KR102210083B1 - 드론제어시스템 - Google Patents

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KR102210083B1
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고한결
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Abstract

광을 이용한 드론제어시스템은 비행본체와 비행본체의 비행이 가능하도록 비행 구동하는 비행구동부와 비행본체에 지지되어 적어도 하나의 광을 감지하는 광감지영역을 갖는 광학감지부 및 광감지영역의 수광위치에 대한 이동방향을 저장하고 광감지영역에 감지된 수광위치에 기초하여 해당 이동방향으로 이동되도록 비행구동부를 제어하는 드론제어부를 포함하는 드론, 광학감지부의 광감지영역으로 광을 송출하는 광송출부 및 광송출부를 이동 구동하는 광송출구동부를 포함하는 광송출장치 및 사용자의 명령을 입력하기 위한 사용자입력부와 입력된 사용자의 명령에 따라 드론이 이동되도록 하는 적어도 하나의 광을 광감지영역으로 송출하도록 광송출장치를 제어하는 제어부를 포함하는 제어장치를 포함한다.

Description

드론제어시스템{Drone Control System}
본 발명은 드론제어시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광을 이용하여 실내에서 드론의 비행을 제어할 수 있는 드론제어시스템에 관한 것이다.
무인비행체(드론) 기술이 발전하고 점점 그 사용처가 늘어남에 따라 서비스산업에서의 드론 이용도 증가하고 있다. 일반적인 드론은 실외에서 주로 사용되며, GPS를 이용하여 드론의 비행경로, 속도 및 다양한 이벤트를 위한 비행 등의 제어를 한다.
그러나 드론을 돔 경기장과 같은 GPS를 사용할 수 없는 실내에서는 GPS장비 이외의 다른 장비를 이용하여 드론을 제어하여야 한다. 또한, 그 정밀도가 수 m ~ 수십 cm에 미치지 못한다. 이를 위한 드론의 제어방법이 개선되었으나 가속도 및 자이로 센서, 초음파 센서, 라이다, 레이더 등의 추가적인 장비가 필요하므로 고장 위험이 증가하며 드론의 무게 및 원가가 상승하고 이에 따른 비행시간이 감소하는 등의 문제가 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 광을 이용하여 실내에서도 드론의 비행을 정밀하게 제어할 수 있는 드론제어시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광을 이용한 드론제어시스템은, 비행본체와, 상기 비행본체의 비행이 가능하도록 비행 구동하는 비행구동부와, 상기 비행본체에 지지되어 적어도 하나의 광을 감지하는 광감지영역을 갖는 광학감지부 및 상기 광감지영역의 수광위치에 대한 이동방향을 저장하고 상기 광감지영역에 감지된 수광위치에 기초하여 해당 이동방향으로 이동되도록 상기 비행구동부를 제어하는 드론제어부를 포함하는 드론; 상기 광학감지부의 상기 광감지영역으로 광을 송출하는 광송출부 및 상기 광송출부를 이동 구동하는 광송출구동부를 포함하는 광송출장치; 및 사용자의 명령을 입력하기 위한 사용자입력부와, 입력된 사용자의 명령에 따라 상기 드론이 이동되도록 하는 상기 적어도 하나의 광을 상기 광감지영역으로 송출하도록 상기 광송출장치를 제어하는 제어부를 포함하는 제어장치를 포함한다. GPS를 사용할 수 없는 실내에서 광을 드론의 광감지영역으로 송출하여 드론을 사용자가 원하는 비행방향 및 비행경로를 따라 비행하도록 제어할 수 있으므로 실내에서도 드론의 비행을 제어할 수 있다.
여기서, 상기 제어장치는, 상기 드론의 위치를 감지하는 위치감지부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 광에 의해 상기 드론이 이동하지 않는 것으로 판단되는 경우 상기 위치감지부에서 감지된 상기 드론의 위치에 기초하여 상기 광감지영역에 상기 적어도 하나의 광이 수신되도록 상기 광송출장치를 제어하면 광송출장치에서의 광이 광감지영역에 수광되지 않는 경우에도 드론의 위치를 파악하여 광을 광감지영역으로 송출할 수 있으므로 드론 비행의 제어의 편리성이 향상될 수 있어 바람직하다.
그리고 상기 드론은, 상기 제어장치로부터 데이터를 수신하는 드론통신부를 더 포함하며, 상기 제어장치는, 상기 드론으로 비행경로에 대한 비행데이터를 전송할 수 있는 통신부; 상기 드론제어부는, 상기 비행데이터를 수신하여 저장하며, 상기 광감지영역에 상기 적어도 하나의 광 중 적어도 하나의 광이 수신되지 않는 경우 상기 위치감지부에서 감지된 상기 드론의 위치에 대한 데이터를 수신하여 상기 비행데이터를 따라 비행되도록 하면 광을 이용한 드론제어를 하지 못하는 경우에도 광을 이용한 드론의 비행제어를 통신을 이용하여 제어할 수 있어 바람직하다.
