KR20180059290A - 고정밀 위치기반 자동 비행솔루션 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초소형 비행체가 정밀 위치 기반 비행을 할 수 있도록 RTK GPS를 사용하고, 정밀 위치를 기반으로 비행경로를 설정할 수 있도록 GCS도 RTK-GPS를 기반으로 촬영한 항공사진을 적용하는 비행체 운영 시스템에 관한 것이다.

Description

자동방제를 위한 비행 장치{FLYING APPARATUS FOR AUTOMATIC PEST CONTROL}

본 발명은 무인항공기, 드론, 정밀 농업에 관한 것으로, 보다 구체적으로 자동방제를 위한 비행 장치 또는 정밀 농업드론에 관한 것이다.

종래에는 방제용 무인항공기를 사람이 조종기를 사용하여 수동 방제를 실시하고 있다. 그러나, 방제 중 조종 미숙 및 주변 환경 변화에 대한 잘못된 대처로 인해 연간 150건(전체 보급된 방제용 무인항공기의 50% 정도)이상의 사고가 발생하고 있다. 또한, 넓은 면적을 효율적으로 관리할 수 없어 1대당 조종사가 최소 2명 이상 투입이 되어야 하므로, 상당한 운용비용이 발생하게되는 문제점이 있다.

또한, 일부 자동 비행이 가능한 무인항공기의 경우도 방제 대상 지역의 정밀한 지도 및 장애물 정보가 부족하고, 위치 오차가 2m~10m 이상 발생하는 GPS를 사용하여 방제용 무인항공기가 의도한 대로 정확하게 비행할 수 없는 문제가 있어 실제 사용되지 못하고 있다.

방제용 무인항공기를 사람이 조종기를 사용하여 수동 방제를 실시하고 있으나, 방제 중 조종 미숙 및 주변 환경 변화에 대한 잘못된 대처로 인해 연간 150건(전체 보급된 방제용 무인항공기의 50% 정도)이상의 사고가 발생하고 있다. 또한 넓은 면적을 효율적으로 관리할 수 없어 1대당 조종사가 최소 2명 이상 투입이 되어야 한다.

일부 자동 비행이 가능한 무인항공기의 경우도 방제 대상 지역의 정밀한 지도 및 장애물 정보가 부족하고, 위치오차가 2m~10m이상 발생하는 GPS를 사용하여 방제용 무인항공기가 의도한 대로 정확하게 비행할 수 없는 문제가 있어 실제 사용되지 못하고 있다.

바람이 불면 방제 약품에 의해 방제 되는 위치가 변하게 되는데 이러한 문제에 대해 사람이 인지하여 대처해야 하지만 바람의 세기 및 방향을 제대로 측정하고 반영하기 매우 어렵다. 또한 무인항공기가 이러한 문제점을 반영하여 개발된 사례가 없다.

RTK GPS 보정 신호 및 풍향, 풍량 정보를 무인항공기에 무선채널을 통해 전달할때 각각의 무선채널을 사용하여 전송해야 하는데 이것은 여러 개의 채널을 구성하도록 송수신 모듈설치하고 관리상의 어려움, 무게의 증가등의 문제를 발생시킨다.

이러한 문제를 해결하도록, 본 발명은 농업 방제 무인기에 고정밀 GPS(RTK GPS)를 사용하여 정확한 위치를 기반으로 방제를 실시한다.

또한, 본 발명은 고정밀 항공사진을 제작하여 제어 S/W에 반영하여 장애물의 위치를 확인하고 정확한 방제 경로를 설정한다.

초소형 비행체가 정밀 위치 기반 비행을 할 수 있도록 RTK GPS를 사용하고, 정밀 위치를 기반으로 비행경로를 설정할 수 있도록 GCS도 RTK-GPS를 기반으로 촬영한 항공사진을 적용한다.

정밀 비행을 위하여 정밀항공지도가 적용된 GCS를 사용하여 초소형 비행체 및 지상이동체의 이동 경로를 설정한다..

해당 이동경로를 따라 이동중에 정밀 위치를 기반으로 원하는 동작 (사진촬영, 비행경로 변경, 농약살포등)을 한다.

