KR102399293B1 - 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법 - Google Patents

공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법 Download PDF

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원진희
박상현
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Abstract

본 발명은 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법으로서, (1) 드론 안전비행 맵 구축을 위해 인공 지물 및 식생의 높이를 포함하는 수치표면모델(DSM)과 지형의 속성정보를 포함하는 토지피복도의 공간정보를 획득하는 단계; (2) 상기 단계 (1)을 통해 획득한 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 공간정보를 직각 좌표계로 변환하는 단계; (3) 상기 단계 (2)를 통해 직각 좌표계로 변환된 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 레이어를 중첩하여 2차원 평면상의 격자 맵을 생성하는 단계; 및 (4) 상기 단계 (3)을 통해 생성된 2차원 평면상의 격자 맵을 옥트리 기반 공간 분할을 통해 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵을 생성하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에 따르면, 획득한 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 공간정보를 직각 좌표계로 변환하고, 변환된 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 레이어를 중첩하여 2차원 평면상의 격자 맵을 생성한 후, 생성된 2차원 평면상의 격자 맵을 옥트리 기반 공간 분할을 통해 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵을 생성하도록 구성함으로써, 3차원 입체 격자 맵의 옥트리 기반의 드론 안전비행 맵의 구축을 통한 드론의 안전한 비행과 함께, 비행경로의 불필요한 탐색을 줄여줄 수 있도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에 따르면, 수치표면모델과 토지피복도의 공간정보를 기반으로 옥트리 방식으로 3차원 입체 격자 맵을 구축하되, 높이에 따른 가중치에 따라 격자를 분할하고, 격자별 가중치를 부여할 수 있도록 구성함으로써, 드론의 안전한 임무계획 수립 및 비행 제어를 위한 지상통제장치(GCS)에서의 활용 가능성이 증대되고, 드론의 안전한 비행경로에 의한 비행계획 수립으로 드론의 비행계획의 안정성 및 효율성이 더욱 향상될 수 있도록 할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에 따르면, 3차원 입체 격자 맵의 옥트리 기반의 드론 안전비행 맵의 구축을 통한 드론의 안전한 비행경로의 탐색이 가능하도록 함으로써, 드론의 자율비행을 위한 빠르고 효율적인 경로계획이 가능하고, 물류 운송, 재난 안전, 농업 등의 드론 활용 분야 확대가 가능하며, 도심지역이나 인구 밀집 지역에서의 드론의 서비스 확대가 가능하도록 할 수 있다.

Description

공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법{A METHOD ON THE CONSTRUCTION OF A DRONE SAFETY FLIGHT MAP BASED ON SPATIAL INFORMATION}
본 발명은 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 3차원 입체 격자 맵의 옥트리 기반의 드론 안전비행 맵의 구축을 통한 드론의 안전한 비행과 함께, 비행경로의 불필요한 탐색을 줄여줄 수 있도록 하는 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에 관한 것이다.
일반적으로 드론은 군사 목적으로 개발되기 시작한 무인비행체(UAV, Unmanaged Aerial Vehicles)의 다른 명칭으로 사용되며, 최근 드론 기술의 발전으로 공공 분야 및 민수용 시장으로까지 가파른 성장을 주도하며, 4차 산업 혁명의 한 축을 담당할 정도로 그 영향력을 높여가고 있다.
이러한 드론은 저고도로 비행하는 특성을 가지며, 추락 등의 사고 위험이 있으며, 드론의 사고에 의한 인명 및 재산 피해가 발생할 수 있다. 이와 같은 상황은 드론 정책 및 관련 법 등의 관련 규정을 따르도록 규제하고 있다. 국내의 드론에 대한 안전 규제는 국토교통부에서 관리하고, 항공안전법이 적용되며, 사람이 탑승하지 않는 초경량 비행 장치로 분류되는 드론은 기체 무게에 대한 구분과 등록 기준을 마련하고 드론 기기의 상태 및 비행성능 등이 안전기준에 부합하는지를 확인하는 등의 안전성을 인증하기 위한 방안이 도입되고 있다. 즉, 드론 활용 분야 확대 및 드론 서비스의 활성화 측면에서 드론의 비행 안정성 규정의 규제와 함께 도심지역, 인구 밀집 지역에서조차도 드론의 안전한 비행을 위한 기술의 도입이 필요하다.