여기서, 상기 드론제어부는, 상기 광감지영역에 상기 적어도 하나의 광도 수신되지 않는 경우, 상기 위치감지부에서 감지된 상기 드론의 위치에 대한 데이터를 수신하여 기설정된 위치로 이동시키면 드론은 원위치에 돌아오게 할 수 있으며 다시 제어를 정밀하게 할 수 있어 바람직하다.
그리고 상기 드론제어부는, 상기 광감지영역 중 상기 비행본체가 정지하도록 하는 서로 다른 위치에 배치되며 상기 적어도 하나의 광에 대응하는 적어도 하나의 정지수광영역을 설정하며, 상기 적어도 하나의 정지수광영역을 중심으로 상기 비행본체가 어느 하나의 이동방향을 따라 이동하도록 하는 복수의 이동수광영역으로 구획 설정하면 정지수광영역과 이동수광영역으로 광을 정확하게 송출하여 드론의 비행을 정밀하게 제어할 수 있어 바람직하다.
여기서, 상기 드론제어부는, 상기 적어도 하나의 정지수광영역 및 상기 복수의 이동수광영역 각각의 영역 중 상기 적어도 하나의 광이 수광되는 편향위치에 대응하여 상기 비행본체의 이동방향을 결정하면 광감지영역에 수광되는 편향위치에 대하여 이동방향 및 경로를 미리 저장해두고 비행을 할 수 있어 바람직하다.
그리고, 상기 제어장치는, 상기 드론을 촬상할 수 있는 카메라를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 광에 의해 상기 드론이 이동하지 않는 것으로 판단되는 경우 상기 카메라를 이용하여 상기 드론의 위치를 파악하고, 파악된 상기 드론으로 상기 적어도 하나의 광을 송출하도록 하면 카메라로 광감지영역을 파악할 수 있으므로 정확하게 광을 송출하여 드론의 정확한 비행을 할 수 있어 바람직하다.
여기서, 상기 한 쌍의 광송출부는 적어도 하나의 영역으로 복수의 광을 송출하도록 복수로 마련되며, 상기 제어부는, 상기 드론의 이동을 위한 사용자명령에 따라 상기 광감지영역 중 상기 적어도 하나의 영역으로 복수의 광을 송출하도록 제어하면 드론과 제어장치의 거리가 멀어지는 경우에도 드론의 비행방향 및 비행경로에 대한 제어를 할 수 있어 바람직하다.
그리고 상기 드론제어부는, 복수로 마련된 상기 적어도 하나의 광송출부에 송출되어 상기 광감지영역에 수광된 광의 분포에 기초하여 상기 비행본체가 이동되도록 하면 광감지영역의 수광분포에 대한 비행방향 및 경로를 저장해두고 수광분포을 파악하여 비행을 제어할 수 있으므로 바람직하다.
여기서, 상기 광학감지부는 영역이 구분된 복수의 광감지영역을 가지며, 상기 광송출장치는 적어도 상기 복수의 광감지영역에 동시에 복수의 광을 송출할 수 있는 광송출영역을 갖고 복수의 광을 상기 복수의 광감지영역으로 송출하고, 상기 드론제어부는, 상기 복수의 광감지영역에 수광되는 편향점유율, 광강도, 광각도 등에 기초하여 상기 비행본체가 이동되도록 하면 복수의 송출광을 이용하므로 드론 비행의 정밀성을 향상시킬 수 있어 바람직하다.
본 발명에 따르면 GPS를 사용할 수 없는 실내에서 광을 드론의 광감지영역으로 송출하여 드론을 사용자가 원하는 비행방향 및 비행경로를 따라 비행하도록 제어할 수 있으므로 실내에서도 드론 비행의 제어에 대한 정밀성 및 편리성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 드론제어시스템의 블록도.
도 2는 드론을 운전하는 설명도.
도 3은 광감지영역의 실시 예시도.
도 4와 5는 드론의 비행운전 예시도.
도 6은 드론의 제어블록도.
도 7은 제어장치의 제어블록도.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 드론제어시스템을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 드론제어시스템의 블록도이고, 도 2는 드론(1)을 운전하는 설명도이며, 도 3은 광감지영역의 실시 예시도이고, 도 4와 5는 드론(1)의 비행운전 예시도이며, 도 6은 드론(1)의 제어블록도이고, 도 7은 제어장치(3)의 제어블록도이다.
드론제어시스템은 드론(1), 광송출장치(2) 및 제어장치(3)로 이루어진다.