RTK-Base가 VRS에 접속하여 위치가 FIX되면 자동으로 VRS 접속을 차단하고 RTK Rover를 향해 보정신호를 전송한다.

RTK-Rover는 RTK-FIX가 이루어지지 않으면 알람을 발생시키고 사용자에게 알리며, 자동 비행을 차단하는 것. 사용자가 수동으로 알람을 차단하면 자동 비행이 가능하도록 한다.

항공사진의 DEM 정보를 사용하여 초소형 비행체의 비행 고도를 사전에 정의하고, DEM의 고도보다 낮은 고도 비행을 자동으로 차단한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예이다.

도면들과 관련하여 본 발명의 다양한 양상들이 이제 설명된다. 다음의 설명에서, 설명의 목적에 대하여, 많은 특정한 세부사항들이 본 발명의 하나 이상의 양상들의 완전한 이해를 제공하기 위하여 설명된다. 그러나 이와 같은 양상들은 이러한 특정한 세부사항들이 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 또한, 도면들은 설명의 편의를 위해 실제 비율과는 다르게 도시되었음이 이해될 수 있다.

1. 농업 방제 무인기에 고정밀 GPS(RTK GPS)를 사용하여 정확한 위치를 기반으로 방제를 실시한다.

2. 고정밀 항공사진을 제작하여 제어 S/W에 반영하여 장애물의 위치를 확인하고 정확한 방제 경로를 설정한다.

3. GPS보정신호 및 풍향, 풍량, 온도등의 정보를 수집하는 base station을 설치한다.

4. Base station에서 수집한 정보들을 기존 드론을 제어하는 채널에 mux하여 전송 함으로써 무선채널 수를 줄이고 효율성을 증대한다.

5. 풍향, 풍량, 온도를 고려하여 주기적으로 방제경로를 update하고 방제량을 조절한다.

포괄적으로 발명의 내용을 설명하고 발명의 효과를 설명하면 다음과 같다.

1. 농업 방제 무인기에 고정밀 GPS(RTK GPS)를 사용하여 정확한 위치를 기반으로 방제를 실시한다.

2. RTK GPS는 기준 위치를 기반으로 보정신호(RTCM)정보를 생성하는 base 와 무인항공기에 설치되는 Rover로 구성됨, base에서 RTCM 보정신호를 무인항공기의 rover로 전송하면 rover는 rover에 설치된 GPS 안테나를 사용하여 수신한 GPS 정보와 RTCM 보정신호를 사용하여 cm level 정확도를 갖는 위치정보를 생성한다.

여기서, base 모듈은 VRS(Virtual Reference Station)기능을 사용하여 base 모듈이 설치되어 있는 위치 좌표를 cm level의 정확도로 확보한다.

3. 기상센서는 base 모듈과 함께 설치되어 풍속/풍향/온도등을 측정한다.

4. RTK 모듈과 기상센서 모듈은 WiFi, Bluetooth, RF interface 등을 사용하여 측정된 정보를 지상제어시스템(GCS: Ground Control Station)로 주기적으로 전송한다.

5. GCS는 무인항공기를 제어하기 위하여 GCS와 무인항공기간에 하나 이상의 무선 채널을 사용하여 communication channel을 확보한다. 또한 RTK 모듈과 기상센서와의 연결을 위하여 WiFi 및 BlueTooth등의 무선 인터페이스를 사용한다.

6. GCS는 RTCM 보정 정보 및 기상센서의 정보를 기존 무인 항공기와의 무선 interface에 포함(mux)하여 전송함으로서 필요한 무선채널의 개수를 줄이고 효율을 높인다.

7. 무인항공기의 비행제어기는 GCS에서 전달받은 신호에서 기존 제어신호외에 추가로 전송받은 RTCM 보정 정보와 기상정보가 있는지 확인한다. 해당 정보가 존재한다면 별도로 정보를 분리하고 RTCM 보정신호는 GPS모듈로 serial interface를 통해 제공하여 Rover GPS 모듈이 cm level 정확도의 위치정보를 출력하도록 한다. 또한 기상정보는 기상정보 처리 모듈로 제공한다.

