KR101958264B1 - 자동 고도 유지가 가능한 드론 및 드론 제어 방법 - Google Patents

자동 고도 유지가 가능한 드론 및 드론 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동 고도 유지가 가능한 드론에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고가의 GPS 센서를 사용하지 않거나 또는 GPS 센서가 오동작하더라도 자동으로 고도 유지가 가능하여 파손이나 분실의 위험을 막고 또한 특정한 고도에서 안정적으로 임무 수행이 가능한 드론에 관한 것이다.

Description

자동 고도 유지가 가능한 드론 및 드론 제어 방법{Drone for automatically maintaining altitude and method for controlling the same}
본 발명은 자동 고도 유지가 가능한 드론에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고가의 GPS 센서를 사용하지 않더라도 특정한 고도에서 안정적으로 임무 수행이 가능한 드론에 관한 것이다.
일반적으로, 드론(Drone)은 기체에 사람이 타지 않고 지상에서 원격조종을 통해 비행하는 무인(無人) 비행기를 의미한다. 드론(Drone)은 동체에 탑재되는 복수의 프로펠러를 이용하여 충분한 양력을 얻는 방식으로 개발되고 있다, 이 방식은 기존의 헬리콥터의 기동 방법과 유사한 것으로서, 동체에 부착된 프로펠러를 기울여서 추진방향을 결정하거나 또는 복수의 프로펠러가 동체에 부착되는 경우 각 프로펠러의 추력에 차이를 두어 동체의 추진방향을 결정하는 방식이 이용되고 있다. 이러한 헬리콥터 타입의 드론에 대해, 대한민국 공개번호 제10-2014-0038495호는 동체 중심에서 방사상으로 배치되는 4개의 프로펠러를 이용하는 드론이 개시되어 있다.
기존의 드론(Drone)은 회전날개가 3개∼4개로만 이루어져 있어, 바람이나 외압에 의해 몸체 전체가 흔들거려서 고도 유지가 잘 안 되어 특정한 고도에서 안정적으로 임무 수행이 불가능한 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1650136호에는 별도의 메인 제어 보드 없이, 스마트 디바이스(예: 스마트폰, 스마트TV, 디지털사이니지) 화면상에 어플형태로 활성화된 드론제어용 어플리케이션모듈을 통해 드론을 제어하는 기술을 개시하고 있다. 그런데 대한민국 등록특허 제10-1650136호에 따르면, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하면서, 각 센서의 상태 및 주변 환경 데이터, 현재 드론 자세의 값을 연산 조합 처리하여 착륙, 이륙, 플라이, 정지비행에 관한 드론 자세제어와 비행항법, 무선통신을 자율적으로 제어하기 위해, GPS 센서가 필수구성으로 포함되어 있다.
이에 GPS 센서가 탑재된 드론(Drone)의 제작비용이 높아 생산성이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, GPS 센서를 이용하여 고도 제어를 하는 경우 GPS 센서가 고장이 나거나 GPS 음영 지역에서 정확히 고도를 제어할 수 없게 된다. 이는 고가의 드론(Drone)이 건물에 부딪혀 파손되거나 예상 경로에서 이탈하여 분실되는 문제를 초래한다. 한편, GPS 센서를 탑재하지 않은 드론은 사용자가 원격 조정하면서 고도를 유지해야 함으로 특정한 고도에서 안정적으로 임무 수행이 어려운 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0038495호(공개일 2014.03.28) 대한민국 등록특허 제10-1650136호(등록일 2016.08.16)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 본 발명은 고가의 GPS 센서를 사용하지 않더라도 고도 유지가 가능하여 특정한 고도에서 안정적으로 임무 수행이 가능한 드론을 제공하는 것이다.
