KR102025885B1 - 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치 - Google Patents

군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치 Download PDF

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KR102025885B1
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박진용
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Abstract

본 발명은 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 시스템 및 방법을 개시한다. 본 발명은 네트워크적인 부담을 감소하고, GRPC 플랫폼의 중립적인 확장 가능한 메커니즘 원격 프로시저 콜을 이용하여 군집 비행환경에서 효과적인 운용통신 기술을 제공한다.

Description

군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치{APPARATUS FOR REAL TIME COMMUNICATION FOR SWARM UNMANNED AERIAL SYSTEM}
본 발명은 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 네트워크적인 부담을 감소하고, GRPC 플랫폼의 중립적인 확장 가능한 메커니즘 원격 프로시저 콜을 이용하여 군집 비행환경에서 효과적인 운용통신 기술을 제공하는 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치에 관한 것이다.
최근 무인항공기를 지칭하는 드론 관련 산업이 미래를 이끌 신산업으로 부상하고 있다.
무인항공기는 20세기 초에 군사용으로 개발되어 정찰·감시 및 폭격과 같은 군사임무를 수행하여 왔으나 최근 들어 독일 DHL, 아마존, 구글 등과 같은 다국적 기업들이 상업적 용도로 활용을 선언하며 연구 개발에 뛰어 들면서 그 시장이 예상보다 빨리 커지고 있다.
이와 같은 무인항공기는 비행체 자체로 임무를 수행할 수 없기 때문에 항공전자장비와 통신장비를 탑재하여 비행임무를 수행하는 비행체(Flight Vehicle)와, 원격제어 및 임무통제를 위한 지상통제장비(Ground Control Station)와, 지상통제장비와 통신을 위한 데이터링크(Data Link) 장비와, 임무수행을 위해 필요한 임무장비와 지상지원장비로 이루어지는 지원체계(Support System)를 포함하여 구성된다.
최근의 무인항공기는 군집 비행쇼가 각광을 받고 있는 분야중 하나이고, 관객들로 하여금 많은 신선함을 제공하고 있다.
그러나 현재의 군집 비행환경에 대한 운용이나, 통신 기술의 효과적인 방법에 대하여 구체적으로 확립된 바가 없어 여러가지 관제시스템과 더불어 다양한 통신환경이 적용되고 있다.
일반적으로 오픈소스 기반의 무인항공기 하드웨어(Pixhawk, Ardupilot Mega) 는 Mission Planner 등의 상용 프로그램을 통해 명령을 전달하거나 상태정보를 확인할 수 있다.
이를 위해서는 무인항공기와 지상통제시스템(GCS:Ground Control System) 간의 1:1 접속을 통해 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)를 관제할 수 있으며 MAVLINK를 통해 드론의 이동 경로에 대한 입력 및 수정이 가능하다.
또한, 낮은 수준의 TCP/IP 기반의 연결 지향적 통신환경이나, UDP(User Datagram Protocol)를 이용한 비연결 지향적 방송의 환경은 적은 대수에서는 적절하지만, 다수의 군집 비행 및 제어 시스템을 고려한다면, 운용 시스템 측면에서 직접적으로 다루기에는 많은 리소스가 필요하고, 이로 인한 오버헤드(Overhead)를 초래하는 문제점이 있다.
또한, 정상 동작을 위해서 네트워크는 항상 빠르고 장애가 없어야 하며, 서버는 클라이언트 요청에 언제든지 응답할 수 있고, 언제든지 서버와 연결 가능한 환경이 보장되어야 하는 문제점이 있다.
또한, 시스템 C/S 환경에서도, 연결 대상들의 데이터 수집이나 명령 송수신 등에 있어 각각의 연결 설정, 소켓 관리, 예외처리 등 많은 개발적, 관리적 측면의 정보들을 핸들링하거나 개발해야만 하여 군집 비행의 통신환경 뿐만 아니라 넓은 범위의 소프트웨어 개발 측면에서도 확장성과 완성도가 떨어지고, 안정적이지 못한 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 등록번호 제10-1765250호(발명의 명칭: 다수의 무인 비행체의 비행 스케줄 정보 생성 장치, 다수의 무인 비행체의 비행 제어 방법 및 무인 비행체)
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 네트워크적인 부담을 감소하고, GRPC 플랫폼의 중립적인 확장 가능한 메커니즘 원격 프로시저 콜을 이용하여 군집 비행환경에서 효과적인 운용통신 기술을 제공하는 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 GRPC 클라이언트로서, GRPC 원격 프로시저 호출을 이용하고, 지상 통제부의 RPC(Remote Procedure Call) 서버와 네트워크로 연결되며, 상기 지상 통제부의 RPC 서버의 통신 서비스를 정의한 스텁(Stub)으로 RPC를 수행하고, 프로토콜 버퍼를 사용하기 위해 데이터형을 저장한 프로토(proto) 파일의 수신 데이터의 운용 내용에 따라 일정 포맷의 메시지를 생성하여 무인비행체에 제공함으로써, 상기 무인비행체가 동작되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 무인비행체와 지상 통제부 사이의 통신 서비스는 단일 요청 프로시저, 서버 응답 스트리밍 