KR102448233B1 - 정밀 착륙을 위한 드론 제어 방법 - Google Patents

정밀 착륙을 위한 드론 제어 방법 Download PDF

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Abstract

정밀 착륙을 위한 드론 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론 제어 방법은 드론 스테이션에서 드론이 아밍 모드로 전환되면 현재 GPS 좌표를 홈 포지션으로 설정하는 단계, 귀환 모드로 전환되는 이벤트가 발생되면 홈 포지션으로 설정된 GPS 좌표 방향으로 이동하는 단계, 원거리 저속 카메라를 이용하여 드론 스테이션의 이미지를 식별하는 단계, 식별된 이미지를 이용하여 드론 스테이션의 중심부로 수평 이동하여 하강을 시작하는 단계, 제1 고도에 진입하면 드론 스테이션에 구비된 적외선 표시장치를 고속 카메라로 촬상하여 정밀 수평 좌표를 산출하고 식별된 이미지 및 산출된 정밀 수평 좌표를 이용하여 하강을 계속하는 단계, 제2 고도에 진입하면 산출된 정밀 수평 좌표만을 이용하여 드론 스테이션으로 착륙하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

정밀 착륙을 위한 드론 제어 방법{DRONE CONTROLLING METHOD FOR PRECISE LANDING}
본 발명은 정밀 착륙을 위한 드론 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정밀 착륙을 위하여 고속 카메라와 원거리 저속 카메라를 복합적으로 사용하여 정밀 착륙을 수행하는 드론 제어 방법에 관한 것이다.
최근 드론(Drone) 산업은 소형 레저용 드론이나 촬영용 드론을 넘어 다양한 임무를 수행하는 산업용 드론으로 발전하고 있다. 종래에는 드론의 조정이 주로 사람이 조작하는 무선 컨트롤러를 통해 이루어졌다. 하지만 최근에는 이륙부터 임무 수행, 착륙에 이르기까지 자동으로 진행되고 있는 현실이다.
또한, 임무의 종류에 따라 특정 장소에 드론 스테이션을 설치한 후 드론이 자동으로 이착륙되도록 하고, 드론 스테이션에 착륙된 드론을 충전하는 등 관리까지 하는 방식으로 진화하고 있다. 이런 경우에 드론이 드론 스테이션에 정밀하게 착륙하도록 하는 기술이 필수적이다.
종래의 드론 착륙 기술을 사용할 경우 정밀도가 떨어져 사람의 관제가 항상 필요한 문제가 있었고, 정밀도를 높이고자 할 경우에는 연산량을 단순 증가시키는 방식을 사용하여 전력 효율에 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 착륙 목표 지점을 효율적이면서도 정확하게 찾기 위하여 고속 카메라 및 원거리 저속 카메라를 복합적으로 사용하는 드론 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 착륙 목표 지점을 찾지 못할 경우에 필요한 트랙백, 비상 착륙 등의 드론 제어 동작들을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 정밀 착륙을 위한 드론 제어 방법은, 드론 스테이션에서 드론이 아밍 모드로 전환되면 현재 GPS 좌표를 홈 포지션으로 설정하는 단계, 귀환 모드로 전환되는 이벤트가 발생되면 상기 홈 포지션으로 설정된 GPS 좌표 방향으로 이동하는 단계, 원거리 저속 카메라를 이용하여 상기 드론 스테이션의 이미지를 식별하는 단계, 상기 드론 스테이션의 이미지가 식별되면 상기 식별된 이미지를 이용하여 상기 드론 스테이션의 중심부로 수평 이동하여 하강을 시작하는 단계, 제1 고도에 진입하면 상기 드론 스테이션에 구비된 적외선 표시장치를 고속 카메라로 촬상하여 정밀 수평 좌표를 산출하고 상기 식별된 이미지 및 상기 산출된 정밀 수평 좌표를 이용하여 하강을 계속하는 단계, 제2 고도에 진입하면 상기 산출된 정밀 수평 좌표만을 이용하여 상기 드론 스테이션으로 착륙하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고 GPS 좌표 상에서의 위치가 상기 홈 포지션으로부터 기설정된 거리 이내로 들어서는 경우, 상기 드론 스테이션에 랜딩 준비 요청 신호를 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 랜딩 준비 요청 신호가 수신되면, 상기 드론 스테이션은 상부의 도어를 개방하고, 상기 고속 카메라를 위한 상기 적외선 표시장치를 작동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고 자동비행을 위한 적어도 하나의 웨이포인트 정보를 포함하는 경우, 상기 드론이 마지막 웨이포인트를 지나면, 상기 귀환 모드로 전환되는 이벤트가 발생된 것으로 판단할 수 있다.
또한, 상기 하강을 시작하는 단계는, 기설정된 시간이 경과할 때까지 상기 드론 스테이션의 이미지가 식별되지 않으면, 상기 원거리 저속 카메라의 피치 각도를 변경하고 상기 드론이 요(yaw) 방향으로 회전비행하도록 제어할 수 있다.