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상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 자동 고도 유지가 가능한 드론(drone)은 특정한 고도에서 안정적으로 임무 수행이 가능한 드론(drone)으로서, 원격 조정장치와 정보를 송수신하는 통신부와; 복수의 모터와 상기 복수의 모터와 연동하며 서로 다른 위치에 설치되는 복수의 프로펠러를 포함하는 액추에이터와; 드론의 비행 속도를 감지하는 가속도 센서와 드론의 기울기를 감지하는 자이로 센서와 드론의 고도를 감지하는 고도 센서와; 고도 센서로부터 입력되는 센서값을 이용하여 고도 데이터를 생성하며, 가속도 센서와 자이로 센서로부터 입력되는 센서값을 이용하여 자세 데이터를 생성하고, 고도 데이터와 자세 데이터 및 통신부를 통해 입력되는 원격 조정신호를 이용하여 복수의 모터를 각각 제어하는 제어부를 포함하되,
상기 제어부는 상기 통신부를 통해 원격 조정장치로부터 고도(高度) 유지 명령이 입력되었는지를 검출하는 이벤트 검출부와, 상기 이벤트 검출부로부터 고도(高度) 유지 명령이 입력되면 이벤트 발생 시각(t1)에서의 제1 고도 데이터를 기준으로 제1 자세 데이터를 이용하여 드론이 비행 중인 공간에 임의의 기준점인 가상좌표를 생성하는 가상좌표 생성부와, 상기 가상좌표 생성부에서 생성된 이벤트 발생 시각(t1)에서의 가상좌표와 이벤트 발생 시각(t1) 이후에 측정되는 제2 고도데이터 및 제2 자세 데이터를 이용하여 드론이 상기 이벤트 발생 시각(t1)에서 생성된 가상좌표로 이동하도록 상기 액추에이터를 제어하는 고도유지 제어부를 포함하되,
상기 공간에 임의의 기준점인 가상좌표는 이벤트 발생 시각(t1)에서 (0, 0, 고도값, θｘ, θy, θz)이며, 여기서, θｘ, θy, θz은 x축 경사각, y축 경사각, 및 z축 경사각인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 드론 제어 방법은 통신부를 통해 원격 조정장치로부터 고도(高度) 유지 명령이 입력되었는지를 검출하는 단계와; 고도(高度) 유지 명령이 검출되면 이벤트 발생 시각(t1)에서의 제1 고도 데이터를 기준으로 제1 자세 데이터를 이용하여 드론이 비행 중인 공간에 임의의 기준점인 가상좌표를 생성하는 단계; 및 상기 이벤트 발생 시각(t1)에서 생성된 가상좌표와 이벤트 발생 시각(t1) 이후에 측정되는 제2 고도데이터 및 제2 자세 데이터를 이용하여 드론이 상기 이벤트 발생 시각(t1)에서 생성된 가상좌표로 이동하도록 상기 액추에이터를 제어하여 고도를 유지하는 단계를 포함한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 고가의 GPS 센서를 사용하지 않더라도 제1 고도 데이터를 기준으로 제1 자세 데이터를 이용하여 드론이 비행 중인 공간에 임의의 기준점인 가상의 좌표를 생성하고 생성된 가상좌표와 제2 고도데이터 및 제2 자세 데이터를 이용하여 이벤트 발생 시각(t1)에서 생성된 가상좌표로 이동하도록 액추에이터를 제어하도록 구현됨으로써, 외란이 발생하더라도 안정적인 고도 유지할 수 있어 특정한 고도에서 안정적으로 임무 수행이 가능한 효과가 있다.
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도 1 은 본 발명에 따른 자동 고도 유지가 가능한 드론(drone)의 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 드론 제어 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 자동 고도 유지가 가능한 드론(drone)은 도 1에 도시한 바와 같이, 통신부(111)와 액추에이터(112)와 센서부(114)와 전원공급부(115)와 제어부(116)를 포함하여 구현된다.
통신부(111)는 조종용 송수신기만을 생각할 수 있으나 외부 센서들의 증가 및 운영모드의 증가로 다양한 통신방식이 사용되고 있다. 송수신기는 원격 조정장치(120)의 조종신호를 제어부(116)에 전달해주는 통신장치로 PPM방식의 2.4Ghz 송수신기가 주로 사용된다.
액추에이터(112)는 복수의 모터와 상기 복수의 모터와 연동하며 서로 다른 위치에 설치되는 복수의 프로펠러와 전자변속기(ESC, Electronic Speed Controller)를 포함한다. 모터는 상대적으로 파워(토크)가 크고, 효율적이고 가벼운 브러쉬리스(Brushless) 모터를 사용한다.