8. GCS에 고해상도 항공사진을 적용하고, 적용한 고해상고 항공사진을 사용하여 장애물을 식별하고 방제경로를 설정한다. GCS는 방제 경로 설정시 기상정보를 기준으로 풍향, 풍량, 온도등을 고려하여 방제경로를 방제 경로를 결정한다. 기상 정보를 풍향, 풍량, 온도가 단계별 기준치를 초과하면 방제경로를 수정하여 무인항공기로 다시 전송한다.

9. GCS는 방제경로를 무인항공기 제어기에 전송하고, 자동 이륙을 지시하면 무인항공기는 이륙 후 저장된 방제 경로로 이동하며 방제를 실시한다.

10. GCS는 1개 이상의 방제용 무인항공기를 제어할 수 있으며, 방제 경로 정보 공유기능을 통해 방제중인 무인항공기가 방제 중 농약의 부족 등을 예방한다.

PA Drone 에 대해서는 다음가 같은 특징이 추가될 수 있다.

정밀 RTK GPS기반 비행을 통한 위치정확도 기반 비행을 수행한다.

농업용 드론에 RTK 보정신호를 1:N으로 전송하여 보정하는 방법을 이용한다.

보정신호를 드론 제어신호와 MUX하여 전송하는 방법을 이용한다.

RTK Base에 풍향, 풍속, 온도 센서를 부착하여 GCS와 Drone에 제공하는 방법을 이용한다.

풍향, 풍속, 온도에 맞추어 드론의 방제 경로를 자동설정하는 방법을 이용한다.

드론의 방제 속도 및 방제 분사량 조절 방법을 이용한다.

항공사진에서 DEM(Digital Elevation Model)을 추출하여, Vision 인식과 결합 후 장애물 추출 방법을 이용한다.

방제영역 자동 인식 방법을 이용한다.

방제영역에서 장애물 정보 및 기체 정보를 반영하여 자동 경로를 추출하는 방법을 이용한다.

정밀 위치와 항공사진을 결합하여 방제하는 방법을 이용한다.

항공사진 촬영시 멀티스펙트럼 카메라를 통한 촬영, 촬영된 영상에 기반하여 방제 약제의 분사량 및 비행 속도 조절기능을 이용한다.

방제에 사용하는 약재 종류 및 농도 센싱 기술(자동/수동)을 다각화할 수 있다.

드론의 약제 저장고에는 다중 약제를 포함하여 사용될 수 있다. 복수의 약제 저장고가 드론에 설치될 수도 있다. 각각의 약제 저장고는 독립적으로 제어될 수 있다.

Optical Flow Sensor 가 사용될 수 있다.

스펙트럼카메라를 이용해 농지의 상태, 농작물의 상태 등을 감지하여 맞춤형 방제가 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 병충해에 걸린 농작물에 대해서는 건강한 농작물과는 다른 종류의 스펙트럼이 관찰될 수 있고, 이러한 경우, 그에 맞는 약제가 방제될 수 있다.

농지별 또는 농작물별 드론방제가 이루어진 기록을 축적하여 트랙 레코드로 활용할 수 있다.

드론 이동시 RTK 안테나가 기울어지는데 짐벌을 사용하여 드론이 기울어진 경우에도 안테나가 수직 상태를 유지할 수 있도록 기구를 설계할 수 있다.

드론 및 비행체들은 하늘을 비행하기 때문에 비행중 문제가 발생하지 않도록 안전을 확보해야 한다. 안전 확보를 위하여 obstacle avoidance 기능을 탑재한 비행체들은 해당 기능의 수행을 위하여 camera 및 vision을 기반으로 장애물을 인식하고 회피하는 방안이 있고, 표준화된 ADS-B(Automatic Dependence Surveillance-Broadcast)를 사용할 수 있다. 하지만 이러한 방식은 높은 비용과 제어/통신문제등이 내재되어 있다.

또한 비행체가 위치를 기반으로 비행을 하는데, 기존의 일반적인 GPS기술은 위치 오차가 2m~10m이상 발생하여 낮은 고도 및 복잡한 지형에서는 비행이 어렵다. 대형 여객기와 같은 일반 항공기들은 전용 위성을 사용하는 RMS 1m정도의 오차를 제공하는 SBAS (Satelite based Augmentation system)를 사용한다.