그리고 상기 회전비행을 통해 드론 스테이션의 이미지가 식별되면, 상기 변경된 피치 각도 및 상기 드론의 현재 방향 정보를 이용하여, 상기 드론 스테이션의 중심부로 수평 이동할 수 있다.
또한, 상기 드론의 착륙이 완료되면 관성 센서를 통해 상기 드론의 수평 상태를 체크하여 정상 착륙 여부를 판단하는 단계 및 정상 착륙으로 판단되면, 상기 드론의 프로세서를 제외한 모든 구성의 전원을 차단하고 충전을 시작하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 하강을 계속하는 단계는, 상기 적외선 표시장치가 상기 고속 카메라의 화각에서 벗어나는지 판단하는 단계 및 상기 화각을 벗어난 것으로 판단되면, 상기 적외선 표시장치가 촬상되는 고도까지 상승시키는 트랙백을 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 트랙백을 추가로 수행할 수 있는지 판단하는 단계 및 상기 트랙백을 추가로 수행할 수 없는 것으로 판단되면, 상기 드론 스테이션에서 멀어지는 방향으로 이동 후 비상 착륙을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 추가로 수행할 수 있는지 판단하는 단계는, 이전에 수행된 적어도 한 번의 트랙백 수행 이전의 배터리 잔량과 이후의 배터리 잔량의 차를 각각 계산하여 트랙백 소요 배터리 량을 산출하는 단계 및 상기 산출된 트랙백 소요 배터리 량과 현재 배터리 잔량을 비교하여 상기 트랙백을 추가로 수행할 수 있는지 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 트랙백 소요 배터리 량을 산출하는 단계는, 상기 이전에 수행된 적어도 한 번의 트랙백 수행 당시의 풍속 및 고도 상승 거리를 수집하는 단계, 현재 풍속과 상기 수집된 적어도 한 번의 트랙백 수행 당시의 풍속 값의 차이의 절대값에 반비례하는 비율로 가중치를 부여하여 예상 고도 상승 거리를 산출하는 단계, 상기 계산된 배터리 잔량의 차 값들과 상기 산출된 예상 고도 상승 거리를 기초로 이번 트랙백에 소요되는 배터리 량을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고 상기 비상 착륙을 수행하는 단계는, 현재 배터리 잔량에서 현재 고도를 기초로 착륙에 필요한 배터리 량을 차감한 이동 가능 배터리 잔량을 계산하는 단계, 상기 계산된 이동 가능 배터리 잔량, 풍속 및 풍향을 기초로 상기 드론 스테이션에서 멀어질 수 있는 이동 가능한 범위를 산출하는 단계 및 상기 산출된 이동 가능한 범위를 상기 원거리 저속 카메라로 촬상한 하방 영상과 오버랩하고, 상기 오버랩된 범위에 속한 영상에서 안전 착륙 후보 지점을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 산출된 이동 가능한 범위가 상기 드론 스테이션으로부터 기설정된 거리 이내에 모두 포함되면, 상기 드론 스테이션에 충돌 위험 경고 신호를 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 고도에 따라 정밀 착륙에 사용하는 정보 수집 방법을 달리하여 효율적인 착륙 프로세스 제공이 가능하고, 정밀 착륙 과정에서 착륙 지점 추적에서 예외 사항이 발생했을 시 대처할 수 있는 착륙 프로세스 제공도 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론 제어 시스템을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론의 구성을 설명하기 위한 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정밀 착륙을 위한 드론 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 4는 정밀 착륙 프로세스를 설명하기 위한 참고 도면이다.
이하에서는 본 문서의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재한다. 그러나 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시 예의 다양한 변형(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
본 문서에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
본 문서에서 "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 또는 "A 및/또는 B 중 하나 또는 그 이상" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나" 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는 (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다. 본 문서에서 사용된 "제1", "제2", "첫째" 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.
본 문서에서 사용된 표현 "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한(suitable for)", "~하는 능력을 갖는(having the capacity to)", "~하도록 설계된(designed to)", "~하도록 변경된(adapted to)", "~하도록 만들어진(made to)" 또는 "~를 할 수 있는(capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성된(또는 설정된)"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된(specifically designed to)" 것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는 "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, "A, B 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서) 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(generic-purpose processor)(예: CPU 또는 Application Processor)를 의미할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론 제어 시스템(1000)은 드론(100) 및 드론 스테이션(200)을 포함할 수 있다. 드론 스테이션(200)은 드론(100)이 이착륙할 수 있고, 드론(100)이 보관될 수 있는 장치이다. 드론 스테이션(200)에는 드론(100)을 조종하는 지상 제어 시스템이 포함될 수도 있고, 별도의 지상 제어 시스템이 구축되어 드론(100) 및 드론 스테이션(200)과 연동되어 동작할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 드론(100)의 구성요소를 설명하기 위한 블록도이다. 도 2를 참조하면, 드론(100)은 GPS 모듈(110), 원거리 저속 카메라(120), 고속 카메라(130), 프로세서(140)를 포함할 수 있다. 또한, 드론(100)에는 통신부(150), 관성 센서(160), 배터리(170), 외부 환경 센서(180), 구동부(190)를 더 포함할 수 있고, 메모리(미도시)와 같은 드론(100) 구동을 위해 필요한 하드웨어들이 포함될 수 있다.
