KR101910741B1 - 드론의 고도 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

발명의 실시예에 따른 드론의 고도 측정 장치는 드론의 가속도를 측정하는 가속도 측정부; 상기 가속도에서 중력 가속도를 제거하고 선형 가속도를 추출하는 필터링부; 상기 선형 가속도를 통해 상기 드론의 고도가 유지되고 있는지를 판단하는 고도 유지 판단부; 상기 선형 가속도를 보정하는 가속도 보정부; 및 상기 보정된 선형 가속도를 이용하여 상기 드론의 고도를 산출하는 고도 산출부를 포함한다.

Description

드론의 고도 측정 장치 및 방법{Apparatus for Altitude Measurement of Drones and Method thereof}

본 발명은 드론의 고도 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 가속도 센서를 이용하여 비행 중 기체 진동으로 인한 측정 오차를 필터링하여 신뢰성이 개선된 드론의 고도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래 고도를 측정하는 방법으로는 GPS(Global Positioning System)의 수신데이터를 이용하는 방법 또는 기압형 고도 센서를 이용하여 고도를 측정하는 방식이 있다. 그 중 GPS를 이용한 방법은 동적환경 하에서 오차가 크고, 가시 위성수에 제한을 받는다. 이러한 단점을 보완하고 정밀도를 높이기 위한 기술로서 DGPS(Differential Global Positioning System)방식이 있으나 GPS 기준국을 따로 설치해야하는 비용적인 측면과 기준국과의 일정 범위가 제한되어지기 때문에 공간적 제한을 갖는 단점이 있다.

다른 방법인 기압형 고도 센서를 이용한 방법은 센서 자체가 외부환경 및 노이즈에 매우 민감하고 그에 따라 데이터의 변화폭이 매우 크다. 또한, 대기압은 지역, 온도, 바람 등 주위 환경에 따라 수시로 변하고 불특정하므로 기압형 고도 센서를 단독으로 쓸 경우 ±10m 이상의 일반적인 오차의 범위를 갖게 되므로 정확한 고도를 측정하기에는 많은 어려움이 있다. 그런데 차량 위치 추적이나 RC 모형 항공기 등과 같은 분야에서는 더 정밀한 고도 측정이 요구되고 있다.

드론(Drone)에서도 고도유지 비행을 위해 정확한 고도 측정이 필요하다. 고도 측정을 위해 많이 사용되는 가속도센서는 변화에 민감하여 거리 측정에 적합하지만 적분 오차가 누적되어 거리 측정값이 발산한다. 또한, 드론 비행 시 드론에서 발생하는 진동을 드론의 고도 변화로 잘못 인지하는 문제가 있다.

이 문제를 해결하기 위해 상용화된 드론이나 기존 연구들은 가속도센서를 기반으로 다른 센서나 장치를 추가하여 고도 측정을 하지만 실제 비행 시 고도의 오차가 나타난다. 또한, 센서 값들의 연산처리가 많아져 고도 측정 속도가 지연되는 문제점이 있다.

한국 공개특허 10-2017-0033625

본 발명은 상기의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 드론의 움직임 특성을 반영하여 신뢰성이 개선된 드론의 고도 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명의 실시예에 따른 드론의 고도 측정 장치는 드론의 가속도를 측정하는 가속도 측정부; 상기 가속도에서 중력 가속도를 제거하고 선형 가속도를 추출하는 필터링부; 상기 선형 가속도를 통해 상기 드론의 고도가 유지되고 있는지를 판단하는 고도 유지 판단부; 상기 선형 가속도를 보정하는 가속도 보정부; 및 상기 보정된 선형 가속도를 이용하여 상기 드론의 고도를 산출하는 고도 산출부를 포함한다.

상기 고도 유지 판단부는 연속된 선형 가속도 값을 이용하여 상기 드론의 고도가 유지되고 있는지를 판단한다.

상기 가속도 보정부는 가중치를 적용하여 상기 선형 가속도를 보정한다.

상기 필터링부는 상기 드론의 진동으로 발생하는 가속도 값을 필터링하는 저역 통과 필터를 포함한다.

발명의 실시예에 따른 드론의 고도 측정 방법은 드론의 가속도를 측정하고 선형 가속도를 추출하는 단계; 상기 드론의 고도 유지 여부를 판단하는 단계; 상기 드론의 평균 가속도를 계산하는 단계; 상기 드론의 고도 측정 주기를 만족하는지 판단하는 단계; 상기 드론의 초기 고도가 상승하였는지를 판단하는 단계; 상기 드론의 고도 유지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 드론의 평균 가속도를 이용하여 상기 드론의 고도를 계산하는 단계를 포함한다.

상기 선형 가속도를 추출하는 단계는, 중력 가속도를 제거하는 단계 및 저역 통과 필터를 통해 필터링하는 단계를 포함한다.

상기 드론의 고도 유지 여부 판단 시, 고도가 유지된 것으로 판단되는 경우 선형 가속도를 보정하는 단계를 포함한다.

