KR20200013436A - 다중 드론 시스템 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 다중 드론 시스템은, 적어도 하나의 리더 드론, 상기 적어도 하나의 리더 드론의 명령에 따라 비행 편대 모형을 형성하는 복수의 추종자 드론들, 및 상기 적어도 하나의 리더 드론과 통신하고, 상기 비행 편대 모형에 관련된 정보를 상기 적어도 하나의 리더 드론에 전송하는 지상 관제국을 포함하고, 상기 적어도 하나의 리더 드론은 상기 비행 편대 모형에 관련된 정보를 상기 복수의 추종자 드론들의 각각에 전송하고, 상기 적어도 하나의 리더 드론 및 상기 복수의 추종자 드론들의 각각은 절대 위치, 속도, 방위를 갖는 글로벌 좌표계에 기반한 제 1 측정값과 다른 드론 과의 상대 위치, 상대 속도, 및 상대 방향을 갖는 로컬 좌표계에 기반한 제 2 측정값을 이용하여 상기 비행 편대 모형을 달성해가는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 드론 시스템 및 그것의 동작 방법{MULTI-DRONE SYSTEM AND OPERATING METHOD THEREOF}

본 발명은 다중 드론 시스템 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.

일반적인 다중 드론(multi drone) 운용 방식에서는 지상 관제국(GCS: Ground control station)이 다중 드론 전체에 제어 명령을 전달하게 되는데, 이는 지상 관제국의 통신에 큰 부하를 주게 되고 통신에 할애되는 시간이 크다는 단점을 갖는다. 특히, 다중 드론의 개체 수가 증가할 수록 이러한 단점은 크게 부각된다. 또한 이러한 운용방식에서 지상 관제국과 통신을 하기 위해 모든 개체들에 통신 장비를 구비해야 되므로 하드웨어 구성에 많은 비용이 요구된다. 종래의 다중 드론 방식 중 각 드론의 궤적을 미리 업로드 하는 방식에서는 환경 및 외적인 요인이 변화함에 따른 제어 명령 변경이 불가피할 때, 변경이 불가하거나 제한적이라는 단점을 가진다.

등록특허: US 5,521,817, 등록일: 1996년 05월 28일, 제목: Air drone　formation control system. 공개특허: US 2018/0074520, 공개일: 2018년 03월 15일, 제목: Formation Flight Path Coordination of Unmanned Aerial Vehicles. 등록특허: 10-1819557, 등록일: 2018년 01월 11일, 제목: 장애물 회피 경로 생성 및 제어에 의한 협업 비행 운송 시스템 및 방법. 공개특허: 10-2018-0054009, 공개일: 2018년 05월 24일, 제목: 군집비행의 포메이션을 유지하기 위한 드론 및 그 방법.

본 발명의 목적은 편리하게 운용 가능한 다중 드론 시스템 및 그것의 동작 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템의 동작 방법은: 리더 후보 그룹 중에서 적어도 하나의 리더 드론을 선택하는 단계; 및 상기 선택된 리더 드론의 명령에 따라 추종자 드론들이 비행 편대 모형을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 선택된 리더 드론 및 상기 추종자 드론들의 각각은 절대 위치, 속도, 방위를 갖는 글로벌 좌표계에 기반한 제 1 측정값과 다른 드론 과의 상대 위치, 상대 속도, 및 상대 방향을 갖는 로컬 좌표계에 기반한 제 2 측정값을 이용하여 상기 비행 편대 모형을 달성해가는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 적어도 하나의 리더 드론을 선택한 후 지상 관제국에 통신 연결을 요청하는 단계를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 지상 관제국에서 리더 추가 요청이 있었는지를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 지상 관제국에서 상기 리더 추가 요청이 있었다면, 상기 리더 후보 그룹 중에서 적어도 하나의 추종자 드론이 존재하는 지를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 적어도 하나의 추종자 드론이 존재하면, 상기 적어도 하나의 추종자 드론 중에서 어느 하나를 리더 드론으로 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 적어도 하나의 추종자 드론이 존재하지 않으면, 상기 리더 추가 요청이 잘못된 명령이라는 것을 상기 지상 관제국에 알리는 단계를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 지상 관제국에서 상기 리더 추가 요청이 없었다면, 상기 지상 관제국에서 리더 감소 요청이 있었는지를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 지상 관제국에서 상기 리더 감소 요청이 있었다면, 현재 리더 드론의 개수가 2개 이상인지를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 현재 리더 드론의 개수가 2개 이상일 때, 상기 리더 감소 요청에 따라 리더 드론들 중에서 어느 하나를 선택하는 단계; 및 상기 리더 드론들 중에서 선택된 드론을 추종자 드론으로 명명하는 단계를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 현재 리더 드론의 개수가 2개 이상이 아닐 때, 상기 리더 감소 요청은 잘못된 명령이라는 것을 상기 지상 관제국에 알리는 단계를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 추종자 드론들의 각각은 상기 적어도 하나의 리더 드론에 의해 운용되는 그룹에 할당되는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 할당된 그룹은 조종자에 의해 실시간으로 변동되거나, 지상 관제국 혹은 상기 선택된 리더 드론의 자체적인 판단에 따라 변동되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템은, 적어도 하나의 리더 드론; 상기 적어도 하나의 리더 드론의 명령에 따라 비행 편대 모형을 형성하는 복수의 추종자 드론들; 및 상기 적어도 하나의 리더 드론과 통신하고, 상기 비행 편대 모형에 관련된 정보를 상기 적어도 하나의 리더 드론에 전송하는 지상 관제국을 포함하고, 상기 적어도 하나의 리더 드론은 상기 비행 편대 모형에 관련된 정보를 상기 복수의 추종자 드론들의 각각에 전송하고, 상기 적어도 하나의 리더 드론 및 상기 복수의 추종자 드론들의 각각은 절대 위치, 속도, 방위를 갖는 글로벌 좌표계에 기반한 제 1 측정값과 다른 드론 과의 상대 위치, 상대 속도, 및 상대 방향을 갖는 로컬 좌표계에 기반한 제 2 측정값을 이용하여 상기 비행 편대 모형을 달성해가는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 제 1 측정값은 GPS 수신기, 지자기 센서, 및 실내외 위치 측정 장치 중에서 적어도 하나에 의해 측정되고, 상기 제 2 측정값은 RF 신호 및 적외선을 이용한 거리 센서 및 안테나 어레이를 이용한 상대 방향 센서 중에서 적어도 하나에 의해 측정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템 및 그것의 동작 방법은, 리더-추종자 방식으로 다중 드론을 운용함으로써, 지상 관제국의 통신 부하 및 통신 시간을 대폭적으로 절감할 수 있다.

