KR102261899B1 - Apparatus and method for diagnosing fault of drone - Google Patents

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Abstract

본 발명의 드론 이상 진단 장치는 드론 구동시 발생하는 진동 원시 데이터를 수집하는 진동센서부; 상기 진동센서에서 수집된 진동 원시 데이터 중 상기 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수 대역만을 통과시키는 필터부; 상기 필터부를 통과한 시간영역의 데이터를 주파수 영역으로 변환한 후 점검 데이터로 출력하는 변환부; 및 상기 드론이 정상상태일 때의 진동 데이터를 기준 데이터로 미리 저장하고, 상기 변환부에서 출력된 점검 데이터와 상기 기준 데이터를 비교하여 상기 드론의 이상 여부를 감지하는 이상 감지부를 포함하되, FFT 변환 알고리즘을 적용하여 상기 데이터를 처리함으로써 처리 속도와 데이터 용량을 획기적으로 개선할 수 있으며, 유클리드 거리 산출식을 이용함으로써, 연산 처리 내용을 단순화하여 소형 마이크로 프로세서에 탑재할 수 있는 저용량 알고리즘을 구현할 수 있는 장점이 있다. A drone abnormality diagnosis apparatus of the present invention includes: a vibration sensor unit for collecting raw vibration data generated when the drone is driven; a filter unit that passes only an effective frequency band for diagnosing an abnormality of the drone among the raw vibration data collected by the vibration sensor; a conversion unit that converts the data in the time domain that has passed through the filter unit into the frequency domain and outputs it as inspection data; and an abnormality detection unit that stores vibration data when the drone is in a normal state in advance as reference data, and compares the inspection data output from the converter with the reference data to detect whether the drone is abnormal, FFT transformation By processing the data by applying an algorithm, the processing speed and data capacity can be dramatically improved, and by using the Euclidean distance calculation formula, it is possible to implement a low-capacity algorithm that can be mounted on a small microprocessor by simplifying the calculation process. There are advantages.

Description

드론의 이상 진단장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DIAGNOSING FAULT OF DRONE}Drone abnormality diagnosis device and method {APPARATUS AND METHOD FOR DIAGNOSING FAULT OF DRONE}

본 발명은 드론의 이상 진단장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 진동센서를 이용하여 드론의 동력부 이상을 진단하는 드론의 이상 진단 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for diagnosing an abnormality of a drone, and more particularly, to an apparatus and method for diagnosing an abnormality of a drone for diagnosing an abnormality in a power unit of a drone using a vibration sensor.

최근, 드론의 상업 및 산업현장의 적용이 급격히 증가하고 대형화가 가속되고 있으나, 이와 함께 추락사고와 그에 따르는 2차 피해 또한 증가하고 있어 드론 산업 발전에 걸림돌이 되고 있다. Recently, although the application of drones in commercial and industrial fields is rapidly increasing and the size is accelerating, with this, fall accidents and secondary damage are also increasing, which is an obstacle to the development of the drone industry.

따라서, 산업용 드론의 동력부(예컨대, 모터, 프로펠러, 프레임 등)의 고장 또는 인적원인의 정비 불량으로 인한 추락 사고를 사전에 예방할 수 있는 기술이 필요하다.Accordingly, there is a need for a technology capable of preventing a fall accident due to a failure of a power unit (eg, a motor, a propeller, a frame, etc.) of an industrial drone or a poor maintenance due to human causes.

한편, 회전체를 갖는 시스템의 이상을 자동으로 진단하기 위한 선행 연구를 살펴보면 선형판별분석(linear discriminant analysis), 인공신경망(artificial neural networks), 주성분 분석(principal component analysis), 마할라노비스 거리 분류기(Mahalanobis distance classifier), 로지스틱 회귀 분석(logistic regression) 등 여러 가지 분석 기법을 이용하여 판별하는 방법이 사용되었고, 그 중 ‘마할라노비스 거리’기반의 분류 기법은 다른 분석 기법들에 비해 우수한 성능을 보여주고 있어 많은 연구에서 사용되고 있다. On the other hand, looking at previous studies for automatically diagnosing abnormalities in systems with rotating bodies, linear discriminant analysis, artificial neural networks, principal component analysis, Mahalanobis distance classifier ( Various analysis methods such as Mahalanobis distance classifier and logistic regression were used to determine the classification method. Among them, the 'Mahalanobis distance'-based classification method showed superior performance compared to other analysis methods. It has been used in many studies.

기존 연구에서 제시된 이상 판별의 기본 접근 방법은 정상적 시스템의 동작 상태에서 수집된 진동 신호를 기반으로 모니터링을 통해 얻은 수집 데이터의 편차가 크게 발생했을 경우를 이상 상태로 판별한다. The basic approach to the detection of anomalies suggested in previous studies is to determine as an abnormal state when there is a large deviation in the collected data obtained through monitoring based on the vibration signal collected in the operating state of the normal system.

그런데, 이러한 종래의 연구들은 드론 시스템의 제한적 환경 특성(예컨대, 신호처리 시스템 성능, 용량, 물리적 사이즈 등)을 극복할 수 없었고, 이로 인해, 종래의 연구들을 드론 시스템에 적용할 수 없는 문제가 있었다. However, these conventional studies could not overcome the limited environmental characteristics of the drone system (eg, signal processing system performance, capacity, physical size, etc.), and due to this, there was a problem that the conventional studies could not be applied to the drone system. .

1. Lee, S. H. and Lim, G., “Performance Comparison of Mahalanobis- Taguchi System and Logistic Regression-A Case Study,”Journal of the Korean Institute of Industrial Engineers, Vol.39, No.5, pp.393-402, 2013.1. Lee, SH and Lim, G., “Performance Comparison of Mahalanobis- Taguchi System and Logistic Regression-A Case Study,” Journal of the Korean Institute of Industrial Engineers, Vol.39, No.5, pp.393-402 , 2013. 2. Bakonyi Mihaly, 1995, “The Euclidian Distance Matrix Completion Problem,”pp.646-654.2. Bakonyi Mihaly, 1995, “The Euclidian Distance Matrix Completion Problem,” pp.646-654. 3. De Maesschalck, Roy, 2000, “The mahalanobis distance,”Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, pp.1-18.3. De Maesschalck, Roy, 2000, “The mahalanobis distance,” Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, pp.1-18. 4. Park, S. G., Park, W. S., Jung, J. E., Lee, Y. Y., and Oh, J. E., “A Fault Diagnosis on the Rotating Machinery Using Mahalanobis Distance,”Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 32, No. 7, pp. 556-560, 2008.4. Park, S. G., Park, W. S., Jung, J. E., Lee, Y. Y., and Oh, J. E., “A Fault Diagnosis on the Rotating Machinery Using Mahalanobis Distance,” Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 32, No. 7, pp. 556-560, 2008. 5. 유정원, 장재열, 유재영, 김성신(2016). 마할라노비스 거리를 이용한 증기보일러 튜브의 고장탐지방법. 한국지능시스템학회 논문지, 26(3), 246-252.5. Yu Jeong-won, Jang Jae-yeol, Yoo Jae-young, Kim Seong-shin (2016). Failure detection method of steam boiler tube using Mahalanobis distance. Journal of the Korean Institute of Intelligent Systems, 26(3), 246-252.

따라서, 본 발명은 소형 산업용 드론에 장착할 수 있는 초소형 진동센서 모듈 환경에서 신호처리가 가능한 드론의 이상 진단장치 및 그 방법을 제공하고자 한다. Accordingly, an object of the present invention is to provide an apparatus and method for diagnosing abnormalities of a drone capable of signal processing in an environment of an ultra-small vibration sensor module that can be mounted on a small industrial drone.

또한, 본 발명은 소형 산업용 드론의 제한적 환경 특성에 맞춰서 데이터 처리 용량을 최소화한 드론의 이상 진단장치 및 그 방법을 제공하고자 한다. Another object of the present invention is to provide an apparatus for diagnosing an abnormality of a drone and a method thereof, which minimizes data processing capacity according to the limited environmental characteristics of a small industrial drone.

