KR102263893B1 - 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 멀티콥터의 측위 및 자세 추정 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 멀티콥터의 측위 및 자세 추정 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 양상인 지자기 교란 환경에서, 서버가 3차원 자기장 지도를 기초로 드론의 측위 및 자세를 추정하는 방법은, 제 1 선로 주변의 자기장 값의 분포를 3차원 좌표에 대해 방향벡터와 자기장 값으로 제공하는 3차원 자기장 지도를 생성하는 제 1 단계; 및 상기 생성된 3차원 자기장 지도를 기초로, 적어도 하나의 멀티콥터를 운용하는 제 2 단계;를 포함할 수 있다.

Description

지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 멀티콥터의 측위 및 자세 추정 시스템 및 그 제어방법 {Navigation positioning system using three dimensions magnetic field map for multicopter adjacent power rail, in geomagnetic disturbance situation, and control method}

본 발명은 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 멀티콥터의 측위 및 자세 추정 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

무인비행기(UAV: Unmanned Aerial Vehicle)는 조종사가 탑승하지 않고 원격조종 또는 자율비행제어로 비행을 하여 정찰, 폭격, 화물 수송, 산불 감시, 방사능 감시 등 사람이 직접 수행하기가 힘들거나 직접 수행하기에 위험한 임무를 수행하는 비행기를 의미한다.

무인비행기는 임무수행이 끝난 후 원하는 지점에 안전하게 착륙시키는 일이 중요한데, 조종사가 탑승하여 조종하지 않기 때문에 지상 혹은 착륙대에 착륙하는 과정에서 추락하지 않도록 정밀하게 착륙을 제어할 필요가 있다.

무인비행기의 착륙관련 항행시스템은 무인비행기 기종마다 다양하게 구현되고 있다. 일반적으로 무인비행기의 항행 또는 착륙 유도에는 GPS와 관성유도장치가 주로 사용되는데, 그 중에서도 GPS가 칩셋 가격이 저렴하고 크기가 소형이기 때문에 선호되는 경향이 있다. 예컨대, 무인기의 일종인 프레데터(Predator)와 같은 무인기의 경우에는 정밀접근 레이더 및 비디오 카메라 등을 이용하여 수동조종 착륙이 가능하도록 구현되어 있다.

대표적인 무인 비행기로 멀티콥터를 들 수 있다.

멀티콥터(multicopter) 또는 멀티로터(multirotor)는 고정익 비행체와 대비되어 두 개 이상의 로터(rotor)를 이용하여 부양력을 얻는 비행체를 의미하며, 비행체의 운동은 각 로터의 상대적인 회전속도를 조정하여 이루어진다.

최근, 멀티콥터는 주로 군사무기로만 활용되던 무인항공기로서 다양한 분야에서 새롭게 주목을 받고 있다.

예를 들어, 차세대 물류 배송수단으로 부각이 되는가 하면, 농업, 재난 구조, 방송, 레저 등과 같이 다양한 분야에서 활용되면서 무한한 가능성을 인정받고 있다.

이러한 멀티콥터는 로터의 숫자에 따라서 4-, 6-, 8-로터 헬리콥터(helicopter), 드론 등으로 불리기도 한다.

한편, 드론은 철도시설물 점검을 위해 활용될 수도 있는데, 이때, 철도환경에서 전차선에는 AC 25KV, DC 3000V의 큰 전압이 걸리며 열차가 지나가는 순간에 최대 300A까지 많은 전류가 흐른다.

따라서 전차선 주변에는 큰 자기장이 형성되어 드론의 항법센서 중 하나인 지자기 센서에 큰 영향을 미친다.

반면, 열차가 운행하지 않을 때는 상대적으로 적은 전류가 흐르기 때문에 전차선 주변 자기장은 열차가 지나갈 때보다는 작은 편이나 항법센서에 영향을 준다.

이와 같이 철도환경에서는 자기장의 변화가 심하며 이는 항법센서에 교란을 일으키므로, 철도환경에서 드론이 비행을 위해, 자기장의 변화에 대처하기 어렵다는 문제점이 있다.

즉, 멀티콥터는 GPS, 가속도계, 지자기센서, 고도계 등을 모두 활용하여 위치를 측위하고 항법을 수행하는데, 항법을 수행하기 위해서는 위치정보와 헤딩정보, 가속도 정보가 필요하고, 이 중 헤딩정보는 지자기센서로부터 취득하게 된다.

이때, 지자기센서는 나침반처럼 지구의 자력을 감지하여 멀티 콥터가 어느 곳을 향하고 있는지 감지하는 센서이고, 멀티콥터가 전차선에 접근하게 되면 전차선에 흐르는 전류에 의해 발생된 자기장의 영향을 받게 된다.

종래에는 열차가 운행할 때 전차선 자기장의 영향을 피하기 위해 점검용 드론을 운행을 하지 않으므로, 열차 운행이 잦은 주간에는 드론 운영이 어려워 드론을 이용한 철도시설물 점검 효율성 저하의 요인이 된다는 문제점이 존재하였다.

등록특허 KR 10-1586188호

본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해, 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 멀티콥터의 측위 및 자세 추정 시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.

구체적으로 본 발명은 드론 자체 센서가 아닌 외부 정보를 드론의 경로 설정에 이용하는 장치 및 방법을 사용자에게 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 외부정보를 기반으로 주변 자기장 변화를 예측하고 이를 드론의 운용에 이용하는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 주변 자기장 세기 변화에 따라 드론의 경로설정을 실시간으로 변경하는 장치 및 방법을 사용자에게 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 철도시설물 점검용 드론에 적용되어 열차운행 중에도 점검을 중단하지 않고 안전한 범위에서 드론이 점검을 수행하도록 하여 점검 효율성은 높이고 운용 안전성은 향상시키는 기술을 제공하고자 한다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상인 지자기 교란 환경에서, 서버가 3차원 자기장 지도를 기초로 드론의 측위 및 자세를 추정하는 방법은, 제 1 선로 주변의 자기장 값의 분포를 3차원 좌표에 대해 방향벡터와 자기장 값으로 제공하는 3차원 자기장 지도를 생성하는 제 1 단계; 및 상기 생성된 3차원 자기장 지도를 기초로, 적어도 하나의 멀티콥터를 운용하는 제 2 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 1 단계는, 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의한, 상기 제 1 선로의 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값을 획득하는 제 1-1 단계; 미리 설정한 제 1 시뮬레이션 방법을 기초로, 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의한, 상기 제 1 선로의 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값을 획득하는 제 1-2 단계; 상기 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값과 상기 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값을 비교하고, 운행 환경 정보, 차량 종류, 차량 길이, 차량 속도 및 선로 곡률을 고려하여, 상기 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값과 상기 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값 간의 오차가 최소화되도록 전류 및 전압 값을 모델링 하는 제 1-3 단계; 및 상기 모델링 된 전류 및 전압 값을 기초로 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의해 발생하는 시뮬레이션 자기장 정보를 산출하는 제 1-4 단계; 를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 1-4 단계와 상기 제 2 단계 사이에는, 상기 제 1 선로의 자기장 측정값을 기초로, 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의해 발생하는 실제 자기장 정보를 수집하는 제 1-5 단계; 상기 실제 자기장 정보와 상기 시뮬레이션 자기장 정보를 비교하고, 상기 운행 환경 정보, 상기 차량 종류, 상기 차량 길이, 상기 차량 속도 및 상기 선로 곡률을 고려하여, 상기 실제 자기장 정보와 상기 시뮬레이션 자기장 정보 간의 오차가 최소화되도록 자기장 값을 모델링 하는 제 1-6 단계; 및 상기 모델링 된 자기장 값을 기초로, 상기 제 1 선로 주변의 자기장 값의 분포를 3차원 좌표에 대해 방향벡터와 자기장 값으로 제공하는 3차원 자기장 지도를 생성하는 제 1-7 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 2 단계는, 상기 적어도 하나의 멀티콥터의 지자기 센서를 통해 획득된 방향 벡터 세기와 상기 3차원 자기장 지도 상의 방향 벡터 세기를 비교하는 제 2-1 단계; 및 상기 제 9-1 단계의 비교 동작을 통해, 차이가 가장 적은 지점에 매칭되는 위치 정보를 기반으로, 상기 적어도 하나의 멀티콥터의 위치 및 자세를 변경하는 제 2-2 단계; 를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 2 단계 이후에는, 상기 복수의 차량 중 제 1 차량이 운행되는 정보를 수신하는 제 3 단계; 상기 3차원 자기장 지도를 기초로, 상기 제 1 차량에 의한 자기장 변화를 예측하는 제 4 단계; 상기 예측된 자기장 변화가 미리 설정된 수치 이상인지 여부를 판별하는 제 5 단계; 및 상기 미리 설정된 수치 이상인 경우, 상기 제 1 차량이 운행되는 선로에 대해 상기 적어도 하나의 멀티콥터의 운행이 중지되는 제 6 단계; 를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상인 서버 및 적어도 하나의 멀티콥터를 포함하고, 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 기초로 드론의 측위 및 자세를 추정하는 시스템에 있어서, 상기 서버는, 제 1 선로 주변의 자기장 값의 분포를 3차원 좌표에 대해 방향벡터와 자기장 값으로 제공하는 3차원 자기장 지도를 생성하고, 상기 생성된 3차원 자기장 지도를 기초로, 상기 적어도 하나의 멀티콥터를 운용할 수 있다.

