KR20180023258A

KR20180023258A - 드론의 자율 비행 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20180023258A
Application number: KR1020160108282A
Authority: KR
Inventors: 강상록; 여덕산
Original assignee: 주식회사 얼리버드테크
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2018-03-07

Abstract

본 발명은 드론의 자율 비행 방법 및 시스템에 관한 것으로, 특히 선택된 비행 경계에 비콘을 설치하고, 비콘에서 송출된 위치 신호를 이용하여 경계 내에서 드론의 자율 비행이 이루어지는 드론의 자율 비행 방법 및 시스템에 관한 것이다.

Description

드론의 자율 비행 방법 및 시스템{Method and system of autonomous flight for drone}

본 발명은 드론의 자율 비행 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선택된 비행 경계에 비콘을 설치하고, 비콘에서 송출된 위치 신호를 이용하여 경계 내에서 드론의 자율 비행이 이루어지는 드론의 자율 비행 방법 및 시스템에 관한 것이다.

군수산업에서 시작된 것으로 알려진 드론(drone)은 통상 무선 전파의 유도에 의해 무인 비행하는 비행체를 말하며, 최근에는 취미용, 산업용, 촬영용, 농업용 및 방제용 등으로 다양하게 이용되고 있다.

한편, 위와 같은 드론은 초기의 단순한 원격 조종 기체에 GPS, 바로미터(barometer), 장애물 감지센서와 같은 각종 센서를 이용한 자율형 드론으로 점차 발전하고 있으며, 이를 위해 각국에서 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

그러나, 종래의 드론은 원격 조종기(RC)가 반드시 필요하기 때문에, 드론의 비행 제어를 위해서는 조종자가 일정 수준 이상의 숙달이 이루어지지 않는 한 조작이 어렵고, 숙달이 되어도 전자 지도를 보며 직접 조작해야 하는 문제가 있다.

또한, 드론의 비행시 네비게이션으로 사용되는 위치기반 정보를 GPS로부터 제공받기 때문에 GPS 센서의 기본 오차(1~10M 내외) 및 신호 교란(전파 반사나 jamming과 같은 악의적인 교란)의 가능성이 존재한다.

예컨대, 한국등록특허 제10-1056377호에서는 비행장치 제어 단말을 통해 제공되는 지도상에서 적어도 하나 이상의 특정 지점을 선택하면, GPS 데이터를 수신하여 상기 특정 지점을 확인하고 정해진 패턴으로 자율 주행을 한다.

따라서, 상기와 같은 방식은 드론의 자율 주행이 가능하기는 하지만 조종자가 별도의 비행장치 제어 단말을 필수적으로 구비하여 이를 통해 조작을 해야 하고, 반드시 GPS 위치 정보에 의존해야 하는 문제가 있다.

또한, GPS 위치 정보를 통해 제공되는 절대 좌표로는 드론이 자율 주행하는 경로 상에 위치하는 지형 즉, 지면의 굴곡을 파악할 수 없어서 충돌의 위험이 크고, GPS 신호가 수신되지 않는 실내 등 음영지역에서는 사용이 불가능하다.

