KR20210086788A - 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상공을 비행하는 드론시스템과 지상을 이동하는 로봇시스템을 융합한 하이브리드 로봇 시스템에 관한 것으로서, 특히 무인항공기(드론) 시스템, 지상 로봇 시스템), 통합 제어 시스템(휴대용 콘트롤러)이 상호간에 통신연결되어, 통제기(휴대용 콘트롤러)를 통해 소형 지상 로봇을 드론으로 지정된 장소에 운송하여 부여된 임무를 상호 협력하여 수행하게 하는 복합임무수행용 하이브리드 로봇 시스템에 관한 것이다.
종래 드론 및 지상로봇 활용의 중요성이 증대되고 있으나, 로봇들의 임무수행이 한정된 공간에 국한되지 않으면서, 단일 로봇의 한계를 극복하는 다양하고 새로운 임무가 요구되는 상황에서, 새롭게 제안된 본 발명은 모터와 프로펠러가 구비된 항공구동부와, 휴대용 콘트롤러(Controller)의 제어신호에 따라 상기 항공구동부를 제어하는 항공제어부(FC; Flight Control)가 구비된 항공 드론을 포함하여 구성되는 항공 드론 시스템과; 이동수단으로 이루어지는 로봇구동부와, 휴대용 콘트롤러의 제어신호에 따라 상기 로봇구동부를 제어하는 로봇제어부(Robot Control)가 구비된 지상 로봇을 포함하여 구성되는 지상로봇 시스템과; 상기 항공 드론과 지상 로봇을 제어하는 휴대용 콘트롤러를 포함하여 이루어지는 통합 제어 시스템이 상호 통신을 통해 피드백 제어되며, 휴대용 콘트롤러를 통해 소형 지상로봇을 항공 드론으로 지정된 장소에 운송한 후 도킹 해제하여 지상에 착륙시키며, 지상 로봇은 부여된 지상 임무를 수행한 후 항공 드론에 도킹되어 다시 지정된 위치로 복귀하는 것을 특징으로 하는 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템을 제안한다.
따라서, 본 발명에 의한 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템은 항공 드론 시스템과 지상로봇 시스템이 융합되어, 드론을 통해 장애물이 있는 곳이나 높낮이가 있는 지형을 이동할 때 짧은 비행을 통해 효율적으로 대처하며, 지상 로봇을 통해 협소하고 폐쇄적인 공간이나 위험한 지역을 정찰·탐사는 지형지물에 적응적으로 대응하는 지능형 로봇 시스템을 구현하여, 드론 또는 로봇의 제한된 활용을 대폭적으로 확대하는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 항공 드론 시스템은 착륙시 지상로봇이 들어 올 수 있도록 도킹 장치를 개방하고, 도킹 후 자동으로 도킹 장치를 폐쇄 하여 안정적인 이송이 가능하여, 지정된 위치에 마커인식 또는 센서등을 활용하여 자동 도킹 장치가 구현하고, 지상로봇에 도킹센서를 구비하여 도킹 결합 및 도킹 해제의 안정성이 향상되는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 통합 제어 시스템에서는 드론이 상공에서 비행중 촬영된 임무지역의 형상과, 지상 로봇이 은폐지역 등에서 임무를 수행하는 동안 촬영된 영상을 수신하고, 통신/영상 송수신 장해 발생상황을 모니터링하게 되어, 각 구성요소의 제어에 탁월한 효과가 있다.

Description

복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템 및 그 제어방법{Hybrid robot system for complex mission and it's control process}
본 발명은 상공을 비행하는 드론시스템과 지상을 이동하는 로봇시스템을 융합한 하이브리드 로봇 시스템에 관한 것으로서, 특히 무인항공기(드론) 시스템, 지상 로봇 시스템), 통합 제어 시스템(휴대용 콘트롤러)이 상호간에 통신연결되어, 통제기(휴대용 콘트롤러)를 통해 소형 지상 로봇을 드론으로 지정된 장소에 운송하여 부여된 임무를 상호 협력하여 수행하게 하는 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 드론은 비행기능을 구비하고 있어 다양한 분야에서 적용되고 있다. 최근에는 드론을 이용한 수화물의 운송 및 다양한 감시역할을 하는 분야에서 두각을 나타내고 있다. 이와 함께 놀이기구로써 이용되고 있으며, 이를 이용한 다양한 형태의 게임이 존재하게 된다. 그 예로, 드론의 비행속도를 겨루게 되는 스피드레이싱과 다양한 묘기를 보여주기 위한 프리스타일 게임이 존재한다.
