KR102620116B1 - 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템 및 이에 의한 타겟 좌표 취득 방법 - Google Patents

드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템 및 이에 의한 타겟 좌표 취득 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 드론에 설치된 카메라와 짐벌을 이용하여 지상의 목표물의 좌표를 삼각측량법에 의해 측량하고 이를 DEM으로 보정한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템 및 이에 의한 타겟 좌표 취득 방법을 제공한다.
본 발명의 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템의 타겟 좌표 취득 방법은, 비행 중인 드론의 하부에 연결된 짐벌을 이용하여 상기 짐벌과 연결된 카메라의 중심 촛점을 지상의 목표물에 맞추는 제1 단계; 상기 짐벌의 틸팅(tiling) 각도와 패닝(panning) 각도를 이용하여 상기 목표물까지의 좌표가 구해지는 제2 단계; 및 DEM(Digital Elevation Model)을 이용하여 상기 제2 단계에서 구해진 좌표가 보정되는 제3 단계;를 포함한다.

Description

드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템 및 이에 의한 타겟 좌표 취득 방법{Target Coordinate Acquisition System by Drone and Target Coordinate Acquisition Method by the Same}
본 발명은 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템 및 그의 방법에 관한 것으로, 비행 중인 드론에서 지상의 목표물의 좌표를 취득하기 위해 드론 짐벌의 틸팅 각도 및 패닝 각도를 활용하여 목표물의 좌표를 취득하고 DEM 정보에 의해 이를 보정하는 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템 및 이에 의한 타겟 좌표 취득 방법 관한 것이다.
비행 중인 드론에서 지상에 위치한 목표물의 좌표를 취득하기 위한 방법으로 레이저를 이용하거나 드론에 설치된 카메라를 통해 삼각측량법에 의해 목표물까지의 거리를 측정하여 목표물의 좌표를 알아내는 방식을 사용하고 있다.
레이저 거리측정 기술은 레이저를 이용하여 레이저를 발생한 장소에서 레이저를 발생시킨 후 목표물에서 되돌아오는 레이저의 파장을 측정하여 목표물까지의 거리를 원격으로 측정하는 기술이다. 초창기에는 레이저 거리측정 기술이 레이저 및 부품 등의 가격이 비싸고 기술적인 난이도 때문에 주로 군사용으로만 사용되었다. 그 당시 측정거리는 수 ㎞에서 수십 ㎞ 정도이고, 측정오차도 5~10m 정도로 매우 우수하였다. 최근에는 이러한 기술을 산업용으로 상용화하기 위해 많은 노력을 하고 있다. 레이저 거리측정기는 자동화 산업 현장의 무인화 시스템, 선박 접안시 배의 파손을 막기 위한 거리 측정, 무인 과속 감지기, 차량 충동 방지 시스템 등에 적용되고 있다. 산업용의 경우 측정거리가 약 1㎞ 이내로 짧고 측정오차도 1~10 ㎜ 이내를 만족하고 있다. 그러나, 높은 고도에서 비행하는 드론에서 목표물까지의 거리를 측정하기에는 레이저의 측정거리가 너무 짧은 문제점이 있었다.
또한, 삼각측량법이란 광대한 지역에서 실시하는 측량으로, 삼각형 한 변의 길이와 그 양쪽의 각을 알면 나머지 한 변의 길이를 계산해 내는 수학공식을 이용해 평면위치를 결정하는 측량법이다. 삼각측량법에 의한 거리측정은 드론에 설치된 카메라와 지상의 목표물이 이루는 각도와 드론의 상대고도를 통해 지상의 목표물까지의 거리를 계산할 수 있다. 이와 같이 산출한 결과를 드론의 GNSS상 좌표에 반영하여 목표물의 좌표를 근사치로 추정할 수 있다. 그러나 이러한 일반적인 추정에서는 지형의 상태에 따라서 그 추정치에 오차가 발생하는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2020-0114924호 대한민국 등록특허공보 제10-2416330호 대한민국 등록특허공보 제10-2299568호 대한민국 등록특허공보 제10-2417591호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 드론에 설치된 카메라와 짐벌을 이용하여 지상의 목표물의 좌표를 삼각측량법에 의해 측량하고 이를 DEM으로 보정한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템 및 이에 의한 타겟 좌표 취득 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 의한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템, 드론 몸체부; 상기 드론 몸체부의 하부에 연결되어 