한국등록특허 제10-1056377호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다수개의 비콘을 비행 경계에 설치하고, 비콘에서 송출된 위치 신호를 이용하여 경계 내에서 드론의 자율 비행이 이루어지는 드론의 자율 비행 방법 및 시스템에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명에 따른 드론의 자율 비행 방법은 위치 신호 송출 장치인 비콘(beacon)과의 상대위치를 분석하여 자율 비행시, 드론에 설치된 다수개의 드론용 거리측정장치를 이용하여 각각의 상기 드론용 거리측정장치로부터 다수개의 비콘까지의 거리를 각각 측정하는 드론 거리측정단계와; 상기 비콘까지의 거리를 이용하는 위치측량 프로세서를 실행하여 상기 드론을 기준으로 다수개의 비콘에 대한 상대좌표를 각각 특정하는 드론 위치결정단계와; 상기 드론의 기체 중심점을 나타내는 중심좌표와 상기 드론으로부터 가장 가까운 2개의 비콘에 대한 상대좌표를 서로 연결한 가상의 삼각형을 비행 기준면으로 설정하는 경계설정단계; 및 상기 비행 기준면 내에서 상기 드론이 미리 설정된 고도 및 경로를 따라 자율 비행하는 자율 비행단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 드론 위치결정단계에서 상기 위치측량 프로세서는 상기 드론에 설치된 다수개의 드론용 거리측정장치로부터 비콘까지의 거리를 각각 반지름으로 하는 가상의 드론 특정용 원(circle)을 다수개 작성하고, 상기 가상의 드론 특정용 원들의 교점을 상기 비콘의 상대좌표로 결정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 경계설정단계에서 상기 비콘이 3개 이상인 경우, 상기 드론이 자율 비행을 함에 따라 상기 드론으로부터 가장 가까운 2개의 비콘이 변경되면 상기 비행 기준면을 실시간으로 변경하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 자율 비행단계에서 상기 드론의 자율 비행 중 조종자의 원격 조종 단말기로부터 제어 명령이 전송된 경우, 상기 드론은 상기 제어 명령을 우선하여 실행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 다수개의 비콘들이 서로 상대위치를 분석하는 비콘 위치결정단계를 더 포함하되, 상기 비콘 위치결정단계에서 선택된 하나의 비콘에 인접한 다른 비콘들의 거리를 측정하고, 상기 선택된 하나의 비콘으로부터 다른 비콘들까지의 거리를 각각 반지름으로 하는 가상의 비콘 특정용 원을 다수개 작성하여, 상기 가상의 비콘 특정용 원들의 교점을 상기 선택된 하나의 비콘의 상대좌표로 결정하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 선택된 하나의 비콘의 상대좌표를 다른 비콘들에 전송하여 모든 비콘들이 서로 상대좌표를 공유하는 비콘좌표 공유단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 다수개의 비콘들 중 상기 상대좌표를 특정할 수 없는 비콘이나 상대좌표를 산출하기 위한 통신이 이루어지지 않는 비콘이 있을 경우 사용자의 원격 조종 단말기에 알리는 비콘상태 알림단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 드론의 자율 비행 시스템은 위치 신호 송출 장치인 비콘 및 상기 비콘과의 상대위치를 분석하여 자율 비행이 이루어지도록, 상기 비콘은 다수개이며, 각각 고유의 ID가 포함된 위치 신호를 송출하는 비콘용 송출장치를 포함하고, 상기 드론은 상기 비콘에서 송출된 위치 신호를 수신하여 상기 다수개의 비콘까지의 거리를 각각 측정하는 다수개의 드론용 거리측정장치와; 상기 비콘까지의 거리를 이용하는 위치측량 프로세서를 실행하여 상기 드론을 기준으로 다수개의 비콘에 대한 상대좌표를 각각 특정하는 드론용 위치특정모듈과; 상기 드론의 기체 중심점을 나타내는 중심좌표와 상기 드론으로부터 가장 가까운 2개의 비콘에 대한 상대좌표를 서로 연결한 가상의 삼각형을 비행 기준면으로 설정하는 경계설정모듈; 및 상기 비행 기준면 내에서 상기 드론이 미리 설정된 고도 및 경로를 따라 자율 비행을 제어하는 비행제어모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 비콘은 인접한 다른 비콘에서 송출된 위치 신호를 각각 수신하여 상기 다른 비콘까지의 거리를 각각 측정하는 비콘용 거리측정장치; 및 상기 인접한 다른 비콘들까지의 거리를 각각 반지름으로 하는 가상의 비콘 특정용 원을 다수개 작성하고, 상기 가상의 비콘 특정용 원들의 교점을 자신의 상대좌표로 결정하는 비콘용 위치특정모듈;을 더 포함하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명은 다수개의 비콘을 비행 경계에 설치하고, 비콘에서 송출된 위치 신호를 이용하여 경계 내에서 드론의 자율 비행이 이루어진다. 따라서, 원격 조종기의 사용이 불필요하고, GPS 등 공용의 주파수 자원을 사용하지 않고도 설정된 패턴의 자율 주행을 가능하게 한다.

도 1은 본 발명에 따른 비콘 및 드론을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 드론의 자율 비행 방법을 나타낸 제1 실시예이다.
도 3은 상기 도 2의 드론 거리측정 상태를 나타낸 도이다.
도 4는 상기 도 2의 드론 위치결정 상태를 나타낸 도이다.
도 5는 상기 도 2의 경계 설정(비행 기준면) 상태를 나타낸 도이다.
도 6은 상기 도 5에 따른 장애물 회피 상태를 나타낸 도이다.
도 7은 상기 도 2의 드론 비행 상태 중 고도 변경 상태를 나타낸 도이다.
도 8은 상기 도 2의 드론 비행 상태 중 다양한 자율 비행 루틴을 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명에 적용 가능한 원격 드론 조종기의 사용자 인터페이스를 나타낸 도이다.
도 10은 도 2는 본 발명에 따른 드론의 자율 비행 방법을 나타낸 제2 실시예이다.
도 11은 상기 도 10의 비콘간 상대위치 결정 상태를 나타낸 도이다.
도 12는 본 발명에 적용되는 비콘을 나타낸 구성도이다.
도 13은 본 발명에 적용되는 드론을 나타낸 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 드론의 자율 비행 방법 및 시스템에 대해 상세히 설명한다.

도 1과 같이 본 발명에 따른 드론의 자율 비행 방법 및 시스템은 크게 비콘(beacon)(100) 및 드론(drone)(200)을 포함하며, 사용자에 의해 선택된 위치에 다수개의 비콘(100)을 설치하여 경계(가상의 펜스)를 설정하고, 그 경계 내에서 드론(200)이 자율 비행을 한다.

이때, 비콘(100)은 본체(B-B)에 위치 신호 송출을 위한 비콘용 송출장치(110)를 비롯한 송수신장치를 포함한다. 또한, 비콘(100)의 내부에는 동작 전원을 공급하는 전원공급장치를 포함한다. 필요에 따라 전원공급장치는 2차 전지를 포함하고, 태양 전지판(S)을 설치하여 2차 전지를 재충전한다.

또한, 일 예로 도시한 바와 같이 비콘(100)의 양측부에는 설치를 위한 조립구(A)를 구비하여 상기 조립구(A)에 앵커나 고정볼트를 삽입하여 지면 등에 고정한다. 전면에는 비콘(100)의 ID를 설정하거나 온/오프를 선택하는 등 다양한 설정을 위한 조작버튼(KEY)을 포함한다.

드론(200)은 일반적인 경우와 마찬가지로 기체(D-B)의 상부에 회전날개가 설치되고, 기체(D-B)의 하부에 착륙용 다리 등을 포함한다. 또한 촬영 카메라(C)를 비롯한 각종 부대 시설을 포함한다.

