KR102547315B1 - 무인기의 임무 수준 자율화 시스템 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무인기의 임무 수준 자율화 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 임무 목표를 운용자가 해석하여 항로점으로 전환하고 전역 계획을 수립하는 작업 대신 임무 목표에 대한 파라미터만을 설정하는 방식으로 임무 계획 단계의 작업이 변경됨에 따라서 임무 목표 할당 후 신속한 임무 착수가 가능하다.
Description
본 발명은 무인기의 임무 수준 자율화 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
인공지능 및 자율화 기술의 발전으로 인해 무인기의 활용성이 증대됨에 따라 군사 목적으로 대형 무인기 뿐만 아니라 소형 무인기를 활용하려는 움직임이 증가하고 있다. 소형 무인기의 운용은 대형 무인기의 운용과 다음과 같은 차이가 있다. 1) 소형 무인기는 대형 무인기 수준의 임무계획 시스템이 부재하다. 2) 소형 무인기의 정보(특히 영상 정보)를 분석할 수 있는 자원이 제약된다. 3) 소형 무인기는 지상체 운용자(사람)의 판단에 따른 개입과 제어가 다수 필요하다. 소형 무인기를 자율화하고, 동시에 다수 무인기를 운용하는데 제약사항으로 작용한다.
기존의 방법은 무인기를 운용하기 위해 계획을 수립하고 실재로 운용할 때 사람의 인지능력을 필요로 한다. 또한 1), 2), 3) 각각을 개별적인 문제로 정의하고 그에 대한 해결책을 제시한다. 소형 무인기 운용에 적합하도록 계획부터 운용 전 단계에서 사람의 개입을 최소화할 수 있는 기술을 구조적으로 다루고 있지 않다.
또한 효과적인 전역 계획 방법론이 다수 제안되었음에도 불구하고, 종래 기술은 임무 목표를 임무 계획으로 전환하는 단계에서 사람의 노력과 인지 능력을 필요로 한다.
또한 무인기의 계획부터 운용까지 전 과정을 자율화하는 해법이 아닌, 개별 과정 또는 각 단계(전역 계획(global plan) 수립, 영상 정보의 특징 추출, 개별 행동의 최적화)의 자율화에만 초점을 맞추고 있다. 운용자가 목표만 설정한 후 임무 중 별도의 개입없이 상황에 적응하여 임무 목표를 달성할 수 있는 효과적인 구조에 대한 종래기술은 없다.
또한 종래에는 사람이 임무를 해석한 후 임무 목표 달성에 적절한 항로점을 설정하기 위해 전역 계획 방법을 주로 활용한다. 또한 임무 중 무인기가 조우하는 개별 상황에 대해 최적의 해를 찾기 위한 기술은 다수 있으나, 운용자의 개입없이 소형 무인기 임무 전체를 자율화하는 기술은 제한적이다. 1) 임무 목표를 항로점의 집합으로 전환하는데 인적 자원(사람)이 필수적이다. 2) 전역 계획을 통해 항로점을 관리하는 방식의 접근법은 자산 운용에 부가적인 시스템 자원을 다수 필요로 한다. 따라서, 전역 계획 기반의 임무 계획 방식은 관련 자원이 풍부한 대형 무인기에 적합한 방식인 반면 관련 자원이 부족한 소형 무인기에는 부적합하다. 3) 감시정찰 임무의 단일 상황(표적 추적, 회피 등)을 해소하기 위한 종래의 기술은 다수 있는 반면, 현재 상황을 해석하여 임무 전체를 운용자의 개입을 최소화하는 소형 무인기를 위한 해결책은 제한적이다.
본 발명은 전술한 필요성 및/또는 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
또한, ISR 임무에서 운용자가 임무 목표만을 설정하고, 계획 및 운용에 별도로 개입하지 않아도 무인기가 자율적으로 임무를 달성하기 위한 계획을 생성하고 실행할 수 있도록 한 무인기의 임무 수준 자율화 시스템 및 그 방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무인기의 임무 수준 자율화 시스템의 일측면에 따르면, 입력된 임무 파라미터의 유효성을 검증한 후 저장 및 관리하는 임무 파라미터 저장부; 상기 임무 파라미터 저장부에서 전달되는 임무 지역에 대한 감시정찰 목표를 달성하기 위한 항로점 집합을 생성하는 임무 계획 생성부; 지도학습을 기반으로 사전 학습된 객체와 특징이 유사한 객체를 현재의 촬영 영상에서 추출하고 추출하는 객체 특징 추출부; 상기 임무 계획 생성부에서 생성된 임무 계획에 따라 소형 무인기의 현재 상황 및 및 상기 객체 특징 추출부에서 추출된 객체 정보에 기초하여 임무 목표 달성에 적합한 단위 행동과 그 행동의 파라미터에 대한 의사결정을 수행하는 의사 결정부; 및 상기 의사 결정부에서 선택된 단위 행동과 파라미터를 고려하여 비행체 유도 명령과 센서 제어 명령을 생성하는 명령 생성부를 포함할 수 있다.