이와 같은 드론의 제어를 보면, 현재는 사용자가 육안으로 드론을 주시하면서 무선 조종기를 이용하여 1:1로 직접 제어하는 방식이 주로 사용되고 있다. 그러나 이러한 제어 방식은 사용자의 조종이 미숙할 경우에는 사고 발생 가능성이 높고, 사용자가 드론을 1:1로 제어해야 되기 때문에, 드론의 보급이 증가되고 비행 가능 범위가 넓어질수록 사용자가 드론을 1:1로 직접 제어하는 방식은 한계가 있다. 따라서 드론의 보급이 증가됨에 따라 관제 시스템에서 각각의 드론에 비행경로를 지정하여 원격 제어하는 방식으로 변화될 것으로 예상된다.
이러한 드론의 비행을 위한 원격 제어 중, 2차원의 지도를 이용하는 경우 드론이 고압 송전선에 걸리거나 건물에 충돌하는 등의 사고 발생 위험이 매우 크고, 3차원의 비행경로를 이용하는 경우 단순히 3차원 공간을 설정하는 것으로 출발점과 도착점이 지정됐을 때, 3차원 지도상에서 가장 가까운 노드를 찾기 위해서는 수많은 노드를 탐색해야 하는 한계가 따르는 문제가 있었다. 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0002492호, 및 공개특허공보 제10-2020-0002213호가 선행기술 문헌으로 개시되고 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 획득한 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 공간정보를 직각 좌표계로 변환하고, 변환된 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 레이어를 중첩하여 2차원 평면상의 격자 맵을 생성한 후, 생성된 2차원 평면상의 격자 맵을 옥트리 기반 공간 분할을 통해 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵을 생성하도록 구성함으로써, 3차원 입체 격자 맵의 옥트리 기반의 드론 안전비행 맵의 구축을 통한 드론의 안전한 비행과 함께, 비행경로의 불필요한 탐색을 줄여줄 수 있도록 하는, 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 수치표면모델과 토지피복도의 공간정보를 기반으로 옥트리 방식으로 3차원 입체 격자 맵을 구축하되, 높이에 따른 가중치에 따라 격자를 분할하고, 격자별 가중치를 부여할 수 있도록 구성함으로써, 드론의 안전한 임무계획 수립 및 비행 제어를 위한 지상통제장치(GCS)에서의 활용 가능성이 증대되고, 드론의 안전한 비행경로에 의한 비행계획 수립으로 드론의 비행계획의 안정성 및 효율성이 더욱 향상될 수 있도록 하는, 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
뿐만 아니라, 본 발명은, 3차원 입체 격자 맵의 옥트리 기반의 드론 안전비행 맵의 구축을 통한 드론의 안전한 비행경로의 탐색이 가능하도록 함으로써, 드론의 자율비행을 위한 빠르고 효율적인 경로계획이 가능하고, 물류 운송, 재난 안전, 농업 등의 드론 활용 분야 확대가 가능하며, 도심지역이나 인구 밀집 지역에서의 드론의 서비스 확대가 가능하도록 하는, 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법은,
공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법으로서,
(1) 드론 안전비행 맵 구축을 위해 인공 지물 및 식생의 높이를 포함하는 수치표면모델(DSM)과 지형의 속성정보를 포함하는 토지피복도의 공간정보를 획득하는 단계;
(2) 상기 단계 (1)을 통해 획득한 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 공간정보를 직각 좌표계로 변환하는 단계;
(3) 상기 단계 (2)를 통해 직각 좌표계로 변환된 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 레이어를 중첩하여 2차원 평면상의 격자 맵을 생성하는 단계; 및
(4) 상기 단계 (3)을 통해 생성된 2차원 평면상의 격자 맵을 옥트리 기반 공간 분할을 통해 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵을 생성하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 단계 (2)에서는,
상기 단계 (1)을 통해 획득한 공간정보인 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 파일 형식, 해상도, 및 좌표계 특성을 일치시키기 위한 직각 좌표계로 UTM 좌표계를 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (3)에서는,
상기 단계 (2)를 통해 직각 좌표계로 변환된 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 레이어를 중첩하여 2차원 평면상의 격자 맵을 생성하되, 격자 맵의 분할된 공간은 드론이 안전하게 통과할 수 있는 공간으로 최소 1m 내지 최대 32m로 정의될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 2차원 평면상의 격자 맵은,
평면상의 최소 격자의 크기를 1m로 하여, 32m × 32m의 크기의 격자를 하나의 타일로 분할할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 단계 (3)에서는,
2차원 평면상의 격자 맵을 생성하되, 평면상의 격자 노드는 비행안정성의 가중치를 위한 높이 값과 지형 속성 정보를 갖도록 구성할 수 있다.