이하에 첨부되는 도면들은 본 실시 예에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 실시예의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)의 리더 선택 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 추종자 드론에서 다른 그룹으로 할당하는 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 단일 리더의 경우 정해진 편대 모형을 유지하며 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 단일 리더의 경우 정해진 편대 모형의 회전 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 단일 리더의 경우 추종자 드론들이 리더로부터 일정한 범위 내에 위치하며 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 단일 리더의 경우 추종자 드론들이 리더 드론의 경로를 추종 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 단일 리더의 경우 추종자 드론이 정해진 편대 모형을 유지하면서 리더 드론의 경로를 추종 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 단일 리더의 경우 추종자 드론 중에서 하나를 기준으로 리더 드론으로부터 일정 범위 내에 위치하면서 리더 드론의 경로를 추종 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 다중 리더의 경우 리더 드론들의 각각이 하나의 그룹을 형성하면서 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 다중 리더의 경우 리더 드론들이 하나의 그룹을 형성하면서 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)의 동작 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다.

아래에서는 도면들을 이용하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 내용을 명확하고 상세하게 기재할 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 혹은 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 혹은 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 혹은 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 혹은 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 혹은 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 혹은 이들을 조합한 것들의 존재 혹은 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명의 실시 예에 따른 모든 드론은 절대좌표를 기준으로 한 본인의 절대 위치(GPS 값과 높이) 및 방위를 측정할 수 있다. 모든 드론 간에는 원하는 때에 양방향 통신이 모두 가능하며 서로 필요한 정보들을 주고받을 수 있다. 여기서 필요한 정보는 각 드론의 현재 위치, 현재 속도 등 기본적인 항법 정보는 물론 목표 궤적, 목표 방위(orientation), 목표 속도 등 단일 기체의 제어를 위한 정보, 다른 드론과의 상대 위치, 거리 및 방향(bearing) 등 편대 제어를 위한 정보를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 각각의 드론은, 다른 드론과의 상대 위치, 거리 및 방향 등은 각 드론에 추가적인 센서(상대거리 측정을 위한 거리 측정 모듈, 상대 방향을 측정하기 위한 비전 카메라 및 RF 안테나 array 등)를 탑재함으로써, 이러한 다른 드론과의 상대 위치, 거리 및 방향을 측정할 수도 있다. 여기서 이러한 정보는 각각의 드론이 분산적으로 원하는 편대를 유지하기 위한 정보로 활용될 수 있다.

또한, 드론들은 다중 드론 시스템의 활용 목적에 따른 정보 교환을 할 수 있다. 예를 들어, 다중 드론 시스템이 편대를 유지하여 각각이 카메라로 주변 지형 정보를 획득하는 경우에는, 교환되는 정보는 카메라를 찍는 시간 및 카메라가 향하는 방향 등의 영상정보 획득을 위한 제어 명령 및 카메라를 찍음으로써 얻어지는 이미지 정보를 포함할 수 있다. 또한 환경센서를 이용하여 대기질을 측정하는 경우에는, 교환되는 정보는 대기질을 측정을 원하는 시기, 고도, 및 사용하고자 하는 대기질 센서(여러 개가 탑재된 경우)를 제어할 수 있는 제어 명령과 측정 센서들로부터 얻어진 정보를 포함할 수 있다.