상하이동 또는 좌우이동이 가능한 짐벌; 상기 짐벌에 연결되어 지상의 목표물의 촬영하는 카메라; 상기 드론 몸체부에 내장되어, 상기 짐벌 및 카메라를 제어하는 제어부; 상기 드론 몸체부에 내장되어, 상기 드론이 비행하려는 지역의 DEM 정보가 입력되는 저장되는 DEM 정보 저장부; 및 상기 드론 몸체부에 내장되어, 상기 DEM 정보, 상기 짐벌의 틸팅 각도 및 패닝 각도에 의해 상기 목표물의 좌표를 계산하는 좌표 계산부;를 포함한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템, 드론 몸체부; 상기 드론 몸체부의 하부에 연결되어 상하방향 또는 좌우방향으로 회전 가능한 짐벌; 상기 짐벌에 연결되어 지상의 목표물의 촬영하는 카메라; 상기 드론 몸체부에 내장되어, 상기 짐벌 및 카메라를 제어하는 제어부; 상기 카메라의 영상 데이터, 상기 짐벌의 틸팅 각도 및 패닝 각도 및 상기 드론의 GNSS 정보를 지상 관제 센터로 전송하는 드론 통신부; 및 상기 지상 관제 센터에 위치하며, 상기 드론 통신부로부터 상기 카메라의 영상 데이터, 상기 짐벌의 틸팅 각도 및 패닝 각도 및 상기 드론의 GNSS 정보를 전송받아 상기 드론 및 상기 목표물의 DEM 정보를 적용하여 상기 목표물의 좌표를 계산하는 관제 컴퓨터;를 포함한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 의한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템의 타겟 좌표 취득 방법은, 비행 중인 드론의 하부에 연결된 짐벌을 이용하여 상기 짐벌과 연결된 카메라의 중심 촛점을 지상의 목표물에 맞추는 제1 단계; 상기 짐벌의 틸팅(tiling) 각도와 패닝(panning) 각도를 이용하여 상기 목표물까지의 좌표가 구해지는 제2 단계; 및 DEM(Digital Elevation Model)을 이용하여 상기 제2 단계에서 구해진 좌표가 보정되는 제3 단계;를 포함한다.
상기 제3 단계는, 상기 드론의 위치에 대한 지형고도에 상기 드론의 상대고도를 더하여 DEM(Digital Elevation Model)을 기준으로 하는 상기 드론의 높이값이 산출되는 제1 단계, 상기 짐벌(gimbal)의 틸팅(tilting) 각도가 취득되고, 목표물을 지나는 직선의 방정식 f(x) 상에 존재하는 DEM값이 읽혀지는 제2 단계, 상기 드론의 위치로부터 상기 DEM값과 상기 f(x) 결과값이 비교되어 상기 f(x) 결과값과 같거나 큰 최초의 DEM이 선정되는 제3 단계 및 상기 드론으로부터 상기 제3 단계에서 선정된 DEM의 위치까지의 거리가 산출되고 상기 목표물의 좌표가 다시 계산되는 제4 단계를 포함한다.
상기 직선의 방정식 z = f(x)는 z = tanθ·x 이며, 여기서, z는 상기 드론을 원점으로 하고, 중력 방향과 일치하는 축으로 정의하고, x는 상기 중력 방향과 직각을 이루면서 상기 목표물과 평행한 평면 상에 존재하는 축으로 정의하며, θ는 상기 x 및 z를 축으로 하는 좌표평면계에서 원점으로부터 상기 목표물을 지나는 직선과 x축이 이루는 각도로 정의하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 삼각측량법에 의해 드론에서 측정한 목표물의 좌표를 DEM 정보를 통해 보정하기 때문에 산악 지역과 같이 높은 곳에 위치한 목표물의 좌표를 비교적 정확하게 취득할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템의 구성도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 의한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템의 타겟 좌표 취득 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 제2 단계에서 수직 방향에서의 직선거리 추정 방법을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제2 단계에서 수평 방향에서의 직선거리 추정 방법을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제2 단계로 측정한 목표물의 좌표에 오차가 있을 수 있는 것을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제3 단계의 세부 단계를 나타내는 순서도이다.
도 7은 DEM 정보를 이용하여 목표물의 위치를 정확하게 추정하는 것을 나타낸다.
도 8은 DEM 정보를 이용하여 드론 및 목표물의 고도가 처리되는 것을 나타낸다.
도 9는 수직 방향에서 목표물을 지나는 직선과 DEM 값이 만나는 곳에 목표물이 위치한 것을 나타낸다.
도 10은 수평 방향에서 DEM 값을 반영하여 목표물의 정확한 위치가 다시 보정되는 것을 나타낸다.
도 11은 드론에서 목표물의 직선상에 동일한 DEM 값을 갖는 서로 다른 위치에 목표물이 위치하는 개요도를 나타낸다.
