KR20000017892A - 무인 항공기의 제어 방법 및 이를 수행하기 위한 시스템 - Google Patents

무인 항공기의 제어 방법 및 이를 수행하기 위한 시스템 Download PDF

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Abstract

일반 무선 조종기, 컴퓨터, 그리고 위성 측위 시스템 등을 이용하여 무인 항공기와 쌍방향으로 통신을 통하여 무인항공기를 제어함으로서 무인 비행기의 활용도를 확대시킨 무인 항공기의 제어 방법 및 이를 수행하기 위한 시스템이 개시된다. 본 발명은 적어도 하나의 무인 항공기를 특정한 프로그램에 의하여 자동모드로 비행시키는 비행 단계; 비행 단계 후에 지상관제시스템에서 발생하는 명령 데이터 패킷을 UHF채널을 이용하여 무인 항공기에 전달하고, 명령 데이터 패킷을 FIFO방식으로 처리하여 명령 데이터 패킷에 부합하는 응답 데이터 패킷을 지상 관제 시스템에 UHF채널을 이용하여 전달하는 데이터 전달 단계; 그리고, 비행단계 및 데이터 전달 단계를 수행하는 중에 무선 조종기에서 출력되는 비행제어신호가 전달되면 비행제어신호에 따라 구동모터를 제어하는 단계를 포함한다. 본 발명은 지상에서의 관측과 분석까지 가능하면서 위성 측위 시스템에 의한 고도와 위도 데이터를 활용할 수 있기 때문에 무인 비행기의 비행 반경의 확장과 고도의 즉시 제어를 구현할 수 있다.

Description

무인 항공기의 제어 방법 및 이를 수행하기 위한 시스템{method for controlling of a pilotless airplane and apparatus for performming the same}
본 발명은 무인 항공기의 제어 방법 및 이를 수행하기 위한 시스템에 관한 것으로, 특히 일반 무선 조종기, 컴퓨터, 그리고 위성 측위 시스템 등을 이용하여 무인 항공기와 쌍방향으로 통신을 통하여 무인항공기를 제어함으로서 무인 비행기의 활용도를 확대시킨 무인 항공기의 제어 방법 및 이를 수행하기 위한 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 항공기는 조종사의 조정력에 의하여 비행이 이루어지는 일반 항공기와 조종사의 조정력에 의존하지 않는 무인항공기가 있다. 무인 항공기는 대표적으로 리모콘의 조정에 의하여 비행이 이루어지는 모형 항공기와 무인 항공기로 구분된다. 여기서, 무인 항공기의 일종인 축소형 무인 항공기는 일반 경비행기의 체적에서 길이X폭X높이를 약 1/8정도로 축소한 것으로, 일반 항공기나 모형 항공기와는 달리 지상의 관제 시스템의 조종력에 의하여 비행이 가능한 무인 항공기로 비행 제어 시스템이 탑재되어 있다.
그러나, 종래의 항공기들의 비행제어는 지상에서의 관측 및 분석이 배제되어 있는 상태에서 비행 조종만을 목적으로 제작된 경우가 많기 때문에 무인 비행기의 활용이 단순한 오락 등의 용도로만 한정되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 본 발명의 제 1 목적은 무인항공기와 HF/UHF/Ku 대역의 무선 신호를 쌍방향 전송하여 무인 항공기를 제어함으로서 일반 무선 조종기뿐만 아니라 컴퓨터, 그리고 위성 측위 시스템에서 발생하는 신호로 무인 항공기를 제어하게 하여 무인 비행기의 활용도를 확대시킨 무인 항공기의 제어 방법을 제어하는 데 있다.
또한, 본 발명의 제 2 목적은 무인 항공기의 제어 방법을 수행하기 위한 시스템을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무인 항공기의 조정 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 무인 항공기의 통신제어를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 3은 도 2에 사용되는 통신 데이터의 구조도이다.
