KR101905052B1 - 군집비행의 포메이션을 유지하기 위한 드론 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 의한 포메이션을 유지하는 군집비행 제어방법은, 포메이션을 포함하는 군집비행일정을 저장하는 단계와, 포메이션을 구현하기 위해 설정된 각 단일드론 비행명령에 따라 비행하는 단계와, 탑재된 센서를 이용하여 타 드론과의 상대적 위치를 실시간 측정하는 단계와, 포메이션과 측정된 상대적 위치를 비교하여 비행오차를 검출하는 단계 및 실시간으로 상기 타 드론과의 상대적 위치에 대한 산출을 반복하며 비행을 제어함으로써, 비행오차를 보정하는 단계를 포함한다.

Description

군집비행의 포메이션을 유지하기 위한 드론 및 그 방법{DRONE FOR MAINTAINING FORMATION OF SWARM FLIGHT AND METHOD THEREOF}
본 발명은 군집비행의 포메이션을 유지하기 위한 드론 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각 드론마다 위치를 검출하고 이를 포메이션 정보와 비교하여 위치오차를 보정함으로써, 군집 비행의 포메이션을 유지하기 위한 드론 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 몇 년간 드론의 기술이 급속도로 발전함에 따라 보급형 드론, 초소형 미니 드론 등 다양한 형태의 드론에 대한 수요가 전 세계적으로 폭발적으로 증가하고 있다. 이러한 상황에서 무인 드론의 성능 향상을 위해 여러 대의 드론이 포메이션 그룹을 형성하여 비행하는 군집 비행 연구가 활발하게 진행되고 있다.
드론의 대중화에서 한 단계 더 나아가 사람이 직접 드론의 조종에 개입하지 않는 무인 드론에 대한 연구 역시 활발히 진행되고 있다. 무인 드론은 정찰, 감시 등의 본래의 군사적인 목적에서 일반인들의 레저 활동, 영화 촬영 등의 다양한 목적으로 광범위하게 활용되고 있다. 특히 아마존이나 알리바바와 같은 대형 온라인 쇼핑몰에서는 무인 드론을 통한 상품 배송을 위해 상당한 투자를 하고 있다. 최근에는 통신 및 컴퓨팅 기술의 급속한 발전으로 인해 단순히 싱글 드론의 무인 비행이 아닌 한대 이상의 드론이 포메이션을 형성해 재난구호, 정찰 등의 특수한 미션을 수행하는 군집 비행에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1627348호(2015년11월11일, “드론 비행운용 시스템 및 그 방법”)
본 발명의 첫 번째 과제는 이기종, 드론 노후화, 상이한 성능 및 부품 등에 의한 비행 격차를 보상하여 멀티드론을 동기화할 수 있는 드론 제어를 위한 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
두 번째 과제는 주변 환경에 의해 영향을 받는 드론 비행을 실시간으로 보상할 수 있는 드론 제어를 위한 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
세 번째 과제는 드론 조종자가 주변 환경을 인지 못하는 상황이나 비상상황에도 자동적으로 드론이 주변 환경의 변화에 적응하도록 하는 드론 제어를 위한 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 포메이션을 유지하는 군집비행 제어방법은, 포메이션을 포함하는 군집비행일정을 저장하는 단계와, 상기 포메이션을 구현하기 위해 설정된 각 단일드론 비행명령에 따라 비행하는 단계와, 탑재된 센서를 이용하여 타 드론과의 상대적 위치를 실시간 측정하는 단계와, 상기 포메이션과 상기 측정된 상대적 위치를 비교하여 비행오차를 검출하는 단계 및 실시간으로 상기 타 드론과의 상대적 위치에 대한 산출을 반복하며 비행을 제어함으로써, 상기 비행오차를 보정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 상기 타 드론과의 상대적 위치를 실시간 측정하는 단계는, 수평 평면상 상기 타 드론과의 실제거리를 측정하는 단계 및 수직 평면상 비행 고도를 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 상기 포메이션을 포함하는 군집비행일정은, 상기 포메이션을 형성하는 멀티드론 간 위치상의 기하학적 관계가 미리 설정된 특정 기하학적 관계가 되도록 설정되고, 상기 특정 기하학적 관계를 성립하게 할 각 단일드론의 비행명령신호를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 상기 비행오차를 검출하는 단계는, 상기 드론 간의 상대적 위치에 기반하여 위치상 기하학적 관계를 산출하는 단계와, 상기 산출된 기하학적 관계가 상기 미리 설정된 특정 기하학적 관계와 일치하는지 여부를 판단하는 단계 및 상기 판단 결과가 불일치하는 경우, 상기 포메이션이 변경된 것으로 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 상기 특정 기하학적 관계는 타 드론들과 각각 연결한 직선거리의 길이, 상기 타 드론들과 각각 연결한 직선거리들 간의 비율 및 상기 타 드론들과 각각 연결한 직선거리들이 이루는 각도 중 적어도 하나가 특정 값으로 미리 설정된다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 상기 비행오차를 보정하는 단계는 드론 간의 실제거리가 상기 포메이션에서 설정된 일정거리와 동일하지 않은 경우, 수평 평면상에서의 위치 오차와 수직 평면상에서 고도 오차를 보정한다.
