KR20180038231A - 멀티 드론 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 의한 멀티 드론 제어 시스템은 드론 및 조종자에 관한 개별정보, 드론의 실시간 모니터링 정보 및 해당 지역의 비행 정책 정보를 분석하고, 분석에 따라 드론 제어 명령을 생성하는 가상화 서버 및 드론의 실시간 모니터링 정보를 수렴하여 가상화 서버에 전달하고, 드론 제어 명령에 따라 드론의 비행을 제어하는 가상 드론 에이전트를 포함한다.

Description

멀티 드론 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROL OF MULTI DRONE}
본 발명은 멀티 드론 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 드론 조종 단말의 조종 데이터와 드론의 상태 정보 및 조종자 개별 정보를 파악하여 위험 요인을 사전에 차단하거나 제한된 조건에서 멀티 드론을 운영하는 멀티 드론 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
소위 드론이라고 불리는 무인 항공기는 조종사가 탑승하지 않고 원격 조종 또는 자동 조종을 통해 임무를 수행할 수 있는 비행체를 의미한다. 미 국방장관실(OSD, Office of the Secretary of Defense)이 발간한 UAV 로드맵에 따르면, 드론을“인간 조종사를 태우지 않고, 공기 역학적 힘을 사용하여 자율적 혹은 원격 조종을 통해 비행하며, 일회용 또는 재사용할 수 있고, 치명적 또는 비 치명적인 화물을 탑재할 수 있는 동력 비행체를 의미한다.
드론의 시작은 전투 및 정찰을 위한 군사적 용도로 사용되었지만 최근에는 민간에서도 농업, 산불감시 및 진화, 배송, 물류, 통신, 촬영, 재난상황 대처, 연구개발 등 다양한 분야에서 활용 중이며 점차 시장과 영역을 넓혀 나가고 있다.
드론 시스템이 다양한 분야에서 각광받는 이유는 원격 조종이 가능하고 드론에 부가적인 기기를 부착하여 운용할 수 있기 때문이다. 부가적인 기기들은 작게는 온도나 조도센서, 산소 및 이산화탄소 농도센서를 비롯하여 GPS, 카메라, 초음파 장비까지 필요에 따라 선택할 수 있다. 무선통신으로 드론은 사진이나 동영상 등의 임무수행 결과를 지상으로 전송할 수 있고, 지상관제시스템은 원격 측정(Telemetry)을 통해 측정한 센서 값을 확인하거나 조정할 수 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1636478호(2015년2월26일, “드론 네트워크의 핸드 오버 제어 방법”)
본 발명의 첫 번째 과제는 기존의 드론 및 조종 프로그램의 변경이나 개조 없이, 조종 프로그램과 드론과의 네트워크 단절이 일어나더라도 드론을 안전하게 운용할 수 있는 멀티 드론 제어 시스템을 제공하는데 있다.
두 번째 과제는 드론과 조종자의 개별정보, 조종 단말의 명령 및 드론의 실시간 모니터링 비행 정보를 고려하여 위험 요인을 사전에 차단하거나 제한된 조건에서 멀티 드론을 운용하는 멀티 드론 제어 시스템을 제공하는데 있다.
세 번째 과제는 멀티 드론과 멀티 조종자 환경에 필요한 네트워크 구축을 위해 패킷 손실이 적고, 접속 안정성이 높은 드론, 가상화 서버 및 조종 단말의 각 포인트별 특정한 메쉬업 네트워크 구축을 위한 멀티 드론 제어 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 멀티 드론 제어 시스템은 드론 및 조종자에 관한 개별정보, 상기 드론의 실시간 모니터링 정보 및 해당 지역의 비행 정책 정보를 분석하고, 상기 분석에 따라 드론 제어 명령을 생성하는 가상화 서버 및 상기 드론의 실시간 모니터링 정보를 수렴하여 상기 가상화 서버에 전달하고, 상기 드론 제어 명령에 따라 상기 드론의 비행을 제어하는 가상 드론 에이전트를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 가상화 서버는 비행 허용 구역인 실제 공간에 대한 가상 공간을 정의하고, 상기 드론 및 조종자의 개별정보 및 실시간 비행 모니터링 정보와 상기 가상 공간을 기반으로 해당 드론 시뮬레이터를 실시간으로 생성한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 조종자 개별정보는 조종자의 개인정보, 드론 비행 자격 유무, 조종자의 드론 비행 경력, 드론 운행 년차, 드론 운행 횟수, 드론 비행 시 사고 이력, 드론 비행 대회 진출 이력, 드론 비행 테스트 레벨, 등급 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 드론 개별정보는 드론의 명칭, 제조사, 운행 성능표, 드론의 노후 정도 및 드론의 개조유무, 드론의 무게, 크기, 날개개수, 탑재된 카메라의 화소 및 화질, 최대주행가능거리, 배터리 지속시간 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 가상화 서버는 드론 비행 허가 구역을 드론 등급별로 액세스 가능한 등급별 비행 구역으로 나누어 관리하고, 위험요소에 인접한 구역일수록 높은 등급의 드론들에 대해서만 비행을 허용하고, 상대적으로 안전한 구역일수록 낮은 등급의 드론들에 대해서만 비행을 허용한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 가상 드론 에이전트는 서로 다른 복수의 상용 드론의 명령구문을 해석하기 위해 드론의 제조사별로 상이한 명령체계에 따라 실시간으로 상기 가상화 서버로부터 해당 프로토콜을 지원받는다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 가상 드론 에이전트는 상기 드론의 실시간 위치 정보, 비행 제한 구역 이탈, 타 드론과의 충돌, 제한 구역 침범, 비행 조종 미숙 중 적어도 하나를 탐지한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 드론의 실시간 모니터링 정보는 상기 드론에 탑재된 실시간 위치 추적 시스템(RTLS), 카메라, GPS/Navigation, 자이로 센서(Gyro), 가속도 센서(Accelerator) 중 적어도 하나의 데이터로부터 획득한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 의한 드론은 조종 단말 또는 가상 드론 에이전트로부터 명령을 수신하고, 드론의 모니터링 정보를 상기 가상 드론 에이전트로 전송하는 통신부와, 