또한, 본 발명은 드론 구동시 발생하는 진동데이터를 수집한 후, FFT 변환 알고리즘을 적용하여 상기 데이터를 처리함으로써 처리 속도와 데이터 용량을 획기적으로 개선할 수 있는 드론의 이상 진단장치 및 그 방법을 제공하고자 한다. In addition, the present invention provides a drone abnormality diagnosis apparatus and method that can dramatically improve processing speed and data capacity by processing the data by applying an FFT conversion algorithm after collecting vibration data generated when the drone is driven want to

또한, 본 발명은 상기 수집된 데이터와 기준 데이터의 비교시, 유클리드 거리 산출식을 이용함으로써, 연산 처리 내용을 단순화하여 소형 마이크로 프로세서에 탑재할 수 있는 저용량 알고리즘을 구현할 수 있는 드론의 이상 진단장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.In addition, the present invention provides a drone abnormality diagnosis apparatus capable of implementing a low-capacity algorithm that can be mounted on a small microprocessor by simplifying the calculation process by using the Euclidean distance calculation formula when comparing the collected data with the reference data, and We want to provide that method.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 드론의 이상 진단장치는 드론 구동시 발생하는 진동 원시 데이터를 수집하는 진동센서부; 상기 진동센서에서 수집된 진동 원시 데이터 중 상기 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수 대역만을 통과시키는 필터부; 상기 필터부를 통과한 시간영역의 데이터를 주파수 영역으로 변환한 후 점검 데이터로 출력하는 변환부; 및 상기 드론이 정상상태일 때의 진동 데이터를 기준 데이터로 미리 저장하고, 상기 변환부에서 출력된 점검 데이터와 상기 기준 데이터를 비교하여 상기 드론의 이상 여부를 감지하는 이상 감지부를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the apparatus for diagnosing an abnormality of a drone provided by the present invention includes a vibration sensor unit for collecting raw vibration data generated when the drone is driven; a filter unit that passes only an effective frequency band for diagnosing an abnormality of the drone among the raw vibration data collected by the vibration sensor; a conversion unit that converts the data in the time domain that has passed through the filter unit into the frequency domain and outputs it as inspection data; and an abnormality detection unit that stores vibration data when the drone is in a normal state in advance as reference data, and compares the inspection data output from the converter with the reference data to detect whether the drone is abnormal. do.

바람직하게는, 상기 장치는 상기 드론에 대하여 임의의 고장 상황을 연출하여 나타난 주파수 패턴을 검출하고, 그 결과에 의거하여 상기 유효한 주파수 대역을 결정하는 유효 주파수 결정부를 더 포함할 수 있다. Preferably, the apparatus may further include an effective frequency determination unit that detects a frequency pattern that appears by creating a random failure situation with respect to the drone, and determines the effective frequency band based on the result.

바람직하게는, 상기 유효 주파수 결정부는 상기 유효 주파수 대역 내에 존재하는 주파수 대역 중 프로펠러의 회전 속도에 따라 하모닉(harmonics)이 발생되는 영역에 대하여 특별 분류하여 데이터를 처리할 수 있다. Preferably, the effective frequency determiner may process data by special classification for a region in which harmonics are generated according to a rotation speed of a propeller among frequency bands existing within the effective frequency band.

바람직하게는, 상기 변환부는 상기 필터부를 통과한 주파수 대역의 신호들 중, 일부만을 푸리에 변환하는 패스트 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 수행할 수 있다. Preferably, the transform unit may perform a Fast Fourier Transform (FFT) for performing a Fourier transform of only some of the signals of the frequency band that have passed through the filter unit.

바람직하게는, 상기 이상 감지부는 소정의 조건에 의거하여 다수의 진동 데이터들을 수집한 후 상기 다수의 진동 데이터들의 평균 벡터를 산출하여 기준 데이터를 생성하고, 상기 기준 데이터와 상기 점검 데이터의 유클리드 거리값(D)을 계산하고, 상기 유클리드 거리값(D)을 미리 설정된 임계값(Dth)과 비교하여 상기 드론에 이상이 발생했는지 여부를 결정할 수 있다. Preferably, the abnormality detection unit generates reference data by calculating an average vector of the plurality of vibration data after collecting a plurality of vibration data based on a predetermined condition, and a Euclidean distance value between the reference data and the inspection data By calculating (D) and comparing the Euclidean distance value (D) with a preset threshold value (D th ), it is possible to determine whether an abnormality has occurred in the drone.

바람직하게는, 상기 이상 감지부는 상기 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수 대역인 제1 주파수 대역의 주파수에 대하여, 일정 주파수 간격으로 정상 상태의 진동 데이터를 수집하고, 그 수집된 데이터들의 평균 벡터를 산출하고, 상기 드론의 회전속도에 따른 하모닉(harmonic)이 발생되는 주파수 대역인 제2 주파수 대역의 주파수에 대하여, 상기 하모닉의 피크치를 평균 벡터로 산출할 수 있다. Preferably, the abnormality detection unit collects vibration data in a steady state at regular frequency intervals with respect to a frequency of a first frequency band, which is an effective frequency band for diagnosing abnormalities of the drone, and calculates an average vector of the collected data and, with respect to a frequency of a second frequency band that is a frequency band in which a harmonic is generated according to the rotation speed of the drone, the peak value of the harmonic may be calculated as an average vector.

바람직하게는, 상기 이상 감지부는 상기 드론의 프로펠러의 회전속도가 특정 속도 이상인 경우, 미리 설정된 소정의 기준 속도에 도달할 때마다 상기 기준 데이터를 생성할 수 있다. Preferably, when the rotation speed of the propeller of the drone is greater than or equal to a specific speed, the abnormality detection unit may generate the reference data whenever a preset reference speed is reached.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 드론의 이상 진단방법은 드론이 정상 상태일 때의 진동 데이터를 학습하여 기준 데이터로 생성하는 기준 데이터 생성 단계; 드론 구동시 발생하는 진동 원시 데이터를 수집하는 데이터 수집단계; 상기 수집된 진동 원시 데이터 중 상기 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수 대역만을 선택하는 필터링 단계; 상기 필터링 단계에서 선택된 시간영역의 데이터를 주파수 영역으로 변환한 후 점검 데이터로 출력하는 변환 단계; 및 상기 점검 데이터와 상기 기준 데이터를 비교하여 상기 드론의 이상 여부를 감지하는 이상 감지단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, in order to achieve the above object, the method for diagnosing abnormalities of a drone provided by the present invention includes: a reference data generation step of learning vibration data when the drone is in a normal state and generating it as reference data; A data collection step of collecting raw data of vibrations generated when the drone is driven; a filtering step of selecting only a valid frequency band for abnormal diagnosis of the drone from among the collected vibration raw data; a conversion step of converting the data of the time domain selected in the filtering step into the frequency domain and outputting the data as inspection data; and comparing the inspection data with the reference data to detect an abnormality of the drone.

바람직하게는, 상기 방법은 상기 드론에 대하여 임의의 고장 상황을 연출하여 나타난 주파수 패턴을 검출하고, 그 결과에 의거하여 상기 유효한 주파수 대역을 결정하는 주파수 대역 결정단계를 더 포함할 수 있다. Preferably, the method may further include a frequency band determining step of detecting a frequency pattern that appears by creating a random failure situation for the drone, and determining the effective frequency band based on the result.

바람직하게는, 상기 기준 데이터 생성 단계는 소정의 조건에 의거하여 다수의 진동 데이터를 수집한 후 상기 다수의 진동 데이터들의 평균 벡터를 산출하여 기준 데이터를 생성하는 평균벡터 산출단계를 포함할 수 있다. Preferably, the step of generating the reference data may include an average vector calculating step of collecting a plurality of vibration data based on a predetermined condition and then calculating an average vector of the plurality of vibration data to generate the reference data.

바람직하게는, 상기 평균벡터 산출단계는 상기 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수 대역인 제1 주파수 대역의 주파수에 대하여, 일정 주파수 간격으로 정상 상태의 진동 데이터를 수집하고, 그 수집된 데이터들의 평균 벡터를 산출하는 제1 평균 벡터 산출 단계; 및 상기 드론의 회전속도에 따른 하모닉(harmonic)이 발생되는 주파수 대역인 제2 주파수 대역의 주파수에 대하여, 상기 하모닉의 피크치를 평균벡터로 산출하는 제2 평균 벡터 산출 단계를 포함할 수 있다. Preferably, in the calculating of the average vector, for a frequency of a first frequency band that is an effective frequency band for diagnosing abnormalities of the drone, vibration data in a steady state is collected at regular frequency intervals, and an average vector of the collected data is collected. a first average vector calculation step of calculating and a second average vector calculating step of calculating the peak value of the harmonic as an average vector with respect to a frequency of a second frequency band that is a frequency band in which harmonics are generated according to the rotation speed of the drone.

바람직하게는, 상기 기준 데이터 생성 단계는 상기 드론의 프로펠러의 회전속도가 특정 속도 이상인 경우, 미리 설정된 소정의 기준 속도에 도달할 때마다 상기 기준 데이터를 생성할 수 있다. Preferably, in the step of generating the reference data, when the rotation speed of the propeller of the drone is greater than or equal to a specific speed, the reference data may be generated whenever a preset reference speed is reached.

바람직하게는, 상기 변환 단계는 상기 필터링 단계에서 선택된 주파수 대역의 신호들 중, 일부만을 푸리에 변환하는 패스트 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 수행할 수 있다. Preferably, in the transforming step, a Fast Fourier Transform (FFT) of performing a Fourier transform of only a portion of the signals of the frequency band selected in the filtering step may be performed.