본 발명의 다른 실시 예는, 드론들의 연결이 꼭지점이 4개 이상인 n각형 구조인 경우, 상기 n각형 내에서 소정의 꼭지점으로 형성되는 제1 삼각형과 상기 제1 삼각형에 특정 수학적 관계식이 성립하는 제2 삼각형을 설정하는 단계와, 상기 비행오차가 검출된 드론의 미리 설정된 시간 내의 자이로 센서값의 변화량, 가속센서 값의 변화량 및 카메라 영상 중 적어도 하나를 분석하는 단계와, 상기 분석에 따라 상기 드론이 상위방향으로 고도가 변경되었는지, 하위 방향으로 고도가 변경되었는지 판단하는 단계 및 상기 제1 삼각형과 상기 제2 삼각형의 상기 특정 수학적 관계식이 성립할 때까지 상기 고도가 변경된 방향에 따라 수직방향의 비행을 제어한다.
본 발명의 다른 실시 예는, 상기 포메이션이 정오각형 구조로 정해져 있는 경우, 상기 정오각형 포메이션을 구현하는 5대의 드론은 서로 간에 무선통신을 통해 자신의 위치 정보와 타 드론의 위치 정보를 주고받으며, 상기 정오각형을 이루는 변들의 길이가 동일하고, 내각의 크기가 108도라는 기하학적 관계를 이용하여, 각 5대의 드론들은 위치를 유지하거나 보정한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 포메이션을 유지하기 위한 드론은 포메이션을 포함하는 군집비행일정을 저장하는 데이터베이스와, 상기 포메이션을 구현하기 위해 설정된 각 단일드론 비행명령에 따라 비행하는 구동부와, 비행위치를 검출하여 타 드론과의 상대적 위치를 측정하기 위한 적어도 하나의 센서로 구성된 센서부 및 상기 포메이션과 상기 타 드론과의 상대적 위치를 비교하여 비행오차를 검출하고, 실시간으로 상기 타 드론과의 상대적 위치에 대한 산출을 반복하며 비행을 제어함으로써, 상기 비행오차를 보정하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 상기 포메이션을 포함하는 군집비행일정은 상기 포메이션을 형성하는 멀티드론 간 위치상의 기하학적 관계가 미리 설정된 특정 기하학적 관계가 되도록 설정되고, 상기 특정 기하학적 관계를 성립하게 할 각 단일드론의 비행명령신호를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 상기 제어부는 상기 비행오차를 검출하기 위해서, 상기 드론 간의 상대적 위치에 기반하여 위치상 기하학적 관계를 산출하고, 상기 산출된 기하학적 관계가 상기 미리 설정된 특정 기하학적 관계와 일치하는지 여부를 판단하며, 상기 판단 결과가 불일치하는 경우, 상기 포메이션이 변경된 것으로 판단한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 상기 특정 기하학적 관계는 타 드론들과 각각 연결한 직선거리의 길이, 상기 타 드론들과 각각 연결한 직선거리들 간의 비율 및 상기 타 드론들과 각각 연결한 직선거리들이 이루는 각도 중 적어도 하나가 특정 값으로 미리 설정된다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 상기 제어부는 상기 비행오차를 보정하기 위해, 상기 드론 간의 실제거리가 상기 포메이션에서 설정된 일정거리와 동일하지 않은 경우, 수평 평면상에서의 위치 오차와 수직 평면상에서 고도 오차를 보정한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 상기 제어부는 자이로 센서 및 가속도 센서의 측정값 및 변경값을 통해 상기 드론의 고도 및 고도 변화를 추론한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 상기 제어부는 상기 드론들의 연결이 꼭지점이 4개 이상인 n각형 구조인 경우, 상기 n각형 내에서 소정의 꼭지점으로 형성되는 제1 삼각형과 상기 제1 삼각형에 특정 수학적 관계식이 성립하는 제2 삼각형을 설정하고, 상기 비행오차가 검출된 드론의 미리 설정된 시간 내의 자이로 센서값의 변화량, 가속센서 값의 변화량 및 카메라 영상 중 적어도 하나를 분석하며, 상기 분석에 따라 상기 드론이 상위방향으로 고도가 변경되었는지, 하위 방향으로 고도가 변경되었는지 판단하고, 상기 제1 삼각형과 상기 제2 삼각형의 상기 특정 수학적 관계식이 성립할 때까지 상기 고도가 변경된 방향에 따라 수직방향의 비행을 제어한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의한 상기 제어부는 상기 포메이션이 정오각형 구조로 정해져 있는 경우, 상기 정오각형 포메이션을 구현하는 5대의 드론은 서로 간에 무선통신을 통해 자신의 위치 정보와 타 드론의 위치 정보를 주고받으며, 상기 정오각형을 이루는 변들의 길이가 동일하고, 내각의 크기가 108도라는 기하학적 관계를 이용하여, 각 5대의 드론들은 위치를 유지하거나 보정한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 포메이션을 유지하기 위해 여러 대의 드론을 동시에 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한, 각 드론의 최초 목표였던 포메이션을 구성하고 이를 유지할 수 있으며, 이동할 때에도 실시간으로 포메이션을 유지할 수 있다. 아울러, 어느 한 대의 드론이 고장이 나도 다른 드론들의 위치 정보를 기반으로 고장난 드론의 위치를 찾을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 군집비행의 포메이션을 유지하기 위한 단일 드론의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 군집비행의 포메이션 구성의 일 예를 도시하는 평면도이다.