상기 통신부를 통해 수신된 데이터를 소프트웨어 정의 네트워크(SDN)를 기반으로 가공하여 변환된 전송방식으로 처리하는 브릿지 모듈 및 상기 브릿지 모듈로부터 수신된 명령에 따라 드론 비행을 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 통신부는 상기 조종 단말 또는 상기 가상 드론 에이전트와 블루투스 네트워크로 연결되고, 상기 브릿지 모듈은 Bluetooth to WiFi Data converter module로 구성된다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 브릿지 모듈은 상기 조종 단말 또는 상기 가상 드론 에이전트에서 보낸 1단위의 비동기 명령을 와이파이 데이터로 변환하여, 상기 명령을 완수할 때까지 지속적인 신호를 상기 제어부에 발신한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 상기 드론으로부터 상기 조종 단말 또는 상기 가상 드론 에이전트 간의 거리가 100m 이상 3Km 이내의 원거리일 경우, 멀티 드론을 메인 드론 및 서브 드론으로 구분하고, 상기 메인 드론은 상기 조종 단말 또는 상기 가상 드론 에이전트와 WiFi를 통해 연결되고, 상기 서브 드론은 상기 메인 드론과 UWB(Ultra-wideband communication)-UWB(또는 LTE Direct-LTE Direct)인 메쉬업(Mesh up) 비동기 네트워크로 연결되어, 상기 메인 드론으로부터 명령을 수신하여 공유한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 제어부는 상기 조종 단말의 명령보다 상기 가상 드론 에이전트로부터 수신된 명령을 우선적으로 실행하도록 설계된다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 의한 멀티 드론 제어 방법은, 가상 드론 에이전트가 드론의 통신부 또는 조종 단말로부터 수신한 비행 모니터링 정보를 가상화 서버로 전달하는 단계와, 상기 가상화 서버가 상기 비행 모니터링 정보를 분석하여 비행 제어 신호를 생성하고, 상기 비행 제어 신호를 상기 가상 드론 에이전트로 전달하는 단계와, 상기 가상 드론 에이전트가 상기 비행 제어 신호를 상기 드론의 통신부로 전달하는 단계 및 상기 드론의 통신부가 상기 비행 제어 신호를 변환하여 상기 드론 내에 구비된 브릿지 모듈에 전달하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 상기 드론의 통신부와 상기 드론 내에 구비된 브릿지 모듈은, 최대 대역폭 확보를 위해 WiFi 또는 WiFi-D 방식으로 연결된다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 상기 통신부와 상기 가상 드론 에이전트는 블루투스 네트워크로 연결되고, 상기 브릿지 모듈은 상기 블루투스 신호를 와이파이 신호로 변환한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 상기 가상 드론 에이전트와 상기 가상화 서버 간의 연결은, 맥 어드레스(Mac Address)를 통해 키(key)값을 조회함으로써 연결되고, WiFi/Local LAN/3G/4G/LTE 중 적어도 하나를 통해 연결된다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 상기 가상 드론 에이전트는, 여러 드론의 연결 또는 연결 해제를 위해 상기 가상 드론 에이전트와 상기 조종 단말 간의 연결에 따라 패킷 중계 데몬을 동적으로 생성 또는 폐기하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 상기 가상 드론 에이전트는, 여러 대의 드론이 상기 가상 드론 에이전트에 동시에 접근할 경우, 시간 우선 쟁탈 방식으로 상기 패킷 중계 데몬을 취득하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 상기 브릿지 모듈과 상기 가상 드론 에이전트는, 지연시간이 미리 설정된 소정 시간 이내가 되도록 상기 비행 모니터링 정보를 전송하는 조건에 만족하고, 상기 드론에서 생성된 고용량 컨텐츠 데이터의 저장 위치 지정에 따라서 연결된다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 상기 가상 드론 에이전트와 상기 브릿지 모듈과의 1:N의 연결을 위해, 상기 가상 드론 에이전트와 상기 가상화 서버 간의 연결을 통해 상기 가상 드론 에이전트에 생성된 패킷 중계 데몬과 상기 브릿지 모듈이 연결된다.
본 발명의 일실시 예에 따르면, 기존의 드론 및 조종 프로그램의 변경이나 개조 없이, 조종 프로그램과 드론과의 네트워크 단절이 일어나더라도 드론을 안전하게 운용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시 예에 따르면, 드론과 조종자의 개별정보, 조종 단말의 명령 및 드론의 실시간 모니터링 비행 정보를 고려하여 위험 요인을 사전에 차단하거나 제한된 조건에서 멀티 드론을 운영할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일실시 예에 따르면, 멀티 드론과 멀티 조종자 환경에 필요한 네트워크 구축을 위해 패킷 손실이 적고, 접속 안정성이 높은 드론, 가상화 서버 및 조종 단말의 각 포인트별 특정한 메쉬업 네트워크를 구축하기 위한 동적 소프트웨어 정의 네트워크를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 멀티 드론 제어 시스템의 개괄적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따라 정의된 가상 공간을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 드론의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 근거리 네트워크를 위한 통신 구축 기술을 설명하기 위한 예시 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 원거리 네트워크를 위한 통신 구축 기술을 설명하기 위한 예시 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 동적 소프트웨어 정의 네트워크의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 모듈 간의 연결 방법을 도시한 도면이다.