다만, 본 발명은 드론용 거리측정장치(210)를 다수개 구비하여 후술하는 바와 같이 비콘(100)과의 상대위치를 분석하고 다수개의 비콘(100)에 의해 설정된 경계 내에서 자율 비행을 하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 장거리 통신이 가능한 비콘(100)을 이용하여 드론(200) 제어시 정밀한 위치 측정 및 거리 오차를 획기적으로 줄이고, 기존의 드론에 사용되는 위치 제어 신호(GPS/GLONASS 등)에 의존하지 않고도 동작이 가능하여 신호 교란에서 자유롭다. 또한, 조종기가 필요없이 비콘(100)과 태블릿 등 모바일 단말기만으로 자율주행을 쉽고 간편하게 구현할 수 있다.

한편, 도 2와 같이, 본 발명에 따른 드론의 자율 비행 방법은 위치 신호 송출 장치인 비콘(100)과의 상대위치를 분석하여 자율 비행이 이루어지도록, 드론 거리측정단계(S110), 드론 위치결정단계(S120), 경계설정단계(S130) 및 자율 비행단계(S140)를 포함한다.

이때, 상기 드론 거리측정단계(S110)에서는 드론(200)에 설치된 다수개의 드론용 거리측정장치(210)를 이용하여 각각의 드론용 거리측정장치(210)로부터 다수개의 비콘(100)까지의 거리를 각각 측정한다.

비콘(100)은 드론(200)이 자율 비행하는 경계를 설정하도록 N개 설치되고, 드론용 거리측정장치(210)는 정밀한 거리측정을 위해 하나의 드론(200)에 n개(비콘의 개수 'N'과 같거나 다름) 설치되어, N:n으로 거리측정이 이루어진다.

거리측정은 공지의 다양한 방법이 사용될 수 있다. 예컨대, 비콘용 송출장치(110)에서 송출 시각이 포함된 무선신호를 송출하고, 드론용 거리측정장치(210)에서 이를 수신한 시간과의 차이를 이용하여 구할 수 있다.

또한, 실내와 같이 비교적 좁은 장소에서는 드론(200)과 비콘(100) 사이의 거리가 가깝기 때문에 적외선 거리 센서 등을 이용하여, 비콘(100)으로부터 드론용 거리측정장치(210)까지의 거리를 측정할 수 있다.

도 3에는 다수개의 비콘(100) 각각으로부터 드론(200)에 설치된 다수개의 드론용 거리측정장치(210)까지의 거리(r1, r2, r3, r4)가 도시되어 있다.

일 예로 도시된 바와 같이, 비콘(100)이 4개이고 드론용 거리측정장치(210) 역시 4개인 경우, 이들 각각에 대한 거리(r1-A, r1-B, r1-C, r1-D)를 측정함으로써 후술하는 상대좌표(위치) 결정시 정밀도를 향상시킨다.

다음, 드론 위치결정단계(S120)에서는 이상에서 측정한 비콘(100)까지의 거리를 이용하는 위치측량 프로세서를 실행하여 드론(200)을 기준으로 다수개의 비콘(100)에 대한 상대좌표를 각각 특정한다. 즉, 거리값을 직접 또는 간접의 파라미터로 사용하는 연산 프로세서를 이용하여 상대좌표를 추출한다.

도 4에는 비콘(100)의 상대좌표를 추출하는 방식이 일 예로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 상기 위치측량 프로세서는 드론(200)에 설치된 다수개의 드론용 거리측정장치(210)로부터 비콘(100)까지의 거리를 각각 반지름으로 하는 가상의 드론 특정용 원(circle)을 다수개 작성한다.

상기 가상의 드론 특정용 원은 일 예로 드론(200)의 기체(D-B) 중심을 원점으로 하는 것이 바람직하며, 모든 가상의 원이 동시에 교차하는 가상의 드론 특정용 원들의 교점(P1)을 비콘(100)의 상대좌표로 결정한다. 이러한 비콘(100)의 상대좌표는 모든 비콘(100)에 대해 구해지고, 결정된 상대좌표값은 드론(200)에 저장된다.

다만, 상기 드론 거리측정단계(S110)에서는 하나의 비콘(100)과 4개의 드론용 거리측정장치(210)의 거리를 구하였지만, 도 4에서는 그 중 3개의 거리를 반지름으로 적용한 가상의 원을 이용하여 해당 비콘(100)(즉, 교점에 위치한 비콘)의 상대좌표를 구하는 것을 예로 들었다.

그러나, 도시된 바와 다르게 4개의 거리를 모두 반영하여 4개의 거리를 반지름으로 적용한 가상의 원을 이용하면 더욱 정밀한 비콘(100)의 절대좌표를 구할 수 있으며, 만약 교차점이 여러 개인 경우에는 가장 많은 가상의 원이 교차(P1)한 지점을 상대좌표로 결정하면 된다.

다음, 경계설정단계(S130)에서는 드론(200)의 기체(D-B) 중심점을 나타내는 중심좌표와 드론(200)으로부터 가장 가까운 2개의 비콘(100)에 대한 상대좌표를 서로 연결한 가상의 삼각형을 '비행 기준면'으로 설정한다.

이러한 비행 기준면은 최초에 드론(200)이 지면에 착륙하여 대기 중인 상태에서 산출하는 것이 바람직하며, 비행 준비를 마치면 평면을 형성하는 삼각형 형상의 비행 기준면 내측에서 자율 비행이 시작된다.