이러한 드론의 게임 및 비행훈련을 위하여 대한민국 공개특허 제 10-2016-0131598호(소형 무인비행체 비행 연습 및 경기시스템, 이하 '선행기술'이라 함. 2016년 11월 18일 공개)는 소형 무인비행체 비행 연습 및 경기 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 드론(Drone) 등의 소형 무인비행체를 실내외의 일정 공간 내에서 안전하고 유익하게 조종할 수 있는 연습장 및 경기장을 제공할 수 있어 공간활용을 극대화하면서 조종자로 하여금 취미 또는 문화 생활로서 즐길 수 있도록 함은 물론, 일반인이 사용자로부터 소정의 이용료를 받고 비행 연습 및 경기를 즐길 수 있도록 하는 상업 목적의 경기장 및 시스템을 제공할 수 있도록 함으로써 대중으로 하여금 소형 무인비행체의 조정을 쉽게 경험할 수 있도록 하고, 항공, 우주공학 등 비행과 관련된 전공 분야를 공부하는 학생들에게는 다양한 무인비행체의 조정 능력을 습득할 수 있도록 하여 공학적 창의성과 성취 의욕을 고취할 수 있도록 하기 위해, 일정 공간 내에서 장애물 코스를 이루도록 복수의 장애물이 설치된 비행경기장과; 설정된 순서에 따라 상기 복수의 장애물에 적어도 하나 이상 이착륙하며 정해진 장애물 코스를 통과하도록 참가자의 조종에의해 비행하는 무인비행체와; 상기 무인비행체가 출발지점으로부터 출발한 시간부터 상기 장애물 코스를 통과하는 코스 통과 시간 정보를 측정하는 타임측정수단을; 포함하는 기술을 제공하고 있다.
최근, 군 감시·정찰 분야에 있어 무인기 및 지상로봇 활용의 중요성이 증대되고 있으나, 로봇들의 임무수행이 한정된 공간에 국한되지 않으면서, 단일 로봇의 한계를 극복하는 다양하고 새로운 임무가 요구되는 상황이다.
이에 로봇 간의 협동 기술 연구가 중요해 지고 있으며, 로봇 간의 협동은 단일 로봇만으로 수행되지 못하는 임무를 여러 로봇들이 협력하여 해결하는 것을 목표로 개발되고 있으나, 기존의 임무 로봇 시스템은 무인 로봇 차량의 외부 센서로 무인항공기를 운용 항공/지상의 각각의 영역을 단독 임무를 수행하는 방식의 시스템 구성이 대부분이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 무인항공기(드론) 시스템, 지상 로봇 시스템), 통합 제어 시스템(휴대용 콘트롤러)이 상호간에 통신 연결되어, 통제기(휴대용 콘트롤러)를 통해 소형 지상 로봇을 드론으로 지정된 장소에 운송하여 부여된 임무를 상호 협력하여 수행하게 하는 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템 및 그 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템은 모터와 프로펠러가 구비된 항공구동부와, 휴대용 콘트롤러(Controller)의 제어신호에 따라 상기 항공구동부를 제어하는 항공제어부(FC; Flight Control)가 구비된 항공 드론을 포함하여 구성되는 항공 드론 시스템과; 이동수단으로 이루어지는 로봇구동부와, 휴대용 콘트롤러의 제어신호에 따라 상기 로봇구동부를 제어하는 로봇제어부(Robot Control)가 구비된 지상 로봇을 포함하여 구성되는 지상로봇 시스템과; 상기 항공 드론과 지상 로봇을 제어하는 휴대용 콘트롤러를 포함하여 이루어지는 통합 제어 시스템이 상호 통신을 통해 피드백 제어되며, 휴대용 콘트롤러를 통해 소형 지상로봇을 항공 드론으로 지정된 장소에 운송한 후 도킹 해제하여 지상에 착륙시키며, 지상 로봇은 부여된 지상 임무를 수행한 후 항공 드론에 도킹되어 다시 지정된 위치로 복귀하는 것을 그 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템의 제어방법은 항공 드론 시스템과, 지상로봇 시스템과, 통합 제어 시스템이 상호 통신을 통해 피드백 제어되는 하이브리드 로봇 시스템의 제어방법에 있어서, 통합 제어 시스템을 통해 항공/지상 하이브리드 로봇에 임무명령을 입력하는 단계(S100); 드론이 지상로봇을 지정된 목적지로 이송하는 비행이동 단계(S110); 드론에서 착륙가능한 지형인지를 판단하는 단계(S120); 드론에서 지상 로봇을 도킹 해제하는 단계(S130); 지상 로봇이 지정된 임무를 수행하는 단계(S200); 통제기와 로봇의 통신가능여부를 판단하는 단계(S210); 통제기와 드론의 통신가능여부를 판단하는 단계(S220); 드론과 로봇의 통신가능여부를 판단하는 단계(S230); 각 구성의 통신이 가능한 상태에서, 로봇의 임무가 완료되었는지를 판단하는 단계(S300); 착륙지점으로 드론 및 로봇이 이동하는 단계(S310); 드론 및 로봇이 도킹하는 단계(S320); 지정된 복귀지점으로 항공/지상 하이브리드 로봇으로 이동하는 단계(S330); 가 순차적으로 진행되는 것을 그 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 의한 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템은 항공 드론 시스템과 지상로봇 시스템이 융합되어, 드론을 통해 장애물이 있는 곳이나 높낮이가 있는 지형을 이동할 때 짧은 비행을 통해 효율적으로 대처하며, 지상 로봇을 통해 협소하고 폐쇄적인 공간이나 위험한 지역을 정찰·탐사는 지형지물에 적응적으로 대응하는 지능형 로봇 시스템을 구현하여, 드론 또는 로봇의 제한된 활용을 대폭적으로 확대하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 항공 드론 시스템은 착륙시 지상로봇이 들어 올 수 있도록 도킹 장치를 개방하고, 도킹 후 자동으로 도킹 장치를 폐쇄 하여 안정적인 이송이 가능하여, 지정된 위치에 마커인식 또는 센서등을 활용하여 자동 도킹 장치가 구현하고, 지상로봇에 도킹센서를 구비하여 도킹 결합 및 도킹 해제의 안정성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 통합 제어 시스템에서는 드론이 상공에서 촬영된 임무지역의 형상과, 지상 로봇이 은폐지역 등에서 임무를 수행하는 동안 촬영된 영상을 수신하고, 통신/영상 송수신 장해 발생상황을 모니터링하게 되어, 각 구성요소의 제어에 탁월한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템의 블록다이어그램,
도 2는 본 발명에 의한 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템의 개념도,
도 3은 본 발명에 의한 항공 드론 시스템의 블록도,
도 4는 본 발명에 적요되는 드론 일 실시례인 본체 및 주요 부품도,
도 5는 본 발명에 의한 드론과 지상 로봇의 도킹 상태에 대한 모식도,
도 6은 본 발명의 항공 드론 및 지상 로봇의 운용 개념도,
도 7은 본 발명에 의한 지상 로봇 시스템의 블록도,
도 8은 본 발명에 의한 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템의 지시 및 동작 플로우.
