KR101283543B1 - 무인비행체의 자세 안정화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 무인비행체의 자세 안정화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 항공촬영에 사용되는 무인비행체의 불규칙적인 외란을 보정하여 최적의 영상 데이터를 획득할 수 있는 무인비행체의 자세 안정화 방법에 관한 것이다.

Description

무인비행체의 자세 안정화 방법{STABILIZATION METHOD FOR UNMANNED AERIAL VEHICLE}
본 발명은, 무인비행체의 자세 안정화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 항공촬영에 사용되는 무인비행체의 불규칙적인 외란을 보정하여 최적의 영상 데이터를 획득할 수 있는 무인비행체의 자세 안정화 방법에 관한 것이다.
기술이 발전함에 따라 무인비행체(UNMANNED AERIAL VEHICLE)의 활용 범위가 점차 넓어지고 있다.
즉, 원하는 지역에서 고해상도의 영상 데이터를 획득하기 위해 무인비행체를 상공에 띄워 해당 지역을 촬상하는 예가 늘고 있다
이러한 무인비행체를 이용한 영상 데이터 획득 방안은 군 관련 조직을 비롯하여 재해 방지 조직, 재난 구조 조직, 정찰 업무 조직, 교통 상황 조직, 산불 감시 조직, 범죄 예상 및 추적 등을 위한 특수 조직 등에서 널리 사용되는 방법 중에 하나이다.
한편, 무인비행체를 지상에 띄울 경우, 바람이나 기류 등의 외란에 의해 무인비행체가 흔들려 자세가 제대로 안정화되기 어려울 수 있다.
예컨대, 무인비행체는 바람이나 기류 등의 외란에 의해 도 1처럼 피치(Pitch) 운동, 롤(Roll) 운동 및 요(Yaw) 운동 등의 불규칙적인 외란에 의한 운동에너지가 발생될 수 있다.
실제, 피치 운동, 롤 운동 및 요 운동이 일정한 패턴을 갖는 규칙적인 운동일 경우에는 큰 문제가 되지 않지만 이들 운동들은 바람이나 기류 등의 불규칙적인 외란에 의해 심화되거나 또는 약화될 수 있다.
이처럼 무인비행체에 불규칙적인 외란이 작용하여 피치 운동, 롤 운동 및 요 운동이 일정하지 않은 불규칙적인 운동에너지로 나타날 경우, 실제 원하는 최적의 영상 데이터를 획득하기 어렵기 때문에 무인비행체의 효율적인 사용을 위해서는 이러한 문제점 해결이 시급하다.
대한민국특허청 출원번호 제10-2006-0053204호 대한민국특허청 출원번호 제10-2007-0094229호 대한민국특허청 출원번호 제10-2007-0132416호 대한민국특허청 출원번호 제10-2009-0130271호
본 발명의 목적은, 무인비행체의 불규칙적인 외란을 보정하여 최적의 영상 데이터를 획득할 수 있는 무인비행체의 자세 안정화 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 영상 데이터의 획득을 위한 쿼드콥터와 멀티로더를 포함한 무인비행체의 피치(Pitch) 운동, 롤(Roll) 운동 및 요(Yaw) 운동의 불규칙적인 외란에 따른 운동에너지를 실시간으로 입력받는 운동에너지 입력단계; 입력되는 상기 운동에너지를 다수의 센서에 의해 전기적 신호로 변환하여 마이크로프로세서로 전송하는 전기적 신호 전송단계; 상기 전기적 신호를 증폭하는 전기적 신호 증폭단계; 상기 무인비행체의 자세를 추정하기 위해 증폭된 상기 전기적 신호에 기초하여 상기 무인비행체의 앵글(angle)에 따른 무인비행체 자세 추정값을 PID 알고리즘을 통해 연산하는 무인비행체 자세 추정값 연산단계; 상기 PID 알고리즘을 통해 연산된 상기 무인비행체 자세 추정값이 PWM 파형 또는 I2C 신호로 변환되어 생성되는 신호 변환/생성단계; 및 상기 무인비행체가 영상 데이터를 획득할 수 있는 자세가 될 수 있도록, 연산된 상기 무인비행체 자세 추정값을 통해 상기 무인비행체에 탑재되는 짐벌(Gimbal) 기구물을 구동시켜 상기 무인비행체의 자세를 보정하는 짐벌 기구물 구동단계를 포함하며, 상기 PWM 파형 또는 상기 I2C 신호는 상기 짐벌 기구물을 구동시키는 짐벌 기구물 구동부를 컨트롤하는 것을 특징으로 하는 무인비행체의 자세 안정화 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 무인비행체의 불규칙적인 외란을 보정하여 최적의 영상 데이터를 획득할 수 있는 효과가 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 군 관련 상황, 재해 방지 상황, 재난 구조 상황, 정찰 업무 상황, 교통 상황, 산불 감시 상황, 범죄 예상 및 추적 등을 위한 상황 등에 널리 사용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 무인비행체의 운동을 도시한 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체의 자세 안정화 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체의 자세 안정화 방법의 플로차트이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체의 자세 안정화 시스템의 블록도이다.