드론(1)은 무인비행체로 비행본체(10), 비행구동부(11), 광학감지부(12), 드론통신부(13) 및 드론제어부(14)를 포함한다.
비행본체(10)는 비행구동부(11), 광학감지부(12), 드론통신부(13) 및 드론제어부(14)를 지지하거나 수용하는 수용공간이 형성되는 몸체를 가지며, 평평한 하면을 갖는다.
비행구동부(11)는 비행본체(10)의 비행이 가능하도록 비행 구동한다. 비행구동부(11)는 비행날개(111), 날개지지축(112), 날개보호부(113) 및 비행구동모터(114)를 갖는다. 비행날개(111)는 프로펠러 형상으로 이루어지며, 복수로 마련된다. 날개지지축(112)은 일단이 비행본체(10)에 고정 결합된 상태에서 타단은 비행날개(111)를 회전 가능하게 지지하면서 결합된다. 날개보호부(113)는 비행본체(10) 도는 날개지지축(112)에 지지되며 비행날개(111)의 외측에 배치된다. 날개보호부(113)는 비행날개(111)의 측방과 상하방에서 접근되는 외부물체, 외부건물 등으로부터 보호하도록 배치된다. 비행구동모터(114)는 비행날개(111)를 각각 회전 구동한다.
광학감지부(12)는 비행본체(10)에 지지되어 적어도 하나의 광을 감지하는 광감지영역(121)을 갖는다. 광학감지부(12)는 광을 수광하는 센서이다. 광학감지부(12)는 비행본체(10)의 하면에 결합되어 하방에서 송출되는 광을 수광할 수 있도록 한다. 광학감지부(12)는 비행본체(10)의 측면이나 상면에 마련될 수도 있으며 상방이나 측방에서 송출되는 광을 수광할 수도 있다. 예컨대 돔경기장 천정에서 하방으로 광을 송출하면서 드론(1)의 비행을 운전할 수도 있다. 광학감지부(12)는 영역이 구분된 복수의 광감지영역(121)을 가질 수 있다.
드론통신부(13)는 제어장치(3)를 포함하는 외부장치로부터 데이터를 수신할 수도 있고 송신할 수도 있다.
드론제어부(14)는 광감지영역(121)의 수광위치에 대한 이동방향을 저장하고 광감지영역(121)에 감지된 수광위치에 기초하여 해당 이동방향으로 이동되도록 비행구동부(11)를 제어한다. 드론제어부(14)는 광학감지부(12)의 광의 위치 조합에 따라 이동방향, 이동속도 등을 저장하고 있으며, 이에 따른 비행날개(111)의 배치를 저장하고 있으며 비행날개(111)의 배치에 따른 비행구동모터(114)의 구동시기 및 회전속도를 저장하고 있으며, 광학감지부(12)에 수광되는 광의 위치 조합에 따라 비행구동모터(114)를 구동하여 비행이 이루어지도록 한다.
여기서, 드론제어부(14)는 현재 드론(1)의 상황을 고려하여 광학감지부(12)에 수광되는 광의 위치 조합에 따른 이동방향과 이동속도 등에 대한 비행구동모터(114)를 제어할 수 있다.
드론제어부(14)는 비행데이터를 수신하여 저장하며, 광감지영역(121)에 적어도 하나의 광 중 적어도 하나의 광이 수신되지 않는 경우 위치감지부에서 감지된 드론(1)의 위치에 대한 데이터를 수신하여 비행데이터를 따라 비행되도록 할 수 있다.
드론제어부(14)는 광감지영역(121)에 적어도 하나의 광도 수신되지 않는 경우, 위치감지부에서 감지된 드론(1)의 위치에 대한 데이터를 수신하여 기설정된 위치로 이동시키도록 비행구동부(11)를 제어할 수 있다.
드론제어부(14)는 광감지영역(121) 중 상기 비행본체(10)가 정지하도록 하는 서로 다른 위치에 배치되며 적어도 하나의 광에 대응하는 적어도 하나의 정지수광영역을 설정하며, 적어도 하나의 정지수광영역을 중심으로 비행본체(10)가 어느 하나의 이동방향을 따라 이동하도록 하는 복수의 이동수광영역으로 구획 설정할 수 있다.
드론제어부(14)는 적어도 하나의 정지수광영역 및 복수의 이동수광영역 각각의 영역 중 적어도 하나의 광이 수광되는 편향위치에 대응하여 비행본체(10)의 이동방향을 결정 할 수 있다.
드론제어부(14)는 복수로 마련된 적어도 하나의 광송출부(20)에 송출되어 광감지영역(121)에 수광된 광의 분포에 기초하여 비행본체(10)가 이동되도록 할 수 있다.