또한, 상기 서버는, 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의한, 상기 제 1 선로의 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값을 획득하고, 미리 설정한 제 1 시뮬레이션 방법을 기초로, 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의한, 상기 제 1 선로의 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값을 획득하며, 상기 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값과 상기 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값을 비교하고, 운행 환경 정보, 차량 종류, 차량 길이, 차량 속도 및 선로 곡률을 고려하여, 상기 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값과 상기 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값 간의 오차가 최소화되도록 전류 및 전압 값을 모델링 하고, 상기 모델링 된 전류 및 전압 값을 기초로 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의해 발생하는 시뮬레이션 자기장 정보를 산출할 수 있다.

또한, 상기 서버는, 상기 제 1 선로의 자기장 측정값을 기초로, 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의해 발생하는 실제 자기장 정보를 수집하고, 상기 실제 자기장 정보와 상기 시뮬레이션 자기장 정보를 비교하고, 상기 운행 환경 정보, 상기 차량 종류, 상기 차량 길이, 상기 차량 속도 및 상기 선로 곡률을 고려하여, 상기 실제 자기장 정보와 상기 시뮬레이션 자기장 정보 간의 오차가 최소화되도록 자기장 값을 모델링 하며, 상기 모델링 된 자기장 값을 기초로, 상기 제 1 선로 주변의 자기장 값의 분포를 3차원 좌표에 대해 방향벡터와 자기장 값으로 제공하는 3차원 자기장 지도를 생성할 수 있다.

또한, 상기 서버는, 상기 적어도 하나의 멀티콥터의 지자기 센서를 통해 획득된 방향 벡터 세기와 상기 3차원 자기장 지도 상의 방향 벡터 세기를 비교하고, 상기 비교 동작을 통해, 차이가 가장 적은 지점에 매칭되는 위치 정보를 기반으로, 상기 적어도 하나의 멀티콥터의 위치 및 자세를 변경할 수 있다.

또한, 상기 서버는, 상기 복수의 차량 중 제 1 차량이 운행되는 정보를 수신하고, 상기 3차원 자기장 지도를 기초로, 상기 제 1 차량에 의한 자기장 변화를 예측하며, 상기 예측된 자기장 변화가 미리 설정된 수치 이상인지 여부를 판별하고, 상기 미리 설정된 수치 이상인 경우, 상기 제 1 차량이 운행되는 선로에 대해 상기 적어도 하나의 멀티콥터의 운행을 중지할 수 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해, 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 멀티콥터의 측위 및 자세 추정 시스템 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.

구체적으로 본 발명은 드론 자체 센서가 아닌 외부 정보를 드론의 경로 설정에 이용하는 장치 및 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 외부정보를 기반으로 주변 자기장 변화를 예측하고 이를 드론의 운용에 이용하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 주변 자기장 세기 변화에 따라 드론의 경로설정을 실시간으로 변경하는 장치 및 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 철도시설물 점검용 드론에 적용되어 열차운행 중에도 점검을 중단하지 않고 안전한 범위에서 드론이 점검을 수행하도록 하여 점검 효율성은 높이고 운용 안전성은 향상시키는 기술을 제공할 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 무인비행기의 일종인 쿼드콥터의 일반적인 평면 구성도의 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명과 관련된 일반적인 쿼드콥터의 작동 원리를 예시하여 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명이 제안하는 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 멀티 콥터의 측위 및 자세 추정 시스템의 블록구성도 일례를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명이 제안하는 시스템에 적용되는 드론의 블록구성도 일례를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명과 관련하여, 자기장 지도 제작 과정을 설명하는 순서도이다.
도 6은 본 발명과 관련하여, 제작된 자기장 지도와 지자기 센서의 3차원 방향벡터와 자기장 세기 비교를 통해 가장 정확하게 매칭되는 위치로 무인이동체의 위치 및 자세를 추정하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 7은 본 발명과 관련하여, 자기장 지도를 활용하여 주행 경로 생성 시 자기장 왜곡이 심하게 발생하는 영역으로 이동하지 못하게 하는 방법을 설명하는 순서도이다.

멀티 콥터(드론)

무인 항공기(unmanned aerial vehicle, UAV) 또는 단순히 드론(drone)은 조종사를 탑승하지 않고 지정된 임무를 수행할 수 있도록 제작한 비행체이다.

무인 항공기의 다른 이름으로 벌이 윙윙거린다는 것에서 드론(drone)이라고도 불리기도 한다.

기체에 사람이 타지 않은 것으로 지상에는 원격 조종하는 조종사가 존재하고 있다는 점을 강조해 Uninhabited Aerial(Air) Vehicle의 약어로 지칭하는 경우도 있다.

무인 항공기는 독립된 체계 또는 우주, 지상 체계들과 연동시켜 운용된다.

활용분야에 따라 다양한 장비(광학, 적외선, 레이더 센서 등)를 탑재하여 감시, 정찰, 정밀공격무기의 유도, 통신/정보중계, EA/EP, Decoy 등의 임무를 수행하며, 폭약을 장전시켜 정밀무기 자체로도 개발되어 실용화되고 있어 향후 미래의 주요 군사력 수단으로도 주목을 받고 있다.

대표적인 무인 비행기로 멀티콥터를 들 수 있다.