본 발명은 하늘을 나는 소형 비행체가 cm 수준의 위치오차를 가지고 매우 정밀하게 비행을 할 수 있는 고정밀 위치기반 자동 비행플랫폼이다.

본 솔루션은 향후 초소형 비행체들을 정밀하게 비행하게 하고, 관제하는 UASTM(Unmanned Aerial System Traffic Management)등에 적용하여 비행체들의 충돌을 막을 수 있다. 또한 공연 및 복잡한 지형에서 정밀하게 드론이 비행해야 할 때 정밀 위치를 기반으로 비행함으로써 완벽하게 원하는 비행을 달성할 수 있는 솔루션을 제공한다.

비행체들 정밀 위치기반 자동 비행을 하기 위해서는 다음의 2가지가 필요하다.

- 고정밀 위치 정보

- 자동비행의 경로를 정밀하게 계획할 수 있는 고정밀/고해상도 항공사진 기반의 GCS(Ground Control Station)

본 발명은 RTK(Real Time Kinematic) GPS를 초소형 비행체에 장착하고 초소형 비행체는 RTK-GPS의 고정밀 위치 정보를 비행제어기 (FC: Flight Controller)에 연결된다. 비행제어기는 RTK-GPS에서 제공되는 고정밀 위치정보를 사용하여 정확한 위치를 기반으로 비행을 한다.

RTK-Base는 cm 수준의 위치오차를 갖을 수 있도록 GPS위치를 보정하기 위해서는 VRS서버에서 보정정보를 가져와야 한다. 이를 위해 RTK Base는 유무선 통신망을 사용하여 VRS server에 접속하여 보정정보를 가져온다. RTK Base는 자신의 위치가 FIX되면 VRS와 접속은 종료하고 자동적으로 RTK Rover로 무선을 통해 보정신호를 송신한다.

RTK-Rover는 이동중에 cm 수준의 위치오차를 갖는 위치정보를 얻기 위해 보정신호를 수신해야 한다. 보정신호는 RTK Base가 보내는 보정신호를 받아서 사용할 수 있으며, LTE 모뎀등이 설치되어 있는 경우에는 직접 VRS server에 접속하여 보정신호를 가져와서 위치정보를 보정할 수 있다.

만약 RTK FIX가 이루어 지지 않으면 정밀 비행이 불가능함을 사용자에게 알려주어 사용자가 문제점을 해결 하고 RTK FIX가 이루어 진 후 비행 진행을 가능하도록 한다.

초소형 비행체의 자동 비행 경로를 정밀하게 위치오차를 최소로 줄이면서 설정하기 위해서 1cm/pixel 정도의 resolution을 갖는 항공지도를 사용한다. 물론 해상도는 상황에 따라 높아지거나 낮아질 수 있다. 1cm/pixel 해상도의 항공지도를 제작하기 위해서는 DSLR급 카메라를 사용하여 50m 상공에서 원하는 지역의 항공사진을 촬영한다. 이때 사진간 overlapping은 약 60%정도로 설정한다.

원하는 영역의 항공사진을 촬영 후 orthomosaic software를 사용하여 한장의 항공사진으로 만든 후 이것을 GCS에 적용한다. 항공사진을 작성하면 DEM(Digital Elevation Model)정보도 함께 얻을 수 있어서 드론의 비행 경로 설정시 DEM 정보를 사용하여 고도를 결정할 수 있다. 항공사진의 위치가 실제 지면과의 오차를 최소화 하기 위해 항공사진을 촬영하는 초소형 비행체에도 RTK-Rover를 적용한다.

사용자는 GCS에서 고해상도 항공지도를 사용하여 정밀 비행을 원하는 위치를 선택하고 비행 경로를 설정한다. GCS는 설정된 비행 경로 정보를 무선을 사용하여 비행제어기에 전달하면 초소형 비행체는 설정된 비행 경로에 따라 정밀 비행을 수행한다.