도 3은 군집비행의 일 예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 포메이션을 유지하는 군집비행 제어방법의 일예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 외부 영향으로 인해 다수의 드론의 위치가 변경되는 일 예를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 드론 간 상대적 위치를 기반으로 포메이션을 유지하는 군집비행 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 드론의 절대 위치를 기반으로 포메이션을 유지하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 실시 예들을 설명하기에 앞서, 기존의 드론 운용 실태의 문제점들을 검토한 후, 이들 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 실시 예들이 채택하고 있는 기술적 수단을 개괄적으로 소개하도록 한다.
군집 비행에 대한 대표적인 기술인 리더-팔로워 포메이션 제어(Leader-Follower formation control)는 리더 드론의 결정을 통한 군집 비행 방식이다. 하지만 기존 기술에서는 군집 비행에 있어 고정된 리더-팔로워 구조로 인해 리더에 심각한 장애가 발생하여 비행이 불가능하게 되었을 때, 리더를 대체 할 방안이 없다. 결과적으로 불확실한 비행 환경에 능동적으로 대처하는 것이 불가능하여 목적지까지의 비행 성공률이 떨어지고, 임무 수행이 불가능한 상황에 처할 가능성이 높다.
따라서, 본 발명의 실시 예들은 이러한 상황을 해결하기 위해 포메이션 그룹을 구성하는 각 드론들이 군집비행일정을 공유하고, 드론마다 타 드론과의 상대적 위치를 측정하여 포메이션과 비교를 통해 비행오차를 검출하며, 스스로 비행을 제어함으로써, 비행오차에 따른 포메이션의 변경을 보정할 수 있는 드론을 제안한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 군집비행의 포메이션을 유지하기 위한 단일 드론의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
설명에 앞서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론은 드론 간의 상대적 위치 또는 절대 위치를 기반으로 포메이션을 유지할 수 있다.
이하에서는 먼저, 드론 간의 상대적 위치를 기반으로 포메이션을 유지하는 드론에 대해서 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 군집비행의 포메이션을 유지하기 위한 단일 드론(100)은 데이터베이스(110), 구동부(130), 센서부(150), 제어부(170) 및 통신부(190)를 포함하여 구성된다.
드론(100)은 최초에 군사용으로 개발되었으나, 점차 무선기술의 발달과 함께 촬영, 정찰, 감시, 감지 및 물건의 이송 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 사람이 타지 않고 전파의 유도에 의해서 비행하는 무인 비행체를 의미한다.
드론(100)은 기본적으로 무선 통신 기능이 구비되어 무선전파의 유도에 의해서도 운용될 수 있지만, 특히 본 발명의 드론(100)은 포메이션을 형성하는 군집비행을 실행하기에 앞서, 먼저 포메이션을 포함하는 군집비행일정을 저장하고, 저장된 군집비행일정에 따라 운용된다. 이를 위해 군집비행일정은 외부 서버에 의해 생성된 것일 수 있고, 외부 서버로부터 통신부(190)를 통해 수신되어 데이터베이스(110)에 저장된다. 제어부(170)는 데이터베이스(110)로부터 군집비행일정을 추출하여, 군집비행일정에 구동부(130)를 제어하여 비행한다.
센서부(150)는 GPS, RTLS(위치추적시스템), 자이로 센서, 가속도 센서, 카메라 센서 및 자력계 센서 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 센서부(150)는 군집비행일정에 따라 비행하는 드론의 위치정보를 획득하기 위한 구성이며, 특히 타 드론과의 상대적 위치를 측정하기 위한 센서값들을 획득한다. 이를 위해, 센서부(150)는 수평 평면상 타 드론과 자신의 드론 간의 실제 직선거리를 측정하고, 수직 평면상 비행 고도를 측정한다.
제어부(170)는 포메이션과 상기 타 드론과의 상대적 위치를 비교하여 비행오차를 검출한다.
여기서, 포메이션은 멀티드론 간 위치상의 기하학적 관계가 미리 설정된 특정 기하학적 관계가 되도록 설정된다. 이를 위해 특정 기하학적 관계를 성립할 각 단일드론의 비행명령신호를 군집비행일정에 더 포함한다.
제어부(170)는 드론의 비행오차를 검출하기 위해서, 타 드론과의 상대적 위치들을 측정하여 드론 간 위치상 기하학적 관계를 산출하고, 상기 산출된 기하학적 관계가 상기 미리 설정된 특정 기하학적 관계와 일치하는지 여부를 판단한다. 상기 판단 결과가 불일치하는 경우, 상기 포메이션이 변경된 것으로 판단한다. 즉, 드론의 비행오차가 발생한 것으로 판단한다.
