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KR102459019B1 - Uwb 기반의 군집비행용 위치 측위 방법 - Google Patents

Uwb 기반의 군집비행용 위치 측위 방법 Download PDF

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KR102459019B1
KR102459019B1 KR1020210064858A KR20210064858A KR102459019B1 KR 102459019 B1 KR102459019 B1 KR 102459019B1 KR 1020210064858 A KR1020210064858 A KR 1020210064858A KR 20210064858 A KR20210064858 A KR 20210064858A KR 102459019 B1 KR102459019 B1 KR 102459019B1
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South Korea
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flight
master
uwb
formation
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KR1020210064858A
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강찬구
김영관
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주식회사 라온컨버전스
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Abstract

실시예는 UWB 기반의 군집 비행용 위치 측위 방법에 관한 것이다.
구체적으로, 이러한 위치 측위 방법은 군집비행용 위치측위가 될 경우에, 각각의 비행체를 UWB 상의 객체로 정의하고, 별도의 앵커없이 위치추적을 함으로써, 자유공간에서 위치를 실시간 탐색한다.
특히, 이러한 UWB TWR 방식 기반에 마스터/슬레이브 형식의 레인징 스케쥴링과 풀-푸쉬 관계로부터 군집 포메이션 상의 상대위치를 산출함으로써, 군집비행에 맞는 위치측위를 실시간으로 제공한다.
그래서, 더 나아가서 군집형 무인 비행체의 위치정확도를 높여서, 군집비행을 유지하기 위해 여러 대의 비행체 및 무인 비행체를 동시에 제어한다.

Description

UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법{Method for location tracking employing grouping flight to UWB}
본 명세서에 개시된 내용은 군집비행용 위치측위 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 군집비행체가 특정 용무를 수행하기 위해 비행할 경우에, 각각의 비행체에서 군집비행 정보로 비행을 제어하므로, 군집비행을 할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
일반적으로, 비행체의 기술이 급속도로 발전함에 따라 보급형 비행체와, 초소형 미니 비행체 등 다양한 형태의 비행체에 대한 수요가 상당히 증가하고 있다. 이러한 상황에서 무인 비행체의 성능 향상을 위해 여러 대의 비행체가 포메이션 그룹을 형성하여 비행하는 군집 비행 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그리고, 이러한 상황에서 사람이 직접 비행체의 조종에 개입하지 않는 무인 비행체에 대한 연구 역시 진행되고 있다. 무인 비행체는 최근에 일반인들의 레저 활동과, 영화 촬영 등의 다양한 목적으로 활용된다. 최근에는 통신 및 컴퓨팅 기술의 발전으로 단순히 싱글 비행체의 무인 비행이 아닌 한대 이상의 비행체가 포메이션을 형성해 재난구호 등의 특수한 용무를 수행하는 군집 비행에 대한 연구가 진행되고 있다.
그러나, 이러한 무인 비행체의 위치 측위기술은 RTK-GPS와, 영상 등을 활용하고 있으며, UWB를 이용한 군집 비행체의 위치 측위 기술은 아직 적용되지 않고 있어서 RTK-GPS와, 영상 등을 활용한 군집비행의 한계를 극복하지 못하고 있었다.
부가적으로, UWB 무선 통신 기술은 주어진 방사제한 전력과 전체대역의 범위 내에서 채널당 약 500MHz 이상의 초광대역의 점유 대역폭을 갖는 무선통신 기술을 의미한다. 기존 협대역 시스템이나 광대역 CDMA 시스템에 비해 넓은 주파수 대역에 걸쳐 상대적으로 낮은 스펙트럼 전력 밀도를 가지므로 기존의 통신 시스템과 함께 사용할 수 있다는 것이 특징이다.
○ 실외 측위 기술
실외 측위 기술로 GPS, SBAS1), LPWA2), RTK3) 기술 등이 있으며, GPS는 GPS 위성을 이용한 가장 일반적이면서도 대중적인 측위 기술이지만, 정확도가 상대적으로 떨어진다는 단점이 있다. 이러한 GPS를 보완하기 위해 SBAS, RTK 기술들이 개발/적용되고 있고, IoT 환경 확산에 따라 LPWA도 개발되어 상용화 서비스가 제공된다.
○ 실내 위치 측위 기술
실내 위치 측위 기술로는 Wi-Fi, BLE Beacon, UWB, Geo-Magnetic4) 등의 기술이 있고, 최근 관성센서를 활용한 측위 기술도 개발되고 있으나 각 기술마다 정확도가 다르고 장단점이 있기 때문에 도입 목적과 용도에 따라 다양한 분야에 활용된다.
1. RTK-GPS : 지상국에서 보정된 GPS신호를 전송하는 방식, 지상국의 공간 한계를 가짐
2. 영상 + 라이다 : 영상과 라이다 센서를 통하는 방식, 야간 식별의 한계를 가짐
3. 일반 RTLS : LTE, 5G, Wifi등을 적용, 비행체간 5m정도의 군집 한계를 가진 저밀도 군집
4. UWB RTLS : 일반 RTLS의 문제인 저밀도 군집의 한계를 극복, 비행체별 30Cm급 군집
이러한 배경의 선행기술은 아래의 특허문헌이 나오는 정도이다.
(특허문헌 1) KR101905052 Y1
참고적으로, 이러한 특허문헌 1의 기술은 이기종과, 비행체 노후화, 상이한 성능 및 부품 등에 의한 비행 격차를 보상하여 멀티비행체를 동기화할 수 있는 제어를 제공하는 것이다.
개시된 내용은, 군집비행체가 특정 용무를 수행하기 위해서 비행을 할 경우, 비행하는 자유공간에서 UWB 기반으로 위치를 실시간 탐색해서, 군집비행용 위치측위를 원활하게 할 수 있도록 하는 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법은,
기본적으로 기존과 같이, 다수의 군집비행체가 비행을 할 경우에, 각각의 메인 제어부에서 위치를 측위해서, 군집비행 동작을 포메이션별로 상이하게 제어하도록 한다.
이러한 상태에서 이렇게 군집비행용 위치측위가 될 경우에, 각각의 비행체를 UWB 상의 객체로 정의하고, 별도의 앵커없이 위치추적을 한다.
특히, 이러한 UWB TWR 방식 기반에 마스터/슬레이브 형식의 레인징 스케쥴링과 풀-푸쉬 관계로부터 군집 포메이션 상의 상대위치를 산출하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로는 아래와 같다.