도 12는 드론에서 목표물의 직선상에 동일한 DEM 값을 갖을 때, 드론의 위치를 상부로 이동하는 것을 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 의한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템은 드론 몸체부(100), 짐벌(200), 카메라(300), 제어부(400), DEM 정보 저장부(500) 및 좌표 계산부(600)를 포함하여 구성될 수 있다.
드론 몸체부(100)는 드론의 본체로 케이스, 모터, 프로펠러, 배터리, 암 및 랜딩기어로 구성될 수 있다. 케이스는 드론 몸체부의 중간에 위치하며, 드론을 제어하는 각종 회로나 배터리가 내장된다.
짐벌(200)(gimbal)은 드론 몸체부(100)의 하부에 연결되어 상하회전 또는 좌우회전이 가능하며, 짐벌(200)과 연결된 카메라(300)를 상하좌우로 회전시킨다. 짐벌(200)은 카메라(300)가 연결된 부분이 아무리 흔들려도 카메라(300)는 흔들이지 않도록 만들어주는 장치이다. 예를 들어, 짐벌(200)이 드론에 연결된 상태에서 드론의 기체가 시계 방향으로 20도를 회전을 한다면 짐벌(200)은 카메라(300)를 같은 속도로 반시계 방향으로 회전을 시킨다. 즉, 드론은 움직였지만 카메라(300)는 움직이지 않기 때문에 마치 공중에 카메라(300)가 고정된 것 같은 사진이나 영상을 얻을 수 있다. 짐벌(200)에는 1축 짐벌(200), 2축 짐벌(200), 3축 짐벌(200)이 있는데, 본 발명에서는 짐벌(200)의 틸팅과 패닝이 가능한 3축 짐벌(200)을 사용하는 것이 바람직하다.
카메라(300)는 짐벌(200)에 연결되어 지상의 목표물의 사진을 찍거나 영상을 촬영한다.
제어부(400)는 드론 몸체부(100)에 내장되어, 짐벌(200) 및 카메라(300)를 제어한다. 제어부(400)는 드론의 몸체부의 케이스에 위치하며, 짐벌(200) 및 카메라(300)를 제어할 수 있는 PCB 회로를 구비한다. 또한, 드론 운영자는 무선 통신을 통해 제어 신호를 전송하여 제어부(400)를 통해 카메라(300)를 제어하고 특정 목표물을 촬영하게 할 수 있다.
DEM 정보 저장부(500)는 드론 몸체부(100)의 케이스에 내장되어, 상기 드론이 비행하려는 지역의 DEM 정보가 입력되어 저장된다. 드론 운영자는 드론의 비행 전에 비행 지역의 DEM 정보를 DEM 정보 저장부(500)에 입력할 수 있다. 본 발명의 DEM 정보 저장부(500)는 정보가 저장되는 메모리일 수 있는데, 메모리는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive 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 및 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 메모리를 포함할 수 있다. DEM 정보 저장부(500)는 DEM 정보 통신부를 구비하여, 상기 DEM 정보 통신부는 지상 관제 센터에서 DEM 정보를 송수신하는 것도 가능하다.
좌표 계산부(600)는 드론 몸체부(100)의 케이스에 내장되어, DEM 정보, 상기 짐벌(200)의 틸팅 각도 및 패닝 각도에 의해 목표물의 좌표를 계산한다. 좌표 계산부(600)는 목표물의 좌표를 계산할 수 있도록 CPU가 포함된 PCB 회로를 구비할 수 있다. 좌표 계산부(600)는 DEM 정보 저장부(500)에 저장된 DEM 정보를 읽어들이고 짐벌(200)의 틸팅 각도 및 패킹 각도에 의해 목표물의 좌표를 계산하여 이를 글로벌 포지션(global position)으로 표시하여, 목표물의 정확한 위도와 경도를 계산한다.
드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템은 다지점 측정부를 더욱 구비할 수 있다. 상기 다지점 측정부는 드론과 목표물의 패닝 각도는 변경하지 않고, 드론의 서로 다른 고도에서 다수의 틸팅 각도에서 촬영된 영상을 기반으로 목표물의 좌표를 계산할 수 있다. 예를 들어, 드론의 제1 고도의 제1 틸팅 각도에서 목표물의 보정된 제2-1 좌표를 계산하고, 드론의 제2 고도의 제2 틸팅 각도에서 목표물의 보정된 제2-2 좌표를 계산하고, 드론의 제3 고도의 제3 틸팅 각도에서 목표물의 보정된 제2-3좌표를 계산하고, 상기 제2-1 좌표 내지 제2-3 좌표의 평균값으로 제2 좌표를 위치를 얻어서 보다 정확하게 좌표를 추정할 수 있다.