본 발명의 실시 예들을 설명하기에 앞서, 기존의 드론 운용 실태의 문제점들을 검토한 후, 이들 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 실시 예들이 채택하고 있는 기술적 수단을 개괄적으로 소개하도록 한다.
드론의 대중화로 전국에 드론 공원 및 드론 비행장과 같은 드론 전용 공간이 우후죽순으로 생기고 있으나, 드론 비행을 제어하거나 규제하는 시스템의 개발은 전무한 상황이다.
또한, 상용 기성품 드론 제작 회사에서 제공하는 조종 프로그램 대부분은 스마트 폰을 통해 사용되는데, 스마트 폰이 드론과 연결된 상태에서는 외부와의 데이터 네트워크는 완전히 차단될 뿐만 아니라, 폰 특성상 전화가 왔을 경우, 네트워크 변경으로 인해 드론 조종 단말로서의 제어권을 상실하게 되기 때문에 드론 비행운용에 위험한 단점이 있다.
따라서, 현재 일반인의 드론 운영은 사용자의 정성적 상식에 의존할 수밖에 없는 상황이며, 타인의 프라이버시 침해, 드론의 비행 범위 이탈 및 추락으로 인한 사고 및 고의적 테러의 도구로 사용될 수 있는 위험이 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예들은 드론과 조종자의 개별정보, 조종 단말의 명령 및 드론의 실시간 모니터링 비행 정보를 고려하여 위험 요인을 사전에 차단하거나 제한된 조건에서 운영하는 기술적 수단을 제안한다.
더불어, 본 발명의 실시 예들은 멀티 드론과 멀티 조종자 환경에 필요한 네트워크 구축을 위해 패킷 손실이 적고, 접속 안정성이 높은 드론, 가상화 서버 및 조종 단말의 각 포인트별 특정한 메쉬업 네트워크 구축을 위한 동적 소프트웨어 정의 네트워크를 제안한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 드론 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 멀티 드론 제어 시스템은 가상화 서버(100) 및 가상 드론 에이전트(200)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 멀티 드론 제어 시스템은 단일 기술로 구현이 어려우며, 융복합 기술을 사용하여 구축된 기술 셋(set)으로 구성된다.
가상화 서버(100)는 먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 비행 허용 구간인 실제 공간에 대해 가상의 공간을 정의하고, 가상 드론 에이전트(200, 210, 230)를 운영한다.
가상화 서버(100)는 패킷을 직접 처리하고, 동적 소프트웨어 정의 네트워크(Dynamic SDN: Software define network)를 정의하기 위해, 서버 자체가 AP 시뮬레이터(Access Point Simulator) 모듈을 탑재하고 있다. 동적 소프트웨어 정의 네트워크에 대해서는 하기에서 상세히 설명하기로 한다.
가상화 서버(100)는 드론 조종자가 사전에 등록한 조종자 개별정보 및 드론 개별정보를 받아 실시간으로 드론 에이전트(200)를 생성한다.
가상화 서버(100)는 예를 들어, 클라우드 시스템으로 구현될 수 있고, 조종자가 드론 등록 시 입력한 조종자 개별정보, 드론 개별정보 및 해당 지역의 비행 정책 정보를 클라우드 서버에 저장할 수 있다.
여기서, 조종자 개별정보는 조종자의 개인정보, 드론 비행 자격 유무, 조종자의 드론 비행 경력 등을 포함할 수 있다. 또한, 조종자 개별정보는 드론 운행 년차, 드론 운행 횟수, 드론 비행 시 사고 이력, 드론 비행 대회 진출 이력, 드론 비행 테스트 레벨, 등급 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
그리고, 드론 개별정보는 드론의 등록정보(명칭, 제조사, 운행 성능표 등을 포함), 드론의 노후 정도 및 드론의 개조유무 등을 포함할 수 있다. 또한, 드론 개별정보는 구체적인 드론의 사양 즉, 드론의 무게, 크기, 날개개수, 탑재된 카메라의 화소 및 화질, 최대주행가능거리, 배터리 지속시간 등의 정보를 포함할 수 있다.
해당 지역의 비행 정책 정보는 비행 제한 고도 및 비행 제한 최고 속도 등을 포함할 수 있다.
특히, 가상화 서버(100)는 위와 같은 조종자 개별정보 및 드론 개별정보에 따라 멀티 드론을 몇 개의 등급으로 나누고, 드론 등급에 따라 조종 단말 및 드론의 비행에 대해 차별적인 관제를 운용할 수 있다.
이때, 가상화 서버(100)는 가상화된 비행 구역에 등록하는 드론 및 조종자의 개별정보와 실시간 비행 모니터링 정보를 기반으로 해당 드론 시뮬레이터를 실시간으로 생성할 수 있다. 또한, 가상화된 비행 구역에서 드론이 철수됨에 따라 해당 드론 시뮬레이터를 소멸할 수도 있다.