센서부(114)는 드론의 비행 속도를 감지하는 가속도 센서와 드론의 기울기를 감지하는 자이로 센서와 드론의 고도를 감지하는 고도 센서를 포함한다. 고도 센서는 기압 고도계 또는 전파 고도계로 구현될 수 있다. 기압 고도계는 기준 기압(해수면 기압) 데이터와 현재 측정된 기압과의 기압차를 이용하여 현재 위치에서의 고도를 측정한다. 기압 고도계는 온도에 많은 영향을 받으므로 온도 센서를 포함한다. 기압 고도계는 진공 속인 금속 상자의 윗면이 기압의 변화에 따라 수축, 팽창하는 원리를 이용하는 아네로이드 기압계로 구현될 수 있다. 전파 고도계는 드론의 하방에 배치되며 초음파를 이용하여 고도를 측정한다. 센서부(114)는 GPS 센서를 더 포함하여 구현될 수 있다. 센서부(114)와 제어부(116) 간의 통신을 위해 주로 시리얼통신이나 I2C 통신을 사용한다.
전원공급부는 배터리를 포함한다. 배터리는 매우 가볍고, 거의 모든 사이즈와 형태로 변형할 수 있을 뿐만 아니라 사이즈에 비해 대용량을 저장할 수 있는 LIPO 배터리로 구현될 수 있다. 배터리는 별다른 정류과정 없이 전자변속기(ESC)를 통해서 모터에 공급되고, 전자변속기(ESC)는 공급받은 전원의 일부를 비행 콘트롤러나 센서에서 사용할 수 있도록 일종의 전압레귤레이터인 UBEC에서 콘트롤러 사용전압으로 정류해 준다(통상 5V로 정류). 소형 간단한 비행모드만을 제공하는 드론에는 이 UBEC을 통해서 비행콘트롤러에 전원을 공급하는 것으로 충분하지만, 제공되는 전압에 민감한 다양한 센서를 사용하는 경우 별도의 파워모듈을 사용하기도 한다. 그 이유는 모터의 과도한 전류사용이 전자변속기(ESC)에 붙어있는 UBEC의 정류 안정성에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
전자변속기(ESC)는 센서부(114)에서 보내온 데이터를 기반으로 제어부(116)가 보내온 신호대로 모터를 회전시켜 프로펠러를 통해 추진력을 발생시키는 역할을 한다. 제어부(116)는 모터가 충분한 추진력을 발생시킬 정도의 파워를 전달하게 설계되어 있지 않고, 단지 어느 정도의 파워를 발생시키라는 신호(PWM 형태)를 전자변속기(ESC)에 보내준다. 전자변속기(ESC)는 제어부(116)에서 전달된 신호에 따라 모터가 충분한 회전속도에 필요한 파워를 제공한다.
제어부(116)는 일례로, 오픈소소 멀티위 플랫폼의 아두이노 메가에 기반한 APM 보드(8bit 16Mhz), 32bit 72Mhz로 동작되는 ST Micro사의 ARM Cortex M3 CPU, 64bit Quad-core 2.26GHz로 작동하는 퀄컴의 스냅드래곤 SOC(System on Chip) 기반 보드로 구현될 수 있다.
제어부(116)는 고도 센서로부터 입력되는 센서값을 이용하여 고도 데이터를 생성하며, 가속도 센서와 자이로 센서로부터 입력되는 센서값을 이용하여 자세 데이터를 생성하고, 고도 데이터와 자세 데이터 및 통신부를 통해 입력되는 원격 조정신호를 이용하여 복수의 모터를 각각 제어한다.
제어부(116)는 도 1에 도시한 바와 같이, 이벤트 검출부(1161)와, 가상좌표 생성부(1162)와, 고도유지 제어부(1163)를 포함한다.
이벤트 검출부(1161)는 통신부(111)를 통해 원격 조정장치로부터 고도(高度) 유지 명령이 입력되었는지를 검출하도록 구현될 수 있다.
가상좌표 생성부(1162)는 드론이 비행 중인 공간에 임의의 기준점인 가상의 좌표를 설정하기 위해 고도 센서에서 측정한 고도 데이터를 기준으로 가속도 센서와 자이로 센서로부터 입력되는 센서값으로부터 생성한 자세 데이터를 사용한다. 예를 들어, 공간에 임의의 기준점인 가상좌표는 이벤트 발생 시각(t1)에서 (0, 0, 고도값, θｘ, θy, θz)일 수 있다. 여기서, θｘ, θy, θz은 각각 x축, y축, z축 경사각이다.