복수의 광감지영역(121)에 수광되는 편향점유율, 광강도, 광각도 등에 기초하여 비행본체(10)가 이동되도록 할 수 있다.
광송출장치(2)는 광송출부(20)와 광송출구동부(21)를 갖는다.
광송출부(20)는 광학감지부(12)의 광감지영역(121)으로 광을 송출한다. 광송출부(20)에서 송출하는 광은 레이저광이며, 광송출부(20)는 광송출본체(201)와 레이저광원(202)을 갖는다. 광송출본체(201)는 원통형상을 갖고 레이저광원(202)을 수용한다. 광송출본체(201)은 레이저광을 점원으로 직진되도록 하는 렌즈들을 구비할 수 있다. 레이저광원(202)은 레이저광을 생성할 수 있다. 광송출부(20)는 복수로 마련되어 복수의 광을 동시에 송출할 수도 있다. 복수의 레이저광원(202) 각각은 상호 동일한 방향으로 송출될 수도 있으며 상호 다른 방향으로 송출될 수도 있다. 광송출장치(2)는 적어도 복수의 광감지영역(121)에 동시에 복수의 광을 송출할 수 있는 광송출영역을 갖고 복수의 광을 복수의 광감지영역(121)으로 송출할 수도 있다.
광송출구동부(21)는 광송출부(20)를 광송출본체(201)에 대하여 수직평면을 따라 회전되도록 회전 구동할 수도 있으며, 수평평면을 따른 회전방향으로 회전 구동할 수도 있다. 광송출구동부(21)는 광송출베이스부(211), 회전구동부(212), 레이저구동부(213)를 갖는다. 광송출베이스부(211)는 광송출본체(201)에 대하여 수평평면과 수직평면을 따라 회전 가능하게 결합된다. 광송출베이스부(211)는 턴테이블과 같은 형상으로 마련될 수 있으며, 회전구동부(212)에 의해 회전될 수 있다. 레이저구동부(213)는 레이저광원(202)을 구동하도록 구성된다.
제어장치(3)는 사용자입력부(31), 위치감지부(32), 통신부(33), 카메라(34) 및 제어부(35)를 갖는다. 사용자입력부(31)는 사용자의 명령을 입력하기 위한 구성이다. 사용자입력부(31)는 다양한 인터페이스로 구성될 수 있는데 드론(1)의 비행영상을 표시하는 중에 사용자의 터치에 의해 비행경로를 입력할 수 있도록 하는 터치패널로 마련될 수도 있고, 마이크로 마련되어 사용자의 음성에 따라 비행경로를 전달할 수도 있으며, 키보드, 마우스 등으로 마련될 수도 있다.
위치감지부(32)는 드론(1)의 위치를 감지할 수 있도록 구비된다. 초음파를 이용하여 드론(1)의 위치를 파악할 수도 있으며, 카메라를 이용하여 드론(1)의 위치를 파악할 수 있으며 레이다의 기능을 이용하여 드론(1)의 위치를 파악할 수도 있다. 위치감지부(32)는 어떤 구성으로 마련되어도 무방하며 드록의 위치를 정화하게 파악할 수 있는 것이면 한정되지 않는다.
통신부(33)는 드론(1)으로 비행경로에 대한 비행데이터를 전송할 수 있다.
카메라(34)는 비행하고 있는 드론(1)을 촬상할 수 있다. 카메라(34)는 연기가 많은 경우에도 드론(1)을 촬상할 수 있는 열상카메라로 마련될 수도 있다.
제어부(35)는 입력된 사용자의 명령에 따라 드론(1)이 이동되도록 하는 적어도 하나의 광을 광감지영역(121)으로 송출하도록 광송출장치(2)를 제어한다.
제어부(35)는 적어도 하나의 광에 의해 드론(1)이 이동하지 않는 것으로 판단되는 경우 위치감지부(32)에서 감지된 드론(1)의 위치에 기초하여 광감지영역(121)에 적어도 하나의 광이 수신되도록 광송출장치(2)를 제어한다.
제어부(35)는 적어도 하나의 광에 의해 드론(1)이 이동하지 않는 것으로 판단되는 경우 카메라(34)를 이용하여 드론(1)의 위치를 파악하고, 파악된 드론(1)으로 적어도 하나의 광을 송출하도록 할 수 있다.
제어부(35)는 드론(1)의 이동을 위한 사용자명령에 따라 광감지영역(121) 중 적어도 하나의 영역으로 복수의 광을 송출하도록 제어할 수 있다.
도 3은 광감지영역(121)의 실시 예시도이다.
광학감지부(12)의 광감지영역(121)이 2개로 마련되어 있으며, 각각의 광감지영역(121)이 9개의 영역으로 구획되어 있다.