이와 같은 제 1 목적을 수행하기 위한 본 발명에 따른 무인 항공기의 제어 방법은, 적어도 하나의 무인 항공기를 특정한 프로그램에 의하여 자동모드로 비행시키는 비행 단계; 비행 단계 후에 지상관제시스템에서 발생하는 명령 데이터 패킷을 UHF채널을 이용하여 무인 항공기에 전달하고, 명령 데이터 패킷을 FIFO방식으로 처리하여 명령 데이터 패킷에 부합하는 응답 데이터 패킷을 지상 관제 시스템에 UHF채널을 이용하여 전달하는 데이터 전달 단계; 그리고, 비행단계 및 데이터 전달 단계를 수행하는 중에 무선 조종기에서 출력되는 비행제어신호가 전달되면 비행제어신호에 따라 구동모터를 제어하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 제 2목적을 수행하기 위한 본 발명에 따른 무인 항공기의 제어 시스템은, 무선 조종기의 핸들의 조작을 통하여 출력되는 비행제어에 따른 HF 신호를 수신하는 안테나; 항공기의 비행상태 및 무인항공기에서 전달되는 데이터에 대한 운용자의 제어를 입력하기 위한 컴퓨터; 안테나에서 출력된 HF신호를 변조하여 UHF신호로 무인항공기 측으로 전송하여 비행상태를 제어하도록 하며, 무인항공기 측에서 전송된 측정 데이터를 해독하여 무인 항공기의 운용상태를 컴퓨터를 통하여 시각적으로 출력하고, 컴퓨터를 통한 운용자의 조작을 나타내는 명령 데이터를 무인항공기에 전달하기 위한 RF 모뎀이 접속된 지상국 통신경로 제어부를 구비하는 지상국 관제 시스템; 지상국 관제 시스템의 RF 모뎀으로부터 전송된 명령 데이터를 해독하여 무인 항공기의 자세 제어 및 무인 항공기의 비행 상태 및 탑재된 관측장비로부터 수집된 정보를 지상국 관제 시스템에 전송하기 위하여 RF 모뎀이 접속된 무인 항공기의 항공국 통신경로 제어부; 무인 항공기의 항공국 통신경로 제어부의 입력측에 접속되어 무인 항공기의 비행 상태 및 각종 정보를 수집하기 위한 센서부; 무인 항공기의 항공국 통신경로 제어부의 입력측에 접속되어 위성으로부터 무인항공기의 비행정보를 나타내는 Ku 대역의 신호를 수신하기 위한 위성 측위 시스템의 수신부; 무인 항공기의 항공국 통신경로 제어부의 출력측에 접속되어 무인항공기의 수평익에 대해서는 상하방향으로 기계적인 변경동작을 수행하고, 수직익에 대해서는 좌우방향으로 기계적인 변경동작을 수행하는 구동모터를 포함한다.
본 발명은 지상에서의 관측과 분석까지 가능하면서 위성 측위 시스템에 의한 고도와 위도 데이터를 활용할 수 있기 때문에 무인 비행기의 비행 반경의 확장과 고도의 즉시 제어를 구현할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 무인 항공기의 조정 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 무인 항공기의 통신제어를 설명하기 위한 블럭도이며, 도 3은 도 2에 사용되는 통신 데이터의 구조도이다.
본 발명에 따른 무인 항공기의 조정 시스템은 도 1에서 보는 바와 같이, 지상국 관제 시스템(100)의 지상국 통신경로 제어부(150)와 무인 항공기(200)의 항공국 통신경로 제어부(250)에는 각각 UHF채널안테나(170)(270)가 접속되어 UHF신호(S1)를 송·수신 할 수 있도록 구성된다. 즉, 지상국 관제 시스템(100)의 지상국 통신경로 제어부(150)와 무인 항공기(200)의 항공국 통신경로 제어부(250)에는 RF(Radio Frequency)주파수를 교신할 수 있는 UHF(Ultra High Frequency)대 채널을 유지하도록 각각 RF 모뎀(160)(230)이 접속된다.
또한, 지상국 관제 시스템(100)의 지상국 통신경로 제어부(150)는 지상의 운용자가 무인 항공기(200)의 운용을 위하여 조작하게 되는 무선 조종기(110)의 핸들에서 출력되는 HF신호(S2)의 정보를 수신할 수 있도록 안테나(120)를 구비하고, 무인 항공기(200)의 비행상태의 관측을 위하여 시각적으로 접촉하게 되는 컴퓨터(130)와 접속된다.
무인 항공기(200)의 항공국 통신경로 제어부(250)에는 무인 항공기(200)의 비행 상태 및 탑재된 관측장비나 센서로부터 수집된 정보를 수집 분해하고 표시하여 분석할 수 있도록 센서부(220) 및 위성(300)과의 교신이 가능하도록 위성 측위 시스템(GPS)의 수신부(210)가 접속된다. 무인 항공기(200)의 항공국 통신경로 제어부(250)는 무선조정기(110)에서 발생하는 HF신호(S2), 지상국 관제 시스템(100)의 지상국 통신경로 제어부(150)와 통신하기 위한 UHF신호(S1), 위성 측위 시스템(GPS)에서 수신된 Ku신호(S3)등 삼중 채널을 통하여 각기 다른 길이의 호들이 발생 시점을 달리하여 상호 간에 데이터 교환이나 명령의 전달이 이루어져야 하므로 FIFO(First-In-First-Out)의 버퍼(도시안됨)가 포함된다.