즉, 드론(200)은 비행 기준면 외부로 벗어나지 않고 경계(즉, 가상의 펜스) 내에서 자율 비행을 하게 되므로, H/W 기반의 일반적인 원격 조종기 및 GPS의 도움 없이도 비행이 가능하며, 비행 기준면 내에서 특수한 임무를 수행할 수 있게 된다.

또한, 드론(200) 및 다수개의 비콘(100)들 중 어느 하나 이상은 평지가 아닌 언덕이나 시설물 등에 설치됨에 따라 서로 간에 고도가 다른 경우에는 이들을 연결한 삼각형 평면 즉, 비행 기준면 역시 지형에 따라 경사가 형성된다.

예컨대, 도 6의 (a)와 같이 종래에는 GPS 신호를 이용하여 드론(200)의 절대좌표만을 얻기 때문에 장애물과의 충돌이 일어날 수 있지만, 본 발명은 도 6의 (b)와 같이 지형이 반영된 비행 기준면을 비행 고도가 자동으로 결정되므로 장애물과의 충돌을 자연히 회피한다.

다만, 위에서는 드론(200)이 지면에 착륙한 상태(즉, 비행 준비 상태)에서 비행 기준면을 설정한 경우를 설명하였다. 그러나, 비콘(100)이 3개 이상이고 드론(200)이 자율 비행을 함에 따라 드론(200)으로부터 가장 가까운 2개의 비콘(100)이 변경되는 경우라면 비행 기준면 역시 실시간으로 변경하며 자율 비행을 하는 것이 바람직할 것이다.

다음, 자율 비행단계(S140)에서는 이상과 같이 결정된 비행 기준면 내에서 드론(200)이 미리 설정된 고도 및 경로를 따라 자율 비행한다.

나아가 비행 도중 비행 기준면이 변경됨에 따라 가장 인접한 비콘(100)을 기준으로 비행 기준면을 다시 산출하도록 설정된 경우에는 결국은 그 새로운 비콘(100)에 의한 경계 내에서 자율 비행을 한다.

자율 비행은 항공 방제(예: 농업용), 시설물/건물의 유지 보수나 검사, 군사/보안 지역의 항공 순찰 및 산업용 배송을 비롯한 각종 목적을 위해 적용될 수 있으며, 그 목적에 따라 경계를 설정하는 비콘(100)을 선택적으로 설치한다.

한편, 도 7과 같이 자율 비행단계(S140)에서는 상술한 비행 기준면을 고도가 '0'인 지면으로 인지하여 상승 또는 하강을 하며, 상승시에는 드론(200)으로부터 비콘(100)까지의 거리가 멀어지므로 상승 높이를 예측하여 제어할 수 있다.

반대로 하강시에는 드론(200)으로부터 비콘(100)까지의 거리가 가까워지므로 하강 높이를 예측할 수 있다. 나아가, 비행 기준면을 통과하여 그 아래로 내려가는 경우에는 하강을 위해 회전날개의 회전속도를 저감시킬 때 회전수나 회전속도에 마이너스(-) 곱 연산을 하여 하강 정도를 예측할 수 있다.

나아가, 도 8과 같이 드론(200)은 자율 비행시 다양한 루틴(routine)을 따라 비행할 수 있다. 예컨대, 도 8의 (a)와 같이 농업용 항공 방제를 하는 경우 등에는 비콘(100)의 경계 내에서 지그재그 패턴으로 자율 비행할 수 있다.

다른 실시예로써, 도 8의 (b)와 같이 시설물/건물을 감시하는 경우에는 각각의 시설물/건물에 비콘(100)을 설치함으로써, 드론(200)이 비콘(100)을 따라 즉 감시대상인 시설물/건물을 따라 웨이포인트(waypoint) 패턴으로 자율 비행할 수 있다.

또 다른 실시예로써, 도 8의 (c)와 같이 드론(200)을 이용하여 촬영을 하는 경우에는 고도 유지 후 연속 회전하거나 혹은 고도 상승 속도를 설정하여 나선형으로 상승하면서 주변 환경을 촬영하는 POI(Point of interest) 패턴으로 자율 비행을 할 수 있다.

다만, 이상과 같은 자율 비행단계(S140)가 실행 중 도 9와 같은 조종자의 원격 조종 단말기(예: 테블릿 PC 등 모바일 기기)로부터 제어 명령이 전송(S141)된 경우, 드론(200)은 상기 제어 명령을 우선하여 실행(S142)하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 원격 조종 단말기는 조이스틱이 탑재된 H/W 기반의 전문 조종기를 의미하는 것이 아니라 어플리케이션이 설치된 스마트폰이나 테블릿 PC와 같은 S/W 기반의 모바일 기기를 의미한다.

이와 같은 S/W 기반의 모바일 기기를 사용하는 경우, 일 예로 조작 편의성 및 사용자 친화적인 환경을 제공하도록 개인이 소지한 단말기를 사용할 수 있으며, 모바일 기기는 3.5 파이 스테레오 단자를 이용하여 제어 명령을 RF 송출한다.

또한, 위치 신호 송출 기능을 제공하는 비콘(100)으로써 착륙 지점 지정 비콘(100)을 더 포함하는 경우에는, 자율 비행 중 조종자의 제어 명령이 우선 실행되어 착륙 지점 지정 비콘(100)으로 자동 복귀하는 등 다양한 응용을 가능하게 한다. 물론 설정된 자율 비행 루틴에 따라 자동으로 착륙도 가능하다.