즉, 다수의 군집비행체가 비행할 경우, 각각의 메인 제어부에서 위치를 측위해서, 군집비행 동작을 포메이션별로 상이하게 제어하도록 하는 방법에 있어서,
상기 위치 측위가 될 경우, 다수의 군집비행체 내에 미리 설정된 마스터 비행체와 슬레이브 비행체에서 GPS 정보로 기준위치를 산출하는 제 1 단계;
상기 기준위치가 산출될 때, 상기 마스터 비행체에서 TWR 포맷에 따라 미리 설정된 풀링신호를 포메이션별로 대응하는 슬레이브 레인징 스케쥴링에 따라 송출해서, 마스터/슬레이브 비행체에서 주변 비행체로부터의 푸슁신호를 수신하여 레인징하는 제 2 단계;
상기 레인징된 풀-푸쉬 관계로부터 상기 마스터 비행체는 TWR 시간 정보에 의해 마스터/슬레이브 비행체별로 포메이션 상의 상대위치를 산출하고, 상기 슬레이브 비행체는 RSSI와, ToA(Time of Arrival)에 의해 마스터/슬레이브 비행체별로 포메이션 상의 상대위치를 산출하는 제 3 단계;
상기 산출된 마스터/슬레이브 비행체별 포메이션 상의 상대위치에 의해 포메이션별로 핑거프린트 맵을 상이하게 생성하는 제 4 단계; 및
상기 생성된 핑거프린트 맵에 의해 군집비행체의 위치를 산출하는 제 5 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
추가적으로, 이러한 경우에, 군집 포메이션별로 레인징 스케쥴링을 상이하게 수행해서, 다양한 군집형태에 맞추어 위치측위가 이루어진다.
구체적으로는, 이러한 레인징이 될 경우, 다수의 상이한 포메이션 유형별로 대응하는 루틴과 순서에 의해 슬레이브를 스케쥴링해서, 군집 유형별로 레인징을 한다.
또는, 상기 군집 유형별로 레인징이 될 경우에, 포메이션 유형별 루틴에 대한 시퀀스를 포함하여 스케쥴링함으로써, 군집 형태로도 레인징을 한다.
이에 더하여, 마스터/슬레이브 비행체별로 포메이션 상의 상대위치가 산출될 경우, 상기 레인징된 풀-푸쉬 관계로부터 도플러 주파수 편이에 따른 RSSI 변화값을 사용해서, 상기 상대위치에 방향성을 제공하는 것을 특징으로 한다.
이에 더하여, 이러한 레인징이 될 경우에, 아래의 거리측정 포맷으로부터 풀-푸쉬 관계에 맞는 위치인식을 수행함으로써, 마스터/슬레이브 군집별로 군집특성에 맞게 레인징을 하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 거리측정 포맷은,
a) 상기 마스터 비행체가 포메이션별로 동일한 그룹 ID를 가진 슬레이브 비행체별로 해당하는 풀링 신호를 명령 형식으로 송출해서, 슬레이브에게 보고를 지시하고,
b) 상기 슬레이브는 포메이션별 풀-푸쉬 관계를 기록한 사용자 메모리를 구비해서, 상기 풀링 신호가 송출될 때에 상기 사용자 메모리를 통과하여 해당하는 푸슁 신호를 이벤트 드리븐 형식으로 회신함으로써, 마스터에게 보고한다.
그리고, 이러한 사용자 메모리를 통해 레인징이 될 경우마다, 상기 슬레이브에서 상기 풀링 신호가 수신될 때에 미리 설정된 사용자 메모리 주소를 읽어서, 상기 사용자 메모리 내에 풀-푸쉬 관계별로 상이한 푸싱 신호를 연속적으로 쓰는 동작을 반복적으로 수행해서, 풀-푸쉬 정보를 통해 상대위치가 산출되도록 한다.
추가적으로, 이러한 사용자 메모리를 통해 레인징이 될 경우에, 군집 유형에 대응하는 마스터 슬레이브 형식별로 상기 거리측정 포맷용 명령을 상이하게 설정함으로써, 군집형태에 맞게 레인징을 제공한다.
실시예들에 의하면, 이러한 UWB 측위기술을 이용하여, 무인 비행체의 고밀도 군집 비행을 목표로 UWB RTLS를 탑재한 무인 비행체 군집 비행을 제공한다.
구체적으로는, 이렇게 군집비행용 위치측위가 될 경우에, 각각의 비행체를 UWB 상의 객체로 정의하고, 별도의 앵커없이 위치추적을 함으로써, 자유공간에서 위치를 실시간 탐색한다.
특히, 이러한 UWB TWR 방식 기반에 마스터/슬레이브 형식의 레인징 스케쥴링과 풀-푸쉬 관계로부터 군집 포메이션 상의 상대위치를 산출함으로써, 군집비행에 맞는 위치측위를 실시간으로 제공한다.
그래서, 더 나아가서 군집형 무인 비행체의 위치정확도를 높여서, 군집비행을 유지하기 위해 여러 대의 비행체 및 무인 비행체를 동시에 제어한다.
또한, 각 비행체의 최초 목표였던 포메이션을 구성하고 이를 유지할 수 있으며, 이동할 때에도 실시간으로 포메이션을 유지할 수 있다.
아울러, 어느 한 대의 비행체가 고장이 나도 다른 비행체들의 위치 정보를 기반으로 고장난 비행체의 위치를 찾을 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법이 적용된 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 도면
도 2는 일실시예에 따른 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법을 개념적으로 설명하기 위한 도면
도 3은 일실시예에 따른 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법이 적용된 시스템을 전체적으로 도시한 도면
도 4는 일실시예에 따른 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법이 적용된 비행체의 구성을 도시한 블록도
도 5는 일실시예에 따른 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법의 동작을 순서대로 도시한 절차 흐름도
도 6은 일실시예에 따른 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법의 정보 획득 방식을 다른 형태로 보여주는 도면
도 1은 일실시예에 따른 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법이 적용된 시스템을 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 시스템은 기존과 같이, 기본적으로는 다수의 군집비행체가 비행을 할 경우에, 각각의 메인 제어부에서 미리 설정된 군집비행 정보를 동일하게 사용하여 비행을 제어하므로, 여러 대로 특정 용무를 수행할 수 있도록 한다.
이러한 경우에, 일실시예에 따른 시스템은 UWB 기반의 군집비행용 TWR 위치 측위 방식(아래의 도 2 참조)으로부터 군집에 속한 주변 비행체의 상대위치를 실시간으로 산출하므로, 관리자가 원하는 다양한 포메이션별로 군집비행이 이루어진다.
먼저, 이러한 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방식을 설명하기에 앞서, 일반적인 군집비행을 개략적으로 설명한다.
우선적으로, 군집비행은 특정용무가 수행될 때에, 다수의 비행체(1, 2, 3, 4)에서 예를 들어, 직사각형 평면으로 된 기하학적 관계를 가짐으로써, 포메이션을 형성한다.
그리고, 이때 각각의 비행체(1, 2, 3, 4)는 특정 기하학적 관계를 형성하며, 실시간으로 주변 비행체의 상대위치를 검출한다.
이러한 경우, 각각의 비행체(1, 2, 3, 4)는 포메이션과 주변 비행체의 상대위치를 비교하여 비행오차를 검출한다.
예를 들면, 제 1 비행체(1)는 나머지 3대의 비행체(2, 3, 4)가 이루는 평면상의 삼각형 구조를 기반으로 자신의 상대적 위치를 검출한다. 이를 위해, 제 1-4 비행체는 무선 통신으로 주변 비행체의 직선거리와, 각도 및 직선거리비율 등의 정보를 서로 송수신한다. 예컨대, 제 1 직각 삼각형 및 제 2 직각 삼각형의 대응하는 각 변들의 길이를 비교하여, 상이한 경우에 제 1 비행체(1)의 비행에 오차가 발생한 것으로 판단한다.