여기서, 특정 기하학적 관계는 타 드론들과 각각 연결한 직선거리의 길이, 상기 타 드론들과 각각 연결한 직선거리들 간의 비율 및 상기 타 드론들과 각각 연결한 직선거리들이 이루는 각도 중 적어도 하나가 특정 값으로 미리 설정된 것일 수 있다.
또한, 본 발명에서 이용되는 특정 기하학적 관계에 대한 정보는 포메이션을 이루는 특정 도형에 적용되는 수학식 정보를 포함할 수 있다. 여기서 특정 도형은, 2차원의 삼각형, 사각형, 원형 등과, 3차원의 원뿔, 사각뿔, 사각기둥, 정육각형 기둥 및 구(sphere)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 5대의 멀티드론에 대해 포메이션이 정오각형 구조로 정해져 있는 경우를 가정하자.
정오각형 포메이션을 구현하는 멀티드론들은 서로 간에 무선통신을 통해 자신의 위치 정보와 타 드론의 위치 정보를 주고받을 수 있다.
이를 통해 정오각형을 이루는 변들의 길이가 동일하고, 이웃하는 변들 간의 각도 즉, 내각의 크기가 108도라는 기하학적 관계를 이용하여, 5대의 드론들은 자신의 위치를 유지하거나 보정할 수 있다.
제어부(170)는 검출된 비행오차를 보정하기 위해, 타 드론들과의 실제직선거리가 상기 포메이션에서 설정된 일정거리와 동일하지 않은 경우, 수평 평면상에서의 위치 오차를 보정함과 동시에 수직 평면상에서 고도 오차를 보정할 수 있다.
이를 위해 제어부(170)는 포메이션에 설정된 타 드론들과 설정된 일정거리와 실제 측정된 직선거리를 비교하면서, 비행을 제어하여 수평 평면상에서의 위치 오차를 보정할 수 있다. 타 드론들과의 직선거리를 측정하기 위해 위치센서, 실시간 위치추적 시스템(RTLS: Real time locating service), UWB(Ultra Wideband communication)와 같은 장치를 이용할 수 있다.
동시에, 자이로 센서 및 가속도 센서의 측정값 및 기설정된 시간 내의 상기 센서들의 측정 변경값을 분석한다. 이 분석을 통해, 드론의 고도 및 고도 변화를 추론하며, 이를 통해 고도 오차를 검출할 수 있다.
그리고 제어부(170)는 실시간으로 자이로 센서 및 가속도 센서의 측정값 및 기설정된 시간 내의 측정 변경값을 분석하면서 비행을 제어하여 고도 오차를 보정할 수 있다.
예를 들면, 드론들의 연결이 꼭지점이 4개 이상인 n각형 구조인 경우, 제어부(170)는 n각형 내에서 소정의 꼭지점으로 형성되는 제1 삼각형과 상기 제1 삼각형에 특정 수학적 관계식이 성립하는 제2 삼각형을 설정한다. 제1 삼각형과 제2 삼각형은 초기 포메이션을 구현하는 드론들의 위치에 의해 결정된다. n각형을 구성하는 드론들 중 적어도 한 대의 드론에 비행오차가 발생하면, 비행오차가 검출된 드론은 미리 설정된 시간 내의 자이로 센서값의 변화량, 가속센서 값의 변화량 및 카메라 영상 중 적어도 하나를 분석한다. 이를 위해 드론은 탑재된 자이로 센서, 가속센서 및 카메라로부터 정보를 획득한다. 상기 분석에 따라 드론이 상위방향으로 고도가 변경되었는지, 하위 방향으로 고도가 변경되었는지 판단한다. 예컨대, 카메라 영상에서 타 드론이 촬영된 위치에 따라 드론 자신의 고도가 어느 방향으로 변경되었는지 추측할 수 있다. 그리고, 상기 제1 삼각형과 상기 제2 삼각형의 상기 특정 수학적 관계식이 성립할 때까지 상기 고도가 변경된 방향에 따라 수직방향의 비행을 제어한다. 이는 수평 평면상의 위치와 수직상의 고도를 함께 제어함을 말한다.
통신부(190)는 드론 간의 메시지 및 비행 정보를 소켓 통신을 통해 송수신할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 군집비행의 포메이션 구성의 일 예를 도시하는 평면도이다.
도 2에서 드론(1, 2, 3, 4)은 군집비행일정에 설정된 각 단일드론 비행명령에 따라 비행한다. 군집비행일정에 따라 비행하는 멀티드론(1, 2, 3, 4)은 직사각형 평면으로 설정된 포메이션을 형성한다.
각 드론(1, 2, 3, 4)은 포메이션을 형성하면서, 실시간으로 타 드론들에 대한 자신의 상대적 위치를 검출한다. 그리고, 각 드론(1, 2, 3, 4)은 포메이션과 자신의 타 드론들과의 상대적 위치 정보를 비교하여 자신의 비행오차를 검출한다.