이를 위해, 가상화 서버(100)는 가상화된 비행구역이 표시된 영상에 실제 드론들의 비행을 영상화하여 표시할 수 있고, 각 드론들의 개별정보나 실시간 모니터링 정보에 대한 내용을 함께 표시하여 나타낼 수 있다.
구체적인 예를 들면, 멀티 드론으로 아크로벳을 실행하거나, 복수의 드론을 조 단위로 나누어 비행하거나, 훈련 및 공공/군의 목적으로 멀티 드론을 운용할 시, 조종자의 운행 능력, 드론의 사양이나 성능이 비슷한 드론들, 즉 동일한 등급의 드론들끼리 모아서 관제함으로써, 효율적이고 보다 안전한 드론 운용을 실행할 수 있다. 이때, 드론의 등급에 따라 멀티 드론을 서로 다른 가상의 공간에 분리하여 비행을 통제할 수 있다.
또한, 장거리 비행을 목적으로 멀티 드론을 운용할 시, 장거리 비행에 필요한 주요 요건인 배터리 지속시간, 모터 사양, 최대주행가능 거리, 조종자의 운행 능력을 기준으로 드론을 등급별로 나누어 동일한 등급끼리 드론들을 나누어 운용할 수 있다.
아울러, 드론 비행 허가 구역을 드론 등급별로 액세스 가능한 등급별 비행 구역으로 나누어 관리함으로써, 드론 비행의 혼선을 방지할 수 있다. 여기서, 드론 비행 허가 구역을 드론 등급별로 나눌 때, 송전탑이나 위험 건물 등과 같은 위험요소에 인접한 구역일수록 높은 등급의 드론들에 대해서만 비행을 허용하고, 상대적으로 안전한 구역일수록 낮은 등급의 드론들에 대해서만 비행을 허용함으로써, 보다 안전하고 효율적으로 멀티 드론을 운용할 수 있다.
드론 조종 단말(400)은 가상화 서버(100)의 AP를 통해 가상 드론 에이전트(200)에 1:1로 매칭되어 연결된다. 도 2에서와 같이 GPS(또는 실내 겸용을 위해 실시간 위치 추적 시스템(RTLS: Real time locating system) 좌표를 이용한 가상 공간 선언 서비스가 동작한다.
가상 드론 에이전트(200)는 조종 단말(400)로부터 조종자가 드론(300)에 보내는 명령을 수렴한다. 가상 드론 에이전트(200)는 여러 상용 드론의 명령구문을 해석하기 위해 프로토콜이 정의되어 있다. 이를 위해, 가상 드론 에이전트(200)는 드론의 제조사별로 상이한 명령체계에 따라 실시간으로 가상화 서버(100)로부터 해당 프로토콜을 지원받을 수 있다.
또한 가상 드론 에이전트(200)는 아날로그 신호와 디지털 신호를 변환하고 전달하기 위해 A-D, D-A 프로토콜 컴포넌트를 가지고 있다.
가상 드론 에이전트(200)는 예를 들어, Parrot군(유럽회사), DJI군(중국회사), DIY(자작 또는 기타) 등으로 명령에 따른 신호에 따라 Digital to Digital, Analog to Digital, Digital to Analog 형태로 명령 데이터를 변환한다.
가상 드론 에이전트(200)는 조종 단말(400)의 조종 정보, 조종 명령 데이터, 조종 시간 및 드론(300)의 실시간 비행, 위치 및 상태 등에 대해 실시간으로 모니터링하고, 실시간 모니터링 정보를 가상화 서버(100)로 전달한다.
또한, 가상 드론 에이전트(200)는 드론(300)에 대한 등록증 정보, 조종자 및 드론의 개별정보 등을 가상화 서버(100)로부터 확인할 수 있다.
구체적으로, 가상 드론 에이전트(200)는 드론(300)의 비행 제한 구역 이탈, 타 드론과의 충돌, 제한 구역 침범, 비행 조종 미숙 등을 탐지한다.
여기서 비행 제한 사항은 가상 비행 공간 영역 이내에서 비행해야 하는 규칙뿐만 아니라, 비행 속도, 비행 높이 및 총 비행 거리 등에 대해서도 제한 사항이 설정될 수 있다.
조종 단말(400)의 조종 정보는 Roll, Pitch, Yaw, Power 등의 조종 신호를 포함할 수 있다.
가상 드론 에이전트(200)는 드론(200)과의 통신에서 드론의 실시간 위치 정보를 수렴한다. 위치정보는 고도, 경도 및 위도를 포함하고, 좌표로 나타낼 수 있다. 또한, 가상 드론 에이전트(200)는 드론(300)의 상태 정보를 드론(200)에 탑재된 실시간 위치 추적 시스템(RTLS), 카메라, GPS/Navigation, 자이로 센서(Gyro), 가속도 센서(Accelerator) 등의 데이터를 수신하여 획득할 수 있다.
가상 드론 에이전트(200)는 드론(200)의 이상 비행, 조종 단말(400)의 이상 조종 명령이 탐지된 경우, 드론(200)을 비행 허용 구역 내에 머무르도록 제어하거나, 비행을 중지시키고 드론(200)을 착륙시킬 수 있다. 이는 가상화 서버(100)로부터 수신된 제어 명령에 따르는 실행일 수 있다.
