 모델링되어 있지 않은 경우에도, 기구부에 내장되어 있는 모터 및 센서를 통해 현재 기구부에 발생되고 있는 부하를 추정할 수 있다. As described above, the algorithm of the model-free technique of the embodiment can estimate the load occurring in the current mechanism through the motor and the sensor built in the mechanism even if the structure of the unmanned aerial vehicle is not mathematically modeled.
도 6은 실시예에 따른 부하 추정 알고리즘에서 부하 상태 인식 알고리즘(기준 자세가 기울어짐이 없을 경우의 예제)의 예시를 나타낸 플로우 차트이다. 6 is a flowchart showing an example of a load state recognition algorithm (an example in the case where the reference posture is not skewed) in the load estimation algorithm according to the embodiment.
도 6을 참조하면, 부하 상태 인식 알고리즘은 우선 기구부의 자세 및 원격 제어(RC) 값을 무선조종기로 피드백 받는 단계(K10)를 수행한다. 이어서, 기구부의 자세가 기울었는지 판단하는 단계(K20)을 수행한다. 기구부의 자세가 기울어지지 않은 경우에는 RC 명령을 주었는지에 대한 여부를 판단하는 단계(K21)를 수행하여 RC 명령을 준 경우에는 현재 기구부에 부하가 발생되고 있는 것으로 판단하며 RC 명령을 주지 않은 경우에는 기구부에 부하가 발생되고 있지 않은 것으로 판단한다. Referring to FIG. 6, the load state recognition algorithm first performs a step (K10) of feeding back a posture and a remote control (RC) value of the mechanical unit to the radio controller. Next, a step (K20) for judging whether the posture of the mechanical part is inclined or not is performed. If the posture of the mechanical part is not tilted, it is determined whether or not the RC command is given (step K21). If the RC command is given, it is determined that the load is being generated in the current mechanical part. It is judged that no load is generated in the mechanical part.
그리고, 기구부의 자세가 기울었다고 판단되는 경우에는 RC 명령을 주었는지에 대한 여부를 판단하는 단계(K30)를 수행하고, RC 명령을 주지 않은 경우에는 부하가 가해지고 있는 것으로 판단하며, RC 명령을 주었다고 판단되는 경우에는 기구부의 자세와 명령이 일치하는지에 대한 여부를 판단하는 단계(K40)를 수행한다. When it is determined that the posture of the mechanical unit is inclined, it is determined whether or not the RC command is given (step K30). If the RC command is not given, it is determined that the load is applied. (K40) to determine whether or not the posture of the mechanical unit matches the command.
기구부의 자세와 명령이 일치하는 경우에는 부하가 발생하지 않는 것으로 추정하며, 일치하지 않는 것으로 판단되면 기구부에 부하가 발생되고 있는 것으로 추정할 수 있다. It is presumed that no load occurs when the position and command of the mechanical part coincide with each other. If it is determined that the load does not coincide with the command, it can be assumed that a load is being generated in the mechanical part.
도 7은 실시예에 따른 무인비행체용 원격 조종 시스템에서 무선조종기를 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 실시예의 무인비행체용 원격 조종 시스템에 구비되는 무선조종기(20)는 부하 추정 알고리즘을 통해 추정된 부하 정보를 조종자에게 시각적, 촉각적으로 구현해주는 구성을 구비한다. FIG. 7 is a view illustrating a remote controller in a remote control system for an unmanned aerial vehicle according to an embodiment. Referring to FIG. 7, the
무선조종기(20)의 상단부에는 조종자에게 부하 정보를 디스플레이 해주는 모니터링부(21)가 마련될 수 있다. 모니터링부(21)는 하나의 예시로서 도시된 바와 같이 창모양의 스크린과 같이 형성될 수 있으며, 스크린에는 기구부에 발생되는 부하 정보가 수치화되어 표시될 수 있다. 또한, 사용자의 설정에 따라서 부하의 방향과 세기를 화살표 방향으로 표시해 줄 수도 있다. At the upper end of the
상기 모니터링부(21)의 하부에는 조종자에게 촉각을 제시해주는 촉각제시부(24)가 마련될 수 있다. 상기 촉각제시부(24)는 도시된 바와 같이 소형 DC 모터를 이용한 2축의 부하 촉각 피드백 시스템으로 구현될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. Below the
상기 촉각제시부(24)는 모터로 형성될 수 있으며, 부하 구현 제어부로부터 제어 입력을 받아 기구부가 받고 있다고 추정되는 부하와 같은 방향으로 힘을 발생시킴으로써 조종자에게 촉각적으로 부하 정보를 제공할 수 있다. 상기 부하 구현 제어부는 부하 추정 알고리즘으로부터 추정된 부하를 사용하여 촉각제시부의 제어 입력을 결정할 수 있다. 이에 대해 예를 들어 설명하면 다음과 같다.The tactile suggesting
무선조종기의 부하를 rJ , 기구부의 부하를 rD, 추정된 각 부하들을 이라고 가정한다. 그리고, Nicosia observer 등 다양한 계측(observer) 기법을 이용하여 부하정보를 고려한 조종기 부하 구현부의 제어입력(uJ)와 기구부의 제어입력(uD)을 아래와 같은 수학식 5와 같이 임의의 함수인 f로 정의할 수 있다.The load of the radio control unit is r J , the load of the mechanism unit is r D , . The control input (u J ) and the control input (u D ) of the controller load implementation unit considering the load information are calculated by using various observer techniques such as Nicosia observer and the control input (u D ) .