상술된 바와 같이, 드론들의 각각은 다중 드론 시스템을 목적에 맞게 활용하기 위한 기체 및 목적 달성을 위한 탑재장치의 제어와 그와 관련된 정보들을 서로 주고받을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 다중 드론 시스템(10)은, 지상 관제국(100), 적어도 하나의 리더 드론(201), 및 복수의 추종자 드론들(301)을 포함할 수 있다.

지상 관제국(100)은 단일 혹은 다수의 리더 드론(201)를 제어하고, 리더로부터 정보를 수집하도록 구현될 수 있다. 지상 관제국(100)은 크게 두 가지 역할을 수행할 수 있다. 첫 번째 역할은 운용자가 내리는 신호를 수신하고, 리더에게 수신된 신호를 전송하는 것이다. 두번째 역할은 리더 드론(201)로부터 받은 정보들을 취합하고, 정해진 제어 시스템에 맞게 제어 명령을 스스로 생성하고, 생성된 제어 명령을 리더에게 전송하는 것이다.

실시 예에 있어서, 지상 관제국(100)은 조종자로부터 유무선 입력(조종기, 마우스, 키보드, 햅틱 동작 인식 등의 모든 입력 장치를 포함)을 받을 수 있다. 지상 관제국(100)은 이러한 입력에 기반하여 리더에게 제어 입력을 전송할 수 있다. 조종자의 제어 입력이 충돌의 위험이 있거나 원활한 임무수행을 방해한다면, 지상 관제국(100)은 스스로 판단하여 제어 입력을 수정하여 전송할 수 있다. 실시 예에 있어서, 지상 관제국(100)은 조종자 없이 미리 설정된 정보를 근거로 리더 드론(201)에게 제어 명령을 전송할 수 있다.

지상 관제국(100)이 리더 드론(201)에 전송하는 정보는, 리더 드론의 넘버, 리더 기체에게 할당된 추종자 기체들의 넘버, 목표 편대 모형, 리더 기체의 목표 궤적 및 속도, 추종자 기체들의 목표 궤적 및 속도, 임무수행을 위한 추가적인 장치의 제어 명령 등을 포함할 수 있다.

리더 드론(201)은 지상 관제국(100)과 통신을 수행하기 위한 통신 장치를 포함할 수 있다. 복수의 드론들 중에서 하나 이상의 드론이 리더 후보일 수 있다.

아래에서는 복수의 드론들 중에서 지상 관제국(100)과 통신이 가능한 드론들은 리더 후보 그룹이라고 칭하겠다. 그 중에서 실제 한 시점에서 지상 관제국(100)과 통신이 연결된 드론은 리더 드론(201)이다. 그 시점에서 리더 기체들의 통신은 모든 추종자 드론들을 커버할 수 있다. 이는 다중 드론 시스템(10)의 모든 드론들을 지상 관제국(100)이 리더 드론들을 통해 제어 할 수 있게 한다.

리더 드론(201)은, 추종자 드론들(301)과 함께 조종자 및 지상 관제국(100)이 원하는 편대 모형을 이루고, 임무를 수행할 수 있다. 이러한 임무를 위한 추가적인 장치가 탑재 되어 있다면, 이러한 장치를 이용한 임무 수행이 가능할 수 있다.

실시 예에 있어서, 리더 후보 그룹의 드론들 중에서 한 시점에서 리더 드론(201)이 아닌 드론들은 추종자 드론으로써 역할을 수행할 수 있다

실시 예에 있어서, 리더 드론(201)은 항상 한 개 이상일 수 있다. 조종자가 지상 관제국(100)을 통해 특정 드론(201)을 리더/추종자 드론으로, 리더 드론의 추가/감소를 지시할 수 있다. 마찬가지로, 조종자의 의사 없이 지상 관제국(100)은 자체적으로 판단하여, 이러한 리더 추가/감소를 수행할 수 있다. 이러한 리더 드론의 추가/감소 알고리즘은 다음과 같이 간략하게 표현이 가능하다.

리더 드론(201)은 리더 후보 그룹에서 하나 이상의 기체로 선택될 수 있다. 리더 드론(201)으로 선택된 기체는 지상 관제국(100)으로부터 직접적인 명령을 수신할 수 있다. 리더 드론(201)이 수신하는 명령은 기체의 움직임을 직접적으로 관여하는 명령과 이륙, 착륙, 대형 변경 등과 같은 정해진 명령을 포함할 수 있다.

추종자 드론(301)는 리더 후보 그룹에서 리더로 선택되지 않은 기체 혹은 리더 비후보 그룹의 모든 기체들을 포함할 수 있다. 추종자 드론(301)는 리더 드론(201)로부터 조종 명령을 수신하고, 정해진 제어 명령 아래에서 비행할 수 있다.

아래에서는 다중 드론 시스템(10)의 각 요소들의 동작 및 제어 방식을 설명하도록 하겠다.

