KR102636551B1 - Autonomous terrain collision avoidance apparatus and method for low-altitude operation of unmanned aerial vehicle - Google Patents

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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치 및 방법은, 무인기(unmanned aerial vehicle, UAV) 운용 중에 지속적으로 지형 충돌 회피를 위한 계산을 수행함으로써 경로 계획만을 적용한 방법론 대비 상대적으로 지형 근접 운용이 가능하고, 지형 회피 시점, 방향, 궤적이 결정론적으로 결정되기 ‹š문에 시스템의 동작을 예측할 수 있고, 사용자가 신뢰할 수 있다.The autonomous terrain collision avoidance device and method for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle (UAV) according to a preferred embodiment of the present invention continuously performs calculations for terrain collision avoidance during operation of an unmanned aerial vehicle (UAV), compared to a methodology that only applies path planning. It is possible to operate relatively close to the terrain, and the terrain avoidance point, direction, and trajectory are determined deterministically, so the operation of the system can be predicted and users can trust it.

Description

무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치 및 방법{Autonomous terrain collision avoidance apparatus and method for low-altitude operation of unmanned aerial vehicle}{Autonomous terrain collision avoidance apparatus and method for low-altitude operation of unmanned aerial vehicle}

본 발명은 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무인기(unmanned aerial vehicle, UAV)가 지형 충돌을 자율적으로 회피하는, 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an autonomous terrain collision avoidance device and method for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle, and more specifically, to an unmanned aerial vehicle (UAV) device and method for autonomously avoiding terrain collision.

무인기(unmanned aerial vehicle, UAV)의 촬영 성능이 향상되고, 운용 지속시간이 증가됨에 따라 소형 무인기를 저고도에서 활용하여 지역의 정보를 획득하기 위한 응용 영역도 확대되고 있다. 예컨대, AGL(Above Ground Level) 500m 이하, 순항 속도 90km/h, 운용 시간 1시간 이내의 운용 능력을 가지는 소형 무인기에 대한 소요가 증가하고 있다.As the imaging performance of unmanned aerial vehicles (UAVs) improves and the operation duration increases, the application area for obtaining local information using small unmanned aerial vehicles (UAVs) at low altitudes is also expanding. For example, the demand for small unmanned aerial vehicles (UAVs) capable of operating below AGL (Above Ground Level) 500 m, cruising speed of 90 km/h, and operating time of less than 1 hour is increasing.

특히, 소형 무인기의 저고도(AGL 500m 이하) 운용 소요가 증가하고 있다. 종래의 방법은 경로 계획 시, 지형으로부터 충분히 고도를 이격하여 계획하는 방법을 이용하고 있다. 그러나, 경로 계획 시 지형 충돌 회피를 위해 고도 여유분(margin)을 충분히 큰 값으로 설정해야 하기 때문에, 무인기를 지형에 근접해서 운용하는데 제약이 있다.In particular, the need for low-altitude (below 500 m AGL) operation of small unmanned aerial vehicles is increasing. The conventional method uses a method of planning a route that is sufficiently separated from the terrain when planning a route. However, because the altitude margin must be set to a sufficiently large value to avoid terrain collision when planning a route, there are limitations in operating the UAV close to the terrain.

그리고, 운용자의 조작 또는 개입없이 목적지로 안전하기 이동시키려는 자율 이동 소요가 증가하고 있다. 종래의 방법은 지정된 일련의 지형 충돌 회피 기동을 자동적으로 수행하여 회피하는 방법을 이용하고 있다. 그러나, 지형 충돌 회피를 위해 사전에 정의된 기동을 수행하는 방법은 가장 확실하고 효과적인 지형 회피 방법으로 알려져 있지만, 해당 기동이 지형을 회피하기 위한 최적의 기동인지 여부는 알 수 없다. 또한, 지형을 회피하는 목적은 달성하더라도, 운용자의 개입없이 원하는 곳(목적지)으로 이동하도록 무인기를 유도하는 방법과 연계하는 방안은 제시되어 있지 않다.And, the demand for autonomous movement to safely move to a destination without operator manipulation or intervention is increasing. The conventional method uses a method of automatically performing a designated series of terrain collision avoidance maneuvers to avoid collisions. However, although the method of performing a predefined maneuver to avoid terrain collision is known to be the most reliable and effective terrain avoidance method, it is unknown whether the maneuver is the optimal maneuver for avoiding terrain. In addition, even if the purpose of avoiding terrain is achieved, there is no method proposed to connect the UAV with a method of guiding it to move to the desired location (destination) without operator intervention.

그리고, 사전에 정해진 경로만 추종하는 것이 아닌 정보 획득 목적에 부합하도록 스스로 경로를 안전하게 변경하여 이동하는 기능 소요가 증가하고 있다. 종래의 방법은 라이다(LIDAR) 또는 영상 등 센서로 지형을 포함한 장애물을 스캔하고 충돌을 회피하는 방법을 이용하고 있다. 그러나, 라이다(LIDAR) 또는 영상 등 센서를 적용하는 방법은 지형에 가장 근접하게 비행하도록 만들 수 있는 방법이나, 해당 센서가 없는 무인기에는 적용 불가하다. 무인기를 개조하여 라이다 또는 센서 등을 장착하는 경우, 무인기의 중량 증가로 인해 운용 가능 시간이 감소되어 무인기의 효용이 저하된다.Additionally, the need for the ability to safely change the route on its own to meet the purpose of obtaining information, rather than just following a predetermined route, is increasing. Conventional methods use sensors such as LIDAR or video to scan obstacles, including terrain, and avoid collisions. However, the method of applying sensors such as LIDAR or video is the method that allows the drone to fly closest to the terrain, but cannot be applied to unmanned aerial vehicles that do not have the corresponding sensors. When an unmanned aerial vehicle is modified to be equipped with lidar or sensors, the operational time is reduced due to the increase in the weight of the unmanned aerial vehicle, thereby reducing the utility of the unmanned aerial vehicle.

이에, 무인기를 저고도에서 안전하게 운용하기 위한 시스템이 필요한 상황이다.Accordingly, there is a need for a system to safely operate unmanned aerial vehicles at low altitudes.

본 발명이 이루고자 하는 목적은, 무인기(unmanned aerial vehicle, UAV)가 지형 충돌을 자율적으로 회피하면서 비행하도록 하는, 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.The purpose of the present invention is to provide an autonomous terrain collision avoidance device and method for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle (UAV), which allows the unmanned aerial vehicle (UAV) to fly while autonomously avoiding terrain collisions.

본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.Other unspecified objects of the present invention can be additionally considered within the scope that can be easily inferred from the following detailed description and its effects.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치는, 지형 충돌 회피 파라미터를 설정하는 회피 파라미터 설정부; 무인기의 현재 위치 및 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 복수개의 회피 궤적을 생성하고, 상기 복수개의 회피 궤적 및 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 상기 복수개의 회피 궤적 각각에 대응하는 지형 고도 정보를 획득하며, 상기 복수개의 회피 궤적 및 상기 복수개의 회피 궤적 각각에 대응된 상기 지형 고도 정보를 출력하는 회피 궤적 예측부; 상기 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적의 지형을 제약 조건으로 하여 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 지형 충돌 회피 명령을 생성하고, 상기 지형 충돌 회피 명령을 출력하는 지형 충돌 해소부; 상기 무인기의 현재 위치 및 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 지역 경로를 생성하고, 상기 지역 경로를 출력하는 경로 계획부; 및 상기 지형 충돌 회피 파라미터, 상기 회피 궤적 예측부를 통해 출력되는 상기 복수개의 회피 궤적 및 상기 복수개의 회피 궤적 각각에 대응된 상기 지형 고도 정보, 상기 지형 충돌 해소부를 통해 출력되는 상기 지형 충돌 회피 명령, 및 상기 경로 계획부를 통해 출력되는 상기 지역 경로를 기반으로, 상기 무인기가 지형 충돌을 회피하면서 비행하도록 하는 제어 명령을 상기 무인기에 제공하는 지형 충돌 회피 제어부;를 포함한다.In order to achieve the above object, an autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle according to a preferred embodiment of the present invention includes an avoidance parameter setting unit that sets terrain collision avoidance parameters; Generating a plurality of avoidance trajectories based on the current location of the unmanned aerial vehicle and the terrain collision avoidance parameters, and acquiring terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories based on the plurality of avoidance trajectories and the terrain collision avoidance parameters; , an avoidance trajectory prediction unit that outputs the plurality of avoidance trajectories and the terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories; A terrain collision resolution unit that generates a terrain collision avoidance command based on the terrain collision avoidance parameter using the terrain of the last avoidance trajectory where a terrain collision is detected among the plurality of avoidance trajectories as a constraint condition, and outputs the terrain collision avoidance command. ; a path planning unit that generates a local route based on the current location of the unmanned aerial vehicle and the terrain collision avoidance parameters, and outputs the local route; and the terrain collision avoidance parameters, the plurality of avoidance trajectories output through the avoidance trajectory prediction unit, and the terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories, the terrain collision avoidance command output through the terrain collision resolution unit, and and a terrain collision avoidance control unit that provides a control command to the UAV to allow the UAV to fly while avoiding terrain collision, based on the local route output through the path planning unit.

여기서, 상기 지형 충돌 회피 파라미터는, 지형 충돌 회피 정책 정보, 무인기 특성 정보 및 수치 지형 표고 정보를 포함하고, 상기 지형 충돌 회피 정책 정보는, 기동 기준 정보, 회피 궤적 여유 거리 정보, 고도 회피 거리 정보, 수치 지형 표고 버퍼 정보, 지형 충돌 회피 기준 고도 정보, 경로 계획 적용 옵션 정보, 지형 충돌 회피 백업 옵션 정보, 지형 충돌 예측 구간 정보, 임무 지역 정보 및 관심 지역 정보를 포함하며, 상기 무인기 특성 정보는, 임무 비행 속력 범위 정보, 뱅크각 정보 및 최대 운용 고도 정보를 포함하고, 상기 수치 지형 표고 정보는, 수치 지형 표고 데이터(digital terrain elevation data, DTED)를 포함할 수 있다.Here, the terrain collision avoidance parameters include terrain collision avoidance policy information, unmanned aerial vehicle characteristic information, and numerical terrain elevation information, and the terrain collision avoidance policy information includes maneuvering reference information, avoidance trajectory clearance information, altitude avoidance distance information, It includes numerical terrain elevation buffer information, terrain collision avoidance reference altitude information, route plan application option information, terrain collision avoidance backup option information, terrain collision prediction section information, mission area information, and area of interest information, and the unmanned aerial vehicle characteristic information is the mission. It includes flight speed range information, bank angle information, and maximum operating altitude information, and the digital terrain elevation information may include digital terrain elevation data (DTED).

여기서, 상기 회피 궤적 예측부는, 상기 무인기의 현재 위치 및 상기 지형 충돌 예측 구간 정보를 기반으로 상기 기동 기준 정보에 따른 복수개의 기동 각각에 대응되는 기본 회피 궤적을 획득하고, 상기 복수개의 기동 각각에 대응되는 기본 회피 궤적 및 상기 회피 궤적 여유 거리 정보를 기반으로 좌측 회피 궤적 및 우측 회피 궤적을 상기 복수개의 기동 각각에 대해 획득하여, 상기 복수개의 기동 각각에 대한 상기 기본 회피 궤적, 상기 좌측 회피 궤적 및 상기 우측 회피 궤적을 포함하는 상기 복수개의 회피 궤적을 생성하고, 상기 수치 지형 표고 데이터를 기반으로 상기 복수개의 회피 궤적 각각에 대응하는 상기 지형 고도 정보를 획득할 수 있다.Here, the avoidance trajectory prediction unit acquires a basic avoidance trajectory corresponding to each of a plurality of maneuvers according to the maneuver reference information based on the current location of the unmanned aerial vehicle and the terrain collision prediction section information, and corresponds to each of the plurality of maneuvers. Based on the basic evasion trajectory and the evasion trajectory clearance information, a left evasion trajectory and a right evasion trajectory are obtained for each of the plurality of maneuvers, and the basic evasion trajectory, the left evasion trajectory, and the The plurality of avoidance trajectories including a right avoidance trajectory may be generated, and the terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories may be obtained based on the numerical terrain elevation data.

여기서, 상기 회피 궤적 예측부는, 상기 무인기의 현재 위치에서 상기 무인기의 헤딩 방향으로 상기 수치 지형 표고 버퍼 정보만큼 더하여 초기 위치를 획득하고, 상기 초기 위치에서 상기 지형 충돌 예측 구간 정보동안 기동을 수행한 경우의 미리 설정된 타임 스텝별 위도, 경고 및 고도를 계산하여 기동에 대응되는 상기 기본 회피 궤적을 획득하고, 상기 기본 회피 궤적을 기반으로 헤딩 방향을 기준으로 90도 좌측 방향에서 상기 회피 궤적 여유 거리 정보만큼 떨어진 궤적을 계산하여 상기 좌측 회피 궤적을 획득하며, 상기 기본 회피 궤적을 기반으로 헤딩 방향을 기준으로 90도 우측 방향에서 상기 회피 궤적 여유 거리 정보만큼 떨어진 궤적을 계산하여 상기 우측 회피 궤적을 획득할 수 있다.Here, the avoidance trajectory prediction unit obtains an initial position by adding the numerical terrain elevation buffer information from the current position of the unmanned aerial vehicle in the heading direction of the unmanned aerial vehicle, and performs a maneuver during the terrain collision prediction section information at the initial position. Obtain the basic avoidance trajectory corresponding to the maneuver by calculating the latitude, warning, and altitude for each preset time step, and based on the basic avoidance trajectory, the avoidance trajectory clearance information is 90 degrees to the left of the heading direction. The left avoidance trajectory can be obtained by calculating the falling trajectory, and the right avoidance trajectory can be obtained by calculating the trajectory away from the basic avoidance trajectory as much as the avoidance trajectory clearance information in the right direction 90 degrees based on the heading direction. there is.