그리고, 무인 항공기(200)의 항공국 통신경로 제어부(250)는 항공기의 전방익, 후방의 수평익과 수직익의 기계적 위치 변경부위를 수평익에 대해서는 상하방향으로 구동시키고, 수직익에 대해서는 좌우방향으로 구동시키는 구동모터(260)가 탑재된다.
즉, 도 2에서 보는 바와 같이 지상국 관제 시스템(100)의 지상국 통신경로 제어부(150)는 송신 전용의 무선 조종기(110), 컴퓨터(130)등 단말기로 접속되고, 무인 항공기(200)내의 항공국 통신경로 제어부(250)는 수신 전용의 GPS 수신부(210)와 구동 모터(260), 송신 전용의 센서부(220)를 단말기로서 가지고 독자적인 프로토콜과 통신 제어를 수행하는 것이다.
여기서, 본 발명에 따른 무인 항공기 시스템에서 사용되는 프로토콜은 도 3에서 보는 바와 같은 프레임 구조를 가지고 있는데, 시작필드는 1바이트의 길이에 FEh값이라는 특정값을 할당하되 EFh를 한번 더 대칭적으로 붙여 줌으로써 전송 오류의 위험도를 줄이고, 종료필드는 55AAh의 2바이트의 고유값을 할당하여 시작필드와 구분한다. 제어필드에는 2바이트로 구성되는 데, 이중 1 바이트는 최대 256개의 무인 항공기를 제어할 수 있도록 각각의 주소(고유 ID)를 나타내고, 나머지 1바이트는 명령 데이터 패킷 및 응답 데이터 패킷 등 패킷의 유형을 나타낸다. 그리고, 데이터의 내용을 나타내는 필드 중 명령 데이터 패킷은 고유적인 코드를 할당하고, 응답 데이터 패킷은 연속적인 데이터가 센서부(220)로부터 발생되어 지상국 관제 시스템(100)에서 관측되고 분석될 수 있도록 일정 길이 8바이트의 연속적인 데이터 열을 할당한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 무인 항공기의 제어방법을 설명하면 다음과 같다.
무인 항공기(200)내에 항공국 통신경로 제어부(250)는 UHF 대역의 신호(S1)를 전송하는 지상 관제 시스템(100) 및 Ku 대역의 신호(S3)를 전송하는 위성(300)과의 무선 데이터 링크를 유지한다. 무인 항공기(200)의 제어를 위하여 무인 항공기(200)의 조정은 상향 링크 및 하향 링크로 구분될 수 있는데, 상향 링크는 지상국 관제 시스템(100)의 무선 조종기(110) 및 컴퓨터(130)로부터 무인 항공기(200)의 항공국 통신경로 제어부(250)로 연결되는 무선 채널과 통신 및 제어 시스템을 의미하고, 무인 항공기의 조정에서 하향 링크는 무인 항공기(200)의 항공국 통신경로 제어부(250)로부터 지상국 관제 시스템(100)으로 이어지는 무선 채널과 통신 및 제어 시스템을 의미한다.
본 발명에 따른 무인 항공기의 조정 시스템에는 전송속도가 각기 다른 비대칭형의 삼중 채널 즉, 무선 조종기(110), 컴퓨터(130), 그리고 비행 측위 위성(300)에서 발생하는 HF/UHF/Ku 대역의 무선 신호(S1)(S2)(S3)를 사용하므로 무선 데이터의 상향링크와 하향링크에 대하여 각각 서로 다른 전송속도와 프로토콜의 데이터를 원활하게 제어한다.
즉, 무인 항공기(200)는 비행 중에 자동모드 즉, 항공국 통신경로 제어부(250)에 입력된 특정 프로그램에 따라 비행하게 된다. 무인 항공기(200)가 자동 모드로 비행하는 중에 지상의 비행 운용자는 무인 항공기(200)의 비행상태를 컴퓨터(130)의 모니터를 통하여 확인하고 무선조종기(110)를 조작하여 무인 항공기(200)의 적절한 자세나 동작의 변경을 수행한다.