그러면, 제 1 비행체(1)는 제 1 직각 삼각형과 제 2 직각 삼각형의 대응하는 각 변들의 길이가 동일할 때까지 비행을 제어함으로써, 비행오차를 보정한다.
따라서, 이를 통해 이러한 군집비행은 다수의 군집비행체가 비행될 경우에, 군집형 무인 비행체의 위치정확도를 높여서, 군집비행을 유지하기 위해 여러 대의 무인 비행체를 동시에 제어할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 어느 한 대의 비행체가 고장이 나도 다른 비행체들의 위치 정보를 기반으로 고장난 비행체의 위치를 찾을 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법을 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일실시예의 위치 측위 방법은 군집비행용 위치측위가 될 때, UWB 기반의 군집비행용 TWR 위치 측위 방식으로부터 군집에 속한 주변 비행체의 상대위치를 실시간으로 산출하므로, 관리자가 원하는 다양한 포메이션별로 군집비행이 이루어진다.
이러한 경우, 상기 UWB 기반의 군집비행용 TWR 위치 측위 방식은 아래와 같이 이루어진다((a) 참조).
먼저, 상기 위치 측위 방식은 위치 측위가 될 경우, 다수의 군집비행체 내에 미리 설정된 마스터 비행체(100)와 슬레이브 비행체(110-1 ~ 110-3)에서 GPS 정보로 기준위치를 산출한다.
다음, 이렇게 기준위치가 산출될 때, 마스터 비행체(100)에서 TWR 포맷에 따라 미리 설정된 풀링신호를 포메이션별로 대응하는 슬레이브 레인징 스케쥴링에 따라 송출해서, 마스터/슬레이브 비행체(100, 110)에서 주변 비행체로부터의 푸슁신호를 수신하여 레인징한다.
그래서, 이러한 레인징된 풀-푸쉬 관계로부터 상기 마스터 비행체(100)는 TWR 시간 정보에 의해 마스터-슬레이브별로(100, 110) 포메이션 상의 상대위치를 산출한다.
즉, 레인징된 풀-푸쉬 관계로부터 슬레이브에서 스케쥴링에 따라 레인징하고, 마스터와 슬레이브의 TWR 시간 정보로 거리를 산출함으로써, 포메이션 상의 상대위치를 산출한다.
일반적으로, TWR 방식은 아래와 같이 이루어진다.
즉, 마스터 측은 폴링 신호와 최종 신호를 보낸 시간과 슬레이브 측의 응답 신호를 받은 시간에 대한 정보를 메시지 형태로 최종 신호에 포함하여 보내면 슬레이브 측은 폴링 신호와 최종 신호를 받은 시간과 응답 신호를 보낸 시간 정보와 마스터 측이 보낸 폴링 신호와 최종 신호를 보낸 시간과 슬레이브 측의 응답 신호를 받은 시간에 대한 정보를 이용하여 마스터 측과 슬레이브 측 사이의 거리를 구한다.
그리고, 이에 더하여 상기 슬레이브 비행체(110-1 ~ 110-3)는 RSSI(Receved Signal Strength Indicator)와, ToA(Time of Arrival)에 의해 슬레이브-슬레이브별로(100, 110) 포메이션 상의 상대위치를 산출한다.
구체적으로는, 슬레이브(110-1 ~ 110-3)에서 스케쥴링에 따라 레인징한다. 그리고, 이에 더하여 풀-푸쉬 관계별로 미리 설정된 기준 RSSI와, 현재 레인징된 풀-푸쉬 관계에 따른 신호 강도 변화 즉, RSSI의 비율 및, 마스터와 슬레이브의 TWR 시간 정보로 거리를 산출함으로써, 포메이션 상의 상대위치를 산출한다.
그리고 나서, 이러한 마스터-슬레이브와 슬레이브-슬레이브별(100, 110) 포메이션 상의 상대위치에 의해 포메이션별로 핑거프린트 맵을 상이하게 생성한다.
다음, 이에 따라 상기 핑거프린트 맵에 의해 즉, 군집형태별 핑거프린트 맵으로 군집비행체의 위치를 산출한다.
따라서, 이를 통해 일실시예는 군집비행용 위치측위가 될 경우에, 이러한 UWB TWR 방식 기반에 마스터/슬레이브 형식의 레인징 스케쥴링과 풀-푸쉬 관계로부터 군집 포메이션 상의 상대위치를 산출함으로써, 군집비행에 맞는 위치측위를 실시간으로 제공한다.
그리고, 이러한 경우에, 군집 포메이션별로 레인징 스케쥴링을 상이하게 수행해서, 다양한 군집형태에 맞추어 위치측위가 이루어진다.
부연하면, 이러한 위치측위 방식은 기본적으로 아래와 같이 이루어진다.
즉, 먼저 비행체의 위치를 산출할 때, 기준이 되는 마스터 비행체를 정하고, GPS 좌표를 기준으로 하여 주변 슬레이브 비행체 간의 거리를 TWR(Two Way Ranging) 방식으로 측정하여 위치를 계산함으로써, 각각의 비행체 상대좌표를 산출한다.
한편으로, 이러한 레인징 스케쥴링은 예를 들어 아래와 같이 이루어진다.
먼저, 마스터 노드는 미리 설정된 프레임을 분할하여 슬레이브 노드들에 할당한다. 여기서, 프레임은 미리 설정된 시간 간격으로 이루어지며, 마스터 노드는 프레임을 슬레이브 노드들을 위한 슬레이브 송신 시간들로 분할할 수 있다. 그리고 마스터 노드는 각각의 슬레이브 노드에 각각의 슬레이브 송신 시간을 할당할 수 있다. 또한 마스터 노드는 스케줄링 결과로 스케줄링 정보를 생성한다.
다음으로, 마스터 노드는 스케줄링 정보를 송신한다. 이때, 스케줄링 정보는 마스터 노드와 슬레이브 노드들의 식별 정보를 더 포함할 수 있다. 그리고 마스터 노드는 비콘 메시지에 스케줄링 정보를 삽입하여, 송신할 수 있다. 비콘 메시지는 위치 추적 시스템 내 시간 동기화를 위한 것이다. 또한 마스터 노드는 비콘 메시지를 방사할 수 있다. 또는 마스터 노드는 태그 노드들과 슬레이브 노드들의 식별 정보를 이용하여 비콘 메시지를 송신할 수도 있다.
그리고, 이때 통신 시스템 및 좌표 설정 방식에 있어서, 측위를 위한 프레임은 슬롯을 다양하게 설정해서 이루어지기도 한다.
예를 들어, 측위를 위한 프레임은 마스터 개수별로 슬롯이 구성되며, 예를 들어 마스터가 3개인 경우에는 3개의 슬롯으로 구성된다. 그리고, 마스터가 각기 하나의 슬롯을 제어한다.
이러한 경우에, 상기 슬롯은 초기화 구간과, 슬레이브 측위 구간으로 구성되기도 한다.
도 2의 (b)는 이러한 슬롯을 도시한 예시도이다.
도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 초기화 구간은 마스터별로 풀링 신호와 푸슁 신호(응답신호), 최종 신호를 이용하여 슬레이브 간의 거리를 측정하는 구간이다.