다중 드론 시스템(10)은 운용 도중에 운용자의 목적에 맞게 리더의 추가 및 제거할 수 있다. 리더 드론(201)는 1개 이상 존재 해야 한다. 다중 드론 시스템(10)은 리더의 추가 및 제거 시스템을 활용하여 다중 드론 운용 목적에 따라 단일 리더 방식과 다중 리더 방식을 택할 수 있다. 이는 시스템 운용 도중에도 바뀔 수 있다.

실시 예에 있어서, 단일 리더와 다중 리더는, 지상 관제국(100)으로부터 실시간 조종 명령에 따라 제어되거나 정해진 루트(route)에 따라 비행하고, 도중 모드(take off, landing, etc.)를 변경할 수 있다. 한 그룹의 추종자들을 이끄는 리더에 문제가 발생할 때, 운용자의 명령 혹은 다른 리더의 명령 아래에서 리더 후보 그룹 중 하나 또는 일부 드론이 해당 추종자들을 제어 할 수 있다.

실시 예에 있어서, 비행 중 리더는 주변 환경 및 상황을 파악할 수도 있다.

실시 예에 있어서, 리더 및 추종자의 제어 모드 변경이 필요하다고 판단될 때, 리더는 운용자에게 이 사실을 알리거나 스스로 판단 하여 리더 및 추종자의 제어 모드를 변경할 수도 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10), 리더-추종자(leader-follower) 방식으로 다중 드론을 운용함으로써, 지상 관제국의 통신 부하 및 통신 시간을 대폭적으로 절감할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 리더 드론의 추가/감소 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 리더 드론의 추가/감소 방법은 다음과 진행될 수 있다.

리더 후보 그룹 중에서 1 개 이상의 리더가 선택된 후, 선택된 리더(201)는 지상 관제국(110; GCS(ground control system))와 통신 연결을 요청할 수 있다(S110). 리더 추가 요청이 있었는지가 판별될 수 있다(S120).

만일, S120 단계에서 리더 추가 요청이 있었다면, 리더(201)는 리더 후보 그룹(200) 중에서 추종자 기체가 존재하는 지를 판별할 수 있다(S130). 만일, S130 단계에서 리더 후보 그룹(200) 중에서 추종자 기체가 존재한다면, 리더 후보 그룹(200)에서 추가할 기체를 리더로 선정하고, 선정된 리더는 지상 관제국(110)과 통신을 연결할 수 있다(S140). 이후 S120 단계가 진행될 수 있다.

반면에, S120 단계에서 리더 추가 요청이 없었다면, 리더(201)는 리더 감소 요청이 있었는지를 판별할 수 있다(S150). 만일, 리더 감소 요청이 있었다면, 현재 리더가 2개 이상 인지가 판별될 수 있다(S160). 만일, 현재 리더가 2 개 이상이라면, 리더 기체 중에서 제외할 리더가 추종자로 선정되고, 추종자 기체는 지상 관제국(100)과의 통신을 해제할 수 있다(S170). 이후, S120 단계가 진행될 수 있다.

한편, S130 단계에서 리더 후보 그룹(200) 중에서 추종자 기체가 존재하지 않거나, S150 단계에서 현재 리더가 2개 이상이 아니라면, 리더 감소 요청이 잘못된 명령이라고 알릴 수 있다(S170). 이후, S120 단계가 진행될 수 있다.

상술 된 바와 같이, 리더 드론은 지상 관제국(100)과 통신이 가능하다. 리더 드론이 지상 관제국(100)으로 전송하는 정보는 다음과, 리더 드론의 현재 위치, 속도, 및 방위, 리더 드론에게 할당된 추종자 드론들과의 통신 상태, 리더 드론에게 할당된 추종자 드론들의 현재 위치, 속도, 및 방위, 리더 드론과 자신에게 할당된 추종자 드론들의 센서 데이터, 리더 드론과 자신에게 할당된 추종자 드론들의 임무수행을 위한 추가적인 장치의 상태 및 제어 상황 등을 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 리더 드론들은 자신에게 할당된 추종자 드론들에게 정보를 전송 하고, 이를 통해 추종자 드론들을 제어할 수 있다. 리더 드론들에게 할당된 추종자 드론들은 조종자 혹은 지상 관제국(100)에 의해 실시간으로 변동이 가능하며, 리더들의 각각의 스스로 판단하여서 이를 변경할 수도 있다.