GPS 모듈(110)은 GPS(Global Positioning System) 신호를 이용하여 드론(100)의 현재 위치(위도, 경도)를 측정하는 모듈이다. GPS 모듈(110)에서 측정도니 GPS 신호를 이용하여 드론 스테이션(200)의 위치나 임무 수행 목표 지점의 위치를 현재 드론(100)의 위치와 비교하여 알 수 있다.
원거리 저속 카메라(120)는 임무를 위한 영상 촬영, 드론 스테이션(200)과 같은 목표물 탐색을 위한 카메라이다. 원거리 저속 카메라(120)는 드론(100) 하방의 영상을 촬상할 수 있도록 설치될 수 있다. 원거리 저속 카메라(120)는 고속 카메라(130)에 비해 촬상하는 프레임 간격이 긴 카메라 모듈일 수 있다.
고속 카메라(130)는 촬상하는 프레임 간격이 짧아 하방 영상의 변화를 파악하는데 이점이 있는 카메라 모듈이다. 또한, 고속 카메라(130)는 적외선 영역을 촬상할 수 있다는 점에서, 정밀 착륙을 위해 드론 스테이션(200)에 구비된 적외선 표시장치를 촬상하는데 이용될 수 있다. 착륙의 최종 단계에 접어들면 착륙 목표 지점이 드론(100)의 하방에 정확히 위치하는지 계속적인 모니터링이 필요하기 때문에, 프레임 간격이 짧은 고속 카메라(130)를 사용하는 것에 이점이 있다.
프로세서(140)는 드론(100)의 다른 구성요소들을 제어할 수 있다. 프로세서(140)는 하나 또는 복수의 하드웨어 프로세서 칩 형태로 제작되어 드론(100)에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 제어부(160)는 CPU, Application Processor, MCU와 같은 범용 프로세서의 형태로 제작될 수 있다. 프로세서(140)가 드론(100)의 나머지 구성요소들을 제어하여 정밀 착륙을 수행하는 것에 대해서는 이하에서 다시 설명하기로 한다.
통신부(150)는 드론 스테이션(200)과 같은 외부 장치와 통신할 수 있다. 예를 들어, 통신부(150)는 드론 스테이션(200)에 랜딩 요청 준비 신호를 송신할 수 있다. 통신부(150)는 다양한 무선 통신 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신부(150)는 블루투스, 지그비(Zigbee), WiFi, WiFi direct와 같은 방식으로 외부 네트워크에 연결되어 통신을 수행할 수도 있고, 3G, 3GPP, LTE. LTE-A, 5G 등과 같은 다양한 이동통신 규격에 따라 이동 통신망에 접속하여 통신을 수행할 수도 있다.
관성 센서(160)는 드론(100)의 방향(롤, 피치, 요)을 측정하는 모듈로 가속도 센서, 각속도 센서, 지자기 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이를 통해 관성 센서(130)는 드론(100)의 기울기 상태를 파악할 수 있다. 예를 들어, 가속도 센서는 단위 시간에 대한 속도의 벼화량을 감지한다. 가속도 센서는 3축으로 구현될 수 있다. 3축 가속도 센서로 구현된 경우에는 가속도 센서는 서로 직교하게 배치되어 x, y, z축 가속도를 측정할 수 있다.
배터리(170)는 드론(100)에서 소비되는 전력을 공급할 수 있다. 배터리(170)는 드론 스테이션(200)에서 무선 또는 유선 충전되어 사용될 수 있고, 드론 스테이션(200)에 구비된 충전 완료된 다른 배터리와 교체되어 사용될 수도 있다.
외부 환경 센서(180)는 드론(100) 외부의 풍속, 풍향, 현재 고도, 압력과 같은 환경 정보를 측정할 수 있는 센서이다.
구동부(190)는 변속기, 모터, 프로펠러를 포함할 수 있다. 구동부(190)는 프로세서(140)의 제어에 의해 회전속도, 회전방향 등을 달리하여 드론(100)이 비행할 수 있도록 구동한다.
드론 스테이션(200)은 드론(100)이 이착륙되는 포트, 드론(100)을 충전하는 충전 모듈, 드론(100)과 같은 외부 장치와 통신하는 통신부, 착륙 목표 지점에 대한 마커로 기능하는 적외선 표시장치, 이들을 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다. 뿐만 아니라 메모리와 같이 드론 스테이션(200) 동작을 위해 필요한 다른 구성요소들도 포함될 수 있다.