예를 들면, 제1 드론(1)은 나머지 3대의 드론(2, 3, 4)이 이루는 평면상의 삼각형 구조를 기반으로 자신의 상대적 위치를 검출할 수 있다. 제2 드론(2), 제3 드론(3) 및 제4 드론(4) 비행하여 먼저, 평면상의 제1 직각 삼각형 형태를 구현한다. 그리고, 제1 드론(1), 제2 드론(2) 및 제3 드론(3)이 이루는 제2 직각 삼각형 형태를 구현한다. 그리고, 제1 직각 삼각형에 대응하는 제2 직각 삼각형들의 각 변의 길이를 비교한다. 이를 위해, 제1 드론 내지 제4 드론은 무선 통신을 통하여 자신의 드론과 타 드론간의 직선거리, 각도 및 직선거리비율 등에 대한 정보를 서로 송수신할 수 있다. 상기 제1 직각 삼각형 및 제2 직각 삼각형의 대응하는 각 변들의 길이를 비교했을 때, 변들의 길이가 상이한 것으로 판단되면, 제1 드론(1)의 비행에 오차가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 그러면 제1 드론(1)은 제1 직각 삼각형과 제2 직각 삼각형의 대응하는 각 변들의 길이가 동일한 것으로 산출될 때까지 비행을 제어함으로써, 비행오차를 보정할 수 있다.
나머지 제2 드론(2), 제3 드론(3), 제4 드론(4)에 대해서도 마찬가지 방법을 적용할 수 있다.
4대의 드론은 4개의 삼각형 포메이션을 구성할 수 있다. 각각 2개의 포인트를 공유하는 4개의 평면을 구축하게 되는 것이다. 이처럼 평면상에서 설정된 특정 도형의 포메이션을 기반으로 드론의 상대적 위치를 산출할 수 있을 뿐만 아니라, 비행 오차를 검출할 수 있으며, 오차가 보정될 때까지 비행을 모니터링 할 수 있다.
다른 예를 들면, 제1 드론(1)은 제1 드론(1)과 제2 드론(2) 간의 제1 직선거리(l), 제1 드론(1’)과 제3 드론(3) 간의 제2 직선거리(m’), 제1 드론(1)과 제4 드론 간의 제3 직선거리(n’)가 상기 포메이션에 미리 설정된 일정거리들(l. m, n)과 동일한지 여부를 판단함으로써, 자신의 비행오차를 검출할 수 있다.
또는, 제1 드론(1)은 제1 직선거리(l’), 제2 직선거리(m’) 및 제3 직선거리(n’) 간의 비율(l’:m’:n’)이 포메이션에 미리 설정된 직선거리들(l :m :n) 간의 비율과 동일한지 여부를 판단함으로써, 자신의 비행오차를 검출할 수 있다.
또는, 제1 드론(1)과 타 드론들 각각을 연결한 직선거리들(l’, m’, n’)이 서로 이루는 각도(‘1. ’2)가 포메이션에 미리 설정된 각도(1. 2)와 동일한지 여부를 판단함으로써, 자신의 비행오차를 검출할 수 있다.
제2 드론(2), 제3 드론(3) 및 제4 드론(4)도 이와 같은 동일한 방식으로 자신의 비행오차를 검출할 수 있다.
도 3은 군집비행의 일 예를 설명하기 위한 예시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 포메이션을 유지하는 군집비행 제어방법의 일예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3을 참조하면, 제1 드론(1)의 고도가 (a-2)로 내려갔을 때, 도 2에서 설명한 수평 평면상에서 비행오차를 보정하는 방법을 적용하게 되면, 과보정을 하게 되며 이는 전체 포메이션을 흐트러뜨리는 영향을 주게 된다. 즉, 수치적으로는 포메이션이 유지된 것으로 보이지만, 실제로 보정단계에서 드론들 간의 거리 및 고도가 초기 포메이션을 유지하지 못하는 문제가 발생한다.
따라서, 각 드론은 위치센서를 기반으로 드론들의 수평 평면상의 상대적 위치와, 자이로 센서 및 가속도 센서의 측정값 및 미리 설정된 시간 내의 자이로 센서 및 가속도 센서의 측정 변경값을 분석하여 드론 스스로 고도 오차를 보정한다.
도 4는 횡풍으로 인해 제6 드론(6)의 고도가 변경된 상황을 도시한다. 도 4를 참조하여, 제6 드론의 고도 오류를 보정하는 방법을 설명한다.
(1) 먼저, 각 드론은 탑재된 센서를 이용하여 타 드론과의 상대적 위치를 실시간 측정하고, 포메이션과 상기 측정된 상대적 위치를 비교하여 비행오차 발생 여부를 검출한다. 상기 비행오차 발생 여부 검출방법에 대해서는 앞서 도 3에서 상세히 설명하였으므로 이를 참고하기로 한다.
이에 의해 횡풍으로 인해 고도가 변경된 제6 드론(6)에 비행오차가 발생한 것을 검출한다.
(2) 횡풍으로 인해 고도가 변경된 제6 드론은 고도가 다른 드론들에 비해 상승된 경우(a-1), 또는 하강한 경우(a-2)로 예상한다.
(3) 제6 드론(6)에 탑재된 자이로 센서와 가속도 센서로부터 측정값 및 미리 설정된 시간 내의 측정 변경값에 대한 분석을 통해 제6 드론의 고도가 상승(a-1)된 것을 추론할 수 있다.
(4) ‘가’의 삼각형 형태를 기준으로 이에 대응하는‘나’의 삼각형의 변의 길이가 동일한 것으로 측정될 때까지 제6 드론의 고도를 제어한다.