바람직하게는, 상기 이상 감지 단계는 상기 기준 데이터와 상기 점검 데이터의 유클리드 거리값(D)을 계산하는 거리 계산단계; 및 상기 유클리드 거리값(D)을 미리 설정된 임계값(Dth)과 비교하여 상기 드론에 이상 발생 여부를 결정하는 비교 단계를 포함할 수 있다.Preferably, the abnormal detection step comprises: a distance calculation step of calculating the Euclidean distance value (D) of the reference data and the inspection data; and comparing the Euclidean distance value D with a preset threshold value D th to determine whether an abnormality occurs in the drone.

본 발명은 초소형 진동 센서에 의해 드론 구동시 발생하는 진동 데이터를 수집하고, 상기 수집된 데이터와 정상 상태에서 미리 설정된 기준 데이터를 비교하되, FFT 변환 알고리즘을 적용하여 상기 수집된 데이터를 처리함으로써 처리 속도와 데이터 용량을 획기적으로 개선할 수 있다. 또한, 상기 수집된 데이터와 기준 데이터의 비교시, 유클리드 거리 산출식을 이용함으로써 연산 처리 내용을 단순화하여 소형 마이크로 프로세서에 탑재할 수 있는 저용량 알고리즘을 구현할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 본 발명은 소형 산업용 드론의 제한적 환경 특성에 맞는 드론의 이상 진단 장치 및 그 방법을 제공할 수 있는 장점이 있다.The present invention collects vibration data generated when a drone is driven by a micro-vibration sensor, compares the collected data with preset reference data in a steady state, and applies an FFT conversion algorithm to process the collected data to speed up processing and data capacity can be dramatically improved. In addition, when comparing the collected data with the reference data, there is an advantage in that it is possible to implement a low-capacity algorithm that can be mounted on a small microprocessor by simplifying the calculation process by using the Euclidean distance calculation formula. Accordingly, the present invention has an advantage in that it is possible to provide an apparatus and method for diagnosing abnormalities of a drone suitable for the limited environmental characteristics of a small industrial drone.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론 이상 진단 장치에 대한 개략적인 블록도이다.
도 2 내지 도 4는 의도된 제1 내지 제3 고장상황에서 주파수 패턴의 변화를 예시한 도면들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론 이상 진단 방법에 대한 개략적인 처리 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이상감지 과정에 대한 개략적인 처리 흐름도이다.
도 7 내지 도 18은 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 도면들이다.
1 is a schematic block diagram of a drone abnormality diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 to 4 are diagrams illustrating changes in frequency patterns in the first to third intended failure situations.
5 is a schematic flowchart of a method for diagnosing abnormalities in a drone according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic flowchart of an anomaly detection process according to an embodiment of the present invention.
7 to 18 are diagrams for explaining an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하되, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 한편 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한 상세한 설명을 생략하여도 본 기술 분야의 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 부분의 설명은 생략하였다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, but it will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily practice the present invention. However, the present invention may be embodied in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. On the other hand, in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification. In addition, even if the detailed description is omitted, descriptions of parts that can be easily understood by those skilled in the art are omitted.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification and claims, when a part includes a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론 이상 진단 장치에 대한 개략적인 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론 이상 진단 장치(100)는 진동센서(110), 저주파 필터(LPF: Low Pass Filter)(120), FFT(Fast Fourier Transform) 변환기(130), 이상 감지부(140) 및 유효 주파수 결정부(150)를 포함한다.1 is a schematic block diagram of a drone abnormality diagnosis apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 , the drone abnormality diagnosis apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a vibration sensor 110 , a low pass filter (LPF) 120 , and a fast Fourier transform (FFT) converter 130 . ), an anomaly detection unit 140 and an effective frequency determination unit 150 .

진동센서(110)는 암(arm)에 부탁되어 진동 원시 데이터를 수집한다. 이 때, 진동센서(110)는 분해능이 10bit 이상이고, 센서축이 3축 이상이고, 스캔속도가 4Ksps 이상이고, 통신 속도가 400kbps 이상인 것이 바람직하며, 초소형 3축 가속도 센서를 사용할 수 있다.The vibration sensor 110 is attached to an arm to collect vibration raw data. At this time, the vibration sensor 110 preferably has a resolution of 10 bits or more, a sensor axis is 3 axes or more, a scan speed is 4Ksps or more, and a communication speed is 400 kbps or more, and a miniature 3-axis acceleration sensor can be used.

저주파 필터(LPF: Low Pass Filter)(120)는 진동센서(110)에서 수집된 진동 원시 데이터 중 일부만을 통과시킨다. 즉, 저주파 필터(LPF)(120)는 진동센서(110)에서 수집된 진동 원시 데이터 중 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수 대역(예컨대, 1KHz 대역 이하)만을 통과시킨다. 이를 위해, 저주파 필터(LPF)(120)는 디지털 필터(T-filter)를 적용할 수 있다. 한편, 상기 유효한 주파수 대역은 유효 주파수 결정부(150)에서 결정할 수 있다. The low-pass filter (LPF) 120 passes only a part of the raw vibration data collected by the vibration sensor 110 . That is, the low frequency filter (LPF) 120 passes only a valid frequency band (eg, 1 KHz band or less) for diagnosing an abnormality of the drone among the vibration raw data collected by the vibration sensor 110 . To this end, the low-frequency filter (LPF) 120 may apply a digital filter (T-filter). Meanwhile, the effective frequency band may be determined by the effective frequency determiner 150 .

유효 주파수 결정부(150)는 드론의 고장 상황에서 나타난 주파수 패턴에 의해 상기 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수 대역을 결정한다. 이를 위해, 유효 주파수 결정부(150)는 드론에 대하여 임의의 고장 상황(예컨대, 프롭 밸런스 이상(unbalance Prop.) 또는 프롭 볼트 풀림(Loosely coupled bolts) 등)을 연출하고, 상기 고장 상황에서 나타난 주파수 패턴을 검출한다. 그리고, 상기 주파수 패턴에 의거하여 상기 유효한 주파수 대역을 결정할 수 있다. 예를 들어, 유효 주파수 결정부(150)는 의도된 고장 상황들을 연출하고 그 각각에 대한 주파수 패턴을 검출함으로써, 상기 유효한 주파수 대역을 결정할 수 있다. 이와 같이, 유효 주파수 결정부(150)에서 고장 상황별로 주파수 패턴을 검출한 예가 도 2 내지 도 4에 예시되어 있다. The effective frequency determining unit 150 determines an effective frequency band for diagnosing an abnormality of the drone according to a frequency pattern that appears in a drone failure situation. To this end, the effective frequency determination unit 150 creates an arbitrary failure situation (eg, unbalance Prop. or loosely coupled bolts) for the drone, and the frequency indicated in the failure situation. detect the pattern. In addition, the effective frequency band may be determined based on the frequency pattern. For example, the effective frequency determination unit 150 may determine the effective frequency band by creating intended failure situations and detecting a frequency pattern for each. As described above, examples in which the effective frequency determination unit 150 detects a frequency pattern for each failure situation are exemplified in FIGS. 2 to 4 .

도 2 내지 도 4는 의도된 제1 내지 제3 고장상황에서 주파수 패턴의 변화를 예시한 도면들이다. 2 to 4 are diagrams illustrating changes in frequency patterns in the first to third intended failure situations.