더더욱 바람직하게는, 상기 단계 (3)에서는,
토지피복도의 지형 속성에 따른 분류 체계에 따라 가중치 점수를 부여하고, 가중치 값은 관리자 설정 및 관리가 가능하도록 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (4)에서는,
2차원 평면상의 격자 맵을 옥트리 기반 공간 분할을 통해 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵을 생성하여 드론 안전비행 맵 구축을 완료하되, 높이에 따른 가중치와, 지형 속성별 가중치를 부여할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 단계 (4)에서는,
드론 비행 안전성에 가중치를 부여한 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵의 제공을 통해 비행경로를 탐색하는 A* 알고리즘을 적용하여 비행 안전성이 높은 최단거리 경로 설정이 가능하도록 할 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에 따르면, 획득한 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 공간정보를 직각 좌표계로 변환하고, 변환된 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 레이어를 중첩하여 2차원 평면상의 격자 맵을 생성한 후, 생성된 2차원 평면상의 격자 맵을 옥트리 기반 공간 분할을 통해 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵을 생성하도록 구성함으로써, 3차원 입체 격자 맵의 옥트리 기반의 드론 안전비행 맵의 구축을 통한 드론의 안전한 비행과 함께, 비행경로의 불필요한 탐색을 줄여줄 수 있도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에 따르면, 수치표면모델과 토지피복도의 공간정보를 기반으로 옥트리 방식으로 3차원 입체 격자 맵을 구축하되, 높이에 따른 가중치에 따라 격자를 분할하고, 격자별 가중치를 부여할 수 있도록 구성함으로써, 드론의 안전한 임무계획 수립 및 비행 제어를 위한 지상통제장치(GCS)에서의 활용 가능성이 증대되고, 드론의 안전한 비행경로에 의한 비행계획 수립으로 드론의 비행계획의 안정성 및 효율성이 더욱 향상될 수 있도록 할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에 따르면, 3차원 입체 격자 맵의 옥트리 기반의 드론 안전비행 맵의 구축을 통한 드론의 안전한 비행경로의 탐색이 가능하도록 함으로써, 드론의 자율비행을 위한 빠르고 효율적인 경로계획이 가능하고, 물류 운송, 재난 안전, 농업 등의 드론 활용 분야 확대가 가능하며, 도심지역이나 인구 밀집 지역에서의 드론의 서비스 확대가 가능하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법의 드론 안전비행 맵 구축 개념을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법의 흐름을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서의 공간정보의 구성을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서, 직각 좌표계 및 지리 좌표계를 이용한 3D 격자 맵의 일례를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서, 기준 좌표계 변환 설정 및 DSM과 토지피복도를 좌표변환 후 중첩한 화면을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서의 2차원 평면상의 격자 맵의 구조를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서의 2차원 평면상의 격자 맵의 레벨별 격자 크기와 개수를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서의 토지피복도를 분류하고 가중치를 설정하는 일례를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서의 옥트리 기반 3D 입체 격자 맵의 공간 분할 구성을 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서의 높이에 따른 가중치 부여를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서의 지형 속성별 가중치 부여를 설명하기 위해 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법의 드론 안전비행 맵 구축 개념을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법의 흐름을 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2에 각각 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법은, 드론 안전비행 맵 구축을 위해 인공 지물 및 식생의 높이를 포함하는 수치표면모델(DSM)과 지형의 속성정보를 포함하는 토지피복도의 공간정보를 획득하는 단계(S110), 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 공간정보를 직각 좌표계로 변환하는 단계(S120), 직각 좌표계로 변환된 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 레이어를 중첩하여 2차원 평면상의 격자 맵을 생성하는 단계(S130), 및 2차원 평면상의 격자 맵을 옥트리 기반 공간 분할을 통해 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵을 생성하는 단계(S140)를 포함하여 구현될 수 있다.