여기서, 상기 지형 충돌 해소부는, 상기 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적을 상기 지형 충돌 회피 제어부로부터 제공받고, 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적의 지형을 지형 제약 조건의 초기값으로 하고, 지형 제약 조건, 무인기 3-DOF(degree of freedom) 운동 제약 조건, 무인기 상태 제약 조건 및 제어 명령 제약 조건을 기반으로 상기 지형 충돌 예측 구간 정보동안의 성능 지표(performance index)를 반복적으로 계산하여 상기 성능 지표를 최소화하는 최적의 제어 명령 집합을 획득하며, 상기 성능 지표의 반복 계산 시, 바로 직전 단계에서 획득한 제어 명령 집합을 기반으로 획득한 예측 기동 궤적의 지형을 통해 현재 단계의 상기 지형 제약 조건을 획득하고, 상기 성능 지표를 최소화하는 상기 최적의 제어 명령 집합을 포함하는 상기 지형 충돌 회피 명령을 생성할 수 있다.Here, the terrain collision resolution unit receives the terrain collision avoidance control unit from the terrain collision avoidance control unit for which the terrain collision was last detected among the plurality of avoidance trajectories, and uses the terrain of the avoidance trajectory where the terrain collision was last detected to determine the initial terrain constraint condition. As a value, the performance index during the terrain collision prediction section information is repeatedly calculated based on the terrain constraints, UAV 3-DOF (degree of freedom) motion constraints, UAV state constraints, and control command constraints. An optimal control command set that minimizes the performance index is obtained by calculating, and when repeatedly calculating the performance index, the topography of the predicted maneuver trajectory obtained based on the control command set obtained in the immediately preceding step is used to determine the current step. Terrain constraints may be obtained, and the terrain collision avoidance command may be generated including the optimal control command set that minimizes the performance index.

여기서, 상기 지형 충돌 해소부는, 상기 수치 지형 표고 데이터를 기반으로 궤적에 대응되는 지형 고도를 획득하여 상기 지형 제약 조건을 생성하고, 상기 무인기의 ENU(East-North-Up) 좌표계 상 위치, 상기 무인기의 헤딩 값, 상기 무인기의 비행 경로각, 상기 무인기의 속력, 헤딩 변화율 및 비행 경로각 변화율을 기반으로 상기 무인기 3-DOF(degree of freedom) 운동 제약 조건을 생성하며, 상기 무인기의 ENU(East-North-Up) 좌표계 상 위치, 상기 무인기의 위치에 대응되는 지형 고도 및 상기 고도 회피 거리 정보를 기반으로 상기 무인기 상태 제약 조건을 생성하고, 상기 헤딩 변화율, 미리 설정된 최대 헤딩 변화율, 상기 비행 경로각 변화율 및 미리 설정된 최대 비행 경로각 변화율을 기반으로 상기 제어 명령 제약 조건을 생성하며, 상기 지형 제약 조건, 상기 무인기 3-DOF 운동 제약 조건, 상기 무인기 상태 제약 조건 및 상기 제어 명령 제약 조건을 기반으로 상기 헤딩 변화율의 제어 노력(control effort)에 대한 가중치, 상기 헤딩 변화율, 상기 최대 헤딩 변화율, 상기 비행 경로각 변화율의 제어 노력에 대한 가중치, 상기 비행 경로각 변화율 및 상기 최대 비행 경로각 변화율로 이루어지는 상기 성능 지표를 통해 상기 헤딩 변화율 및 상기 비행 경로각 변화율을 포함하는 최적의 제어 명령 집합을 획득할 수 있다.Here, the terrain conflict resolution unit generates the terrain constraints by acquiring the terrain altitude corresponding to the trajectory based on the digital terrain elevation data, and determines the location of the unmanned aerial vehicle in the ENU (East-North-Up) coordinate system, the unmanned aerial vehicle. Based on the heading value, the flight path angle of the unmanned aerial vehicle, the speed of the unmanned aerial vehicle, the heading change rate, and the flight path angle change rate, the unmanned aerial vehicle 3-DOF (degree of freedom) motion constraints are generated, and the unmanned aerial vehicle's ENU (East- North-Up) Creates the UAV state constraints based on the location on the coordinate system, the terrain altitude corresponding to the location of the UAV, and the altitude avoidance distance information, and the heading change rate, the preset maximum heading change rate, and the flight path angle change rate. and generate the control command constraint based on a preset maximum flight path angle change rate, and generate the heading based on the terrain constraint, the unmanned aerial vehicle 3-DOF motion constraint, the unmanned aerial vehicle state constraint, and the control command constraint. The performance indicator consisting of a weight for control effort of the rate of change, the heading change rate, the maximum heading change rate, the weight for the control effort of the flight path angle change rate, the flight path angle change rate, and the maximum flight path angle change rate. Through, an optimal control command set including the heading change rate and the flight path angle change rate can be obtained.

여기서, 상기 경로 계획부는, 상기 무인기의 현재 위치에서 상기 무인기의 헤딩 방향으로 미리 설정된 시간 동안 이동한 위치를 시작 지점으로 획득하고, 상기 무인기의 현재 위치, 상기 임무 지역 정보 및 상기 관심 지역 정보를 기반으로 상기 무인기가 이동하여야 하는 다음 지점을 목적 지점으로 획득하며, 상기 무인기의 현재 고도에서 미리 설정된 고도를 뺀 값 및 상기 최대 운용 고도 정보 중 작은 값을 상기 수치 지형 표고 데이터에서 이동 불가능한 지역으로 지정하고, 상기 시작 지점, 상기 목적 지점 및 상기 수치 지형 표고 데이터를 기반으로 상기 경로 계획 적용 옵션 정보에 따라 상기 지역 경로를 생성할 수 있다.Here, the path planning unit acquires as a starting point a position moved from the current location of the unmanned aerial vehicle in the heading direction of the unmanned aerial vehicle for a preset time, based on the current location of the unmanned aerial vehicle, the mission area information, and the area of interest information. The next point to which the unmanned aerial vehicle must move is obtained as the destination point, and the smaller value of the current altitude of the unmanned aerial vehicle minus the preset altitude and the maximum operating altitude information is designated as an area that cannot be moved in the digital terrain elevation data, and , the local route may be generated according to the route plan application option information based on the starting point, the destination point, and the digital terrain elevation data.

여기서, 상기 경로 계획부는, 상기 경로 계획 적용 옵션 정보가 PSO(particle swarm optimization) 기법이면, 상기 무인기의 현재 고도를 유지하면서 상기 무인기가 상기 시작 지점에서 상기 목적 지점까지 이동하는 최단 경로를 찾는 비용 함수를 통해 상기 지역 경로를 생성하고, 상기 경로 계획 적용 옵션 정보가 그리드 기반 휴리스틱 경로 계획 기법이면, 상기 시작 지점의 그리드를 기준으로 상하좌우 4방향으로 이동 가능하도록 설정하여 맨해튼 거리(Manhattan distance)가 최소가 되는 경로를 찾는 비용 함수를 통해 상기 지역 경로를 생성할 수 있다.Here, the path planning unit, if the path plan application option information is a PSO (particle swarm optimization) technique, a cost function to find the shortest path for the unmanned aerial vehicle to move from the starting point to the destination point while maintaining the current altitude of the unmanned aerial vehicle. The local route is generated through, and if the route planning application option information is a grid-based heuristic route planning technique, it is set to be able to move in four directions, up, down, left, and right based on the grid of the starting point, so that the Manhattan distance is minimum. The local route can be created through a cost function that finds a route that becomes .

여기서, 상기 지형 충돌 회피 제어부는, 상기 경로 계획부를 통해 출력되는 상기 지역 경로를 상기 무인기가 추종하도록 하는 제어 명령을 상기 무인기에 제공하고, 상기 무인기의 현재 위치 및 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 상기 회피 궤적 예측부를 통해 출력되는 상기 복수개의 회피 궤적 및 상기 복수개의 회피 궤적 각각에 대응되는 상기 지형 고도 정보를 이용하여 상기 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는지 여부를 확인하며, 상기 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는 경우, 상기 지형 충돌 해소부를 통해 출력되는 상기 지형 충돌 회피 명령 및 상기 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적에 대응되는 기동 중 하나를 기반으로 생성된 제어 명령을 상기 무인기에 제공하고, 지형 충돌이 회피되면, 상기 경로 계획부를 통해 출력되는 상기 지역 경로를 상기 무인기가 추종하도록 하는 제어 명령을 상기 무인기에 제공할 수 있다.Here, the terrain collision avoidance control unit provides a control command to the unmanned aerial vehicle to cause the unmanned aerial vehicle to follow the local path output through the path planning unit, and the terrain collision avoidance parameter based on the current location of the unmanned aerial vehicle and the terrain collision avoidance parameter. Using the plurality of avoidance trajectories output through the avoidance trajectory prediction unit and the terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories, it is confirmed whether all of the plurality of avoidance trajectories collide with the terrain, and the plurality of avoidance trajectories are used. When all of the terrain collides with the terrain, a control command generated based on one of the terrain collision avoidance command output through the terrain collision resolution unit and a maneuver corresponding to the avoidance trajectory in which the terrain collision was last detected among the plurality of avoidance trajectories. is provided to the unmanned aerial vehicle, and when terrain collision is avoided, a control command that causes the unmanned aerial vehicle to follow the local path output through the path planning unit may be provided to the unmanned aerial vehicle.

여기서, 상기 지형 충돌 회피 제어부는, 상기 지형 충돌 해소부가 상기 지형 충돌 회피 명령을 출력하지 못하거나 상기 지형 충돌 회피 백업 옵션 정보가 활성화된 경우, 상기 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적에 대응되는 기동을 지형 충돌 회피가 완료될 때까지 상기 무인기가 수행하도록 하는 제어 명령을 상기 무인기에 제공하고, 상기 지형 충돌 해소부가 상기 지형 충돌 회피 명령을 출력하거나 상기 지형 충돌 회피 백업 옵션 정보가 비활성화된 경우, 상기 지형 충돌 해소부를 통해 출력되는 상기 지형 충돌 회피 명령을 지형 충돌 회피가 완료될 때까지 상기 무인기가 수행하도록 하는 제어 명령을 상기 무인기에 제공할 수 있다.Here, when the terrain collision avoidance control unit fails to output the terrain collision avoidance command or the terrain collision avoidance backup option information is activated, the terrain collision avoidance control unit detects the last terrain collision among the plurality of avoidance trajectories. A control command is provided to the unmanned aerial vehicle to cause the unmanned aerial vehicle to perform a maneuver corresponding to the trajectory until terrain collision avoidance is completed, and the terrain collision resolution unit outputs the terrain collision avoidance command or provides the terrain collision avoidance backup option information. When deactivated, a control command that causes the unmanned aerial vehicle to perform the terrain collision avoidance command output through the terrain collision resolution unit until terrain collision avoidance is completed may be provided to the unmanned aerial vehicle.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 방법은, 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치에 의해 수행되는 자율 지형 충돌 회피 방법으로서, 상기 무인기의 현재 위치 및 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 지역 경로를 생성하는 단계; 상기 지역 경로를 상기 무인기가 추종하도록 하는 제어 명령을 상기 무인기에 제공하는 단계; 상기 무인기의 현재 위치 및 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 복수개의 회피 궤적을 생성하고, 상기 복수개의 회피 궤적 및 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 상기 복수개의 회피 궤적 각각에 대응하는 지형 고도 정보를 획득하는 단계; 상기 복수개의 회피 궤적 및 상기 복수개의 회피 궤적 각각에 대응되는 상기 지형 고도 정보를 이용하여 상기 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는지 여부를 확인하는 단계; 상기 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는 경우, 상기 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적의 지형을 제약 조건으로 하여 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 지형 충돌 회피 명령을 생성하는 단계; 상기 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는 경우, 상기 지형 충돌 회피 명령 및 상기 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적에 대응되는 기동 중 하나를 기반으로 생성된 제어 명령을 상기 무인기에 제공하는 단계; 및 지형 충돌이 회피되면, 상기 지역 경로를 상기 무인기가 추종하도록 하는 제어 명령을 상기 무인기에 제공하는 단계;를 포함한다.An autonomous terrain collision avoidance method for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle according to a preferred embodiment of the present invention to achieve the above object is an autonomous terrain collision avoidance method performed by an autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle, generating a local route based on the current location of the unmanned aerial vehicle and terrain collision avoidance parameters; providing a control command to the unmanned aerial vehicle (UAV) to cause the unmanned aerial vehicle to follow the local route; Generate a plurality of avoidance trajectories based on the current location of the unmanned aerial vehicle and the terrain collision avoidance parameters, and obtain terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories based on the plurality of avoidance trajectories and the terrain collision avoidance parameters. steps; Confirming whether all of the plurality of avoidance trajectories collide with terrain using the plurality of avoidance trajectories and the terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories; When all of the plurality of avoidance trajectories collide with terrain, generating a terrain collision avoidance command based on the terrain collision avoidance parameter using the terrain of the last avoidance trajectory where terrain collision was detected among the plurality of avoidance trajectories as a constraint condition. step; When all of the plurality of avoidance trajectories collide with terrain, the unmanned aerial vehicle performs a control command generated based on one of the terrain collision avoidance command and a maneuver corresponding to the last avoidance trajectory for which the terrain collision is detected among the plurality of avoidance trajectories. Steps provided to; and providing a control command to the unmanned aerial vehicle (UAV) to cause the unmanned aerial vehicle to follow the local path when terrain collision is avoided.