드론 스테이션(200)에서는 드론(100)으로부터 랜딩 준비 요청 신호를 수신하면, 상부를 개방하여 드론이 착륙되는 포트가 드러나도록 하고, 적외선 표시장치를 작동시킬 수 있다. 그리고 드론 스테이션(200)은 드론(100)으로부터 착륙 완료 신호를 수신하면 드론(100)을 무선 또는 유선의 방식으로 충전할 수 있다. 다른 방식으로 드론 스테이션(200)은 드론(100)의 배터리를 교체하는 방식으로 드론(100)에 필요한 전력을 제공할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정밀 착륙을 위한 드론 제어 방법을 도시한 도면이다. 도 3에 따르면, 드론(100)이 아밍 모드로 전환되면 현재 GPS 좌표를 홈 포지션으로 설정할 수 있다(S310). 아밍 모드로 전환된다는 것은 드론 스테이션(200)에 보관되어 있는 드론(100)이 이륙 준비를 마쳤다는 것을 의미한다. 프로세서(140)는 GPS 모듈(110)에서 판단된 현재 GPS 좌표, 즉 드론 스테이션(200)의 위치를 홈 포지션으로 설정할 수 있다. 또한, 프로세서(140)는 자동비행을 위한 적어도 하나의 웨이포인트 정보를 메모리(미도시)에 저장할 수 있다. 예를 들어, 웨이포인트 정보는 해당 웨이포인트의 GPS 좌표일 수 있다.
이륙 이후 드론(100)은 사용자의 드론 사용 목적에 따라 임무를 수행하게 되며, 사용자가 드론(100)에 귀환을 지시하는 제어 신호를 송신하는 등의 귀환 모드로 전환되는 이벤트가 발생하면 프로세서(140)는 홈 포지션으로 설정된 GPS 좌표 방향으로 이동하도록 구동부(190)를 제어할 수 있다(S320). 귀환 모드로 전환되는 이벤트는 상술한 사용자 입력의 경우만은 아니다. 예를 들어, 자동비행을 위한 적어도 하나의 웨이포인트 정보가 저장된 경우, 프로세서(140)는 드론(100)이 마지막 웨이포인트를 지나게 되면 귀환 모드로 전환되는 이벤트가 발생된 것으로 판단할 수 있다.
드론(100)의 GPS 좌표 상에서의 위치가 홈 포지션으로부터 기설정된 거리 이내로 들어서면, 프로세서(140)는 드론 스테이션(200)에 랜딩 준비 요청 신호를 송신하도록 통신부(150)를 제어할 수 있다. 랜딩 준비 요청 신호를 수신한 드론 스테이션(200)은 상부의 도어를 개방하고 드론(100)의 고속 카메라(130)를 위한 적외선 표시장치를 작동시킬 수 있다. 원거리 저속 카메라(120)를 통해 드론(100)이 드론 스테이션(200)의 중심부로 이동하는 동안, 이후에 사용될 고속 카메라(130)를 위한 적외선 표시장치가 작동될 수 있도록, 드론 스테이션(200)에 랜딩 준비 요청 신호를 미리 송신하는 것이다.
이어서 프로세서(140)는 원거리 저속 카메라(120)를 이용하여 드론 스테이션(200)의 이미지를 식별할 수 있다(S330). 원거리 저속 카메라(120)를 통해 촬상된 이미지를 이용하여, 프로세서(140)는 착륙 목표 지점인 드론 스테이션(200)의 거리와 방향을 산출할 수 있다. 그리고 원거리 저속 카메라(120)의 식별 속도가 저속이라는 점을 보상하기 위하여 프로세서(140)는 착륙지점 추적에 확장칼만필터를 추가로 이용할 수도 있다.
예를 들어, 프로세서(140)는 식별된 이미지의 카메라 좌표를 월드 좌표로 변환할 수 있다. 이를 위해서는 원거리 저속 카메라(120)가 장착된 드론(100)의 월드 좌표에서의 위치 좌표, 월드 좌표 기준으로 원거리 저속 카메라(120)의 방향을 산출해야 한다. 월드 좌표는 지면이 XY평면이며, 지면으로부터 수직한 방향이 Z축인 좌표이다. 이에 반해 카메라 좌표는 카메라가 가리키는 방향인 광학축 방향이 Zc축인 좌표에 해당하기 때문에 이를 월드 좌표로 변환하여 좌표를 일치시킬 필요가 있다. 관성 센서(160)에서 측정된 드론(100)의 포즈로부터 산출된 오일러 각도(롤, 피치, 요)를 이용하여, 프로세서(140)는 카메라 좌표를 월드 좌표로 회전변환할 수 있다. 이어서 프로세서(140)는 드론(100)의 현재 좌표를 더해줌으로써 카메라 좌표를 월드 좌표로 변환할 수 있다.
드론 스테이션(200)의 이미지가 식별되면, 프로세서(140)는 식별된 이미지를 이용하여 드론(100)을 드론 스테이션(200)의 중심부로 수평 이동하여 하강을 시작하도록 구동부(190)를 제어할 수 있다(S340). 프로세서(140)는 드론(100)의 속도를 기설정된 속도보다 낮도록 제어하며 착륙을 진행할 수 있다. 예를 들어, 산업용 드론의 경우에 속도를 1 m/s 이하로 낮춘 후 착륙 과정을 진행함으로써 안전하고 정밀한 착륙이 이루어질 수 있도록 한다.