멀티 드론의 안전, 보안을 위한 운행 및 군집 제어를 위해 드론(200) 및 조종 단말(400)은 조종 단말(400)의 명령보다 가상 드론 에이전트(200)의 명령을 우선적으로 실행하도록 설계될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 드론(300)의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 드론(300)은 제어부(310), 통신부(320), 브릿지 모듈(330), GPS 모듈(340), GYRO/ACCEL 모듈(350), 카메라 모듈(360) 및 가입자 식별모듈(370)을 포함하여 구성된다.
제어부(310)는 본 발명의 드론 운용을 위한 운영체제 또는 응용 프로그램을 구동하여 제어부(310)에 연결된 다수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 신호를 포함한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있으며, 드론의 타 구성 요소들의 동작을 제어할 수 있다.
통신부(320), 브릿지 모듈(330), GPS 모듈(340), GYRO/ACCEL 모듈(350), 카메라 모듈(360) 및 가입자 식별모듈(370)을 제어하며 드론(300)의 비행을 제어한다. 제어부(310)는 통신부(320)를 통해 드론(300)을 인증하거나, 드론(300)의 위치정보 및 모니터링 정보를 가상화 서버(100)로 전송할 수 있다.
제어부(310)는 본 발명의 목적에 따라 멀티 드론을 안전하게 운용하기 위하여, 가상 드론 에이전트(200)로부터 수신된 명령을 조종 단말(400)로부터 수신된 조종 명령보다 우선하여 따르도록 설계될 수 있다. 이에 따라, 조종 단말(400)의 위험한 조종 명령을 차단할 수 있다.
통신부(320)는 조종 단말(400) 또는 가상 드론 에이전트(200)로부터 명령을 수신하고, 드론의 모니터링 정보를 가상 드론 에이전트(400)로 전송한다.
통신부(320)는 조종 단말(400)과 보통 블루투스 네트워크로 연결되고, 브릿지 모듈(330)과 1:1 WiFi로 연결된다.
브릿지 모듈(330)은 통신부(320)를 통해 수신된 데이터를 소프트웨어 정의 네트워크(SDN)를 기반으로 가공하여 변환된 전송방식으로 처리한다. 여기서 소프트웨어 정의 네트워크(Software define network)는 실제 네트워크 기능을 모두 소프트웨어가 통제하는 기술로서, 네트워크 장비를 제어하는 소프트웨어는 설계자가 원하는 방식대로 수정할 수 있다.
브릿지 모듈(330)은 WiFi to mash Network Bridge로서, 가상 드론 에이전트(200)와 기본적으로 블루투스 네트워크를 사용하고, 이 외에 UWB(Ultra-Wideband communication)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 브릿지 모듈(330)은 블루투스에서 와이파이로 데이터를 변환하는 모듈(Bluetooth to WiFi Data converter module)일 수 있다.
브릿지 모듈(330)의 알고리즘은 동적 데몬 주소 맵핑(Dynamic Demon Address Mapping)과, 공유 맵핑 데이터(Mapping Data Sharing with others) 및 네트워크 모듈의 회로를 검사할 때 사용하는 소프트웨어인 비젼 구성(Vision composer)을 포함한다.
보통, 드론(300)은 구조상 조종 단말(400)로부터 지속적인 신호를 수신하여 운행하게 되는데, 이러한 방법은 시그널 전송 실패가 발생할 여지가 높다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 브릿지 모듈(330)을 구비하여, 조종 단말(400)에서 보낸 1단위의 비동기 명령을 브릿지 모듈(330)을 통해 와이파이 데이터로 변환하여, 드론(300)이 명령을 완수할 때까지 제어부(310)에 지속적인 신호를 발신하게 된다.
구체적으로, 도 4를 참조하여 근거리 네트워크를 위한 통신 구축 기술을 설명하자면, 조종 단말(400) 또는 가상 드론 에이전트(200)와 드론(300)간의 거리가 10m 이내의 근거리인 경우, 조종 단말(400) 또는 가상 드론 에이전트(200)와 드론(300)은 블루투스로 연결되고, 드론(300)은 블루투스로 수신된 데이터를 브릿지 모듈(330)을 통해 가공하여 WiFi 네트워크로 데이터를 전송한다.
예를 들어, 조종 단말(400)이 이동하고자 하는 1단위의 비동기 명령을 보내고자, NE 방향으로 1m를 이동시키기 위한 명령인 [N:100, E:100, S:0, W:0, H:0, R:90]을 블루투스를 통해 1회만 통신부(320)로 전송할 경우, 브릿지 모듈(330)은 블루투스 데이터를 와이파이 신호로 변환하여 드론(300)이 NE방향으로 1m(100cm)를 이동할 때 까지 지속적인 신호를 발신하게 된다.
한편, 도 5를 참조하여 원거리 네트워크를 위한 통신 구축 기술을 설명하자면, 도 5에서는 1개의 메인 드론(380)과 나머지 여러 대의 서브 드론(390)을 비동기 메쉬업 네트워크를 통해 운영한다. 메인 드론은 조종 단말(400) 또는 가상 드론 에이전트(200)로부터 명령을 수신하고, 수신된 명령을 서브 드론(390)에 공유하는 역할을 한다.
드론들(300)과 조종 단말(400) 또는 가상 드론 에이전트(200) 간의 거리가 100m 이상 3km 이내의 원거리일 경우, 조종 단말(400) 또는 가상 드론 에이전트(200)와 메인 드론(380)은 WiFi를 통해 연결된다.
그리고, 메인 드론(380)과 서브 드론(390)은 UWB-UWB(또는 LTE Direct-LTE Direct)인 메쉬업(mash up) 비동기 네트워크로 연결된다.