무인 항공기(200)내에 항공국 통신경로 제어부(250)는 센서부(220)와 위성측위수신기(210)로부터 입력된 각종 비행 관제용 데이터들을 패킷화(Packetizing)하여 지상 관제 시스템(100)으로 전송하고, 지상국 관제 시스템(100)내에 있는 컴퓨터(130)는 무인 항공기(200)의 비행상태를 판단한 후, 무인 항공기(200)의 자세를 제어할 필요가 있는 경우에는 무인 조종기(110)를 조작하게 된다. 무선 조종기(110)를 조작하여 발생된 상·하 및 좌·우의 자세 제어 데이터는 지상국 관제 시스템(100)의 지상국 통신경로 제어부(150)에 입력되어 독자적인 프로토콜로 패킷화 한 후, 지상국 통신경로 제어부(150)의 UHF채널 안테나(170)를 통하여 무인 항공기(200)내의 항공국 통신경로 제어부(250)에 연결된 UHF채널 안테나(230)로 UHF신호(S1)를 송신하게 된다. 지상국 통신경로 제어부(150)의 UHF채널 안테나(170)를 통하여 UHF신호(S1)가 수신되면 무인 항공기(200)내의 항공국 통신경로 제어부(250)는 수신데이터를 구동모터(260)로 전달함으로써 무인 항공기(200)의 자세가 제어되도록 한다.
즉, 무인 항공기(200)의 자동모드 비행 중에 무선 조종기(110)를 통하여 입력된 무인 항공기(200)의 자세 제어 데이터는 구동모터(260)에 즉시 전달하여 무인항공기(200)가 자세를 교정할 수 있도록 제어하는 것이다.
또한, 무인 항공기(200)의 항공국 통신경로 제어부(250)는 지상 관제 시스템(100)의 명령을 받아 센서부(220)로부터 수집된 정보 및 위성 측위 시스템(GPS)의 수신부(210)에서 발생된 비행체의 고도, 속도, 위치, 온도 데이터와 영상 관측 정보들을 UHF채널안테나(230)를 통하여 지상국 관제 시스템(100)에 전달한다.
즉, 도 3에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 무인 항공기 제어에 사용되는 데이터의 구조는 제어 필드에 1바이트를 할당하여 명령 데이터 패킷 및 응답 데이터 패킷 등 패킷의 유형을 판별할 수 있어서, 지상 관제 시스템(100)에서 고유번호 온도 데이터와 영상 관측 정보 등의 측정 데이터 및 무인 항공기(200)의 고도, 속도, 위치, 시스템 상태를 입력하도록 하는 고유번호를 나타내는 명령 데이터 패킷이 수신되면 무인 항공기(200)의 비행 상태와 센서부(220)로부터 수집된 정보 및 위성 측위 시스템(GPS)의 수신부(210)에서 발생된 데이터를 독자적인 프로토콜로 패킷 즉, 응답 데이터 패킷화 한 후, 지상국 관제 시스템(100)으로 송신한다.
이때, 지상 관제 시스템(100)의 지상국 통신경로 제어부(150)는 무인 항공기(200)로부터 일정시간 2초 이내에 응답 데이터 패킷이 수신되지 않을 경우 링크의 단절로 간주하여 지상 관제 시스템(100)의 지상국 통신경로 제어부(150)는 무인 항공기(200)에 명령 데이터 패킷을 무조건 재전송한다. 그러므로, 별도의 프레임 체크 절차를 두지 않고, 곧바로 종료 필드에 55AAh의 2바이트 값을 할당하여 시작필드와 구분한다.
그러므로, 지상국 관제 시스템(100)은 무인 항공기(200)의 수신 데이터로부터 관측 정보 및 고도정보 등을 추출하여 컴퓨터(130)로 전달함으로써 원격지의 상태나 각종 관측을 수행할 수 있도록 한다.
다시 말하면, 무인 항공기(200)의 항공국 통신경로 제어부(250)는 자동모드로 비행 중에 운용자가 비행동작에 변화를 주고 싶을 때마다 무선 조종기(110)를 조정하여 발생하는 조종 데이터가 불연속적으로 발생하기 때문에 무선 조종기(110)의 데이터는 무조건 구동 모터(260)로 전달하고, 지상 관제 시스템(100)의 지상국 통신경로 제어부(150)에서 발생하는 명령 데이터 패킷은 무인 항공기(200)의 항공국 통신경로 제어부(250)에 포함된 버퍼에 의하여 FIFO(First-In-First-Out)방식으로 처리되어 무인 항공기(200)로부터 관측 정보 및 고도정보 등을 추출하여 지상 관제 시스템(100)의 컴퓨터(130)로 전달함으로써 원격지의 상태나 각종관측을 수행할 수 있도록 하는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 무인 항공기의 조정 시스템에는 HF/UHF/Ku 대역의 무선 채널에 대한 접속 및 데이터 전송을 가능하게 함으로써 일반 무선조종기, 개인용 컴퓨터, 그리고 비행 측위 정보까지 처리가 가능하도록 하여 무인 비행기의 활용도를 무인 폭격이나 감시와 같은 군수용이나 무인 방재나 관측과 같은 산업용으로 확대시킬 수 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.