반대로 기설정된 시간이 경과할 때까지 드론 스테이션(200)의 이미지가 식별되지 않으면, 프로세서(140)는 원거리 저속 카메라(120)의 피치 각도를 변경할 수 있다. 그리고 프로세서(140)는 드론(100)이 요(yaw) 방향으로 회전비행하도록 구동부(190)를 제어할 수 있다. 이는 모두 원거리 저속 카메라(120)가 촬상하는 이미지 화각 범위에 드론 스테이션(200)이 포함될 수 있도록 제어하는 동작에 해당한다. 회전비행을 통해서 드론 스테이션(200)의 이미지가 식별되면, 프로세서(140)는 변경된 피치 각도 및 드론(100)의 현재 방향 정보를 이용하여 드론 스테이션(200)의 중심부로 수평 이동하도록 구동부(190)를 제어할 수 있다.
드론(100)이 하강을 계속하여 기설정된 제1 고도에 진입하면, 프로세서(140)는 고속 카메라(130)를 이용하여 드론 스테이션(200)에 구비된 적외선 표시장치를 촬상하도록 제어하여 정밀 수평 좌표를 산출할 수 있다. 즉, 드론 스테이션(200)에 구비된 적외선 표시장치를 일종의 마커로 사용하여 착륙 목표 지점과 현재 드론(100)의 위치(특히 xy 평면 상의 위치)의 차이를 산출할 수 있다. 그리고 프로세서(140)는 원거리 저속 카메라(120)를 통해 식별된 이미지와 고속 카메라(130)를 통해 산출된 정밀 수평 좌표를 모두 이용하여 하강을 계속할 수 있다(S350). 제1 고도는 고속 카메라(130)를 통해 드론 스테이션(200)에 구비된 적외선 표시장치를 신뢰성있게 촬상할 수 있는 고도에 해당한다. 고속 카메라(130) 및 적외선 표시장치의 스펙에 따라 제1 고도가 달리 설정될 수 있으나, 기본 값으로 2.2 m 고도를 제1 고도로 설정할 수도 있다.
드론(100)이 하강을 계속하여 기설정된 제2 고도에 진입하면, 프로세서(140)는 고속 카메라(130)를 통해 획득한 정보를 기초로 산출된 정밀 수평 좌표만을 이용하여 드론 스테이션(200)으로 착륙을 완료할 수 있다(S360). 제2 고도는 제1 고도보다 낮은 고도일 수 있다. 예를 들어, 제2 고도는 0.8 m 고도가 기본 값으로 설정될 수 있다. 제2 고도에 진입하게 되면 원거리 저속 카메라(120)를 통한 드론 스테이션(200) 추적의 효율이 떨어지게 되기 때문에, 프로세서(140)는 불필요한 원거리 저속 카메라(120) 프로세싱에 드는 전력을 낭비하지 않고, 고속 카메라(130)만을 이용하여 최종 정밀 착륙 과정을 수행하게 된다. 이때 프로세서(140)는 보조 정보로 관성 센서(160)에서 측정된 정보를 추가로 활용할 수도 있다.
이와 같이 두 종류의 카메라를 사용하여 착륙 지점 정밀추척을 위한 서로 다른 종류의 정보를 수집하고, 고도를 기준으로 착륙 지점 정밀추적에 사용하는 정보의 종류를 변경하는 것은 한정된 배터리 전력을 활용하여 정밀착륙을 수행해야 한다는 목표를 달성하기 위함이다. 사용가능한 전력의 한정이 없다면 수집 가능한 모든 정보를 획득하여 정밀 착륙 프로세서를 하는 것이 적절하겠으나, 드론(100)에 수용된 배터리 용량에 따라 사용 가능한 전력이 한정되어 있으며 주로 구동에 전력이 사용되어야 한다는 점에서 본 발명의 일 실시 예에서는 상술한 하이브리드 추적 방식을 사용하는 것이다. 도 4를 참조하면, 제1 고도보다 높은 영역(제1 영역)에서는 고속 카메라(130) 사용 효율이 떨어지기 때문에 원거리 저속 카메라(120)만을 통해 우선 드론 스테이션(200)의 위치를 추적한다. 제1 고도에서 제2 고도까지의 영역(제2 영역)에서는 원거리 저속 카메라(120) 및 고속 카메라(130) 모두를 사용하여 착륙 지점을 정밀 추적한다. 제2 영역에서는 정밀 착륙을 위한 프로세싱이 가장 중요하고, 두 종류의 카메라 효율도 높기 때문에 전력 사용량을 줄이는 것을 우선하지 않는 것이다. 제2 고도보다 낮은 영역(제3 영역)에서는 원거리 저속 카메라(120)의 효율이 떨어지기 때문에, 고속 카메라(130)만을 이용하여 정밀 착륙 프로세싱을 진행하게 된다.
드론(100)이 드론 스테이션(200)에 착륙 완료하면, 프로세서(140)는 관성 센서(160)를 통해 드론(100)의 수평 상태를 체크하여 정상 착륙이 이루어졌는지 여부를 판단할 수 있다. 그리고 정상 착륙으로 판단되면, 프로세서(140)는 드론 스테이션(200)에 착륙 완료 신호를 송신하도록 통신부(150)를 제어할 수 있다. 이어서 프로세서(140)는 드론(100)의 다른 구성의 전원을 차단할 수 있다. 착륙 완료 신호를 수신한 드론 스테이션(200)에서는 드론(100)의 충전을 시작할 수 있다.