상기 임무 파라미터 저장부는, 운용자로부터 임무 목표에 대한 파라미터를 입력받아 데이터 유효성과 경계값 검사를 수행한 후 임무 파라미터를 저장할 수 있다.
상기 임무 파라미터는, 감시정찰 임무를 위한 소형 무인기의 임무 목표와, 임무 영역 및 단위 행동의 기준 파라미터로 분류될 수 있다.
상기 임무 목표는, 임무 중 탐지 및 인지한 객체를 분석하기 위한 행동 정의와 무인기의 안전을 확보하기 위해 회피가 필요한 객체 정의 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 임무 영역은, 감시정찰의 대상이 되는 지역 및 영역의 경계점 좌표와, 임무 영역내 사전 설정된 비행금지구역 및 임무 영역 디지털 지형 고도 데이터(DTED, Digital Terrain Elevation Data) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 단위 행동의 기준 파라미터는, 최소 이격 거리와 속도에 따른 위협 회피와, 추적 반경과 속도 및 시간에 따른 표적 추적과, 추적 반경과 속도 및 시간에 따른 표적 선회 및 저연료의 기준 연료량인 저연료 기지귀환(RTB, Return To Base) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 임무 계획 생성부는, 중심지역을 기반으로 직사각형으로 추상화된 촬영 가능한 단위 영역을 기반으로 임무 지역을 분할하고, 직사각형 하나를 하나의 노드로 설정하여 중심점의 항로점을 도출할 수 있다.
상기 임무 계획 생성부는, 각 노드에 대한 항로점의 고도를 디지털 지형 고도 데이터(DTED)에서 확인하고 확인된 고도가 최소안전마진을 충족하지 못하는 경우 해당 노드를 임무지역에서 조정할 수 있다.
상기 의사 결정부는, 무인기의 현재의 연료량이 기지까지 귀환할 수 있는 저연료 상태인 것으로 판단되면 상기 임무 계획 생성부에서 계산한 항로점을 따라 기지로 귀환하는 행동을 선택할 수 있다.
상기 의사 결정부는, 무인기의 현재의 연료량이 기지까지 귀환할 수 있는 저연료 상태가 아닌 경우 지상체와 무인기가 사전에 정의한 규칙에 따른 메시지를 특정 시간 동안 교환하지 못하는 경우 활성화되는 데이터링크 두절 상태로 판단되면 링크 두절 대응 행동을 선택할 수 있다.
상기 의사 결정부는, 상기 데이터링크 두절 상태가 아닌 경우 새롭게 인지된 객체가 없는 것으로 판단되면 현재 경로를 유지하는 경로 유지 행동을 선택할 수 있다.
상기 의사 결정부는, 새롭게 인지된 객체가 있는 경우 경로 유지 옵션을 활성화하여 객체 인지 결과를 무시하고 비행경로를 현재 경로로 유지하는 경로 유지 행동을 선택할 수 있다.
상기 의사 결정부는, 새롭게 인지된 객체가 있는 경우 경로 유지 옵션을 활성화하지 않고 강제 추적 옵션이 비활성화된 상태에서 인지된 객체가 임무 목표에서 위협으로 설정되어 있는 경우 위협 회피 행동을 선택할 수 있다.
상기 의사 결정부는, 상기 강제 추적 옵션을 활성화하거나 인지된 객체가 임무 목표에서 위협으로 설정되어 있지 않은 경우 인지된 객체가 정지 객체인지 여부를 판단하여 판단 결과에 따른 행동을 선택할 수 있다.
상기 의사 결정부는, 인지된 객체가 정지 객체인 것으로 판단된 경우 표적 선회 행동을 선택하고, 인지된 객체가 이동하는 객체인 것으로 판단된 경우에는 표적 추적 행동을 선택할 수 있다.