실시 예에 있어서, 리더 드론이 추종자 드론들에게 정보는, 목표 편대 모형, 추종자 드론들의 목표 궤적 및 속도, 임무수행을 위한 추가적인 장치의 제어 명령, 다른 리더 드론이 이끄는 그룹으로의 할당 명령 등을 포함할 수 있다. 여기서 본 발명의 실시 예에 따른 추종자 드론들의 목표 궤적 및 속도, 임무수행을 위한 추가적인 장치의 제어 명령은 지상 관제국(100)으로부터 받은 정보를 그대로 전송하는 것, 리더 드론이 스스로 판단하여 전송하는 것, 및 추종자 드론이 리더로 받은 다른 정보들을 토대로 직접 판단하는 것을 모두 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 군집 드론 제어 시스템(10)은 1개 이상의 리더를 가져야 정상적으로 운행될 수 있다. 실시 예에 있어서, 추가/감소할 리더 기체는 운용자가 직접 선정 할 수 있다. 또한 리더 기체의 변경 명령은 리더 추가 요청과 감소 요청을 연속적으로 할 수 있다.

한편, 리더 드론이 아닌 드론들을 추종자 드론이라고 칭한다. 상술 된 바와 같이, 리더 후보 그룹 중 한 시점에서 리더 드론이 아닌 드론들도 추종자로써 포함될 수 있다. 추종자 드론은 리더 드론으로부터 정보를 받아서 조종자 및 지상 관제국(100)이 원하는 편대를 이루며 임무를 수행할 수 있다. 임무를 위한 추가적인 장치가 탑재된다면, 추종자 드론은 이를 이용한 임무 수행을 할 수도 있다.

실시 예에 있어서, 한 시점에서 각 추종자 드론은 적어도 하나의 리더 드론이 이끄는 하나의 그룹에 할당되어 있다. 이는 추종자의 제어권을 잃지 않기 위해서이다. 이 할당된 그룹은 조종자가 원하는 대로 실시간으로 변동이 가능하다. 할당된 그룹은 지상 관제국(100) 및 리더 드론이 자체적으로 판단하여 변동될 수도 있다. 이러한 추종자의 리더가 이끄는 다른 그룹으로의 할당 알고리즘은 아래와 같이 표현 가능하다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 추종자 드론에서 다른 그룹으로 할당하는 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다.

리더 드론이 이끄는 드론들의 각각에서 초기 할당이 수행될 수 있다(S210). 현재 리더 드론로부터 다른 리더 드론(들)이 이끄는 그룹으로 할당 명령이 존재하는 지 판별될 수 있다(S220). 만일 할당 명령이 존재한다면, 대응하는 드론들에게 현재 리더 드론으로 명시되어 있는지 통신을 통해 문의 될 수 있다(S230). 대응하는 드론(들)이 현재 리더 드론으로 명명되어 있는지 판별될 수 있다(S240). 만일, 대응하는 드론(들)이 현재 리더 드론으로 명명되어 있다면, 대응하는 드론이 이끄는 그룹으로 할당될 수 있다(S250). 이후, S220 단계로 진입될 수 있다. 반면에, S220 단계에서 현재 리더 드론으로부터 다른 리더 드론(들)이 이끄는 그룹으로 할당 명령이 존재하지 않는 경우 S220 단계로 재진입할 수 있다. S240 단계에서 대응하는 드론(들)이 현재 리더 드론으로 명명되어 있지 않다면, 현재 리더 드론에게 잘못된 명령임을 알릴 수 있다(S260).

추종자 드론은 다른 추종자 드론과 리더 드론에게 정보를 전송할 수 있다. 이때, 전송하는 정보는 다음과 같이 예를 들 수 있다. 추종자 드론의 현재 위치, 속도, 및 방위, 추종자 드론의 목표 위치, 속도, 및 방위, 추종자 드론의 센서 데이터, 추종자 드론의 임무수행을 위한 추가적인 장치의 상태 및 제어 상황, 다른 드론들과의 통신 상태 등을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)의 드론 제어 방법은 다음과 같다. 리더 드론과 추종자 드론들은 모두 위치 제어, 속도 제어, 가속도 제어, 자세 제어 등의 제어 방식 중 하나 이상의 방식을 사용하여 제어 될 수 있다.

실시 예에 있어서, 다중 드론 시스템(10)의 원하는 편대 모형에 따라 각 드론들이 필요로 하는 정보들이 달라질 수 있다. 예를 들어, 리더 드론과 추종자 드론이 일정한 거리를 유지한 채 비행하고자 하는 경우, 추종자 드론은 리더 드론의 현재 위치와 현재 속도 등을 필요로 할 수 있다. 리더 드론과 추종자 드론이 같은 방위를 바라보며 같은 속도로 비행하고자 하는 경우, 추종자 드론은 리더 드론의 현재 속도와 방위 등의 정보를 필요할 수 있다. 여기서 필요한 정보는 상대 드론으로부터 수신할 수 있다.

실시 예에 있어서, 지상 관제국(100)과 리더 드론은 조종자가 원하는 목표 편대 모형에 대한 정보를 모든 드론들에게 실시간으로 전송할 수 있다. 미리 정해진 규칙에 따라 지상 관제국(100) 혹은 리더 드론은 자체적으로 판단하여 목표 편대 모형을 결정하고 모든 드론들에게 목표 편대 모형에 대한 정보를 전송할 수도 있다.