멀티콥터(multicopter) 또는 멀티로터(multirotor)는 고정익 비행체와 대비되어 두 개 이상의 로터(rotor)를 이용하여 부양력을 얻는 비행체를 의미하며, 비행체의 운동은 각 로터의 상대적인 회전속도를 조정하여 이루어진다.

이하에서는 설명의 편의를 위해, 본 발명이 적용되는 무인 비행기의 종류가 쿼드콥터 인 것으로 가정하여 설명한다.

그러나 본 발명의 내용이 쿼드콥터에 제한되는 것은 아니고, 다른 종류의 무인 비행기에 적용될 수 있는 것은 자명하다.

도 1은 무인비행기의 일종인 쿼드콥터의 일반적인 평면 구성도의 일례를 도시한 것이다.

도 1을 참고하면, 쿼드콥터(100)는 몸체부(10)와, 몸체부(10)에서 방사형으로 고정되는 4개의 암(20)과, 각 암(20)에 마련된 모터(40)에 의해 회전 구동이 이루어지는 4개의 프로펠러(30)로 구성된다.

이와 같이 구성된 쿼드콥터(100)는 각 프로펠러(30)의 회전속도를 제어하여 비행에 필요한 추력과 자세제어가 이루어진다.

또한, 도 2는 본 발명과 관련된 일반적인 쿼드콥터의 작동 원리를 예시하여 보여주는 도면이다.

도 2에서 각 프로펠러의 화살표는 회전 방향과 속도의 크기를 나타낸다.

도 2를 참고하면, 서로 대향하여 배치되는 제1프로펠러(31) 및 제3프로펠러(33)와, 제2프로펠러(32) 및 제4프로펠러(34)는 서로 반대 방향으로 동일한 회전속도로 회전이 이루어지는 경우에 회전 속도의 크기에 따라서 쿼드콥터는 평행한 자세로 높이 조정이 이루어지거나 호버링(hovering)이 이루어진다(a).

또한, 4개의 프로펠러 중의 특정 프로펠러의 회전 속도를 변화시켜 요잉(yawing), 롤링(rolling) 및 피칭(pitching)이 이루어질 수 있다.

예를 들어, 제1프로펠러(31) 및 제3프로펠러(33)와, 제2프로펠러(32) 및 제4프로펠러(34)의 회전 속도를 서로 다르게 제어함으로써, 비행체의 요잉 제어가 이루어질 수 있으며(b), 4개의 프로펠러 중에서 특정 프로펠러만의 회전 속도를 다르게 제어하여 비행체의 피칭 제어가 이루어질 수 있다.

이와 같이 작동이 이루어지는 쿼드콥터는 특정 방향으로 이동하고자 하는 경우에는 피칭 제어를 통하여 이루어지며, 이는 프로펠러의 숫자와 무관하게 멀티콥터에서는 기본적인 작동 원리에 해당한다.

종래기술의 문제점

드론은 철도시설물 점검을 위해 활용될 수도 있는데, 이때, 철도환경에서 전차선에는 AC 25KV, DC 3000V의 큰 전압이 걸리며 열차가 지나가는 순간에 최대 300A까지 많은 전류가 흐른다.

따라서 전차선 주변에는 큰 자기장이 형성되어 드론의 항법센서 중 하나인 지자기 센서에 큰 영향을 미친다.

반면, 열차가 운행하지 않을 때는 상대적으로 적은 전류가 흐르기 때문에 전차선 주변 자기장은 열차가 지나갈 때보다는 작은 편이나 항법센서에 영향을 준다.

이와 같이 철도환경에서는 자기장의 변화가 심하며 이는 항법센서에 교란을 일으키므로, 철도환경에서 드론이 비행을 위해, 자기장의 변화에 대처하기 어렵다는 문제점이 있다.

즉, 멀티콥터는 GPS, 가속도계, 지자기센서, 고도계 등을 모두 활용하여 위치를 측위하고 항법을 수행하는데, 항법을 수행하기 위해서는 위치정보와 헤딩정보, 가속도 정보가 필요하고, 이 중 헤딩정보는 지자기센서로부터 취득하게 된다.

이때, 지자기센서는 나침반처럼 지구의 자력을 감지하여 멀티 콥터가 어느 곳을 향하고 있는지 감지하는 센서이고, 멀티콥터가 전차선에 접근하게 되면 전차선에 흐르는 전류에 의해 발생된 자기장의 영향을 받게 된다.

종래에는 열차가 운행할 때 전차선 자기장의 영향을 피하기 위해 점검용 드론을 운행을 하지 않으므로, 열차 운행이 잦은 주간에는 드론 운영이 어려워 드론을 이용한 철도시설물 점검 효율성 저하의 요인이 된다는 문제점이 존재하였다.

따라서 본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해, 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 멀티콥터의 측위 및 자세 추정 시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.

구체적으로 본 발명은 드론 자체 센서가 아닌 외부 정보를 드론의 경로 설정에 이용하는 장치 및 방법을 사용자에게 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 외부정보를 기반으로 주변 자기장 변화를 예측하고 이를 드론의 운용에 이용하는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 주변 자기장 세기 변화에 따라 드론의 경로설정을 실시간으로 변경하는 장치 및 방법을 사용자에게 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 철도시설물 점검용 드론에 적용되어 열차운행 중에도 점검을 중단하지 않고 안전한 범위에서 드론이 점검을 수행하도록 하여 점검 효율성은 높이고 운용 안전성은 향상시키는 기술을 제공하고자 한다.

멀티콥터의 전차선 근접시 지자기교란에 의한 항법정보 보정 시스템

도 3은 본 발명이 제안하는 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 멀티 콥터의 측위 및 자세 추정 시스템의 블록구성도 일례를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 본 발명이 제안하는 멀티콥터의 전차선 근접시 지자기교란에 의한 항법정보 보정 시스템은 전술한 복수의 드론(1000), 항법 관리부(10) 및 전차선(100)를 포함할 수 있다.

여기서 항법 관리부(10)는 복수의 드론(1000)과 통신하여 전차선(100)과 관련된 정보를 수집하는 동작을 수행할 수 있다.

여기서, 복수의 드론(1000) 및 항법 관리부(10) 간에는 근거리 통신 또는 원거리 통신 방식이 적용될 수 있다.

여기서 근거리 통신은 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(IrDA, infrared Data Association), UWB(Ultra-Wideband), ZigBee, Wi-Fi (Wireless Fidelity) 기술을 포함할 수 있다.

또한, 원거리 통신은 CDMA(code division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), TDMA(time division multiple access), OFDMA(orthogonal frequency division multiple access), SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 기술을 포함할 수 있다.

본 발명에 적용되는 멀티콥터

도 4는 본 발명이 제안하는 시스템에 적용되는 드론의 블록구성도 일례를 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 드론(1000)은, 무선 통신부(1110), A/V(Audio/Video) 입력부(1120), 사용자 입력부(1130), 센싱부(1140), 출력부(1150), 메모리(1160), 인터페이스부(1170), 제어부(1180), 전원공급부(1190) 등을 포함할 수 있다.

도 4에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 기기가 구현될 수도 있다.

이하, 상기 구성요소들에 대해 차례로 살펴본다.

무선 통신부(1110)는 드론(1000)와 무선 통신 시스템 사이 또는 드론(1000)와 드론(1000)가 위치한 네트워크 사이의 무선 통신을 가능하게 하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 무선 통신부(1110)는 방송 수신 모듈(111), 이동통신 모듈(1112), 무선 인터넷 모듈(1113), 근거리 통신 모듈(1114) 및 위치정보 모듈(1115) 등을 포함할 수 있다.