또한, 원격 조종 단말기는 드론(200) 정보 표시부, 카메라 촬영 영상 표시부, 컨트롤 및 모드 설정부, 지도 표기 및 그룹 선택부를 포함하며, 이들을 통해 비행 컨트롤은 물론 자율 비행 모드의 변경 등을 포함하며, 비행 상황이나 촬영 영상을 원격 조종 단말기를 통해 제공한다.

한편, 이상에서는 다수개의 비콘(100)과 드론(200)의 상대위치를 결정하고, 비콘(100)의 상대좌표를 통해 비행 구역을 설정하여 그 구역(경계) 내에서 드론(200)의 자율 비행이 이루어지는 것을 설명하였다.

그러나, 도 10과 같이 본 발명은 바람직한 다른 실시예로써, 평상시나 드론(200)의 비행 준비 중 혹은 드론(200)의 자율 비행 중 비콘 위치결정단계(S210), 비콘좌표 공유단계(S220) 및 비콘상태 알림단계(S230)를 더 실행할 수 있다.

따라서, 다수개의 비콘(100)들 서로 간의 상대위치를 결정하여 공유함으로써, 단독으로는 송출 거리에 한계가 있는 비콘(100)을 다수개 연동시킴으로써 장거리까지 경계 구역을 확대할 수 있다.

여기서, 상기 비콘 위치결정단계(S210)는 다수개의 비콘(100)들이 서로 상대위치를 분석하는 것으로, 우선 '선택된 하나의 비콘(100)'에 대해 인접한 '다른 비콘(100)'들의 거리를 모두 측정(S210a)한다.

거리측정 방법은 위에서 드론(200)과 비콘(100)간의 거리를 측정한 바와 같이 전파 송신 시간과 전파 수신 시간 사이의 시간차를 이용하여 산출할 수 있으며, 여기서는 장거리까지 비콘(100)의 경계를 확장하는 것이므로 적외선 거리 센서보다는 상술한 전파 송수신 방식을 채택한다.

비콘(100) 간 전파 송수신은 2.4Ghz ISM 밴드와 433Mhz LRS 밴드 등이 사용될 수 있으며, 전자의 경우 도달거리는 500~1000m으로 도달거리는 짧은 편이나 정확도가 높고, 후자의 경우 도달거리가 1~10km로 길지만 정확도가 떨어지는 단점이 있으며 유럽에서 활발히 사용하는 주파수이며, 국내 전파사용 승인계류 중에 있다.

다음, 비콘(100) 간 거리측정이 이루어진 후에는, 상기 선택된 하나의 비콘(100)으로부터 다른 비콘(100)들까지의 거리를 각각 반지름으로 하는 가상의 비콘 특정용 원을 다수개 작성하고, 가상의 비콘 특정용 원들의 교점(P2)을 선택된 하나의 비콘(100)의 상대좌표로 결정(S210b)한다.

예컨대, 도 11과 같이, 각 비콘(100)은 인접한 비콘(100)의 상대위치를 계산시, #1번 비콘(100)(상기 '선택된 하나의 비콘')은 #8번, #2번, #7번 비콘(100)(즉, 상기 인접한 '다른 비콘')의 위치를 계산한다. 같은 방식으로 #2번 비콘(100)은 #1번, #3번, #6번, #7번, #8번 비콘(100)의 위치를 계산한다.

구체적으로, #2번 비콘(100)의 위치는 #1번 비콘(100) 및 #8번 비콘(100)에서 #2번 비콘(100)까지의 거리를 각각 반지름으로 하는 가상의 원을 작도하여, 원의 교점(P2)의 위치를 #2번 비콘(100)의 상대위치로 인식하고, 이러한 과정을 다른 비콘(100)들에 대해 반복함으로써 모든 비콘(100)에 대한 상대위치를 특정한다.

다만, 도 11에서는 하나의 비콘(100)에 대해 인접한 2개의 비콘(100)에 대한 거리를 이용하여 가상의 원을 작성하고, 이들 원의 교점(P2)을 비콘(100)의 위치로 결정하였지만, 상대위치의 정밀도를 높이기 위해 인접한 3개 이상의 비콘(100)에 대해 위와 같은 상대위치 결정 방법을 적용할 수도 있음은 자명하다.

다음, 비콘좌표 공유단계(S220)에서는 선택된 하나의 비콘(100)의 상대좌표를 다른 비콘(100)들에 전송하여 모든 비콘(100)들이 서로 상대좌표를 공유한다. 즉 도 11의 경우 #2번 비콘(100)의 위치는 #1번 비콘(100) 및 #8번 비콘(100)에 기록된다.

위와 같이 전파 송출 거리에 한계가 있는 각각의 비콘(100)들 간 상대위치 정보를 공유하면, 본 발명은 모든 비콘(100)들의 설치 위치를 확인할 수 있는 맵(map)을 작성할 수 있게 되고, 비콘(100)들 간의 연동에 의해 장거리까지 경계를 확장할 수 있게 된다.

다음, 비콘상태 알림단계(S230)에서는 이상과 같이 상대위치의 추출을 시도한 다수개의 비콘(100)들 중 상대좌표를 특정할 수 없는 비콘(100)이나 통신이 이루어지지 않는 비콘(100)이 있을 경우 사용자의 원격 조종 단말기에 알린다.