그리고, 슬레이브 측위 구간은 슬레이브가 풀링 신호와 푸슁 신호를 이용하여 자신의 위치를 산출하는 구간이다.
보다 구체적으로, 예컨대 슬롯별로 즉, Slot0, Slot1, Slot2로 구성된 작업을 초기화 구간으로 한다.
그리고, 이 구간 동안에 마스터를 포함한 모든 비행체 간의 거리를 측정하고, 이를 바탕으로 3차원 좌표 (x, y, z)를 계산한다.
다음, 초기화 구간이 끝난 후 Slot0의 작업을 반복하며 슬레이브의 위치를 계산한다.
그리고, 슬레이브들의 위치가 변경되었거나 리셋이 필요한 경우 외부의 입력을 통해 초기화 구간을 다시 수행하도록 하여 시스템의 효율을 높인다.
부가적으로, 이러한 레인징 스케쥴링과 관련해서, 마스터/슬레이브 비행체는 타이밍 프로파일을 하나의 타이밍 프로파일로 통합하기도 한다. 예를 들어, 마스터 비행체와 슬레이브 비행체 사이에 사용해서 마스터를 기준으로 시간 동기화해서, 하나의 측위 시스템을 구성한다.
참고적으로, 기존의 TWR 방식을 개략적으로 설명한다.
먼저, TWR 방식은 2개의 패킷을 사용해서 거리를 계산한다.
그리고, 특정 장치 A가 주변 장치에 레인징을 시작한다는 패킷을 전달한다.
이때, 장치 A는 패킷을 전송한 시점부터 라운드 트립 시간(tround)을 측정한다.
그리고, 장치 A로부터 패킷을 전송받은 장치는 이에 대한 응답으로 시스템에서 정한 일정시간인 응답지연시간 뒤에 장치 A로 레인징 데이터가 포함된 패킷을 전송한다.
이때, 응답지연시간은 수신된 패킷의 끝단과 다음 전송 패킷의 시작 부분에 대한 응답 지연시간(여기에서, eA는 A의 응답지연시간이고, eB는 B의 응답지연시간)을 말한다.
그래서, 해당 패킷을 전송받은 장치 A는 응답시간(treply)과 아래의 [식 1]과 같은 연산과정을 통해 장치 A로부터 주변 장치까지 신호 도달시간(tp)을 추정한다.
이때, 이렇게 추정된 신호 도달시간으로부터 장치 A와 주변 장치 간의 거리를 추정한다.
[식 1]
tp = 1/2(tround(1+eA) - treply(1+eB))
그리고, 또한 기존의 ToA 방식을 설명한다.
(a) 먼저, RT-ToA 방식의 동작 원리는 예를 들어, A 송수신기가 신호 A를 송신하면 B 송수신기가 신호 A를 수신하고, 수신 종료 후 응답 신호인 신호 B를 송신한다.
(b) B 송수신기 수신한 신호 A의 종료 시점부터 송신한 신호 B의 종료 시점까지의 경과된 시간을 통해 A 송수신기로 측정한 값을 전달한다. B 송수신기 측정값을 A 송수신기로 전달하기, 측정값을 전달하기 위한 데이터 전달 신호와 그에 대한 A 송수신기로부터의 응답 신호 등, 2회의 추가 신호를 필요로 한다.
(c) 그리고, 전체적으로 ToA = (Tround-Treply) / 2 값을 계산한다. ToA 값에 매질 (Medium)의 신호 전달 속도 c를 곱하면 A 송수신기와 B 송수신 기간의 공간적인 거리 (Spatial Distance) 값을 구할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법이 적용된 시스템을 전체적으로 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 시스템은 기본적으로 기존과 같이, 다수의 군집비행체가 비행을 할 경우에, 각각의 메인 제어부에서 위치를 측위해서, 군집비행 동작을 포메이션별로 상이하게 제어하도록 한다.
이러한 경우에, 일실시예의 시스템은 각각의 비행체를 UWB 상의 객체로 정의하고, 별도의 앵커없이 위치추적을 함으로써, 자유공간에서 위치를 실시간 탐색한다.
즉, 자유공간에서 특정 위치를 제한하지 않는 방식으로 사용할 경우 UWB를 각 비행체에 앵커/태그의 구분없이 각 객체로 사용하여 삼각측량 구조의 3D 위치를 탐색한다.
참고적으로, 현재, RTK-GPS의 공간한계, 영상의 야간 식별 한계, 일반 RTLS의 비행체 밀도 한계를 극복하지 못하고 있으며, 특히 일반 RTLS는 UWB를 제외한 현재 기술로 RTLS를 적용할 경우 5m정도의 거리를 보장하는 정도이다.
그리고 이러한 경우, 상기 위치 측위는 전술한 바대로, 마스터/슬레이브 형식의 레인징 스케쥴링과 풀-푸쉬 관계로부터 군집 포메이션 상의 상대위치를 산출함으로써, 군집비행에 맞는 위치측위를 실시간으로 제공한다.
이때, 상기 위치 측위는 예를 들어, 삼각측량을 활용한다. 부가적으로, 이러한 삼각측량은 TWR(Two-Way Ranging)을 이용한 것으로, 예를 들어, 2D RTLS 또는, 3D RTLS로 실제 거리를 측정한다.
도 4는 일실시에에 따른 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법이 적용된 비행체의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 비행체는 데이터베이스(110)와, 구동부(130), 센서부(150), 제어부(170) 및 통신부(190)를 포함한다.
그리고, 이러한 비행체는 군집비행을 위한 기하학적 관계를 포함한 관련된 정보를 저장하고, 이러한 군집비행 정보에 따라 운용된다.
참고적으로, 군집비행 정보는 외부 서버에 의해 생성되거나, 또는 외부 서버로부터 통신부(190)를 통해 수신되어 데이터베이스(110)에 저장된다.
상기 제어부(170)는 데이터베이스(110)로부터 군집비행 정보를 추출하여, 이에 따라 구동부(130)의 동작을 제어하여 비행한다. 그리고, 이러한 경우에 상기 제어부(170)는 군집비행용 위치측위가 될 경우에, 일실시예에 따라 UWB TWR 방식 기반에 마스터/슬레이브 형식의 레인징 스케쥴링과 풀-푸쉬 관계로부터 군집 포메이션 상의 상대위치를 산출함으로써, 군집비행에 맞는 위치측위를 실시간으로 제공한다. 또한, 이때, 군집 포메이션별로 레인징 스케쥴링을 상이하게 수행해서, 다양한 군집형태에 맞추어 위치측위가 이루어진다. 더 나아가서 포메이션을 일정하게 유지하기 위해서, 상기 제어부(170)는 군집비행 정보와, 주변 비행체와의 거리를 비교하여 비행오차를 검출한다. 이를 위해, 예를 들어, 주변 비행체와의 거리를 측정해서 기하학적 관계를 산출하고, 미리 설정된 특정 기하학적 관계와 일치하는지 여부를 판단한다. 그래서, 상기 판단 결과, 불일치하는 경우에 군집비행이 변경된 것으로 판단하고, 비행오차를 보정한다. 여기에서, 특정 기하학적 관계는 예를 들어, 주변 비행체와의 직선거리, 직선거리들 간의 비율 및 직선거리들이 이루는 각도 중 적어도 하나가 특정 값으로 미리 설정된다. 또한, 특정 기하학적 관계 정보는 특정 도형에 적용되는 수학식 정보를 포함할 수 있다. 이때 특정 도형은 2차원 삼각형과, 사각형, 원형 등과, 3차원의 원뿔, 사각뿔, 사각기둥, 정육각형 기둥 및 구를 포함한다.