단계 S110에서는, 드론 안전비행 맵 구축을 위해 인공 지물 및 식생의 높이를 포함하는 수치표면모델(DSM)과 지형의 속성정보를 포함하는 토지피복도의 공간정보를 획득한다. 이러한 단계 S110에서는 드론 안전비행 맵 구축을 위한 소스 정보로서, 국토지리 연구원이 제공하는 DSM과 환경부의 토지피복도를 사용할 수 있다. 여기서, DSM의 해상도는 5m이고, 토지피복도는 1:5000 축척의 자료를 사용하였으며, 공간정보의 자료는 해상도, 파일 형식, 및 좌표계 특성에 차이가 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서의 공간정보의 구성을 일례로 도시한 도면이다. 도 3의 왼쪽 화면은 수치표면모델(DSM)을 나타내고 있으며, 오른쪽 화면은 토지피복도의 화면을 나타내고 있다. 여기서, 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 공간정보 의 데이터는 파일 형식, 해상도, 좌표계에 차이가 있으므로, 맵 구축 절차의 전처리 과정으로 공간정보의 가공 및 변환이 요구된다.
단계 S120에서는, 단계 S110을 통해 획득한 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 공간정보를 직각 좌표계로 변환한다. 이러한 단계 S120에서는 단계 S110을 통해 획득한 공간정보인 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 파일 형식, 해상도, 및 좌표계 특성을 일치시키기 위한 직각 좌표계로 UTM 좌표계를 사용한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서, 직각 좌표계 및 지리 좌표계를 이용한 3D 격자 맵의 일례를 도시한 도면이다. 도 4는 좌표계 특성에 따른 3차원 입체 격자 맵의 구성 예를 나타내고 있으며, 왼쪽의 그림은 경위도 좌표계를 나타내고, 우측의 그림은 직각 좌표계를 나타내고 있다. 격자 맵은 일정한 간격의 공간을 분할하는 구조를 가지는데, 지리 좌표계인 경위도 좌표를 사용하거나 UTM과 같은 직각 좌표계를 사용할 수 있으며, 드론 안전 비행 맵의 격자를 분할하는데 경위도 좌표계를 사용할 경우 타원체인 지구의 현실 세계에 가장 가까운 공간 분할이 가능하나 위도별 거리 오차가 생겨 모든 격자의 크기가 같지 않을 수 있다.
직각 좌표계를 사용할 경우 모든 격자의 크기가 동일한 장점을 가지며, 안전 비행 규정에 따라서 지표면으로부터 150m 이내 저고도 비행과 비교적 비행 가능 영역이 작아서, 직각 좌표계인 UTM 좌표계를 사용하여 3차원 입체 격자 맵의 공간을 분할한다. 이러한 좌표 변환에서 기준 좌표계를 UTM52N로 지정하였으며, UTM 좌표계는 전 세계를 일정 단위로 나누는 표준적인 TM으로 군사지도에서 많이 사용되는 좌표계이며, 한반도가 대부분 포함되는 UTM52N 좌표계를 기준 좌표계로 설정하였으며, 공간 자료의 좌표변환은 오픈소스 라이브러리인 proj를 적용하여 수행하였다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서, 기준 좌표계 변환 설정 및 DSM과 토지피복도를 좌표변환 후 중첩한 화면을 도시한 도면을 나타내고 있다.
단계 S130에서는, 단계 S120을 통해 직각 좌표계로 변환된 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 레이어를 중첩하여 2차원 평면상의 격자 맵을 생성한다. 이러한 단계 S130에서는 단계 S120을 통해 직각 좌표계로 변환된 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 레이어를 중첩하여 2차원 평면상의 격자 맵을 생성하되, 격자 맵의 분할된 공간은 드론이 안전하게 통과할 수 있는 공간으로 최소 1m 내지 최대 32m로 정의될 수 있다. 여기서, 2차원 평면상의 격자 맵은 평면상의 최소 격자의 크기를 1m로 하여, 32m × 32m의 크기의 격자를 하나의 타일로 분할할 수 있다.