이 도면을 참조하면, 본 실시예의 무인비행체의 자세 안정화 시스템은 쿼드콥터와 멀티로더를 포함한 무인비행체의 불규칙적인 외란을 보정하여 최적의 영상 데이터를 획득할 수 있도록 한 것으로서, 운동에너지 입력부(110), 전기적 신호 변환 센서부(120), 신호 증폭부(130), 무인비행체 자세 추정값 연산부(140), 신호 변환/생성부(150), 짐벌 기구물 구동부(161), 컨트롤러(170), 그리고 통신 모듈(180)을 포함한다.
본 발명의 경우, 자세 추정값 연산부(140)와 신호 변환/생성부(150)를 별개로 구성하고 있으나 컨트롤러(170)에 전술한 자세 추정값 연산부(140)와 신호 변환/생성부(150)를 포함할 수 있다.
하지만, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되는 것은 아니므로 컨트롤러(170)가 도 2처럼 별도의 블럭을 형성할 수도 있다.
전술한 구성에 대해 설명한다.
우선, 운동에너지 입력부(110)는 영상 데이터의 획득을 위한 무인비행체의 피치(Pitch) 운동, 롤(Roll) 운동 및 요(Yaw) 운동 등의 불규칙적인 외란에 따른 운동에너지를 실시간으로 입력받는다.
운동에너지 입력부(110)는 도 1에 도시된 무인 비행체의 각 부에 마련되어 전술한 피치 운동, 롤 운동 및 요 운동의 운동에너지를 실시간으로 입력받는다.
전기적 신호 변환 센서부(120)는 입력되는 상기 운동에너지가 마이크로프로세서로 전송될 수 있게 상기 운동에너지를 전기적 신호로 변환한다.
이러한 전기적 신호 변환 센서부(120)는 자이로 센서, 가속도 센서, 지자기 센서 등을 포함할 수 있다.
본 실시예의 경우, 운동에너지 입력부(110)와 전기적 신호 변환 센서부(120)로 나누어 설명하고 있으나 운동에너지가 입력되어 상기 전기적 신호로 변환되는 것은 함께 진행될 수 있다.
신호 증폭부(130)는 전기적 신호를 증폭한다.
무인비행체 자세 추정값 연산부(140)는 무인비행체의 자세를 추정하기 위해 증폭된 상기 전기적 신호에 기초하여 무인비행체의 앵글(angle)에 따른 무인비행체 자세 추정값을 연산한다.
이때, 무인비행체 자세 추정값 연산부(140)에서는 PID 알고리즘을 통해 무인비행체 자세 추정값을 연산한다.
물론, 반드시 PID 알고리즘이 사용되어야 하는 것은 아니므로 이러한 사항에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.
신호 변환/생성부(150)는 PID 알고리즘을 통해 연산된 무인비행체 자세 추정값이 PWM 파형 또는 I2C 신호로 변환되어 생성되도록 한다.