상기 센서부(150)는 예를 들어, GPS와, RTLS(위치추적시스템), 자이로 센서, 가속도 센서, 카메라 센서 및 자력계 센서 중 적어도 하나로 구성된다. 그리고, 상기 센서부(150)는 비행체의 위치정보를 산출하기 위해서, 주변 비행체와의 거리를 측정하기 위한 값(즉, 레인징용 신호)들을 획득한다. 또한, 이때 자이로 센서 및 가속도 센서의 측정값 및 미리 설정된 시간 내에 상기 센서들의 측정 변경값을 분석해서, 비행체의 방위값을 산출하며 또는, 비행체의 고도 및 고도 변화를 추론한다.
상기 통신부(190)는 비행체 간의 메시지 및 비행 정보를 소켓 통신을 통해 송수신한다.
도 5는 일실시에에 따른 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법의 동작을 순서대로 도시한 절차 흐름도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법은 먼저 군집비행용 위치 측위가 될 경우, 다수의 군집비행체 내에 미리 설정된 마스터 비행체(100)와 슬레이브 비행체(110-1과 110-2)에서 GPS 정보로 기준위치를 산출한다.
다음, 이렇게 기준위치가 산출될 때, 상기 마스터 비행체(100)에서 TWR 포맷에 따라 미리 설정된 풀링신호를 포메이션별로 대응하는 슬레이브 레인징 스케쥴링에 따라 송출해서, 마스터/슬레이브 비행체(100, 110)에서 주변 비행체로부터의 푸슁신호를 수신하여 레인징한다.
예를 들어, 이러한 레인징이 될 경우, 다수의 상이한 포메이션 유형별로 대응하는 루틴과 순서에 의해 슬레이브를 스케쥴링해서, 군집 유형별로 레인징을 한다. 또는, 이러한 군집 유형별로 레인징이 될 경우에, 포메이션 유형별 루틴에 대한 시퀀스를 포함하여 스케쥴링함으로써, 군집 형태로도 레인징한다.
그래서, 이러한 레인징된 풀-푸쉬 관계로부터 상기 마스터 비행체(100)는 TWR 시간 정보에 의해 마스터-슬레이브별로(100, 110) 포메이션 상의 상대위치를 산출한다.
그리고, 이에 더하여 상기 슬레이브 비행체(110-1과 110-2)는 RSSI와, ToA에 의해 슬레이브-슬레이브별로(100, 110) 포메이션 상의 상대위치를 산출한다.
부가적으로, 이러한 경우에 상대위치에 방향성을 제공해서 정확하게 위치측위를 하기도 한다.
예를 들어, 상기 마스터-슬레이브별로(100, 110) 포메이션 상의 상대위치가 산출될 경우, 상기 레인징된 풀-푸쉬 관계로부터 도플러 주파수 편이에 따른 RSSI 변화값을 사용해서, 상기 상대위치에 방향성을 제공한다. 이때, 도플러 주파수 편이는 도플러 주파수 방향과 편이값을 포함한다.
그리고 나서, 이렇게 산출된 마스터-슬레이브와 슬레이브-슬레이브별(100, 110) 포메이션 상의 상대위치에 의해 포메이션별로 핑거프린트 맵을 상이하게 생성한다.
이때, 이와 관련하여 다른 형태로는, 상기 핑거프린트 맵이 생성될 경우에, 다수의 상이한 포메이션별 풀-푸쉬 관계에 따른 RSSI를 기초로 하여 미리 등록된 레인징용 전파지도 DB로부터 마스터/슬레이브별(100, 110) 상대위치를 산출해서, 다수의 포메이션별로 핑거프린트 맵을 통합생성한다.
예를 들어, 상기 레인징용 전파지도 DB는 먼저 레인징용 신호의 즉, 포메이션별 풀-푸쉬 관계에 따른 RSSI 레벨별로 위치를 구분한다.
그리고, 실제 군집비행용 상대위치가 산출될 경우에, 실제 RSSI 레벨과(또는, 레이트), 등록된 RSSI 레벨을 비교해서 맵을 생성한다. 또한, 부가적으로 레인징용 송/수신 신호 간의 도플러 원리를 이용한 방향 정보 즉, 도플러 주파수 편이 정보에 따라 방위값을 산출하기도 한다.
그래서, 이에 따라 상기 생성된 핑거프린트 맵에 의해 군집비행체의 위치를 산출한다.
이상과 같이, 일실시예는 군집비행용 위치측위가 될 경우에, 각각의 비행체를 UWB 상의 객체로 정의하고, 별도의 앵커없이 위치추적을 함으로써, 자유공간에서 위치를 실시간 탐색한다
특히, 이러한 UWB TWR 방식 기반에 마스터/슬레이브 형식의 레인징 스케쥴링과 풀-푸쉬 관계로부터 군집 포메이션 상의 상대위치를 산출함으로써, 군집비행에 맞는 위치측위를 실시간으로 제공한다.
그리고, 이러한 경우에, 군집 포메이션별로 레인징 스케쥴링을 상이하게 수행해서, 다양한 군집형태에 맞추어 위치측위가 이루어진다.
다른 한편으로, 다른 실시예에 따른 비행체의 군집제어 방법은 기존 방식대로, TWR을 사용한 삼각 측량으로 위치가 측위될 경우에, 송신측과 수신측의 두 노드간의 클럭 차에 의한 오차 발생을 줄일 수 있도록 한다.
이를 위해, 이러한 위치 측위는 비행체의 위치가 실시간 추적될 때, 대칭 양면(Symmetric Double-Sided) TWR로부터 양 노드 간의 클럭차를 보상함으로써, 오차를 감소한다.
여기에서, 상기 TWR은 프로세서가 Request > ACK + Request > ACK > DATA Report로 된다. 그리고, ToF는 {(troundA - treplyA) + (troundB - treplyB)}/4로 된다. 그래서, 이렇게 추가 메시지 교환을 통해 양 노드간의 클럭차를 보상함으로써 오차를 감소한다.
참고적으로, 기존의 TWR은 프로세서가 Request > ACK이다, 그리고, ToF는 (troundA - treply)/2이다. 그래서, 두 노드간의 클럭 차에 의한 오차 발생 가능성이 있고, 적은 패킷 교환으로 인한 많은 태그 수용 가능성이 있다.
특히, 이러한 기존 방식에 더해서, 일실시예에 따라 상기 마스터와 슬레이브별(100, 110) 상대위치가 전체적으로 모두 산출될 경우, 상기 다수의 상이한 포메이션별 풀-푸쉬 관계에 대응하는 대칭 양면 TWR로부터 양 노드간 클럭차를 보상해서, 다수의 포메이션별로 오차를 감소한다.