여기서, 상기 지형 충돌 회피 파라미터는, 지형 충돌 회피 정책 정보, 무인기 특성 정보 및 수치 지형 표고 정보를 포함하고, 상기 지형 충돌 회피 정책 정보는, 기동 기준 정보, 회피 궤적 여유 거리 정보, 고도 회피 거리 정보, 수치 지형 표고 버퍼 정보, 지형 충돌 회피 기준 고도 정보, 경로 계획 적용 옵션 정보, 지형 충돌 회피 백업 옵션 정보, 지형 충돌 예측 구간 정보, 임무 지역 정보 및 관심 지역 정보를 포함하며, 상기 무인기 특성 정보는, 임무 비행 속력 범위 정보, 뱅크각 정보 및 최대 운용 고도 정보를 포함하고, 상기 수치 지형 표고 정보는, 수치 지형 표고 데이터(digital terrain elevation data, DTED)를 포함할 수 있다.Here, the terrain collision avoidance parameters include terrain collision avoidance policy information, unmanned aerial vehicle characteristic information, and numerical terrain elevation information, and the terrain collision avoidance policy information includes maneuvering reference information, avoidance trajectory clearance information, altitude avoidance distance information, It includes numerical terrain elevation buffer information, terrain collision avoidance reference altitude information, route plan application option information, terrain collision avoidance backup option information, terrain collision prediction section information, mission area information, and area of interest information, and the unmanned aerial vehicle characteristic information is the mission. It includes flight speed range information, bank angle information, and maximum operating altitude information, and the digital terrain elevation information may include digital terrain elevation data (DTED).

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장되어 상기한 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 방법 중 어느 하나를 컴퓨터에서 실행시킨다.A computer program according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above technical problem is stored in a computer-readable recording medium and executes on the computer any one of the autonomous terrain collision avoidance methods for low-altitude operation of the unmanned aerial vehicle. .

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치 및 방법에 의하면, 무인기(unmanned aerial vehicle, UAV) 운용 중에 지속적으로 지형 충돌 회피를 위한 계산을 수행함으로써 경로 계획만을 적용한 방법론 대비 상대적으로 지형 근접 운용이 가능하다. 그리고, 지형 회피 시점, 방향, 궤적이 결정론적으로 결정되기 때문에 시스템의 동작을 예측할 수 있고, 사용자가 신뢰할 수 있다. 그리고, 지형 충돌을 회피하는 과정에서는 최적의 회피 경로를 생성할 수 있다.According to the autonomous terrain collision avoidance device and method for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle (UAV) according to a preferred embodiment of the present invention, a methodology that only applies path planning by continuously performing calculations for terrain collision avoidance during operation of an unmanned aerial vehicle (UAV) It is possible to operate relatively close to the terrain. Additionally, because the terrain avoidance point, direction, and trajectory are determined deterministically, the operation of the system can be predicted and users can trust it. And, in the process of avoiding terrain collisions, an optimal avoidance path can be created.

또한, 지형 충돌 회피 후 목적지로 이동하기 위한 안전한 경로를 무인기가 자율적으로 계획할 수 있기 때문에, 운용자의 개입 및 조작을 감소 또는 제거시킴으로써 운용자의 업무 부하를 경감시킬 수 있다.In addition, because the unmanned aerial vehicle can autonomously plan a safe route to move to the destination after avoiding terrain collisions, the operator's workload can be reduced by reducing or eliminating the operator's intervention and manipulation.

또한, 지형 충돌 회피 기능을 확보하기 위해 수치 지형 표고 데이터(digital terrain elevation data, DTED)와 알고리즘만을 활용하기 때문에 라이다(LIDAR)와 같은 별도의 추가 장비를 장착할 필요가 없다. 그리고, 지형 충돌 회피 기능으로 인해 무인기의 중량이 증가하지 않기 때문에, 무인기 운용 시간에 영향을 주지 않는다.In addition, since only digital terrain elevation data (DTED) and algorithms are used to secure terrain collision avoidance function, there is no need to install additional equipment such as LIDAR. And, because the weight of the unmanned aerial vehicle does not increase due to the terrain collision avoidance function, it does not affect the unmanned aerial vehicle operating time.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 자율 지형 충돌 회피 장치의 세부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시한 회피 파라미터 설정부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시한 회피 궤적 예측부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시한 좌측 회피 궤적 및 우측 회피 궤적을 획득하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 2에 도시한 지형 충돌 해소부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 2에 도시한 경로 계획부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시한 지형 충돌 회피 제어부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
1 is a block diagram illustrating an autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the detailed configuration of the autonomous terrain collision avoidance device shown in FIG. 1.
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the avoidance parameter setting unit shown in FIG. 2.
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the avoidance trajectory prediction unit shown in FIG. 2.
FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of acquiring the left and right avoidance trajectories shown in FIG. 4.
FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the terrain collision resolution unit shown in FIG. 2.
FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the path planning unit shown in FIG. 2.
FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the terrain collision avoidance control unit shown in FIG. 2.
Figure 9 is a flowchart illustrating an autonomous terrain collision avoidance method for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle according to a preferred embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. The present embodiments are merely intended to ensure that the disclosure of the present invention is complete, and that the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and is provided by those skilled in the art It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings that can be commonly understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Additionally, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless clearly specifically defined.

본 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.In this specification, terms such as “first” and “second” are used to distinguish one component from another component, and the scope of rights should not be limited by these terms. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component.

본 명세서에서 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.In this specification, identification codes (e.g., a, b, c, etc.) for each step are used for convenience of explanation. The identification codes do not describe the order of each step, and each step is clearly understood in the context. Unless a specific order is specified, it may occur differently from the specified order. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the opposite order.

본 명세서에서, "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.In this specification, expressions such as “have,” “may have,” “includes,” or “may include” indicate the presence of the corresponding feature (e.g., a numerical value, function, operation, or component such as a part). indicates, does not rule out the presence of additional features.

또한, 본 명세서에 기재된 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터 구조들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다.Additionally, the term '~unit' used in this specification refers to software or hardware components such as FPGA (field-programmable gate array) or ASIC, and the '~unit' performs certain roles. However, '~part' is not limited to software or hardware. The '~ part' may be configured to reside in an addressable storage medium and may be configured to reproduce on one or more processors. Therefore, as an example, '~ part' refers to components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, properties, and procedures. , subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuits, data structures, and variables. The functions provided within the components and 'parts' may be combined into a smaller number of components and 'parts' or may be further separated into additional components and 'parts'.

이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of an autonomous terrain collision avoidance device and method for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치에 대하여 설명한다.First, with reference to FIG. 1, an autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle according to a preferred embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치를 설명하기 위한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating an autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치(이하 '자율 지형 충돌 회피 장치'라 한다)(100)는 무인기(unmanned aerial vehicle, UAV)(200)가 지형 충돌을 자율적으로 회피하면서 비행하도록 할 수 있다.Referring to FIG. 1, an autonomous terrain collision avoidance device (hereinafter referred to as 'autonomous terrain collision avoidance device') 100 for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle (UAV) according to a preferred embodiment of the present invention is an unmanned aerial vehicle (UAV) ( 200) can be made to fly while autonomously avoiding terrain collisions.

즉, 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 무인기(200)를 제어하는 제어 명령을 무인기(200)에 제공할 수 있다.That is, the autonomous terrain collision avoidance device 100 may provide a control command to control the unmanned aerial vehicle 200 to the unmanned aerial vehicle 200.

그리고, 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 무인기(200)의 현재 상태를 나타내는 상태 정보를 무인기(200)로부터 제공받을 수 있다. 이때, 무인기(200)는 미리 설정된 주기를 단위로 하여 자신의 상태 정보를 자율 지형 충돌 회피 장치(100)에 제공하거나, 자율 지형 충돌 회피 장치(100)로부터 요청을 받은 경우에 자신의 상태 정보를 자율 지형 충돌 회피 장치(100)로 제공할 수 있다.Additionally, the autonomous terrain collision avoidance device 100 may receive status information indicating the current state of the unmanned aerial vehicle (200) from the unmanned aerial vehicle (200). At this time, the unmanned aerial vehicle 200 provides its own status information to the autonomous terrain collision avoidance device 100 in units of preset cycles, or provides its own status information when a request is received from the autonomous terrain collision avoidance device 100. It can be provided as an autonomous terrain collision avoidance device 100.

그러면, 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치에 대하여 보다 자세하게 설명한다.Then, with reference to FIGS. 2 to 8 , the autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail.

도 2는 도 1에 도시한 자율 지형 충돌 회피 장치의 세부 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시한 회피 파라미터 설정부의 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 도 2에 도시한 회피 궤적 예측부의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 4에 도시한 좌측 회피 궤적 및 우측 회피 궤적을 획득하는 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 도 2에 도시한 지형 충돌 해소부의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 도 2에 도시한 경로 계획부의 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 8은 도 2에 도시한 지형 충돌 회피 제어부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 2 is a diagram for explaining the detailed configuration of the autonomous terrain collision avoidance device shown in FIG. 1, FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the avoidance parameter setting unit shown in FIG. 2, and FIG. 4 is shown in FIG. 2. This is a diagram for explaining the operation of an avoidance trajectory prediction unit, FIG. 5 is a diagram for explaining the operation for acquiring the left avoidance trajectory and the right avoidance trajectory shown in FIG. 4, and FIG. 6 is a diagram for terrain collision resolution shown in FIG. 2. FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the path planning unit shown in FIG. 2, and FIG. 8 is a drawing for explaining the operation of the terrain collision avoidance control unit shown in FIG. 2.

도 2를 참조하면, 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 회피 파라미터 설정부(110), 회피 궤적 예측부(120), 지형 충돌 해소부(130), 경로 계획부(140) 및 지형 충돌 회피 제어부(150)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the autonomous terrain collision avoidance device 100 includes an avoidance parameter setting unit 110, an avoidance trajectory prediction unit 120, a terrain collision resolution unit 130, a path planning unit 140, and a terrain collision avoidance control unit. It may include (150).

회피 파라미터 설정부(110)는 운용자의 조작에 의해 입력된 지형 충돌 회피 파라미터를 설정할 수 있다.The avoidance parameter setting unit 110 may set terrain collision avoidance parameters input through operator manipulation.

여기서, 지형 충돌 회피 파라미터는 지형 충돌의 회피 동작을 수행하는데 이용되는 파라미터인 지형 충돌 회피 정책 정보, 무인기(200)에 대한 파라미터인 무인기 특성 정보 및 지형의 고도에 대한 정보를 나타내는 수치 지형 표고 정보를 포함할 수 있다.Here, the terrain collision avoidance parameter includes terrain collision avoidance policy information, which is a parameter used to perform terrain collision avoidance operation, unmanned aerial vehicle characteristic information, which is a parameter for the unmanned aerial vehicle 200, and numerical terrain elevation information indicating information about the altitude of the terrain. It can be included.

즉, 지형 충돌 회피 정책 정보는 기동 기준 정보(예컨대, 기동별 뱅크각 및 비행 경로각 변화율 등), 회피 궤적 여유 거리 정보(dbuffer)(예컨대, 50m 이상 등), 고도 회피 거리 정보(rthreshold)(예컨대, 50m 이상 등), 수치 지형 표고 버퍼 정보(예컨대, 30m 이상 등), 지형 충돌 회피 기준 고도 정보(예컨대, 30m 이상 등), 경로 계획 적용 옵션 정보(예컨대, PSO 기법, 그리드 기반 휴리스틱 경로 계획 기법 등), 지형 충돌 회피 백업 옵션 정보(예컨대, 활성화 또는 비활성화), 지형 충돌 예측 구간 정보(tf)(예컨대, 40초 등), 임무 지역 정보(예컨대, 영역을 구성하는 4개의 꼭지점 좌표(위도, 경도) 등) 및 관심 지역 정보(예컨대, 관심 지역의 좌표, 관심 지역의 순서 등)를 포함할 수 있다.In other words, the terrain collision avoidance policy information includes maneuvering standard information (e.g., bank angle and flight path angle change rate for each maneuver, etc.), avoidance trajectory margin information (d buffer ) (e.g., 50 m or more), and altitude avoidance distance information (r threshold) . ) (e.g., more than 50 m, etc.), digital terrain elevation buffer information (e.g., more than 30 m, etc.), terrain collision avoidance reference altitude information (e.g., more than 30 m, etc.), route planning application option information (e.g., PSO technique, grid-based heuristic) path planning technique, etc.), terrain collision avoidance backup option information (e.g., activation or deactivation), terrain collision prediction interval information (t f ) (e.g., 40 seconds, etc.), mission area information (e.g., four vertices constituting the area) Coordinates (latitude, longitude, etc.) and area of interest information (e.g., coordinates of the area of interest, order of areas of interest, etc.) may be included.