또한, 단계 (3)에서는 2차원 평면상의 격자 맵을 생성하되, 평면상의 격자 노드는 비행안정성의 가중치를 위한 높이 값과 지형 속성 정보를 가질 수 있다.
또한, 단계 S130에서는 토지피복도의 지형 속성에 따른 분류 체계에 따라 가중치 점수를 부여하고, 가중치 값은 관리자 설정 및 관리가 가능하도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서의 2차원 평면상의 격자 맵의 구조를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서의 2차원 평면상의 격자 맵의 레벨별 격자 크기와 개수를 도시한 도면이며, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서의 토지피복도를 분류하고 가중치를 설정하는 일례를 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 2차원 평면상의 격자 맵은, 32m × 32m 크기의 타일 단위로 분할을 하며, 하위 계층은 1/2 격자 크기로 4개의 격자로 분할되고, 평면상의 격자 분할은 최소 격자 크기 1m까지 분할이 되며, 타일 기준의 계층별 격자 크기 및 전체 격자의 개수를 나타내고 있다.
또한, 드론 안전비행 맵의 좌표계는 지리적인 좌표 기준으로 해당 지역의 좌측 하단을 기준점으로 하며, 동쪽 방향은 X축, 북쪽 방향은 Y축, 높이 방향은 Z축으로 설정되고, 분할하고자 하는 지역의 좌측 하단을 기준점으로 하여 X, Y축의 인덱스와 격자의 중심좌표가 도 7과 같이 계산될 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 토지피복도에 대한 지형 속성별 가중치 설정은, 지형 속성에 따른 가중치 점수를 부여하되, 토지피복도 분류 체계에 따라서 대분류 7개 항목, 중분류 22개 항목, 세분류 41개 항목으로 비행사고의 위험성과 장애물 충돌 안정성을 등을 고려하여 1.0 ~ 10.0점의 점수를 부여하며, 가중치 값은 사용자 설정 및 관리가 가능하도록 한다. 여기서, 최소 크기 격자 노드는 중점 좌표의 높이 값과 지형 속성에 해당하는 분류 코드를 가지며, 상위 격자의 노드는 하위 격자 4개 노드로부터 최소 높이 값, 최대 높이 값, 지형 속성 코드와 개수를 목록화하여 가지며, 많은 지형 속성의 코드 값을 대표 지형 속성으로 가진다.
단계 S140에서는, 단계 S130을 통해 생성된 2차원 평면상의 격자 맵을 옥트리 기반 공간 분할을 통해 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵을 생성한다. 이러한 단계 S140에서는 2차원 평면상의 격자 맵을 옥트리 기반 공간 분할을 통해 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵을 생성하여 드론 안전비행 맵 구축을 완료하되, 높이에 따른 가중치와, 지형 속성별 가중치를 부여할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서의 옥트리 기반 3D 입체 격자 맵의 공간 분할 구성을 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 옥트리는 하나의 노드가 8개의 자식 노드를 가지는 트리 자료 구조로, 3차원 공간을 재귀적으로 분할하는 경우에 사용된다. 즉, 드론 안전비행 맵 생성 시 3차원 입체 격자 맵의 공간 분할 구조를 위해 사용된다.