수학식 5에서 는 이동제어부를 통해 기구부가 움직여야 하는 위치의 오차를 나타낸다. 즉, 실시예의 무선조종기에 구비되는 부하 구현 제어부는 촉각 제시부의 제어입력과 기구부의 제어입력을 동시에 결정할 수 있으며, 조종자에게 기구부의 힘 정보를 제공해줄 수 있다. 또한, 조종자는 임의적으로 자세 제어와 힘 제어를 수행할 수도 있고, 추정되는 부하를 촉각적으로 느끼면서 무선조종기를 통해 기구부의 동작을 직접 제어할 수 있다. In Equation (5) Represents an error of a position at which the mechanism section should move through the movement control section. That is, the load implementation controller included in the radio controller of the embodiment can simultaneously determine the control input of the tactile display unit and the control input of the mechanical unit, and can provide the controller with force information of the mechanical unit. Also, the operator can arbitrarily perform attitude control and force control, and can directly control the operation of the mechanism through the radio controller while feeling the estimated load tactile.
상술한 바와 같이 실시예에 따른 무인비행체용 원격 조종 시스템은 비행중인 무인비행체의 기구부의 항법정보 또는 제어입력 정보를 이용하여, 현재 기구부 주변의 외란에 의해 발생되는 부하 정보를 무선조종기에 반영해주는 점에 그 특징이 있다. 즉 실시예는 무인비행체에 별도의 센서 또는 장치를 추가하지 않고도 항법 정보 및 비행체 내부 신호 정보를 이용하여 무인비행체 기구부의 부하 상태를 추정할 수 있으므로 무인비행체의 설계변경 없이 원격 조종이 가능하다.As described above, the remote control system for the unmanned aerial vehicle according to the embodiment uses the navigation information or the control input information of the mechanism part of the unmanned aerial vehicle in flight to reflect the load information generated by the disturbance around the current mechanism part in the radio control device . That is, the embodiment can estimate the load state of the unmanned aerial vehicle using the navigation information and the internal signal information without adding additional sensors or devices to the unmanned aerial vehicle, so that the remote operation can be performed without changing the design of the unmanned aerial vehicle.
또한, 비행중인 무인비행체의 기구부에서 발생되는 부하를 추정하여 이를 무선 조종기에 시각적, 촉각적으로 피드백하여 줌으로써 사용자가 무인비행체 기구부의 비행 상태를 더욱 정확히 판단할 수 있다. 그리고, 조종자는 무인비행체의 시각적 또는 촉각적인 부하 정보를 통해 의도하고자 하는 방향 및 속도로 무인비행체의 이동을 제어할 수 있으며, 무인비행체가 더욱 안정적으로 비행할 수 있도록 조종이 가능하기 때문에 추락 또는 인명 피해와 같은 사고를 미연에 방지할 수 있다.In addition, the load of the unmanned aerial vehicle in flight can be estimated and the visual and tactile feedback of the load can be determined more accurately by the user. In addition, the operator can control the movement of the unmanned aerial vehicle in the intended direction and speed through the visual or tactile load information of the unmanned aerial vehicle, and it is possible to steer the unmanned aerial vehicle so as to fly more stably, It is possible to prevent accidents such as damage in advance.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and applications other than those described above are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments of the present invention can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.