그리고, 무인기 특성 정보는 임무 비행 속력 범위 정보(예컨대, 80km/h ~ 100km/h 등), 뱅크각 정보(예컨대, ±45° 등) 및 최대 운용 고도 정보(예컨대, 500m 등)를 포함할 수 있다.In addition, the UAV characteristic information may include mission flight speed range information (e.g., 80 km/h to 100 km/h, etc.), bank angle information (e.g., ±45°, etc.), and maximum operating altitude information (e.g., 500 m, etc.). there is.

그리고, 수치 지형 표고 정보는 수치 지형 표고 데이터(digital terrain elevation data, DTED)를 포함할 수 있다.Additionally, the digital terrain elevation information may include digital terrain elevation data (DTED).

도 3을 참조하여 다시 설명하면, 회피 파라미터 설정부(110)는 운용자의 조작에 의해 지형 충돌 회피 파라미터를 입력받을 수 있다.Referring to FIG. 3 again, the avoidance parameter setting unit 110 may receive terrain collision avoidance parameters through operator manipulation.

그러면, 회피 파라미터 설정부(110)는 입력된 지형 충돌 회피 파라미터의 유효성을 확인할 수 있다. 즉, 회피 파라미터 설정부(110)는 입력된 지형 충돌 회피 파라미터의 값이 유효한 값인지 여부를 확인할 수 있다. 예컨대, 임무 지역 정보와 관심 지역 정보로 설정된 위치에 대응되는 수치 지형 표고 데이터(DTED)가 없는 경우, 수치 지형 표고 정보가 비유효한 것으로 식별할 수 있다. 회피 파라미터 설정부(110)는 입력된 지형 충돌 회피 파라미터의 값이 유효하지 않으면, 이에 대한 정보(유효하지 않은 이유 등)를 디스플레이하고, 운용자의 조작에 의해 지형 충돌 회피 파라미터를 다시 입력받을 수 있다.Then, the avoidance parameter setting unit 110 can confirm the validity of the input terrain collision avoidance parameter. That is, the avoidance parameter setting unit 110 can check whether the input terrain collision avoidance parameter value is a valid value. For example, if there is no digital terrain elevation data (DTED) corresponding to the location set as the mission area information and the area of interest information, the digital terrain elevation information may be identified as invalid. If the value of the input terrain collision avoidance parameter is invalid, the avoidance parameter setting unit 110 displays information about this (reason for invalidity, etc.) and can re-enter the terrain collision avoidance parameter through operator manipulation. .

그런 다음, 회피 파라미터 설정부(110)는 입력된 지형 충돌 회피 파라미터의 경계값을 확인할 수 있다. 즉, 회피 파라미터 설정부(110)는 입력된 지형 충돌 회피 파라미터의 값이 미리 설정된 범위 내의 값인지 여부를 확인할 수 있다. 예컨대, 무인기(200)의 임무 중 운용 속력이 "60km/h ~ 120km/h"로 입력되면, 해당 파라미터인 임무 비행 속력 범위 정보에 따른 범위(80km/h ~ 100km/h)를 벗어나는 것으로 식별할 수 있다. 회피 파라미터 설정부(110)는 입력된 지형 충돌 회피 파라미터의 값이 미리 설정된 범위 내의 값이 아니면, 이에 대한 정보(경계값 범위 등)를 디스플레이하고, 운용자의 조작에 의해 지형 충돌 회피 파라미터를 다시 입력받을 수 있다.Then, the avoidance parameter setting unit 110 may check the boundary value of the input terrain collision avoidance parameter. That is, the avoidance parameter setting unit 110 can check whether the value of the input terrain collision avoidance parameter is within a preset range. For example, if the operating speed during the mission of the unmanned aerial vehicle (200) is input as "60 km/h ~ 120 km/h", it can be identified as being outside the range (80 km/h ~ 100 km/h) according to the mission flight speed range information, which is the corresponding parameter. You can. If the value of the input terrain collision avoidance parameter is not within a preset range, the avoidance parameter setting unit 110 displays information about it (boundary value range, etc.), and re-enters the terrain collision avoidance parameter through operator manipulation. You can receive it.

그런 다음, 회피 파라미터 설정부(110)는 입력된 지형 충돌 회피 파라미터를 저장할 수 있다.Then, the avoidance parameter setting unit 110 may store the input terrain collision avoidance parameters.

회피 궤적 예측부(120)는 지형 충돌 회피 제어부(150)의 제어에 따라, 무인기(200)의 현재 위치 및 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 복수개의 회피 궤적을 생성하고, 복수개의 회피 궤적 및 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 복수개의 회피 궤적 각각에 대응하는 지형 고도 정보를 획득하며, 복수개의 회피 궤적 및 복수개의 회피 궤적 각각에 대응된 지형 고도 정보를 출력할 수 있다.The avoidance trajectory prediction unit 120 generates a plurality of avoidance trajectories based on the current location and terrain collision avoidance parameters of the unmanned aerial vehicle 200 under the control of the terrain collision avoidance control unit 150, and generates a plurality of avoidance trajectories and terrain collision avoidance parameters. Based on the avoidance parameters, terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories is acquired, and the plurality of avoidance trajectories and terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories can be output.

도 4를 참조하여 다시 설명하면, 회피 궤적 예측부(120)는 복수개의 회피 궤적 생성 및 지형 고도 정보 획득을 위한 초기화를 수행할 수 있다.Referring to FIG. 4 again, the avoidance trajectory prediction unit 120 may generate a plurality of avoidance trajectories and perform initialization to obtain terrain altitude information.

그런 다음, 회피 궤적 예측부(120)는 무인기(200)의 현재 위치 및 지형 충돌 예측 구간 정보를 기반으로 기동 기준 정보에 따른 복수개의 기동 각각에 대응되는 기본 회피 궤적을 획득할 수 있다. 예컨대, 회피 궤적 예측부(120)는 무인기(200)의 현재 위치에서 무인기(200)의 헤딩 방향으로 수치 지형 표고 버퍼 정보만큼 더하여 초기 위치를 획득하고, 초기 위치에서 지형 충돌 예측 구간 정보동안 기동을 수행한 경우의 미리 설정된 타임 스텝별 위도, 경고 및 고도를 계산하여 기동에 대응되는 기본 회피 궤적을 획득할 수 있다.Then, the avoidance trajectory prediction unit 120 may obtain a basic avoidance trajectory corresponding to each of a plurality of maneuvers according to the maneuver reference information based on the current location of the unmanned aerial vehicle 200 and terrain collision prediction section information. For example, the avoidance trajectory prediction unit 120 obtains the initial position by adding the numerical terrain elevation buffer information from the current position of the unmanned aerial vehicle 200 to the heading direction of the unmanned aerial vehicle 200, and performs a maneuver during the terrain collision prediction section information at the initial position. When performing a maneuver, a basic avoidance trajectory corresponding to the maneuver can be obtained by calculating the latitude, warning, and altitude for each preset time step.

그런 다음, 회피 궤적 예측부(120)는 복수개의 기동 각각에 대응되는 기본 회피 궤적 및 회피 궤적 여유 거리 정보를 기반으로 좌측 회피 궤적 및 우측 회피 궤적을 복수개의 기동 각각에 대해 획득할 수 있다. 예컨대, 회피 궤적 예측부(120)는 기본 회피 궤적을 기반으로 헤딩 방향을 기준으로 90도 좌측 방향에서 회피 궤적 여유 거리 정보만큼 떨어진 궤적을 계산하여 좌측 회피 궤적을 획득할 수 있다. 그리고, 회피 궤적 예측부(120)는 기본 회피 궤적을 기반으로 헤딩 방향을 기준으로 90도 우측 방향에서 회피 궤적 여유 거리 정보만큼 떨어진 궤적을 계산하여 우측 회피 궤적을 획득할 수 있다.Then, the avoidance trajectory prediction unit 120 may obtain a left avoidance trajectory and a right avoidance trajectory for each of the plurality of maneuvers based on the basic avoidance trajectory and avoidance trajectory margin information corresponding to each of the plurality of maneuvers. For example, based on the basic avoidance trajectory, the avoidance trajectory prediction unit 120 may obtain a left avoidance trajectory by calculating a trajectory that is 90 degrees to the left of the heading direction by the amount of avoidance trajectory clearance information. And, based on the basic avoidance trajectory, the avoidance trajectory prediction unit 120 may obtain a right avoidance trajectory by calculating a trajectory 90 degrees to the right of the heading direction by the amount of avoidance trajectory margin information.

그런 다음, 회피 궤적 예측부(120)는 수치 지형 표고 데이터를 기반으로, 복수개의 기동 각각에 대한 기본 회피 궤적, 좌측 회피 궤적 및 우측 회피 궤적을 포함하는 복수개의 회피 궤적 각각에 대응하는 지형 고도 정보를 획득할 수 있다.Then, the avoidance trajectory prediction unit 120 provides terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories, including the basic avoidance trajectory, the left avoidance trajectory, and the right avoidance trajectory for each of the plurality of maneuvers, based on the numerical terrain elevation data. can be obtained.

그런 다음, 회피 궤적 예측부(120)는 복수개의 회피 궤적 및 이에 대응된 지형 고도 정보를 출력할 수 있다.Then, the avoidance trajectory prediction unit 120 may output a plurality of avoidance trajectories and terrain altitude information corresponding thereto.

예컨대, 회피 궤적 예측부(120)는 지형 충돌 회피 파라미터의 기동 기준 정보에 따를 기동과 지형 충돌 회피 파라미터의 지형 충돌 예측 구간 정보에 따른 예측 구간(tf 초)을 로드하여 알고리즘을 초기화할 수 있다. 기동 기준 정보에 따른 기동이 아래와 같은 3개의 기동인 것으로 가정하고 설명한다.For example, the avoidance trajectory prediction unit 120 may initialize the algorithm by loading a maneuver according to the maneuver reference information of the terrain collision avoidance parameter and a prediction interval (t f seconds) according to the terrain collision prediction section information of the terrain collision avoidance parameter. . It is assumed that the maneuver according to the maneuver standard information is the three maneuvers below.

- (기동 1) 현재 위치에서 다음 항로점으로 이동하는 기동- (Maneuver 1) Maneuver to move from the current location to the next route point

- (기동 2) 좌 상승 기동 : 뱅크각(bank angle) 40도, 비행 경로각 변화율(γ') 4m/s- (Maneuver 2) Left upward maneuver: bank angle 40 degrees, flight path angle change rate (γ') 4m/s

- (기동 3) 우 상승 기동 : 뱅크각(bank angle) -40도, 비행 경로각 변화율(γ') 4m/s- (Maneuver 3) Right upward maneuver: bank angle -40 degrees, flight path angle change rate (γ') 4m/s

초기 위치를 현재 위치에서 헤딩 방향으로 수치 지형 표고 버퍼 정보만큼 더한값으로 설정한다. 그리고, 초기 위치에서 기동 1, 기동 2 및 기동 3을 예측 구간(tf 초)동안 수행했을 때, 타임 스텝별 위도, 경도 및 고도를 계산한다.Set the initial position as the value added by the digital terrain elevation buffer information from the current position to the heading direction. Then, when Maneuver 1, Maneuver 2, and Maneuver 3 are performed from the initial position during the prediction interval (t f seconds), the latitude, longitude, and altitude are calculated for each time step.

도 5에 도시된 바와 같이, 기동 1의 기본 회피 궤적의 i번째 지점을 P1i_중앙으로 나타낸다. 회피 궤적 여유 거리 정보(dbuffer)를 포함하여 P1i_좌와 P1i_우를 예측 구간(tf 초)에 대해 계산한다. 즉, 기본 회피 궤적(P1i_중앙)을 기반으로 헤딩 방향을 기준으로 90도 좌측 방향에서 회피 궤적 여유 거리 정보(dbuffer)만큼 떨어진 궤적을 계산하여 좌측 회피 궤적(P1i_좌)을 획득하고, 기본 회피 궤적(P1i_중앙)을 기반으로 헤딩 방향을 기준으로 90도 우측 방향에서 회피 궤적 여유 거리 정보(dbuffer)만큼 떨어진 궤적을 계산하여 우측 회피 궤적(P1i_우)을 획득할 수 있다. 기동 2 및 기동 3도 같은 방식으로 계산한다.As shown in Figure 5, the ith point of the basic avoidance trajectory of maneuver 1 is denoted as P 1i_center . P 1i_left and P 1i_right are calculated for the prediction interval (t f seconds), including avoidance trajectory margin information (d buffer ). In other words, based on the basic avoidance trajectory (P 1i_center ), the left avoidance trajectory (P 1i_left ) is obtained by calculating the trajectory that is 90 degrees to the left of the heading direction by the amount of avoidance trajectory margin information (d buffer ). And, based on the basic avoidance trajectory (P 1i_center ), obtain the right avoidance trajectory (P 1i_right ) by calculating the trajectory that is 90 degrees to the right of the heading direction by the amount of avoidance trajectory margin information (d buffer ). can do. Maneuver 2 and Maneuver 3 are calculated in the same way.

