KR100954500B1 - 무인항공기 통제 시스템 - Google Patents

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KR100954500B1
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진인수
전상현
김훈경
우종응
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한국항공우주산업 주식회사
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Abstract

본 발명은 무인항공기 통제 시스템에 관한 것으로, 무인항공기에 대한 통제 시스템에 있어서, 무선송수신기와 CDMA 모뎀이 탑재된 무인항공기; 및 상기 무인항공기와 가시선이 확보된 공간에서 무선통신장비를 이용하여 무선통신을 수행하고, 상기 무인항공기와 상기 가시선이 미확보된 공간에서 CDMA 통신망을 이용하여 무선통신을 수행하는 통합 지상통제장비;를 포함하도록 구성함으로써, 1대의 장비로 가시선 미확보 공간에서도 무인항공기를 효율적으로 조종 및 통제할 수 있는 효과가 있다.
차량, 무인항공기, 표적, 통합 지상통제장비, 임무통제장비, 비행통제컴퓨터, 모니터, 상부 모니터, 하부 모니터, 실시간처리컴퓨터, 서브 실시간처리컴퓨터, 제어장치, 터치패널, 비행조종기, 조이스틱, 노브, CDMA 모뎀, 가시선무선통신장비, 안테나 제어기, 안테나

Description

무인항공기 통제 시스템{Control System For Unmanned Aerial Vehicle}
본 발명은 무인항공기 통제 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전시장치, 조종장치, 통제컴퓨터, 가시선무선통신장비로 구성된 무인항공기용 지상통제장비를 1대의 통합 임무통제장비로 구성하여 임무계획/비행통제/영상조종 기능을 동시에 수행할 수 있도록 하고, 상용 CDMA 이동통신망을 이용하여 무인항공기 및 임무장비를 조종/통제할 수 있는 무인항공기 통제 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 무인항공기는 조종사가 직접 탑승하지 않고 지상에서 제어함으로써 동작하는 항공기를 말한다.
이러한 무인항공기는, 전투상황 등에서의 적진에 대한 정찰활동, 목표물에 대한 미사일 등을 이용한 공격 등과 같이 인명손실의 가능성이 크고 위험한 작전수행에서 유인항공기보다 매우 효율적이고 안정적이며 저비용으로 작전 등을 수행할 수 있다.
근래에는 상기 무인항공기에 대한 활용도가 증가함에 따라 상기 무인항공기에 탑재되는 임무장비 등도 다양화되고 있으며, 상기 무인항공기에 대한 조종 및 상기 임무장비에 대한 동작제어 등을 위한 시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지 고 있다.
종래 기술에 따른 무인항공기의 통제는 주로 상기 무인항공기를 통제하는 지상통제장비에 의해 이루어진다.
종래의 무인항공기용 지상통제장비는 그 기능에 따라서, 비행 전 비행 지역에서 정보를 입력하고 수치지형고도데이터(DTED, Digital Terrain Elevation Date,이하 같다)를 이용하여 가시선을 분석하는 임무계획(Mission Planning) 기능, 상기 무인항공기와 가시선이 확보된 지역에서 상기 무인항공기를 자동추적(Auto Tacking)하여 상기 무인항공기의 자세를 통제하고 상기 무인항공기의 임무정보를 무선통신장비로부터 수신받아 지도 위에 중첩(Overlay) 도시함으로써 임무상황을 감시하는 비행통제(Pilot Control) 기능 및 상기 무인항공기에 탑재된 임무장비를 조종하고 정찰영상을 실시간으로 수신하여 화면에 도시하는 영상조종(Imagery Control) 기능으로 구분할 수 있다.
종래 기술에 따른 지장통제장비에는 상기의 3가지 기능 즉, 임무계획/비행통제/영상조종 기능을 각각 수행할 수 있는 3대의 통제장비가 필요함에 따라, 통제장비가 대형화되고 그 신속한 전개 및 각종 차량이나 선박 등에 탑재하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 상기 3대의 장비를 각각 조종하는 조종사(사용자 내지 운용자)가 최소한 3명이 필요하여 비효율적인 문제점이 있다.