20: 무선조종기
21: 모니터링부
22: 부하추정부
23: 이동제어부
24: 촉각제시부
30: 무인비행체 기구부
31: 정보수집부
32: 모터부20: Radio remote control
21: Monitoring section
22:
23:
24:
30: Unmanned Aerial Vehicle
31: Information collecting section
32:
Claims (15)
비행 중의 항법 정보 및 비행체 내부 신호 정보를 수집하는 정보수집부;
날개부의 회전속도 또는 방향을 제어하는 모터부를 포함하는 무인비행체의 기구부; 및
상기 무인비행체의 기구부와 원격에서 통신하며 조종자의 명령에 따른 입력 신호를 송신하는 무선조종기를 포함하고,
상기 무선조종기는,
조종자에 의해 이동명령을 입력받는 이동제어부;
상기 정보수집부로부터 항법 및 비행체 내부 제어 신호를 포함하는 정보를 수신 받아 상기 기구부에 걸린 부하 정보를 추정하는 부하 추정부;
상기 부하 추정부로부터 추정된 부하를 시각적으로 나타내는 모니터링부; 및
상기 부하 추정부로부터 추정된 부하를 촉각적으로 제시하는 촉각제시부를 포함하는 무인비행체용 원격 조종 시스템.A remote control system for controlling a flight of an unmanned aerial vehicle by an operator's input through a radio controller,
An information collecting unit for collecting navigation information and internal signal information in flight;
And a motor unit for controlling a rotating speed or direction of the wing portion; And
And a remote controller for remotely communicating with a mechanical unit of the unmanned aerial vehicle and transmitting an input signal according to a command of a driver,
The radio-
A movement controller for receiving a movement command by a controller;
A load estimator for receiving information including the navigation and internal control signals from the information collecting unit and estimating load information held by the mechanical unit;
A monitoring unit for visually indicating an estimated load from the load estimating unit; And
And a tactile suggesting unit for tactually presenting the estimated load from the load estimating unit.
상기 부하 추정부는 상기 기구부의 항법 및 비행체 내부 신호 정보로부터 수신된 기구부의 위치, 자세, 각속도값 및 제어 신호를 토대로 기구부에 가해지는 부하를 추정하는 무인비행체용 원격 조종 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the load estimating unit estimates a load applied to the mechanical unit based on the position, posture, angular velocity value and control signal of the mechanical unit received from the navigation unit and the internal signal information of the mechanical unit.
상기 촉각제시부는 상기 부하 추정부에서 추정된 부하에 따라 다른 세기의 촉각을 발생시키는 무인비행체용 원격 조종 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the tactile suggesting unit generates a tactile sense of a different intensity according to the load estimated by the load estimating unit.
상기 촉각제시부는 힘과 운동감을 촉각을 통해 느낄 수 있게 하는 햅틱 장치인 무인비행체용 원격 조종 시스템.The method of claim 3,
Wherein the tactile display unit is a haptic device for allowing the tactile sense of force and sense of movement to be felt through a tactile sense.
상기 부하 추정부는 부하 상태 인식 알고리즘을 사용하여 외란에 의해 상기 기구부에 부하가 발생되고 있는지에 대한 여부를 판단하는 무인비행체용 원격 조종 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the load estimator uses the load state recognition algorithm to determine whether a load is being generated in the mechanical unit due to disturbance.
상기 부하 추정부는 기구부에 대한 수학적인 모델을 사용하지 않는 경우(Model-free), 상기 정보수집부로부터 상기 기구부의 위치, 자세, 각속도값 및 제어명령 값, 전류, 전압 신호 등을 전송 받아 기구부에 작용하는 힘과 현재 기구부의 움직임에 의한 힘을 통해 부하 추정 알고리즘을 사용하여 부하값을 추정하는 무인비행체용 원격 조종 시스템.6. The method of claim 5,
The load estimator receives a position, an attitude, an angular velocity value, a control command value, a current, a voltage signal, and the like of the mechanical unit from the information collecting unit, A remote control system for a unmanned aerial vehicle that estimates a load value using a load estimation algorithm through an acting force and a force due to the motion of the current mechanism.
상기 부하값은 기구부의 모터 출력값에서 현재 기구부의 가속도 센서에서 측정되는 값을 빼줌으로써 도출되는 무인비행체용 원격 조종 시스템.The method according to claim 6,
Wherein the load value is derived by subtracting a value measured by an acceleration sensor of a current mechanical part from a motor output value of a mechanical part.