도 3 (a) 레이저광이 좌측 광감지영역(121)의 중앙과 우측 광감지영역(121)의 중앙에 수광되고 있다. 이러한 경우 드론(1)은 비행구동부(11)를 제어하여 움직이지 않고 공중의 한 위치에 정지하도록 한다.
도 3 (b) 레이저광이 좌측 광감지영역(121)의 중앙 좌측과 우측 광감지영역(121)의 중앙 우측에 수광되고 있다. 이런 경우 드론(1)은 비행구동부(11)를 제어하여 수직으로 상승 이동되도록 한다.
도 3 (c) 레이저광이 좌측 광감지영역(121)의 중앙 우측과 우측 광감지영역(121)의 중앙 좌측에 수광되고 있다. 이런 경우 드론(1)은 비행구동부(11)를 제어하여 수직으로 하강 이동되도록 한다.
이와 같이 2개의 광감지영역(121)에 수광되는 위치에 대한 조합에 의해 이동방향을 결정하게 된다. 또한, 수광되는 레이저광의 세기에 따라 이동속도를 결정할 수도 있다.
도 4는 드론(1)의 비행운전 예시도이다.
도 4 (a) 광감지영역(121)에서 벗어나거나 2개의 레이저광의 수광위치 간격이 벌어지는 것을 인식한다.
도 4 (b) 2개의 레이저광의 수광위치 간격이 벌어지는 것을 인식하면 드론제어부(14)는 비행구동부(11)를 제어하여 비행본체(10)를 상승하게 하여 수광위치가 벌어지지 않거나 벗어나지 않도록 할 수도 있다.
도 5는 드론(1)의 비행운전의 다른 예시도이다.
도 5 (a) 2개의 레이저광 중 좌측의 광송출부(20)에 의해 송출되는 레이저광이 좌측의 광감지영역(121)을 벗어나면 드론제어부(14)는 비행구동부(11)를 제어하여 비행본체(10)를 좌측으로 이동하게 하여 2개의 레이저광이 광감지영역(121) 내에 위치할 수 있도록 할 수도 있다.
상기와 같이 수광위치에 대한 조합은 다양할 수 있으며 이에 대한 이동방향 및 이동속도를 미리 설정하여 두고 안정적으로 드론(1)을 운전할 수도 있다.
(연구결과)
1. 드론(1)
Arduino nano 33 IOT에 상보필터, 이중루프 PID 제어기를 적용하였다. 모터 체결부는 3D프린팅으로, 몸체는 플라스틱으로 제작하였다. 컨트롤러를 만들지 않았으나, 아두이노와 컴퓨터 간의 직접 통신을 이용하여 출력을 조절할 수 있었고 호버링에 성공하였다.
소스 코드는 '아두이노 드론(1) 만들고 직접 코딩하기'의 오픈소스를 베이스로 사용하였으며 사용하는 드론(1)에 맞도록 많은 수정을 거쳤다.
1-1. 상보필터
MPU-6050 자이로 센서로부터 받은 3축의 가속도 값을 이용해 중력 방향을 기준으로 기울기를 측정할 수 있고, 3축 자이로 센서로부터 각속도를 측정하고 적분하여 기울기를 알 수 있다. 이때 가속도 센서 순간적인 속도변화에 큰 영향을 받아 부정확해지지만 평균값은 정확하다. 반면 자이로 센서는 순간적인 각속도는 정확하지만 적분오차가 생겨 누적값은 부정확하다. 이 둘을 조합하여 단점을 보완한 것이 상보필터로, 다음과 같은 공식을 사용한다.
Figure 112020000332295-pat00001
타우 : 시간상수, 델타 t : 입력주기
우변의 첫 항은 자이로 센서로 이전 측정값에 적분을, 가속도 센서 각도가 그 중 일부를 보완하는 형태이다. 알파 값은 0.96으로 하였는데, 이는 자이로 96%, 가속도 4%를 신뢰하겠다는 의미이다. 가속도 센서를 이용한 각도 측정은 다음과 같은 공식을 사용한다.
Figure 112020000332295-pat00002
Figure 112020000332295-pat00003
프로세싱을 이용하여 상보필터를 이용한 각도 출력이 실제 회전 각도와 잘 일치하는 것을 확인하였다.
1-2. 이중루프 PID 제어기
PID 제어기는 목표 각도와 현재 각도의 차이(오차), 이전 오차의 합, 오차 변화율을 바탕으로 각각 비례항(P), 적분항(I), 미분항(D)과 각 항에 따른 보정상수를 이용해 목표 각도로 비행하기 위한 각 모터의 최적 출력을 결정하게 된다.