프로시저, 클라이언트 스트리밍 프로시저, 양방향 스트리밍 프로시저 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 일정 포맷의 메시지는 마브 링크(MAVLink) 프로토콜 기반의 메시지인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 GRPC 클라이언트는 비행 제어부로부터 전송되는 마브 링크 포맷의 비행 데이터, 센서부 및 카메라로부터 전송되는 임의의 데이터가 수신되면, 상기 수신된 데이터에 대응하는 프로토 데이터 구조를 생성하는 메시지 관리부; 상기 지상 통제부의 RPC 서버로부터 전송되는 통신 서비스에 따라 명령 및 임무 송신을 포함한 프로토 스키마(Proto-Schema)를 수신하면, 상기 수신된 명령 및 임무에 대응하는 마브 링크 메시지를 생성하여 상기 비행 제어부, 센서부 및 카메라로 전송하여 동작이 수행되도록 하는 메시지 생성부; 및 상기 생성된 프로토 데이터 구조를 통해 상기 지상 통제부의 GRPC 서버와 송신 및 스트림을 형성하는 GRPC 스텁을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 네트워크적인 부담을 감소하고, GRPC 플랫폼의 중립적인 확장 가능한 메커니즘 원격 프로시저 콜을 이용하여 군집 비행환경에서 효과적인 운용통신 기술을 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 서로가 로컬 객체인 것처럼 다른 컴퓨터의 응용프로그램의 메서드를 직접 호출하는 것이 가능하여 확장 및 응용이 쉬운 장점이 있다.
또한, 본 발명은 MAVLink 기반 비행 콘트롤러(Flight Controller)를 사용하여 프로토콜 버퍼(Protocol Buffer) 기반 통신의 자체 비행 콘트롤러로 확장할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치를 나타낸 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치의 동작과정을 설명하기 위해 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치의 동작과정을 설명하기 위해 나타낸 다른 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치의 서비스 종류를 나타낸 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 시스템 및 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다는 표현은 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, "‥부", "‥기", "‥모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 그 둘의 결합으로 구분될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치를 나타낸 예시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치의 동작과정을 설명하기 위해 나타낸 블록도이며, 도 3은 본 발명에 따른 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치의 동작과정을 설명하기 위해 나타낸 다른 블록도이고, 도 4는 본 발명에 따른 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치의 서비스 종류를 나타낸 예시도이다.
도 1 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치는 GRPC(Google RPC, 구글 RPC) 클라이언트(300)로서, GRPC 원격 프로시저 호출을 이용하고, 지상 통제부(200)의 RPC(Remote Procedure Call) 서버와 네트워크로 연결되며, 상기 지상 통제부(200)의 RPC 서버의 통신 서비스를 정의한 스텁(Stub)으로 RPC를 수행하고, 프로토콜 버퍼를 사용하기 위해 데이터형을 저장한 프로토(proto) 파일의 수신 데이터의 운용 내용에 따라 일정 포맷의 메시지를 생성하여 무인비행체(100, 100a, 100b)에 제공함으로써, 상기 무인비행체(100, 100a, 100b)가 동작되도록 한다.
상기 무인비행체(100)는 비행 동작을 제어하는 비행 제어부(110)와, 비행 상태를 감지하는 센서부(120)와, 주변을 촬영하여 영상을 제공하는 카메라(130)를 포함하여 구성되고, 바람직하게는 GRPC 클라이언트(300)가 설치된다.
또한, 상기 무인비행체(100)는 GRPC 클라이언트(300)를 통해 수신되는 지상 통제부(200)의 명령 및 임무에 따라 상기 비행 제어부(110)와, 센서부(120)와 카메라(130)가 동작되도록 운용한다.
또한, 상기 무인비행체(100)는 상기 비행 제어부(110)와, 센서부(120)와 카메라(130)의 동작으로 발생되는 데이터를 상기 GRPC 클라이언트(300)로 출력되도록 운용한다.
상기 지상 통제부(200)는 GCS(Ground Control System)으로서, RPC(Remote Procedure Call) 서버를 포함하고, Web 기반 백엔드 기반, 클라이언트(C)/서버(S) 기반에 무관하며, GRPC 클라이언트(300)의 서비스에 따라 명령 및 임무 송신을 포함한 프로토 스키마(Proto-Schema)를 송신하며, 상기 GRPC 클라이언트(300)와 송신 및 스트림을 형성한다.
상기 GRPC 클라이언트(300)는 임베디드 장치로서, 군집 무인 항공 시스템(Unmanned Aerial System: UAS) 환경에서 지상 통제부(200)를 두고, 상기 지상 통제부(200)와 다수의 무인비행체(100, 100a, 100b) 사이에 통신이 이루어지게 하는 구성으로서, 메시지 관리부(310)와, 메시지 생성부(320)와, GRPC 스텁(330)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 GRPC 클라이언트(300)는 GRPC 원격 프로시저 호출을 이용하고, 지상 통제부(200)의 RPC(Remote Procedure Call) 서버와 무선 네트워크로 연결된다.