상기 명령 생성부는, 상기 의사 결정부에서 결정된 단위 행동에 대한 명령으로서 기지 귀환 명령과, 링크 두절 대응 명령과, 경로 유지 명령과, 위협 회피 명령과, 표적 추적 명령 및 표적 선회 명령 중 적어도 어느 하나의 명령을 생성할 수 있다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무인기의 임무 수준 자율화 방법의 일측면에 따르면, 임무 파라미터 저장부가 입력된 임무 파라미터의 유효성을 검증한 후 저장 및 관리하는 단계; 임무 계획 생성부가 상기 임무 파라미터 저장부에서 전달되는 임무 지역에 대한 감시정찰 목표를 달성하기 위한 항로점 집합을 생성하는 단계; 객체 특징 추출부가 지도학습을 기반으로 사전 학습된 객체와 특징이 유사한 객체를 현재의 촬영 영상에서 추출하는 단계; 의사 결정부가 상기 임무 계획 생성부에서 생성된 임무 계획에 따라 소형 무인기의 현재 상황 및 상기 객체 특징 추출부에서 추출된 객체 정보에 기초하여 임무 목표 달성에 적합한 단위 행동과 그 행동의 파라미터에 대한 의사결정을 수행하는 단계; 및 명령 생성부가 상기 의사 결정부에서 선택된 단위 행동과 파라미터를 고려하여 비행체 유도 명령과 센서 제어 명령을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의하면, 임무 목표를 운용자가 해석하여 항로점으로 전환하고 전역 계획을 수립하는 작업 대신 임무 목표에 대한 파라미터만을 설정하는 방식으로 임무 계획 단계의 작업이 변경됨에 따라서 임무 목표 할당 후 신속한 임무 착수가 가능하다.
또한, 임무 수행 중 변화하는 환경에 적응하여 임무 목표를 달성하기 위한 행동을 시스템이 자율적으로 의사결정하고, 운용자의 역할이 무인기 미세 제어에서 관리 및 감독으로 전환될 수 있으며 또한, 무인기를 운용하기 위해 필요한 운용자의 인지 노력이 감소함에 따라 다수 무인기를 운용할 수 있는 기반을 제공한다.
또한, 갑작스런 환경의 변화에 반응적으로 대응하는 의사결정 시스템으로 인해 환경 적응에 소요되는 시간을 감소시킴으로써, 무인기의 안전성과 목표 달성 능력을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 특징을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무인기의 임무 수준 자율화 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에서 임무 파라미터 저장부에서의 동작 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에서 임무 계획 생성부에서의 동작 과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 센서 촬영 3차원 기하구도를 나타내는 도면이다.
도 5는 시야(FOV, Field Of View)를 지면에 정사영시킨 후 직사각형으로 추상화한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7은 도 1에서 임무 목표 달성을 위한 단위 행동 의사결정부에서의 동작 과정을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1에서 선택된 단위 행동에 대한 명령 생성부에서의 동작 과정을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 1에서 객체 특징 추출부에서의 동작을 나타내는 도면이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무인기의 임무 수준 자율화 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에서 임무 파라미터 저장부에서의 동작 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에서 임무 계획 생성부에서의 동작 과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 센서 촬영 3차원 기하구도를 나타내는 도면이다.
도 5는 시야(FOV, Field Of View)를 지면에 정사영시킨 후 직사각형으로 추상화한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7은 도 1에서 임무 목표 달성을 위한 단위 행동 의사결정부에서의 동작 과정을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1에서 선택된 단위 행동에 대한 명령 생성부에서의 동작 과정을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 1에서 객체 특징 추출부에서의 동작을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무인기의 임무 수준 자율화 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에서 소형 무인기는 운용시간 약 1시간, 운항속력 100km/h 수준, 운용고도 500m 수준의 무인기를 의미할 수 있으며, 본 발명은 원격지의 운용자 통제명령과 임무계획을 기반으로 운용되는 무인이동체(예시: 무인기, 무인수상정, 무인잠수함. 무인차량 등)에 적용 가능할 수 있다.
본 발명의 무인기(UAV, Unmanned Aerial Vehicle)의 임무 수준 자율화 시스템은 임무 파라미터 저장부(110)와, 임무 계획 생성부(120)와, 임무 목표 달성을 위한 단위 행동 의사 결정부(130)와, 선택된 단위 행동에 대한 명령 생성부(140) 및 객체 특징 추출부(150)를 포함할 수 있다.
임무 파라미터 저장부(110)는 운용자가 입력한 임무 파라미터의 유효성을 검증한 후 저장 및 관리할 수 있다.
임무 계획 생성부(120)는 임무 지역에 대한 감시정찰 목표를 달성하기 위한 항로점 집합을 생성하는 전역 계획 생성부일 수 있다.
임무 목표 달성을 위한 단위 행동 의사 결정부(130)는 소형 무인기의 현재 상황을 고려하여, 임무 목표 달성에 적합한 단위 행동과 그 행동의 파라미터에 대한 의사결정을 수행할 수 있다.
선택된 단위 행동에 대한 명령 생성부(140)는 단위 행동과 파라미터를 고려하여 비행체 유도 명령과 센서 제어 명령을 생성할 수 있다.
객체 특징 추출부(150)는 지도학습을 기반으로 사전 학습된 객체와 특징이 유사한 객체를 현재의 촬영 영상에서 추출할 수 있다.