방송 수신 모듈(1111)은 방송 채널을 통하여 외부의 방송 관리 서버로부터 방송 신호 및/또는 방송 관련된 정보를 수신한다.

상기 방송 채널은 위성 채널, 지상파 채널을 포함할 수 있다. 상기 방송 관리 서버는, 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보를 생성하여 송신하는 서버 또는 기 생성된 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보를 제공받아 드론(1000)에 송신하는 서버를 의미할 수 있다. 상기 방송 신호는, TV 방송 신호, 라디오 방송 신호, 데이터 방송 신호를 포함할 뿐만 아니라, TV 방송 신호 또는 라디오 방송 신호에 데이터 방송 신호가 결합한 형태의 방송 신호도 포함할 수 있다.

상기 방송 관련 정보는, 방송 채널, 방송 프로그램 또는 방송 서비스 제공자에 관련한 정보를 의미할 수 있다. 상기 방송 관련 정보는, 이동통신망을 통하여도 제공될 수 있다. 이러한 경우에는 상기 이동통신 모듈(1112)에 의해 수신될 수 있다.

상기 방송 관련 정보는 다양한 형태로 존재할 수 있다. 예를 들어, DMB(Digital Multimedia Broadcasting)의 EPG(Electronic Program Guide) 또는 DVB-H(Digital Video Broadcast-Handheld)의 ESG(Electronic Service Guide) 등의 형태로 존재할 수 있다.

상기 방송 수신 모듈(1111)은, 예를 들어, DMB-T(Digital Multimedia Broadcasting-Terrestrial), DMB-S(Digital Multimedia Broadcasting-Satellite), MediaFLO(Media Forward Link Only), DVB-H(Digital Video Broadcast-Handheld), DVB-CBMS, OMA-BCAST, ISDB-T(Integrated Services Digital Broadcast-Terrestrial) 등의 디지털 방송 시스템을 이용하여 디지털 방송 신호를 수신할 수 있다. 물론, 상기 방송 수신 모듈(1111)은, 상술한 디지털 방송 시스템뿐만 아니라 다른 방송 시스템에 적합하도록 구성될 수도 있다.

방송 수신 모듈(1111)을 통해 수신된 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보는 메모리(1160)에 저장될 수 있다.

이동통신 모듈(1112)은, 이동 통신망 상에서 기지국, 외부의 드론(1000), 서버 중 적어도 하나와 무선 신호를 송수신한다. 상기 무선 신호는, 음성 신호, 화상 신호 또는 문자/멀티미디어 메시지 송수신에 따른 다양한 형태의 데이터를 포함할 수 있다.

무선 인터넷 모듈(1113)은 무선 인터넷 접속을 위한 모듈을 말하는 것으로, 드론(1000)에 내장되거나 외장될 수 있다.

상기 무선 인터넷의 기술로는 WLAN(Wireless LAN)(Wi-Fi), Wibro(Wireless broadband), Wimax(World Interoperability for Microwave Access), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access) 등이 이용될 수 있다.

근거리 통신 모듈(1114)은 근거리 통신을 위한 모듈을 말한다. 상기 근거리 통신(short range communication)의 기술로는 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(IrDA, infrared Data Association), UWB(Ultra Wideband), ZigBee 등이 이용될 수 있다.

위치 정보 모듈(1115)은 드론(1000)의 위치를 획득하기 위한 모듈로서, 그의 대표적인 예로는 GPS(Global Position System) 모듈이 있다. 현재 기술에 의하면, 상기 GPS모듈(1115)은 3개 이상의 위성으로부터 떨어진 거리 정보와 정확한 시간 정보를 산출한 다음 상기 산출된 정보에 삼각법을 적용함으로써, 위도, 경도, 및 고도에 따른 3차원의 현 위치 정보를 정확히 산출할 수 있다. 현재, 3개의 위성을 이용하여 위치 및 시간 정보를 산출하고, 또 다른 1개의 위성을 이용하여 상기 산출된 위치 및 시간 정보의 오차를 수정하는 방법이 널리 사용되고 있다. 또한, GPS 모듈(1115)은 현 위치를 실시간으로 계속 산출함으로써 속도 정보를 산출할 수 있다.

도 4를 참조하면, A/V(Audio/Video) 입력부(1120)는 오디오 신호 또는 비디오 신호 입력을 위한 것으로, 이에는 카메라(1121)와 마이크(1122) 등이 포함될 수 있다. 카메라(1121)는 화상 통화모드 또는 촬영 모드에서 이미지 센서에 의해 얻어지는 정지영상 또는 동영상 등의 화상 프레임을 처리한다. 처리된 화상 프레임은 디스플레이부(1151)에 표시될 수 있다.

카메라(1121)에서 처리된 화상 프레임은 메모리(1160)에 저장되거나 무선 통신부(1110)를 통하여 외부로 전송될 수 있다.

이때, 카메라(1121)는 사용 환경에 따라 2개 이상이 구비될 수도 있다.

일 예로, 상기 카메라(1121)는 기기(100)의 디스플레이부(1151)가 구비된 반대면에 3D 영상 촬영을 위한 제1 및 제2 카메라(1121a, 1121b)가 구비될 수 있고, 상기 드론(1000)의 디스플레이부(1151)가 구비된 면의 일부 영역에 사용자의 셀프 촬영을 위한 제3 카메라(1121c)가 구비될 수 있다.

이때, 제1 카메라(1121a)는 3D 영상의 소스 영상인 좌안 영상 촬영을 위한 것이고, 제2 카메라(1121b)는 우안 영상 촬영을 위한 것이 될 수 있다.

또한, 연결부(1123)는 카메라(1121)와 드론(1000) 간을 연결하기 위한 구조물로, 대표적으로 하나의 축을 중심으로 물체가 회전할 수 있도록 만들어진 구조물인 짐벌 (Gimbal)이 연결부(1123)의 대표적인 일례이다.

또한, 마이크(1122)는 통화모드 또는 녹음모드, 음성인식 모드 등에서 마이크로폰(Microphone)에 의해 외부의 음향 신호를 입력받아 전기적인 음성 데이터로 처리한다. 처리된 음성 데이터는 통화 모드인 경우 이동통신 모듈(112)을 통하여 이동통신 기지국으로 송신 가능한 형태로 변환되어 출력될 수 있다. 마이크(1122)에는 외부의 음향 신호를 입력받는 과정에서 발생되는 잡음(noise)을 제거하기 위한 다양한 잡음 제거 알고리즘이 구현될 수 있다.

사용자 입력부(1130)는 사용자가 드론(1000)의 동작 제어를 위한 입력 데이터를 발생시킨다.

사용자 입력부(1130)는 본 발명에 따라 표시되는 컨텐트들 중 두 개 이상의 컨텐트를 지정하는 신호를 사용자로부터 수신할 수 있다. 그리고, 두 개 이상의 컨텐트를 지정하는 신호는, 터치입력을 통하여 수신되거나, 하드키 및 소프트 키입력을 통하여 수신될 수 있다.

사용자 입력부(1130)는 상기 하나 또는 둘 이상의 컨텐트들을 선택하는 입력을 사용자로부터 수신할 수 있다. 또한, 사용자로부터 드론(1000)가 수행할 수 있는 기능과 관련된 아이콘을 생성하는 입력을 수신할 수 있다.