초소형 비행체 외에도 지상에서 자동으로 운영되어야 하는 장비들도 동일하게 적용한다.

앞선 설명은 본 발명의 예시적인 양상들을 설명하지만, 첨부된 청구항들에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 설명된 양상들의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변경들 및 변형들이 여기서 이루어질 수 있다는 것을 알아야 한다. 또한, 비록 본 발명의 설명된 양상들의 엘리먼트들이 단수인 것으로 설명되거나 청구될 수 있더라도, 단수인 것으로 제한되어 명확히 설명되지 않는다면 복수인 것도 고려된다. 또한, 본 발명의 임의의 양상의 모두 또는 일부는 달리 설명되지 않는다면 임의의 다른 양상의 모두 또는 일부와 활용될 수 있다.

이하의 청구항들이 상기 예시된 정확한 구성 및 컴포넌트들로 제한되지 않음을 이해할 것이다. 다양한 변형들, 변경들 및 변화들이 청구항들의 범위를 벗어나지 않으면서 여기에 설명된 시스템들, 방법들, 장치의 배열, 동작 및 세부사항들에서 행해질 수도 있다.

[기타사항]

[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]

(과제고유번호) R2016040347_00000001

(부처명) 문화체육관광부

(연구사업명) 문화기술 연구개발 지원사업

(연구과제명) 공간상의 콘텐츠 제공을 위한 드론 기반

공중 부양 홀로그램 프로젝션 기술 개발

(주관기관) 광주과학기술원

(연구기간) 2016. 03. 01 - 2016. 12. 31

Claims (2)

1. 초소형 비행체가 정밀 위치 기반 비행을 할 수 있도록 RTK GPS를 사용하고, 정밀 위치를 기반으로 비행경로를 설정할 수 있도록 GCS도 RTK-GPS를 기반으로 촬영한 항공사진을 적용하는 비행체 운영 시스템으로서,
   정밀 비행을 위하여 정밀항공지도가 적용된 GCS를 사용하여 초소형 비행체 및 지상이동체의 이동 경로를 설정하고, 해당 이동경로를 따라 이동중에 정밀 위치를 기반으로 원하는 동작 (사진촬영, 비행경로 변경, 농약살포등)을 하고, RTK-Base가 VRS에 접속하여 위치가 FIX되면 자동으로 VRS 접속을 차단하고 RTK Rover를 향해 보정신호를 전송하고, RTK-Rover는 RTK-FIX가 이루어지지 않으면 알람을 발생시키고 사용자에게 알리며, 자동 비행을 차단하고, 사용자가 수동으로 알람을 차단하면 자동 비행이 가능하도록 하고, 항공사진의 DEM 정보를 사용하여 초소형 비행체의 비행 고도를 사전에 정의하고, DEM의 고도보다 낮은 고도 비행을 자동으로 차단하는,
   비행체 운영 시스템.
2. 초소형 비행체가 정밀 위치 기반 비행을 할 수 있도록 RTK GPS를 사용하고, 정밀 위치를 기반으로 비행경로를 설정할 수 있도록 GCS도 RTK-GPS를 기반으로 촬영한 항공사진을 적용하는 비행체 운영 방법으로서,
   정밀 비행을 위하여 정밀항공지도가 적용된 GCS를 사용하여 초소형 비행체 및 지상이동체의 이동 경로를 설정하고, 해당 이동경로를 따라 이동중에 정밀 위치를 기반으로 원하는 동작 (사진촬영, 비행경로 변경, 농약살포등)을 하고, RTK-Base가 VRS에 접속하여 위치가 FIX되면 자동으로 VRS 접속을 차단하고 RTK Rover를 향해 보정신호를 전송하고, RTK-Rover는 RTK-FIX가 이루어지지 않으면 알람을 발생시키고 사용자에게 알리며, 자동 비행을 차단하고, 사용자가 수동으로 알람을 차단하면 자동 비행이 가능하도록 하고, 항공사진의 DEM 정보를 사용하여 초소형 비행체의 비행 고도를 사전에 정의하고, DEM의 고도보다 낮은 고도 비행을 자동으로 차단하는,
   비행체 운영 방법.
   

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