도 9는 본 발명에 의한 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템의 제어방법을 개략적으로 나타난 흐름도.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 통해 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 복합임무수행용 하이브리드 로봇 시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 항공 드론 시스템(100), 지상 로봇 시스템(200), 통합 제어 시스템(300)로 구성되며, 휴대용 콘트롤러(30)를 통해 소형 지상 로봇(20)을 드론(10)으로 지정된 장소에 운송하여 부여된 임무를 상호 협력하여 수행하게 된다.
이때, 상기 항공 드론 시스템(100), 지상 로봇 시스템(200), 통합 제어 시스템(휴대용 콘트롤러 또는 통제기를 포함)(300)은 업무 지시, 수행을 위해 상호간에 서로 통신연결되어 있으며, 통신이 개별적으로 두절된 경우에는 지정된 행동, 예를 들어 최초 출발위치로 복귀, 착륙위치로 복귀, 특정 위치로 이동 등이 미리 설정되어 있다. 임무수행과 통신두절시 대응방법에 대해서는 후술한다.
상기 항공 드론 시스템(100)에는 드론(10)이, 지상 로봇 시스템(200)에는 지상 로봇(20), 통합제어시스템(300)에는 휴대용 콘트롤러(30) 또는 통제기가 포함되어 있다.
본 발명은 은폐 지역 및 사각지대에서의 무인항공기(드론)를 이용한 감시 정찰 실패를 방지하고, 지형지물과 장애물로 인한 지상로봇의 임무 수행 단점을 극복하며, 주변 환경에 관계없이 신속한 이동과 빠른 임무 수행을 위한 하이브리드 항공/지상 로봇 시스템을 제안된 것이다.
이때, 하이브리드 항공/지상 로봇 시스템이란, 비행을 하는 드론(10)과 임무를 수행하는 지상 로봇(20)이 도킹되어 하나의 몸체를 이루고 있는 것을 의미하는 것이다.
특히, 본 발명에 의한 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템은 항공 드론 시스템과 지상로봇 시스템이 융합되어, 드론(10)을 통해 장애물이 있는 곳이나 높낮이가 있는 지형을 이동할 때 짧은 비행을 통해 효율적으로 대처하며, 지상 로봇(20)을 통해 협소하고 폐쇄적인 공간이나 위험한 지역을 정찰·탐사는 지형지물에 적응적으로 대응하는 지능형 로봇 시스템을 구현하였다.
먼저, 본 발명에 의한 항공 드론 시스템(100)은 도 3에 도시된 바와 같이, 모터와 프로펠러가 구비된 항공구동부(150)와, 휴대용 콘트롤러(Controller)(30)의 제어신호에 따라 상기 항공구동부(150)를 제어하는 항공제어부(110)를 포함하는 항공 드론(10)으로 구성되는 항공 드론 시스템(100)과; 이동수단으로 이루어지는 로봇구동부(250)와, 휴대용 콘트롤러(Controller)(30)의 제어신호 에 따라 상기 상기 로봇구동부(250)를 제어하는 로봇제어부(Robot Control)(210)를 포함하는 지상 로봇(20)으로 구성되는 지상로봇 시스템(200)과; 상기 항공 드론(10)과 지상 로봇(20)을 제어하는 휴대용 콘트롤러(Controller)(30)를 포함하여 이루어지는 통합 제어 시스템(300);이 상호 통신을 통해 피드백 제어되며, 휴대용 콘트롤러(30)를 통해 소형 지상로봇(20)을 항공 드론(10)으로 지정된 장소에 운송한 후 도킹 해제하여 지상에 착륙시키며, 지상 로봇(20)은 부여된 지상 임무를 수행한 후 항공 드론(10)에 도킹되어 다시 지정된 위치로 복귀하게 된다.