상기와 같은, 사용자 입력부(1130)는 방향키, 키 패드(key pad), 돔 스위치 (dome switch), 터치 패드(정압/정전), 조그 휠, 조그 스위치 등으로 구성될 수 있다.

센싱부(140)는 드론(1000)의 개폐 상태, 드론(1000)의 위치, 사용자 접촉 유무, 기기의 방위, 기기의 가속/감속 등과 같이 드론(1000)의 현 상태를 감지하여 드론(1000)의 동작을 제어하기 위한 센싱 신호를 발생시킨다. 또한, 배터리(1190)의 전원 공급 여부, 인터페이스부(1170)의 외부 기기 결합 여부 등을 센싱할 수도 있다. 한편, 상기 센싱부(1140)는 근접 센서(1141)를 포함할 수 있다.

특히, 센싱부(1140)는 가속도 센서(1142)를 포함할 수 있다.

여기서 가속도 센서(1142)는 이동하는 물체의 가속도나 충격의 세기를 측정하는 센서를 뜻한다.

또한, 센싱부(1140)는 지자기 센서(1143)을 포함할 수 있다.

여기서 지자기 센서(1143)는 지자기를 검출하는 데 사용되는 센서를 말한다.

또한, 센싱부(1140)는 고도 센서(1144)을 포함할 수 있다.

여기서 고도 센서(1144)는 압력 센서의 일종으로서, 고도의 차이에 따라 기압의 변화를 감지하고 엔진에 흡입된 공기 밀도의 변화에 따라 공연비의 차이를 수정하기 위하여 사용되는 센서이다.

또한, 센싱부(1140)는 거리측정 센서(1145)을 포함할 수 있다.

여기서 거리측정 센서(1145)는 2점간의 거리를 측정하는 경우, 3각 측량방식(적외선 이용식, 자연광 이용식), 초음파 방식 등이 이용되는 센서이다.

또한, 출력부(1150)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시키기 위한 것으로, 이에는 디스플레이부(1151), 음향 출력 모듈(1152), 알람부(1153), 햅틱 모듈(154) 및 프로젝터 모듈(1155) 등이 포함될 수 있다.

디스플레이부(1151)는 기기(100)에서 처리되는 정보를 표시(출력)한다. 예를 들어, 기기가 통화 모드인 경우 통화와 관련된 UI(User Interface) 또는 GUI(Graphic User Interface)를 표시한다. 기기(100)가 화상 통화 모드 또는 촬영 모드인 경우에는 촬영 또는/및 수신된 영상 또는 UI, GUI를 표시한다.

또한, 본 발명에 따른 디스플레이부(1151)는 2D 및 3D 표시 모드를 지원한다.

즉, 본 발명에 따른 디스플레이부(1151)는 이하의 도 4에 도시된 바와 같이, 일반적인 디스플레이 장치(1151a)에 스위치 액정(1151b)을 조합하는 구성을 가질 수 있다. 그리고, 스위치 액정(1151b)을 이용하여 광학 시차 장벽(50)을 작동시켜 광의 진행 방향을 제어하여 좌우의 눈에 각기 다른 광이 도달하도록 분리할 수 있다. 때문에 우안용 영상과 좌안용 영상이 조합된 영상이 디스플레이 장치(1151a)에 표시되는 경우 사용자의 입장에서는 각각의 눈에 대응한 화상이 보여 마치 입체로 표시된 것처럼 느끼게 된다.

즉, 디스플레이부(1151)는 제어부(1180)의 제어에 따라, 2D 표시 모드인 상태에서는 상기 스위치 액정(1151b) 및 광학 시차 장벽(50)을 구동시키지 않고, 상기 디스플레이 장치(1151a)만을 구동시켜 일반적인 2D 표시 동작을 수행한다.

또한, 디스플레이부(1151)는 제어부(1180)의 제어에 따라, 3D 표시 모드인 상태에서는 상기 스위치 액정(1151b)과, 광학 시차 장벽(50) 및 디스플레이 장치(1151a)를 구동시켜 상기 디스플레이 장치(1151a)만을 구동시켜 3D 표시 동작을 수행한다.

한편, 상기와 같은 디스플레이부(151)는 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이들 중 일부 디스플레이는 그를 통해 외부를 볼 수 있도록 투명형 또는 광투과형으로 구성될 수 있다. 이는 투명 디스플레이라 호칭될 수 있는데, 상기 투명 디스플레이의 대표적인 예로는 TOLED(Transparant OLED) 등이 있다. 디스플레이부(1151)의 후방 구조 또한 광 투과형 구조로 구성될 수 있다. 이러한 구조에 의하여, 사용자는 드론(1000) 바디의 디스플레이부(1151)가 차지하는 영역을 통해 드론(1000) 바디의 후방에 위치한 사물을 볼 수 있다.

드론(1000)의 구현 형태에 따라 디스플레이부(1151)이 2개 이상 존재할 수 있다. 예를 들어, 기기(100)에는 복수의 디스플레이부들이 하나의 면에 이격되거나 일체로 배치될 수 있고, 또한 서로 다른 면에 각각 배치될 수도 있다.

디스플레이부(1151)와 터치 동작을 감지하는 센서(이하, '터치 센서'라 함)가 상호 레이어 구조를 이루는 경우(이하, '터치 스크린'이라 함)에, 디스플레이부(1151)는 출력 장치 이외에 입력 장치로도 사용될 수 있다. 터치 센서는, 예를 들어, 터치 필름, 터치 시트, 터치 패드 등의 형태를 가질 수 있다.

터치 센서는 디스플레이부(1151)의 특정 부위에 가해진 압력 또는 디스플레이부(1151)의 특정 부위에 발생하는 정전 용량 등의 변화를 전기적인 입력신호로 변환하도록 구성될 수 있다. 터치 센서는 터치 되는 위치 및 면적뿐만 아니라, 터치 시의 압력까지도 검출할 수 있도록 구성될 수 있다.

터치 센서에 대한 터치 입력이 있는 경우, 그에 대응하는 신호(들)는 터치 제어기(미도시)로 보내진다. 터치 제어기는 그 신호(들)를 처리한 다음 대응하는 데이터를 제어부(1180)로 전송한다. 이로써, 제어부(1180)는 디스플레이부(1151)의 어느 영역이 터치 되었는지 여부 등을 알 수 있게 된다.

상기 근접 센서(1141)는 상기 터치스크린에 의해 감싸지는 기기의 내부 영역 또는 상기 터치 스크린의 근처에 배치될 수 있다. 상기 근접 센서는 소정의 검출면에 접근하는 물체, 혹은 근방에 존재하는 물체의 유무를 전자계의 힘 또는 적외선을 이용하여 기계적 접촉이 없이 검출하는 센서를 말한다. 근접 센서는 접촉식 센서보다는 그 수명이 길며 그 활용도 또한 높다.

상기 근접 센서의 예로는 투과형 광전 센서, 직접 반사형 광전 센서, 미러 반사형 광전 센서, 고주파 발진형 근접 센서, 정전용량형 근접 센서, 자기형 근접 센서, 적외선 근접 센서 등이 있다. 상기 터치스크린이 정전식인 경우에는 상기 포인터의 근접에 따른 전계의 변화로 상기 포인터의 근접을 검출하도록 구성된다. 이 경우 상기 터치 스크린(터치 센서)은 근접 센서로 분류될 수도 있다.