도 2는 제1 고장 상황(즉, 드론의 프롭 밸런스 이상)에서 주파수 패턴의 변화를 예시하는 도면들로서, 도 2의 (a)는 정상 상태인 드론의 프롭이 210 RPM 속도로 회전할 때의 주파수 패턴을 예시하고, 도 2의 (b)는 프롭 밸런스에 이상이 발생한 드론의 프롭이 210 RPM 속도로 회전할 때의 주파수 패턴을 예시하고, 도 2의 (c)는 정상 상태인 드론의 프롭이 620 RPM 속도로 회전할 때의 주파수 패턴을 예시하고, 도 2의 (d)는 프롭 밸런스에 이상이 발생한 드론의 프롭이 620 RPM 속도로 회전할 때의 주파수 패턴을 예시하고, 도 2의 (e)는 정상 상태인 드론의 프롭이 1000 RPM 속도로 회전할 때의 주파수 패턴을 예시하고, 도 2의 (f)는 프롭 밸런스에 이상이 발생한 드론의 프롭이 1000 RPM 속도로 회전할 때의 주파수 패턴을 예시한다. 도 2의 (b), (d), (f)를 참조하여 프롭 밸런스에 이상이 발생한 드롭의 주파수 패턴 변화를 살펴보면, 프롭의 회전 속도(RPM)에 따라 1KHz 대역 및 100Hz 대역의 주파수 패턴 변화가 큰 것으로 확인된다. 한편, 도 2의 (a)와 (b), (c)와 (d), (e)와 (f)를 각각 비교하여 동일 RPM에서의 이상 상태에 따르는 패턴 변화를 살펴보면, 저속(210 RPM)에서는 1KHz, 및 100Hz 대역에서 유의미한 변화를 찾아볼 수 없으나 500 RPM이 넘어서면서부터 100Hz 대역의 패턴 변화가 크게 나타남을 알 수 있다. 또한, 1KHz 대역에서도 일부 구간에서는 유의미한 변화가 있기도 하였다. 2 is a diagram illustrating a change in a frequency pattern in a first failure situation (ie, a drone prop balance abnormal), and FIG. 2 (a) is a frequency when a drone prop in a normal state rotates at a speed of 210 RPM. The pattern is exemplified, and (b) of FIG. 2 illustrates the frequency pattern when the prop of the drone with an abnormal prop balance rotates at a speed of 210 RPM, and (c) of FIG. 2 is the prop of the drone in a normal state. Illustrating the frequency pattern when rotating at a speed of 620 RPM, (d) of FIG. 2 illustrates a frequency pattern when a prop of a drone having an abnormality in the prop balance rotates at a speed of 620 RPM, (e) of FIG. ) illustrates a frequency pattern when a prop of a drone in a normal state rotates at a speed of 1000 RPM, and (f) of FIG. 2 is a frequency pattern when a prop of a drone with an abnormal prop balance rotates at a speed of 1000 RPM exemplifies Referring to (b), (d), and (f) of FIG. 2, looking at the change in the frequency pattern of the drop where the prop balance is abnormal, the frequency pattern change in the 1KHz band and 100Hz band according to the rotation speed (RPM) of the prop found to be large. On the other hand, by comparing (a) and (b), (c) and (d), (e) and (f) of FIG. 2 , respectively, looking at the pattern change according to the abnormal state at the same RPM, low speed (210 RPM) No significant change was found in the 1KHz and 100Hz bands, but it can be seen that the pattern change in the 100Hz band appears significantly after 500 RPM. In addition, even in the 1KHz band, there was a significant change in some sections.

도 3은 제2 고장상황(즉, 드론의 제1 프롭 볼트 풀림 이상)에서 주파수 패턴의 변화를 예시한 도면들로서, 도 3의 (a)는 정상 상태인 드론의 프롭이 620 RPM 속도로 회전할 때의 주파수 패턴을 예시하고, 도 3의 (b)는 상기 제2 고장상황인 드론의 프롭이 620 RPM 속도로 회전할 때의 주파수 패턴을 예시한다. 한편, 도 4는 제3 고장 상황(즉, 드론의 제2 프롭 볼트 풀림 이상)에서 주파수 패턴의 변화를 예시한 도면들로서, 도 4의 (a)는 정상 상태인 드론의 프롭이 620 RPM 속도로 회전할 때의 주파수 패턴을 예시하고, 도 4의 (b)는 상기 제3 고장상황인 드론의 프롭이 620 RPM 속도로 회전할 때의 주파수 패턴을 예시한다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 1KHz 대역과 100Hz 대역에서 동시에 패턴 변화가 발생함을 알 수 있다. 3 is a view illustrating a change in a frequency pattern in a second failure situation (that is, more than the first prop bolt of the drone is loosened), and (a) of FIG. 3 shows that the prop of the drone in a normal state rotates at a speed of 620 RPM. exemplifies the frequency pattern at the time, and (b) of FIG. 3 illustrates the frequency pattern when the prop of the drone, which is the second failure situation, rotates at a speed of 620 RPM. Meanwhile, FIG. 4 is a view illustrating a change in a frequency pattern in a third failure situation (ie, the second prop bolt of the drone is loosened), and FIG. 4(a) is a view showing the prop of the drone in a normal state at 620 RPM speed. The frequency pattern when rotating is exemplified, and Fig. 4 (b) illustrates the frequency pattern when the prop of the drone, which is the third failure situation, rotates at a speed of 620 RPM. Referring to FIGS. 3 and 4 , it can be seen that the pattern change occurs simultaneously in the 1KHz band and the 100Hz band.

따라서, 유효 주파수 결정부(150)는, 도 2 내지 도 4에 예시된 바와 같이, 이상 상태에서 유의미한 패턴 변화를 보이는, 0 ~ 1 KHz의 주파수 대역을 유효한 주파수 대역으로 결정할 수 있다.Accordingly, the effective frequency determination unit 150, as illustrated in FIGS. 2 to 4 , may determine a frequency band of 0 to 1 KHz, which exhibits a significant pattern change in an abnormal state, as an effective frequency band.

한편, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 0 ~ 100Hz 대역은 프로펠러의 회전 속도에 따르는 하모닉(harmonics)이 발생되는 영역이고, 특히 100Hz 대역 내에서의 첫 번째 하모닉은 항상 프로펠러의 회전 주파수와 일치함을 알 수 있다. 따라서 유효 주파수 결정부(150)는 상기 0 ~ 100Hz 대역을 프로펠러의 이상을 감시하는 중요한 대역으로 특별 분류하여 데이터를 처리할 수 있다.Meanwhile, referring to FIGS. 2 to 4 , the 0 to 100 Hz band is a region in which harmonics according to the rotation speed of the propeller are generated, and in particular, the first harmonic within the 100 Hz band always coincides with the rotation frequency of the propeller can be known Therefore, the effective frequency determination unit 150 can process the data by special classifying the 0 to 100 Hz band as an important band for monitoring the abnormality of the propeller.

따라서, 이 경우, 유효 주파수 결정부(150)는 상기 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수 대역을 1KHz 대역 이하로 결정하고, 이 정보를 저주파 필터(LPF)(120) 및 이상 감지부(140)로 전달할 수 있다.Therefore, in this case, the effective frequency determination unit 150 determines the effective frequency band to be less than or equal to 1 KHz band for diagnosing the abnormality of the drone, and transmits this information to the low frequency filter (LPF) 120 and the abnormality detection unit 140 . can transmit

FFT(Fast Fourier Transform) 변환기(130)는 시간 영역의 데이터를 주파수 영역으로 변환하여 점검 데이터로 출력한다. 즉, FFT(Fast Fourier Transform) 변환기(130)는 저주파 필터(LPF)(120)를 통과해서 출력되는 시간 영역의 데이터를 주파수 영역으로 변환하되, 연속 샘플링된 신호의 일부만을 푸리에(Fourier) 변환하여 샘플링한 후 점검 데이터로 출력한다. 이로 인해, FFT 변환기(130)는 그 처리 속도와 데이터 용량을 획기적으로 개선할 수 있다.The FFT (Fast Fourier Transform) converter 130 converts the data in the time domain into the frequency domain and outputs it as inspection data. That is, the FFT (Fast Fourier Transform) transformer 130 converts the time domain data output through the low frequency filter (LPF) 120 into the frequency domain, but by Fourier transforming only a part of the continuously sampled signal. After sampling, it is output as inspection data. Due to this, the FFT converter 130 can remarkably improve its processing speed and data capacity.