상기에서는 드론 몸체부(100)에 DEM 저장부(500) 및 좌표 계산부(600)를 구비하여 드론에서 지상의 목표물까지의 거리 및 지상 목표물의 좌표를 계산하였다. 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템에서는 드론으로부터 카메라(300)의 영상 데이터, 짐벌(200)의 틸팅 각도 및 패닝 각도 및 드론의 GNSS 정보를 전송받아 지상 관제 센터에서 드론으로부터 전송받은 정보에 DEM 정보를 추가하여 지상의 목표물의 좌표를 계산할 수 있다. 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템은 드론 몸체부(100), 짐벌(200), 카메라(300), 제어부(400), 드론 통신부 및 관제 컴퓨터를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 드론 몸체부(100,) 짐벌(200), 카메라(300), 제어부(400)는 본 발명의 일 실시예에 의한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템과 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
드론 통신부는 카메라(300)의 영상 데이터, 짐벌(200)의 틸팅 각도 및 패닝 각도 및 드론의 GNSS 정보를 지상 관제 센터로 전송한다. 드론 통신부는 무선 통신으로 지상의 목표물을 촬영한 카메라(300)의 사진 또는 영상 데이터, 상기 카메라(300)가 목표물을 촬영한 짐벌(200)의 틸팅 및 패닝 각도, 카메라(300)가 목표물의 촬영한 시점의 드론의 GNSS 데이터를 지상 관제 센터로 전송한다. 드론 통신부는 무선 통신으로 데이터를 지상 관제 센터의 관제 컴퓨터로 전송하는데, 무선 통신 기술로는, 예를 들어 DLNA(Digital Living Network Alliance), WiBro(Wireless Broadband), WiMAX(World Interoperability for Microwave Access), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), HSUPA(High Speed Uplink Packet Access), LTE(Long Term Evolution), LTE-A(Long Term Evolution-Advanced) 등이 있으며, 상기 무선 통신은 상기에서 나열되지 않은 무선 통신 기술까지 포함한 범위에서 적어도 하나의 무선 통신 기술에 따라 데이터를 송수신하게 된다.
관제 컴퓨터는 지상 관제 센터에 위치하며, 드론 통신부로부터 카메라(300)의 영상 데이터, 짐벌(200)의 틸팅 각도 및 패닝 각도 및 드론의 GNSS 정보를 전송받아 드론 및 상기 목표물의 DEM 정보를 적용하여 상기 목표물의 좌표를 계산한다. 관제 컴퓨터는 드론이 지상의 목표물을 촬영하면 촬영 시점의 짐벌(200)의 틸팅 각도 및 패닝 각도, 드론의 GNSS 정보, 드론 및 목표물의 DEM 정보를 대입하여 목표물의 좌표를 계산한다. 드론이 비행하는 지역이 광범위할 수 있기 때문에 모든 DEM 정보를 드론에 저장하기 쉽지 않을 수 있고, 목표물의 좌표를 계산하기 위해서는 복잡한 계산을 처리하는 연산 장치가 필요하다. 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템은 지상 관제 센터에 관제 컴퓨터를 구비하여 DEM 정보를 관제 컴퓨터에 저장하고 짐벌(200)의 틸팅 각도 및 패닝 각도, 드론의 GNSS 정보를 통해 목표물의 정확한 위도 및 경도를 계산할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 의한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템의 타겟 좌표 취득 방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템의 타겟 좌표 취득 방법의 순서도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템의 타겟 좌표 취득 방법은 하기의 3 단계로 구성될 수 있다.
제1 단계(S10) : 비행 중인 드론의 하부에 연결된 짐벌(200)을 이용하여 상기 짐벌(200)과 연결된 카메라(300)의 중심 촛점을 지상의 목표물에 맞추는 단계
제2 단계(S20) : 상기 짐벌(200)의 틸팅(tiling) 각도와 패닝(panning) 각도를 이용하여 상기 목표물까지의 제1 좌표가 구해지는 단계
제3 단계(S30) : DEM(Digital Elevation Model)을 이용하여 상기 제2 단계(S20)에서 구해진 제1 좌표가 보정되어 제2 좌표를 얻는 단계
제1 단계(S10)는 비행 중인 드론의 하부에 연결된 짐벌(200)을 이용하여 상기 짐벌(200)과 연결된 카메라(300)의 중심 촛점을 지상의 목표물에 맞추는 단계이다. 드론의 하부에는 짐벌(200)(gimbal)이 연결되고 짐벌(200)에는 카메라(300)가 설치된다. 카메라(300)는 지상의 목표물에 촛점을 맞추기 위해 짐벌(200)을 이용한다. 카메라(300)가 목표물에 촛점을 맞추기 위해 짐벌(200)의 각도가 상하로 회전하는 것을 틸팅(tilting)이라 하고, 짐벌(200)의 각도가 좌우로 회전하는 것을 패닝(panning)이라 한다. 본 발명에서는 카메라(300)가 지상의 목표물에 촛점의 맞추기 위해 짐벌(200)을 이용하여 카메라(300)를 상하좌우 방향으로 회전시키는데, 짐벌(200)의 틸팅 각도 및 패닝 각도를 이용하여 지상의 목표물의 좌표를 알아낼 수 있다.