상기 선형 가속도의 보정은 가중치 적용 및 일정값 이상의 가속도 제거 중의 하나를 포함하여 이루어진다.

상기 드론의 초기 고도가 상승한 것으로 판단되는 경우, 상기 평균 가속도를 제거하는 단계를 포함한다.

상기 드론의 고도 측정 주기를 만족하지 않는 경우, 드론의 가속도를 측정하고 선형 가속도를 추출하는 단계로 회귀한다.

발명의 실시예에 따른 고도 측정 장치 및 방법은 고도 측정의 정확도가 개선될 수 있다.

도 1은 일반적인 드론의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 드론의 구성 요소를 나타내는 도면이다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 드론의 고도 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

도 1은 일반적인 드론의 일 실시예를 나타내는 도면이다. 사용자는 컨트롤러(200)를 이용하여 무선 통신을 통해 드론(100)의 동작을 제어할 수 있다. 상기 드론(100)은 내부에 고도 산출부를 비롯한 여러 구성요소를 포함할 수 있다.

도 2는 발명의 실시예에 따른 드론의 구성 요소를 나타내는 도면이다.

발명의 실시예에 따른 드론(100)은 가속도 측정부(110), 저장부(120), 제어부(130), 구동부(140), 필터링부(150), 가속도 보정부(155), 고도 유지 판단부(160) 및 고도 산출부(170)를 포함한다.

가속도 측정부(110)는 드론의 가속도를 측정한다. 즉, 시간의 경과에 따른 드론의 속도 변화를 측정한다. 가속도 측정부는 드론이 이륙 전, 이륙 후의 가속도를 측정할 수 있다. 드론은 이륙 전이어도 프로펠러의 회전으로 인한 기체 진동이 발생하게 되는데, 이러한 진동으로 인한 오차를 제거하기 위해 드론의 가속도를 측정하여 문턱값 이상의 가속도에 대해서는 데드밴드로 설정하여 드론의 위치 산출 시 이를 제외하게 된다.

저장부(120)는 가속도 측정부(110)에서 측정한 드론의 가속도 및 문턱값에 관한 데드밴드 값을 저장한다. 또한, 기타 설정과 관련된 데이터를 저장할 수도 있다.

제어부(130)는 드론(100)의 이동과 관련된 전반적인 동작을 제어한다.

구동부(140)는 드론의 구동과 관련된 구성요소이며, 모터, 프로펠러 등을 포함하고 제어부(130)에 의해 동작이 제어된다.

필터링부(150)는 드론(100)의 가속도값을 필터링하는 기능을 담당한다. 구체적으로, 상기 가속도 측정부(110)가 측정한 드론(100)의 가속도값을 수신하여, 저역 통과 필터를 통해 드론의 진동으로 인한 가속도 값을 필터링한다. 이에 따라 저역 통과 필터링된 선형가속도를 추출할 수 있다.

가속도 보정부(155)는 필터링부(150)에서 추출되는 선형 가속도를 보정한다. 상기 보정은 일정값 이상의 가속도를 제거하거나, 가중치를 적용하는 등의 방법으로 수행될 수 있다.

고도 유지 판단부(160)는 드론의 고도가 일정 시간 동안 변경되었는지 여부를 판단한다. 구체적으로 고도 유지 판단부(160)는 필터링부(150)로부터 선형 가속도 값을 수신하여 시간에 따른 가속도 값의 변화를 통해 드론의 고도가 변화되었는지를 판단한다.

또한, 고도 유지 판단부(160)는 드론의 초기 고도가 상승되었는지 여부를 판단할 수 있다. 즉, 지표면으로부터 이륙하였는지 여부를 판단할 수 있다.

고도 산출부(170)는 상기 각각의 구성요소와 연결되어 데이터를 송수신하고 이를 종합하여 드론의 고도를 산출한다.

도 3은 발명의 실시예에 따른 드론의 고도 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.

처음으로, 가속도 측정부에 의해 드론의 가속도값을 측정한다(S100). 상기 가속도 측정부에 의해 측정되는 가속도 값에는 중력 가속도 및 선형 가속도 값이 포함된다.

다음으로, S100 단계에서 측정한 가속도 값 중에서 선형 가속도 값을 추출한다(S110). 선형 가속도 값은 S100 단계에서 측정한 가속도 값 중에서 중력 가속도를 제거하고 저역 통과 필터를 통해 드론의 진동으로 인해 발생하는 가속도 값을 필터링함으로써 얻을 수 있다. 저역 통과 필터를 통해 드론의 진동으로 인해 발생하는 가속도 값을 필터링함으로써 선형 가속도 값의 신뢰성이 개선될 수 있다.

다음으로, 드론의 고도 유지 여부를 판단한다(S120). 즉, 큐 생성 알고리즘을 적용한 연속된 선형 가속도 값을 이용하여 드론의 고도 유지 여부를 판단한다. 구체적으로, S110 단계에서 측정된 선형 가속도 값은 일정 시간 동안의 선형 가속도 값이고, 상기 일정 시간에 포함되는 복수의 시각에 측정된 복수의 선형 가속도 값은 시각에 따라 양수 또는 음수의 값을 가질 수 있는데 복수의 시각에 측정된 양수 또는 음수의 선형 가속도 값에 따라 고도가 유지되었는지 여부를 판단한다.