그리고, 이때 상이한 포메이션별로 클럭차가 보상될 경우에, 동일한 포메이션 내에 슬레이브별로 상이한 레인징 스케쥴링에 따라 대칭 양면을 사용해서, 양 노드간 클럭차를 2차로 보상한다.
참고적으로, 마스터/슬레이브 비행체의 설계가 될 때, 같은 안테나와 안테나로부터 MMIC 칩까지의 전극 거리를 사용하고, 같은 프로세서와 신호처리 프로그램을 사용하면 기본적으로 같은 수신지연을 가져서, 위의 방식으로 오차를 최소화한다.
또 다른 한편으로는, 다른 실시예는 전술한 일실시예의 레인징이 될 경우에, 아래의 거리측정 포맷으로부터 풀-푸쉬 관계에 맞는 위치인식을 수행함으로써, 마스터/슬레이브 군집별로 군집특성에 맞게 레인징을 할 수 있도록 한다.
구체적으로는, 상기 거리측정 포맷은 아래와 같이 이루어진다.
a) 먼저, 상기 마스터 비행체(100)가 포메이션별로 동일한 그룹 ID를 가진 슬레이브 비행체별로 해당하는 풀링 신호를 명령 형식으로 송출해서, 슬레이브에게 보고를 지시한다.
b) 다음, 상기 슬레이브는 포메이션별 풀-푸쉬 관계를 기록한 사용자 메모리를 구비해서, 상기 풀링 신호가 송출될 때에 상기 사용자 메모리를 통과하여 해당하는 푸슁 신호를 이벤트 드리븐 형식으로 회신함으로써, 마스터에게 보고한다.
추가적으로, 상기 사용자 메모리를 통해 레인징이 될 경우마다, 상기 슬레이브에서 상기 풀링 신호가 수신될 때에 미리 설정된 사용자 메모리 주소를 읽어서, 상기 사용자 메모리 내에 풀-푸쉬 관계별로 상이한 푸싱 신호를 연속적으로 쓰는 동작을 반복적으로 수행해서, 풀-푸쉬 정보를 통해 상대위치가 산출되도록 한다.
이때, 이러한 풀-푸쉬 관계에 따른 데이터 읽기와 쓰기 동작은 전체적으로 마스터와 슬레이브 간에 거리에 대응하여 이루어짐으로써, 풀-푸쉬 레이트 정보를 획득할 수 있도록 한다.
부가해서, 이러한 사용자 메모리를 통해 레인징이 될 경우에, 군집 유형에 대응하는 마스터 슬레이브 형식별로 상기 거리측정 포맷용 명령을 상이하게 설정함으로써, 군집형태에 맞게 레인징을 제공한다.
도 6은 일실시예에 따른 UWB 기반의 군집비행용 위치 측위 방법의 정보 획득 방식을 다른 형태로 보여주는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 정보 획득 방식은 SDS TWR 방식에 의한 위치 정보 획득 과정으로 이루어지기도 한다.
여기에서, TWR은 비행체 간에 복수의 패킷을 주고받으며, 거리를 산출해서 측위하는 방식에 해당한다.
그리고, TDOA에 비해 비행체(AP)간 클럭 동기(clock sync)가 필요 없고, 외부 측위의 정확도가 높은 장점이 있다. 또한, TWR 방식은 3개 이상의 주변 비행체에서 거리를 구하며, 삼각법으로 위치를 산출하는 특징이 있다.
구체적으로는, 이러한 TWR 방식은 SDS-TWR(Symetric Double Side Two-Way Ranging)에 해당한다.
먼저, 마스터가 슬레이브에 풀링 패킷을 보내면, 푸슁 패킷으로 응답이 이루어진다.
그리고, 다시 마스터가 최종 패킷을 보내면, 각 패킷에 대한 시간값들로 거리를 산출한다.
이때, 최종 패킷에는 풀링 Tx 시간(Poll Tx Time))과, 푸슁 Rx 시간(Resp RX Time), 최종 Tx 시간(Finale Rx Time))을 실어서 보내주며, 이를 통해 최종 패킷으로 보내준 3개의 시간을 합쳐 모두 6개의 시간값(응답 Tx 시간(Rsep Tx Time), 최종 Rx 시간(Finale Rx Time), 응답 Rx 시간(Resp Rx Time))으로 거리값을 산출한다.
이러한 경우, 상기 거리값 산출은 아래의 [식 2]과 같다.
[식 2]
거리 = 광속 × ((Resp RX Time - Poll Tx Time) - (Resp TX Time - Poll Rx Time) + (Finale RX Time - Resp TX Time) - (Finale Tx Time - Resp RX Time))/4
한편, 부가적으로 이러한 정보 획득 과정에 적용되는 방위각 산출 방식은 아래와 같다.
먼저, 각각의 마스터와 슬레이브는 전술한 UWB 통신을 통해 SDS-TWR 방식에 의한 거리를 확인한다.
다음, SDS-TWR 수행시점에서, 예를 들어 4개로 이루어진 비행체 중에서 평면상에서 수직축과 수평축으로 구분되어 위치하는 두 쌍의 집합을 설정한다.
그리고, 이러한 각 쌍을 이루는 2개의 비행체와, 주변 비행체 간의 방위각을 산출함으로써, 2개의 방위각 정보인 제 1 방위각 정보 및 제 2 방위각 정보를 획득한다. 즉, 4개 중에서 2개 간에 거리가 긴 조합으로 방위각을 산출한다.
이때, 산출된 방위각에 대해 칼만 필터를 수행하여 스무딩 효과를 주기도 한다.
다음, 이렇게 산출된 방위각 2개 중에서, 축간 각이 상대적으로 수직에 가까운 방위각에 대해서 가중치를 적용한 뒤, 2개의 방위각에 대한 평균값을 산출한다.
그래서, 이를 통해 전술한 위치 정보 획득에 사용되는 방위각 산출 방식이 이루어진다.
다음으로, 다른 부가적인 면으로는 아래의 시간 프로파일이다. 참고로, 시간 프로파일은 마스터와 슬레이브의 동작을 나타낸다.
구체적으로는, 먼저 마스터는 두 개의 신호(Tx1, Tx2)를 일정 간격을 두고 송신한다. 그러면, 다수의 슬레이브가 각기 이 두 신호를 수신하며(Rx1, Rx2) 이때 시간 간격을 일정하다.
그리고, 마스터의 신호 송신 간격(△Tx)은 아래의 식 3과 같다.
[식 3]
△Tx = Tx2 - Tx1
다음, 슬레이브의 신호 수신 간격(△Rx)은 아래의 식 4와 같다.
[식 4]
△Rx = Rx2 - Rx1
그리고 나서, 마스터에서 사용되는 클럭과 각 슬레이브에서 사용되는 클럭이 같다면, 기본적으로 △Tx와 △Rx는 같다.
그러나, 현실적으로 마스터와 슬레이블에 사용되는 클럭보다 정확하게는 클럭 내부 오실레이터는 주파수에 편차가 있어 △Tx와 △Rx는 값이 다르다.
그래서, 수신기 클럭의 송신기 클럭에 대한 차이(skew)는 아래의 식 5와 같다.