따라서, 사용자는 드론(200)의 비행 준비중이나 혹은 자율 비행 중 상대좌표를 특정할 수 없는 비콘(100)이나 통신이 이루어지지 않는 비콘(100)이 발생시 사용자(예: 조종자)에게 경고를 보낸다. 이러한 감시는 일정 시간마다 반복 체크되며 이상시 실시간으로 사용자에게 알린다.

사용자는 경고를 수신 후 해당 비콘(100)을 제외할지 혹은 드론(200)의 비행을 보류할지 결정할 수 있다. 나아가, 비행 중 비콘(100)의 통신이 끊기거나 통신 신호에 오류가 발생하면 비행을 일시 중단하고 공중에서 정지한 상태로 대기한다. 그 후 설정된 시간 동안 복원되지 않는다면 사전에 설정된 고도를 따라 시작점(즉, 이륙지점)으로 자동복귀할 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 드론의 자율 비행 시스템에 대해 설명한다.

도 12 및 도 13은 본 발명에 따른 드론의 자율 비행 시스템을 도시한 것으로, 본 발명은 위치 신호 송출 장치인 비콘(100) 및 상기 비콘(100)과의 상대위치를 분석하여 자율 비행이 이루어지는 드론(200)을 포함한다.

도 12와 같이, 비콘(100)은 넓은 범위에 걸쳐 경계를 설정하도록 다수개이며, 각각 비콘용 송출장치(110), 비콘용 거리측정장치(120), 비콘용 위치측정모듈(130), ID 저장부(140), 좌표 저장부(150) 및 배터리 제어부(160)를 포함한다.

이러한 비콘(100)은 최근에는 블루투스 저에너지(BLE) 기술을 기반으로 근거리 내의 스마트 기기를 감지하고 각종 정보와 서비스를 제공하는 근거리 데이터 통신 기술을 의미하는 좁은 의미로 사용되고 있다.

그러나, 본 발명에서는 이보다 넓은 의미로 사용되는 것으로, 원래의 의미와 같이 지상에서 송출되는 전파를 드론(200)에서 수신하여, 위치를 비롯한 각종 정보를 취득하기 위한 기기로써 제공된다.

이때, 상기 비콘용 송출장치(110)는 고유의 ID가 포함된 위치 신호를 송출한다. 다만, 비콘용 송출장치(110)는 송신 기능 이외에 수신 기능까지 포함된 송수신부(110)로써 사용되는 것이 바람직하다.

즉, 송신장치(110)와 수신장치를 각각 별개로 구비할 수 있지만, 이들을 일체화한 송수신부(110)가 사용될 수 있으며, 송신장치, 수신장치, 송수신부는 어느 것이나 공지의 RF 안테나 및 RF 프론트 앤드 모듈을 포함한다.

비콘용 거리측정장치(120)는 인접한 다른 비콘(100)에서 송출된 위치 신호를 각각 수신하여 다른 비콘(100)까지의 거리를 각각 측정한다. 측정된 비콘(100)간 거리 데이터는 후술할 드론용 위치특정모듈(220)에 제공된다.

비콘용 위치특정모듈(130)은 상기 인접한 다른 비콘(100)들까지의 거리를 각각 반지름으로 하는 가상의 비콘 특정용 원을 다수개 작성하고, 도 11에서 설명한 바와 같이 가상의 비콘 특정용 원들의 교점(P2)을 자신의 상대좌표로 결정한다.

ID 저장부(140)는 비콘(100)의 ID를 저장한다. 저장된 비콘(100)의 ID는 비콘용 송출장치(110)를 통해 자신의 위치 신호를 송출시 상기 송출신호와 함께 전송된다. 따라서, 드론(200)이나 다른 비콘(100)과의 거리측정이나 상대위치를 추출하는데 사용된다.

이러한 비콘(100)의 ID는 도 1과 같은 조작버튼(KEY)을 통해 설정할 수 있으며, 조작버튼(KEY)을 통해 비콘(100)의 ID(예: 비콘 번호나 명칭)를 설정하면 다수개의 비콘(100)을 쉽게 구분할 수 있다. 비콘(100)의 ID를 별도로 설정하지 않은 경우에는 초기에 설정된 ID가 그대로 사용된다.

좌표 저장부(150)는 드론용 위치특정모듈(220)에서 특정한 각각의 비콘(100)에 대한 비콘(100)간 상대위치를 저장한다. 상대위치를 저장시 하나의 비콘(100)은 자신은 물론 다른 비콘(100) 모두에 대한 상대위치를 저장하며, 필요시에는 드론(200)의 현재 위치 역시 저장할 수 있다.

배터리 제어부(160)는 충전 회로 및 과충전 보호회로 등을 포함하며, 비콘(100)에 탑재된 배터리의 사용 및 충전을 효율적으로 제어한다. 특히, 비콘(100)에 태양 전지판(S)이 설치된 경우에는 주간에 2차 전지를 충전하였다가 이를 동작 전원으로 사용할 수 있게 한다.

위에서 설명을 생략한 비콘용 MCU(170)는 상술한 비콘(100)의 구성 부품 즉, 비콘용 송출장치(110), 비콘용 거리측정장치(120), 비콘용 위치측정모듈(130), ID 저장부(140), 좌표 저장부(150) 및 배터리 제어부(160)의 전반적인 제어를 한다.