(5) 이때, 횡풍으로 인해 제6 드론의 수평 평면상의 위치가 변화된 것으로 검출된 경우, 도 2에서 설명한 수평 평면상에서 비행오차를 보정하는 방법을 병행하여 수직 평면상의 고도와 수평 평면상의 위치를 보정한다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 드론 간 상대적 위치를 기반으로 포메이션을 유지하는 군집비행 제어방법에 대해 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면 먼저, 각 드론은 포메이션을 포함하는 군집비행일정을 저장한다(S610). 여기서, 포메이션을 포함하는 군집비행일정은 포메이션을 형성하는 멀티드론 간 위치상의 기하학적 관계가 미리 설정된 특정 기하학적 관계가 되도록 설정되고, 특정 기하학적 관계를 성립하게 할 각 단일드론의 비행명령신호를 포함할 수 있다.
다음으로, 포메이션에 매핑된 각 단일드론 비행명령에 따라 비행한다(S620). 그리고, 각 드론은 탑재된 센서를 이용하여 타 드론과의 상대적 위치를 실시간 측정한다(S630) 여기서, 타 드론과의 상대적 위치를 실시간 측정하는 단계는 수평 평면상 타 드론과의 실제거리를 측정하는 단계 및 수직 평면상 비행 고도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 포메이션과 상기 측정된 상대적 위치를 비교하여 비행오차를 검출한다(S640). 이를 위해, 드론 간의 상대적 위치에 기반하여 위치상 기하학적 관계를 산출하는 단계와, 산출된 기하학적 관계가 미리 설정된 특정 기하학적 관계와 일치하는지 여부를 판단하는 단계 및 판단 결과가 불일치하는 경우, 포메이션이 변경된 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 특정 기하학적 관계는 타 드론들과 각각 연결한 직선거리의 길이, 타 드론들과 각각 연결한 직선거리들의 비율 및 타 드론들과 각각 연결한 직선거리들이 이루는 각도 중 적어도 하나가 특정 값으로 미리 설정될 수 있다.
다음으로, 실시간으로 타 드론과의 상대적 위치를 산출하며 비행을 제어함으로써, 비행오차를 보정한다(S650). 이를 위해, 드론 간의 실제거리가 포메이션에서 설정된 일정거리와 동일하지 않은 경우, 수평 평면상에서의 위치 오차와 수직 평면상에서 고도 오차를 보정할 수 있다.
한편, 앞서 도 1을 설명하기 전에 소개한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 드론은 절대 위치를 기반으로 포메이션을 유지할 수 있다.
절대위치를 기반으로 포메이션을 유지하기 위한 드론(100)은 데이터베이스(110), 구동부(130), 센서부(150), 제어부(170) 및 통신부(190)를 포함하여 구성된다.
드론(100)은 포메이션을 형성하는 군집비행을 실행하기에 앞서, 먼저 포메이션을 포함하는 군집비행일정과 가상비행공간 정보를 데이터베이스(110)에 저장하고, 저장된 군집비행일정에 따라 운용된다. 여기서 군집비행일정은 외부 서버에 의해 생성된 것일 수 있고, 외부 서버로부터 통신부(190)를 통해 수신되어 데이터베이스(110)에 저장될 수 있다.
여기서, 군집비행일정은 가상비행공간 내에서 포메이션을 형성하기 위한 각 단일드론의 평면위치좌표 및 고도좌표에 대한 비행을 명령하는 신호를 포함한다.
여기서, 가상비행공간은 실제비행공간에 대해 정의한 것이다. 가상비행공간은 포메이션을 형성하기 위한 각 단일드론의 평면위치좌표 및 고도좌표를 나타내는 비행명령신호를 생성하기 위해 3D 좌표기반으로 설정될 수 있다.
제어부(170)는 데이터베이스(110)로부터 군집비행일정을 추출하여, 군집비행일정에 구동부(130)를 제어하여 드론을 비행시킨다.
데이터베이스(110)는 실제비행공간에 대해 정의된 가상비행공간 및 포메이션을 포함하는 군집비행일정을 저장한다.
센서부(150)는 실시간 비행위치를 검출하기 위해 적어도 하나 이상의 센서들로 구성되고, 드론의 비행위치를 상기 가상비행공간 내의 실제비행좌표로 획득한다. 여기서 센서부(150)는 드론(100)의 상대적 위치가 아니라 가상비행공간 내의 절대위치를 검출하는데 이용된다.
이때, 제어부(170)는 드론의 절대위치에 대한 오차를 검출하기 위해, 상기 가상비행공간 내의 상기 실제 비행좌표가 상기 포메이션에 설정된 평면위치좌표 및 고도좌표에 대한 한계범위를 벗어나는지 여부를 검출할 수도 있다.
제어부(170)는 단일드론 위치좌표와 실제비행좌표를 비교하며, 실제비행좌표가 단일드론 위치좌표와 동일해질 때까지 비행을 제어함으로써, 비행오차를 보정한다.
이하에서는 도 7을 참조하여 본 발명의 실시 에에 따른 드론의 절대 위치를 기반으로 포메이션을 유지하는 방법에 대해서 설명하기로 한다.