제2 단계(S20)는 상기 짐벌(200)의 틸팅(tiling) 각도와 패닝(panning) 각도를 이용하여 상기 목표물까지의 좌표가 구해지는 단계이다. 도 3은 본 발명의 제2 단계에서 수직 방향에서의 직선거리 추정 방법을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 수직 방향에서 드론의 고도와 짐벌(200)의 틸팅 각도를 이용하여 지상의 목표물까지의 평면상 직선거리를 산출할 수 있다. 틸팅 각도를 At, 드론의 고도를 Dh, 드론과 목표물간의 평면상 직선거리를 DSTd0라고 하면 하기의 식 1이 성립한다.
(식 1) DSTd0 = Dh ·tan(At)
또한, 식 1에서 산출한 평면상 직선거리 DSTd0와 짐벌(200)의 패닝 각도를 이용하여 드론을 원점으로 하고, 드론의 기수 방향을 y축으로 하는 평면상에서의 목표물의 좌표를 산출할 수 있다. 도 4는 본 발명의 제2 단계에서 수평 방향에서의 직선거리 추정 방법을 나타낸다. 패닝 각도를 Ap, 드론의 기수 방향 직선거리를 DSTd1, 드론의 기수 방향과 직각을 이루는 직선거리를 DSTd2라고 하면 하기의 식 2 및 식 3이 성립한다.
(식 2) DSTd1 = DSTd0·cos(Ap)
(식 3) DSTd2 = DSTd0·sin(Ap)
이와 같이 산출한 결과를 드론의 GNSS상 좌표에 반영하여 목표물의 좌표를 근사치로 추정할 수 있다. 도 5는 본 발명의 제2 단계(S20)로 측정한 목표물의 좌표에 오차가 있을 수 있는 것을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 이러한 일반적인 추정에서는 지형의 상태에 따라서 그 추정치에 오차가 발생한다. 드론은 드론이 이륙한 장소를 기준으로 지상의 목표물의 좌표를 측정하고 계산하기 때문에 목표물이 산악 지형과 같은 높은 고도의 지역에 위치하게 되면 도 5에 도시된 바와 같이 목표물의 실제 위치와 드론의 의해 관측된 목표물의 추정 위치가 오차가 나게 된다. 이러한 오차를 최소화하기 위해 본 발명에서는 하기의 제3 단계(S30)의 과정을 거치게 된다.
제3 단계(S30)는 DEM(Digital Elevation Model)을 이용하여 상기 제2 단계(S20)에서 구해진 좌표를 보정하는 단계로, 도 6에 도시된 바와 같이 하기의 4 단계로 구성될 수 있다. 여기서, DEM(Digital Elevation Model)은 실세계 지형 정보 중 건물, 수목, 인공 구조물 등을 제외한 지형(bare earth) 부분을 표현하는 수치 모형이다. 사전에 드론이 비행할 지역에 대한 DEM 정보를 DEM 정보 저장부(500)에 저장되고 드론으로부터 목표물까지의 벡터에 대한 고도 정보를 이용하여 목표물의 위치를 보다 정확하게 추정할 수 있다. 도 7은 DEM 정보를 이용하여 목표물의 위치를 정확하게 추정하는 것을 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, DEM 정보를 이용하여 산악 지형과 같이 높은 고도에 있는 목표물의 위치를 정확하게 추정할 수 있다. 여기서, 상기 드론에서 상기 목표물을 향한 벡터 산출 시에 수평면에서의 값을 나타내는 패닝에 의한 영향은 없고, 수직면에서의 값을 나타내는 틸팅에 의한 영향만이 존재하는 것을 특징으로 한다. DEM 정보에 의해 지상의 목표물에 대한 벡터를 산출할 때는 드론 또는 목표물의 DEM 정보를 반영하게 되는데, 이렇게 되면 드론 또는 목표물의 고도가 변하기 때문에 고도와 관련된 짐벌(200)의 상하이동인 틸팅에만 영향을 주고 패닝에는 영향을 주지 않게 된다.