본 발명은 이와 같은 구성에 의해 운용자가 계획단계에서 감시정찰 임무 목표에 대한 파라미터만을 설정하는 방식으로 시스템을 구성할 수 있으며, 임무 파라미터를 기반으로 임무 목표 달성에 필요한 계획을 시스템이 자율적으로 수립할 수 있다.
또한, 무인기의 상태정보와 객체 특징 추출 결과를 기반으로 현재의 상황에서 임무 목표 달성에 가장 적합한 행동에 대한 의사결정을 수행할 수 있고, 선택된 행동과 임무 파라미터를 기반으로 비행체 유도 명령과 센서 제어 명령을 생성할 수 있으며, 감시정찰을 위해 촬영한 영상에서 사전 학습된 객체를 추출할 수 있다.
도 2는 도 1에서 임무 파라미터 저장부에서의 동작 과정을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 임무 파라미터 저장부(110)는 운용자로부터 임무 목표에 대한 파라미터를 입력받아 데이터 유효성과 경계값 검사를 수행한 후 임무 파라미터를 저장하는 기능을 수행할 수 있다.
감시정찰 임무를 위한 소형 무인기의 임무 파라미터는 다음의 3가지 카테고리로 분류될 수 있고 상세 데이터는 다음과 같이 정의할 수 있다.
임무 목표는 임무 중 탐지 및 인지한 객체를 분석하기 위한 행동 정의와, 무인기의 안전을 확보하기 위해 회피가 필요한 객체 정의를 포함할 수 있다.
임무 영역은 감시정찰의 대상이 되는 지역 및 영역의 경계점 좌표와, 임무 영역내 사전 설정된 비행금지구역 및 임무 영역 디지털 지형 고도 데이터(DTED, Digital Terrain Elevation Data)를 포함할 수 있다.
단위 행동의 기준 파라미터는 위협 회피(최소 이격 거리, 속도)와, 표적 추적(추적 반경, 속도, 시간)과, 표적 선회(추적 반경, 속도, 시간) 및 저연료 기지귀환(RTB, Return To Base)(저연료의 기준 연료량)을 포함할 수 있다.
임무 파라미터 저장부(110)는 임무 목표와 임무 영역에 대한 파라미터를 필수적으로 입력받을 수 있다. 예를 들어 전차는 추적하고, 대공무기는 회피하는 것이 임무 목표인 경우 [전차, 추적], [대공무기, 회피] [기타, 경로유지]로 입력할 수 있다. 타 임무에서는 다른 파라미터를 입력받을 수 있다. 만약 객체 특징 추출부(150)가 분류할 수 있는 범주에 전차와 대공무기가 없는 경우 해당 파라미터를 비유효로 식별하여 운용자로부터 재입력 받을 수 있다. 또한 설정한 임무 영역에 대한 디지털 지형 고도 데이터(DTED) 파일이 없는 경우 비유효로 식별하여 운용자의 조치를 받을 수 있다. 임무 영역의 경계점 좌표간 거리가 10km가 넘는 경우 10km 내로 영역을 조절하여 경계값 검사 결과를 운용자에게 전달하여 확인 받을 수 있다.
단위 행동의 기준 파라미터는 기본값을 가지며 운용자 입력값에 대한 유효성 검사와 경계값 검사를 수행한 후 정상일 때 반영할 수 있다. 또한, 운용자가 추적 반경을 0으로 입력한 경우 소형 무인기의 최소 선회반경보다 작은 값이므로 최소 선회반경을 운용자에게 제시하고 다시 입력 받을 수 있다.
도 3은 도 1에서 임무 계획 생성부에서의 동작 과정을 나타내는 도면이고, 도 4는 센서 촬영 3차원 기하구도를 나타내는 도면이며, 도 5는 시야(FOV, Field Of View)를 지면에 정사영시킨 후 직사각형으로 추상화한 결과를 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 임무계획 생성부(120)는 촬영 가능한 단위 영역을 임무 지역과 임무 지역의 고도를 기반으로 항로점 집합을 생성하는 기능을 수행할 수 있으며, 촬영 가능한 단위 영역을 계산하는 수식은 다음과 같다.
[수학식 1]
촬영 가능한 단위 영역은 일반적인 사각형이지만, 도 5에 예시된 바와 같이 중심지역을 기반으로 직사각형으로 추상화할 수 있으며, 직사각형으로 추상화된 촬영 가능한 단위 영역을 기반으로 임무 지역을 분할할 수 있다.