그리고, 복수개의 회피 궤적(P1i_좌, P1i_중앙, P1i_우, P2i_좌, P2i_중앙, P2i_우, P3i_좌, P3i_중앙, P3i_우) 각각의 모든 i에 대한 지형 고도 정보(예컨대, DTED 고도)를 로딩한다.And, multiple avoidance trajectories (P 1i_left , P 1i_center , P 1i_right , P 2i_left , P 2i_center, P 2i_right , P 3i_left , P 3i_center , P 3i_ Right ) Load terrain elevation information (e.g., DTED elevation) for each and every i.

그리고, 아래와 같은 복수개의 회피 궤적 및 이에 대응된 지형 고도 정보를 출력할 수 있다.In addition, a plurality of avoidance trajectories as shown below and terrain altitude information corresponding thereto can be output.

- 기동 1에 대한 P1i_중앙 궤적과 P1i_좌, P1i_중앙, P1i_우 궤적에 상응하는 DTED 고도값- DTED altitude values corresponding to the P 1i_center trajectory and the P 1i_left , P 1i_center , and P 1i_right trajectories for Maneuver 1

- 기동 2에 대한 P2i_중앙 궤적과 P2i_좌, P2i_중앙, P2i_우 궤적에 상응하는 DTED 고도값- DTED altitude values corresponding to the P 2i_center trajectory and the P 2i_left , P 2i_center , and P 2i_right trajectories for maneuver 2

- 기동 3에 대한 P3i_중앙 궤적과 P3i_좌, P3i_중앙, P3i_우 궤적에 상응하는 DTED 고도값- DTED altitude values corresponding to the P 3i_center trajectory and the P 3i_left , P 3i_center , and P 3i_right trajectories for maneuver 3

지형 충돌 해소부(130)는 지형 충돌 회피 제어부(150)의 제어에 따라, 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적의 지형을 제약 조건으로 하여 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 지형 충돌 회피 명령을 생성하고, 지형 충돌 회피 명령을 출력할 수 있다.Under the control of the terrain collision avoidance control unit 150, the terrain collision resolution unit 130 uses the terrain of the last avoidance trajectory where the terrain collision is detected among the plurality of avoidance trajectories as a constraint and determines the terrain collision based on the terrain collision avoidance parameter. You can create avoidance commands and output terrain collision avoidance commands.

도 6을 참조하여 다시 설명하면, 지형 충돌 해소부(130)는 지형 충돌 회피 명령 획득을 위한 초기화를 수행할 수 있다.Referring to FIG. 6 again, the terrain collision resolution unit 130 may perform initialization to obtain a terrain collision avoidance command.

그런 다음, 지형 충돌 해소부(130)는 지형 제약 조건을 설정할 수 있다. 즉, 지형 충돌 해소부(130)는 수치 지형 표고 데이터를 기반으로 궤적에 대응되는 지형 고도를 획득하여 무인기(200)가 현재 시점에서 지형 충돌 예측 구간 정보(tf)동안 비행할 지형 제약 조건을 생성할 수 있다. 이때, 지형 충돌 해소부(130)는 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적을 지형 충돌 회피 제어부(150)로부터 제공받고, 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적의 지형을 지형 제약 조건의 초기값으로 할 수 있다. 또한, 지형 충돌 해소부(130)는 성능 지표의 반복 계산 시, 바로 직전 단계에서 획득한 제어 명령 집합을 기반으로 획득한 예측 기동 궤적의 지형을 통해 현재 단계의 지형 제약 조건을 획득할 수 있다.Then, the terrain conflict resolution unit 130 can set terrain constraints. That is, the terrain collision resolution unit 130 acquires the terrain altitude corresponding to the trajectory based on the digital terrain elevation data and establishes terrain constraints for the unmanned aerial vehicle (200) to fly during the terrain collision prediction section information (t f ) at the current time. can be created. At this time, the terrain collision resolution unit 130 receives the terrain collision avoidance control unit 150 from the terrain collision avoidance control unit 150 with the avoidance trajectory in which the terrain collision was last detected among the plurality of avoidance trajectories, and the terrain of the avoidance trajectory in which the terrain collision was last detected is subject to terrain constraints. It can be set as the initial value of the condition. Additionally, when repeatedly calculating the performance index, the terrain conflict resolution unit 130 may obtain the terrain constraints of the current stage through the terrain of the predicted maneuver trajectory obtained based on the control command set obtained in the immediately preceding stage.

그리고, 지형 충돌 해소부(130)는 무인기 3-DOF(degree of freedom) 운동 제약 조건을 설정할 수 있다. 즉, 지형 충돌 해소부(130)는 무인기(200)의 ENU(East-North-Up) 좌표계 상 위치, 무인기(200)의 헤딩 값, 무인기(200)의 비행 경로각, 무인기(200)의 속력, 헤딩 변화율 및 비행 경로각 변화율을 기반으로 아래의 [수학식 1]과 같은 무인기 3-DOF(degree of freedom) 운동 제약 조건을 생성할 수 있다.Additionally, the terrain collision resolution unit 130 may set the unmanned aerial vehicle 3-DOF (degree of freedom) movement constraint conditions. That is, the terrain collision resolution unit 130 stores the position of the unmanned aerial vehicle (200) in the ENU (East-North-Up) coordinate system, the heading value of the unmanned aerial vehicle (200), the flight path angle of the unmanned aerial vehicle (200), and the speed of the unmanned aerial vehicle (200). , Based on the heading change rate and flight path angle change rate, UAV 3-DOF (degree of freedom) motion constraints can be created as shown in [Equation 1] below.

Figure 112021121766707-pat00001
Figure 112021121766707-pat00001

여기서, x는 (x,y,z,ψ,γ)T이다. (x,y,z)는 ENU(East-North-Up) 좌표계 상 무인기(200)의 위치를 나타낸다. ψ는 헤딩 값을 나타낸다. γ은 비행 경로각을 나타낸다. v는 무인기(200)의 속력을 나타낸다. u1은 헤딩 변화율을 나타낸다. u2는 비행 경로각 변화율을 나타낸다.Here, x is (x,y,z,ψ,γ) T. (x,y,z) indicates the location of the unmanned aerial vehicle (200) on the ENU (East-North-Up) coordinate system. ψ represents the heading value. γ represents the flight path angle. v represents the speed of the unmanned aerial vehicle (200). u 1 represents the heading change rate. u 2 represents the flight path angle change rate.

그리고, 지형 충돌 해소부(130)는 무인기(200)와 지형 사이의 거리 제약 조건을 나타내는 무인기 상태 제약 조건을 설정할 수 있다. 즉, 지형 충돌 해소부(130)는 무인기(200)의 ENU(East-North-Up) 좌표계 상 위치, 무인기(200)의 위치에 대응되는 지형 고도 및 고도 회피 거리 정보를 기반으로 아래의 [수학식 2]와 같은 무인기 상태 제약 조건을 생성할 수 있다.Additionally, the terrain collision resolution unit 130 may set a UAV state constraint condition indicating a distance constraint condition between the UAV 200 and the terrain. That is, the terrain collision resolution unit 130 uses the [mathematics below] based on the location of the unmanned aerial vehicle (200) in the ENU (East-North-Up) coordinate system, the terrain altitude and altitude avoidance distance information corresponding to the location of the unmanned aerial vehicle (200). UAV state constraints such as [Equation 2] can be created.

Figure 112021121766707-pat00002
Figure 112021121766707-pat00002

여기서, x는 ENU(East-North-Up) 좌표계 상 무인기(200)의 위치를 나타낸다. xterrain은 무인기(200) 위치에서의 DTED 고도 값을 나타낸다. rthreshold는 고도 회피 거리 정보를 나타낸다.Here, x represents the location of the unmanned aerial vehicle 200 on the ENU (East-North-Up) coordinate system. x terrain represents the DTED altitude value at the location of the UAV (200). r threshold represents altitude avoidance distance information.

그리고, 지형 충돌 해소부(130)는 제어 명령 제약 조건을 설정할 수 있다. 즉, 지형 충돌 해소부(130)는 헤딩 변화율, 미리 설정된 최대 헤딩 변화율, 비행 경로각 변화율 및 미리 설정된 최대 비행 경로각 변화율을 기반으로 아래의 [수학식 3]과 같은 제어 명령 제약 조건을 생성할 수 있다.Additionally, the terrain conflict resolution unit 130 may set control command constraints. That is, the terrain collision resolution unit 130 generates control command constraints as shown in [Equation 3] below based on the heading change rate, the preset maximum heading change rate, the flight path angle change rate, and the preset maximum flight path angle change rate. You can.

Figure 112021121766707-pat00003
Figure 112021121766707-pat00003

Figure 112021121766707-pat00004
Figure 112021121766707-pat00004

여기서, Ψ'는 제어 명령 헤딩 변화율을 나타낸다. Ψ'max는 미리 설정된 최대 헤딩 변화율을 나타낸다. γ'는 제어 명령 비행 경로각 변화율을 나타낸다. γ'max는 미리 설정된 최대 비행 경로각 변화율을 나타낸다.Here, Ψ' represents the control command heading change rate. Ψ' max represents the preset maximum heading change rate. γ' represents the control command flight path angle change rate. γ' max represents the preset maximum flight path angle change rate.

그런 다음, 지형 충돌 해소부(130)는 성능 지표(performance index)를 계산할 수 있다. 즉, 지형 충돌 해소부(130)는 지형 제약 조건, 무인기 3-DOF 운동 제약 조건, 무인기 상태 제약 조건 및 제어 명령 제약 조건을 기반으로 헤딩 변화율의 제어 노력(control effort)에 대한 가중치, 헤딩 변화율, 최대 헤딩 변화율, 비행 경로각 변화율의 제어 노력에 대한 가중치, 비행 경로각 변화율 및 최대 비행 경로각 변화율로 이루어지는 아래의 [수학식 4]와 같은 성능 지표를 통해 헤딩 변화율 및 비행 경로각 변화율을 포함하는 최적의 제어 명령 집합을 획득할 수 있다.Then, the terrain collision resolution unit 130 may calculate a performance index. That is, the terrain collision resolution unit 130 determines the weight for the control effort of the heading change rate, the heading change rate, based on the terrain constraints, UAV 3-DOF movement constraints, UAV state constraints, and control command constraints. The heading change rate and the flight path angle change rate are calculated through performance indicators such as [Equation 4] below, which consists of the maximum heading change rate, the weight for the control effort of the flight path angle change rate, the flight path angle change rate, and the maximum flight path angle change rate. An optimal control command set can be obtained.

Figure 112021121766707-pat00005
Figure 112021121766707-pat00005

여기서, J는 성능 지표를 나타낸다. r1은 헤딩 변화율의 제어 노력에 대한 가중치를 나타낸다. r2는비행 경로각 변화율의 제어 노력에 대한 가중치를 나타낸다.Here, J represents the performance index. r 1 represents the weight for the control effort of the heading change rate. r 2 represents the weight for the control effort of the flight path angle change rate.

그러면, 지형 충돌 해소부(130)는 제약 조건 설정 및 성능 지표 계산을 반복적으로 수행하여, 성능 지표를 최소화하는 최적의 제어 명령 집합을 포함하는 지형 충돌 회피 명령을 생성할 수 있다. 즉, 지형 충돌 해소부(130)는 지형 제약 조건, 무인기 3-DOF 운동 제약 조건, 무인기 상태 제약 조건 및 제어 명령 제약 조건을 기반으로 지형 충돌 예측 구간 정보동안의 성능 지표를 반복적으로 계산하여 성능 지표를 최소화하는 최적의 제어 명령 집합을 획득할 수 있다. 또한, 지형 충돌 해소부(130)는 성능 지표를 최소화하는 최적의 제어 명령 집합을 포함하는 지형 충돌 회피 명령을 생성할 수 있다.Then, the terrain collision resolution unit 130 may repeatedly perform constraint setting and performance index calculation to generate a terrain collision avoidance command that includes an optimal control command set that minimizes the performance index. That is, the terrain collision resolution unit 130 repeatedly calculates the performance index during the terrain collision prediction section information based on the terrain constraints, UAV 3-DOF motion constraints, UAV state constraints, and control command constraints to determine the performance index. The optimal control command set that minimizes can be obtained. Additionally, the terrain collision resolution unit 130 may generate a terrain collision avoidance command including an optimal control command set that minimizes the performance index.

그런 다음, 지형 충돌 해소부(130)는 지형 충돌 회피 명령을 출력할 수 있다.Then, the terrain collision resolution unit 130 may output a terrain collision avoidance command.

경로 계획부(140)는 지형 충돌 회피 제어부(150)의 제어에 따라, 무인기(200)의 현재 위치 및 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 지역 경로를 생성하고, 지역 경로를 출력할 수 있다.The path planning unit 140 may generate a local route based on the current location of the unmanned aerial vehicle 200 and the terrain collision avoidance parameters under the control of the terrain collision avoidance control unit 150, and output the local route.