Figure 112020000332295-pat00004
Figure 112020000332295-pat00005
이때 드론(1)은 각도에 대한 오차 보정만으로는 제어가 불가능하다. 그 이유는 드론(1)의 경우에는 현재 기울어진 각도가 같아도 그 각도로 회전하는 각속도가 다를 수 있기 때문이다. 따라서 목표 각도와 목표 각속도(0 rad/s^2)를 각각 PID 제어하는 이중루프 PID를 사용해야 한다.
Figure 112020000332295-pat00006
각도에 대한 P, I를 구하고 각속도 (자이로 센서값)에 대한 P, I를 구한다. 각속도는 각도를 미분한 결과이므로 각도에 대한 D 항을 제어하는 것과 같아 미분항을 사용하지 않아도 된다.
PID제어기에 상보필터 출력과 목표각도를 입력해주었을 때 x, y, z축에 따른 회전력 출력(0~225)을 확인하였다. z축 방향 값의 절댓값이 큰데 이것은 센서의 z축 출력 각도가 목표각도에 비해 크다는 것을 의미한다.
1-3. 드론(1) 제작
Arduino nano 33 IOT, 850mAh 3.7 리튬 폴리머 배터리, MPU-6050 6축 자이로 센서, 8.5mm 코어리스 모터&프로펠러, SZH-MDBL-0103D 듀얼 DC 모터 드라이버, 3D 프린팅된 플라스틱 부품을 이용하여 제작하였다.
2. 레이저발사기
2-1. 좌표계변환
Figure 112020000332295-pat00007
원점 O에 있는 레이저 발사기는 x, y축을 회전축으로 하여 돌 수 있고, 따라서 공간상의 어떠한 방향에라도 레이저 신호를 발사할 수 있다. 레이저 발사기는 구조상 레이저의 세기, x축 회전축의 각도, y축 회전축의 각도를 이용해 제어해야 한다. 즉 구면좌표계에서 을 이용해 제어하는 것이 편하다. 하지만 드론(1)이 움직일 경로는 구면좌표계 상에서 설정하기가 어렵다. 예를 들어 드론(1)이 일정한 고도를 유지하면서 직선 경로를 이동해야 한다면 구면좌표계 상에서 드론(1)의 경로는
Figure 112020000332295-pat00008
와 같은 매우 복잡한 함수로 나타날 것이다. 경로는 사람이 설정해주어야 하는데 매 경로를 복잡한 함수로 나타내기보다는 좀 더 직관적으로 경로를 나타낼 수 있는 직교좌표계에서 설정하는 편이 편하다. 이 문제를 해결하려면 경로설정은 직교좌표계로 하되 경로 제어는 구면좌표계로 하면 된다.
일반적인 구면좌표계에서
Figure 112020000332295-pat00009
Figure 112020000332295-pat00010
Figure 112020000332295-pat00011
: 원점으로부터 P까지의 거리,
Figure 112020000332295-pat00012
: z축의 양의 방향으로부터 원점과 P가 이루는 직선까지의 각,
Figure 112020000332295-pat00013
: x축의 양의 방향으로부터 원점과 P가 이루는 직선을 x-y 평면에 투영시킨 직선까지의 각
Figure 112020000332295-pat00014
이라고 정의되는 좌표 을 이용할 때 직교좌표계 (x, y, z)에서 오른쪽 그림과 같은 구면좌표계로의 변환공식을 사용할 수 있다.
이것을 c언어로 구현하여 아두이노에 프로그래밍 하였다.
2-2. 제작
Arduino Uno와 스텝모터, 스텝모터 드라이버 모듈, 3D 디자인 및 프린팅한 몸체를 이용해 제작하였다. 스텝모터는 1스텝 (약 0.08도)단위로 회전해 정밀한 위치제어가 가능하다.
직교좌표로 입력한 x, y, z 좌표를 좌표계 변환을 통해 성공적으로 구면좌표로 변환하여 그 방향으로 레이저를 쏘는 것을 확인하였다.
3. 연구 결론
제작된 드론(1)을 케이블에 연결 후 호버링이 가능함을 보았다. 이는 기본적인 제어가 가능하다는 뜻이며, 따라서 임의의 신호가 주어졌을 때에도 그 신호의 제어각도에 맞는 안정적인 비행성능을 보일 것으로 기대된다. 또 제어 소프트웨어가 완성되면 하드웨어는 언제든 바꿀 수 있는데, 본 보고서에서는 사정상 소형 드론(1)을 사용하였지만 더욱 큰 대형 드론(1)에도 무리 없이 적용할 수 있을 것이다. 따라서 앞으로의 연구에 활용 가능성이 크다.