즉, 직사각형 하나를 하나의 노드로 설정하고 중심점의 항로점을 도출할 수 있으며, 각 노드에 대한 항로점의 고도를 디지털 지형 고도 데이터(DTED)에서 확인할 수 있다. 이때 디지털 지형 고도 데이터(DTED)에서 확인된 고도가 최소안전마진을 충족하지 못하는 경우 해당 노드를 임무지역에서 조정할 수 있다. 최소 안전고도를 충족하지 못하는 노드는 비행금지구역으로 설정할 수 있으며, 고도 상승을 통해 안전고도가 확보 가능한 노드는 고도를 조정할 수 있다.
비행금지구역을 배제한 상태에서 임무지역 전체의 각 노드가 고도 조건을 충족한 경우, 공개된 순회 세일즈맨 문제(TSP, Traveling Salesman Problem) 기반의 알고리즘을 적용하여 노드 순서를 결정할 수 있다. 노드 기반의 대표적인 공개 알고리즘은 A*, D*가 있으며, 알고리즘의 해를 항로점 집합으로 삼고 노드 순서대로 항로점으로 활용할 수 있다.
도 6 및 도 7은 도 1에서 임무 목표 달성을 위한 단위 행동 의사결정부에서의 동작 과정을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 임무 목표 달성을 위한 단위 행동 의사 결정부(130)는 소형 무인기의 상황 인식결과를 바탕으로 임무 목표 달성에 적합한 단위 행동과 선택된 행동의 파라미터를 결정하는 기능을 수행할 수 있다. 의사결정부는 매 실행 주기마다 실행될 수 있으며, 실행결과로 임무 목표 달성에 필요한 최적의 행동을 선택할 수 있다. 또한 운용자의 즉기 개입이 가능한 구조를 제공할 수 있다.
의사결정관리 매 실행주기 별로 관리가 필요한 정보를 임무 계획 생성부(120)로 요청하는 역할을 수행할 수 있다. 예를 들면, 지난 실행주기에서 위협회피 행동을 선택한 경우 위협 위치와 반경을 임무 계획 생성부(120)로 전달할 수 있다. 이를 통해 임무 계획 생성부(120)는 신규 계획 수립 시 최신 위협의 위치를 고려하여 경로를 계획할 수 있다. 또한, 매 주기 해당 위치의 통신 품질을 저장하여 데이터링크 두절 시 복귀 경로를 생성하는데 활용할 수 있다.
독자적 정보정찰 및 감시(ISR) 임무는 비행체의 회수를 전제로 할 수 있다. 따라서 현재의 연료량으로 기지까지 귀환할 수 있는지 여부를 판단할 수 있다. 저연료 또는 로 배터리(Low Battery)는 사전에 정의된 착륙지점을 향하여 비행 후 지정된 지점에 착륙하는 것으로, 복귀 비행 시간이 마진을 포함한 잔여 비행 시간에 도달한 경우 로 배터리(Low Battery) 경고가 생성되고 기지귀환(RTB, Return To Base)의 조건이 될 수 있다. 저연료 판단 기준은 현재의 연료량이 Bing Fuel에 도달한 경우, 또는 위협 위치를 반영한 기지귀환(RTB, Return To Base) 경로가 비행가능 경로와 유사한 경우일 수 있다. 이 때, 의사 결정부(130)는 기지 귀환 행동을 선택할 수 있고, 선택된 기지 귀환 행동은 임무 계획 생성부(120)에서 계산한 항로점을 따라 기지로 귀환하는 행동일 수 있다.
의사 결정부(130)는 데이터링크 두절을 판단하고 그 결과 데이터링크 두절로 판단된 경우 링크 두절 대응 행동을 선택할 수 있다. 데이터링크 두절은 지상체와 무인기가 사전에 정의한 규칙에 따른 메시지를 특정 시간 동안 교환하지 못하는 경우 활성화될 수 있으며, 데이터링크 두절이 발생하면 링크 두절 대응 행동을 선택할 수 있다. 구체적으로, 데이터링크 두절은 자율 무인기와 corvus 데이터링크는 1초 간격으로 PPLI(Precise Participant Location and Identification) 메시지를 교환하고, 해당 메시지를 수신하지 못한 경우 데이터링크 두절로 간주할 수 있다.
의사 결정부(130)는 인지된 신규 객체가 없는 경우 현재 경로를 유지하는 경로 유지 행동을 선택할 수 있으며, 임무 계획 생성부(120)의 계획에 따라 항로점을 비행할 수 있다. 객체 특징 추출부(150)가 신규 객체를 인지한 경로 유지 옵션 여부에 따른 행동을 선택할 수 있다.
의사 결정부(130)는 신규 객체를 인지 했음에도 현재의 경로를 유지하고 싶은 경우 경로 유지 옵션을 활성화하여 경로를 유지할 수 있다. 이 때 객체 인지 결과를 무시하고 비행경로를 현 상태로 유지할 수 있다. 즉, 운용자가 자율 의사결정부에 즉각적으로 개입할 수 있는 메커니즘을 제공하기 위한 목적이다.