이를 위해 드론(300)에는 UWB 통신 모듈이 탑재되며, 드론들 간 위치 정보, 비행 일정을 공유하게 된다.
GPS 모듈(340)은 드론(300)의 위치 정보를 획득한다. 위치 정보는 고도, 경도, 위도의 정보를 포함할 수 있다.
GYRO/ACCEL 모듈(350)은 드론(300)의 방위 변화를 측정하고, 드론(300)의 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 측정한다.
카메라 모듈(360)은 제어부(310)에 의해 수신되는 사진 또는 동영상 촬영 명령에 따라 영상을 촬영한다.
가입자 식별모듈(370)은 드론(300)을 가상화 서버(100)에 인증하기 위한 구성으로서, 가상 드론 에이전트(200)를 이용하는 드론(300)의 고유 식별 정보가 저장되어 있다.
한편, 본 발명의 멀티 드론 제어 시스템은 패킷 손실을 줄이고 접속 안정성을 높이기 위해 가상 드론 에이전트(200)와 드론(300)간, 가상 드론 에이전트(200)와 조종 단말(400)간의 특정한 메쉬업 네트워크 구축을 위해 동적 소프트웨어 정의 네트워크를 제안한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 동적 소프트웨어 정의 네트워크의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 네트워크 모듈 간의 연결 방법을 도시한 도면이다.
현재의 드론 또는 로봇의 운용 기법으로서 네트워크의 전용과 대역폭을 확보하기 위해 WiFi 또는 WiFi Direct 네트워크 구성 방법을 사용하고 있다. 이 네트워크 방법은 1:1 연결에서 안정성을 보장하지만, 외부 네트워크와의 단절로 인한 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 복수개의 상이한 네트워크 방식을 채용하여 대역폭을 보장하면서, 드론의 이상 유무를 탐지하고 운영 정책을 적용할 수 있으며, 외부 네트워크를 연결하여 필요한 정보를 실시간으로 이용할 수 있는 동적 소프트웨어 정의 네트워크를 구성한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 동적 소프트웨어 정의 네트워크는 멀티 드론(510), 브릿지 모듈(530), 가상 드론 에이전트(550), 가상화 서버(570) 및 조종 단말(590)의 연결을 나타낸다.
도 6에서 드론(510)과 브릿지 모듈(530) 간의 연결 B는 드론의 조종뿐만 아니라 고품질 비디오를 위해 기존과 같은 최대 대역폭이 확보되어야 한다. 따라서 기존과 동일한 WiFi/WiFi-D 방식을 유지해야 한다.
조종 단말(590)이 가상 드론 에이전트(550)에 접근하여 가상 드론 에이전트(550)와 조종 단말(590)간의 연결 D를 구성할 경우, 가상 드론 에이전트(550)는 자동으로 가상 드론 에이전트(550)와 가상화 서버(570) 간의 연결 A를 통해 정보를 취득하게 된다. 여기서 정보는 드론의 개별정보 및 조종자의 개별정보를 포함한다. 이때 가상 드론 에이전트(550)와 조종 단말(590) 간의 연결 D의 맥 어드레스(Mac Address)를 통해 키(key)값을 조회하게 된다. 가상 드론 에이전트(550)와 가상화 서버(570) 간의 연결 A의 네트워크 방식은 WiFi/Local LAN/3G/4G/LTE 등으로 제한이 없다.
여러 드론의 연결 또는 연결 해제를 위해 가상 드론 에이전트(550)와 조종 단말(590) 간의 연결 D에 따라 가상 드론 에이전트(550)는 패킷 중계 데몬(demon)을 동적으로 생성 또는 폐기(또는 회수)하게 된다.
브릿지 모듈(530)과 가상 드론 에이전트(550) 간의 연결 C는 다음의 두 가지 조건을 만족해야 한다. 먼저, 지연시간이 미리 설정된 소정 시간 이내가 되도록 조종 정보를 전송하고, 고용량 컨텐츠 데이터의 저장 위치 지정에 따라 전송한다. 여기서 조종 정보는 비행 모니터링 정보를 일컫는다.
가상 드론 에이전트(550)와 브릿지 모듈(530)과의 1:N의 연결을 위해, 가상 드론 에이전트(550)와 가상화 서버(570) 간의 연결 A를 통해 가상 드론 에이전트(550)에 생성된 패킷 중계 데몬과 브릿지 모듈(530)이 연결 된다.
여러 드론이 동시에 접근할 경우, 그 수에 맞는 패킷 중계 데몬을 취득하는 방식은 시간 우선 쟁탈 방식으로 구현된다. 기본적으로는 블루투스(Bluetooth) 네트워크를 사용한다. AP(Access point)로 운영되는 상용 기성품 드론을 연결하기 위해 Bluetooth to WiFi Bridge를 사용한다.
가상 드론 에이전트(550)와 조종 단말(590) 간의 연결 D는 기존에 제조사가 제공하는 프로그램을 통해 이루어지며, 별도의 개조나 추가적인 프로그램 설치를 필요로 하지 않는다. 연결 D는 와이파이를 기본으로 하며, 제조사의 스위칭에 따라 WiFi-D도 사용할 수 있다. 다만, 직접 비디오 컨텐츠를 받아볼 필요가 없기 때문에 고 대역폭의 네트워크(5G)를 사용할 필요가 없다.