또한, 상기 무인항공기에 대한 가시선이 확보되지 않은 공간에서는 상기 무인항공기에 대한 통제가 어려운 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 따른 지상통제장비는 실시간 운용체제(RTOS, Real Time Operating System)을 탑재하지 않아 근실시간(Near RealTime)으로 통제하게 되고, 30 Frame 640×480 크기의 영상을 VTR의 아날로그로 저장하기 때문에 저장한 감시정찰영상을 재생하거나 편집하는데 불편한 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 의한 무인항공기 통제 시스템에서는, 표적좌표를 계산하는데 있어서 오일러 공식을 이용함으로써, 짐벌락(Gimbal Lock) 현상이 발생될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 비행통제컴퓨터에 임무계획/비행통제/영상조종 기능이 통합된 임무통제소프트웨어를 탑재하여 무인항공기 및 그 임무장비를 1대의 통합된 임무통제장비로 조종/통제할 수 있도록 하는 무인항공기 통제 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 무인항공기 통제장비의 운용인원을 최소화하고, 신속한 전개가 가능하며, 차량/선박 등에 쉽게 탑재하여 무인항공기 및 그 임무장비를 조종/통제할 수 있도록 하는 무인항공기 통제 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 임무통제장비에 CDMA 모뎀을 탑재하여 무인항공기에 대한 가시선이 확보되지 않은 공간에서도 무인항공기 및 그 임무장비를 조종/통제할 수 있도록 하는 무인항공기 통제 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 실시간 운용체제가 탑재된 실시간처리컴퓨터를 이용하여 무인항공기 및 그 임무장비를 실시간으로 조종/통제할 수 있고, 무인항공기/임무장비에 의한 감시정찰영상을 실시간 디지털 영상으로 저장할 수 있도록 하는 무인항공기 통제 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 네트워크 스니핑(Sniffing) 기법을 이용한 임무통제장비의 이중화 기법을 적용하여 비행안전성을 확보할 수 있도록 하는 무인항공기 통제 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 쿼터니온(Quaternion)을 이용하여 오일러 공식의 짐벌락(Gimbal Lock) 문제가 발생하는 것을 예방할 수 있도록 하는 무인항공기 통제 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에 의한 무인항공기 통제 시스템은 청구항 제 1 항에 기재된 바와 같이, 무인항공기에 대한 통제 시스템에 있어서, 무선송수신기와 CDMA 모뎀이 탑재된 무인항공기; 및 상기 무인항공기와 가시선이 확보된 공간에서 무선통신장비를 이용하여 무선통신을 수행하고, 상기 무인항공기와 상기 가시선이 미확보된 공간에서 CDMA 통신망을 이용하여 무선통신을 수행하는 통합 지상통제장비;를 포함한다.
상기 무인항공기와 통합 지상통제장비는 청구항 제 2 항에 기재된 바와 같이, CDMA 모뎀과; 상기 무인항공기의 임무계획, 비행통제, 영상조종 기능이 통합된 임무통제소프트웨어가 탑재된 비행통제컴퓨터와; 상기 무인항공기 및 그 임무장비의 동작을 제어하는 제어장치와; 상기 비행통제컴퓨터와 제어장치의 신호를 전송받아 인코딩하여 상기 무선통신장비 및 CDMA 모뎀으로 전송하고, 상기 무선통신장비 또는 CDMA 모뎀을 통해 전송받은 신호를 디코딩하여 상기 비행통제컴퓨터로 전송하는 실시간처리컴퓨터; 및 상기 비행통제컴퓨터를 통해 상기 무인항공기로부터 전송받은 신호를 표시하는 모니터;를 구비한 임무통제장비를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시간처리컴퓨터는 청구항 제 3 항에 기재된 바와 같이, 실시간 운영 체제(RTOS, Real Time Operating System) VxWorks 커널을 탑재하여 실시간으로 상기 무인항공기 및 그 임무장비를 통제하는 것을 특징으로 한다.
상기 임무통제소프트웨어는 청구항 제 4 항에 기재된 바와 같이, 상기 실시간처리컴퓨터로부터 전송받은 신호로부터 표적좌표의 계산을 수행하는 경우 쿼터니온(Quaternion)을 이용하여 짐벌락 현상을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 임무통제소프트웨어는 청구항 제 5 항에 기재된 바와 같이, 상기 실시간처리컴퓨터로부터 전송받은 신호 중 영상신호를 디지털 동영상으로 전환하여 상기 비행통제컴퓨터에 실시간으로 저장하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어장치는 청구항 제 6 항에 기재된 바와 같이, 상기 무인항공기의 고도, 속도, 헤딩/롤, 상기 안테나의 방위각 제어를 포함한 자동항법 비행을 제어하는 노브와; 상기 무인항공기/임무장비의 조종사의 선택에 따라, 상기 무인항공기의 고도, 속도, 롤 제어 또는 상기 임무장비의 방위각, 고각, 광학/적외선(EO/IR) 카메라의 줌인/아웃 내지 포커스 자동/수동 제어를 포함한 수동항법 비행을 제어하는 조이스틱과; 상기 무인항공기의 자동 또는 수동항법 비행시 상기 무인항공기의 비행을 제어하는 비행조종기; 및 상기 무인항공기의 조종방식, 수동/자동 비행 모드를 제어하는 터치패널;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 모니터는 청구항 제 7 항에 기재된 바와 같이, 전자지도와 상기 무인항공기의 비행정보(위치, 고도, 헤딩 정보를 포함함)를 상기 전자지도 위에 중첩적으로 표시하고, 상기 임무계획 및 상기 가시선 확보 공간 여부에 대한 분석 결과를 표시하며, 상기 조종사의 선택에 의해 상기 동영상을 표시할 수 있는 상부 모니터 와; 상기 비행정보와 상기 임무장비의 임무정보와 상기 표적좌표가 표시되는 하부 모니터;로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 하부 모니터는 청구항 제 8 항에 기재된 바와 같이, 터치스크린 방식에 의해 상기 무인항공기의 비행 및 상기 임무장비의 동작을 제어하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 임무통제장비는 청구항 제 9 항에 기재된 바와 같이, 상기 비행통제컴퓨터와 실시간처리컴퓨터 사이를 연결하는 네트워크 허브와; 상기 네트워크 허브에 연결되어 실시간으로 상기 실시간처리컴퓨터를 모니터링하고 상기 실시간처리컴퓨터가 작동하지 않는 경우 네트워크 스니핑 기법에 의해 상기 실시간처리컴퓨터의 기능을 대신 수행하는 서브 실시간처리컴퓨터;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성을 갖는 본 발명에 의한 무인항공기 통제 시스템은 비행통제컴퓨터에 임무계획/비행통제/영상조종 기능이 통합된 임무통제소프트웨어를 탑재하여 1대의 장비로 통합함으로써, 장비의 소형화 및 경량화와 운용인원(조종사, 사용자)을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 무인항공기에 대한 가시선이 확보되지 않은 공간에서도 무인항공기 및 그 임무장비를 조종/통제할 수 있는 효과가 있다.