실시 예에 있어서, 목표 편대 모형은 크게 한 시점에서 전체 시스템에 하나의 리더 드론만 존재하는 ‘단일 리더의 경우’와 2개 이상의 리더 드론들이 존재하는 ‘다중 리더의 경우’로 구분될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 리더 드론의 비행은 조종자로부터 직접 조종 명령을 지상 관제국(100)을 통해 받아서 수행되는 비행, 지상 관제국(100) 스스로 판단하여 전송한 명령을 통한 비행, 리더 드론 스스로 주변 환경 정보에 기반한 자율 비행 등을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 각각의 드론들은 정해진 편대 모형을 절대 위치, 속도, 방위 등 글로벌 좌표계에 기반한 측정값, 다른 드론과의 상대 위치, 상대 속도, 상대 방향 등 로컬 좌표계에 기반한 측정값을 이용하여 달성할 수 있다.

실시 예에 있어서, 글로벌 좌표계에 기반한 측정값은 GPS 수신기, 지자기 센서, 그 외 실내외 위치 측정 장치 등을 이용한 것들을 포함할 수 있다. 실시 예에 있어서, 로컬 좌표계에 기반한 측정값은 RF 신호 및 적외선을 이용한 거리 센서, 안테나 어레이를 이용한 상대 방향 센서 등을 포함할 수 있다.

한편, 제 1 측정값 및 제 2 측정값을 항상 동시에 모두 측정되지 않을 수 있다. 예를 들어 제 1 측정값이나 제 2 측정값 중 하나만 가지고 있어도 편대 모형이나 목적에 따라 충분할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 단일 리더의 경우 정해진 편대 모형을 유지하며 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 리더 드론과 추종자 드론들은 정해진 편대를 유지하며 비행을 할 수 있다. 실시 예에 있어서, 드론들의 각각은 고정된 방위를 갖고 비행할 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, 드론들의 각각은 정해진 목적에 맞게 방위를 변화시키면서 비행을 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 단일 리더의 경우 정해진 편대 모형의 회전 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 정해진 편대 모형은 임무 목적에 따라 회전될 수 있다. 여기서, 드론들의 각각은 고정된 방위를 갖거나, 정해진 목적에 맞게 방위를 변화시키면서 비행을 할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 단일 리더의 경우 추종자 드론들이 리더로부터 일정한 범위 내에 위치하며 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 추종자 드론들은 리더 드론을 기준으로 일정한 거리 범위 내에서 충돌을 방지하며 정해진 목적의 달성을 위해 규칙에 따라 혹은 임의적으로 리더 드론을 따라 군집 비행 할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 단일 리더의 경우 추종자 드론들이 리더 드론의 경로를 추종 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 추종자 드론들은 리더 드론의 경로를 추종하며 비행할 수 있다. 먼저, 추종자 드론들이 순차적으로 리더의 경로를 추종하며 비행할 수 있다. 이러한 경우, 경로는 따라가는 추종자 드론들의 순서는 조종자, 지상관제국, 및 리더 드론의 명령에 따라 언제든지 바뀔 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 단일 리더의 경우 추종자 드론이 정해진 편대 모형을 유지하면서 리더 드론의 경로를 추종 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 리더 드론의 경로를 추종을 추종하는 방식은, 상술 된 ‘정해진 편대 모형을 유지하며 비행’하는 방식과 함께 운용될 수 있다. 이는 추종자 드론들 중에서 하나의 드론이 ‘정해진 편대 모형을 유지하며 비행’하는 방식의 리더의 역할을 수행함으로써 이루어질 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 단일 리더의 경우 추종자 드론 중에서 하나를 기준으로 리더 드론으로부터 일정 범위 내에 위치하면서 리더 드론의 경로를 추종 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 리더 드론의 경로를 추종하는 방식은, 추종자 드론들 중에서 하나의 드론을 기준으로 ‘리더로부터 일정 범위 내에 위치하여 비행’하는 방식과 유사한 방식으로 운용될 수도 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)은 다중 리더 드론들로 구성될 수 있다.

‘단일 리더의 경우’와 마찬가지로 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)서 각 리더 드론의 비행은, 조종자로부터 직접 조종 명령을 지상 관제국(100)을 통해 수신하여 비행, 지상 관제국(10) 스스로 판단하여 전송한 명령을 통한 비행, 각 리더 드론 스스로 주변 환경 정보에 기반한 자율 비행(이 경우 리더 드론간 서로 상대정보에 기반한 리더드론들의 편대 자율 비행을 포함) 등을 포함할 수 있다.

마찬가지로, 드론들의 각각은, 절대 위치, 속도, 방위 등 글로벌 좌표계에 기반한 측정값, 다른 드론과의 상대 위치, 상대 속도, 상대 방향 등 로컬 좌표계에 기반한 측정값을 이용하여 정해진 편대 모형을 달성시킬 수 있다. 여기서 글로벌 좌표계에 기반한 측정값은 GPS 수신기, 지자기 센서, 그 외 실내외 위치 측정 장치 등을 이용한 것들을 포함할 수 있고, 로컬 좌표계에 기반한 측정값은 RF 신호 및 적외선을 이용한 거리 센서, 안테나 어레이를 이용한 상대 방향 센서 등을 포함할 수 있다.