참고로, 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예로서, 상기 항공 드론 시스템(100)은 드론 몸체와 , 위치 인식을 위한 GPS, 전원공급을 위한 스마트 배터리, 드론의 현재위치 및 이동위치 정보를 확정하는 PDU, 비행 제어를 위한 FC(Flight Controller)이 기본적으로 탑재된다.
또한, 드론의 이동속도를 검출하는 자이로센서 또는 가속도센서와; 이동거리를 측정하는 옵티컬센서 또는 카메라센서와; 드론과 바닥까지의 고도를 측정하는 고도센서 등이 더 구비될 수 있다.
또한, 드론제어부(110)의 제어장치에는 주변의 장애물을 인식하여 일정한 출력신호를 발생하는 3방향 장애물센서의 출력데이터가 전달되어, 드론의 안정적인 비행동작을 제어하도록 구현할 수도 있다.
이하, 항공 드론 자체에 대한 기술사항은 당업계의 공지 기술이므로, 이하 구체적인 설명은 생략한다.
특히, 본 발명의 드론은 도 5에 도시된 바와 같이, 착륙시 지상로봇이 들어 올 수 있도록 도킹 장치를 개방하고, 도킹 후 자동으로 도킹 장치를 폐쇄 하여 안정적인 이송이 가능해야하며, 지정된 위치에 마커인식 또는 센서등을 활용하여 자동 도킹 장치가 구현된다. 이때, 본 발명에 구현된 도킹 구동부 및 구동장치는 당업계의 공지 기술을 응용한 것이므로, 이하 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 상기 항공 드론 시스템(100)에 탑재되는 항공카메라(120)는 180° 이상 촬영각도를 갖는 4대의 서라운드 뷰 카메라로 실시간 촬영이 가능하며, 360도 서라운드뷰 카메라에서 나온 4개의 비디오 스트림 링크기술을 이용하여 도 6에 도시된 바와 같이, 비행하면서 넓은 지역의 선명한 영상을 촬영할 수 있으며, 지상 로봇의 이동 상황에 대한 정밀 추적이 가능하게 된다.
특히, 카메라를 이용한 감시정찰을 위해서는 외곡 교정 및 측광정렬 알고리즘을 포함하고 있어야 하며 외곡된 이미지를 교정(LDC)과 원근감 변형을 방사왜곡 모델을 이용해 방사왜곡 계수 역변형을 적용하여 원래의 입력 프레임에서 제거하고, 서로 다른 화면의 밝기와 색상을 전체적으로 일치시켜 합성 화면이 마치 카메라 한 대로 차량 위에서 촬영한 것처럼 보이도록 측광 정렬이 수행된다.
본 발명의 항공 드론 시스템(100)이 적용되는 드론(10)은 기존 드론 프레임을 기반으로 지상 로봇과 드론의 하이브리드 형태로서, 지상 로봇을 임무지역까지 이동 및 임무 수행 후 복귀를 돕기 위해 운행시간은 임무형태에 따라, 탑재 중량 5kg 이상 가능하도록 기체 설계, 배터리, 배터리 모니터링 기술이 포함된다. 이때, FC(Flight Controller)를 통해 미션 수행, 비행 자세 제어, 위치 유지 등 다양한 비행 제어 알고리즘 운용되고, 센서리스 타입의 제어 기능을 통하여 에너지 효율 증가, 소음감소와 회전 수 정밀 제어할 수 있는 모터 드라이버와 5kg의 탑재 중량을 극복하기 위하여 모터가 적용된다.
또한, 지면 경사도에서 안정적 이착륙을 위한 안정적인 이착륙이 필수적이며 이를 극복하기 위해 드론 랜딩기어 부분을 특수 제작하여 지면 경사도 내에서도 안정적인 이착륙이 가능한 기구 설계, 구조적 편의성과 제어 안정성을 확보 할 수 있는 쇽 스프링 등을 고려한 고정형 기구 설계 포함된다.
한편, 본 발명의 지상 로봇 시스템(200)은 도 7에 도시된 바와 같이, 지상 로봇(20)의 시야확보와 정찰임무를 수행하기 위해 주변을 촬영하는 복수의 카메라로 이루어지는 로봇카메라(220)와; 지상 로봇(20)의 이동 중 현재의 위치를 확보하는 로봇위치센서(230)와; 지상 로봇(20)과 항공 드론 시스템(100) 및 통합 제어 시스템(300)과의 상호 통신을 위한 로봇통신모듈(140)과; 항공 드론(10)의 도킹구동부(160)와 연동하여 도킹 여부를 인지하는 도킹센서(260)와; 지상 로봇(20)이 지면에 착륙시 충격을 완화하는 서스팬션장치(270)가 포함되며, 감시정찰영역의 확장과 생존성 향상을 위한 복수의 기술을 포함하고 있다.
본 발명의 일 실시예로, 지상로봇(20)의 기본 플랫폼은 드론(10)을 통해 운송될 수 있도록 무게는 배터리를 포함하여 5kg 내외로 이루어지며, 진동 및 충격을 흡수하고, 험로를 주행할 수 있는 견고하게 제작되며, 지상 로봇(20)이 드론(10)과의 분리과정과 운용과정에서의 진동, 충격 최소화하여 감시정찰 임무를 수행할 수 있도록 구현되어 있다.