한편, 자율 비행 요소로서 위협 조우는 자율 무인기가 지상 거리(ground range)를 기준으로 사전에 정의된 이격거리 r±10%를 인지된 위협으로부터 이격하는 것으로, 이에 대한 자율행동 의사결정으로 위협 회피할 수 있다. 표적 인식은 자율 무인기가 센서 시야(FOV, Field of View) 내에 사전에 정의된 시간 t±5%동안 인지된 표적을 유지하는 것으로, 단, 센서 시야(FOV) 내에서 확인되는 표적의 픽셀 수(또는 크기)는 자율 표적 인식 소프트웨어가 객체를 인식할 수 있는 수준으로 정할 수 있다.
의사 결정부(130)는 강제 추적 옵션을 활성화함으로써 위협 대상을 회피가 아닌 추적할 수 있는 방법을 제공할 수 있다. 강제 추적이 비활성화 되어 있고, 인지된 객체가 임무 목표에서 위협으로 설정되어 있는 경우 위협 회피 행동을 선택할 수 있다.
의사 결정부(130)는 강제 추적이 활성화 되어 있거나, 인지된 객체가 위협이 아닌 경우 객체가 정지 객체인지 여부를 판단할 수 있다. 만약, 정지 객체인 경우 의사 결정부(130)는 표적 선회 행동을 선택할 수 있고, 인지된 객체가 이동하는 객체인 경우에는 표적 추적 행동을 선택할 수 있다.
이와 같이 의사 결정부(130)는 매 주기 의사결정 절차를 실행하여, 이번 프레임에서 실행할 행동을 결정하고, 그 결과를 선택된 단위 행동에 대한 명령 생성부(140)로 전달할 수 있다.
도 8은 도 1에서 선택된 단위 행동에 대한 명령 생성부에서의 동작 과정을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 선택된 단위 행동에 대한 명령 생성부(140)는 의사 결정부(150)에서 결정된 행동을 위한 유도 명령(guidance command)을 생성하는 역할을 수행할 수 있다. 이때 일반적인 연구에서 사용되는 각 단일 행동에 대한 유도 명령 생성 방법을 적용할 수 있다. 명령 생성부(140)는 구체적으로 기지 귀환 명령 생성, 링크 두절 대응 명령 생성, 경로 유지 명령 생성, 위협 회피 명령 생성, 표적 추적 명령 생성 및 표적 선회 명령 생성을 할 수 있다.
기지 귀환 명령은 임무 계획 생성부(120)의 기지귀환(RTB, Return To Base) 항로점을 다음 항로점으로 설정하는 역할을 수행할 수 있다. 항로점 속성과 도착 판단 거리 기준에 따라 현재 위치와 다음 항로점을 비교하여 도착 판단을 수행할 수 있으며, 항로점에 도달한 경우 다음 항로점 유도 명령을 선택할 수 있다.
링크두절 대응 명령을 생성할 때 다음 3가지 방법을 혼합하여 활용할 수 있다. 1) 고전적인 방법으로 단순 선회 상승 후 지정된 시간동안 대기 2) 1)의 방법 동안 데이터링크가 회복되지 않으면 기지 귀환 경로로 복귀 3) 2)에서 기지 귀환 경로를 사용하지 않고 통신 품질 기반의 경로 활용
경로 유지 명령은 다음 항로점을 유도 명령으로 선택하는 단순한 행동일 수 있다.
위협 회피 명령은 다음과 같은 유도 명령 생성 방법을 활용할 수 있다. 즉, 인지된 위협과 무인기의 상대 각도를 계산하여 상대 각도가 양의 값인 경우 좌측으로 선회하고, 상대 각도가 음의 값인 경우 우측으로 선회할 수 있다. 임무 파라미터에 정의된 위협 거리만큼 이격하고, 무인기와 위협간의 거리가 이격 거리보다 큰 경우 회피를 완료한 것으로 판단할 수 있다.
표적 추적 명령 생성은 다음과 같은 유도명령 생성 방법을 활용할 수 있다. 즉, 표적 추적 명령은 임무 파라미터에 설정된 추적 시간 동안 수행할 수 있다. 인지된 표적과 무인기의 상대 각도를 계산하여 상대 각도가 양의 값인 경우 좌측으로 선회하며 상대 각도가 90도가 유지되도록 방위각 명령을 생성할 수 있다. 상대 각도가 음의 값인 경우에는 우측으로 선회하여 상대 각도가 -90도가 유지되도록 방위각 명령을 생성할 수 있다. 좌측 또는 우측으로 선회하면서 추적 거리가 유지되도록 속도를 제어할 수 있고, 표적 추적을 위한 유도 명령 생성 시 표적의 이동을 예측하여 유도 명령을 생성할 수 있다.