이상 감지부(140)는 드론이 정상상태일 때의 진동 데이터를 기준 데이터로 미리 저장하고, FFT 변환기(130)에서 출력된 점검 데이터와 상기 기준 데이터를 비교하여 드론의 이상 여부를 감지한다. 이를 위해, 이상 감지부(140)는 먼저, 기준 데이터를 생성하여 저장하여야 한다. 따라서, 이상 감지부(140)는 소정의 조건에 의거하여 다수의 진동 데이터들을 수집한 후 상기 다수의 진동 데이터들의 평균 벡터를 산출하여 기준 데이터를 생성한다. 즉, 이상 감지부(140)는 특정 RPM에서 검출되는 진동신호 데이터로부터 통계적 지표를 추출하고, 그 통계적 지표로 구성된 벡터를 상기 기준 데이터로 미리 저장할 수 있다. 예를 들어, 이상 감지부(140)는 유효 주파수 결정부(150)에서 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수로 결정된 제1 주파수 대역(예컨대, 1KHz)의 주파수에 대하여, 일정 주파수 간격으로 정상 상태의 진동 데이터를 수집한 후 그 수집된 데이터들의 평균 벡터를 산출하여 기준 데이터를 생성한다. 또한, 이상 감지부(140)는 상기 드론의 회전속도에 따라 하모닉(harmonic)이 발생되는 제2 주파수 대역(예컨대, 100Hz)의 주파수에 대하여, 상기 하모닉의 피크치를 평균 벡터로 산출하여 기준 데이터를 생성한다. 한편, 이상 감지부(140)는 상기 드론 프로펠러의 회전속도가 특정 속도 이상인 경우, 미리 설정된 소정의 기준 속도에 도달할 때마다 상기 기준 데이터를 생성할 수 있다. 예를 들어, 이상 감지부(140)는 상기 드론 프로펠러의 회전속도가 500 RPM을 넘는 영역에 2~3개 RPM(예컨대, 800, 1000, 1200 등)을 지정하고 그 시점에서의 기준 데이터를 생성할 수 있다. 이는 드론 프로펠러의 회전 속도가 500 RPM을 넘어서면서부터 100 Hz 대역의 패턴 변화가 크게 나타나기 때문이다. The abnormality detection unit 140 stores vibration data when the drone is in a normal state in advance as reference data, and compares the inspection data output from the FFT converter 130 with the reference data to detect whether the drone is abnormal. To this end, the abnormality detection unit 140 must first generate and store reference data. Accordingly, the abnormality detection unit 140 collects a plurality of vibration data based on a predetermined condition, and then calculates an average vector of the plurality of vibration data to generate reference data. That is, the abnormality detection unit 140 may extract a statistical index from the vibration signal data detected at a specific RPM, and store a vector composed of the statistical index in advance as the reference data. For example, the abnormality detection unit 140 may detect a normal state at regular frequency intervals with respect to the frequency of the first frequency band (eg, 1 KHz) determined as an effective frequency for the abnormal diagnosis of the drone by the effective frequency determining unit 150 . After collecting vibration data, an average vector of the collected data is calculated to generate reference data. In addition, the abnormality detection unit 140 calculates the peak value of the harmonic as an average vector with respect to a frequency of a second frequency band (eg, 100 Hz) in which a harmonic is generated according to the rotation speed of the drone to obtain reference data. create Meanwhile, when the rotation speed of the drone propeller is greater than or equal to a specific speed, the abnormality detection unit 140 may generate the reference data whenever a preset reference speed is reached. For example, the abnormality detection unit 140 designates 2-3 RPM (eg, 800, 1000, 1200, etc.) in an area where the rotation speed of the drone propeller exceeds 500 RPM and generates reference data at that point. can do. This is because the pattern change in the 100 Hz band appears greatly when the rotation speed of the drone propeller exceeds 500 RPM.

그리고 이상 감지부(140)는 상기 기준 데이터와 상기 점검 데이터의 유클리드 거리값(D)을 계산한 후 상기 유클리드 거리값(D)을 미리 설정된 임계값(Dth)과 비교하여 상기 드론에 이상이 발생했는지 여부를 결정한다. 즉, 이상 감지부(140)는 특정 RPM에서 실시간으로 수집된 진동 데이터로부터 생성된 점검 데이터와 대응된 기준 데이터의 유클리드 거리값(D)을 계산하고, 상기 유클리드 거리값(D)이 미리 설정된 임계값(Dth) 이상인 경우 상기 드론에 이상이 발생한 것으로 결정한다. And after calculating the Euclidean distance value (D) of the reference data and the inspection data, the abnormality detection unit 140 compares the Euclidean distance value (D) with a preset threshold value (D th ) to cause an abnormality in the drone determine whether it has occurred. That is, the abnormality detection unit 140 calculates the Euclidean distance value (D) of the reference data corresponding to the inspection data generated from the vibration data collected in real time at a specific RPM, and the Euclidean distance value (D) is a preset threshold. If the value (D th ) or more, it is determined that an abnormality has occurred in the drone.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론 이상 진단 방법에 대한 개략적인 처리 흐름도이다. 도 1 및 도 5를 참조하면, 단계 S110에서는, 기준 데이터를 생성한다. 즉, 단계 S110에서는, 이상 감지부(140)가 드론이 정상 상태일 때의 진동 데이터를 학습하여 기준 데이터로 생성한다. 이를 위해, 단계 S110에서는, 이상 감지부(140)가 소정조건에 의거하여 다수의 진동 데이터들을 수집한 후 상기 다수의 진동 데이터들의 평균 벡터를 산출하여 기준 데이터를 생성한다. 즉, 단계 S110에서는, 이상 감지부(140)가 특정 RPM에서 검출되는 진동신호 데이터로부터 통계적 지표를 추출하고, 그 통계적 지표로 구성된 벡터를 상기 기준 데이터로 미리 저장할 수 있다. 예를 들어, 단계 S110에서, 이상 감지부(140)는 두 가지 경우로 나누어 기준 데이터를 생성할 수 있는데, 먼저, 유효 주파수 결정부(150)에서 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수로 결정된 제1 주파수 대역(예컨대, 1KHz)의 주파수에 대하여, 이상 감지부(140)는 일정 주파수 간격으로 정상 상태의 진동 데이터를 수집한 후 그 수집된 데이터들의 평균 벡터를 산출하여 기준 데이터를 생성할 수 있다. 그리고, 상기 드론의 회전속도에 따라 하모닉(harmonic)이 발생되는 제2 주파수 대역(예컨대, 100Hz)의 주파수에 대하여, 이상 감지부(140)는 상기 하모닉의 피크치를 평균 벡터로 산출하여 기준 데이터를 생성할 수 있다.5 is a schematic flowchart of a method for diagnosing abnormalities in a drone according to an embodiment of the present invention. 1 and 5 , in step S110, reference data is generated. That is, in step S110, the abnormality detection unit 140 learns the vibration data when the drone is in a normal state and generates it as reference data. To this end, in step S110, the abnormality detection unit 140 collects a plurality of vibration data based on a predetermined condition, and then calculates an average vector of the plurality of vibration data to generate reference data. That is, in step S110, the abnormality detection unit 140 may extract a statistical index from the vibration signal data detected at a specific RPM, and store a vector composed of the statistical index in advance as the reference data. For example, in step S110 , the abnormality detection unit 140 may generate reference data by dividing it into two cases. First, the first effective frequency determined by the effective frequency determining unit 150 as an effective frequency for diagnosing an abnormality of the drone With respect to a frequency of a frequency band (eg, 1 KHz), the abnormality detection unit 140 may generate reference data by collecting vibration data in a steady state at regular frequency intervals and calculating an average vector of the collected data. And, with respect to a frequency of a second frequency band (eg, 100 Hz) in which a harmonic is generated according to the rotation speed of the drone, the abnormality detection unit 140 calculates the peak value of the harmonic as an average vector to obtain reference data. can create

한편, 단계 S110는, 이상 감지부(140)가 상기 드론 프로펠러의 회전속도가 특정 속도 이상인 경우, 상기 드론 프로펠러의 회전속도가 미리 설정된 소정의 기준 속도에 도달할 때마다 상기 기준 데이터를 추가로 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 이상 감지부(140)는 상기 드론 프로펠러의 회전속도가 500 RPM을 넘는 영역에 2~3개 RPM(예컨대, 800, 1000, 1200 등)을 지정하고 그 시점에서의 기준 데이터를 생성할 수 있다. 이는 드론 프로펠러의 회전 속도가 500 RPM을 넘어서면서부터 100 Hz 대역의 패턴 변화가 크게 나타나기 때문이다. On the other hand, in step S110, when the rotation speed of the drone propeller is greater than or equal to a specific speed, the abnormality detection unit 140 additionally generates the reference data whenever the rotation speed of the drone propeller reaches a preset reference speed. It may further include the step of For example, the abnormality detection unit 140 designates 2-3 RPM (eg, 800, 1000, 1200, etc.) in an area where the rotation speed of the drone propeller exceeds 500 RPM and generates reference data at that point. can do. This is because the pattern change in the 100 Hz band appears greatly when the rotation speed of the drone propeller exceeds 500 RPM.

이와 같이 기준 데이터가 생성되었으면, 단계 S120에서는, 데이터를 수집한다. 즉, 단계 S120에서는, 진동센서(110)가 드론 구동시 발생하는 진동 원시 데이터를 수집한다.If the reference data is generated in this way, in step S120, data is collected. That is, in step S120, the vibration sensor 110 collects raw vibration data generated when the drone is driven.

단계 S130에서는, 필터링을 한다. 즉, 단계 S130에서는, 저주파 필터(LPF)(120)가 상기 단계 S120에서 수집된 진동 원시 데이터 중 상기 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수 대역만을 선택한다. 이를 위해, 단계 S130은 상기 유효한 주파수 대역을 결정하는 주파수 대역 결정단계(미도시)를 더 포함할 수 있다. In step S130, filtering is performed. That is, in step S130 , the low frequency filter (LPF) 120 selects only a frequency band effective for diagnosing abnormalities of the drone from among the raw vibration data collected in step S120 . To this end, step S130 may further include a frequency band determining step (not shown) of determining the effective frequency band.