이러한 옥토리 기반의 3차원 입체 격자 맵 구조는, 단계 S130에서 생성한 2차원 평면상의 격자 맵을 생성 지역의 좌하단 위치를 시작으로 하여 최상위 레벨 격자부터 높이 방향 공간 분할을 수행한다. 평면 격자 노드의 최소 높이 값을 이용하여 시작 노드의 높이 방향 인덱스를 계산하고, 드론의 비행 제한 고도인 150m 이하의 종료 노드의 높이 방향 인덱스를 계산하여 시작 노드로부터 종료 노드까지 공간 분할을 수행한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서의 높이에 따른 가중치 부여를 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 3차원 입체 격자 맵의 노드는 3차원 좌표 인덱스를 가지며, 노드의 중점 좌표와 격자 크기의 반을 반경으로 한다. 또한, 노드의 높이 가중치를 0 ~ 1의 실수 값을 부여하는데, 0이면 닫힌 공간으로 건물이나 지형에 의해서 드론이 진입할 수 없는 공간을 의미하고, 1이면 지형이나 건물과 같은 비행의 장애물이 없는 완전 열린 공간이다. 평면 격자 노드의 최소 높이 값과 최대 높이 값에 대하여 노드의 하단 높이와 상단 높이를 비교하여 가중치의 합으로 노드의 높이 가중치 점수를 계산하고, 가중치 점수가 커질수록 건물과 같은 장애물에 대한 충돌 위험이 감소한다고 볼 수 있으며, 높이에 의한 가중치가 0이거나 1인 경우(①, ⑤)는 자식 노드로의 공간 분할이 필요하지 않고, 0과 1사이의 가중치를 가지는 경우(②, ③, ④) 최소 격자 크기의 자식 노드까지 공간을 분할한다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법에서의 지형 속성별 가중치 부여를 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 지형 속성별 가중치 부여 방법의 일례를 보면, 지형 속에 의한 가중치는 사고 시 재산과 인명 피해 등의 위험성 등의 드론 비행의 안전 점수로 설정하고, 지형 속성에 의한 가중치는 타일 내부의 전체 격자를 지형 속성 코드로 분류하여 목록화하며, 목록에서 지형 분류 코드에 부여된 가중치에 타일 내 분류 코드를 가지는 격자의 개수를 타일의 전체 격자 개수로 나누어 곱한 결과를 합하여 계산하다. 이러한 계산식은 아래의 [수학식 1]로 나타낼 수 있다.
Figure 112021129893942-pat00001
또한, 단계 S140에서는 드론 비행 안전성에 가중치를 부여한 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵의 제공을 통해 비행경로를 탐색하는 A* 알고리즘을 적용하여 비행 안전성이 높은 최단거리 경로 설정이 가능하도록 할 수 있다. 이와 같이, 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵을 대상으로 비행경로를 탐색하기 위한 A* 알고리즘이 적용된 드론의 비행경로는 비행 안전성이 높은 최단거리 경로를 설정하며, A* 알고리즘을 적용 시의 비행안전성 가중치에 대한 비용함수는 아래의 [수학식 2]로 표현될 수 있다.
Figure 112021129893942-pat00002
여기서, 목적함수 f(n)은 드론이 출발점으로부터 n번째 격자까지의 비용 g(n)과, 현재 격자에서의 목표점까지의 예상 비용 h(n)의 합으로 계산하며, n번째 격자에서의 비용은 n-1번째 격자와의 거리에 격자 가중치의 정규화된 값의 역을 곱하여 계산한다.
비행경로 탐색 A* 알고리즘은 아래의 순서로 구현될 수 있다.
1. 출발점, 목표점, 격자 맵의 레벨(드론의 크기에 따른 격자의 크기)이 주어지면, 목록 O, C와 비행경로를 위한 P를 생성하고 초기화한다.
2. 출발점의 격자 노드를 목록 O에 추가한다.
3. 목록 O가 빈 목록이면 경로 탐색을 중지한다.
4. 목록 O에서 최소 비용의 격자를 O에서 제외하고 목록 C에 추가한다.
5. 목록 C에 추가한 격자 노드가 목표점이라면 해당 격자를 P에 추가하고 중지한다.
6. 현재 격자의 인접한 노드를 생성한다.
7. 생성한 인접 노드가 C에 포함되지 않으면 목록 O에 추가하고, 만약 O에 노드가 있었다면 비용을 비교하여 비용이 적은 노드로 갱신한다.