또한, 상기 GRPC 클라이언트(300)는 상기 지상 통제부(200)의 RPC 서버의 통신 서비스를 정의한 스텁(Stub)으로 RPC를 수행하여, 무인비행체(100)와, 마브 링크(MAVLink) 포맷으로 송수신하는 데이터를 경량화시킨 데이터 구조의 프로토(proto) 파일에 정의한 운용 프로토콜 내용으로 다수의 무인 비행체(100, 100a, 100b)와 GRPC 기반으로 빠르고 효과적으로 대규모 통신을 수행할 수 있도록 한다.
즉, 네트워크를 통해 연결된 GRPC 클라이언트(300)는 서버의 통신 서비스를 정의한 스텁으로 RPC를 수행하고, 프로토콜 버퍼를 사용하기 위해 데이터형을 저장한 프로토(proto) 파일의 수신 데이터의 운용 내용에 따라 일정 포맷, 예를 들면, 마브 링크(MAVLink) 프로토콜 기반의 메시지를 생성한다.
상기 생성된 마브 링크 메시지는 무인비행체(100, 100a, 100b)의 비행 제어부(110)와의 통신, 양방향 실시간 스트림, 센서부(120)와 카메라(130)의 동작 등 미리 설정된 목적에 따른 동작을 수행할 수 있도록 한다.
이때, 상기 UAS의 비행 제어부와 펌웨어에 따라 다르지만, 무인비행체의 제어를 위해 제작된 Pixhawk, APM/PX4를 사용하는 무인비행체인 경우, 마브링크(MAVLink) 프로토콜을 기반해서 실시간 데이터 통신을 수행한다.
또한, GRPC의 클래스를 상속받는다면, 호출받아 요청을 입력 받을 때마다 어떤 로직을 수행할지 구현할 수 있고, 모든 절차가 끝났을 때의 로직도 구현 가능하게 된다.
이러한 다수의 무인비행체(100, 100a, 100b)와의 통신에 GRPC가 적용될 수 있어 상기 무인비행체(100, 100a, 100b)와 지상 통제부(200) 사이의 통신 서비스는 단일 요청 프로시저, 서버 응답 스트리밍 프로시저, 클라이언트 스트리밍 프로시저, 양방향 스트리밍 프로시저로 이루어진 4개의 서비스로 정의할 수 있다.
즉, 도 4(a)와 같이, 클라이언트의 요청에 대하여 서버가 응답하는 단일 요청 프로시저, 도 4(b)와 같이, 클라이언트의 스트림 요청에 대하여 서버가 스트림 응답하는 서버 응답 스트리밍 프로시저, 도 4(c)와 같이, 클라이언트의 스트림 전송을 수행하는 클라이언트 스트리밍 프로시저, 도 4(d)와 같이, 클라이언트와 서버간의 양방향 스트리밍 프로시저 통신 서비스로 정의될 수 있다.
그러나, 상기 통신 서비스는 4개의 서비스에 한정되는 것은 아니고, 필요에 따라 증가 또는 감소시켜 구성할 수도 있다.
상기 메시지 관리부(310)는 비행 제어부(110)로부터 전송되는 마브 링크 포맷의 비행 데이터, 센서부(120) 및 카메라(130)로부터 전송되는 감지 데이터, 촬영 데이터 등이 수신되면, 상기 수신된 데이터에 대응하는 프로토 데이터 구조를 생성한다.
상기 메시지 생성부(320)는 지상 통제부(200)의 RPC 서버로부터 전송되는 통신 서비스에 따라 명령 및 임무 송신을 포함한 프로토 스키마(Proto-Schema)를 수신하면, 상기 수신된 명령 및 임무에 대응하는 마브 링크 메시지를 생성하여 상기 비행 제어부(110), 센서부(120) 및 카메라(130)로 전송함으로써, 상기 비행 제어부(110)와 지상 통제부(200) 사이에 통신 또는 양방향 스트림이 형성되도록 하거나, 상기 센서부(120) 및 카메라(130)가 동작하여 운용될 수 있게 한다.
상기 GRPC 스텁(330)은 데이터/응답을 제공하기 위한 인터페이스로서, 상기 생성된 프로토 데이터가 상기 지상 통제부(200)의 GRPC 서버와 송신 및 스트림을 형성할 수 있도록 한다.
상기한 GRPC 클라이언트(300)는 UAS 군집 환경뿐만 아니라, IOT 시스템의 통신 및 데이터 허브, 클라우드 시스템, 보안, 스마트 시티 플랫폼, 네트워크 C/S 시스템의 응용으로 C/C++ 및 QT 등의 프레임 워크 기반 소프트웨어 응용프로그램의 통신에 적용할 수도 있다.
또한, 서버와 클라이언트의 통신에 구조화된 프로토콜 버퍼를 사용하여 JSON 보다 가볍고, 빠르며, 프로토 파일을 이용한 바이너리(Binary) 생성 및 직렬화를 통해 텍스트(Text) 보다 작은 데이터 공간에서 처리할 수 있도록 한다.
또한, GRPC는 HTTP/2기반이기 때문에 Multiplexed Streams, Stream Prioritization, Server Push, Header Compression 등으로 웹 응답속도가 HTTP1.1에 비해 15~50% 이상이며 기존의 RESTful API 환경보다 많은 우위를 가진다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 네트워크적인 부담을 감소하고, GRPC 플랫폼의 중립적인 확장 가능한 메커니즘 원격 프로시저 콜을 이용하여 군집 비행환경에서 효과적인 운용통신을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 도면번호는 설명의 명료성과 편의를 위해 기재한 것일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있으며, 상술된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 해석은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
100, 100a, 100b : 무인비행체
110 : 비행 제어부
120 : 센서부
130 : 카메라
200 : 지상 통제부
300 : GRPC 클라이언트
310 : 메시지 관리부
320 : 메시지 생성부
330 : GRPC 스텁(Stub)