상술한 실시 예에서 제1 고도에 진입하기 이전에(즉 제1 영역에 드론이 위치할 때) 드론 스테이션(200)의 이미지가 식별되지 않으면 회전비행을 통해 드론 스테이션(200)을 찾는 동작을 수행한다는 것을 설명한 바 있다. 제1 고도에 진입한 이후에는(즉 제2 및 제3 영역에 드론이 위치할 때) 회전비행을 수행하는 것이 아닌 하강을 멈추고 다시 상승하여 드론(100)이 위치하는 고도를 높이는 트랙백 동작을 수행하게 된다. 예를 들어, 프로세서(140)는 적외선 표시장치가 고속 카메라(130)의 화각에 계속 포함되어 있는지를 모니터링 할 수 있다. 만일 적외선 표시장치가 고속 카메라(130)의 화각을 벗어난 것으로 판단되면, 프로세서(140)는 적외선 표시장치가 다시 촬상되는 고도까지 드론(100)을 상승시키는 트랙백을 수행하도록 구동부(190)를 제어할 수 있다. 만일 기설정된 시간이 경과될 때까지 고도를 상승시켜도 적외선 표시 장치가 다시 촬상되지 않는다면, 프로세서(140)는 고도 상승을 중단하고 현재 고도를 유지하도록 구동부(190)를 제어함과 동시에 통신부(150)를 제어하여 지상의 관제센터(혹은 드론 스테이션(200))에 착륙 지점을 찾지 못하고 있다는 내용의 위험 신호를 송신할 수 있다.
다시 고도를 상승시키는 트랙백 동작에는 추가적인 전력 소모가 수반되기 때문에, 프로세서(140)는 트랙백을 추가로 수행할 수 있는지 판단할 수 있다. 프로세서(140)는 이전에 수행된 트랙백 수행 이력 정보로부터 트랙백에 소요되는 트랙백 소요 배터리 량을 산출할 수 있다. 그리고 프로세서(140)는 산출된 트랙백 소요 배터리 량과 현재 배터리 잔량을 비교하여 트랙백을 추가로 수행할 수 있는지 판단할 수 있다.
트랙백 소요 배터리 량을 산출하기 위해, 프로세서(140)는 이전에 수행된 적어도 한 번의 트랙백 수행 이전의 배터리 잔량과, 트랙백 수행 이후의 배터리 잔량의 차이를 각각 계산할 수 있다.
이전에 수행된 트랙백이 복수인 경우, 프로세서(140)는 단순히 각각의 트랙백 당시 소모된 배터리 량을 평균내는 방식으로 트랙백 소요 배터리 량을 산출하지 않는다. 프로세서(140)는 각각의 트랙백 수행 당시의 외부 환경 정보(풍속, 풍향 등) 및 고도 상승 거리를 추가로 활용하여 이번 트랙백에 소요될 예상 배터리 소모량을 산출할 수 있다.
구체적으로, 프로세서(140)는 트랙백 수행 시 외부 환경 센서(160)를 통해 풍속을 측정하여 메모리에 저장할 수 있다. 그리고 트랙백 수행 시 얼마나 고도를 상승시켰는지에 대한 고도 상승 거리도 메모리에 저장할 수 있다. 프로세서(140)는 메모리에 저장된 정보를 통해 이전에 수행된 적어도 한 번의 트랙백 수행 당시의 풍속 및 고도 상승 거리를 수집할 수 있다. 그리고 프로세서(140)는 외부 환경 센서(160)에서 측정된 현재 풍속과 수집된 적어도 한 번의 트랙백 수행 당시의 풍속 값의 차이의 절대값에 반비례하는 비율로 가중치를 부여하여 기존 고도 상승 거리에 곱해줌으로써 예상 고도 상승 거리를 산출할 수 있다. 이는 현재 외부 환경과 가장 유사한 외부 환경일 때 수행된 트랙백 이력을 가장 크게 반영하기 위함이다.
아래의 표 1을 예로 들어 설명하도록 한다. 표 1의 실시 예에서는 기존에 4번의 트랙백이 수행되었으며, 각각의 트랙백이 수행되었을 때의 풍속과 고도 상승 거리가 기재되어 있다.
회차 풍속 (m/s) 고도 (m)
1 4 5
2 8 11
3 3 3
4 5 6
이때 현재 풍속이 6 m/s라고 가정하면, 각각의 현재 풍속과의 차이 값의 절대 값은 각각 2, 2, 3, 1이다. 이 값에 반비례하게 가중치가 반영되여야 하므로, 예상 상승 고도는 아래 수식과 같이 6.429 m로 계산될 수 있다.