제3-1 단계(R10) : 상기 드론의 위치에 대한 지형고도에 상기 드론의 상대고도를 더하여 DEM(Digital Elevation Model)을 기준으로 하는 상기 드론의 높이값이 산출되는 단계
제3-2 단계(R20) : 상기 짐벌(200)의 틸팅 각도가 취득되고, 목표물을 지나는 직선의 방정식 f(x) 상에 존재하는 DEM값이 읽혀지는 단계
제3-3 단계(R30) : 상기 드론의 위치로부터 상기 DEM값과 상기 f(x) 결과값이 비교되어 상기 f(x) 결과값과 같거나 큰 최초의 DEM이 선정되는 단계
제3-4 단계(R40) : 상기 드론으로부터 상기 제3-3 단계(R30)에서 선정된 DEM의 위치까지의 거리가 산출되고 상기 목표물의 좌표가 다시 계산되는 단계
제1 단계(R10)는 상기 드론의 위치에 대한 지형고도에 상기 드론의 상대고도를 더하여 DEM(Digital Elevation Model)을 기준으로 하는 상기 드론의 높이값이 산출되는 단계이다. 도 8은 DEM 정보를 이용하여 드론 및 목표물의 고도가 처리되는 것을 나타낸다. 도 8을 참조하면, 드론의 상대고도에 드론이 위치한 지형의 DEM값을 더하면 드론의 높이값이 계산된다. 좌표 계산부(600) 또는 관제 컴퓨터는 DEM 정보 저장부(500)에 저장된 DEM 정보를 불러들여 드론의 정확한 고도를 계산한다.
제2 단계(R20)는 상기 짐벌(200)의 틸팅 각도가 취득되고, 드론에서 목표물을 지나는 직선의 방정식 f(x) 상에 존재하는 DEM값이 읽혀지는 단계이다. 드론을 원점으로 하고, 중력 방향과 일치하는 축을 z, 중력 방향과 직각을 이루면서 목표물과 평행한 평면 상에 존재하는 축을 x로 가지는 좌표평면계를 가정한다. 이 좌표평면계에서 원점으로부터 목표물을 지나는 직선과 x축이 이루는 각도를 θ라고 했을 때, 하기의 식 4가 성립한다.
(식 4) tanθ = z/x
식 4를 y에 대한 식으로 풀어내면 하기의 식 5가 성립한다.
(식 5) z = tanθ·x
본 발명에서는 식 5를 직선의 방정식 f(x)라 정의한다.
도 9은 수직 방향에서 목표물을 지나는 직선과 DEM 값이 만나는 곳에 목표물이 위치한 것을 나타낸다. 틸팅 각도에 의해 직선의 방정식 f(x)가 구해지면 직선의 방정식 f(x)와 DEM값이 만나는 지점의 DEM값을 좌표 계산부(600) 또는 관제 컴퓨터에서 읽어들일 수 있다.
제3 단계(R30)는 상기 드론의 위치로부터 상기 DEM값과 상기 f(x) 결과값이 비교되어 상기 f(x) 결과값과 같거나 큰 최초의 DEM이 선정되는 단계이다. 즉, 직선의 방정식 f(x)와 만나거나 큰 최초의 DEM값이 목표물의 위치로 추정할 수 있다. 좌표 계산부(600)는 지면에서 수직으로 무수한 DEM값의 선을 만들고 직선의 방정식 f(x)를 연장하였을 때 직선의 방정식 f(x)의 결과값과 같거나 큰 최초의 DEM값을 기준으로 목표물의 위치를 추정한다.
제4 단계(R40)는 상기 드론으로부터 상기 제3 단계(R30)에서 선정된 DEM의 위치까지의 거리가 산출되고 제1 좌표(x,y)에서 보정하여 상기 목표물의 제2 좌표(x1,y1)으로 계산되는 단계이다. 도 10은 수평 방향에서 DEM 값을 반영하여 목표물의 정확한 위치가 다시 보정되는 것을 나타낸다. 좌표 계산부(600) 또는 관제 컴퓨터는 상기 제3 단계(R30)에서 선정된 DEM값을 기준으로 드론에서 선정된 DEM값까지의 평면상 직선거리를 계산하고, 평면상의 직선거리에 패닝 각도를 대입하여 목표물의 좌표를 다시 계산할 수 있다. 계산 과정은 중력에 수직인 평면 상에 드론과 DEM 좌표를 산정하고 드론의 local position 또는 global position에 DEM의 상대 좌표를 반영하는 형태가 된다. 드론을 원점으로 하여 목표물의 최초 예상 위치는 제1 좌표인 (x, y)였으나, 위와 같은 DEM보정을 통하여 제2 좌표인 (x1, y1)으로 보다 정확히 추정될 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 DEM 정보를 통해 드론과 목표물의 고도를 정확히 하고 드론과 목표물까지의 거리를 계산하여 목표물의 좌표를 계산하여 비교적 정확한 목표물의 좌표를 얻을 수 있다.