다음, 도 13과 같이, 드론(200)은 비콘(100)에 의해 결정된 경계 내에서 자율 비행이 이루어지는 것으로, 드론용 거리측정장치(210), 드론용 위치특정모듈(220), 경계설정모듈(230), 비행제어모듈(240), 비행모드설정부(250) 및 드론용 송수신부(260)를 포함한다.

이때, 드론용 거리측정장치(210)는 비콘(100)에서 송출된 위치 신호를 수신하여 다수개의 비콘(100)까지의 거리를 측정하는 것으로 정밀도 향상을 위해 다수개 구비되며, 이에 의해 추출된 거리측정 데이터는 후술할 드론용 위치특정모듈(220)에 제공된다.

구체적으로, 비콘(100)은 드론(200)이 자율 비행하는 경계를 설정하도록 N개 설치되고, 드론용 거리측정장치(210)는 정밀한 거리측정을 위해 하나의 드론(200)에 n개 설치되어, N:n으로 거리측정이 이루어진다.

드론용 위치특정모듈(220)은 상기 비콘(100)까지의 거리를 이용하는 위치측량 프로세서를 실행하여 드론(200)을 기준으로 다수개의 비콘(100)에 대한 상대좌표를 각각 특정한다.

일 예로 드론용 위치특정모듈(220)은 드론(200)에 설치된 다수개의 드론용 거리측정장치(210)로부터 비콘(100)까지의 거리를 각각 반지름으로 하는 가상의 드론 특정용 원을 다수개 작성한다.

도 4에서 설명한 바와 같이, 가상의 드론 특정용 원은 일 예로 드론(200)의 기체(D-B) 중심을 원점으로 하는 것이 바람직하며, 모든 가상의 원이 동시에 교차하는 가상의 드론 특정용 원들의 교점(P1)을 비콘(100)의 상대좌표로 결정한다.

경계설정모듈(230)은 드론(200)의 기체(D-B) 중심점을 나타내는 중심좌표와 드론(200)으로부터 가장 가까운 2개의 비콘(100)에 대한 상대좌표를 서로 연결한 가상의 삼각형을 '비행 기준면'으로 설정한다.

일 예로, 드론(200)의 기체(D-B) 중심점을 나타내는 중심좌표와 드론(200)으로부터 가장 가까운 2개의 비콘(100)에 대한 상대좌표를 서로 연결한 가상의 삼각형을 '비행 기준면'으로 설정한다.

비행제어모듈(240)은 비행 기준면 내에서 드론(200)이 미리 설정된 고도 및 경로를 따라 자율 비행을 제어한다. 또한 자율 비행중 사용자가 원격 드론(200) 조정기를 통해 제어 명령을 전송하며 이를 실행한다.

비행모드설정부(250)는 드론(200)의 자율 비행을 설정하는 것으로, 비콘(100)의 설치 장소 및 비행 목적에 따라 다양한 패턴의 자율 비행 경로를 저장하여 상기 비행제어모듈(240)에 제공한다.

예컨대, 위에서 도 8을 통해 설명한 바와 같이 지그재그 패턴이나, 웨이포인트(waypoint) 패턴이나, 혹은 POI(Point of interest) 패턴으로 자율 비행을 하는 루틴을 제공하며, 사용자에 의해 자율 비행 패턴 선택 및 설정이 가능하다.

드론용 송수신부(260)는 비콘(100)이나 원격 조종 단말기(모바일 단말기) 등과의 통신을 위한 것으로, 바람직하게 드론용 송수신부(260)는 드론용 거리측정장치(210)와 일체로 제작될 수 있다.

이러한 드론용 송수신부(260)는 특히 드론(200)과 비콘(100)의 상대위치를 결정하여 비행 기준면을 추출하기 위한 신호 송수신 및 비행 중 비콘(100)과의 상대위치에 따라 비행 방향 및 고도 등을 산출하는데 사용된다.

또한, 사용자가 S/W 기반의 테블릿 PC 등 원격 드론(200) 조종기를 이용하여 드론(200)을 직접 제어하는 경우에는 상기 원격 드론(200) 조종기로부터 제어 명령을 전송받고, 반대로 드론(200)이 공중에서 촬영한 영상 등을 원격 드론(200) 조종기에 전송한다.

또한, 위와 같은 본 발명의 특징적인 구성 이외에 일반적인 드론(200)과 마찬가지로 GPS 신호를 사용하여 보조적(혹은 병행적)으로 위치 정보를 제공받는 경우에는 GPS 신호를 송수신하는 등 복합적인 기능을 수행한다.

위에서 설명을 생략한 드론용 MCU(270)는 상술한 드론(200)을 구성하는 드론용 거리측정장치(210), 드론용 위치특정모듈(220), 경계설정모듈(230), 비행제어모듈(240), 비행모드설정부(250) 및 드론용 송수신부(260)의 전반적인 제어를 한다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

100: 비콘
110: 비콘용 송출장치
120: 비콘용 거리측정장치
130: 비콘용 위치측정모듈
140: ID 저장부
150: 좌표 저장부
160: 배터리 제어부
200: 드론
210: 드론용 거리측정장치
220: 드론용 위치특정모듈
230: 경계설정모듈
240: 비행제어모듈
250: 비행모드설정부
260: 드론용 송수신부
P1, P2: 교점