Figure 112021144029636-pat00001
이와 같은 과정을 통해 트랙백을 추가로 수행할 수 있는 것으로 판단되면, 프로세서(140)는 고속 카메라(130)의 화각에 적외선 표시장치가 포함될 때까지 드론(100)을 상승시키도록 구동부(190)를 제어할 수 있다. 만일 추가로 트랙백을 수행할 수 없다면 현재 배터리 잔여 전력으로는 드론 스테이션(200)에 정밀 착륙을 수행하기 어렵다는 것이다. 따라서 프로세서(140)는 추가로 트랙백을 수행할 수 없는 것으로 판단되면, 드론 스테이션(200)에서 멀어지는 방향으로 이동 후 비상 착륙을 수행하도록 구동부(190)를 제어할 수 있다. 드론 스테이션(200)에서 멀어지는 방향으로 이동하는 이유는 비상 착륙시에 드론 스테이션(200)에 충돌하는 사태를 방지하기 위함이다.
드론 스테이션(200) 주변에 미리 안전 착륙 지점이 설정되어 해당 위치에 비상 착륙을 할 수도 있으나, 그렇지 않은 경우라면 안전 착륙 후보 지점을 결정할 필요가 있다. 프로세서(140)는 우선 현재 배터리 잔량에서 현재 고도를 기초로 착륙에 필요한 배터리 량을 차감한 이동 가능 배터리 잔량을 계산할 수 있다. 이어서 프로세서(140)는 계산된 이동 가능 배터리 잔량, 풍속 및 풍향을 기초로 하여 드론 스테이션(200)에서 멀어질 수 있는 이동 가능한 범위를 산출할 수 있다. 프로세서(140)는 산출된 이동 가능한 범위를 원거리 저속 카메라(120)로 촬상한 하방 영상과 오버랩할 수 있고, 오버랩된 범위에 속한 영상에서 이미지 분석 등을 통해 안전 착륙 후보 지점을 검출할 수 있다.
만일 산출된 이동 가능한 범위가 드론 스테이션(200)으로부터 기설정된 거리 이내에 모두 포함되면, 드론(100)이 최대한 이동하더라도 드론 스테이션(200)에 충돌할 가능성이 있다. 따라서 이러한 경우에 프로세서(140)는 드론 스테이션(200)에 충돌 위험 경고 신호를 송신하도록 통신부(150)를 제어할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어 “부” 또는 “모듈”은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구성된 유닛을 포함하며, 예를 들어, 로직, 논리블록, 부품 또는 회로 등의 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. “부” 또는 “모듈”은 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 모듈은 ASIC(application specific integrated circuit)으로 구성될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들은 기기(machine)(예: 컴퓨터)로 읽을 수 있는 저장 매체(machine-readable storage media)에 저장된 명령어를 포함하는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 기기는, 저장 매체로부터 저장된 명령어를 호출하고, 호출된 명령어에 따라 동작이 가능한 장치로서, 개시된 실시 예들에 따른 전자 장치(예: 드론(100), 드론 스테이션(200))를 포함할 수 있다. 상기 명령이 프로세서에 의해 실행될 경우, 프로세서가 직접, 또는 상기 프로세서의 제어 하에 다른 구성요소들을 이용하여 상기 명령에 해당하는 기능을 수행할 수 있다. 명령은 컴파일러 또는 인터프리터에 의해 생성 또는 실행되는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장매체는, 비일시적(non-transitory) 저장매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적'은 저장매체가 신호(signal)를 포함하지 않으며 실재(tangible)한다는 것을 의미할 뿐 데이터가 저장매체에 반영구적 또는 임시적으로 저장됨을 구분하지 않는다.
일 실시 예에 따르면, 본 문서에 개시된 다양한 실시 예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체(예: compact disc read only memory (CD-ROM))의 형태로, 또는 어플리케이션 스토어(예: 플레이 스토어TM)를 통해 온라인으로 배포될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따른 구성 요소(예: 모듈 또는 프로그램) 각각은 단수 또는 복수의 개체로 구성될 수 있으며, 전술한 해당 서브 구성 요소들 중 일부 서브 구성 요소가 생략되거나, 또는 다른 서브 구성 요소가 다양한 실시 예에 더 포함될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 일부 구성 요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 개체로 통합되어, 통합되기 이전의 각각의 해당 구성 요소에 의해 수행되는 기능을 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따른, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성 요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적, 병렬적, 반복적 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 적어도 일부 동작이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 다른 동작이 추가될 수 있다.