표적 선회 명령 생성은 표적 추적 명령의 순서와 동일하며, 표적이 정지되어 있으므로 표적의 이동을 예측하는 부분만 수행하지 않는다.
도 9는 도 1에서 객체 특징 추출부에서의 동작을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 객체 특징 추출부(150)는 현재 널리 활용되고 있는 지도학습 기반의 딥러닝 기술을 활용할 수 있다. 지도학습을 기반으로 사전 학습된 객체와 현재 센서 영상에서의 객체 특징이 유사한 경우 현재 센서 영상에서 해당 객체를 추출하고 확신(confidence) 레벨을 부여하는 기능을 수행할 수 있으며, 추출된 객체의 센서 화면상 x, y 좌표를 부가적으로 생성할 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 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.
110 : 임무 파라미터 저장부
120 : 임무 계획 생성부
130 : 의사 결정부
140 : 명령 생성부
150 : 객체 특징 추출부
120 : 임무 계획 생성부
130 : 의사 결정부
140 : 명령 생성부
150 : 객체 특징 추출부
Claims (17)
- 입력된 임무 파라미터의 유효성을 검증한 후 저장 및 관리하는 임무 파라미터 저장부;
상기 임무 파라미터 저장부에서 전달되는 임무 지역에 대한 감시정찰 목표를 달성하기 위한 항로점 집합을 생성하는 임무 계획 생성부;
지도학습을 기반으로 사전 학습된 객체와 특징이 유사한 객체를 현재의 촬영 영상에서 추출하는 객체 특징 추출부;
상기 임무 계획 생성부에서 생성된 임무 계획에 따라 소형 무인기의 현재 상황 및 및 상기 객체 특징 추출부에서 추출된 객체 정보에 기초하여 임무 목표 달성에 적합한 단위 행동과 그 행동의 파라미터에 대한 의사결정을 수행하는 의사 결정부; 및
상기 의사 결정부에서 선택된 단위 행동과 파라미터를 고려하여 비행체 유도 명령과 센서 제어 명령을 생성하는 명령 생성부를 포함하고,
상기 의사 결정부는
무인기의 현재의 연료량이 기지까지 귀환할 수 있는 저연료 상태인 것으로 판단되면 상기 임무 계획 생성부에서 계산한 항로점을 따라 기지로 귀환하는 행동을 선택하고,
무인기의 현재의 연료량이 기지까지 귀환할 수 있는 저연료 상태가 아닌 경우 지상체와 무인기가 사전에 정의한 규칙에 따른 메시지를 특정 시간 동안 교환하지 못하는 경우 활성화되는 데이터링크 두절 상태로 판단되면 링크 두절 대응 행동을 선택하고,
상기 데이터링크 두절 상태가 아닌 경우 새롭게 인지된 객체가 없는 것으로 판단되면 현재 경로를 유지하는 경로 유지 행동을 선택하고,
새롭게 인지된 객체가 있는 경우 경로 유지 옵션을 활성화하여 객체 인지 결과를 무시하고 비행경로를 현재 경로로 유지하는 경로 유지 행동을 선택하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 임무 파라미터 저장부는,
운용자로부터 임무 목표에 대한 파라미터를 입력받아 데이터 유효성과 경계값 검사를 수행한 후 임무 파라미터를 저장하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 시스템.
- 청구항 2에 있어서,
상기 임무 파라미터는,
감시정찰 임무를 위한 소형 무인기의 임무 목표와, 임무 영역 및 단위 행동의 기준 파라미터로 분류되는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 시스템.
- 청구항 3에 있어서,
상기 임무 목표는,
임무 중 탐지 및 인지한 객체를 분석하기 위한 행동 정의와 무인기의 안전을 확보하기 위해 회피가 필요한 객체 정의 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 시스템.
- 청구항 3에 있어서,
상기 임무 영역은,
감시정찰의 대상이 되는 지역 및 영역의 경계점 좌표와, 임무 영역내 사전 설정된 비행금지구역 및 임무 영역 디지털 지형 고도 데이터(DTED, Digital Terrain Elevation Data) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 시스템.
- 청구항 3에 있어서,
상기 단위 행동의 기준 파라미터는,
최소 이격 거리와 속도에 따른 위협 회피와, 추적 반경과 속도 및 시간에 따른 표적 추적과, 추적 반경과 속도 및 시간에 따른 표적 선회 및 저연료의 기준 연료량인 저연료 기지귀환(RTB, Return To Base) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 임무 계획 생성부는,
중심지역을 기반으로 직사각형으로 추상화된 촬영 가능한 단위 영역을 기반으로 임무 지역을 분할하고, 직사각형 하나를 하나의 노드로 설정하여 중심점의 항로점을 도출하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 시스템.