이를 위해 상기 지상 로봇(20)은 경량 고내구성 소재인 우레탄을 사용하여 충격을 흡수하고 경량의 일체형 휠과 타이어를 적용하였다.
또한, 충격을 최소화할 수 있는 구동시스템 강도를 확보와 항공(드론)(10)과의 도킹을 원활하게 하기 위한 시스템적 구성으로 도킹센서(260)를 포함하고 있으며, 별도의 서스펜션 장치가 적용되어 타이어에서의 충격을 흡수할 수 있는 구조로 구성되어 있다.
본 발명의 일 실시예로, 지상로봇은 진동 및 충격에 대하여 MIL STD-810F에 충족할 수 있도록 실제 2m 높이에서 낙하 후에도 정상 주행능력을 확보할 수 있도록 구현되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템은 도 8에 도시된 바와 같이, 통합 제어 시스템(100)의 명령지시(목표물, 이동경로, 고도, 속도 등)이 항공/지상 하이브리드 로봇(지상로봇이 도킹된 드론)에 전달되고, 항공/지상 하이브리드 로봇에서는 이동 및 임무준비(지형/기후/환경분석, 착류위치확인, 로봇임무수행 가능여부판단)를 수행하고, 항공 드론 시스템(100)에서는 고도제어, 도킹제어, 자동/수동 비행이 진행되고, 지상 로봇 시스템에서는 자동/수동 임무수행, 도킹해제위치로 자동 복귀등이 진행되는 것이다.
한편, 상기 통합 제어 시스템(300)에서는 드론(10)이 상공에서 비행중 촬영된 임무지역의 형상과, 지상 로봇(20)이 은폐지역 등에서 임무를 수행하는 동안 촬영된 영상을 수신하고, 통신/영상 송수신 장해 발생상황을 모니터링할 수 있도록 구현되어 있다.
특히, 통합 제어 시스템(300)에는 영상신호의 외부 유출을 방지하기 위한 암호화수단, 미약한 영상신호를 증폭하고 이를 선명하게 변환하는 영상신호처리수단등이 더 포함될 수 있다.
또한, 통합 제어시스템(300)에서는 항공 드론 시스템(100)의 항공통신모듈(140)에 제어신호를 전송하여 드론(10)을 이륙시켜 도킹 해제된 지상 로봇(20)의 임무반경 내의 적절한 위치에서 호버링 하면서 통신상태를 유지하게 되고, 지상 로봇 시스템(200)과 통합 제어 시스템(300) 간에 제어 데이터, 영상 데이터 송수신 등 지상 로봇(20)의 원활한 임무수행을 가능하게 하며, 휴대용 콘트롤러(30)를 통해 드론(10)과 지상로봇(20)을 개별적으로 제어하거나, 드론(10)과 지상로봇(20)이 상호 협력하여 임무를 수행하도록 제어한다.
이때, 드론(10)은 비가시권 환경 및 지상 로봇(20)의 통신거리 이상에서의 운용되는 환경을 위해 신호증폭기, 신호중계기 등의 추가적인 전자부품이 탑재될 수 있다.
이외에, 지상 로봇 시스템(200)은 사용환경 및 목적에 따라 다양하게 운영할 수 있다.
먼저, 국지도발대비 작전에서 지상 로봇 시스템(200)은 복잡한 도심 및 시가지에서 운용되는 소형화, 무인화된 로봇 시스템으로서 실시간 적을 탐지, 식별 하여 적의 상황을 상호 공유하여 적을 조기에 격멸하여 작전에 운용될 수 있다.
또한, 수색시 확인되지 않은 거점 및 정찰로, 지하벙커 등에 대해, 음성 및 영상정보를 이용하여 폭발물 및 테러범 확인을 위한 격실내 진입 전 운용이 가능한다.
특히, 본 발명에 의한 하이브리드 로봇 시스템을 활용하여 적의 침투경로 및 적진지로 의심되는 거점에 도착하여 내외부 상황을 모니터하고 정찰 정보를 수집할 수 있으므로, 전투부대에서는 통로개척시 내부 상황을 모니터하고 부비트랩 설치여부/장애물 등을 확인하고, 건물 및 시설 주변 작전병력 격실 진입 전 피아를 식별하고 확인된 정보를 바탕으로 선별 사격 실시가 가능하다.
또한, 다층건축물 및 파괴된 지역에서의 목표지점으로 보다 빠른 정찰 및 감시를 위한 협업 로봇으로 활용이 가능하고, 재난구조부대 및 피해상황 파악시 지상과 드론시스템을 활용한 생존자확인 및 주변상황 맵핑/모니터링용 시스템으로 운용될 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 하이브리드 로봇 시스템의 제어방법은 도 9에 도시된 바와 같이, 항공 드론 시스템(100)/지상로봇 시스템(200)/통합 제어 시스템(300)이 상호 통신을 통해 다음의 단계를 거쳐 피드백 제어된다.
먼저, 통합 제어 시스템을 통해 항공/지상 하이브리드 로봇에 임무명령을 입력하는 단계(S100); 드론이 지상로봇을 지정된 목적지로 이송하는 비행이동 단계(S110); 드론에서 착륙가능한 지형인지를 판단하는 단계(S120); 드론에서 지상 로봇을 도킹 해제하는 단계(S130)가 진행된다.