이하에서는 설명의 편의를 위해, 상기 터치스크린 상에 포인터가 접촉되지 않으면서 근접되어 상기 포인터가 상기 터치스크린 상에 위치함이 인식되도록 하는 행위를 "근접 터치(proximity touch)"라고 칭하고, 상기 터치스크린 상에 포인터가 실제로 접촉되는 행위를 "접촉 터치(contact touch)"라고 칭한다. 상기 터치스크린 상에서 포인터로 근접 터치가 되는 위치라 함은, 상기 포인터가 근접 터치될 때 상기 포인터가 상기 터치스크린에 대해 수직으로 대응되는 위치를 의미한다.

상기 근접센서는, 근접 터치와, 근접 터치 패턴(예를 들어, 근접 터치 거리, 근접 터치 방향, 근접 터치 속도, 근접 터치 시간, 근접 터치 위치, 근접 터치 이동 상태 등)을 감지한다. 상기 감지된 근접 터치 동작 및 근접 터치 패턴에 상응하는 정보는 터치 스크린상에 출력될 수 있다.

음향 출력 모듈(1152)은 호신호 수신, 통화모드 또는 녹음 모드, 음성인식 모드, 방송수신 모드 등에서 무선 통신부(1110)로부터 수신되거나 메모리(1160)에 저장된 오디오 데이터를 출력할 수 있다. 음향 출력 모듈(1152)은 드론(1000)에서 수행되는 기능(예를 들어, 호신호 수신음, 메시지 수신음 등)과 관련된 음향 신호를 출력하기도 한다. 이러한 음향 출력 모듈(1152)에는 리시버(Receiver), 스피커(speaker), 버저(Buzzer) 등이 포함될 수 있다.

메모리(1160)는 제어부(1180)의 처리 및 제어를 위한 프로그램이 저장될 수도 있고, 입/출력되는 데이터들의 임시 저장을 위한 기능을 수행할 수도 있다. 상기 메모리(1160)에는 상기 데이터들 각각에 대한 사용 빈도도 함께 저장될 수 있다. 또한, 상기 메모리부(1160)에는 상기 터치스크린 상의 터치 입력시 출력되는 다양한 패턴의 진동 및 음향에 관한 데이터를 저장할 수 있다.

상기와 같은 메모리(1160)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.

인터페이스부(1170)는 드론(1000)에 연결되는 모든 외부기기와의 통로 역할을 한다. 인터페이스부(1170)는 외부 기기로부터 데이터를 전송받거나, 전원을 공급받아 드론(1000) 내부의 각 구성 요소에 전달하거나, 드론(1000) 내부의 데이터가 외부 기기로 전송되도록 한다. 예를 들어, 유/무선 헤드셋 포트, 외부 충전기 포트, 유/무선 데이터 포트, 메모리 카드(memory card) 포트, 식별 모듈이 구비된 장치를 연결하는 포트, 오디오 I/O(Input/Output) 포트, 비디오 I/O(Input/Output) 포트, 이어폰 포트 등이 인터페이스부(170)에 포함될 수 있다.

식별 모듈은 드론(1000)의 사용 권한을 인증하기 위한 각종 정보를 저장한 칩으로서, 사용자 인증 모듈(User Identify Module, UIM), 가입자 인증 모듈(Subscriber Identify Module, SIM), 범용 사용자 인증 모듈(Universal Subscriber Identity Module, USIM) 등을 포함할 수 있다. 식별 모듈이 구비된 장치(이하 '식별 장치')는, 스마트 카드(smart card) 형식으로 제작될 수 있다. 따라서 식별 장치는 포트를 통하여 드론(1000)와 연결될 수 있다.

상기 인터페이스부는 드론(1000)가 외부 크래들(cradle)과 연결될 때 상기 크래들로부터의 전원이 상기 드론(1000)에 공급되는 통로가 되거나, 사용자에 의해 상기 크래들에서 입력되는 각종 명령 신호가 상기 기기로 전달되는 통로가 될 수 있다. 상기 크래들로부터 입력되는 각종 명령 신호 또는 상기 전원은 상기 기기가 상기 크래들에 정확히 장착되었음을 인지하기 위한 신호로 동작될 수도 있다.

제어부(controller)(1180)는 통상적으로 기기의 전반적인 동작을 제어한다. 예를 들어 음성 통화, 데이터 통신, 화상 통화 등을 위한 관련된 제어 및 처리를 수행한다. 제어부(1180)는 멀티 미디어 재생을 위한 멀티미디어 모듈(1181)을 구비할 수도 있다. 멀티미디어 모듈(1181)은 제어부(1180) 내에 구현될 수도 있고, 제어부(1180)와 별도로 구현될 수도 있다.

상기 제어부(1180)는 상기 터치스크린 상에서 행해지는 필기 입력 또는 그림 그리기 입력을 각각 문자 및 이미지로 인식할 수 있는 패턴 인식 처리를 행할 수 있다.

한편, 제어부(1180)는 상기 디스플레이부(1151)가 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED) 또는 TOLED(Transparant OLED)로 구비될 경우, 본 발명에 따라, 카메라(121)를 통해 입력된 프리뷰 영상이 상기 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED) 또는 TOLED(Transparant OLED)의 화면 상에 풀업 표시된 상태에서, 사용자에 조작에 따라 상기 프리뷰 영상의 크기가 조절되면, 상기 화면 상에서 상기 크기가 조절된 프리뷰 영상이 표시된 제1 영역을 제외한 나머지 제2 영역 내의 화소들의 구동을 오프시킴으로써, 전원 공급부(1190)에서 상기 디스플레이부(151)로 공급되는 전원의 소모량을 줄일 수 있다.

전원 공급부(1190)는 제어부(1180)의 제어에 의해 외부의 전원, 내부의 전원을 인가받아 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급한다.

여기에 설명되는 다양한 실시예는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.

하드웨어적인 구현에 의하면, 여기에 설명되는 실시예는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 일부의 경우에 본 명세서에서 설명되는 실시례들이 제어부(1180) 자체로 구현될 수 있다.

소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시례들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리(1160)에 저장되고, 제어부(1180)에 의해 실행될 수 있다.

자기장 지도 제작 과정

전술한 본 발명의 구성을 기초로, 먼저, 3차원 자기장 지도를 제작하는 방법에 대해 설명한다.

즉, 지자기 교란 환경에서, 서버가 3차원 자기장 지도를 기초로 드론의 측위 및 자세를 추정하는 방법에 있어서, 제 1 선로 주변의 자기장 값의 분포를 3차원 좌표에 대해 방향벡터와 자기장 값으로 제공하는 3차원 자기장 지도를 생성하는 단계(S8)을 위한 과정을 설명한다.

도 5는 본 발명과 관련하여, 자기장 지도 제작 과정을 설명하는 순서도이다.

도 5를 참조하면, 자기장 지도 제작 과정은 S1 단계 내지 S8 단계를 거쳐 수행된다.

가장 먼저, 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의한, 상기 제 1 선로의 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값을 획득하는 단계(S2)가 진행된다.

다음으로, 미리 설정한 제 1 시뮬레이션 방법을 기초로, 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의한, 상기 제 1 선로의 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값을 획득하는 단계(S3)가 수행된다.

또한, 상기 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값과 상기 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값을 비교하고, 운행 환경 정보, 차량 종류, 차량 길이, 차량 속도 및 선로 곡률을 고려(S1)하여, 상기 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값과 상기 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값 간의 오차가 최소화되도록 전류 및 전압 값을 모델링 하는 단계(S4)가 진행된다.