덧붙여, 실시간으로 무인항공기 및 그 임무장비를 조종/통제할 수 있고, 감시정찰영상을 실시간 디지털 동영상으로 저장할 수 있는 효과가 있다.
게다가, 이중화 기법을 적용하여 비행안정성을 향상시키는 효과가 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한 도면에서는 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 본 발명의 실시예를 설명할 때 동일한 기능 및 작용을 하는 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 무인항공기 통제 시스템에 의한 통합 지상통제장비(200)와 무인항공기 사이의 네트워크 관계를 나타내며, 도 2는 상기 통합 지상통제장비(200)의 내부 구성을 나타내는 도면이다.
상기 통합 지상통제장비(200)는 임무통제장비(300)와 가시선무선통신장비(400)를 구비하며, 상기 임무통제장비(300)에는 CDMA 모뎀(350)이 탑재되어 있다.
상기 무인항공기(100)에는 각종 임무장비(광학(EO) 카메라, 적외선(IR) 카메라 등의 정찰장비를 비롯하여 각종 무기가 포함될 수 있음. 이하 같음)와 상기 CDMA 모뎀(350) 및 가시선무선통신장비(400)와 무선통신이 가능한 탑재용 CDMA 모뎀 및 탑재용 가시선무선통신장비가 탑재된다.
상기 가시선무선통신장비(400)는 무선통신장비(400)와 동일한 의미로 사용되고, 탑재용 가시선무선통신장비는 탑재용 무선통신장비 또는 무선송수신기와 동일한 의미로 사용된다. 이하 같다.
상기 통합 지상통제장비(200)는 도 3에서 도시하는 바와 같이, 차량(10) 내부에 상기 임무통제장비(300)를 탑재할 수 있고 상기 무인항공기(100)도 함께 탑재되어 이동가능하도록 설계될 수 있다.
상기 가시선무선통신장비(400)는 도 3에서 도시하는 바와 같이, 상기 무인항공기와의 무선통신을 원활하게 하기 위해 상기 차량(10)의 지붕에 설치될 수 있다.
상기 통합 지상통제장비(200)는, 상기 무인항공기(100)와 가시선(상기 무인항공기와 통합 지상통제장비 사이에 장애물이 없는 상태를 의미함. 이하 같음)이 확보된 공간의 경우에는 상기 가시선무선통신장비(400, UHF, C-BAND, S-BAND)를 이용하여 상기 무인항공기(100)와 무선통신을 하며, 상기 가시선이 확보되지 않은 공간(가시선 통신링크 불능) 혹은 상기 가시선무선통징장비(400)가 고장인 경우에는 상용 CDMA 통신망을 이용하여 상기 CDMA 모뎀을 통해 상기 무인항공기(100)와 무선통신을 한다.
도 4는 가시선무선통신장비(400)의 실제 사진이고, 도 5는 CDMA 모뎀(350)의 실제 사진이다.
이때, 상기 가시선무선통신장비(400)는 RF 모듈, 안테나 제어기 및 안테나를 포함한다.
상기 안테나는 야기(yagi) 안테나, 전방향성(omni) 안테나, 방향성(dish) 안 테나를 포함할 수 있다.(도 4참조)
즉, 상기 무인항공기(100)와 통합 지상통제장비(200) 간의 가시선 확보된 공간에서는 UHF, C-BAND, S-BAND 안테나를 통해 상기 무인항공기와 무선통신을 수행하고, 가시선 미확보 공간에서는 상기 CDMA 모뎀(350)을 통해 상용 CDMA 이동통신망에 접속하여 가시선 미확보 공간에서도 무인항공기를 통제할 수 있다.
상기 통합 지상통제장비는 상기 무인항공기 조종명령과 임무장비 제어명령을 패킷화하여 RS-232통신방식으로 (지상통제장비용) 상기 CDMA 모뎀(350)에 데이터를 전송한다.
(지상통제장비용) 상기 CDMA 모뎀(350)은 상용 이동통신망에 접속하여 무인항공기용 CDMA 모뎀에 무인항공기 조종명령과 임무장비 제어명령을 전달한다. 무인항공기의 탑재통신제어기(Airborne Data Terminal Controller)는 무인항공기의 비행상태정보와 임무장비 상태정보를 패킷화하여 상기 무인항공기용 CDMA모뎀에 RS-232 통신방식으로 데이터를 전송한다. 상기 무인항공기용 CDMA모뎀은 이 정보를 다시 통합 지상통제장비(200)에 송신하며, 상기 통합 지상통제장비(200)는 수신받은 정보를 디코딩하여 화면에 비행정보, 임무정보, 임무상황, 영상정보 등을 화면에 도시한다.