도 7을 참조하면, 먼저 실제비행공간에 대해 정의된 가상비행공간 및 포메이션을 포함하는 군집비행일정을 저장하고(S710), 포메이션에 설정된 각 단일드론 위치좌표에 따라 비행한다(S720).
그리고 가상비행공간 내의 실제 비행좌표와 상기 단일드론 위치좌표를 비교하여 비행오차를 검출하고(S730), 단일드론 위치좌표와 실제비행좌표를 비교하며 비행을 제어함으로써, 비행오차를 보정한다(S740).
한편, 도 5는 외부 영향으로 인해 다수의 드론의 위치가 변경되는 일 예를 도시하는 도면이다. 도 5를 참조하여, 다수 드론의 위치를 보정하는 방법을 설명한다.
도 5는 군집비행 시 횡풍에 의해 4대의 드론의 위치가 변경된 상황을 도시한다. 드론에 설정된 비행 제어 기반이 절대 위치인 경우, 상기 4대의 드론은 탑재된 센서들의 값과 비행일정을 비교하며, 위치를 보정하게 된다.
이와 달리, 드론에 설정된 비행 제어 기반이 상대적 위치인 경우, 횡풍으로 밀린 4대의 드론의 위치를 기준으로 나머지 2대의 위치를 보정할 수 있다.
본 발명에 의하면 포메이션을 유지하기 위해 여러 대의 드론을 동시에 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한, 각 드론의 최초 목표였던 포메이션을 구성하고 이를 유지할 수 있으며, 이동할 때에도 실시간으로 포메이션을 유지할 수 있다. 아울러, 어느 한 대의 드론이 고장이 나도 다른 드론들의 위치 정보를 기반으로 고장난 드론의 위치를 찾을 수 있다.
본 발명에 의하면 포메이션 그룹의 비행 목적에 따라 비행 제어 방법을 선택할 수 있다. 예를 들어, 드론에 탑재된 카메라 촬영 기능을 이용하여 넓은 공간에 대한 다양한 컨텐츠를 제작하고자 할 경우, 멀티 드론들을 상대적 위치 기반으로 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 드론에 탑재된 카메라 촬영 기능을 이용하여 특정 대상을 파노라마식으로 제작하고자 할 경우, 멀티 드론들을 절대 위치 기반으로 제어하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 실시 예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 드론 110: 데이터베이스
130: 구동부 150: 센서부
170: 제어부 190: 통신부

Claims (17)

  1. 포메이션을 형성하는 멀티드론 간 위치상의 기하학적 관계가 미리 설정된 특정 기하학적 관계가 되도록 설정되고, 상기 특정 기하학적 관계를 성립하게 할 각 단일드론의 비행명령신호를 포함하는 군집비행일정을 저장하는 단계;
    상기 포메이션을 구현하기 위해 설정된 각 단일드론 비행명령에 따라 비행하는 단계;
    탑재된 센서를 이용하여 타 드론과의 상대적 위치를 실시간 측정하는 단계;
    상기 포메이션과 상기 측정된 상대적 위치를 비교하여 비행오차를 검출하는 단계; 및
    실시간으로 상기 타 드론과의 상대적 위치에 대한 산출을 반복하며 비행을 제어함으로써, 상기 비행오차를 보정하는 단계;를 포함하는, 포메이션을 유지하는 군집비행 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 타 드론과의 상대적 위치를 실시간 측정하는 단계는,
    수평 평면상 상기 타 드론과의 실제거리를 측정하는 단계; 및
    수직 평면상 비행 고도를 측정하는 단계를 포함하는, 포메이션을 유지하는 군집비행 제어방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비행오차를 검출하는 단계는,
    상기 드론 간의 상대적 위치에 기반하여 위치상 기하학적 관계를 산출하는 단계;
    상기 산출된 기하학적 관계가 상기 미리 설정된 특정 기하학적 관계와 일치하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과가 불일치하는 경우, 상기 포메이션이 변경된 것으로 판단하는 단계;를 포함하는, 포메이션을 유지하는 군집비행 제어방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 특정 기하학적 관계는,
    타 드론들과 각각 연결한 직선거리의 길이, 상기 타 드론들과 각각 연결한 직선거리들 간의 비율 및 상기 타 드론들과 각각 연결한 직선거리들이 이루는 각도 중 적어도 하나가 특정 값으로 미리 설정되는, 포메이션을 유지하는 군집비행 제어방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 특정 기하학적 관계는,
    상기 드론들을 연결한 형태가 꼭지점이 4개 이상인 n각형 구조인 경우, 상기 n각형 내에 형성될 수 있는 적어도 2개의 삼각형 간에 수학적으로 적용되는 각 변들의 비율 관계 및 각도 관계로 설정되는, 포메이션을 유지하는 군집비행 제어방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 비행오차를 보정하는 단계는,
    드론 간의 실제거리가 상기 포메이션에서 설정된 일정거리와 동일하지 않은 경우, 수평 평면상에서의 위치 오차와 수직 평면상에서 고도 오차를 보정하는, 포메이션을 유지하는 군집비행 제어방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 드론들의 연결이 꼭지점이 4개 이상인 n각형 구조인 경우,
    상기 n각형 내에서 소정의 꼭지점으로 형성되는 제1 삼각형과 상기 제1 삼각형에 특정 수학적 관계식이 성립하는 제2 삼각형을 설정하는 단계;
    상기 비행오차가 검출된 드론의 미리 설정된 시간 내의 자이로 센서값의 변화량, 가속센서 값의 변화량 및 카메라 영상 중 적어도 하나를 분석하는 단계;
    상기 분석에 따라 상기 드론이 상위방향으로 고도가 변경되었는지, 하위 방향으로 고도가 변경되었는지 판단하는 단계;
    상기 제1 삼각형과 상기 제2 삼각형의 상기 특정 수학적 관계식이 성립할 때까지 상기 고도가 변경된 방향에 따라 수직방향의 비행을 제어하는, 포메이션을 유지하는 군집비행 제어방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 포메이션이 정오각형 구조로 정해져 있는 경우, 상기 정오각형 포메이션을 구현하는 5대의 드론은 서로 간에 무선통신을 통해 자신의 위치 정보와 타 드론의 위치 정보를 주고받으며, 상기 정오각형을 이루는 변들의 길이가 동일하고, 내각의 크기가 108도라는 기하학적 관계를 이용하여, 각 5대의 드론들은 위치를 유지하거나 보정하는, 포메이션을 유지하는 군집비행 제어방법.