한편, 도 11(a)은 드론에서 목표물의 직선을 가정하면, 직선 상의 높이와 같아지는 첫번째 DEM 지형에 목표물이 위치하며, 도 11(b)은 드론에서 목표물의 직선을 가정하면, 직선 상의 높이와 같아지는 두번째 DEM 지형에 목표물이 위치하는 것을 나타낸다. 도 12는 드론의 위치를 상부로 이동하는 것을 나타낸다.
도 11에 나타난 것처럼, 드론에서 목표물의 직선을 가정하면 그 직선 상에 높이가 같은 A 포인트와 B 포인트의 어느 한쪽에 목표물이 위치하게 되면 구분을 할 수 없게 된다. 따라서, 도 12에 나타난 것처럼, 드론을 상부로 이동하여 틸팅 각도를 변경하여 좌표를 예측할 수 있다.
상기 제3-2 단계에서 드론과 목표물 사이의 직선을 가정하면, 상기 직선 상의 높이와 같은 값을 갖는 제1 DEM값, 제2 DEM값이 측정될 때, 상기 드론의 높이를 변경하는 제3-2-1 단계를 더욱 포함한다. 여기서, 좌표 계산부는 높이 제어부를 구비하여 상기 높이 제어부는 상기 직선 상의 높이와 같은 값을 갖는 제1 DEM값, 제2 DEM값이 측정될 때, 드론의 일정 높이를 변경하여 카메라의 촬영을 진행하도록 드론의 제어한다. 여기서, 다지점 측정부에 의하여 드론과 목표물의 패닝 각도는 변경하지 않고, 다수의 틸팅 각도에서 촬영된 영상을 기반으로 목표물의 좌표를 계산하는 경우, 상기 직선 상의 높이와 같은 값을 갖는 제1 DEM값, 제2 DEM값이 측정되면, 이때의 틸팅 각도는 계산에서 제외하여 오차를 줄일 수 있다. 상기 좌표 계산부는 드론 고도 변경부를 더욱 구비하여, 동일한 z축 높이를 기준으로 제1 DEM값에서 제2 DEM값의 거리가 일정 거리를 초과하는 경우 드론은 제1 높이로 이동하고, 제1 DEM값에서 제2 DEM값의 거리가 일정 이하인 경우 드론은 상기 제1 높이보다 낮은 제2 높이로 이동하도록 설정할 수 있다. 따라서, 제1 DEM값에서 제2 DEM값의 거리에 따라 드론의 상승 높이를 달리하게 제어하여 최소의 드론 고도의 변경으로 정확한 목표물의 DEM값을 측정할 수 있다.
본 발명은 상기 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 드론 몸체부
200 : 짐벌
300 : 카메라
400 : 제어부
500 : DEM 정보 저장부
600 : 좌표 계산부

Claims (5)

  1. 드론 몸체부;
    상기 드론 몸체부의 하부에 연결되어 상하방향 또는 좌우방향으로 회전 가능한 짐벌;
    상기 짐벌에 연결되어 지상의 목표물의 촬영하는 카메라;
    상기 드론 몸체부에 내장되어, 상기 짐벌 및 카메라를 제어하는 제어부;
    상기 드론 몸체부에 내장되어, 드론이 비행하려는 지역의 DEM 정보가 입력되어 저장되는 DEM 정보 저장부; 및
    상기 드론 몸체부에 내장되어, 상기 DEM 정보, 상기 짐벌의 틸팅 각도 및 패닝 각도에 의해 상기 목표물의 좌표를 계산하는 좌표 계산부;를 포함하는 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템의 타겟 좌표 취득 방법이며,
    비행 중인 드론의 하부에 연결된 짐벌을 이용하여 상기 짐벌과 연결된 카메라의 중심 촛점을 지상의 목표물에 맞추는 제1 단계;
    상기 짐벌의 틸팅(tiling) 각도와 패닝(panning) 각도를 이용하여 상기 목표물까지의 제1 좌표가 구해지는 제2 단계; 및
    DEM(Digital Elevation Model)을 이용하여 상기 제2 단계에서 구해진 제1 좌표 보정하여 제2 좌표를 얻는 제3 단계;를 포함하며,
    상기 제3 단계는,
    상기 드론의 위치에 대한 지형고도에 상기 드론의 상대고도를 더하여 DEM(Digital Elevation Model)을 기준으로 하는 상기 드론의 높이값이 산출되는 제3-1 단계,
    상기 짐벌(gimbal)의 틸팅(tilting) 각도가 취득되고, 드론과 목표물 사이에 직선을 가정하면, 상기 직선 상에 존재하는 DEM값이 읽혀지는 제3-2 단계,
    상기 드론의 위치로부터 상기 목표물 방향으로 이동하는 것을 기준으로, 상기 DEM값과 상기 직선 상의 높이값이 비교되며, 상기 직선 상의 높이값과 처음으로 같아지는 DEM값 또는 상기 직선 상의 높이값보다 최초로 큰 DEM값을 선정하는 제3-3 단계 및
    상기 드론으로부터 상기 제3 단계에서 선정된 DEM값의 위치까지의 거리가 산출되고, 상기 드론과 목표물의 평면 좌표가 계산되어 상기 제2 좌표를 얻는 제3-4 단계를 포함하는 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템의 타겟 좌표 취득 방법.