상기 주파수 대역 결정단계(미도시)에서는, 유효 주파수 결정부(150)가 드론의 고장 상황에서 나타난 주파수 패턴에 의해 상기 유효한 주파수 대역을 결정한다. 이를 위해, 유효 주파수 결정부(150)는 드론에 대하여 임의의 고장 상황(예컨대, 프롭 밸런스 이상(unbalance Prop.) 또는 프롭 볼트 풀림(Loosely coupled bolts) 등)을 연출한다. 그리고 유효 주파수 결정부(150)는 상기 고장 상황에서 나타난 주파수 패턴을 검출하여 상기 유효한 주파수 대역을 결정할 수 있다. 예를 들어, 유효 주파수 결정부(150)는 복수개의 의도된 고장 상황들을 연출하고 그 각각에 대한 주파수 패턴을 검출함으로써, 상기 유효한 주파수 대역을 결정할 수 있다. 이와 같이, 유효 주파수 결정부(150)에서 고장 상황별로 주파수 패턴을 검출한 예가 도 2 내지 도 4에 예시되어 있으며, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 유효 주파수 결정부(150)는 이상 상태에서 유의미한 패턴 변화를 보이는, 0 ~ 1 KHz의 주파수 대역을 유효한 주파수 대역으로 결정할 수 있다.In the frequency band determining step (not shown), the effective frequency determining unit 150 determines the effective frequency band according to a frequency pattern appearing in a drone failure situation. To this end, the effective frequency determination unit 150 creates a random failure situation (eg, prop balance abnormal (unbalance Prop.) or prop bolt loosening (Loosely coupled bolts), etc.) for the drone. In addition, the effective frequency determination unit 150 may determine the effective frequency band by detecting the frequency pattern that appears in the failure situation. For example, the effective frequency determining unit 150 may determine the effective frequency band by creating a plurality of intended failure situations and detecting a frequency pattern for each. As such, an example of detecting a frequency pattern for each failure situation in the effective frequency determining unit 150 is illustrated in FIGS. 2 to 4 , and referring to FIGS. 2 to 4 , the effective frequency determining unit 150 is in an abnormal state. A frequency band of 0 to 1 KHz showing a significant pattern change may be determined as an effective frequency band.

이와 같이 주파수 대역 결정 단계에서 0 ~ 1 KHz의 주파수 대역을 유효한 주파수 대역으로 결정한 경우, 단계 S130에서는, 0 ~ 1 KHz의 주파수 대역만을 통과시킨다.In this way, when the frequency band of 0 to 1 KHz is determined as the effective frequency band in the step of determining the frequency band, in step S130, only the frequency band of 0 to 1 KHz is passed.

단계 S140에서는, FFT 변환기(130)가 단계 S130에서 필터링되어 출력된 시간영역의 데이터를 주파수 영역으로 변환한 후 점검 데이터로 출력한다. 이 때, 단계 S140은 상기 단계 S130에서 선택된 주파수 대역의 신호들 중, 일부만을 푸리에 변환하는 패스트 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 수행한다.In step S140 , the FFT converter 130 converts the time domain data filtered in step S130 into the frequency domain and then outputs it as inspection data. In this case, in step S140, a Fast Fourier Transform (FFT) of performing a Fourier transform of only some of the signals of the frequency band selected in step S130 is performed.

단계 S150에서는, 이상 감지부(140)가 상기 점검 데이터와 상기 기준 데이터를 비교하여 상기 드론의 이상 여부를 감지한다. 단계 S150에서 상기 드론의 이상 여부를 감지하는 보다 구체적인 처리 과정의 예가 도 6에 예시되어 있다.In step S150, the abnormality detection unit 140 detects whether the drone is abnormal by comparing the inspection data with the reference data. An example of a more specific processing for detecting whether the drone is abnormal in step S150 is illustrated in FIG. 6 .

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이상감지 과정에 대한 개략적인 처리 흐름도이다. 도 1, 도 5 및 도 6을 참조하여, 이상 감지 과정(S150)에 대한 구체적인 처리 과정을 설명하면 다음과 같다.6 is a schematic flowchart of an anomaly detection process according to an embodiment of the present invention. With reference to FIGS. 1, 5 and 6 , a detailed processing process for the abnormality detection process ( S150 ) will be described as follows.

먼저, 단계 S151에서는, 이상 감지부(140)가 상기 기준 데이터와 상기 점검 데이터의 유클리드 거리값(D)을 계산한다. 즉, 단계 S110에서 생성된 기준 데이터와, 실시간으로 수집된 진동 데이터로부터 생성된 점검 데이터의 유클리드 거리값(D)을 계산한다.First, in step S151, the abnormality detection unit 140 calculates the Euclidean distance value D between the reference data and the inspection data. That is, the reference data generated in step S110 and the Euclidean distance value D of the inspection data generated from the vibration data collected in real time are calculated.

단계 S153 및 단계 S155에서는, 이상 감지부(140)가 상기 유클리드 거리값(D)을 미리 설정된 임계값(Dth)과 비교하여, 상기 드론에 이상 발생 여부를 결정한다. 즉, 단계 S153의 비교 결과, 상기 유클리드 거리값(D)이 미리 설정된 임계값(Dth) 이상인 경우, 단계 S155에서는 드론에 이상이 발생한 것으로 결정한다.In steps S153 and S155, the abnormality detection unit 140 compares the Euclidean distance value D with a preset threshold value D th to determine whether an abnormality occurs in the drone. That is, as a result of the comparison in step S153, if the Euclidean distance value D is equal to or greater than a preset threshold value D th , it is determined in step S155 that an abnormality has occurred in the drone.

도 7 내지 도 18은 본 발명의 일실시 예를 설명하기 위한 도면들로서, 본 발명의 알고리즘을 검증하기 위한 실험 절차를 설명하기 위한 도면들이다.7 to 18 are diagrams for explaining an embodiment of the present invention, and are diagrams for explaining an experimental procedure for verifying the algorithm of the present invention.

도 7 내지 도 12는, 정상 동작하는 드론으로 부터 기준 데이터를 생성하는 과정들을 예로 들어 설명하기 위한 도면들로서, 도 1에 예시된 이상 감지부(140)에서, 기준 데이터를 생성하는 과정들을 예로 들어 설명하고, 도 13 내지 도 16은 임의의 고장 상황을 연출하고 그에 대한 주파수 패턴을 검출하는 과정들을 예로 들어 설명하기 위한 도면들로서, 도 1에 예시된 유효 주파수 결정부(150)의 처리 과정들을 예로 들어 설명하고, 도 17 및 도 18은 드론의 고장 상황에서 주파수 대역별로 산출된 유클리드 거리의 평균값을 예시한 도면들이다.7 to 12 are diagrams for explaining processes of generating reference data from a normally operating drone as examples. The abnormality detection unit 140 illustrated in FIG. 1 illustrates processes of generating reference data as an example. 13 to 16 are diagrams for explaining processes of producing a random failure situation and detecting a frequency pattern for it as an example, and the processing processes of the effective frequency determining unit 150 illustrated in FIG. 1 as an example 17 and 18 are diagrams illustrating average values of Euclidean distances calculated for each frequency band in a drone failure situation.

먼저, 도 7 내지 도 9는 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수로 결정된 주파수 대역이 1KHz인 경우, 1KHz 대역의 주파수에 대하여 일정 주파수 간격(즉, 100Hz 간격)으로 정상 상태의 진동 데이터를 수집한 후 그 수집된 데이터들의 평균 벡터를 산출하여 기준 데이터를 생성하는 과정을 예로 들어 설명하는 도면들로서, 도 7은 정상 상태의 프로펠러를 회전속도 1,000 RPM으로 설정한 후 동작시켰을 때 획득된 진동 데이터의 예를 나타낸 도면이고, 도 8은 도 7에 예시된 바와 같은 진동 데이터들을 5회에 걸쳐 획득하여 각각을 샘플한 후 1KHz 대역을 100Hz 단위의 10개 구간(F1 ~ F10)으로 나누어 각 구간별 평균 레벨을 측정한 결과를 표로 나타낸 도면이고, 도 9는 도 8에 예시된 데이터를 기반으로 상기 10개의 구간별로 평균 벡터(U)를 산출한 결과를 표로 나타낸 도면이다. First, FIGS. 7 to 9 show that when a frequency band determined as an effective frequency for diagnosing an abnormality of a drone is 1 KHz, after collecting vibration data in a steady state at a predetermined frequency interval (ie, 100 Hz interval) with respect to the frequency of the 1 KHz band, As diagrams illustrating a process of generating reference data by calculating an average vector of the collected data as an example, FIG. 7 is an example of vibration data obtained when a propeller in a steady state is set to a rotation speed of 1,000 RPM and then operated. 8 is a diagram showing the vibration data as illustrated in FIG. 7 obtained five times and sampled, and then the 1KHz band is divided into 10 sections (F1 to F10) in units of 100Hz to obtain the average level for each section It is a diagram showing the measurement result in a table, and FIG. 9 is a diagram showing the result of calculating the average vector U for each of the 10 sections based on the data illustrated in FIG. 8 in a table.