이때, 상기 드론에서 착륙가능한 지형인지를 판단하는 단계(S120)에서는 항공카메라(120)를 통해 착륙지를 시각적으로 판단하는 방식이 적용되고, 착륙 불가능한 상태로 판단된 경우에는 일정거리 이격된 인접지로 이동하여 다시 착륙가능여부를 판단하는 피드백 제어가 구현된다.
또한, 지상 로봇이 지정된 임무를 수행하는 단계(S200); 통제기와 로봇의 통신가능여부를 판단하는 단계(S210); 통제기와 드론의 통신가능여부를 판단하는 단계(S220); 드론과 로봇의 통신가능여부를 판단하는 단계(S230)가 진행된다.
상기 지상 로봇이 지정된 임무를 수행하는 단계(S200)의 전후에는 추가임무 부여단계(S400), 교대임무 부여단계(S500), 병행임무 부여단계(S400)가 더 진행될 수 있다.
특히, 상기 통합제어 시스템(300)과 로봇(20)의 통신가능여부를 판단하는 단계(S210)에서 통신두절이 확인되는 경우에는 지상 로봇(20)의 임무를 즉각 중단하고, 드론(10)과 지상 로봇(20)의 위치를 동기화하는 단계(S211)이 진행된 후, 착륙지점으로 드론(10) 및 지상 로봇(20)이 이동하는 단계(S310)가 진행되며, 통합제어 시스템(300)와 드론(10)의 통신가능여부를 판단하는 단계(S220) 또는 드론(10)과 지상 로봇(20)의 통신가능여부를 판단하는 단계(S230)에서 통신두절이 확인되는 경우에는 즉시 착륙지점으로 드론(10) 및 지상 로봇(20)이 이동하는 단계(S310)가 진행된다.
또한, 각 구성의 통신이 가능한 상태에서, 로봇의 임무가 완료되었는지를 판단하는 단계(S300); 착륙지점으로 드론 및 로봇이 이동하는 단계(S310); 드론 및 로봇이 도킹하는 단계(S320); 지정된 복귀지점으로 항공/지상 하이브리드 로봇으로 이동하는 단계(S330)가 순차적으로 진행된다.
이하에서는 본 발명의 실제 활용례로 정상임무 상태시, 시스템간 통신두절시, 비행 불가능 상태시, 임무 실패시, 교대 임무 발생시, 동시 병행 임무 발생시를 구분하여 다음과 같은 단계로 운용된다.
첫째. 정상임무 상태시
① [이동]
드론은 드론봇 전투원의 명령에 따라 이륙하여 임무 지역으로 최단 거리/시간으로 이동한다.
② [임무 지역 도착 및 임무 준비]
임무 지역에 도착하면 지상로봇의 기본임무 형태로 전환하기 위해 지상 1m이내로 고도를 낮추고 임무상황에 맞추어 착륙장소 또는 해당위치에서 지상로봇의 도킹 해제를 판단한다.
③ [기본 임무 수행]
지상로봇은 임무 계획에 따라 항공/지상 하이브리드 로봇에서 분리된 지점에서 부터 드론봇 전투원의 컨트롤을 통해 목표물로 이동하며 기본 임무 장비 운용을 시작한다.
이때, 항공드론은 임무 계획에서 설정한 고도로 이륙하고 임무 시나리오에 따라 비행경로 또는 자동 비행하면서 기본 임무 장비 운용을 시작한다.
또한, 항공드론은 임무 지역에서 지상로봇과 자체 획득한 영상/음성/위치 정보를 통제소로 송신하며, 임무 시나리오에서 설정한 특화 임무에 따라 기본 임무용 영상 정보로 식별한 정보를 기반으로 자동 혹은 수동 비행하면서 특화 임무 장비를 운용한다.
④ [항공/지상 하이브리드 로봇 후속조치]
통제소에서는 임무 수행 결과를 점검하고, 후속조치 필요 유무를 판단하여 후속 임무 수행을 지시한다.
⑤ [임무 종료 및 복귀 명령]
전투원은 부여 받은 임무와 후속조치를 완료한 후, 임무 종료를 선언하고 지상로봇의 복귀를 명령한다.
지상로봇의 위치정보를 통해 항공드론은 이동하고 지상로봇에 근접하여 도킹을 시도하며, 도킹이 완료된 항공/지상 하이브리드 로봇은 통제소 인근의 착륙지점으로 이동한다.
⑥ [복귀]
항공/지상 하이브리드 로봇은 복귀 명령에 따라 임무 시나리오에서 설정한 복귀 지점으로 이동하여 착륙한다.
둘째. 시스템간 통신두절시
통제기와 항공드론, 통제기-지상로봇, 항공드론-지상로봇 사이의 통신 두절이 발생할 경우, 임무 시나리오에서 설정한 착륙 지점으로 자동 복귀할 수 있는 수단을 마련한다.