이후, 상기 모델링 된 전류 및 전압 값을 기초로 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의해 발생하는 시뮬레이션 자기장 정보를 산출하는 단계(S5)가 진행된다.

S5 단계 이후, 제 1 선로의 자기장 측정값을 기초로, 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의해 발생하는 실제 자기장 정보를 수집하는 단계(S6)가 수행된다.

또한, 상기 실제 자기장 정보와 상기 시뮬레이션 자기장 정보를 비교하고, 상기 운행 환경 정보, 상기 차량 종류, 상기 차량 길이, 상기 차량 속도 및 상기 선로 곡률을 고려하여, 상기 실제 자기장 정보와 상기 시뮬레이션 자기장 정보 간의 오차가 최소화되도록 자기장 값을 모델링 하는 단계(S7).

최종적으로, 상기 모델링 된 자기장 값을 기초로, 상기 제 1 선로 주변의 자기장 값의 분포를 3차원 좌표에 대해 방향벡터와 자기장 값으로 제공하는 3차원 자기장 지도를 생성하는 단계(S8)가 수행됨으로써, 본 발명이 제안하는 3차원 자기장 지도가 생성된다.

무인이동체의 위치 및 자세를 추정하는 방법

다음으로, 제작한 3차원 자기장 지도를 기초로 멀티콥터(1000)의 위치 및 자세를 추정하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다.

즉, 전술한 자기장 지도 생성 단계 이후의, 생성된 3차원 자기장 지도를 기초로, 적어도 하나의 멀티콥터를 운용하는 단계에 대한 구체적인 과정을 설명한다.

도 6은 본 발명과 관련하여, 제작된 자기장 지도와 지자기 센서의 3차원 방향벡터와 자기장 세기 비교를 통해 가장 정확하게 매칭되는 위치로 무인이동체의 위치 및 자세를 추정하는 방법을 설명하는 순서도이다.

도 6을 참조하면, 먼저, 적어도 하나의 멀티콥터(1000)의 지자기 센서(1143)를 통해 획득된 방향 벡터 세기(S9)와 상기 3차원 자기장 지도 상의 방향 벡터 세기를 비교하는 단계(S10)가 진행된다.

이후, 상기 비교 동작을 통해, 차이가 가장 적은 지점에 매칭되는 위치 정보를 기반으로, 상기 적어도 하나의 멀티콥터(1000)의 위치 및 자세를 변경하는 단계(S11)가 수행된다.

자기장 지도를 활용하여 주행 경로 생성 시 자기장 왜곡이 심하게 발생하는 영역으로 이동하지 못하게 하는 방법

마지막으로, 전술한 자기장 지도 작성 및 멀티콥터(1000)의 위치 및 자세 추정 방법을 기초로 주행 경로 생성 시 자기장 왜곡이 심하게 발생하는 영역으로 이동하지 못하게 하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다.

도 7은 본 발명과 관련하여, 자기장 지도를 활용하여 주행 경로 생성 시 자기장 왜곡이 심하게 발생하는 영역으로 이동하지 못하게 하는 방법을 설명하는 순서도이다.

도 7을 참조하면, 전술한 S1 단계 내지 S11 단계 이후에, S20 단계가 진행된다.

즉, 상기 복수의 차량 중 제 1 차량이 운행되는 정보를 수신하는 단계(S20)가 진행된다.

만약, 제 1 차량이 운행되는 정보를 수신하지 못하는 경우에는, 기존 경로 대로 멀티콥터를 운용하게 된다(S25).

만약, 복수의 차량 중 제 1 차량이 운행되는 정보를 수신한 경우, 서버(10)가 이를 전달받고(S21), 서버(10)는 상기 3차원 자기장 지도를 기초로, 상기 제 1 차량에 의한 자기장 변화를 예측하는 단계(S22)를 수행한다.

또한, 서버(10)는 상기 예측된 자기장 변화가 미리 설정된 수치 이상인지 여부를 판별하여 상기 미리 설정된 수치 이상인 경우, 상기 제 1 차량이 운행되는 선로에 대해 상기 적어도 하나의 멀티콥터의 운행을 중지시킨다(S23).

또한, 운행이 중지된 멀티콥터(1000)에 대해 임무와 관련된 경로를 재설정하는 단계(S24)가 추가적으로 수행될 수 있다.

따라서 본 발명에서는 전차선에 의해 발생하는 자기장을 미리 측정하고 이를 시뮬레이션을 통해 비교하고 오차가 최소화되도록 3차원으로 자기장 지도를 만을 수 있다.

이때, 자기장은 열차의 종류, 길이, 속도, 선로곡률 등에 따라 변화하기 때문에 실험을 통해서 데이터를 확보하고 이를 통해 모델링하는 과정이 필요하지만 열차의 종류나 길이 정보만 얻으면 정해지는 값이지만 속도는 운행구간마다 다르기 때문에 실측해서 획득하기가 매우 어려우므로, 다양한 속도에 따른 자기장 지도 제작은 시뮬레이션을 통해서 예측하는 방법을 사용한다.

또한, 본 발명에서 자기장 지도 제작 과정은 실측데이터를 취득하고 이를 시뮬레이션과 비교하여 오차가 최소화되도록 자기장 값을 모델링하여 다양한 열차운행환경에서 활용 가능하다.

자기장 지도는 열차의 종류, 길이, 속도, 선로곡률에 따라 선로 주변의 자기장 값의 분포를 3차원 좌표에 대해 방향벡터와 자기장 값을 제공한다.

또한, 본 발명은 위에서 제작된 자기장 지도를 활용하여 드론의 임무경로를 설정하는 방법을 제안한다.

철도환경에서는 자기장에 의해 지자기 센서의 값이 왜곡되는데, 일반적인 드론은 지자기 센서 교란이 있을 때 그 정도에 따라 지자기 센서를 배제하거나 보정하는 알고리즘을 사용한다.

하지만 항법센서들 중 중요 센서인 지자기센서의 왜곡이 심할 때는 항법이 불가능할 수도 있으므로, 본 발명에서는 앞서 제작된 자기장 지도와 지자기 센서의 3차원 방향벡터와 자기장 세기 비교를 통해 가장 정확하게 매칭되는 위치로 무인이동체의 위치 및 자세를 추정하는 방법을 제공한다.

여기서 자기장 비교 매칭에는 널리 알려진 최적화 기법들이 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 열차운행시각정보나 열차관제시스템으로부터 열차종류, 길이, 속도, 위치 등의 정보를 활용하여 시간과 장소에 따라 변화하는 자기장 지도를 예측하는 방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 열차운행시스템 뿐만 아니라 시간에 따라 예정된 이벤트가 발생하는 다른 시스템에도 적용 가능하다.

앞에서 설명된 자기장 지도와 매칭을 통한 측위 및 자세추정 방법을 사용하지 못할 경우 자기장 왜곡이 심한 곳으로의 이동을 피하도록 적응적 비행불가구역을 운영하는데 활용될 수 있다.

본 발명에 따른 효과

본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해, 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 멀티콥터의 측위 및 자세 추정 시스템 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.