제어기를 설계, 제작 후 원하는 좌표를 입력하면 그 좌표방향으로 레이저 포인터를 쏘는 것을 확인하였다. 약 3m높이에서 스텝모터의 각 스텝당 레이저 포인터의 위치 간격은 약 1cm정도로 확인하였다. 즉 3m정도 높이에서는 드론(1)이 빛을 추적하는 데에 문제가 없을 것으로 예상된다. 하지만 더 높은 위치에서는 간격이 커질 수 있으므로 감속기어의 사용이 필요해 보인다.
레이저를 이용한 드론(1) 제어에 필요한 기초적인 장비들을 설계 및 제작, 세팅하였고 이를 바탕으로 최종적인 제어 시스템을 만들 수 있을 것으로 기대된다. 이는 추후 연구가 계속 진행되어야 할 부분이다. 적은 수의 부품만으로 드론(1)을 제작할 수 있었으며 그 가격 역시 기존 드론보다 쌀 것으로 예상한다. 프로세서를 제외한 부품 비용은 소비자 가격으로 약 2~3만원에 불과했다(사용한 아두이노에 들어가는 프로세서는 26000원이지만 약 3000원 수준까지 소비자가를 내릴 수 있다.). 이 정도 가격대의 드론(1)으로 비행 정밀 제어가 가능하다면 앞으로 더욱 많은 산업현장, 취미생활에서 드론(1)을 활용한 프로젝트들이 더욱 많아질 것이며 보다 더 많은 사람들이 적은 비용으로 드론(1) 서비스를 접할 수 있을 것이다.
상기의 드론(1)시스템으로 인하여, GPS를 사용할 수 없는 실내에서 광을 드론(1)의 광감지영역(121)으로 송출하여 드론(1)을 사용자가 원하는 비행방향 및 비행경로를 따라 비행하도록 제어할 수 있으므로 실내에서도 드론(1)의 비행을 제어할 수 있다. 광송출장치(2)에서의 광이 광감지영역(121)에 수광되지 않는 경우에도 드론(1)의 위치를 파악하여 광을 광감지영역(121)으로 송출할 수 있으므로 드론(1) 비행의 제어의 편리성이 향상될 수 있다.
광을 이용한 드론(1)제어를 하지 못하는 경우에도 광을 이용한 드론(1)의 비행제어를 통신을 이용하여 제어할 수 있다. 위치감지부(32)에서 감지된 드론(1)의 위치에 대한 데이터를 수신하여 기설정된 위치로 이동시킴으로써 드론(1)은 원위치에 돌아오게 할 수 있으며 다시 제어를 정밀하게 할 수 있다.
정지수광영역을 설정하며 적어도 하나의 정지수광영역을 중심으로 비행본체(10)가 어느 하나의 이동방향을 따라 이동하도록 하는 복수의 이동수광영역으로 구획 설정하여 정지수광영역과 이동수광영역으로 광을 정확하게 송출하여 드론(1)의 비행을 정밀하게 제어할 수 있다. 적어도 하나의 광이 수광되는 편향위치에 대응하여 비행본체(10)의 이동방향을 결정하여 광감지영역(121)에 수광되는 편향위치에 대하여 이동방향 및 경로를 미리 저장해두고 비행을 할 수 있다.
적어도 하나의 광에 의해 드론(1)이 이동하지 않는 것으로 판단되는 경우 카메라(34)를 이용하여 드론(1)의 위치를 파악하고 파악된 드론(1)으로 적어도 하나의 광을 송출하도록 하면 카메라(34)로 광감지영역(121)을 파악할 수 있으므로 정확하게 광을 송출하여 드론(1)의 정확한 비행을 할 수 있다.
적어도 하나의 영역으로 복수의 광을 송출하도록 제어하여 드론(1)과 제어장치(3)의 거리가 멀어지는 경우에도 드론(1)의 비행방향 및 비행경로에 대한 제어를 할 수 있다. 광감지영역(121)에 수광된 광의 분포에 기초하여 비행본체(10)가 이동되도록 하여 광감지영역(121)의 수광분포에 대한 비행방향 및 경로를 저장해두고 수광분포을 파악하여 비행을 제어할 수 있다.
복수의 광감지영역(121)에 수광되는 편향점유율, 광강도, 광각도 등에 기초하여 비행본체(10)가 이동되도록 하면 복수의 송출광을 이용하므로 드론(1) 비행의 정밀성을 향상시킬 수 있다.