짐벌 기구물 구동부(161)는 무인비행체가 최적의 영상 데이터를 획득할 수 있는 자세가 될 수 있도록, 연산된 무인비행체 자세 추정값을 통해 무인비행체에 탑재되는 짐벌 기구물(160)을 구동시켜 무인비행체의 자세를 보정한다.
이러한 짐벌 기구물 구동부(161)는 무인비행체를 피치 운동, 롤 운동 및 요 운동시키기 위한 짐벌 기구물(160)을 구동시키는 예컨대, 피치 운동용 서버 모터, 롤 운동용 서버 모터, 요 운동용 서버 모터 등을 포함할 수 있으며, 짐벌 기구물(160) 내의 한 구성일 수 있다.
결과적으로 짐벌 기구물(160)이란 예컨대, 멀티로터 헬기 또는 쿼드로터 등의 무인비행체에 별도로 탑재되어 무인비행체의 움직임에 따른 자세변화를 스스로 감지하여 실시간으로 보정하는 역할을 수행한다.
컨트롤러(170)는 상기 PWM 파형 또는 상기 I2C 신호에 기초하여 짐벌 기구물 구동부(161) 예컨대, 전술한 피치 운동용 서버 모터, 롤 운동용 서버 모터, 요 운동용 서버 모터 등을 컨트롤한다.
이러한 역할을 수행하는 컨트롤러(170)는 중앙처리장치(171, CPU), 메모리(172, MEMORY), 서포트 회로(173, SUPPORT CIRCUIT)를 포함할 수 있다.
중앙처리장치(171)는 상기 PWM 파형 또는 상기 I2C 신호에 기초하여 짐벌 기구물 구동부(161)를 컨트롤하기 위해서 산업적으로 적용될 수 있는 다양한 컴퓨터 프로세서들 중 하나일 수 있다. 전술한 마이크로프로세서일 수 있다.
메모리(172, MEMORY)는 중앙처리장치(171)와 동작으로 연결된다. 메모리(172)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로서 로컬 또는 원격지에 설치될 수 있으며, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(RAM), ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 디지털 저장 형태와 같이 쉽게 이용가능한 적어도 하나 이상의 메모리이다.
서포트 회로(173, SUPPORT CIRCUIT)는 중앙처리장치(171)와 작용적으로 결합되어 프로세서의 전형적인 동작을 지원한다. 이러한 서포트 회로(173)는 캐시, 파워 서플라이, 클록 회로, 입/출력 회로, 서브시스템 등을 포함할 수 있다.
본 발명에서 컨트롤러(170)는 상기 PWM 파형 또는 상기 I2C 신호에 기초하여 짐벌 기구물 구동부(161)를 컨트롤하게 되는데, 이러한 일련의 컨트롤 프로세스 등은 메모리(172)에 저장될 수 있다. 전형적으로는 소프트웨어 루틴이 메모리(172)에 저장될 수 있다. 소프트웨어 루틴은 또한 다른 중앙처리장치(미도시)에 의해서 저장되거나 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 프로세스는 소프트웨어 루틴에 의해 실행되는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 프로세스들 중 적어도 일부는 하드웨어에 의해 수행되는 것도 가능하다.
이처럼, 본 발명의 프로세스들은 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 소프트웨어로 구현되거나 또는 집적 회로와 같은 하드웨어로 구현되거나 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다.
마지막으로, 통신 모듈(180)은 컨트롤러(170)와 연결된다. 통신 모듈(180)은 지상관제 조정기 또는 양방향 통신을 위한 블루투스, wifi 모듈, 휴대폰 등의 인터페이스 장치와 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인비행체의 자세 안정화 방법의 플로차트이다. 이 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 무인비행체의 자세 안정화 방법에 대해 설명한다.
우선, 무인비행체의 피치 운동, 롤 운동 및 요 운동 등의 불규칙적인 외란에 따른 운동에너지가 실시간으로 입력된다(S11).
입력되는 운동에너지는 다수의 센서, 예컨대 자이로 센서, 가속도 센서, 지자기 센서를 통해 전기적 신호로 변환되어 마이크로프로세서로 전송된다(S12).