  10. 포메이션을 형성하는 멀티드론 간 위치상의 기하학적 관계가 미리 설정된 특정 기하학적 관계가 되도록 설정되고, 상기 특정 기하학적 관계를 성립하게 할 각 단일드론의 비행명령신호를 포함하는 군집비행일정을 저장하는 데이터베이스;
    상기 포메이션을 구현하기 위해 설정된 각 단일드론 비행명령에 따라 비행하는 구동부;
    비행위치를 검출하여 타 드론과의 상대적 위치를 측정하기 위한 적어도 하나의 센서로 구성된 센서부; 및
    상기 포메이션과 상기 타 드론과의 상대적 위치를 비교하여 비행오차를 검출하고, 실시간으로 상기 타 드론과의 상대적 위치에 대한 산출을 반복하며 비행을 제어함으로써, 상기 비행오차를 보정하는 제어부;를 포함하는, 포메이션을 유지하기 위한 드론.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비행오차를 검출하기 위해서, 상기 드론 간의 상대적 위치에 기반하여 위치상 기하학적 관계를 산출하고, 상기 산출된 기하학적 관계가 상기 미리 설정된 특정 기하학적 관계와 일치하는지 여부를 판단하며, 상기 판단 결과가 불일치하는 경우, 상기 포메이션이 변경된 것으로 판단하는, 군집비행의 포메이션을 유지하기 위한 드론.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 특정 기하학적 관계는,
    타 드론들과 각각 연결한 직선거리의 길이, 상기 타 드론들과 각각 연결한 직선거리들 간의 비율 및 상기 타 드론들과 각각 연결한 직선거리들이 이루는 각도 중 적어도 하나가 특정 값으로 미리 설정되는, 군집비행의 포메이션을 유지하기 위한 드론.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비행오차를 보정하기 위해, 상기 드론 간의 실제거리가 상기 포메이션에서 설정된 일정거리와 동일하지 않은 경우, 수평 평면상에서의 위치 오차와 수직 평면상에서 고도 오차를 보정하는, 군집비행의 포메이션을 유지하기 위한 드론.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    자이로 센서 및 가속도 센서의 측정값 및 변경값을 통해 상기 드론의 고도 및 고도 변화를 추론하는, 군집비행의 포메이션을 유지하기 위한 드론.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 드론들의 연결이 꼭지점이 4개 이상인 n각형 구조인 경우,
    상기 n각형 내에서 소정의 꼭지점으로 형성되는 제1 삼각형과 상기 제1 삼각형에 특정 수학적 관계식이 성립하는 제2 삼각형을 설정하고,
    상기 비행오차가 검출된 드론의 미리 설정된 시간 내의 자이로 센서값의 변화량, 가속센서 값의 변화량 및 카메라 영상 중 적어도 하나를 분석하며,
    상기 분석에 따라 상기 드론이 상위방향으로 고도가 변경되었는지, 하위 방향으로 고도가 변경되었는지 판단하고,
    상기 제1 삼각형과 상기 제2 삼각형의 상기 특정 수학적 관계식이 성립할 때까지 상기 고도가 변경된 방향에 따라 수직방향의 비행을 제어하는, 군집비행의 포메이션을 유지하기 위한 드론.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 포메이션이 정오각형 구조로 정해져 있는 경우, 상기 정오각형 포메이션을 구현하는 5대의 드론은 서로 간에 무선통신을 통해 자신의 위치 정보와 타 드론의 위치 정보를 주고받으며, 상기 정오각형을 이루는 변들의 길이가 동일하고, 내각의 크기가 108도라는 기하학적 관계를 이용하여, 각 5대의 드론들은 위치를 유지하거나 보정하는, 군집비행의 포메이션을 유지하기 위한 드론.
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