① [통신 두절1]
통제기-항공드론간 통신두절시 항공드론은 지상로봇의 임무를 중단시키고 지상로봇의 위치정보를 동기화
② [통신두절2]
통제기-지상로봇간 통신두절시 지상로봇은 현위치정보를 항공드론과 동기화하며 항공드론의 위치정보와 통신정보를 활용한 도킹시도 기능 활용 또는 작전지역 회피 기동 적용 도킹해제 위치로 이동
③ [통신두절3]
항공드론-지상로봇(하이브리드 시스템)이 통신두절시 설정한 착륙지점으로 자동 복귀 기능을 활용
셋째, 비행 불가능 상태시
임무 중에 비행 불가능한 상황(탑재 장비 고장, 이상 기후 등)이 발생한 경우, 항공 드론은 임무 시나리오에서 설정한 착륙 지점으로 자동 복귀할 수 있는 수단을 마련한다.
넷째. 임무 실패시
항공드론 하이브리드 시스템은 임무 수행을 실패할 경우를 대비한 통제기-항공드론 하이브리드 시스템에 대한 통신기능 및 위치정보 제공 차단 대책 준비한다.
다섯째. 교대 임무 발생시
복합임무수행용 하이브리드 로봇 시스템은 임무 수행 중에 운용 시간의 부족이나 탑재 장비의 고장 및 가변적인 비상 상황 등에 따라 예비 무인기와의 교대 업무가 필요한 경우에 대체 통제기-항공드론 하이브리드 시스템과의 임무 인수/인계를 위한 수단을 마련한다.
여섯째. 동시 병행 임무 발생시
본 발명에 의한 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템은 임무 지역의 상황에 따라 복수의 항공드론/지상 로봇을 운용할 수 있으며, 이에 대해서는 복수의 전투원이 콘트롤러를 제어하여 각각의 비행경로, 착륙지점, 임무를 특정하여 동시에 진행할 수 있다.
일곱째. 추가 임무 발생시
작전부대는 최초 임무 외에 추가적인 항공드론과 지상로봇의 단독 임무 상황을 식별한 경우 추가 임무에 대비할 수 있는 수단을 마련한다.
한편, 본 발명에 의한 복합임무수행용 하이브리드 로봇 시스템은 항공을 비행하고, 험지를 탐색하는 임무에 사용되므로, 운용 온도 범위 -20 ~ 60℃ 에서 정상적으로 임무수행이 가능하도록 제작되며, 주간 및 야간에서 정상적으로 임무를 수행할 수 있도록 적외선 카메라, 열감지 카메라 등이 추가될 수 있고, 염분이 많은 해상에서도 정상적인 운용이 가능하도록 일정 이상의 내부식성을 갖으며, 공기중에 유해한 성분이 존재하는 경우 또는 고온 또는 저온에서도 정상적인 운용이 가능하도록 표면은 내화학성/내열성/내한성 물질로 도색되고, 각 내부부품에도 특정한 화학처리가 구현될 수 있다.
특히, 항공드론은 제자리 비행으로 (10 m/s)에서 정상운용이 가능한 내풍성을 유지할 수 있도록 바람저항 수단이 부가되고, 우천 또는 적설시 정상 운용이 가능하도록 방수기능 및 와이퍼 등의 시야 확보수단을 갖추어 운용한다.
상기와 같은 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.
10 : 드론 20 : 지상 로봇
30 : 휴대용 콘트롤러
100 : 항공 드론 시스템 110 : 항공제어부
120 : 항공카메라 130 : 항공위치센서
140 : 항공통신모듈 150 : 항공구동부
160 : 도킹구동부 170 : 랜딩기어부
200 : 지상 로봇 시스템 210 : 로봇제어부
220 : 로봇카메라 230 : 로봇위치센서
240 : 로봇통신모듈 250 : 로봇구동부
260 : 도킹센서 270 : 서스팬션장치
300 : 통합 제어 시스템

Claims (9)

  1. 모터와 프로펠러가 구비된 항공구동부(150)와, 휴대용 콘트롤러(Controller)(30)의 제어신호에 따라 상기 항공구동부(150)를 제어하는 항공제어부(FC; Flight Control)(110)가 구비된 항공 드론(10)을 포함하여 구성되는 항공 드론 시스템(100)과;
    이동수단으로 이루어지는 로봇구동부(250)와, 휴대용 콘트롤러(Controller)(30)의 제어신호 에 따라 상기 상기 로봇구동부(250)를 제어하는 로봇제어부(Robot Control)(210)가 구비된 지상 로봇(20)을 포함하여 구성되는 지상로봇 시스템(200)과;
    상기 항공 드론(10)과 지상 로봇(20)을 제어하는 휴대용 콘트롤러(Controller)(30)를 포함하여 이루어지는 통합 제어 시스템(300);이 상호 통신을 통해 피드백 제어되며,
    휴대용 콘트롤러(30)를 통해 소형 지상로봇(20)을 항공 드론(10)으로 지정된 장소에 운송한 후 도킹 해제하여 지상에 착륙시키며, 지상 로봇(20)은 부여된 지상 임무를 수행한 후 항공 드론(10)에 도킹되어 다시 지정된 위치로 복귀하는 것을 특징으로 하는 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 통합 제어 시스템(300)에서는 드론(10)이 상공에서 비행중 촬영된 임무지역의 형상과, 지상 로봇(20)이 은폐지역 등에서 임무를 수행하는 동안 촬영된 영상을 수신하고, 통신/영상 송수신 장해 발생상황을 모니터링할 수 있도록 구현된 것을 특징으로 하는 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 항공 드론 시스템(100)은 드론(10)에서 지상 로봇(20)을 도킹 해제한 후, 지상 로봇(20)의 임무반경 내의 적절한 위치에서 호버링 하면서, 통신상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 항공 드론 시스템(100)은 항공 드론(10)의 비행시야 확보와 정찰임무를 수행하기 위해 주변을 촬영하는 복수의 카메라로 이루어지는 항공카메라(120)와;