도 6은 차량으로 구성된 상기 통합 지상통제장비(200)의 외부 사진이다.
도 7은 상기 통합 지상통제장비(200)에 의해 상기 무인항공기(100)를 통제하고 있는 실제사진이다.
상기 임무통제장비(300)는 도 8에서 도시하는 바와 같이, 모니터(320), 비행 통제컴퓨터(310), 실시간처리컴퓨터(330), 제어장치(340), CDMA 모뎀(350)을 포함할 수 있다.
상기 비행통제컴퓨터(310)에는 임무계획·비행통제·영상조종 기능을 통합한 임무통제소프트웨어가 탑재되며, 상기 임무통제소프트웨어는 상기 실시간처리컴퓨터(330)와 이더넷(TCP/IP) 통신으로 상기 무인항공기에 신호를 전송하고, 상기 무인항공기 및 임무장비의 각종 정보를 수신받아 디코딩하며 상기 정보를 모니터 등의 화면에 도시한다.
상기 임무계획·비행통제·영상조종 기능은 배경기술에서 설명한 바와 같다.
상기 임무통제소프트웨어는 객체지향언어(Object Oriented Programming)인 C++을 이용하여 개발하였으며, 상기 임무계획·비행통제·영상조종 기능은 클래스와 객체화하여 사용자가 선택한 객체(즉, 상기 임무계획, 비행통제, 영상조종)가 상기 모니터(320, 화면)에 도시된다.
만약 사용자(조종사)가 상기 무인항공기(100)를 통제하고자 할 때는 상기 임무통제소프트웨어에서 상기 비행조종 버튼을 누르고 비행계기를 모니터링하면서 상기 제어장치(터치패널, 조종기, 노브, 조이스틱 등)로 무인항공기를 통제할 수 있고, 상기 영상조종 버튼을 누르면 객체화되어 숨겨있던 영상조종화면이 상기 모니터(320)에 출력되어 감시정찰영상을 모니터링하면서 상기 조이스틱을 이용하여 상기 무인항공기의 임무장비를 조종할 수 있다.
또한, 상기 임무통제소프트웨어는, 영상처리를 위해 MS사의 범용 Direct Show SDK를 이용하여, 상기 가시선무선통신장비(400)로부터 수신받은 영상을 30 프 레임 이상의 실시간 디지털 동영상 파일로 저장하며, 사용자(조종사)는 손쉽게 하드디스크에 저장된 상기 디지털 동영상을 불러오기 및 편집할 수 있다.
종래 기술에 의해 상기 무인항공기가 획득한 표적정보의 좌표계산시 오일러 공식을 주로 사용하였다.
상기 오일러 공식에 의한 표적좌표계산은 2차원에서 비행체(무인항공기 등)의 헤딩, 고도, 피치 정보와 상기 임무장비의 방위각, 고각 정보를 이용하여 계산하는 경우에는 문제가 없다.
그러나, 3차원 지형에서는 상기 비행체와 표적정보를 계산하는 경우에 3차원 축에서 1축이 겹치는 짐벌락(Gimbal Lock) 문제가 발생하며, 이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 무인항공기 통제 시스템은, 상기 비행통제컴퓨터(310)에 탑재된 임무통제소프트웨어에 의해 상기 임무장비의 방위각과 고각, 상기 무인항공기의 고도, 헤딩, 롤 데이터를 갖고 쿼터니온(Quaternion, 사원수)을 이용하여 표적좌표를 계산하도록 할 수 있다.
도 9a 내지 도 9d는 상기 짐벌락 현상이 발생하는 이유를 설명하는 도면이다.
이때, 자세변화는 피치 → 헤딩 → 롤 이고, 회전변화는 z축 → x축 → y축 이다.
도 9b는 도 9a를 피치 90° 즉, z축 회전한 것이고, 도 9c는 도 9b를 헤딩 -90°즉, x축 회전한 것이다.
도 9d는 도 9c를 롤 90°방향으로 회전한 것이다.
즉, 피치 → 헤딩 → 롤 방향으로 회전하는 것은, z축 → x축 → y축 으로 변환해야 하나, 도 9d에서 도시하는 바와 같이 z축 → x축 → -z축 으로 변환하게 되는 경우가 발생하는 것이다.
상기 쿼터니온은 4차원 함수로서 아래의 수학식 1로 표현될 수 있으며, 스칼라(w)와 벡터(v)로 구성된다.
q = [w, v] = w + xi + yj + zk
상기 수학식 1에서,
Figure 112009028974890-pat00001
이다.
벡터(p)를 임의의 축으로 회전하는 식(r)은
Figure 112009028974890-pat00002
(
Figure 112009028974890-pat00003
는 q의 켤례)로 정의할 수 있으며, 쿼터니온(q)의 변환행렬은 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009028974890-pat00004
이때, 상기 수학식 2에서 (x, y, z)는
Figure 112009028974890-pat00005
을 만족하는 단위 쿼터니온(Unit Quaternion)이다.