1 : 드론 2 : 광송출장치
3 : 제어장치 10 : 비행본체
11 : 비행구동부 12 : 광학감지부
13 : 드론통신부 14 : 드론제어부
20 : 광송출부 21 : 광송출구동부
31 : 사용자입력부 32 : 위치감지부
33 : 통신부 34 : 카메라
35 : 제어부 111 : 비행날개
112 : 날개지지축 113 : 날개보호부
114 : 비행구동모터 121 : 광감지영역
201 : 광송출본체 202 : 레이저광원
211 : 광송출베이스부 212 : 회전구동부
213 : 레이저구동부

Claims (10)

  1. 광을 이용한 드론제어시스템에 있어서,
    비행본체와, 상기 비행본체의 비행이 가능하도록 비행 구동하는 비행구동부와, 상기 비행본체에 지지되어 적어도 하나의 광을 감지하는 광감지영역을 갖는 광학감지부 및 상기 광감지영역의 수광위치에 대한 이동방향을 저장하고 상기 광감지영역에 감지된 수광위치에 기초하여 해당 이동방향으로 이동되도록 상기 비행구동부를 제어하는 드론제어부를 포함하는 드론;
    상기 광학감지부의 상기 광감지영역으로 광을 송출하는 광송출부 및 상기 광송출부를 이동 구동하는 광송출구동부를 포함하는 광송출장치; 및
    사용자의 명령을 입력하기 위한 사용자입력부와, 입력된 사용자의 명령에 따라 상기 드론이 이동되도록 하는 상기 적어도 하나의 광을 상기 광감지영역으로 송출하도록 상기 광송출장치를 제어하는 제어부를 포함하는 제어장치를 포함하고,
    상기 광송출부는 적어도 하나의 영역으로 복수의 광을 송출하도록 복수로 마련되며,
    상기 제어부는,
    상기 드론의 이동을 위한 사용자명령에 따라 상기 광감지영역 중 상기 적어도 하나의 영역으로 복수의 광을 송출하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 드론제어시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 드론의 위치를 감지하는 위치감지부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 적어도 하나의 광에 의해 상기 드론이 이동하지 않는 것으로 판단되는 경우 상기 위치감지부에서 감지된 상기 드론의 위치에 기초하여 상기 광감지영역에 상기 적어도 하나의 광이 수신되도록 상기 광송출장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 드론제어시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 드론은, 상기 제어장치로부터 데이터를 수신하는 드론통신부를 더 포함하며,
    상기 제어장치는, 상기 드론으로 비행경로에 대한 비행데이터를 전송할 수 있는 통신부;
    상기 드론제어부는,
    상기 비행데이터를 수신하여 저장하며, 상기 광감지영역에 상기 적어도 하나의 광 중 적어도 하나의 광이 수신되지 않는 경우 상기 위치감지부에서 감지된 상기 드론의 위치에 대한 데이터를 수신하여 상기 비행데이터를 따라 비행되도록 하는 것을 특징으로 하는 드론제어시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 드론제어부는,
    상기 광감지영역에 상기 적어도 하나의 광도 수신되지 않는 경우, 상기 위치감지부에서 감지된 상기 드론의 위치에 대한 데이터를 수신하여 기설정된 위치로 이동시키는 것을 특징으로 하는 드론제어시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 드론제어부는,
    상기 광감지영역 중 상기 비행본체가 정지하도록 하는 서로 다른 위치에 배치되며 상기 적어도 하나의 광에 대응하는 적어도 하나의 정지수광영역을 설정하며, 상기 적어도 하나의 정지수광영역을 중심으로 상기 비행본체가 어느 하나의 이동방향을 따라 이동하도록 하는 복수의 이동수광영역으로 구획 설정하는 것을 특징으로 하는 드론제어시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 드론제어부는,
    상기 적어도 하나의 정지수광영역 및 상기 복수의 이동수광영역 각각의 영역 중 상기 적어도 하나의 광이 수광되는 편향위치에 대응하여 상기 비행본체의 이동방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 드론제어시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    상기 드론을 촬상할 수 있는 카메라를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 적어도 하나의 광에 의해 상기 드론이 이동하지 않는 것으로 판단되는 경우 상기 카메라를 이용하여 상기 드론의 위치를 파악하고, 파악된 상기 드론으로 상기 적어도 하나의 광을 송출하도록 하는 것을 특징으로 하는 드론제어시스템.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 드론제어부는,
    복수로 마련된 상기 적어도 하나의 광송출부에 송출되어 상기 광감지영역에 수광된 광의 분포에 기초하여 상기 비행본체가 이동되도록 하는 것을 특징으로 하는 드론제어시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학감지부는 영역이 구분된 복수의 광감지영역을 가지며,
    상기 광송출장치는 적어도 상기 복수의 광감지영역에 동시에 복수의 광을 송출할 수 있는 광송출영역을 갖고 복수의 광을 상기 복수의 광감지영역으로 송출하고,
    상기 드론제어부는,
    상기 복수의 광감지영역에 수광되는 편향점유율, 광강도, 광각도 등에 기초하여 상기 비행본체가 이동되도록 하는 것을 특징으로 하는 드론제어시스템.
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