한편, 도 10 내지 도 12는 드론의 회전속도에 따라 하모닉(harmonic)이 발생되는 주파수 대역이 100Hz인 경우, 100Hz 대역의 주파수에 대하여, 상기 하모닉의 피크치를 평균 벡터로 산출하여 기준 데이터를 생성하는 과정을 예로 들어 설명하는 도면들로서, 도 10은 정상 상태의 프로펠러를 1,000 RPM으로 설정한 후 동작시켰을 때 100Hz 대역에서 획득된 하모닉 피크값의 예를 나타낸 도면이고, 도 11은 도 10에 예시된 바와 같은 하모닉 피크값을 6개(P1 ~ P6)까지 순서대로 5회 측정한 결과를 표로 나타낸 도면이고, 도 12는 도 11에 예시된 데이터를 기반으로 100Hz 대역 하모닉 피크값에 대한 평균 벡터(UL)를 산출한 결과를 표로 나타낸 도면이다.Meanwhile, in FIGS. 10 to 12, when the frequency band in which harmonics are generated according to the rotation speed of the drone is 100 Hz, with respect to the frequency of the 100 Hz band, the peak value of the harmonic is calculated as an average vector to generate reference data. As drawings for explaining the process as an example, FIG. 10 is a view showing an example of a harmonic peak value obtained in a 100 Hz band when the propeller in a steady state is set to 1,000 RPM and then operated, and FIG. 11 is as illustrated in FIG. It is a table showing the results of measuring the same harmonic peak value 5 times in order up to 6 (P1 to P6), and FIG. 12 is an average vector (UL) for the 100Hz band harmonic peak value based on the data exemplified in FIG. It is a diagram showing the results of the calculation in a table.

도 13 내지 도 16은 드론의 프로펠러 밸런스에 이상이 발생한 상황을 연출하고 그에 대한 주파수 패턴을 검출하는 과정들을 예로 들어 설명하기 위한 도면들로서, 도 13은 이상상태(즉, 프로펠러 밸런스 이상 상태)의 프로펠러를 회전속도 1,000 RPM으로 설정한 후 측정된 진동 데이터의 예를 나타낸 도면이고, 도 14는 도 13에 예시된 바와 같은 프로펠러 밸런스 이상 상태의 1KHz 대역내 10개 구간(F1~F10)별로 진동 데이터의 평균 측정값을 표로 나타낸 도면이고, 도 15는 이상상태(즉, 프로펠러 밸런스 이상 상태)의 프로펠러를 1,000 RPM으로 설정한 후 동작시켰을 때 100Hz 대역에서 획득된 하모닉 피크값의 예를 나타낸 도면이고, 도 16은 도 15에 예시된 바와 같은 하모닉 피크값을 6개(P1 ~ P6)까지 순서대로 검출하여 표로 나타낸 도면이다. 13 to 16 are diagrams for explaining a situation in which an abnormality has occurred in the propeller balance of the drone as an example and processes of detecting a frequency pattern therefor, and FIG. 13 is a propeller in an abnormal state (ie, a propeller balance abnormal state). is a view showing an example of the vibration data measured after setting the rotation speed to 1,000 RPM, and FIG. 14 is a vibration data for each 10 sections (F1 to F10) within the 1KHz band of the propeller balance abnormal state as illustrated in FIG. 13. It is a diagram showing the average measured value in a table, and FIG. 15 is a diagram showing an example of the harmonic peak value obtained in the 100 Hz band when the propeller in an abnormal state (ie, propeller balance abnormal state) was set to 1,000 RPM and then operated, FIG. 16 is a diagram shown in a table by sequentially detecting up to six harmonic peak values (P1 to P6) as illustrated in FIG. 15 .

도 17 및 도 18은 드론의 프로펠러 밸런스 이상 상태에서 주파수 대역별로 산출된 유클리드 거리의 평균값을 예시한 도면들로서, 도 17은 드론의 프로펠러 밸런스 이상 상태에서 1KHz 구간에 대한 유클리드 거리(D)의 평균값을 예시한 도면이고, 도 18은 드론의 프로펠러 밸런스 이상 상태에서 100Hz 구간에 대한 유클리드 거리(DL)의 평균값을 예시한 도면이다. 17 and 18 are views exemplifying the average value of the Euclidean distance calculated for each frequency band in the propeller balance abnormality of the drone, and FIG. 17 is the average value of the Euclidean distance (D) for the 1KHz section in the propeller balance abnormality of the drone 18 is a diagram illustrating an average value of the Euclidean distance (DL) for a 100 Hz section in an abnormal state of the propeller balance of the drone.

도 17에 예시된 값들을 이용하여 유클리드 거리(D)를 산출하는 계산식이 수학식 1에 예시되어 있다. A calculation formula for calculating the Euclidean distance D using the values illustrated in FIG. 17 is exemplified in Equation 1.

Figure 112019117648348-pat00001
Figure 112019117648348-pat00001

이 때, d는 100Hz 단위 샘플구간의 수를 나타내며, 상기 예에서 그 값은 10이다. In this case, d represents the number of 100 Hz unit sample intervals, and in the above example, the value is 10.

한편, 도 18에 예시된 값들을 이용하여 유클리드 거리(DL)를 산출하는 계산식이 수학식 2에 예시되어 있다. Meanwhile, a calculation formula for calculating the Euclidean distance DL using the values illustrated in FIG. 18 is exemplified in Equation (2).

Figure 112019117648348-pat00002
Figure 112019117648348-pat00002

이 때, d는 하모닉 피크 수를 나타내며, 상기 예에서 그 값은 6이다. In this case, d represents the number of harmonic peaks, and the value is 6 in the above example.

상기 수학식 1 및 수학식 2를 참조하면, 프로펠러 밸런스 이상 상태에서, 1KHz 대역에서의 유클리드 거리(D)는 20.33이고, 100Hz 대역에서의 유클리드 거리(DL)는 37.10이다. Referring to Equations 1 and 2, in the propeller balance abnormal state, the Euclidean distance D in the 1KHz band is 20.33, and the Euclidean distance DL in the 100Hz band is 37.10.

일반적으로 정상 상태에서 샘플링된 실험 데이터를 기반으로 유클리드 거리(Dnormal)를 구하면 대부분 수학식 3과 같다. In general, when the Euclidean distance (D normal ) is obtained based on experimental data sampled in a steady state, most of them are expressed in Equation (3).

Figure 112019117648348-pat00003
Figure 112019117648348-pat00003

따라서, 상기 수학식 1 및 수학식 2에서 산출된 값에 의해 드론의 이상 동작 여부를 결정하는 것은 충분히 유의미한 것이다. Therefore, it is sufficiently meaningful to determine whether the drone operates abnormally by the values calculated in Equations 1 and 2 above.

즉, 본 발명은 상기한 바와 같은 방법으로 드론의 이상 동작 여부를 사전에 감지하고, 이로 인해 사고를 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다. That is, the present invention has the advantage of being able to detect in advance whether the drone is operating abnormally by the method as described above, and thereby prevent an accident in advance.

상술한 예시적인 시스템에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로써 순서도를 기초로 설명되고 있지만, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. In the exemplary system described above, the methods are described on the basis of a flowchart as a series of steps or blocks, but the present invention is not limited to the order of steps, and some steps may occur in a different order or concurrently with other steps as described above. can

또한, 당업자라면 순서도에 나타낸 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.In addition, those skilled in the art will understand that the steps shown in the flowchart are not exhaustive and that other steps may be included or that one or more steps in the flowchart may be deleted without affecting the scope of the present invention.