[식 5]
skew = △Rx/△Tx
한편, 송신기에서 지연 시간(To)만큼 딜레이된 전송을 통하여 전송 시간의 메시지를 포함한 송신 신호 두 개를 일정 간격으로 송신한다. 그러면, 수신기에서는 수신 시간을 기록하여, 수신기 클럭의 송신기 클럭에 대한 차이를 아래의 식 6과 같이 구한다.
[식 6]
skew = (ToR2 - ToR1)/(ToT2 - ToT1)
그래서, 이후 수신기의 차이를 알면, 측위가 될 때 기준이 되는 송신기의 시간에 수신된 시간을 보정함으로써, 정확한 위치를 계산한다.
부가적으로, 이러한 위치 측위 방식이 사용되는 상황을 예를 들어 설명한다.
먼저, n개(n은 임의의 정수)의 무인 군집비행체가 특정 용무를 수행하는 경우에, 이 군집비행체 중에서 적어도 하나의 무인비행체가 전술한 상대위치를 기준으로 포메이션 상에서 일정거리만큼 멀어진 경우 등에, 비행경로 변경을 알리는 알람신호를 전송한다.
다음, 마스터 비행체에서 충돌 가능한 주변 슬레이브 비행체를 탐색한다.
그리고, 충돌 가능한 비행체의 개수가 0이 될 때까지 비행경로를 상호 조정한다.
그래서, 충돌 가능한 비행체의 개수가 0이 되는 n개의 비행체 비행경로를 확정한다.
이에 따라, 전체적으로 이렇게 확정된 비행경로로 비행경로를 변경한다.
이러한 충돌회피 방식은 적어도 하나의 무인비행체가 갑작스럽게 비행경로를 변경하는 경우, 다른 무인비행체들이 대응하여 비행경로를 변경함으로써, 현재 비행하고 있는 n개의 무인비행체 전체의 비행경로가 최적화되는 과정을 포함한다.
즉, 다수의 무인비행체가 지정된 경로를 따라 비행하고 있더라도 돌발상황이 생길 수 있는 바, 이러한 방식을 이용하여 무인 비행체간 비행경로를 상호 조정하고, 이러한 돌발상황에 용이하게 대처한다.
특히, 최초에 경로를 변경한 무인비행체는 긴급히 장애물을 회피하는 회피행동을 한 것일 수 있으므로, 이를 제외한 나머지 무인비행체의 비행경로를 상호 조정하여 최초의 회피행동을 유지하면서 n개의 비행하고 있는 무인비행체 전체의 비행경로를 최적화한다.
이를 통해, 비행지역에 분산되어 있거나 또는 군집을 이루어 비행하고 있는 다수의 무인비행체들 상호 간에 충돌이나 다른 물체와의 충돌을 방지하면서 다수의 무인비행체를 효과적으로 제어한다.
이에 더하여, n개의 무인비행체는 제어국과 통신하면서 비행할 수 있다. n개의 무인비행체와 제어국은 원거리 무선통신 방식으로 데이터를 교환한다. 각각의 무인비행체는 각자 비행능력을 갖추고 있고, 제어국과 통신하며 프로그램된 비행경로를 따라서 원하는 방향으로 비행한다.
그리고, n개의 무인비행체는 각기 촬영된 영상, 센서(근접센서와 온도센서 포함)로 감지한 감지신호, 비행상황과 관련된 위치데이터 및 날씨와 관련된 데이터 등을 수집하여 제어국에 전송한다. 그러면, 제어국은 이러한 데이터를 수신하여 무인비행체의 비행상황을 관찰하고, 무인비행체가 비행하는 지역을 감시하거나 관련 데이터를 축적한다. 이때, 제어국은 경우에 따라 추가적인 데이터를 전송하고, 특정 용무 수행을 위한 비행경로의 변경을 명령하기도 한다.
이와 같이, 비행하고 있는 n개의 무인비행체 중에서 적어도 하나가 장애물을 만나 비행경로의 변경을 알리는 알람신호를 전송하기도 한다. 이때, 장애물은 프로그램된 비행경로 상에는 나타나지 않은 것으로 갑자기 발견된 것일 수 있다. 그래서, 이를 감지한 무인비행체는 신속하게 이를 회피하는 장애물 회피 프로세스를 수행한다. 이를 통해 무인비행체의 비행경로 간에 간섭이 발생하는 문제가 발생할 수 있다.
그래서, 알람신호를 전송한 무인비행체는 장애물 회피 프로세스에 의해 비행경로를 즉각적으로 변경하고 알람신호를 전송하고 또는, 알람신호를 전송한 후에 비행경로를 변경한다. 즉, 무인비행체는 신속히 장애물을 회피하기 위해서, 먼저 회피 비행을 한 후 이를 제어국에 전송하여 알려준다. 그리고, 적절한 거리에서 장애물이 감지되는 경우에는 회피비행을 시작하기 이전 또는, 회피비행을 하는 중에도 알람신호를 전송한다. 이때, 무인비행체의 위치와, 속도, 비행경로 등을 함께 제공한다.
이를 통해, 무인비행체의 비행경로가 산출된 경우에, n개의 무인비행체 전체의 비행경로를 상호 비교하여 충돌 가능한 무인비행체를 탐색한다.
예를 들어, 충돌 가능한 무인비행체는 각 무인비행체의 비행경로와, 이에 더하여 비행데이터 전반과 각 무인비행체의 크기 등을 종합적으로 고려하여 탐색한다. 이때, 알람신호를 전송한 무인비행체의 변경된 비행경로가 다른 무인비행체의 비행경로와 인접한 정도에 따라 사소한 기류변환 등에 의해서도 충돌이 가능할 수 있다. 그래서, 이를 고려하여 충돌 가능한 무인비행체를 파악한다. 그리고, 이와 같은 방식으로 n개의 무인비행체 전체의 비행경로를 상호 비교하여 충돌 가능한 무인비행체를 탐색한다.
그리고, 충돌 가능한 무인비행체가 탐색되면, 충돌 가능한 무인비행체의 개수가 0이 될 때까지 알람신호를 전송한 무인비행체를 제외한 나머지 무인비행체의 비행경로를 상호 조정한다.
구체적으로는, 최초에 회피 비행을 수행한 무인비행체의 장애물 회피 행동을 유지??면서 나머지 무인비행체의 비행경로를 그에 대응하여 조정하고, 추가적인 충돌 가능성을 제거한다.
이를 통해, 회피 비행에 의한 비행경로 변경 및 비행경로의 조정으로 발생가능한 2차, 3차의 추가적인 충돌을 방지하고, 다수의 무인비행체를 보다 최적화된 비행경로로 비행하도록 제어한다.
부가적으로, 이러한 비행경로 조정은 아래와 같이 이루어진다.
즉, 무인비행체의 GPS정보, 지형지물정보, 무인비행체가 실시간으로 촬영한 영상정보, 무인비행체의 센싱정보 등을 고려하여 무인비행체의 비행경로를 최적화한다.
이를 통해, 각 무인비행체의 현재위치, 주변상황, 장애물 등을 파악하여 보다 능동적으로 비행경로를 조정한다.