고도유지 제어부(1163)는 가상좌표 생성부(1162)에서 생성된 가상좌표와 제2 고도데이터 및 제2 자세 데이터를 이용하여 액추에이터(112)를 제어한다. 예를 들어 고도유지 제어부(1163)는 외란에 의해 드론이 가상좌표를 벗어나더라도 고도 센서에서 측정한 고도 데이터와 가속도 센서와 자이로 센서로부터 입력되는 센서값으로부터 생성한 자세 데이터를 이용하여 상하, 좌우 움직임을 판단하고, 드론이 가상좌표로 이동하도록 액추에이터(112)를 제어한다.
고도유지 제어부(1163)는 드론이 안전한 고도를 유지하면서 비상 착륙하도록 액추에이터(112)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 가상좌표 생성부(1162)는 통신부(111)를 통해 원격 조정장치(120)로부터 고도값 변경 정보가 입력되면 기 설정된 가상좌표에서 z값에 해당하는 고도값을 변경한 새로운 가상좌표를 생성할 수 있다. 고도유지 제어부(1163)는 가상좌표 생성부(1162)에서 생성된 새로운 가상좌표와 제2 고도데이터 및 제2 자세 데이터를 이용하여 액추에이터(112)를 제어한다. 이에 따라 드론은 안전하게 비상 착륙할 수 있다.
본 발명에 따른 드론 제어 방법은 도 2에 도시한 바와 같다. 드론 조정자는 드론의 전원을 온(on)시킨 후, 원격 조정장치를 이용하여 드론의 호버링(hovering) 상태가 이루어질 수 있도록 몇 차례 시범 운전을 통해 캘리브레이션을 수행할 수 있다. 드론이 호버링(hovering) 상태를 유지할 수 있을 정도로 캘리브레이션이 이루지면, 드론 조정자는 원격 조정장치를 이용하여 드론의 비행을 조정한다.
드론은 원격 조정장치로부터 송신되는 원격 조정 신호를 수신(S210)하고 원격 조정 신호에 대응하여 액추에이터를 구동한다(S220). 드론은 고도 센서로부터 입력되는 센서값을 이용하여 고도 데이터를 생성하며, 가속도 센서와 자이로 센서로부터 입력되는 센서값을 이용하여 자세 데이터를 생성하면서 비행한다(S230).
드론은 통신부를 통해 원격 조정장치로부터 고도(高度) 유지 명령이 입력되었는지를 검출한다(S240). 예를 들어, 드론 조정자는 드론이 특정한 고도에서 임무 수행을 하도록 고도(高度) 유지 명령을 원격 조정장치를 통해 드론에 송신하면, 드론은 고도(高度) 유지 명령을 검출하게 된다.
삭제
드론은 고도(高度) 유지 명령이 검출되면 이벤트 발생 시각(t1)에서의 제1 고도 데이터를 기준으로 제1 자세 데이터를 이용하여 드론이 비행 중인 공간에 임의의 기준점인 가상의 좌표를 생성한다(S250). 예를 들어, 공간에 임의의 기준점인 가상좌표는 이벤트 발생 시각(t1)에서 (0, 0, 고도값, θｘ, θy, θz)일 수 있다. 여기서, θｘ, θy, θz은 각각 x축, y축, z축 경사각이다.
이후, 드론은 이벤트 발생 시각(t1)에서 생성된 가상좌표와 이벤트 발생 시각(t1) 이후에 측정되는 제2 고도데이터 및 제2 자세 데이터를 이용하여 액추에이터를 제어한다(S260). 예를들어, 외란에 의해 드론이 가상좌표를 벗어나더라도 고도 센서에서 측정한 고도 데이터와 가속도 센서와 자이로 센서로부터 입력되는 센서값으로부터 생성한 자세 데이터를 이용하여 상하, 좌우 움직임을 판단하고, 드론이 이벤트 발생 시각(t1)에서 생성된 가상좌표로 이동하도록 액추에이터를 제어한다.