도 7을 참조하여 다시 설명하면, 경로 계획부(140)는 지역 경로 획득을 위한 초기화를 수행할 수 있다.If explained again with reference to FIG. 7 , the route planning unit 140 may perform initialization to obtain a local route.

그런 다음, 경로 계획부(140)는 시작 지점 및 목적 지점을 설정할 수 있다. 즉, 경로 계획부(140)는 무인기(200)의 현재 위치에서 무인기(200)의 헤딩 방향으로 미리 설정된 시간(예컨대, 5초 등) 동안 이동한 위치를 시작 지점으로 획득할 수 있다. 또한, 경로 계획부(140)는 무인기(200)의 현재 위치, 임무 지역 정보 및 관심 지역 정보를 기반으로 무인기(200)가 이동하여야 하는 다음 지점을 목적 지점으로 획득할 수 있다.Then, the route planning unit 140 can set the starting point and destination point. That is, the path planning unit 140 may obtain as the starting point the position moved from the current location of the unmanned aerial vehicle 200 in the heading direction of the unmanned aerial vehicle 200 for a preset time (eg, 5 seconds, etc.). Additionally, the path planning unit 140 may obtain the next point to which the unmanned aerial vehicle 200 should move as the destination point based on the current location of the unmanned aerial vehicle 200, mission area information, and area of interest information.

그런 다음, 경로 계획부(140)는 무인기(200)의 고도를 기반으로 이동 불가능한 지역을 설정할 수 있다. 즉, 경로 계획부(140)는 무인기(200)의 현재 고도에서 미리 설정된 고도를 뺀 값 및 최대 운용 고도 정보 중 작은 값을 수치 지형 표고 데이터에서 이동 불가능한 지역으로 지정할 수 있다.Then, the path planning unit 140 may set an area where the unmanned aerial vehicle 200 cannot move based on the altitude of the unmanned aerial vehicle 200. That is, the path planning unit 140 may designate the smaller value of the current altitude of the unmanned aerial vehicle (200) minus the preset altitude and the maximum operating altitude information as an area where movement is not possible in the digital terrain elevation data.

그런 다음, 경로 계획부(140)는 경로 계획 적용 옵션 정보에 따라 지역 경로를 생성할 수 있다. 즉, 경로 계획부(140)는 시작 지점, 목적 지점 및 수치 지형 표고 데이터를 기반으로 경로 계획 적용 옵션 정보에 따라 지역 경로를 생성할 수 있다. 이때, 경로 계획 적용 옵션 정보가 PSO(particle swarm optimization) 기법이면, 경로 계획부(140)는 무인기(200)의 현재 고도를 유지하면서 무인기(200)가 시작 지점에서 목적 지점까지 이동하는 최단 경로를 찾는 비용 함수를 통해 지역 경로를 생성할 수 있다. 반면, 경로 계획 적용 옵션 정보가 그리드 기반 휴리스틱 경로 계획 기법이면, 경로 계획부(140)는 시작 지점의 그리드를 기준으로 상하좌우 4방향으로 이동 가능하도록 설정하여 맨해튼 거리(Manhattan distance)가 최소가 되는 경로를 찾는 비용 함수를 통해 지역 경로를 생성할 수 있다.Then, the route planning unit 140 may create a local route according to the route planning application option information. That is, the route planning unit 140 may generate a local route according to route planning application option information based on the starting point, destination point, and digital terrain elevation data. At this time, if the route planning application option information is a PSO (particle swarm optimization) technique, the route planning unit 140 maintains the current altitude of the unmanned aerial vehicle (200) and determines the shortest path along which the unmanned aerial vehicle (200) moves from the starting point to the destination point. A local route can be generated by finding a cost function. On the other hand, if the route planning application option information is a grid-based heuristic route planning technique, the route planning unit 140 sets the route planning unit 140 to be able to move in four directions, up, down, left, and right, based on the grid of the starting point, so that the Manhattan distance is minimized. Local routes can be generated using a route finding cost function.

그런 다음, 경로 계획부(140)는 지역 경로(항로점의 집합)를 출력할 수 있다.Then, the route planning unit 140 can output a local route (a set of route points).

지형 충돌 회피 제어부(150)는 지형 충돌 회피 파라미터, 회피 궤적 예측부(120)를 통해 출력되는 복수개의 회피 궤적 및 복수개의 회피 궤적 각각에 대응된 지형 고도 정보, 지형 충돌 해소부(130)를 통해 출력되는 지형 충돌 회피 명령, 및 경로 계획부(140)를 통해 출력되는 지역 경로를 기반으로, 무인기(200)가 지형 충돌을 회피하면서 비행하도록 하는 제어 명령을 무인기(200)에 제공할 수 있다.The terrain collision avoidance control unit 150 uses terrain collision avoidance parameters, a plurality of avoidance trajectories output through the avoidance trajectory prediction unit 120, terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories, and the terrain collision resolution unit 130. Based on the terrain collision avoidance command output and the local path output through the path planning unit 140, a control command that causes the unmanned aerial vehicle 200 to fly while avoiding terrain collision may be provided to the unmanned aerial vehicle 200.

도 8을 참조하여 다시 설명하면, 지형 충돌 회피 제어부(150)는 지형 충돌을 회피하면서 무인기(200)를 운용하기 위한 초기화를 수행할 수 있다.Referring to FIG. 8 again, the terrain collision avoidance control unit 150 may perform initialization to operate the unmanned aerial vehicle 200 while avoiding terrain collision.

그런 다음, 지형 충돌 회피 제어부(150)는 경로 계획부(140)를 통해 출력되는 지역 경로를 무인기(200)가 추종하도록 하는 제어 명령을 무인기(200)에 제공할 수 있다.Then, the terrain collision avoidance control unit 150 may provide the unmanned aerial vehicle (200) with a control command to cause the unmanned aerial vehicle (200) to follow the local path output through the path planning unit (140).

그런 다음, 지형 충돌 회피 제어부(150)는 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는지 여부를 확인할 수 있다. 즉, 지형 충돌 회피 제어부(150)는 무인기(200)의 현재 위치 및 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 회피 궤적 예측부(120)를 통해 출력되는 복수개의 회피 궤적 및 복수개의 회피 궤적 각각에 대응되는 지형 고도 정보를 이용하여 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는지 여부를 확인할 수 있다.Then, the terrain collision avoidance control unit 150 can check whether all of the plurality of avoidance trajectories collide with the terrain. That is, the terrain collision avoidance control unit 150 outputs a plurality of avoidance trajectories through the avoidance trajectory prediction unit 120 based on the current location of the unmanned aerial vehicle 200 and the terrain collision avoidance parameters and the terrain corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories. Using altitude information, it is possible to check whether all of the plurality of avoidance trajectories collide with the terrain.

복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는 경우, 지형 충돌 회피 제어부(150)는 지형 충돌 해소부(130)를 통해 출력되는 지형 충돌 회피 명령 및 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적에 대응되는 기동 중 하나를 기반으로 생성된 제어 명령을 무인기(200)에 제공할 수 있다. 이때, 지형 충돌 해소부(130)가 지형 충돌 회피 명령을 출력하지 못하거나 지형 충돌 회피 백업 옵션 정보가 활성화된 경우, 지형 충돌 회피 제어부(150)는 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적에 대응되는 기동을 지형 충돌 회피가 완료될 때까지 무인기(200)가 수행하도록 하는 제어 명령을 무인기(200)에 제공할 수 있다. 반면, 지형 충돌 해소부(130)가 지형 충돌 회피 명령을 출력하거나 지형 충돌 회피 백업 옵션 정보가 비활성화된 경우, 지형 충돌 회피 제어부(150)는 지형 충돌 해소부(130)를 통해 출력되는 지형 충돌 회피 명령을 지형 충돌 회피가 완료될 때까지 무인기(200)가 수행하도록 하는 제어 명령을 무인기(200)에 제공할 수 있다.When all of the plurality of avoidance trajectories collide with the terrain, the terrain collision avoidance control unit 150 outputs a terrain collision avoidance command output through the terrain collision resolution unit 130 and the last avoidance trajectory for which the terrain collision is detected among the plurality of avoidance trajectories. A control command generated based on one of the corresponding maneuvers may be provided to the unmanned aerial vehicle (200). At this time, if the terrain collision resolution unit 130 fails to output a terrain collision avoidance command or the terrain collision avoidance backup option information is activated, the terrain collision avoidance control unit 150 determines the last terrain collision detected among the plurality of avoidance trajectories. A control command that causes the unmanned aerial vehicle 200 to perform a maneuver corresponding to the avoidance trajectory until terrain collision avoidance is completed may be provided to the unmanned aerial vehicle 200. On the other hand, when the terrain collision avoidance unit 130 outputs a terrain collision avoidance command or the terrain collision avoidance backup option information is deactivated, the terrain collision avoidance control unit 150 outputs the terrain collision avoidance unit 130. A control command may be provided to the unmanned aerial vehicle (200) that causes the unmanned aerial vehicle (200) to execute the command until terrain collision avoidance is completed.

지형 충돌이 회피되면, 지형 충돌 회피 제어부(150)는 경로 계획부(140)를 통해 출력되는 지역 경로를 무인기(200)가 추종하도록 하는 제어 명령을 무인기(200)에 제공할 수 있다.If terrain collision is avoided, the terrain collision avoidance control unit 150 may provide the unmanned aerial vehicle 200 with a control command to cause the unmanned aerial vehicle 200 to follow the local path output through the path planning unit 140.

그러면, 도 9를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 방법에 대하여 설명한다.Then, with reference to FIG. 9, an autonomous terrain collision avoidance method for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle according to a preferred embodiment of the present invention will be described.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.Figure 9 is a flowchart illustrating an autonomous terrain collision avoidance method for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle according to a preferred embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 무인기(200)의 현재 위치 및 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 지역 경로를 생성할 수 있다(S110).Referring to FIG. 9, the autonomous terrain collision avoidance device 100 may generate a local path based on the current location of the unmanned aerial vehicle 200 and the terrain collision avoidance parameters (S110).

그런 다음, 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 지역 경로를 무인기(200)가 추종하도록 하는 제어 명령을 무인기(200)에 제공할 수 있다(S120).Then, the autonomous terrain collision avoidance device 100 may provide a control command to the unmanned aerial vehicle 200 to cause the unmanned aerial vehicle 200 to follow a local path (S120).

그런 다음, 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 복수개의 회피 궤적을 생성하고, 복수개의 회피 궤적 각각에 대응하는 지형 고도 정보를 획득할 수 있다(S130).Then, the autonomous terrain collision avoidance device 100 may generate a plurality of avoidance trajectories and obtain terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories (S130).

즉, 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 무인기(200)의 현재 위치 및 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 복수개의 회피 궤적을 생성하고, 복수개의 회피 궤적 및 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 복수개의 회피 궤적 각각에 대응하는 지형 고도 정보를 획득할 수 있다.That is, the autonomous terrain collision avoidance device 100 generates a plurality of avoidance trajectories based on the current location and terrain collision avoidance parameters of the unmanned aerial vehicle 200, and generates a plurality of avoidance trajectories based on the plurality of avoidance trajectories and the terrain collision avoidance parameters. Terrain elevation information corresponding to each can be obtained.

그런 다음, 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는지 여부를 확인할 수 있다(S140).Then, the autonomous terrain collision avoidance device 100 can check whether all of the plurality of avoidance trajectories collide with the terrain (S140).

즉, 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 복수개의 회피 궤적 및 복수개의 회피 궤적 각각에 대응되는 지형 고도 정보를 이용하여 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는지 여부를 확인할 수 있다.That is, the autonomous terrain collision avoidance device 100 can check whether all of the plurality of avoidance trajectories collide with the terrain using a plurality of avoidance trajectories and terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories.

복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하지 않으면(S150-N), 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 단계 S110으로 돌아갈 수 있다.If all of the plurality of avoidance trajectories do not collide with the terrain (S150-N), the autonomous terrain collision avoidance device 100 may return to step S110.

이에 반면, 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하면(S150-Y), 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적의 지형을 제약 조건으로 하여 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 지형 충돌 회피 명령을 생성할 수 있다(S160).On the other hand, if all of the plurality of avoidance trajectories collide with the terrain (S150-Y), the autonomous terrain collision avoidance device 100 uses the terrain of the avoidance trajectory with the last terrain collision detected among the plurality of avoidance trajectories as a constraint to determine the terrain. A terrain collision avoidance command can be generated based on the collision avoidance parameter (S160).

그런 다음, 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 지형 충돌 회피 명령 및 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적에 대응되는 기동 중 하나를 기반으로 생성된 제어 명령을 무인기(200)에 제공할 수 있다(S170).Then, the autonomous terrain collision avoidance device 100 sends a control command generated based on one of the terrain collision avoidance command and a maneuver corresponding to the last terrain collision detected avoidance trajectory among the plurality of avoidance trajectories to the unmanned aerial vehicle (200). Can be provided (S170).