도 10은 상기 표적좌표 추출을 위한 지형 샘플을 나타내는 도면이다.
표적좌표를 계산하기 위해서는 먼저, 비행체 좌표(easting, northing, altitude)에서 해발고도가 0m(P) 지점을 계산하고, P지점을 사원수(Quaternion)을 이용하여 비행체의 피치, 헤딩, 롤 각에 대응하여 회전한다.
다음으로, 비행체 좌표지점(U)에서 사원수로 계산한 지점을 서로 연결하는 위치벡터를 구하고, DTED2 파일로부터 읽어 들인 지형 고도값(Htn)이 샘플링으로 계산한 고도값(Hcn)보다 큰 지점을 추출한다. 즉, 임무장비가 바라보는 벡터와 지형이 교차하는 지점을 계산할 수 있는 것이다.
도 11은 DTED2 데이터를 이용한 표적좌표 추출 순서도이다.
상기 쿼터니온을 이용한 표적좌표의 계산 순서는 도 16에서 도시하는 바와 같다.
또한, 상기 임무통제소프트웨어는 상기 가시선 확보 여부를 실시간으로 계산하여 상기 실시간처리컴퓨터(330)에 의해 상기 가시선무선통신장비 또는 CDMA 모뎀 중 어느 것을 선택하여 상기 무인항공기와 무선통신 할지를 결정할 수 있다.
종래에 임무계획장비·비행통제장비·영상조종장비로 구성된 3개의 장비에 의해 최소 3명의 운용자가 상기 무인항공기(100)/임무장비를 통제하였으나, 본 발명에 의한 무인항공기 통제 시스템은 상기 임무계획·비행통제·영상조종 기능을 하나의 상기 임무통제소프트웨어로 통합함으로써, 상기 3개의 장비를 1대의 장비로 통합하여 1명의 조종사(사용자)가 효율적으로 상기 무인항공기(100)/임무장비를 통제할 수 있게 설계된다.
상기 제어장치(340)는 도 12에서 도시하는 바와 같이, 터치패널(341), 비행 조종기(342), 조이스틱(343) 및 노브(344)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제어장치(340)는 후술하는 상기 실시간처리컴퓨터(330)에서 제어한다.
상기 터치패널(341)은, RS-232 방식의 터치스크린이 적용될 수 있으며, 상기 무인항공기의 운용모드(수동/자동 비행 모드, 조종방식 제어(노브 또는 비행조종기), 무인항공기 자동비행(점항법, 정찰모드, 사전계획모드, 발사이륙모드))를 제어한다.
여기서, 수동/자동 비행의 차이점은 다음과 같다.
수동비행은 조종사가 만약 피치 -20도를 유지하였을 때 바람 등 왜란이 발생하면 조종사는 -20도 이지만 바람의 영향에 의해 20도 될 수 있고, -25도 될 수 있다.
그러나, 자동비행의 경우는 피치 -20도의 명령을 주면 바람이 불어도 비행체 내의 탑재장비가 항상 -20도를 유지하도록 Throttle(스로틀), Rudder(방향타), Elevator(승강타), Aileron(보조날개), Brake(브레이크), 서보모터를 제어한다.
즉, 수동비행시에는 조종사가 상기 비행체의 Throttle, Rudder, Elevator, Aileron, Brake, 서보모터를 직접 제어하는 방식이고, 자동비행은 상기 Throttle, Rudder, Elevator, Aileron, Brake, 서보모터를 탑재장비가 제어하는 방식을 말한다.
상기 비행조종기(342)는, 상기 실시간처리컴퓨터와 RS-422 방식으로 100m 이상 이격될 수 있으며, 상기 수동 또는 자동비행시 상기 무인항공기의 Rudder, Elevator, Throttle, Aileron, Brake를 제어한다.
상기 조이스틱(343)은, 상기 실시간처리컴퓨터(330)와 RS-232 방식으로 데이터 통신하며, 조종사의 선택에 따라 상기 무인항공기의 고도, 속도, 롤을 제어할 수 있고 또는 상기 임무장비의 방위각, 고각, 광학/적외선 카메라의 줌인/아웃(Zoom in/out), 포커스의 자동/수동(Auto/Manual) 모드를 제어할 수도 있다.
상기 노브(344)는, 상기 실시간처리컴퓨터(330)와 RS-232 방식으로 데이터통신하며, 상기 무인항공기의 자동항법 비행을 위한 고도, 속도, 헤딩/롤을 제어하고, 상기 가시선무선통신장비(400)의 안테나 방위각을 제어한다.
이때, 상기 가시선무선통신장비(400)의 안테나 방위각을 제어한다는 것은, 조종사가 상기 노브(344)를 돌리면 상기 노브의 변화량만큼을 연산하여 속도값으로 변환한다. 여기서 상기 속도값이란 방위각 회전속도를 말하는 것으로서, 이 회전속도를 상기 안테나 제어기에 데이터로 전송해주면 상기 안테나 제어기는 이 데이터를 수신받아 상기 안테나 내의 모터를 제어한다는 것을 말한다.
상기 실시간처리컴퓨터(330)은 실시간 운용체제(RTOS, Real Time Operating System) VxWorks 커널(Kernel)을 탑재하였으며, 태스크 스케줄링에 의해 실시간으로 상기 무인항공기를 통제한다.