이후, 드론은 착륙 이벤트가 발생하였는지를 검출한다(S270). 착륙 이벤트가 발생한 경우, 드론은 안전한 고도를 유지하면서 비상 착륙하도록 액추에이터를 제어할 수 있다. 예를 들어, 드론은 이벤트 발생 시각(t1)에서 생성된 가상좌표에서 z값에 해당하는 고도값을 변경한 새로운 가상좌표를 생성하고, 새로운 가상좌표와 고도데이터 및 자세 데이터를 이용하여 액추에이터를 제어한다(S280). 이에 따라 드론은 안전하게 비상 착륙할 수 있다.
지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 특정한 고도에서 안정적으로 임무 수행이 가능한 드론(drone)으로서,
    원격 조정장치와 정보를 송수신하는 통신부;
    복수의 모터와 상기 복수의 모터와 연동하며 서로 다른 위치에 설치되는 복수의 프로펠러를 포함하는 액추에이터;
    드론의 비행 속도를 감지하는 가속도 센서와 드론의 기울기를 감지하는 자이로 센서와 드론의 고도를 감지하는 고도 센서;
    상기 고도 센서로부터 입력되는 센서값을 이용하여 고도 데이터를 생성하며, 상기 가속도 센서와 자이로 센서로부터 입력되는 센서값을 이용하여 자세 데이터를 생성하고, 상기 고도 데이터와 자세 데이터 및 상기 통신부를 통해 입력되는 원격 조정신호를 이용하여 상기 복수의 모터를 각각 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 통신부를 통해 원격 조정장치로부터 고도(高度) 유지 명령이 입력되었는지를 검출하는 이벤트 검출부와,
    상기 이벤트 검출부로부터 고도(高度) 유지 명령이 입력되면 이벤트 발생 시각(t1)에서의 제1 고도 데이터를 기준으로 제1 자세 데이터를 이용하여 드론이 비행 중인 공간에 임의의 기준점인 가상좌표를 생성하는 가상좌표 생성부와,
    상기 가상좌표 생성부에서 생성된 이벤트 발생 시각(t1)에서의 가상좌표와 이벤트 발생 시각(t1) 이후에 측정되는 제2 고도데이터 및 제2 자세 데이터를 이용하여 드론이 상기 이벤트 발생 시각(t1)에서 생성된 가상좌표로 이동하도록 상기 액추에이터를 제어하는 고도유지 제어부를 포함하되,
    상기 공간에 임의의 기준점인 가상좌표는 이벤트 발생 시각(t1)에서 (0, 0, 고도값, θｘ, θy, θz)이며, 여기서, θｘ, θy, θz은 x축 경사각, y축 경사각, 및 z축 경사각인 것,
    을 특징으로 하는 자동 고도 유지가 가능한 드론.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1 에 있어서,
    상기 고도 센서는,
    기압과 온도를 측정하는 센서, 또는 전파를 이용하는 센서인 것을 특징으로 하는 자동 고도 유지가 가능한 드론.
  5. 통신부를 통해 원격 조정장치로부터 고도(高度) 유지 명령이 입력되었는지를 검출하는 단계;
    고도(高度) 유지 명령이 검출되면 이벤트 발생 시각(t1)에서의 제1 고도 데이터를 기준으로 제1 자세 데이터를 이용하여 드론이 비행 중인 공간에 임의의 기준점인 가상좌표를 생성하는 단계; 및
    이벤트 발생 시각(t1)에서 생성된 가상좌표와 이벤트 발생 시각(t1) 이후에 측정되는 제2 고도데이터 및 제2 자세 데이터를 이용하여 드론이 상기 이벤트 발생 시각(t1)에서 생성된 가상좌표로 이동하도록 액추에이터를 제어하여 고도를 유지하는 단계;
    를 포함하는 드론 제어 방법.
  6. 청구항 5 에 있어서,
    착륙 이벤트가 발생하였는지를 검출하는 단계; 및
    착륙 이벤트가 발생한 경우, 이벤트 발생 시각(t1)에서 생성된 가상좌표에서 z값에 해당하는 고도값을 변경한 새로운 가상좌표를 생성하고, 새로운 가상좌표와 고도데이터 및 자세 데이터를 이용하여 상기 액추에이터를 제어하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드론 제어 방법.
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