지형 충돌이 회피되지 않으면(S180-N), 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 단계 S160으로 돌아갈 수 있다. 즉, 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 지형 충돌이 회피될 때까지 S160 및 S170을 수행할 수 있다.If the terrain collision is not avoided (S180-N), the autonomous terrain collision avoidance device 100 may return to step S160. That is, the autonomous terrain collision avoidance device 100 may perform S160 and S170 until the terrain collision is avoided.

이에 반면, 지형 충돌이 회피되면(S180-Y), 자율 지형 충돌 회피 장치(100)는 지역 경로를 무인기(200)가 추종하도록 하는 제어 명령을 무인기(200)에 제공하는 단계 S110으로 돌아갈 수 있다.On the other hand, if terrain collision is avoided (S180-Y), the autonomous terrain collision avoidance device 100 may return to step S110 of providing a control command to the unmanned aerial vehicle 200 to follow a local path. .

이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록 매체로서는 자기기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.Even though all the components constituting the embodiments of the present invention described above are described as being combined or operated in combination, the present invention is not necessarily limited to these embodiments. That is, as long as it is within the scope of the purpose of the present invention, all of the components may be operated by selectively combining one or more of them. In addition, although all of the components may be implemented as a single independent hardware, a program module in which some or all of the components are selectively combined to perform some or all of the combined functions in one or more pieces of hardware. It may also be implemented as a computer program having. In addition, such a computer program can be stored in a computer readable media such as USB memory, CD disk, flash memory, etc. and read and executed by a computer, thereby implementing embodiments of the present invention. Recording media for computer programs may include magnetic recording media and optical recording media.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an illustrative explanation of the technical idea of the present invention, and various modifications, changes, and substitutions can be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. will be. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention and the attached drawings are not intended to limit the technical idea of the present invention, but are for illustrative purposes, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments and the attached drawings. . The scope of protection of the present invention should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be construed as being included in the scope of rights of the present invention.

100 : 자율 지형 충돌 회피 장치,
110 : 회피 파라미터 설정부,
120 : 회피 궤적 예측부,
130 : 지형 충돌 해소부,
140 : 경로 계획부,
150 : 지형 충돌 회피 제어부,
200 : 무인기
100: autonomous terrain collision avoidance device,
110: avoidance parameter setting unit,
120: avoidance trajectory prediction unit,
130: terrain collision resolution unit,
140: route planning department,
150: Terrain collision avoidance control unit,
200: drone

Claims (13)