Claims

위치 신호 송출 장치인 비콘(beacon)과의 상대위치를 분석하여 자율 비행이 이루어지는 드론의 자율 비행 방법에 있어서,
드론(200)에 설치된 다수개의 드론용 거리측정장치(210)를 이용하여 각각의 상기 드론용 거리측정장치(210)로부터 다수개의 비콘(100)까지의 거리를 각각 측정하는 드론 거리측정단계(S110)와;
상기 비콘(100)까지의 거리를 이용하는 위치측량 프로세서를 실행하여 상기 드론(200)을 기준으로 다수개의 비콘(100)에 대한 상대좌표를 각각 특정하는 드론 위치결정단계(S120)와;
상기 드론(200)의 기체(D-B) 중심점을 나타내는 중심좌표와 상기 드론(200)으로부터 가장 가까운 2개의 비콘(100)에 대한 상대좌표를 서로 연결한 가상의 삼각형을 비행 기준면으로 설정하는 경계설정단계(S130); 및
상기 비행 기준면 내에서 상기 드론(200)이 미리 설정된 고도 및 경로를 따라 자율 비행하는 자율 비행단계(S140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 자율 비행 방법.
제1항에 있어서,
상기 드론 위치결정단계(S120)에서,
상기 위치측량 프로세서는 상기 드론(200)에 설치된 다수개의 드론용 거리측정장치(210)로부터 비콘(100)까지의 거리를 각각 반지름으로 하는 가상의 드론 특정용 원(circle)을 다수개 작성하고, 상기 가상의 드론 특정용 원들의 교점(P1)을 상기 비콘(100)의 상대좌표로 결정하는 것을 특징으로 하는 드론의 자율 비행 방법.
제2항에 있어서,
상기 경계설정단계(S130)에서,
상기 비콘(100)이 3개 이상인 경우, 상기 드론(200)이 자율 비행을 함에 따라 상기 드론(200)으로부터 가장 가까운 2개의 비콘(100)이 변경되면 상기 비행 기준면을 실시간으로 변경하는 것을 특징으로 하는 드론의 자율 비행 방법.
제3항에 있어서,
상기 자율 비행단계(S140)에서,
상기 드론(200)의 자율 비행 중 조종자의 원격 조종 단말기로부터 제어 명령이 전송된 경우, 상기 드론(200)은 상기 제어 명령을 우선하여 실행하는 것을 특징으로 하는 드론의 자율 비행 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 다수개의 비콘(100)들이 서로 상대위치를 분석하는 비콘 위치결정단계(S210)를 더 포함하되,
상기 비콘 위치결정단계(S210)에서,
선택된 하나의 비콘(100)에 인접한 다른 비콘(100)들의 거리를 측정(S210a)하고,
상기 선택된 하나의 비콘(100)으로부터 다른 비콘(100)들까지의 거리를 각각 반지름으로 하는 가상의 비콘 특정용 원을 다수개 작성하여, 상기 가상의 비콘 특정용 원들의 교점(P2)을 상기 선택된 하나의 비콘(100)의 상대좌표로 결정(S210b)하는 것을 특징으로 하는 드론의 자율 비행 방법.
제5항에 있어서,
상기 선택된 하나의 비콘(100)의 상대좌표를 다른 비콘(100)들에 전송하여 모든 비콘(100)들이 서로 상대좌표를 공유하는 비콘좌표 공유단계(S220)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 자율 비행 방법.
제6항에 있어서,
상기 다수개의 비콘(100)들 중 상기 상대좌표를 특정할 수 없는 비콘(100)이나 상대좌표를 산출하기 위한 통신이 이루어지지 않는 비콘(100)이 있을 경우 사용자의 원격 조종 단말기에 알리는 비콘상태 알림단계(S230)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 자율 비행 방법.
위치 신호 송출 장치인 비콘 및 상기 비콘과의 상대위치를 분석하여 자율 비행이 이루어지는 드론을 포함한 드론의 자율 비행 시스템에 있어서,
상기 비콘(100)은 다수개이며, 각각 고유의 ID가 포함된 위치 신호를 송출하는 비콘용 송출장치(110)를 포함하고,
상기 드론(200)은,
상기 비콘(100)에서 송출된 위치 신호를 수신하여 상기 다수개의 비콘(100)까지의 거리를 각각 측정하는 다수개의 드론용 거리측정장치(210)와;
상기 비콘(100)까지의 거리를 이용하는 위치측량 프로세서를 실행하여 상기 드론(200)을 기준으로 다수개의 비콘(100)에 대한 상대좌표를 각각 특정하는 드론용 위치특정모듈(220)과;
상기 드론(200)의 기체(D-B) 중심점을 나타내는 중심좌표와 상기 드론(200)으로부터 가장 가까운 2개의 비콘(100)에 대한 상대좌표를 서로 연결한 가상의 삼각형을 비행 기준면으로 설정하는 경계설정모듈(230); 및
상기 비행 기준면 내에서 상기 드론(200)이 미리 설정된 고도 및 경로를 따라 자율 비행을 제어하는 비행제어모듈(240);을 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 자율 비행 시스템.
제8항에 있어서,
상기 비콘(100)은,
인접한 다른 비콘(100)에서 송출된 위치 신호를 각각 수신하여 상기 다른 비콘(100)까지의 거리를 각각 측정하는 비콘용 거리측정장치(120); 및
상기 인접한 다른 비콘(100)들까지의 거리를 각각 반지름으로 하는 가상의 비콘 특정용 원을 다수개 작성하고, 상기 가상의 비콘 특정용 원들의 교점을 자신의 상대좌표로 결정하는 비콘용 위치특정모듈(130);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드론의 자율 비행 시스템.