즉, 상기 실시간처리컴퓨터(330)는 실시간 운용체제(RTOS)를 기반으로 개발되어, 상기 무인항공기(100)를 실제 조종하는 상기 터치패널(341), 노브(344), 비행조종기(342), 조이스틱(343) 및 상기 CDMA 모뎀(350)과 RS-232 또는 RS-422 통신방식으로 통신하며 실시간으로 제어한다.
상기 실시간처리컴퓨터(330)는, 상기 비행통제컴퓨터(310)와 제어장치(340)의 신호를 받아 상기 무인항공기(100)로 전송할 신호를 인코딩하여 상기 가시선무선통신장비(400) 및 CDMA 모뎀(350)으로 전송하고, 상기 가시선무선통신장비(400) 또는 CDMA 모뎀(350)을 통해 상기 무인항공기(100)로부터 전송받은 신호를 디코딩하여 통신방식으로 상기 비행통제컴퓨터로 전송하는 기능을 수행한다.
이때, 상기 비행통제컴퓨터(310)에 탑재된 상기 임무통제소프트웨어에서 분석한 가시선 공간 확보 여부에 대한 결과가 가시선 미확보공간으로 판단되거나, 또는 상기 가시선무선통신장비(400)가 고장 등으로 오작동 내지 부작동인 경우에는 자동으로 상기 CDMA 모뎀(350)을 통해 상용 CDMA 통신망을 이용하여 상기 무인항공기(100)와 무선통신을 수행하도록 할 수 있다. 즉, 상기 가시선이 확보된 공간에서는 상기 안테나 제어기를 제어하여 상기 무인항공기(100)와 무선통신을 하고, 상기 가시선이 미확보된 공간에서는 상기 CDMA 모뎀(350)을 RS-232 통신방식 등으로 제어하여 상기 무인항공기(100)와 무선통신을 한다.
이때, 상기 가시선무선통신장비(400) 또는 CDMA 모뎀(350) 중 어느 것을 이용하여 상기 무인항공기(100)와 무선통신을 할지는 조종사가 직접 수동 선택할 수도 있다.
상기 모니터(320)는 상부 모니터(321)와 하부 모니터(322)로 구성될 수 있으며, 상기 비행통제컴퓨터(310)를 통해 상기 무인항공기(100)/임무장비로부터 수신된 신호 정보를 표시한다.
상기 상부 모니터(321)는 전자지도가 도시되며, 비행 전 임무계획 내지 가시 선 분석 결과가 도시될 수 있으며, 비행 중에는 상기 무인항공기의 임무상황을 모니터링 할 수 있다.
상기 하부 모니터(322)는 상기 무인항공기(100)의 각종 비행정보(고도, 속도, 헤딩, 롤, 선회율, 경고정보 등)와 임무정보(상기 임무장비의 방위각, 고각, 표적좌표 등)가 도시될 수 있다. 이때, 상기 하부 모니터(322)는 터치스크린을 적용하여 조종사(사용자)가 수월하게 상기 무인항공기(100)와 가시선무선통신장비(400)를 제어할 수 있다.
도 13은 터치스크린이 적용된 상기 하부 모니터(322)에 형성된 각종 버튼을 나타낸다.
본 발명에 따른 무인항공기 통제 시스템은 도 14에서 도시하는 바와 같이, 상기 비행통제컴퓨터(310)와 실시간처리컴퓨터(330) 사이에 네트워크 허브(360)를 더 포함할 수 있다.
상기 비행통제컴퓨터(310)와 실시간처리컴퓨터(330)는 상기 네트워크 허브(360)에 의해 연결되며 이더넷(TCP/IP) 통신으로 각종 신호를 주고받는다.
이때, 상기 네트워크 허브(360)에는 상기 실시간처리컴퓨터(330) 이외의 다른 실시간처리컴퓨터(331. 이하 '서브 실시간처리컴퓨터' 라 함)가 연결될 수 있다.
이 경우, 실시간 처리를 위한 2개의 PowerPC 계열의 싱글보드컴퓨터(SBC, Single Board Computer, 상기 실시간처리컴퓨터(330)와 서브 실시간처리컴퓨터(331))가 있게 된다.
상기 실시간처리컴퓨터(330)가 상기 무인항공기(100)를 통제할 때, 상기 서브 실시간처리컴퓨터(331)는 네트워크 스니핑(sniffing) 기법을 이용하여 실시간으로 상기 실시간처리컴퓨터(330)를 모니터링하며, 상기 실시간처리컴퓨터(330)의 고장(fault)시 상기 서브 실시간처리컴퓨터(331)가 상기 실시간처리컴퓨터(330)의 기능을 대신 수행할 수 있게 설계될 수 있다.
본 발명에 따른 무인항공기 통제 시스템은 상기 비행통제컴퓨터(310)에 임무계획·비행통제·영상조종 기능이 통합된 임무통제소프트웨어를 탑재함으로써 도 15a 및 도 15b에서 도시하는 바와 같이, 1개의 콘솔 랙 형태의 구조물에 상기 임무통제장비(300, 상기 모니터(320), 비행통제컴퓨터(310), 실시간처리컴퓨터(330), 제어장치(340) 및 CDMA 모뎀(350)을 포함함)가 탑재된다.