상기 부하 추정부에 대한 수학적인 모델을 이용할 경우, 모델 기반(Model-based) 외란을 추정할 수 있는 방법들(Disturbance observer, Disturbance estimator, Kalman filter, H∞ filter 등)을 이용하여 기구부에 작용하는 외란을 추정하는 무인비행체용 원격 조종 시스템.8. The method of claim 7,
When using the mathematical model for the load estimator, it is possible to use a method that can estimate the model-based disturbance (Disturbance observer, Disturbance estimator, Kalman filter, H ∞ filter, etc.) A remote control system for unmanned aerial vehicles that estimates disturbance.
상기 부하 상태 인식 알고리즘에 의해 상기 기구부에 부하가 발생되고 있는 것으로 추정되면 상기 부하 추정 알고리즘으로부터 추정된 부하를 사용하여 상기 촉각제시부의 제어 입력을 결정하는 부하 구현 제어부를 더 포함하는 무인비행체용 원격 조종 시스템.9. The method according to claim 6 or 8,
And a load implementation controller for determining the control input of the tactile suggesting unit using the load estimated from the load estimation algorithm if it is estimated that a load is being generated in the mechanism unit by the load state recognition algorithm, system.
상기 촉각 제시부는 상기 부하 구현 제어부로부터 제어 입력을 받아 상기 기구부가 받고 있다고 추정되는 부하와 같은 방향으로 힘을 발생시키는 무인비행체용 원격 조종 시스템.10. The method of claim 9,
Wherein the tactile suggesting unit receives a control input from the load implementation controller and generates force in the same direction as the load assumed to be received by the mechanism.
상기 모니터링부는 상기 부하 추정부에서 추정된 부하 정보에 따라 상기 기구부에 가해지는 부하의 방향과 세기를 디스플레이하는 무인비행체용 원격 조종 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the monitoring unit displays the direction and intensity of the load applied to the mechanical unit according to the load information estimated by the load estimating unit.
무인비행체의 기구부에 마련된 정보수집부로부터 항법 정보 및 내부 신호를 수신 받아 상기 기구부에 걸린 부하 정보를 추정하는 부하 추정부;
상기 부하 추정부로부터 추정된 부하를 시각적으로 나타내는 모니터링부; 및
상기 부하 추정부로부터 추정된 부하를 촉각적으로 제시하는 촉각제시부를 포함하는 무인비행체용 무선조종기.A movement control unit comprising a plurality of control command input means for the operator to input a movement command;
A load estimator for receiving navigation information and an internal signal from an information collecting unit provided in a mechanical unit of the unmanned aerial vehicle to estimate load information hung on the mechanical unit;
A monitoring unit for visually indicating an estimated load from the load estimating unit; And
And a tactile suggesting unit for presenting the estimated load from the load estimating unit in a tactile manner.
상기 부하 추정부는 상기 기구부의 항법 및 내부 신호 정보로부터 수신된 기구부의 위치, 자세, 각속도값, 제어 명령 값, 입력 전류, 전압 값을 토대로 부하 추정 알고리즘을 사용하여 기구부에 가해지는 부하를 추정하는 무인비행체용 무선조종기.13. The method of claim 12,
The load estimating unit estimates a load applied to the mechanical unit using the load estimation algorithm based on the position, posture, angular velocity, control command value, input current, and voltage value of the mechanical unit received from the navigation and internal signal information of the mechanical unit. Radio manipulator for aviation.
상기 모니터링부는 조종자에게 상기 부하 추정부에서 추정된 부하 정보에 따라 상기 기구부에 가해지는 부하의 방향과 세기를 디스플레이하는 스크린 형태의 패널로 형성되는 무인비행체용 무선조종기.13. The method of claim 12,
Wherein the monitoring unit comprises a screen-type panel for displaying a direction and an intensity of a load applied to the mechanical unit according to the load information estimated by the load estimation unit.
상기 촉각제시부는 부하 추정 알고리즘으로부터 추정된 부하를 사용하여 제어 입력이 결정되며, 상기 기구부가 받고 있다고 추정되는 부하와 같은 방향으로 힘을 발생시키는 무인비행체용 무선조종기.13. The method of claim 12,
Wherein the tactile suggesting unit determines a control input using a load estimated from a load estimation algorithm and generates a force in the same direction as a load assumed to be received by the mechanism.
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