이때, 각각의 피치 신호, 롤 신호 및 요 신호는 마이크로프로세서의 제어주기(4m/sec)에 맞춰 연산루틴으로 로 데이터(raw data)를 전송할 수 있다.
전송된 로 데이터(raw data)가 OP-AMP, 즉 신호 증폭부(130)를 통해 증폭된다(S13).
다음, 무인비행체의 자세를 추정하기 위해 증폭된 상기 전기적 신호에 기초하여 무인비행체의 앵글(angle)에 따른 무인비행체 자세 추정값을 연산한다(S14). 칼만필터를 통해 추출된 신호는 앵글에 따른 자세 보정을 위한 PID 알고리즘을 통해 연산될 수 있다.
PID 알고리즘을 통해 연산된 상기 무인비행체 자세 추정값이 PWM 파형 또는 I2C 신호로 변환되어 생성된다(S15)
그런 다음, 무인비행체가 최적의 영상 데이터를 획득할 수 있는 자세가 될 수 있도록, 연산된 무인비행체 자세 추정값을 통해 무인비행체에 탑재되는 짐벌 기구물(160)을, 예컨대 짐벌 기구물(160) 내의 서보모터 또는 스텝핑모터 등을 정밀하게 제어하여 무인비행체의 자세를 보정한다(S16).
이와 같은 무인비행체의 자세 보정에 의해 사용자는 항상 흔들림 없는 영상을 원격지로부터 얻을 수 있으며, 외란(외부적인 환경요소)에 대응하도록 설계되어 있어서 무인비행체가 아무리 흔들려도 스스로 자세를 보정하여 우수한 영상을 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 무인비행체의 불규칙적인 외란을 보정하여 최적의 영상 데이터를 획득할 수 있게 된다.
따라서 본 발명에 따르면, 군 관련 상황, 재해 방지 상황, 재난 구조 상황, 정찰 업무 상황, 교통 상황, 산불 감시 상황, 범죄 예상 및 추적 등을 위한 상황 등에 널리 사용될 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
110 : 운동에너지 입력부
120 : 전기적 신호 변환 센서부
130 : 신호 증폭부
140 : 무인비행체 자세 추정값 연산부
150 : 신호 변환/생성부
160 : 짐벌 기구물
161 : 짐벌 기구물 구동부
170 : 컨트롤러
180 : 통신 모듈

Claims (6)

  1. 영상 데이터의 획득을 위한 쿼드콥터와 멀티로더를 포함한 무인비행체의 피치(Pitch) 운동, 롤(Roll) 운동 및 요(Yaw) 운동의 불규칙적인 외란에 따른 운동에너지를 실시간으로 입력받는 운동에너지 입력단계;
    입력되는 상기 운동에너지를 다수의 센서에 의해 전기적 신호로 변환하여 마이크로프로세서로 전송하는 전기적 신호 전송단계;
    상기 전기적 신호를 증폭하는 전기적 신호 증폭단계;
    상기 무인비행체의 자세를 추정하기 위해 증폭된 상기 전기적 신호에 기초하여 상기 무인비행체의 앵글(angle)에 따른 무인비행체 자세 추정값을 PID 알고리즘을 통해 연산하는 무인비행체 자세 추정값 연산단계;
    상기 PID 알고리즘을 통해 연산된 상기 무인비행체 자세 추정값이 PWM 파형 또는 I2C 신호로 변환되어 생성되는 신호 변환/생성단계; 및
    상기 무인비행체가 영상 데이터를 획득할 수 있는 자세가 될 수 있도록, 연산된 상기 무인비행체 자세 추정값을 통해 상기 무인비행체에 탑재되는 짐벌(Gimbal) 기구물을 구동시켜 상기 무인비행체의 자세를 보정하는 짐벌 기구물 구동단계를 포함하며,
    상기 PWM 파형 또는 상기 I2C 신호는 상기 짐벌 기구물을 구동시키는 짐벌 기구물 구동부를 컨트롤하는 것을 특징으로 하는 무인비행체의 자세 안정화 방법.
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