1000: 드론 제어 시스템 100: 드론
200: 드론 스테이션 110: GPS 모듈
120: 원거리 저속 카메라 130: 고속 카메라
140: 프로세서 150: 통신부
160: 관성 센서 170: 배터리
180: 외부 환경 센서 190: 구동부

Claims (13)

  1. 정밀 착륙을 위한 드론 제어 방법에 있어서,
    드론 스테이션에서 드론이 아밍 모드로 전환되면 현재 GPS 좌표를 홈 포지션으로 설정하는 단계;
    귀환 모드로 전환되는 이벤트가 발생되면, 상기 홈 포지션으로 설정된 GPS 좌표 방향으로 이동하는 단계;
    원거리 저속 카메라를 이용하여 상기 드론 스테이션의 이미지를 식별하는 단계;
    상기 드론 스테이션의 이미지가 식별되면, 상기 식별된 이미지를 이용하여 상기 드론 스테이션의 중심부로 수평 이동하여 하강을 시작하는 단계;
    제1 고도에 진입하면, 상기 드론 스테이션에 구비된 적외선 표시장치를 고속 카메라로 촬상하여 정밀 수평 좌표를 산출하고, 상기 식별된 이미지 및 상기 산출된 정밀 수평 좌표를 이용하여 하강을 계속하는 단계; 및
    제2 고도에 진입하면, 상기 산출된 정밀 수평 좌표만을 이용하여 상기 드론 스테이션으로 착륙하는 단계;를 포함하고,
    상기 하강을 계속하는 단계는,
    상기 적외선 표시장치가 상기 고속 카메라의 화각에서 벗어나는지 판단하는 단계;
    상기 화각을 벗어난 것으로 판단되면, 상기 적외선 표시장치가 촬상되는 고도까지 상승시키는 트랙백을 반복하는 단계;
    상기 트랙백을 추가로 수행할 수 있는지 판단하는 단계; 및
    상기 트랙백을 추가로 수행할 수 없는 것으로 판단되면, 상기 드론 스테이션에서 멀어지는 방향으로 이동 후 비상 착륙을 수행하는 단계;를 포함하는 드론 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    GPS 좌표 상에서의 위치가 상기 홈 포지션으로부터 기설정된 거리 이내로 들어서는 경우, 상기 드론 스테이션에 랜딩 준비 요청 신호를 송신하는 단계;를 더 포함하는 드론 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 랜딩 준비 요청 신호가 수신되면, 상기 드론 스테이션은 상부의 도어를 개방하고, 상기 고속 카메라를 위한 상기 적외선 표시장치를 작동시키는 단계;를 더 포함하는 드론 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    자동비행을 위한 적어도 하나의 웨이포인트 정보를 포함하는 경우, 상기 드론이 마지막 웨이포인트를 지나면, 상기 귀환 모드로 전환되는 이벤트가 발생된 것으로 판단하는 드론 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하강을 시작하는 단계는,
    기설정된 시간이 경과할 때까지 상기 드론 스테이션의 이미지가 식별되지 않으면, 상기 원거리 저속 카메라의 피치 각도를 변경하고 상기 드론이 요(yaw) 방향으로 회전비행하도록 제어하는 드론 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 회전비행을 통해 드론 스테이션의 이미지가 식별되면,
    상기 변경된 피치 각도 및 상기 드론의 현재 방향 정보를 이용하여, 상기 드론 스테이션의 중심부로 수평 이동하는 드론 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 드론의 착륙이 완료되면 관성 센서를 통해 상기 드론의 수평 상태를 체크하여 정상 착륙 여부를 판단하는 단계; 및
    정상 착륙으로 판단되면, 상기 드론의 프로세서를 제외한 모든 구성의 전원을 차단하고 충전을 시작하는 단계;를 더 포함하는 드론 제어 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 추가로 수행할 수 있는지 판단하는 단계는,
    이전에 수행된 적어도 한 번의 트랙백 수행 이전의 배터리 잔량과 이후의 배터리 잔량의 차를 각각 계산하여 트랙백 소요 배터리 량을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 트랙백 소요 배터리 량과 현재 배터리 잔량을 비교하여 상기 트랙백을 추가로 수행할 수 있는지 판단하는 단계;를 포함하는 드론 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 트랙백 소요 배터리 량을 산출하는 단계는,
    상기 이전에 수행된 적어도 한 번의 트랙백 수행 당시의 풍속 및 고도 상승 거리를 수집하는 단계;
    현재 풍속과 상기 수집된 적어도 한 번의 트랙백 수행 당시의 풍속 값의 차이의 절대값에 반비례하는 비율로 가중치를 부여하여 예상 고도 상승 거리를 산출하는 단계;
    상기 계산된 배터리 잔량의 차 값들과 상기 산출된 예상 고도 상승 거리를 기초로 이번 트랙백에 소요되는 배터리 량을 산출하는 단계;를 포함하는 드론 제어 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 비상 착륙을 수행하는 단계는,
    현재 배터리 잔량에서 현재 고도를 기초로 착륙에 필요한 배터리 량을 차감한 이동 가능 배터리 잔량을 계산하는 단계;
    상기 계산된 이동 가능 배터리 잔량, 풍속 및 풍향을 기초로 상기 드론 스테이션에서 멀어질 수 있는 이동 가능한 범위를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 이동 가능한 범위를 상기 원거리 저속 카메라로 촬상한 하방 영상과 오버랩하고, 상기 오버랩된 범위에 속한 영상에서 안전 착륙 후보 지점을 검출하는 단계;를 포함하는 드론 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 산출된 이동 가능한 범위가 상기 드론 스테이션으로부터 기설정된 거리 이내에 모두 포함되면, 상기 드론 스테이션에 충돌 위험 경고 신호를 송신하는 단계;를 더 포함하는 드론 제어 방법.
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