한편, 다중 리더의 경우, 리더 드론들이 그룹을 형성하는 방식에 따라 ‘각 리더 드론이 하나의 그룹을 형성하는 방식’, ‘리더 드론들이 하나의 그룹을 형성하는 방식’로 구분 될 수 있다. 또한, 두 형성 방식의 혼합된 방식도 운용 가능하다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 다중 리더의 경우 리더 드론들의 각각이 하나의 그룹을 형성하면서 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 각 리더 드론이 하나의 그룹을 형성하는 경우, 각 그룹의 리더 드론과 이를 따르는 추종자 드론들은 상술된 ‘단일 리더의 경우’의 택할 수 있는 제어 방식을 모두 적용할 수 있다.

실시 예에 있어서, 추종자 드론은 리더를 따라 편대 모형을 이루며 비행을 하다가, 리더 드론으로부터 수신된 명령에 따라 한 그룹에서 다른 그룹으로의 이동할 수도 있다. 이러한 이동 명령은, 조종자가 직접 지시한 것, 지상관제국 및 리더 드론이 정해진 규칙에 맞게 스스로 판단한 것 모두를 포함할 수 있다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)에서 다중 리더의 경우 리더 드론들이 하나의 그룹을 형성하면서 비행하는 것을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 리더 드론들이 하나의 그룹을 형성하며 비행할 수 있다. 실시 예에 있어서, 리더 드론들의 각각은 조종자나 지상 관제국(100)의 명령에 따라 다른 드론들에 독립적으로 비행할 수 있고, 리더 드론 스스로 판단하여 자율비행 할 수 도 있다. 이때 추종자 드론들은 리더 드론들을 기준으로 설정된 제한 조건 내에서 임의적으로 비행하거나 혹은 특정한 대형을 유지하며 비행할 수 있다.

상술된 ‘리더 드론들을 기준으로 설정된 제한 조건’으로는, 2개의 리더 드론이 그리는 한 개의 선분 내에서 일직선으로 추종자들이 자율비행 하는 것, 2개의 리더 드론들의 절대좌표계의 x-축 좌표들을 기준으로 그 안에서만 추종자들이 자율비행 혹은 정해진 편대를 유지하며 비행하는 것, 3개 이상의 리더 드론들이 이루는 다각형 범위 내에서 자율비행 혹은 정해진 편대를 유지하며 비행하는 것 등을 포함할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 3개 이상의 리더 드론들이 이루는 다각형 범위 내에서 비행하는 것이 가능하다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)의 모든 드론들은 인접한 드론의 정보(현재 위치, 현재 속도, 목표 위치, 목표 속도 등)을 이용하여 드론 간 충돌 방지 및 회피 기능을 탑재 할 수 있다.

실시 예에 있어서, 드론들의 각각은 광센서 및 라이다 센서 등을 사용하여 드론 및 장애물의 충돌 방지 및 회피 기능을 탑재 할 수 있다.

실시 예에 있어서, 드론들의 각각은 RF(radio frequency) 신호 및 적외선을 이용한 거리 센서, 안테나 어레이를 이용한 상대 방향 센서 등으로 측정된 다른 드론과의 상대 정보(상대 위치, 상대 거리, 상대 방향 등)에 기반한 충돌 방지 및 회피 기능을 탑재 할 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 드론 시스템(10)의 동작 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다. 도 1 내지 도 12을 참조하면, 다중 드론 시스템(10)의 동작 방법은 다음과 같이 진행될 수 있다.

복수의 드론들 중에서 적어도 하나의 리더 드론이 선택될 수 있다(S310). 리더 드론의 선택은 도 2에서 설명된 바와 같이 지상 관제국(100)의 요청에 따라 이루어질 수 있다. 리더 드론의 명령에 따라 추종자 드론들은 사전에 결정된 비행 편대 모형을 형성할 수 있다(S320). 단일 리더 드론 혹은 다중 리더 드론에 대한 추종자 드론의 동작은 도 4 내지 도 11에서 자세하게 설명된 바, 여기서는 생략하도록 하겠다.

본 발명에 따른 단계들 및/또는 동작들은 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 것과 같이, 다른 순서로, 또는 병렬적으로, 또는 다른 에포크(epoch) 등을 위해 다른 실시 예들에서 동시에 일어날 수 있다.

실시 예에 따라서는, 단계들 및/또는 동작들의 일부 또는 전부는 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된 명령, 프로그램, 상호작용 데이터 구조(interactive data structure), 클라이언트 및/또는 서버를 구동하는 하나 이상의 프로세서들을 사용하여 적어도 일부가 구현되거나 또는 수행될 수 있다. 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체는 예시적으로 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 "모듈"의 기능은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합으로 구현될 수 있다.