예를 들어, 복수의 시각에 측정된 복수의 선형 가속도 값이 양수인 경우를 1로 계산하고, 음수인 경우를 1로 계산하여 복수의 시각에 측정된 선형 가속도 값의 총합이 +3 이상 또는 3 이하인 경우, 고도가 변경되었다고 판단하고, -3 내지 +3 사이의 값을 갖는 경우 고도가 유지된 것으로 판단할 수 있다.

S120의 단계에서 고도가 유지된 것으로 판단되면, 선형 가속도 값을 보정한다(S130). 즉, 드론의 진동 때문에 고도가 유지된 걸로 판단되었음에도 불구하고 선형 가속도 값이 급격하게 변하는 경우가 있을 수 있는데, 이를 개선하기 위해 일정 값 이상의 선형 가속도 값은 필터링한다.

S120 및 S130의 단계를 통해 필터링 된 평균 가속도 값을 계산하고(S140), 고도 측정 주기가 도래하였는지를 판단한다(S150).

S150의 단계에서 고도 측정 주기가 도래하지 않은 경우 S100의 단계로 돌아가고, S150의 단계에서 고도 측정 주기가 도래한 경우 초기 고도 상승 여부를 판단한다(S160).

컨트롤러(200)의 입력을 통해 드론에 포함되는 프로펠러의 회전수(스로틀: throttle)가 상승하더라도, 일정값 이상의 회전수가 아니면 드론은 상승하지 않는다. S160의 단계에서 초기 고도가 상승하지 않은 것으로 판단되면 드론은 지표면에 있는 것으로 판단하여 평균 가속도 값을 제거한다(S170). 이는 드론이 지표면에 있는 것으로 판단된 경우에 측정된 선형 가속도 값은 드론이 이동하지 않은 상태에서 드론의 진동으로 인해 발생한 선형 가속도 값이기 때문이다. S170의 단계에서 제거되는 평균 가속도는 S140의 단계에서 계산된 평균 가속도를 의미한다.

다음으로, 드론의 고도가 유지되었는지를 판단한다(S180). 구체적으로 드론의 고도가 상승, 유지, 하강하는 경우 중에, 유지되고 있는 것으로 판단되는 경우는 선형 가속도의 가중치를 적용하고 S130에서와 같이 선형 가속도 값을 보정한다(S190).

또한, S180의 단계에서 드론의 고도가 상승 또는 하강의 이유로 변경된 것으로 판단되는 경우는 선형 가속도의 보정없이 드론의 고도를 계산한다(S200).

선형 가속도 값을 보정하고 선형 가속도의 가중치를 적용함으로 인해, 가속도 값의 급격한 변동으로 오차가 발생하는 문제점을 개선하는 효과가 있다.

다음으로, 드론의 고도를 계산한다(S200). 상기 고도 계산은 고도 측정 주기 동안의 시간, S140의 단계에서 계산된 평균 가속도 값에 가중치를 적용한 평균 가속도 값을 이용하여 얻어질 수 있다.

상기와 같이 가속도 센서를 이용하고 드론의 비행 특성을 고려하여 고도를 측정함으로써 신뢰성있는 측정 결과를 얻을 수 있는 효과가 있다.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.

따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 드론
110: 가속도 측정부
120: 저장부
130: 제어부
140: 구동부
150: 필터링부
155: 가속도 보정부
160: 고도 유지 판단부
170: 고도 산출부

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 드론의 가속도를 측정하고 선형 가속도를 추출하는 단계;
   상기 드론의 고도 유지 여부를 판단하는 단계;
   상기 드론의 평균 가속도를 계산하는 단계;
   상기 드론의 고도 측정 주기를 만족하는지 판단하는 단계;
   상기 드론의 초기 고도가 상승하였는지를 판단하는 단계;
   상기 드론의 고도 유지 여부를 판단하는 단계; 및
   상기 드론의 평균 가속도를 이용하여 상기 드론의 고도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 고도 측정 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 선형 가속도를 추출하는 단계는, 중력 가속도를 제거하는 단계 및 저역 통과 필터를 통해 필터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 고도 측정 방법.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 드론의 고도 유지 여부 판단 시, 고도가 유지된 것으로 판단되는 경우 선형 가속도를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 고도 측정 방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 선형 가속도의 보정은 가중치 적용 및 일정값 이상의 가속도 제거 중의 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 드론의 고도 측정 방법.
   
9. 제5항에 있어서,
   상기 드론의 초기 고도가 상승한 것으로 판단되는 경우, 상기 평균 가속도를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 고도 측정 방법.
   
10. 제5항에 있어서,
    상기 드론의 고도 측정 주기를 만족하지 않는 경우, 드론의 가속도를 측정하고 선형 가속도를 추출하는 단계로 회귀하는 것을 특징으로 하는 드론의 고도 측정 방법.
    
    

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