Claims (4)

  1. GRPC(Google RPC) 클라이언트(300)로서,
    GRPC 원격 프로시저 호출을 이용하고, 지상 통제부(200)의 RPC(Remote Procedure Call) 서버와 네트워크로 연결되며, 상기 지상 통제부(200)의 RPC 서버의 통신 서비스를 정의한 스텁(Stub)으로 RPC를 수행하고, 프로토콜 버퍼를 사용하기 위해 데이터형을 저장한 프로토(proto) 파일의 수신 데이터의 운용 내용에 따라 일정 포맷의 메시지를 생성하여 무인비행체(100, 100a, 100b)에 제공함으로써, 상기 무인비행체(100, 100a, 100b)가 동작되며,
    상기 GRPC 클라이언트(300)는 비행 제어부(110)로부터 전송되는 마브 링크 포맷의 비행 데이터, 센서부(120) 및 카메라(130)로부터 전송되는 임의의 데이터가 수신되면, 상기 수신된 데이터에 대응하는 프로토 데이터 구조를 생성하는 메시지 관리부(310);
    상기 지상 통제부(200)의 RPC 서버로부터 전송되는 통신 서비스에 따라 명령 및 임무 송신을 포함한 프로토 스키마(Proto-Schema)를 수신하면, 상기 수신된 명령 및 임무에 대응하는 마브 링크 메시지를 생성하여 상기 비행 제어부(110), 센서부(120) 및 카메라(130)로 전송하여 동작이 수행되도록 하는 메시지 생성부(320); 및
    상기 생성된 프로토 데이터 구조를 통해 상기 지상 통제부(200)의 GRPC 서버와 송신 및 스트림을 형성하는 GRPC 스텁(330)을 포함하는 것을 특징으로 하는 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 무인비행체(100, 100a, 100b)와 지상 통제부(200) 사이의 통신 서비스는 단일 요청 프로시저, 서버 응답 스트리밍 프로시저, 클라이언트 스트리밍 프로시저, 양방향 스트리밍 프로시저 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 일정 포맷의 메시지는 마브 링크(MAVLink) 프로토콜 기반의 메시지인 것을 특징으로 하는 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 시스템.
  4. 삭제
KR1020180169106A 2018-12-26 2018-12-26 군집 무인 항공 시스템 환경을 위한 실시간 통신 장치 KR102025885B1 (ko)

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