즉, 본 발명은 제조사가 제공하는 드론과 컨트롤 프로그램(또는 앱)을 그대로 사용하기 위해 메쉬업을 사용하여 외부 네트워크를 함께 구성하는 기술이며, 따라서 드론을 통해 생성된 컨텐츠의 실시간 방송 등 기존에 불가능했던 컨텐츠 전송방식도 구현할 수 있다.
이를 위해 동적 소프트웨어 정의 네트워크 아키텍쳐를 도입하여 각 브릿지별 최적화된 네트워크를 구축하게 된다. 기성품 드론에 이미 적용된 기존 네트워크는 유지하지만, 이에 추가된 네트워크 브릿지 모듈과 네트워크 스위치는 새로운 메쉬업 네트워크를 구축한다.
종래에는 본원발명과 같은 Bluetooth to WiFi 브릿지 모듈이 아니라 와이파이 라우터(WiFi Router)를 이용했다. 와이파이 라우터는 외부 네트워크를 연결하기 위해서 또 다른 무선 네트워크를 연결하기 위한 네트워크 장비이다. 그러나, 높은 패킷 손실율과 끊김 현상으로 현실적으로 사용이 어려운 문제가 있으며, 무엇보다 대역폭의 한계로 동시 사용자가 이용할 수 없는 문제가 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 동적 소프트웨어 정의 네트워크 기반의 멀티 드론 제어 방법에 대해 설명하자면,
먼저, 가상 드론 에이전트(550)가 드론(510)의 통신부 또는 조종 단말(590)로부터 수신한 비행 모니터링 정보를 가상화 서버(570)로 전달한다.
다음으로, 가상화 서버(570)가 비행 모니터링 정보를 분석하여 비행 제어 신호를 생성하고, 상기 비행 제어 신호를 가상 드론 에이전트(550)로 전달한다.
가상 드론 에이전트(550)가 비행 제어 신호를 드론(510)의 통신부로 전달한다.
드론(510)의 통신부가 비행 제어 신호를 변환하여 드론 내에 구비된 브릿지 모듈(530)에 전달한다.
이와 같은 본 발명의 실시 예에 의하면, 가상 드론 에이전트(550) 및 가상화 서버(570)로 구현된 실시간 관제 센터를 통해 드론 운영뿐만 아니라 드론 비행을 기록하고, 기록을 저장하며, 저장된 기록을 추출하는 실행이 가능하다.
또한, 드론 실명제를 도입하여 가상 드론 에이전트(550) 및 가상화 서버(510)가 드론이 인증된 경우에만 비행을 허여함으로써, 드론 비행 제도를 보완하는 시스템으로서의 적용도 가능하다.
더불어, 가상화 서버, 가상 드론 에이전트, 드론의 통신부 및 브릿지 모듈의 각 포인트 별 특정한 메쉬업 네트워크 방법을 사용함으로 인하여, 원격지에서의 드론 운영을 가능하게 한다. 이와 같은 기술로 인해 예를 들어, 원거리에서의 영화나 방송과 같은 컨텐츠 제작이나, 비행기 운영에서의 관제 센터 역할로서 활용할 수 있다.
아울러, 드론의 비행 제한 및 관제뿐만 아니라, 드론 간의 충돌, 타 조종자의 미숙으로 인한 조종자 사고 등을 미연에 방지할 수 있으며, 비전문가들을 대상으로 한 드론 조종 교육에 활용할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 가상화 서버 200: 가상 드론 에이전트
300: 드론 400: 조종 단말
330: 브릿지 모듈 380: 메인 드론
390: 서브 드론 510: 멀티 드론
530: 브릿지 모듈 550: 가상 드론 에이전트
670: 가상화 서버 590: 조종 단말
410: 제어부 420: 통신부
430: 브릿지 모듈 440: GPS 모듈
450: GYRO/ACCEL 모듈 460: 카메라 모듈
470: 가입자 식별 모듈

Claims (21)

  1. 드론 및 조종자에 관한 개별정보, 상기 드론의 실시간 모니터링 정보 및 해당 지역의 비행 정책 정보를 분석하고, 상기 분석에 따라 드론 제어 명령을 생성하는 가상화 서버; 및
    상기 드론의 실시간 모니터링 정보를 수렴하여 상기 가상화 서버에 전달하고, 상기 드론 제어 명령에 따라 상기 드론의 비행을 제어하는 가상 드론 에이전트;를 포함하는, 멀티 드론 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가상화 서버는,
    비행 허용 구역인 실제 공간에 대한 가상 공간을 정의하고, 상기 드론 및 조종자의 개별정보 및 실시간 비행 모니터링 정보와 상기 가상 공간을 기반으로 해당 드론 시뮬레이터를 실시간으로 생성하는, 멀티 드론 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 조종자 개별정보는,
    조종자의 개인정보, 드론 비행 자격 유무, 조종자의 드론 비행 경력 , 드론 운행 년차, 드론 운행 횟수, 드론 비행 시 사고 이력, 드론 비행 대회 진출 이력, 드론 비행 테스트 레벨, 등급 중 적어도 하나를 포함하는, 멀티 드론 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 드론 개별정보는,
    드론의 명칭, 제조사, 운행 성능표, 드론의 노후 정도 및 드론의 개조유무, 드론의 무게, 크기, 날개개수, 탑재된 카메라의 화소 및 화질, 최대주행가능거리, 배터리 지속시간 중 적어도 하나를 포함하는 멀티 드론 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가상화 서버는,
    드론 비행 허가 구역을 드론 등급별로 액세스 가능한 등급별 비행 구역으로 나누어 관리하는, 멀티 드론 제어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가상 드론 에이전트는,
    서로 다른 복수의 상용 드론의 명령구문을 해석하기 위해 드론의 제조사별로 상이한 명령체계에 따라 실시간으로 상기 가상화 서버로부터 해당 프로토콜을 지원받는, 멀티 드론 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가상 드론 에이전트는,
    상기 드론의 실시간 위치 정보, 비행 제한 구역 이탈, 타 드론과의 충돌, 제한 구역 침범, 비행 조종 미숙 중 적어도 하나를 탐지하는, 멀티 드론 제어 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 드론의 실시간 모니터링 정보는,
    상기 드론에 탑재된 실시간 위치 추적 시스템(RTLS), 카메라, GPS/Navigation, 자이로 센서(Gyro), 가속도 센서(Accelerator) 중 적어도 하나의 데이터로부터 획득하는, 멀티 드론 제어 시스템.