한편, 최초에 어느 하나의 무인비행체가 장애물을 피해 비행경로를 변경하더라도 나머지 무인비행체는 이와는 다른 방식으로 비행경로를 변경하도록 조정할 수 있다.
예를 들어, 비행경로 조정에 의해 추가적인 비행경로의 간섭이 발생할 수 있는 무인비행체의 비행경로 변동폭들을 최초로 비행경로를 변경한 무인비행체의 비행경로 변동폭보다 작게 설정한다.
이때, 비행경로 변동폭은 전술한 비행데이터로부터 무인비행체 간 거리, 크기 등을 파악하여 상호 간에 회피가 원활한 한도 내에서 적정 비율로, 순차적으로 감소하도록 설정한다.
이와 같이, 비행경로 변동폭을 조절하면 비행경로 조정에 의해 야기되는 무인비행체 간 비행경로의 추가적인 간섭을 최소화한다. 즉, 무인비행체의 상호 간에 거리 등을 감안하여 비행경로를 유기적으로 조정함으로써, 연쇄적인 간섭을 최소화하고 비행경로의 변경없이 원래의 경로로 비행 가능한 무인비행체의 개수를 증가시킨다. 이를 통해, 다수의 무인비행체를 충돌 위험에서 벗어나도록 하면서도 원래의 임무를 놓치지 않고, 원활하게 수행하도록 무인비행체 전체의 경로를 최적화한다.
한편, 무인비행체들이 서로 반대 방향 등으로 엇갈려 비행하는 등의 경우에도 이러한 비행경로의 조정 및 최적화가 용이하게 이루어질 수 있다. 예를 들어, 서로 반대 방향으로 비행하는 무인비행체들도 최초의 비행경로 변동폭과 동일한 변동폭을 갖도록 충돌가능한 무인비행체를 포함하는 나머지 무인비행체의 비행경로를 조정할 수 있다. 이를 통해, 무인비행체간 상호 충돌뿐만 아니라 무인비행체와 장애물 간의 충돌까지도 회피하도록 비행경로를 설정한다.
또한, 무인비행체의 비행경로 조정과정은 충돌 가능한 무인비행체가 서로 교차하는 지점에서 무인비행체의 수평방향 또는 수직방향 경로변경 중에서 적어도 하나를 통해 충돌을 회피하는 과정을 포함한다. 즉, 최초에 장애물을 회피한 무인비행체가 수평방향으로 이동하여 인접한 무인비행체의 비행경로를 간섭하는 경우, 자신의 비행경로에 간섭하는 무인비행체를 피해 인접한 무인비행체가 수직방향으로 경로를 변경하도록 비행경로를 조정한다. 이를 통해 무인비행체 전체의 비행경로 변동량을 극소화한다.
다른 한편으로, 이와는 다른 장애물 회피 동작을 추가적으로 설명한다.
구체적으로는, 무인 비행체가 원격 조정되어 비행하는 중에 장애물이 감지되면, 비행 방향을 자동 전환하도록 처리한다.
즉, 무인 비행체가 비행하는 중에 실시간으로 외부로 전자파를 발생시킨다. 이때, 전자파에 의한 반사파가 수신되는지를 판별한다.
반사파가 수신되면, 즉, 장애물에 의해 전자파가 반사되어 수신되면, 장애물과의 거리를 계산한다. 다음, 계산된 거리와 무인 비행체의 속도 등을 감안하여 장애물과의 충돌을 예측한다. 예를 들어, 장애물과의 거리를 계산하여, 임계치 범위 내로 장애물이 들어오면, 충돌이 발생되는 것으로 예측한다.
다음, 장애물이 감지되면, 무인 비행체에서 원격 제어에 의한 조정이 차단되도록 하고, 비행 방향을 반대 방향으로 전환하도록 한다.
이어서, 무인 비행체의 비행 방향이 반대 방향으로 전환되고, 일정 시간(예를 들어, 2 ~ 5 초 정도)이 경과되면, 무인 비행체에서 원격 제어에 의한 조정이 허용되도록 한다.
100 : 비행체
110 : 데이터베이스 130 : 구동부
150 : 센서부 170 : 제어부
190 : 통신부

Claims (5)

  1. 다수의 군집비행체가 비행할 경우, 각각의 메인 제어부에서 위치를 측위해서, 군집비행 동작을 포메이션별로 상이하게 제어하도록 하는 방법에 있어서,
    상기 위치 측위가 될 경우, 다수의 군집비행체 내에 미리 설정된 마스터 비행체와 슬레이브 비행체에서 GPS 정보로 기준위치를 산출하는 제 1 단계;
    상기 기준위치가 산출될 때, 상기 마스터 비행체에서 TWR(Two-Way Ranging) 포맷에 따라 미리 설정된 풀링신호를 포메이션별로 대응하는 슬레이브 레인징 스케쥴링에 따라 송출해서, 마스터/슬레이브 비행체에서 주변 비행체로부터의 푸슁신호를 수신하여 레인징하는 제 2 단계;
    상기 레인징된 풀-푸쉬 관계로부터 상기 마스터 비행체는 TWR 시간 정보에 의해 마스터-슬레이브별로 포메이션 상의 상대위치를 산출하고, 상기 슬레이브 비행체는 RSSI(Receved Signal Strength Indicator)와, ToA(Time of Arrival)에 의해 슬레이브-슬레이브별로 포메이션 상의 상대위치를 산출하는 제 3 단계;
    상기 산출된 마스터와 슬레이브별 포메이션 상의 전체 상대위치에 의해 포메이션별로 핑거프린트 맵을 상이하게 생성하는 제 4 단계; 및
    상기 생성된 핑거프린트 맵에 의해 군집비행체의 위치를 산출하는 제 5 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 UWB 기반의 군집 비행용 위치 측위 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 단계는
    상기 레인징이 될 경우, 다수의 상이한 포메이션 유형별로 대응하는 루틴과 순서에 의해 슬레이브를 스케쥴링해서, 군집 유형별로 레인징을 하는 것; 을 특징으로 하는 UWB 기반의 군집 비행용 위치 측위 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 군집 유형별로 레인징이 될 경우에, 포메이션 유형별 루틴에 대한 시퀀스를 포함하여 스케쥴링함으로써, 군집 형태로도 레인징을 하는 것; 을 특징으로 하는 UWB 기반의 군집 비행용 위치 측위 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 3 단계는
    상기 마스터와 슬레이브별로 포메이션 상의 전체 상대위치가 산출될 경우, 상기 레인징된 풀-푸쉬 관계로부터 도플러 주파수 편이에 따른 RSSI 변화값을 사용해서, 상기 상대위치에 방향성을 제공하는 것; 을 특징으로 하는 UWB 기반의 군집 비행용 위치 측위 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 4 단계는
    상기 핑거프린트 맵이 생성될 경우에, 다수의 상이한 포메이션별 풀-푸쉬 관계에 따른 RSSI를 기초로 하여 미리 등록된 레인징용 전파지도 DB로부터 마스터/슬레이브별 상대위치를 산출해서, 다수의 포메이션별로 핑거프린트 맵을 통합생성하는 것; 을 특징으로 하는 UWB 기반의 군집 비행용 위치 측위 방법.
















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