본 발명의 실시 예들의 하나 이상의 동작들/단계들/모듈들을 구현/수행하기 위한 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체 및/또는 수단들은 ASICs(application-specific integrated circuits), 표준 집적 회로들, 마이크로 컨트롤러를 포함하는, 적절한 명령들을 수행하는 컨트롤러, 및/또는 임베디드 컨트롤러, FPGAs(field-programmable gate arrays), CPLDs(complex programmable logic devices), 및 그와 같은 것들을 포함할 수 있지만, 여기에 한정되지는 않는다.

한편, 상술 된 본 발명의 내용은 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들에 불과하다. 본 발명은 구체적이고 실제로 이용할 수 있는 수단 자체뿐 아니라, 장차 기술로 활용할 수 있는 추상적이고 개념적인 아이디어인 기술적 사상을 포함할 것이다.

10: 다중 드론 시스템
100: 지상 관제국
201: 리더 드론
301: 추종자 드론

Claims (14)

1. 다중 드론 시스템의 동작 방법에 있어서:
   리더 후보 그룹 중에서 적어도 하나의 리더 드론을 선택하는 단계; 및
   상기 선택된 리더 드론의 명령에 따라 추종자 드론들이 비행 편대 모형을 형성하는 단계를 포함하고,
   상기 선택된 리더 드론 및 상기 추종자 드론들의 각각은 절대 위치, 속도, 방위를 갖는 글로벌 좌표계에 기반한 제 1 측정값과 다른 드론 과의 상대 위치, 상대 속도, 및 상대 방향을 갖는 로컬 좌표계에 기반한 제 2 측정값을 이용하여 상기 비행 편대 모형을 달성해가는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 리더 드론을 선택한 후 지상 관제국에 통신 연결을 요청하는 단계를 더 포함하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   지상 관제국에서 리더 추가 요청이 있었는지를 판별하는 단계를 더 포함하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 지상 관제국에서 상기 리더 추가 요청이 있었다면, 상기 리더 후보 그룹 중에서 적어도 하나의 추종자 드론이 존재하는 지를 판별하는 단계를 더 포함하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 추종자 드론이 존재하면, 상기 적어도 하나의 추종자 드론 중에서 어느 하나를 리더 드론으로 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 추종자 드론이 존재하지 않으면, 상기 리더 추가 요청이 잘못된 명령이라는 것을 상기 지상 관제국에 알리는 단계를 더 포함하는 방법.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 지상 관제국에서 상기 리더 추가 요청이 없었다면, 상기 지상 관제국에서 리더 감소 요청이 있었는지를 판별하는 단계를 더 포함하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 지상 관제국에서 상기 리더 감소 요청이 있었다면, 현재 리더 드론의 개수가 2개 이상인지를 판별하는 단계를 더 포함하는 방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 현재 리더 드론의 개수가 2개 이상일 때, 상기 리더 감소 요청에 따라 리더 드론들 중에서 어느 하나를 선택하는 단계; 및
   상기 리더 드론들 중에서 선택된 드론을 추종자 드론으로 명명하는 단계를 더 포함하는 방법.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 현재 리더 드론의 개수가 2개 이상이 아닐 때, 상기 리더 감소 요청은 잘못된 명령이라는 것을 상기 지상 관제국에 알리는 단계를 더 포함하는 방법.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 추종자 드론들의 각각은 상기 적어도 하나의 리더 드론에 의해 운용되는 그룹에 할당되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 할당된 그룹은 조종자에 의해 실시간으로 변동되거나, 지상 관제국 혹은 상기 선택된 리더 드론의 자체적인 판단에 따라 변동되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 적어도 하나의 리더 드론;
    상기 적어도 하나의 리더 드론의 명령에 따라 비행 편대 모형을 형성하는 복수의 추종자 드론들; 및
    상기 적어도 하나의 리더 드론과 통신하고, 상기 비행 편대 모형에 관련된 정보를 상기 적어도 하나의 리더 드론에 전송하는 지상 관제국을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 리더 드론은 상기 비행 편대 모형에 관련된 정보를 상기 복수의 추종자 드론들의 각각에 전송하고,
    상기 적어도 하나의 리더 드론 및 상기 복수의 추종자 드론들의 각각은 절대 위치, 속도, 방위를 갖는 글로벌 좌표계에 기반한 제 1 측정값과 다른 드론 과의 상대 위치, 상대 속도, 및 상대 방향을 갖는 로컬 좌표계에 기반한 제 2 측정값을 이용하여 상기 비행 편대 모형을 달성해가는 것을 특징으로 하는 다중 드론 시스템.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 측정값은 GPS 수신기, 지자기 센서, 및 실내외 위치 측정 장치 중에서 적어도 하나에 의해 측정되고,
    상기 제 2 측정값은 RF 신호 및 적외선을 이용한 거리 센서 및 안테나 어레이를 이용한 상대 방향 센서 중에서 적어도 하나에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 다중 드론 시스템.

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