  9. 조종 단말 또는 가상 드론 에이전트로부터 명령을 수신하고, 드론의 모니터링 정보를 상기 가상 드론 에이전트로 전송하는 통신부;
    상기 통신부를 통해 수신된 데이터를 소프트웨어 정의 네트워크(SDN)를 기반으로 가공하여 변환된 전송방식으로 처리하는 브릿지 모듈; 및
    상기 브릿지 모듈로부터 수신된 명령에 따라 드론 비행을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되는, 드론.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 통신부는,
    상기 조종 단말 또는 상기 가상 드론 에이전트와 블루투스 네트워크로 연결되고, 상기 브릿지 모듈은 Bluetooth to WiFi Data converter module로 구성되는, 드론.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 브릿지 모듈은,
    상기 조종 단말 또는 상기 가상 드론 에이전트에서 보낸 1단위의 비동기 명령을 와이파이 데이터로 변환하여, 상기 명령을 완수할 때까지 지속적인 신호를 상기 제어부에 발신하는, 드론.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 드론으로부터 상기 조종 단말 또는 상기 가상 드론 에이전트 간의 거리가 100m 이상 3Km 이내의 원거리일 경우, 멀티 드론을 메인 드론 및 서브 드론으로 구분하고,
    상기 메인 드론은 상기 조종 단말 또는 상기 가상 드론 에이전트와 WiFi를 통해 연결되고,
    상기 서브 드론은 상기 메인 드론과 UWB(Ultra-wideband communication)-UWB(또는 LTE Direct-LTE Direct)인 메쉬업(Mesh up) 비동기 네트워크로 연결되어, 상기 메인 드론으로부터 명령을 수신하여 공유하는, 드론.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 조종 단말의 명령보다 상기 가상 드론 에이전트로부터 수신된 명령을 우선적으로 실행하도록 설계되는, 드론.
  14. 가상 드론 에이전트가 드론의 통신부 또는 조종 단말로부터 수신한 비행 모니터링 정보를 가상화 서버로 전달하는 단계;
    상기 가상화 서버가 상기 비행 모니터링 정보를 분석하여 비행 제어 신호를 생성하고, 상기 비행 제어 신호를 상기 가상 드론 에이전트로 전달하는 단계;
    상기 가상 드론 에이전트가 상기 비행 제어 신호를 상기 드론의 통신부로 전달하는 단계; 및
    상기 드론의 통신부가 상기 비행 제어 신호를 변환하여 상기 드론 내에 구비된 브릿지 모듈에 전달하는 단계를 포함하는, 멀티 드론 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 드론의 통신부와 상기 드론 내에 구비된 브릿지 모듈은,
    최대 대역폭 확보를 위해 WiFi 또는 WiFi-D 방식으로 연결된, 멀티 드론 제어 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 통신부와 상기 가상 드론 에이전트는 블루투스 네트워크로 연결되고, 상기 브릿지 모듈은 상기 블루투스 신호를 와이파이 신호로 변환하는, 멀티 드론 제어 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 가상 드론 에이전트와 상기 가상화 서버 간의 연결은,
    맥 어드레스(Mac Address)를 통해 키(key)값을 조회함으로써 연결되고, WiFi/Local LAN/3G/4G/LTE 중 적어도 하나를 통해 연결되는, 멀티 드론 제어 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 가상 드론 에이전트는,
    여러 드론의 연결 또는 연결 해제를 위해 상기 가상 드론 에이전트와 상기 조종 단말 간의 연결에 따라 패킷 중계 데몬을 동적으로 생성 또는 폐기하는 단계를 더 포함하는, 멀티 드론 제어 방법.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 가상 드론 에이전트는,
    여러 대의 드론이 상기 가상 드론 에이전트에 동시에 접근할 경우, 시간 우선 쟁탈 방식으로 상기 패킷 중계 데몬을 취득하는 단계를 더 포함하는, 멀티 드론 제어 방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 브릿지 모듈과 상기 가상 드론 에이전트는,
    지연시간이 미리 설정된 소정 시간 이내가 되도록 상기 비행 모니터링 정보를 전송하는 조건에 만족하고, 상기 드론에서 생성된 고용량 컨텐츠 데이터의 저장 위치 지정에 따라서 연결되는, 멀티 드론 제어 방법.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 가상 드론 에이전트와 상기 브릿지 모듈과의 1:N의 연결을 위해, 상기 가상 드론 에이전트와 상기 가상화 서버 간의 연결을 통해 상기 가상 드론 에이전트에 생성된 패킷 중계 데몬과 상기 브릿지 모듈이 연결되는, 멀티 드론 제어 방법.
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