    항공 드론(10)이 비행하는 현재의 위치를 확보하는 항공위치센서(130)와;
    항공 드론(10)과 지상 로봇 시스템(200) 및 통합 제어 시스템(300)과의 상호 통신을 위한 항공통신모듈(140)과;
    지상 로봇(20)의 일측과 착탈가능하게 결합되는 도킹구동부(160)와;
    항공 드론(10)이 지면에 안착하기 위한 바퀴가 구비된 랜딩기어부(170);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 지상 로봇 시스템(200)은 지상 로못(20)의 시야확보와 정찰임무를 수행하기 위해 주변을 촬영하는 복수의 카메라로 이루어지는 로봇카메라(220)와;
    지상 로봇(20)의 이동 중 현재의 위치를 확보하는 로봇위치센서(230)와;
    지상 로봇(20)과 항공 드론 시스템(100) 및 통합 제어 시스템(300)과의 상호 통신을 위한 로봇통신모듈(140)과;
    항공 드론(10)의 도킹구동부(160)와 연동하여 도킹 여부를 인지하는 도킹센서(260)와;
    지상 로봇(20)이 지면에 착륙시 충격을 완화하는 서스팬션장치(270);
    가 포함되는 것을 특징으로 하는 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템.
  6. 항공 드론 시스템과, 지상 로봇 시스템과, 통합 제어 시스템이 상호 통신을 통해 피드백 제어되는 하이브리드 로봇 시스템의 제어방법에 있어서,
    통합 제어 시스템(300)을 통해 항공/지상 하이브리드 로봇에 임무명령을 입력하는 단계(S100);
    드론(10)이 지상 로봇(20)을 지정된 목적지로 이송하는 비행이동 단계(S110);
    드론(10)에서 착륙가능한 지형인지를 판단하는 단계(S120);
    드론(10)에서 지상 로봇(20)을 도킹 해제하는 단계(S130);
    지상 로봇(20)이 지정된 임무를 수행하는 단계(S200);
    통제기 또는 휴대용 콘트롤러(30)와 지상 로봇(20)의 통신가능여부를 판단하는 단계(S210);
    통제기 또는 휴대용 콘트롤러(30)와 드론(10)의 통신가능여부를 판단하는 단계(S220);
    드론(10)과 지상 로봇(20)의 통신가능여부를 판단하는 단계(S230);
    각 구성요소간 통신이 가능한 상태에서, 지상 로봇(20)의 임무가 완료되었는지를 판단하는 단계(S300);
    착륙지점으로 드론(10) 및 지상 로봇(20)이 이동하는 단계(S310);
    드론(10) 및 지상 로봇(20)이 도킹하는 단계(S320);
    지정된 복귀지점으로 항공/지상 하이브리드 로봇을 이동하는 단계(S330);
    가 순차적으로 진행되는 것을 특징으로 하는 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템의 제어방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 드론(10)에서 착륙가능한 지형인지를 판단하는 단계(S120)에서는 항공카메라(120)를 통해 착륙지를 시각적으로 판단하는 방식이 적용되고,
    착륙 불가능한 상태로 판단된 경우에는 일정거리 이격된 인접지로 이동하여 다시 착륙가능여부를 판단하는 피드백 제어가 구현된 것을 특징으로 하는 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템의 제어방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 지상 로봇(20)이 지정된 임무를 수행하는 단계(S200)의 전후에는 추가임무 부여단계(S400), 교대임무 부여단계(S500), 병행임무 부여단계(S400)가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템의 제어방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 통합제어 시스템(300)과 지상 로봇(20)의 통신가능여부를 판단하는 단계(S210)에서 통신두절이 확인되는 경우에는 지상 로봇(20)의 임무를 즉각 중단하고, 드론(10)과 지상 로봇(20)의 위치를 동기화하는 단계(S211)이 진행된 후, 착륙지점으로 드론(10) 및 지상 로봇(20)이 이동하는 단계(S310)가 진행되며,
    통합제어 시스템(300)와 드론(10)의 통신가능여부를 판단하는 단계(S220) 또는 드론(10)과 지상 로봇(20)의 통신가능여부를 판단하는 단계(S230)에서 통신두절이 확인되는 경우에는 즉시 착륙지점으로 드론(10) 및 지상 로봇(20)이 이동하는 단계(S310)가 진행되는 것을 특징으로 하는 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템의 제어방법.
KR1020190178115A 2019-12-30 2019-12-30 복합임무 수행용 하이브리드 로봇 시스템 및 그 제어방법 KR102288037B1 (ko)

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