도 16은 1개의 콘솔 랙에 장착된 상기 임무통제장비(300)의 실제 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 무인항공기 통제 시스템을 구성하는 상기 통합 지상통제장비(200)로써 1톤 차량으로 구성된 예를 나타내는 실제 사진이다.
상기 통합 지상통제장비(200)는 상기 1톤 차량 이외에도, 그 이상/이하의 차량 또는 선박 등 다양한 구조물에 장착이 가능하다.
도 17은 상기 임무통제장비(300)를 휴대용 가방 및 노트북에 장착한 실제 사진이다.
도 17에서 도시하는 바와 같이 본 발명에 따른 무인항공기 통제 시스템은, 상기 휴대용 가방과 노트북으로 소형화가 가능하다.
이때, 상기 노트북의 모니터가 상기 하부 모니터(322)의 기능을 수행하고, 상기 휴대용 가방의 상판(뚜껑) 내부면에 설치된 모니터가 상기 상부 모니터(321)의 기능을 수행한다.
또한, 상기 노브(344)와 터치패널(341)은 상기 휴대용 가방의 하판에 설치되고, 상기 비행조종기(342)는 케이블로 연결 가능하도록 포트로 되어있다.
그 외, 상기 비행통제컴퓨터(310), 실시간처리컴퓨터(330), CDMA 모뎀(350) 등은 상기 휴대용 가방의 내부에 보드 낱개로 장착된다.
이때, 상기 가시선무선통신장비(400)는 도 18에서 도시하는 바와 같이, 삼발이에 별도로 장착된다.
본 발명에 따른 무인항공기 통제 시스템에 의해 각종 신호의 송/수신 과정은 다음과 같다.
먼저 수신의 경우는, 상기 무인항공기(100)의 비행정보 내지 임무장비의 임무정보 신호를 상기 무인항공기에 탑재된 가시선무선통신장비 또는 CDMA 모뎀을 통해 상기 통합 지상통제장비(200)의 가시선무선통신장비(400) 또는 CDMA 모뎀(350)으로 수신한다.
상기 가시선무선통신장비(400) 또는 CDMA 모뎀(350)은 상기 무인항공기/임무장비에 관한 신호를 상기 실시간처리컴퓨터(330)으로 전송한다.
상기 실시간처리컴퓨터(330)는 상기 전송받은 신호를 디코딩하여 상기 비행통제컴퓨터(310)로 이더넷통신방식에 의해 전송한다.
상기 실시간처리컴퓨터(330)는 상기 전송받은 상기 무인항공기/임무장비의 정보를 상기 모니터(320)에 표시하고 저장하며 상기 표적좌표와 가시선 공간 여부 를 분석한다.
상기 조종사는 상기 모니터를 통해 상기 무인항공기/임무장비의 정보를 보고 상기 무인항공기/임무장비를 조종/통제할 수 있다.
다음으로 송신의 경우는, 상기 비행통제컴퓨터(310)에서 인코딩 데이터 신호를 또는 상기 제어장치(340)의 신호를 상기 실시간처리컴퓨터(330)로 전송하고, 상기 실시간처리컴퓨터(330)에서 상기 전송된 신호들을 다시 인코딩하여 상기 가시선무선통신장비(400) 및 CDMA 모뎀(350)으로 전송한다.
이때, 상기 가시선이 확보된 공간인 경우에는 상기 가시선무선통신장비(400)를 이용하고, 상기 가시선이 미확보된 공간인 경우에는 상기 CDMA 모뎀(350)을 이용하게되며, 이는 상기 실시간처리컴퓨터(33)에 의해 제어되며 조종사의 수동 선택에 의해서도 제어될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(당업자)라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명은 상용 CDMA 이동통신망을 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 GSM 망, WCDMA 망 등 망 종류에 관계없이 모든 이동통신 시스템에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 무인항공기 통제 시스템의 구성도
도 2는 통합 지상통제장비의 구성도
도 4는 가시선무선통신장비의 한 예를 나타낸 실물 사진
도 5는 CDMA 모뎀의 사진
도 6은 통합 지상통제장비를 탑재한 차량의 사진
도 7은 차량의 통합 지상통제장비에서 무인항공기를 통제하고 있는 모습을 나타낸 사진
도 8은 임무 통제장비 및 가시선무선통신장비의 구성도
도 9a 내지 도 9d는 오일러 공식의 짐벌락 현상을 설명하기 위한 그래프
도 10은 표적좌표 추출을 위한 지형 샘플도
도 11은 쿼터니온을 이용한 표적좌표 추출 순서도
도 12는 제어장치의 구성도
도 13은 하부 모니터에 형성된 버튼의 구성도
도 14는 네트워크 스니핑 기법이 적용된 임무 통제장비 및 가시선무선통신장비의 구성도
도 15a 및 도 15b는 1개의 콘솔 랙에 설치된 임무통제장비의 개략도
도 16은 1개의 콘솔 랙에 설치된 임무통제장비의 실물 사진
도 17 및 도 18은 휴대용 임무통제장비 및 가시선무선통신장비의 실물사진
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 차량 100 : 무인항공기
110 : 표적 200 : 통합 지상통제장비
300 : 임무통제장비 310 : 비행통제컴퓨터
320 : 모니터 321 : 상부 모니터
322 : 하부 모니터 330 : 실시간처리컴퓨터
331 : 서브 실시간처리컴퓨터 340 : 제어장치
341 : 터치패널 342 : 비행조종기
343 : 조이스틱 344 : 노브
350 : CDMA 모뎀 400 : 가시선무선통신장비