Claims (14)

초소형 센서로 구현되어, 드론 구동시 발생하는 진동 원시 데이터를 수집하는 진동센서부;
상기 진동센서에서 수집된 진동 원시 데이터 중 상기 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수 대역만을 통과시키는 필터부;
상기 필터부를 통과한 시간영역의 데이터를 주파수 영역으로 변환한 후 점검 데이터로 출력하는 변환부;
상기 드론이 정상상태일 때의 진동 데이터를 기준 데이터로 미리 저장하고, 상기 변환부에서 출력된 점검 데이터와 상기 기준 데이터를 비교하여 상기 드론의 이상 여부를 감지하는 이상 감지부; 및
상기 드론에 대하여 임의의 고장 상황을 연출하여 나타난 주파수 패턴을 검출하고, 그 결과에 의거하여 상기 유효한 주파수 대역을 결정하는 유효 주파수 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 이상 진단 장치.
A vibration sensor unit that is implemented as a miniature sensor and collects raw vibration data generated when the drone is driven;
a filter unit that passes only an effective frequency band for diagnosing an abnormality of the drone among the raw vibration data collected by the vibration sensor;
a conversion unit that converts the data in the time domain that has passed through the filter unit into the frequency domain and outputs it as inspection data;
an abnormality detection unit that stores vibration data when the drone is in a normal state in advance as reference data, and compares the inspection data output from the converter with the reference data to detect whether the drone is abnormal; and
and an effective frequency determiner configured to detect a frequency pattern that appears by creating a random failure situation with respect to the drone, and determine the effective frequency band based on the result.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 유효 주파수 결정부는
상기 유효한 주파수 대역 내에 존재하는 주파수 대역 중 프로펠러의 회전 속도에 따라 하모닉(harmonics)이 발생되는 영역에 대하여 특별 분류하여 데이터를 처리하는 것을 특징으로 하는 드론의 이상 진단 장치.
The method of claim 1, wherein the effective frequency determination unit
An apparatus for diagnosing an abnormality of a drone, characterized in that the data is processed by special classification for a region in which harmonics are generated according to the rotation speed of the propeller among the frequency bands existing within the effective frequency band.
제1항에 있어서, 상기 변환부는
상기 필터부를 통과한 주파수 대역의 신호들 중, 일부만을 푸리에 변환하는 패스트 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 수행하는 것을 특징으로 하는 드론의 이상 진단 장치.
According to claim 1, wherein the conversion unit
An apparatus for diagnosing an abnormality of a drone, characterized in that a Fast Fourier Transform (FFT) of only a part of the signals in the frequency band that has passed through the filter unit is Fourier-transformed.
제1항에 있어서, 상기 이상 감지부는
소정의 조건에 의거하여 다수의 진동 데이터들을 수집한 후 상기 다수의 진동 데이터들의 평균 벡터를 산출하여 기준 데이터를 생성하고,
상기 기준 데이터와 상기 점검 데이터의 유클리드 거리값(D)을 계산하고,
상기 유클리드 거리값(D)을 미리 설정된 임계값(Dth)과 비교하여 상기 드론에 이상이 발생했는지 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 드론의 이상 진단 장치.
The method of claim 1, wherein the abnormality detection unit
After collecting a plurality of vibration data based on a predetermined condition, an average vector of the plurality of vibration data is calculated to generate reference data,
Calculate the Euclidean distance value (D) of the reference data and the inspection data,
An apparatus for diagnosing abnormalities of a drone, characterized in that it is determined whether an abnormality has occurred in the drone by comparing the Euclidean distance value (D) with a preset threshold value (D th ).
제5항에 있어서, 상기 이상 감지부는
상기 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수 대역인 제1 주파수 대역의 주파수에 대하여, 일정 주파수 간격으로 정상 상태의 진동 데이터를 수집하고, 그 수집된 데이터들의 평균 벡터를 산출하고,
상기 드론의 회전속도에 따른 하모닉(harmonic)이 발생되는 주파수 대역인 제2 주파수 대역의 주파수에 대하여, 상기 하모닉의 피크치를 평균 벡터로 산출하는 것을 특징으로 하는 드론의 이상 진단 장치.
The method of claim 5, wherein the abnormality detection unit
For a frequency of a first frequency band, which is an effective frequency band for diagnosing abnormalities of the drone, steady state vibration data is collected at regular frequency intervals, and an average vector of the collected data is calculated,
With respect to a frequency of a second frequency band, which is a frequency band in which a harmonic is generated according to the rotation speed of the drone, the peak value of the harmonic is calculated as an average vector.
제6항에 있어서, 상기 이상 감지부는
상기 드론의 프로펠러의 회전속도가 특정 속도 이상인 경우, 미리 설정된 소정의 기준 속도에 도달할 때마다 상기 기준 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 드론의 이상 진단 장치.
The method of claim 6, wherein the abnormality detection unit
When the rotation speed of the propeller of the drone is greater than or equal to a specific speed, the apparatus for diagnosing an abnormality of a drone, characterized in that the reference data is generated whenever a preset reference speed is reached.
드론이 정상 상태일 때의 진동 데이터를 학습하여 기준 데이터로 생성하는 기준 데이터 생성 단계;
초소형 센서를 이용하여, 드론 구동시 발생하는 진동 원시 데이터를 수집하는 데이터 수집단계;
상기 수집된 진동 원시 데이터 중 상기 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수 대역만을 선택하는 필터링 단계;
상기 필터링 단계에서 선택된 시간영역의 데이터를 주파수 영역으로 변환한 후 점검 데이터로 출력하는 변환 단계;
상기 점검 데이터와 상기 기준 데이터를 비교하여 상기 드론의 이상 여부를 감지하는 이상 감지단계; 및
상기 드론에 대하여 임의의 고장 상황을 연출하여 나타난 주파수 패턴을 검출하고, 그 결과에 의거하여 상기 유효한 주파수 대역을 결정하는 주파수 대역 결정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 이상 진단 방법.
A reference data generation step of learning the vibration data when the drone is in a normal state and generating it as reference data;
A data collection step of collecting raw vibration data generated when the drone is driven by using a micro sensor;
a filtering step of selecting only a valid frequency band for abnormal diagnosis of the drone from among the collected vibration raw data;
a conversion step of converting the data of the time domain selected in the filtering step into the frequency domain and outputting the data as inspection data;
an abnormality detection step of detecting whether the drone is abnormal by comparing the inspection data with the reference data; and
and a frequency band determining step of detecting a frequency pattern that appears by creating a random failure situation with respect to the drone, and determining the effective frequency band based on the result.
삭제delete 제8항에 있어서, 상기 기준 데이터 생성 단계는
소정의 조건에 의거하여 다수의 진동 데이터를 수집한 후 상기 다수의 진동 데이터들의 평균 벡터를 산출하여 기준 데이터를 생성하는 평균벡터 산출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 이상 진단 방법.
The method of claim 8, wherein the generating of the reference data comprises:
and an average vector calculation step of generating reference data by calculating an average vector of the plurality of vibration data after collecting a plurality of vibration data based on a predetermined condition.
제10항에 있어서, 상기 평균벡터 산출단계는
상기 드론의 이상 진단을 위해 유효한 주파수 대역인 제1 주파수 대역의 주파수에 대하여, 일정 주파수 간격으로 정상 상태의 진동 데이터를 수집하고, 그 수집된 데이터들의 평균 벡터를 산출하는 제1 평균 벡터 산출 단계; 및
상기 드론의 회전속도에 따른 하모닉(harmonic)이 발생되는 주파수 대역인 제2 주파수 대역의 주파수에 대하여, 상기 하모닉의 피크치를 평균벡터로 산출하는 제2 평균 벡터 산출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 이상 진단 방법.
11. The method of claim 10, wherein the calculating of the average vector comprises:
a first average vector calculation step of collecting steady state vibration data at regular frequency intervals with respect to a frequency of a first frequency band, which is an effective frequency band for diagnosing abnormalities of the drone, and calculating an average vector of the collected data; and
and a second average vector calculation step of calculating the peak value of the harmonic as an average vector with respect to a frequency of a second frequency band, which is a frequency band in which harmonics are generated according to the rotation speed of the drone. method of diagnosing abnormalities.
제8항에 있어서, 상기 기준 데이터 생성 단계는
상기 드론의 프로펠러의 회전속도가 특정 속도 이상인 경우, 미리 설정된 소정의 기준 속도에 도달할 때마다 상기 기준 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 드론의 이상 진단 방법.
The method of claim 8, wherein the generating of the reference data comprises:
When the rotation speed of the propeller of the drone is greater than or equal to a specific speed, the reference data is generated whenever a preset reference speed is reached.
제8항에 있어서, 상기 변환 단계는
상기 필터링 단계에서 선택된 주파수 대역의 신호들 중, 일부만을 푸리에 변환하는 패스트 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 수행하는 것을 특징으로 하는 드론의 이상 진단 방법.
The method of claim 8, wherein the converting step
A method for diagnosing an abnormality of a drone, characterized in that a Fast Fourier Transform (FFT) of performing a Fourier transform of only some of the signals of the frequency band selected in the filtering step is performed.
제8항에 있어서, 상기 이상 감지 단계는
상기 기준 데이터와 상기 점검 데이터의 유클리드 거리값(D)을 계산하는 거리 계산단계; 및
상기 유클리드 거리값(D)을 미리 설정된 임계값(Dth)과 비교하여 상기 드론에 이상 발생 여부를 결정하는 비교 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 이상 진단 방법.
The method of claim 8, wherein the detecting anomaly comprises:
a distance calculation step of calculating a Euclidean distance value (D) between the reference data and the inspection data; and
and comparing the Euclidean distance value (D) with a preset threshold value (D th ) to determine whether an abnormality occurs in the drone.
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