Claims (5)

  1. ⅰ)적어도 하나의 무인 항공기를 특정한 프로그램에 의하여 자동모드로 비행시키는 비행 단계;
    ⅱ)상기 단계 후에 지상관제시스템에서 발생하는 명령 데이터 패킷을 UHF채널을 이용하여 상기 무인 항공기에 전달하고, 상기 명령 데이터 패킷을 FIFO방식으로 처리하여 상기 명령 데이터 패킷에 부합하는 응답 데이터 패킷을 상기 지상 관제 시스템에 상기 UHF채널을 이용하여 전달하는 데이터 전달 단계; 그리고,
    ⅲ)상기 비행단계 및 데이터 전달 단계를 수행 중에 무선 조종기에서 출력되는 비행제어신호가 전달되면 상기 비행제어신호에 따라 구동모터를 제어하는 단계를 포함하는 무인 항공기의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터 전달 단계에서 전달되는 데이터는 센서를 통한 고도정보 및 위성에서 KU신호를 이용하여 수신된 고도 정보인 것을 특징으로 하는 무인 항공기의 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터 전달 단계에서 전달되는 데이터 패킷은 시작필드는 1바이트의 길이에 FEh값이라는 특정값에 EFh를 대칭적으로 부가하고, 종료필드는 55AAh의 2바이트의 고유값을 할당하며, 제어필드에는 무인 항공기의 고유 ID를 나타내는 1바이트와 데이터 패킷의 유형을 나타내는 1바이트로 구성되며, 내용 데이터를 나타내는 8바이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 무인 항공기의 제어 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 데이터 패킷의 내용 데이터 중 명령 데이터 패킷은 고유적인 코드를 할당하고, 응답 데이터 패킷은 연속적인 데이터로 구성되는 것을 특징으로 하는 무인 항공기의 제어 방법.
  5. 무선 조종기(110)의 핸들의 조작을 통하여 출력되는 비행제어에 따른 HF 신호를 수신하는 안테나(120);
    항공기의 비행상태 및 무인항공기(200)에서 전달되는 데이터에 대한 운용자의 제어를 입력하기 위한 컴퓨터(130);
    상기 안테나(120)에서 출력된 HF신호를 변조하여 UHF신호로 상기 무인항공기(200) 측으로 전송하여 비행상태를 제어하도록 하며, 상기 무인항공기(200)측에서 전송된 측정 데이터를 해독하여 상기 무인 항공기(200)의 운용상태를 상기 컴퓨터(130)를 통하여 시각적으로 출력하고, 상기 컴퓨터(130)를 통한 운용자의 조작을 나타내는 명령 데이터를 상기 무인항공기(200)에 전달하기 위한 RF 모뎀(160)이 접속된 지상국 통신경로 제어부(150)를 구비하는 지상국 관제 시스템(100);
    상기 지상 관제 시스템(100)의 RF 모뎀(160)으로부터 전송된 명령 데이터를 해독하여 상기 무인 항공기(200)의 자세 제어 및 상기 무인 항공기(200)의 비행 상태 및 탑재된 관측장비로부터 수집된 정보를 상기 지상국 관제 시스템(100)에 전송하기 위하여 RF 모뎀(230)이 접속된 무인 항공기(200)의 항공국 통신경로 제어부(250);
    상기 무인 항공기(200)의 항공국 통신경로 제어부(250)의 입력측에 접속되어 무인 항공기(200)의 비행 상태 및 각종 정보를 수집하기 위한 센서부(220);
    상기 무인 항공기(200)의 항공국 통신경로 제어부(250)의 입력측에 접속되어 위성(300)으로부터 상기 무인항공기(200)의 비행정보를 나타내는 Ku 대역의 신호를 수신하기 위한 위성 측위 시스템(GPS)의 수신부(210);
    상기 무인 항공기(200)의 항공국 통신경로 제어부(250)의 출력측에 접속되어 상기 무인항공기(200)의 수평익에 대해서는 상하방향으로 기계적인 변경동작을 수행하고, 수직익에 대해서는 좌우방향으로 기계적인 변경동작을 수행하는 구동모터(260)를 포함하는 무인항공기의 제어 시스템.
KR1019990063732A 1999-12-28 1999-12-28 무인 항공기의 제어 방법 및 이를 수행하기 위한 시스템 KR100324581B1 (ko)

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