구체적으로 본 발명은 드론 자체 센서가 아닌 외부 정보를 드론의 경로 설정에 이용하는 장치 및 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 외부정보를 기반으로 주변 자기장 변화를 예측하고 이를 드론의 운용에 이용하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 주변 자기장 세기 변화에 따라 드론의 경로설정을 실시간으로 변경하는 장치 및 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 철도시설물 점검용 드론에 적용되어 열차운행 중에도 점검을 중단하지 않고 안전한 범위에서 드론이 점검을 수행하도록 하여 점검 효율성은 높이고 운용 안전성은 향상시키는 기술을 제공할 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 실시예들은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims (10)

1. 지자기 교란 환경에서, 서버가 3차원 자기장 지도를 기초로 드론의 측위 및 자세를 추정하는 방법에 있어서,
   제 1 선로 주변의 자기장 값의 분포를 3차원 좌표에 대해 방향벡터와 자기장 값으로 제공하는 3차원 자기장 지도를 생성하는 제 1 단계; 및
   상기 생성된 3차원 자기장 지도를 기초로, 적어도 하나의 멀티콥터를 운용하는 제 2 단계;를 포함하고,
   
   상기 제 1 단계는,
   상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의한, 상기 제 1 선로의 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값을 획득하는 제 1-1 단계;
   미리 설정한 제 1 시뮬레이션 방법을 기초로, 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의한, 상기 제 1 선로의 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값을 획득하는 제 1-2 단계;
   상기 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값과 상기 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값을 비교하고, 운행 환경 정보, 차량 종류, 차량 길이, 차량 속도 및 선로 곡률을 고려하여, 상기 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값과 상기 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값 간의 오차가 최소화되도록 전류 및 전압 값을 모델링 하는 제 1-3 단계; 및
   상기 모델링 된 전류 및 전압 값을 기초로 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의해 발생하는 시뮬레이션 자기장 정보를 산출하는 제 1-4 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 드론의 측위 및 자세 추정 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제 1-4 단계와 상기 제 2 단계 사이에는,
   상기 제 1 선로의 자기장 측정값을 기초로, 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의해 발생하는 실제 자기장 정보를 수집하는 제 1-5 단계;
   상기 실제 자기장 정보와 상기 시뮬레이션 자기장 정보를 비교하고, 상기 운행 환경 정보, 상기 차량 종류, 상기 차량 길이, 상기 차량 속도 및 상기 선로 곡률을 고려하여, 상기 실제 자기장 정보와 상기 시뮬레이션 자기장 정보 간의 오차가 최소화되도록 자기장 값을 모델링 하는 제 1-6 단계; 및
   상기 모델링 된 자기장 값을 기초로, 상기 제 1 선로 주변의 자기장 값의 분포를 3차원 좌표에 대해 방향벡터와 자기장 값으로 제공하는 3차원 자기장 지도를 생성하는 제 1-7 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 드론의 측위 및 자세 추정 방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제 2 단계는,
   상기 적어도 하나의 멀티콥터의 지자기 센서를 통해 획득된 방향 벡터 세기와 상기 3차원 자기장 지도 상의 방향 벡터 세기를 비교하는 제 2-1 단계; 및
   상기 제 2-1 단계의 비교 동작을 통해, 차이가 가장 적은 지점에 매칭되는 위치 정보를 기반으로, 상기 적어도 하나의 멀티콥터의 위치 및 자세를 변경하는 제 2-2 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 드론의 측위 및 자세 추정 방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제 2 단계 이후에는,
   상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 중 제 1 차량이 운행되는 정보를 수신하는 제 3 단계;
   상기 3차원 자기장 지도를 기초로, 상기 제 1 차량에 의한 자기장 변화를 예측하는 제 4 단계;
   상기 예측된 자기장 변화가 미리 설정된 수치 이상인지 여부를 판별하는 제 5 단계; 및
   상기 미리 설정된 수치 이상인 경우, 상기 제 1 차량이 운행되는 선로에 대해 상기 적어도 하나의 멀티콥터의 운행이 중지되는 제 6 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 드론의 측위 및 자세 추정 방법.
   
6. 서버 및 적어도 하나의 멀티콥터를 포함하고, 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 기초로 드론의 측위 및 자세를 추정하는 시스템에 있어서,
   상기 서버는,
   제 1 선로 주변의 자기장 값의 분포를 3차원 좌표에 대해 방향벡터와 자기장 값으로 제공하는 3차원 자기장 지도를 생성하고,
   상기 생성된 3차원 자기장 지도를 기초로, 상기 적어도 하나의 멀티콥터를 운용하며,
   
   상기 서버는,
   상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의한, 상기 제 1 선로의 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값을 획득하고,
   미리 설정한 제 1 시뮬레이션 방법을 기초로, 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의한, 상기 제 1 선로의 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값을 획득하며,
   상기 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값과 상기 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값을 비교하고, 운행 환경 정보, 차량 종류, 차량 길이, 차량 속도 및 선로 곡률을 고려하여, 상기 실제 전류 측정값 및 실제 전압 측정값과 상기 시뮬레이션 전류 측정값 및 시뮬레이션 전압 측정값 간의 오차가 최소화되도록 전류 및 전압 값을 모델링 하고,
   상기 모델링 된 전류 및 전압 값을 기초로 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의해 발생하는 시뮬레이션 자기장 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 드론의 측위 및 자세 추정 시스템.
   
7. 삭제
8. 제 6항에 있어서,
   상기 서버는,
   상기 제 1 선로의 자기장 측정값을 기초로, 상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 각각에 의해 발생하는 실제 자기장 정보를 수집하고,
   상기 실제 자기장 정보와 상기 시뮬레이션 자기장 정보를 비교하고, 상기 운행 환경 정보, 상기 차량 종류, 상기 차량 길이, 상기 차량 속도 및 상기 선로 곡률을 고려하여, 상기 실제 자기장 정보와 상기 시뮬레이션 자기장 정보 간의 오차가 최소화되도록 자기장 값을 모델링 하며,
   상기 모델링 된 자기장 값을 기초로, 상기 제 1 선로 주변의 자기장 값의 분포를 3차원 좌표에 대해 방향벡터와 자기장 값으로 제공하는 3차원 자기장 지도를 생성하는 것을 특징으로 하는 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 드론의 측위 및 자세 추정 시스템.
   
9. 제 6항에 있어서,
   상기 서버는,
   상기 적어도 하나의 멀티콥터의 지자기 센서를 통해 획득된 방향 벡터 세기와 상기 3차원 자기장 지도 상의 방향 벡터 세기를 비교하고,
   상기 비교 동작을 통해, 차이가 가장 적은 지점에 매칭되는 위치 정보를 기반으로, 상기 적어도 하나의 멀티콥터의 위치 및 자세를 변경하는 것을 특징으로 하는 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 드론의 측위 및 자세 추정 시스템.
   
10. 제 6항에 있어서,
    상기 서버는,
    상기 제 1 선로를 통과하는 복수의 차량 중 제 1 차량이 운행되는 정보를 수신하고,
    상기 3차원 자기장 지도를 기초로, 상기 제 1 차량에 의한 자기장 변화를 예측하며,
    상기 예측된 자기장 변화가 미리 설정된 수치 이상인지 여부를 판별하고,
    상기 미리 설정된 수치 이상인 경우, 상기 제 1 차량이 운행되는 선로에 대해 상기 적어도 하나의 멀티콥터의 운행을 중지하는 것을 특징으로 하는 지자기 교란 환경에서 3차원 자기장 지도를 이용한 드론의 측위 및 자세 추정 시스템.
    

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