  2. 드론 몸체부;
    상기 드론 몸체부의 하부에 연결되어 상하방향 또는 좌우방향으로 회전 가능한 짐벌;
    상기 짐벌에 연결되어 지상의 목표물의 촬영하는 카메라;
    상기 드론 몸체부에 내장되어, 상기 짐벌 및 카메라를 제어하는 제어부;
    상기 카메라의 영상 데이터, 상기 짐벌의 틸팅 각도 및 패닝 각도 및 상기 드론의 GNSS 정보를 지상 관제 센터로 전송하는 드론 통신부; 및
    상기 지상 관제 센터에 위치하며, 상기 드론 통신부로부터 상기 카메라의 영상 데이터, 상기 짐벌의 틸팅 각도 및 패닝 각도 및 드론의 GNSS 정보를 전송받아 상기 드론 및 상기 목표물의 DEM 정보를 적용하여 상기 목표물의 좌표를 계산하는 관제 컴퓨터;를 포함하는 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템의 타겟 좌표 취득 방법이며,
    비행 중인 드론의 하부에 연결된 짐벌을 이용하여 상기 짐벌과 연결된 카메라의 중심 촛점을 지상의 목표물에 맞추는 제1 단계;
    상기 짐벌의 틸팅(tiling) 각도와 패닝(panning) 각도를 이용하여 상기 목표물까지의 제1 좌표가 구해지는 제2 단계; 및
    DEM(Digital Elevation Model)을 이용하여 상기 제2 단계에서 구해진 제1 좌표 보정하여 제2 좌표를 얻는 제3 단계;를 포함하며,
    상기 제3 단계는,
    상기 드론의 위치에 대한 지형고도에 상기 드론의 상대고도를 더하여 DEM(Digital Elevation Model)을 기준으로 하는 상기 드론의 높이값이 산출되는 제3-1 단계,
    상기 짐벌(gimbal)의 틸팅(tilting) 각도가 취득되고, 드론과 목표물 사이에 직선을 가정하면, 상기 직선 상에 존재하는 DEM값이 읽혀지는 제3-2 단계,
    상기 드론의 위치로부터 상기 목표물 방향으로 이동하는 것을 기준으로, 상기 DEM값과 상기 직선 상의 높이값이 비교되며, 상기 직선 상의 높이값과 처음으로 같아지는 DEM값 또는 상기 직선 상의 높이값보다 최초로 큰 DEM값을 선정하는 제3-3 단계 및
    상기 드론으로부터 상기 제3 단계에서 선정된 DEM값의 위치까지의 거리가 산출되고, 상기 드론과 목표물의 평면 좌표가 계산되어 상기 제2 좌표를 얻는 제3-4 단계를 포함하는 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템의 타겟 좌표 취득 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 직선 상의 높이값은 f(x) = tanθ·x 의 함수로 나타내며,
    여기서, 상기 드론을 원점으로 하고 중력 방향과 평행한 축 방향을 z축 방향, 상기 중력 방향과 직각을 이루면서 상기 목표물과 평행한 평면 상에 존재하는 축 방향을 x축 방향으로 정의하며, θ는 상기 x 및 z를 축으로 하는 좌표평면계에서 원점으로부터 상기 목표물을 지나는 직선과 x축이 이루는 각도로 정의하는 것을 특징으로 하는 드론에 의한 타겟 좌표의 취득 시스템의 타겟 좌표 취득 방법.
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