410 : 안테나 제어기 420 : 안테나
S10 : 샘플링 1/n 이동 좌표계산 단계
S20 : 고도값(Hc)계산 단계
S30 : 좌표변환 단계
S40 : 해당 좌표의 DTED2 파일 읽기 단계
S50 : DTED2 고도값(Ht) 추출단계
S60 : Ht와 Hc 값의 크기 비교단계

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 무선송수신기와 CDMA 모뎀이 탑재된 무인항공기; 및
    상기 무인항공기와 무선통신을 수행하는 통합 지상통제장비를 포함하는 무인항공기 통제 시스템에 있어서,
    상기 통합 지상통제장비는,
    상기 무인항공기와 가시선이 확보된 공간에서 무선통신을 수행하는 무선통신장비와;
    상기 무인항공기와 상기 가시선이 미확보된 공간에서 CDMA 통신망을 이용하여 무선통신을 수행하는 CDMA 모뎀과; 상기 무인항공기의 임무계획, 비행통제, 영상조종 기능이 통합된 임무통제소프트웨어가 탑재된 비행통제컴퓨터와; 상기 무인항공기 및 그 임무장비의 동작을 제어하는 제어장치와; 상기 비행통제컴퓨터와 제어장치의 신호를 전송받아 인코딩하여 상기 무선통신장비 및 CDMA 모뎀으로 전송하고, 상기 무선통신장비 또는 CDMA 모뎀을 통해 전송받은 신호를 디코딩하여 상기 비행통제컴퓨터로 전송하는 실시간처리컴퓨터; 및 상기 비행통제컴퓨터를 통해 상기 무인항공기로부터 전송받은 신호를 표시하는 모니터를 구비한 임무통제장비;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기 통제 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 실시간처리컴퓨터는,
    실시간 운영체제(RTOS, Real Time Operating System) VxWorks 커널을 탑재하여 실시간으로 상기 무인항공기 및 그 임무장비를 통제하는 것을 특징으로 하는 무인항공기 통제 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 비행통제컴퓨터에 탑재된 임무통제소프트웨어는,
    상기 실시간처리컴퓨터로부터 전송받은 신호로부터 표적좌표의 계산을 수행하는 경우 쿼터니온(Quaternion)을 이용하여 짐벌락 현상을 방지하는 것을 특징으로 하는 무인항공기 통제 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 비행통제컴퓨터에 탑재된 임무통제소프트웨어는,
    상기 실시간처리컴퓨터로부터 전송받은 신호 중 영상신호를 디지털 동영상으로 전환하여 상기 비행통제컴퓨터에 실시간으로 저장하는 것을 특징으로 하는 무인항공기 통제 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 제어장치는,
    상기 무인항공기의 고도, 속도, 헤딩/롤 및 안테나의 방위각 제어를 포함한 자동항법 비행을 제어하는 노브와;
    조종사의 선택에 따라, 상기 무인항공기의 고도, 속도, 롤 제어하거나 또는 상기 임무장비의 방위각, 고각, 광학/적외선(EO/IR) 카메라의 줌인/아웃 내지 포커스 자동/수동 제어를 포함한 수동항법 비행을 제어하는 조이스틱과;
    상기 무인항공기의 자동 또는 수동항법 비행시 상기 무인항공기의 비행을 제어하는 비행조종기; 및
    상기 무인항공기의 조종방식, 수동/자동 비행 모드를 제어하는 터치패널;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기 통제 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 모니터는,
    전자지도와 상기 무인항공기의 위치, 고도 및 헤딩 정보를 포함하는 비행정보를 상기 전자지도 위에 중첩적으로 표시하고,
    상기 임무계획 및 상기 가시선 확보 공간 여부에 대한 분석 결과를 표시하며,
    조종사의 선택에 의해 동영상을 표시할 수 있는 상부 모니터와;
    상기 비행정보와 상기 임무장비의 방위각과 고각을 포함하는 임무정보와 표적좌표가 표시되는 하부 모니터;
    로 구성된 것을 특징으로 하는 무인항공기 통제 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 하부 모니터는,
    터치스크린 방식에 의해 상기 무인항공기의 비행 및 상기 임무장비의 동작을 제어하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기 통제 시스템.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 임무통제장비는,
    상기 비행통제컴퓨터와 실시간처리컴퓨터 사이를 연결하는 네트워크 허브와;
    상기 네트워크 허브에 연결되어 실시간으로 상기 실시간처리컴퓨터를 모니터링하고 상기 실시간처리컴퓨터가 작동하지 않는 경우 네트워크 스니핑 기법에 의해 상기 실시간처리컴퓨터의 기능을 대신 수행하는 서브 실시간처리컴퓨터;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기 통제 시스템.
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