8. 3으로 이동한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법은, 획득한 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 공간정보를 직각 좌표계로 변환하고, 변환된 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 레이어를 중첩하여 2차원 평면상의 격자 맵을 생성한 후, 생성된 2차원 평면상의 격자 맵을 옥트리 기반 공간 분할을 통해 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵을 생성하도록 구성함으로써, 3차원 입체 격자 맵의 옥트리 기반의 드론 안전비행 맵의 구축을 통한 드론의 안전한 비행과 함께, 비행경로의 불필요한 탐색을 줄여줄 수 있도록 할 수 있으며, 특히, 수치표면모델과 토지피복도의 공간정보를 기반으로 옥트리 방식으로 3차원 입체 격자 맵을 구축하되, 높이에 따른 가중치에 따라 격자를 분할하고, 격자별 가중치를 부여할 수 있도록 구성함으로써, 드론의 안전한 임무계획 수립 및 비행 제어를 위한 지상통제장치(GCS)에서의 활용 가능성이 증대되고, 드론의 안전한 비행경로에 의한 비행계획 수립으로 드론의 비행계획의 안정성 및 효율성이 더욱 향상될 수 있도록 할 수 있으며, 또한, 3차원 입체 격자 맵의 옥트리 기반의 드론 안전비행 맵의 구축을 통한 드론의 안전한 비행경로의 탐색이 가능하도록 함으로써, 드론의 자율비행을 위한 빠르고 효율적인 경로계획이 가능하고, 물류 운송, 재난 안전, 농업 등의 드론 활용 분야 확대가 가능하며, 도심지역이나 인구 밀집 지역에서의 드론의 서비스 확대가 가능하도록 할 수 있게 된다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
S110: 드론 안전비행 맵 구축을 위해 인공 지물 및 식생의 높이를 포함하는 수치표면모델(DSM)과 지형의 속성정보를 포함하는 토지피복도의 공간정보를 획득하는 단계
S120: 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 공간정보를 직각 좌표계로 변환하는 단계
S130: 직각 좌표계로 변환된 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 레이어를 중첩하여 2차원 평면상의 격자 맵을 생성하는 단계
S140: 2차원 평면상의 격자 맵을 옥트리 기반 공간 분할을 통해 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵을 생성하는 단계

Claims (8)

  1. 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법으로서,
    (1) 드론 안전비행 맵 구축을 위해 인공 지물 및 식생의 높이를 포함하는 수치표면모델(DSM)과 지형의 속성정보를 포함하는 토지피복도의 공간정보를 획득하는 단계;
    (2) 상기 단계 (1)을 통해 획득한 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 공간정보를 직각 좌표계로 변환하는 단계;
    (3) 상기 단계 (2)를 통해 직각 좌표계로 변환된 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 레이어를 중첩하여 2차원 평면상의 격자 맵을 생성하는 단계; 및
    (4) 상기 단계 (3)을 통해 생성된 2차원 평면상의 격자 맵을 옥트리 기반 공간 분할을 통해 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵을 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 단계 (2)에서는,
    상기 단계 (1)을 통해 획득한 공간정보인 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 파일 형식, 해상도, 및 좌표계 특성을 일치시키기 위한 직각 좌표계로 UTM 좌표계를 사용하고,
    상기 단계 (3)에서는,
    2차원 평면상의 격자 맵을 생성하되, 평면상의 격자 노드는 비행안정성의 가중치를 위한 높이 값과 지형 속성 정보를 가지며,
    상기 단계 (4)에서는,
    2차원 평면상의 격자 맵을 옥트리 기반 공간 분할을 통해 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵을 생성하여 드론 안전비행 맵 구축을 완료하되, 높이에 따른 가중치와, 지형 속성별 가중치를 부여하는 것을 특징으로 하는, 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 (3)에서는,
    상기 단계 (2)를 통해 직각 좌표계로 변환된 수치표면모델(DSM)과 토지피복도의 레이어를 중첩하여 2차원 평면상의 격자 맵을 생성하되, 격자 맵의 분할된 공간은 드론이 안전하게 통과할 수 있는 공간으로 최소 1m 내지 최대 32m로 정의되는 것을 특징으로 하는, 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 2차원 평면상의 격자 맵은,
    평면상의 최소 격자의 크기를 1m로 하여, 32m × 32m의 크기의 격자를 하나의 타일로 분할하는 것을 특징으로 하는, 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 단계 (3)에서는,
    토지피복도의 지형 속성에 따른 분류 체계에 따라 가중치 점수를 부여하고, 가중치 값은 관리자 설정 및 관리가 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는, 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 단계 (4)에서는,
    드론 비행 안전성에 가중치를 부여한 옥트리 기반 3차원 입체 격자 맵의 제공을 통해 비행경로를 탐색하는 A* 알고리즘을 적용하여 비행 최단거리 경로 설정이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는, 공간정보 기반 드론 안전비행 맵 구축 방법.
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