지형 충돌 회피 파라미터를 설정하는 회피 파라미터 설정부;
무인기의 현재 위치 및 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 복수개의 회피 궤적을 생성하고, 상기 복수개의 회피 궤적 및 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 상기 복수개의 회피 궤적 각각에 대응하는 지형 고도 정보를 획득하며, 상기 복수개의 회피 궤적 및 상기 복수개의 회피 궤적 각각에 대응된 상기 지형 고도 정보를 출력하는 회피 궤적 예측부;
상기 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적의 지형을 제약 조건으로 하여 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 지형 충돌 회피 명령을 생성하고, 상기 지형 충돌 회피 명령을 출력하는 지형 충돌 해소부;
상기 무인기의 현재 위치 및 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 지역 경로를 생성하고, 상기 지역 경로를 출력하는 경로 계획부; 및
상기 지형 충돌 회피 파라미터, 상기 회피 궤적 예측부를 통해 출력되는 상기 복수개의 회피 궤적 및 상기 복수개의 회피 궤적 각각에 대응된 상기 지형 고도 정보, 상기 지형 충돌 해소부를 통해 출력되는 상기 지형 충돌 회피 명령, 및 상기 경로 계획부를 통해 출력되는 상기 지역 경로를 기반으로, 상기 무인기가 지형 충돌을 회피하면서 비행하도록 하는 제어 명령을 상기 무인기에 제공하는 지형 충돌 회피 제어부;
를 포함하는 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치.
An avoidance parameter setting unit that sets terrain collision avoidance parameters;
Generating a plurality of avoidance trajectories based on the current location of the unmanned aerial vehicle and the terrain collision avoidance parameters, and acquiring terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories based on the plurality of avoidance trajectories and the terrain collision avoidance parameters; , an avoidance trajectory prediction unit that outputs the plurality of avoidance trajectories and the terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories;
A terrain collision resolution unit that generates a terrain collision avoidance command based on the terrain collision avoidance parameter using the terrain of the last avoidance trajectory where a terrain collision is detected among the plurality of avoidance trajectories as a constraint condition, and outputs the terrain collision avoidance command. ;
a path planning unit that generates a local route based on the current location of the unmanned aerial vehicle and the terrain collision avoidance parameters, and outputs the local route; and
The terrain collision avoidance parameters, the plurality of avoidance trajectories output through the avoidance trajectory prediction unit, and the terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories, the terrain collision avoidance command output through the terrain collision resolution unit, and the a terrain collision avoidance control unit that provides a control command to the unmanned aerial vehicle (UAV) to allow the unmanned aerial vehicle to fly while avoiding terrain collisions, based on the local route output through the path planning unit;
Autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of unmanned aerial vehicles, including.
제1항에서,
상기 지형 충돌 회피 파라미터는,
지형 충돌 회피 정책 정보, 무인기 특성 정보 및 수치 지형 표고 정보를 포함하고,
상기 지형 충돌 회피 정책 정보는,
기동 기준 정보, 회피 궤적 여유 거리 정보, 고도 회피 거리 정보, 수치 지형 표고 버퍼 정보, 지형 충돌 회피 기준 고도 정보, 경로 계획 적용 옵션 정보, 지형 충돌 회피 백업 옵션 정보, 지형 충돌 예측 구간 정보, 임무 지역 정보 및 관심 지역 정보를 포함하며,
상기 무인기 특성 정보는,
임무 비행 속력 범위 정보, 뱅크각 정보 및 최대 운용 고도 정보를 포함하고,
상기 수치 지형 표고 정보는,
수치 지형 표고 데이터(digital terrain elevation data, DTED)를 포함하는,
무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치.
In paragraph 1:
The terrain collision avoidance parameter is,
Contains terrain collision avoidance policy information, unmanned aerial vehicle characteristic information, and digital terrain elevation information,
The terrain collision avoidance policy information is,
Maneuvering standard information, avoidance trajectory clearance information, altitude avoidance distance information, numerical terrain elevation buffer information, terrain collision avoidance standard altitude information, route planning application option information, terrain collision avoidance backup option information, terrain collision prediction section information, mission area information and information on areas of interest,
The drone characteristic information is,
Contains mission flight speed range information, bank angle information, and maximum operating altitude information,
The digital terrain elevation information is,
Containing digital terrain elevation data (DTED),
Autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of unmanned aerial vehicles.
제2항에서,
상기 회피 궤적 예측부는,
상기 무인기의 현재 위치 및 상기 지형 충돌 예측 구간 정보를 기반으로 상기 기동 기준 정보에 따른 복수개의 기동 각각에 대응되는 기본 회피 궤적을 획득하고, 상기 복수개의 기동 각각에 대응되는 기본 회피 궤적 및 상기 회피 궤적 여유 거리 정보를 기반으로 좌측 회피 궤적 및 우측 회피 궤적을 상기 복수개의 기동 각각에 대해 획득하여, 상기 복수개의 기동 각각에 대한 상기 기본 회피 궤적, 상기 좌측 회피 궤적 및 상기 우측 회피 궤적을 포함하는 상기 복수개의 회피 궤적을 생성하고,
상기 수치 지형 표고 데이터를 기반으로 상기 복수개의 회피 궤적 각각에 대응하는 상기 지형 고도 정보를 획득하는,
무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치.
In paragraph 2,
The avoidance trajectory prediction unit,
Based on the current location of the unmanned aerial vehicle and the terrain collision prediction section information, a basic avoidance trajectory corresponding to each of a plurality of maneuvers according to the maneuver reference information is obtained, and a basic avoidance trajectory and the avoidance trajectory corresponding to each of the plurality of maneuvers are obtained. A left avoidance trajectory and a right avoidance trajectory are obtained for each of the plurality of maneuvers based on clearance information, and the plurality of evasions include the basic avoidance trajectory, the left avoidance trajectory, and the right avoidance trajectory for each of the plurality of maneuvers. Create an avoidance trajectory for the dog,
Obtaining the terrain elevation information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories based on the digital terrain elevation data,
Autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of unmanned aerial vehicles.
제3항에서,
상기 회피 궤적 예측부는,
상기 무인기의 현재 위치에서 상기 무인기의 헤딩 방향으로 상기 수치 지형 표고 버퍼 정보만큼 더하여 초기 위치를 획득하고, 상기 초기 위치에서 상기 지형 충돌 예측 구간 정보동안 기동을 수행한 경우의 미리 설정된 타임 스텝별 위도, 경고 및 고도를 계산하여 기동에 대응되는 상기 기본 회피 궤적을 획득하고,
상기 기본 회피 궤적을 기반으로 헤딩 방향을 기준으로 90도 좌측 방향에서 상기 회피 궤적 여유 거리 정보만큼 떨어진 궤적을 계산하여 상기 좌측 회피 궤적을 획득하며,
상기 기본 회피 궤적을 기반으로 헤딩 방향을 기준으로 90도 우측 방향에서 상기 회피 궤적 여유 거리 정보만큼 떨어진 궤적을 계산하여 상기 우측 회피 궤적을 획득하는,
무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치.
In paragraph 3,
The avoidance trajectory prediction unit,
An initial position is obtained by adding the numerical terrain elevation buffer information from the current position of the unmanned aerial vehicle in the heading direction of the unmanned aerial vehicle, and a latitude for each preset time step when a maneuver is performed during the terrain collision prediction section information at the initial position, Calculate warning and altitude to obtain the basic avoidance trajectory corresponding to the maneuver,
Based on the basic evasion trajectory, the left evasion trajectory is obtained by calculating a trajectory that is as far away as the evasion trajectory margin information in a direction 90 degrees to the left of the heading direction,
Obtaining the right avoidance trajectory by calculating a trajectory that is as far away as the avoidance trajectory margin information in a direction 90 degrees to the right of the heading direction based on the basic avoidance trajectory,
Autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of unmanned aerial vehicles.
제2항에서,
상기 지형 충돌 해소부는,
상기 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적을 상기 지형 충돌 회피 제어부로부터 제공받고, 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적의 지형을 지형 제약 조건의 초기값으로 하고,
지형 제약 조건, 무인기 3-DOF(degree of freedom) 운동 제약 조건, 무인기 상태 제약 조건 및 제어 명령 제약 조건을 기반으로 헤딩 변화율의 제어 노력(control effort)에 대한 가중치, 헤딩 변화율, 최대 헤딩 변화율, 비행 경로각 변화율의 제어 노력에 대한 가중치, 비행 경로각 변화율 및 최대 비행 경로각 변화율로 이루어지는 성능 지표(performance index)를 상기 지형 충돌 예측 구간 정보동안 반복적으로 계산하여 상기 성능 지표를 최소화하는 최적의 제어 명령 집합을 획득하며,
상기 성능 지표의 반복 계산 시, 바로 직전 단계에서 획득한 제어 명령 집합을 기반으로 획득한 예측 기동 궤적의 지형을 통해 현재 단계의 상기 지형 제약 조건을 획득하고,
상기 성능 지표를 최소화하는 상기 최적의 제어 명령 집합을 포함하는 상기 지형 충돌 회피 명령을 생성하는,
무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치.
In paragraph 2,
The terrain collision resolution unit,
Among the plurality of avoidance trajectories, the last avoidance trajectory in which a terrain collision is detected is provided from the terrain collision avoidance control unit, and the topography of the last avoidance trajectory in which a terrain collision is detected is set as the initial value of the terrain constraint condition,
Weights for control effort, heading change rate, maximum heading change rate, and flight based on terrain constraints, drone 3-DOF (degree of freedom) motion constraints, drone state constraints, and control command constraints. An optimal control command that minimizes the performance index by repeatedly calculating the performance index consisting of the weight for the control effort of the path angle change rate, the flight path angle change rate, and the maximum flight path angle change rate during the terrain collision prediction section information. Obtaining a set,
When repeatedly calculating the performance index, the terrain constraints of the current stage are obtained through the terrain of the predicted maneuver trajectory obtained based on the control command set obtained in the immediately preceding stage,
Generating the terrain collision avoidance command comprising the optimal control command set that minimizes the performance index,
Autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of unmanned aerial vehicles.
제5항에서,
상기 지형 충돌 해소부는,
상기 수치 지형 표고 데이터를 기반으로 궤적에 대응되는 지형 고도를 획득하여 상기 지형 제약 조건을 생성하고,
상기 무인기의 ENU(East-North-Up) 좌표계 상 위치, 상기 무인기의 헤딩 값, 상기 무인기의 비행 경로각, 상기 무인기의 속력, 헤딩 변화율 및 비행 경로각 변화율을 기반으로 상기 무인기 3-DOF(degree of freedom) 운동 제약 조건을 생성하며,
상기 무인기의 ENU(East-North-Up) 좌표계 상 위치, 상기 무인기의 위치에 대응되는 지형 고도 및 상기 고도 회피 거리 정보를 기반으로 상기 무인기 상태 제약 조건을 생성하고,
상기 헤딩 변화율, 미리 설정된 최대 헤딩 변화율, 상기 비행 경로각 변화율 및 미리 설정된 최대 비행 경로각 변화율을 기반으로 상기 제어 명령 제약 조건을 생성하며,
상기 지형 제약 조건, 상기 무인기 3-DOF 운동 제약 조건, 상기 무인기 상태 제약 조건 및 상기 제어 명령 제약 조건을 기반으로 상기 헤딩 변화율의 제어 노력(control effort)에 대한 가중치, 상기 헤딩 변화율, 상기 최대 헤딩 변화율, 상기 비행 경로각 변화율의 제어 노력에 대한 가중치, 상기 비행 경로각 변화율 및 상기 최대 비행 경로각 변화율로 이루어지는 상기 성능 지표를 통해 상기 헤딩 변화율 및 상기 비행 경로각 변화율을 포함하는 최적의 제어 명령 집합을 획득하는,
무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치.
In paragraph 5,
The terrain collision resolution unit,
Generating the terrain constraints by obtaining the terrain elevation corresponding to the trajectory based on the digital terrain elevation data,
The unmanned aerial vehicle 3-DOF (degree of freedom) creates movement constraints,
Generating the unmanned aerial vehicle state constraints based on the unmanned aerial vehicle's position in the ENU (East-North-Up) coordinate system, terrain altitude corresponding to the unmanned aerial vehicle's location, and the altitude avoidance distance information,
Generating the control command constraints based on the heading change rate, the preset maximum heading change rate, the flight path angle change rate, and the preset maximum flight path angle change rate,
Weight for control effort of the heading change rate, the heading change rate, and the maximum heading change rate based on the terrain constraint, the unmanned aerial vehicle 3-DOF motion constraint, the unmanned aerial vehicle state constraint, and the control command constraint. , an optimal control command set including the heading change rate and the flight path angle change rate through the performance index consisting of a weight for the control effort of the flight path angle change rate, the flight path angle change rate, and the maximum flight path angle change rate. acquiring,
Autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of unmanned aerial vehicles.
제2항에서,
상기 경로 계획부는,
상기 무인기의 현재 위치에서 상기 무인기의 헤딩 방향으로 미리 설정된 시간 동안 이동한 위치를 시작 지점으로 획득하고,
상기 무인기의 현재 위치, 상기 임무 지역 정보 및 상기 관심 지역 정보를 기반으로 상기 무인기가 이동하여야 하는 다음 지점을 목적 지점으로 획득하며,
상기 무인기의 현재 고도에서 미리 설정된 고도를 뺀 값 및 상기 최대 운용 고도 정보 중 작은 값을 상기 수치 지형 표고 데이터에서 이동 불가능한 지역으로 지정하고,
상기 시작 지점, 상기 목적 지점 및 상기 수치 지형 표고 데이터를 기반으로 상기 경로 계획 적용 옵션 정보에 따라 상기 지역 경로를 생성하는,
무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치.
In paragraph 2,
The route planning department,
Obtaining a position moved from the current location of the unmanned aerial vehicle in the heading direction of the unmanned aerial vehicle for a preset time as a starting point,
Based on the current location of the unmanned aerial vehicle, the mission area information, and the interest area information, the next point to which the unmanned aerial vehicle must move is obtained as a destination point,
Designating the smaller of the value obtained by subtracting the preset altitude from the current altitude of the unmanned aerial vehicle and the maximum operating altitude information as an area that cannot be moved in the digital terrain elevation data,
Generating the local route according to the route plan application option information based on the starting point, the destination point, and the digital terrain elevation data,
Autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of unmanned aerial vehicles.
제7항에서,
상기 경로 계획부는,
상기 경로 계획 적용 옵션 정보가 PSO(particle swarm optimization) 기법이면, 상기 무인기의 현재 고도를 유지하면서 상기 무인기가 상기 시작 지점에서 상기 목적 지점까지 이동하는 최단 경로를 찾는 비용 함수를 통해 상기 지역 경로를 생성하고,
상기 경로 계획 적용 옵션 정보가 그리드 기반 휴리스틱 경로 계획 기법이면, 상기 시작 지점의 그리드를 기준으로 상하좌우 4방향으로 이동 가능하도록 설정하여 맨해튼 거리(Manhattan distance)가 최소가 되는 경로를 찾는 비용 함수를 통해 상기 지역 경로를 생성하는,
무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치.
In paragraph 7:
The route planning department,
If the route plan application option information is a PSO (particle swarm optimization) technique, the local route is generated through a cost function that finds the shortest path for the unmanned aerial vehicle to travel from the starting point to the destination point while maintaining the current altitude of the unmanned aerial vehicle. do,
If the route planning application option information is a grid-based heuristic route planning technique, it is set to allow movement in four directions, up, down, left, and right, based on the grid of the starting point, and a cost function is used to find the route with the minimum Manhattan distance. generating the local route,
Autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of unmanned aerial vehicles.
제2항에서,
상기 지형 충돌 회피 제어부는,
상기 경로 계획부를 통해 출력되는 상기 지역 경로를 상기 무인기가 추종하도록 하는 제어 명령을 상기 무인기에 제공하고,
상기 무인기의 현재 위치 및 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 상기 회피 궤적 예측부를 통해 출력되는 상기 복수개의 회피 궤적 및 상기 복수개의 회피 궤적 각각에 대응되는 상기 지형 고도 정보를 이용하여 상기 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는지 여부를 확인하며,
상기 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는 경우, 상기 지형 충돌 해소부를 통해 출력되는 상기 지형 충돌 회피 명령 및 상기 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적에 대응되는 기동 중 하나를 기반으로 생성된 제어 명령을 상기 무인기에 제공하고,
지형 충돌이 회피되면, 상기 경로 계획부를 통해 출력되는 상기 지역 경로를 상기 무인기가 추종하도록 하는 제어 명령을 상기 무인기에 제공하는,
무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치.
In paragraph 2,
The terrain collision avoidance control unit,
Providing a control command to the unmanned aerial vehicle to cause the unmanned aerial vehicle to follow the local route output through the path planning unit,
The plurality of avoidance trajectories output through the avoidance trajectory prediction unit based on the current location of the unmanned aerial vehicle and the terrain collision avoidance parameter and the terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories are used to determine all of the plurality of avoidance trajectories. Check whether it collides with the terrain,
When all of the plurality of avoidance trajectories collide with the terrain, one of the terrain collision avoidance command output through the terrain collision resolution unit and a maneuver corresponding to the last avoidance trajectory for which the terrain collision is detected among the plurality of avoidance trajectories is performed. Provide control commands generated to the unmanned aerial vehicle,
When terrain collision is avoided, providing a control command to the unmanned aerial vehicle to cause the unmanned aerial vehicle to follow the local path output through the path planning unit,
Autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of unmanned aerial vehicles.
제9항에서,
상기 지형 충돌 회피 제어부는,
상기 지형 충돌 해소부가 상기 지형 충돌 회피 명령을 출력하지 못하거나 상기 지형 충돌 회피 백업 옵션 정보가 활성화된 경우, 상기 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적에 대응되는 기동을 지형 충돌 회피가 완료될 때까지 상기 무인기가 수행하도록 하는 제어 명령을 상기 무인기에 제공하고,
상기 지형 충돌 해소부가 상기 지형 충돌 회피 명령을 출력하거나 상기 지형 충돌 회피 백업 옵션 정보가 비활성화된 경우, 상기 지형 충돌 해소부를 통해 출력되는 상기 지형 충돌 회피 명령을 지형 충돌 회피가 완료될 때까지 상기 무인기가 수행하도록 하는 제어 명령을 상기 무인기에 제공하는,
무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치.
In paragraph 9:
The terrain collision avoidance control unit,
If the terrain collision resolution unit fails to output the terrain collision avoidance command or the terrain collision avoidance backup option information is activated, a maneuver corresponding to the last terrain collision detected avoidance trajectory among the plurality of avoidance trajectories is performed to avoid terrain collision avoidance. Provide a control command to the unmanned aerial vehicle to cause the unmanned aerial vehicle to perform until is completed,
When the terrain collision avoidance unit outputs the terrain collision avoidance command or the terrain collision avoidance backup option information is deactivated, the unmanned aerial vehicle transmits the terrain collision avoidance command output through the terrain collision resolution unit until the terrain collision avoidance is completed. Providing control commands to the unmanned aerial vehicle to perform,
Autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of unmanned aerial vehicles.
무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 장치에 의해 수행되는 자율 지형 충돌 회피 방법으로서,
상기 무인기의 현재 위치 및 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 지역 경로를 생성하는 단계;
상기 지역 경로를 상기 무인기가 추종하도록 하는 제어 명령을 상기 무인기에 제공하는 단계;
상기 무인기의 현재 위치 및 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 복수개의 회피 궤적을 생성하고, 상기 복수개의 회피 궤적 및 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 상기 복수개의 회피 궤적 각각에 대응하는 지형 고도 정보를 획득하는 단계;
상기 복수개의 회피 궤적 및 상기 복수개의 회피 궤적 각각에 대응되는 상기 지형 고도 정보를 이용하여 상기 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는지 여부를 확인하는 단계;
상기 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는 경우, 상기 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적의 지형을 제약 조건으로 하여 상기 지형 충돌 회피 파라미터를 기반으로 지형 충돌 회피 명령을 생성하는 단계;
상기 복수개의 회피 궤적 전부가 지형과 충돌하는 경우, 상기 지형 충돌 회피 명령 및 상기 복수개의 회피 궤적 중에서 마지막으로 지형 충돌이 감지된 회피 궤적에 대응되는 기동 중 하나를 기반으로 생성된 제어 명령을 상기 무인기에 제공하는 단계; 및
지형 충돌이 회피되면, 상기 지역 경로를 상기 무인기가 추종하도록 하는 제어 명령을 상기 무인기에 제공하는 단계;
를 포함하는 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 방법.
An autonomous terrain collision avoidance method performed by an autonomous terrain collision avoidance device for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle, comprising:
generating a local route based on the current location of the unmanned aerial vehicle and terrain collision avoidance parameters;
providing a control command to the unmanned aerial vehicle (UAV) to cause the unmanned aerial vehicle to follow the local route;
Generate a plurality of avoidance trajectories based on the current location of the unmanned aerial vehicle and the terrain collision avoidance parameters, and obtain terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories based on the plurality of avoidance trajectories and the terrain collision avoidance parameters. steps;
Confirming whether all of the plurality of avoidance trajectories collide with terrain using the plurality of avoidance trajectories and the terrain altitude information corresponding to each of the plurality of avoidance trajectories;
When all of the plurality of avoidance trajectories collide with terrain, generating a terrain collision avoidance command based on the terrain collision avoidance parameter using the terrain of the last avoidance trajectory where terrain collision was detected among the plurality of avoidance trajectories as a constraint condition. step;
When all of the plurality of avoidance trajectories collide with terrain, the unmanned aerial vehicle performs a control command generated based on one of the terrain collision avoidance command and a maneuver corresponding to the last avoidance trajectory for which the terrain collision is detected among the plurality of avoidance trajectories. Steps provided to; and
If terrain collision is avoided, providing a control command to the unmanned aerial vehicle to cause the unmanned aerial vehicle to follow the local path;
Autonomous terrain collision avoidance method for low-altitude operation of unmanned aerial vehicles, including.
제11항에서,
상기 지형 충돌 회피 파라미터는,
지형 충돌 회피 정책 정보, 무인기 특성 정보 및 수치 지형 표고 정보를 포함하고,
상기 지형 충돌 회피 정책 정보는,
기동 기준 정보, 회피 궤적 여유 거리 정보, 고도 회피 거리 정보, 수치 지형 표고 버퍼 정보, 지형 충돌 회피 기준 고도 정보, 경로 계획 적용 옵션 정보, 지형 충돌 회피 백업 옵션 정보, 지형 충돌 예측 구간 정보, 임무 지역 정보 및 관심 지역 정보를 포함하며,
상기 무인기 특성 정보는,
임무 비행 속력 범위 정보, 뱅크각 정보 및 최대 운용 고도 정보를 포함하고,
상기 수치 지형 표고 정보는,
수치 지형 표고 데이터(digital terrain elevation data, DTED)를 포함하는,
무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 방법.
In paragraph 11:
The terrain collision avoidance parameter is,
Contains terrain collision avoidance policy information, unmanned aerial vehicle characteristic information, and digital terrain elevation information,
The terrain collision avoidance policy information is,
Maneuvering standard information, avoidance trajectory clearance information, altitude avoidance distance information, numerical terrain elevation buffer information, terrain collision avoidance standard altitude information, route planning application option information, terrain collision avoidance backup option information, terrain collision prediction section information, mission area information and information on areas of interest,
The drone characteristic information is,
Contains mission flight speed range information, bank angle information, and maximum operating altitude information,
The digital terrain elevation information is,
Containing digital terrain elevation data (DTED),
Autonomous terrain collision avoidance method for low-altitude operation of unmanned aerial vehicles.
제11항 또는 제12항에 기재된 무인기의 저고도 운용을 위한 자율 지형 충돌 회피 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위하여 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
A computer program stored in a computer-readable recording medium for executing on a computer the autonomous terrain collision avoidance method for low-altitude operation of an unmanned aerial vehicle according to claim 11 or 12.
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