- 청구항 7에 있어서,
상기 임무 계획 생성부는,
각 노드에 대한 항로점의 고도를 디지털 지형 고도 데이터(DTED)에서 확인하고 확인된 고도가 최소안전마진을 충족하지 못하는 경우 해당 노드를 임무지역에서 조정하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 의사 결정부는,
새롭게 인지된 객체가 있는 경우 경로 유지 옵션을 활성화하지 않고 강제 추적 옵션이 비활성화된 상태에서 인지된 객체가 임무 목표에서 위협으로 설정되어 있는 경우 위협 회피 행동을 선택하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 시스템.
- 청구항 9에 있어서,
상기 의사 결정부는,
상기 강제 추적 옵션을 활성화하거나 인지된 객체가 임무 목표에서 위협으로 설정되어 있지 않은 경우 인지된 객체가 정지 객체인지 여부를 판단하여 판단 결과에 따른 행동을 선택하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 시스템.
- 청구항 10에 있어서,
상기 의사 결정부는,
인지된 객체가 정지 객체인 것으로 판단된 경우 표적 선회 행동을 선택하고, 인지된 객체가 이동하는 객체인 것으로 판단된 경우에는 표적 추적 행동을 선택하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 명령 생성부는,
상기 의사 결정부에서 결정된 단위 행동에 대한 명령으로서 기지 귀환 명령과, 링크 두절 대응 명령과, 경로 유지 명령과, 위협 회피 명령과, 표적 추적 명령 및 표적 선회 명령 중 적어도 어느 하나의 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 시스템.
- 임무 파라미터 저장부가 입력된 임무 파라미터의 유효성을 검증한 후 저장 및 관리하는 단계;
임무 계획 생성부가 상기 임무 파라미터 저장부에서 전달되는 임무 지역에 대한 감시정찰 목표를 달성하기 위한 항로점 집합을 생성하는 단계;
객체 특징 추출부가 지도학습을 기반으로 사전 학습된 객체와 특징이 유사한 객체를 현재의 촬영 영상에서 추출하는 단계;
의사 결정부가 상기 임무 계획 생성부에서 생성된 임무 계획에 따라 소형 무인기의 현재 상황 및 상기 객체 특징 추출부에서 추출된 객체 정보에 기초하여 임무 목표 달성에 적합한 단위 행동과 그 행동의 파라미터에 대한 의사결정을 수행하는 단계; 및
명령 생성부가 상기 의사 결정부에서 선택된 단위 행동과 파라미터를 고려하여 비행체 유도 명령과 센서 제어 명령을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 의사결정을 수행하는 단계는
상기 의사 결정부에서 무인기의 현재의 연료량이 기지까지 귀환할 수 있는 저연료 상태인 것으로 판단되면 상기 임무 계획 생성부에서 계산한 항로점을 따라 기지로 귀환하는 행동을 선택하고,
무인기의 현재의 연료량이 기지까지 귀환할 수 있는 저연료 상태가 아닌 경우 지상체와 무인기가 사전에 정의한 규칙에 따른 메시지를 특정 시간 동안 교환하지 못하는 경우 활성화되는 데이터링크 두절 상태로 판단되면 링크 두절 대응 행동을 선택하고,
상기 데이터링크 두절 상태가 아닌 경우 새롭게 인지된 객체가 없는 것으로 판단되면 현재 경로를 유지하는 경로 유지 행동을 선택하고,
새롭게 인지된 객체가 있는 경우 경로 유지 옵션을 활성화하여 객체 인지 결과를 무시하고 비행경로를 현재 경로로 유지하는 경로 유지 행동을 선택하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 방법.
- 청구항 13에 있어서,
상기 의사결정을 수행하는 단계는
상기 의사 결정부에서 새롭게 인지된 객체가 있는 경우 경로 유지 옵션을 활성화하지 않고 강제 추적 옵션이 비활성화된 상태에서 인지된 객체가 임무 목표에서 위협으로 설정되어 있는 경우 위협 회피 행동을 선택하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 의사결정을 수행하는 단계는
상기 의사 결정부에서 상기 강제 추적 옵션을 활성화하거나 인지된 객체가 임무 목표에서 위협으로 설정되어 있지 않은 경우 인지된 객체가 정지 객체인지 여부를 판단하여 판단 결과에 따른 행동을 선택하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 의사결정을 수행하는 단계는
상기 의사 결정부에서 인지된 객체가 정지 객체인 것으로 판단된 경우 표적 선회 행동을 선택하고, 인지된 객체가 이동하는 객체인 것으로 판단된 경우에는 표적 추적 행동을 선택하는 것을 특징으로 하는 무인기의 임무 수준 자율화 방법.
- 삭제
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |