KR101885649B1 - 인지과학을 적용한 항공기 제어 시스템 - Google Patents

인지과학을 적용한 항공기 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 조종사의 뇌파를 측정하는 뇌파측정부, 항공기 운용시 뇌파측정부로부터 획득된 뇌파정보를 포함하는 데이터 베이스부, 뇌파정보와 측정된 뇌파를 매칭시키며, 측정된 뇌파와 매칭된 명령을 발생시키는 제어부를 포함하는 인지과학을 적용한 항공기 제어 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 인지과학을 적용한 항공기 제어시스템은 인지과학을 적용하여 조종사의 뇌파를 측정하고 기존의 데이터 베이스에서 정규화된 입력으로 전환 가능하므로 조종사의 전장상황 제어능력 및 조작 속도를 직접적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

인지과학을 적용한 항공기 제어 시스템{THE AIRCRAFT CONTROL SYSTEM APPLIED COGNITIVE SCIENCE}
본 발명은 인지과학을 적용한 항공기 제어 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 헬멧에 인지과학기술을 접목하여 전장환경에서 신속한 대응이 가능한 항공기 제어 시스템에 관한 것이다.
HMD(HEAD MOUNDTED DISPLAY)는 안경처럼 머리에 착용하고 대화면 영상을 즐길 수 있는 영상표시장치이다. 사용자가 직접 휴대하고 다니면서 대화면 영상을 즐기거나 수술 또는 진단에 사용하는 의료기기 등에도 적용이 가능한 기술이다.
항공기 조종사의 헬멧에 적용되는 HMD는 공중전 중에 고개를 돌릴 일이 많은 조종사들을 보조하며 전투력을 극대화하는 장비로, 기체의 다른 센서들과 연동하여 시각적으로 비행정보, 유도탄, 레이더 등의 정보를 직접적으로 제공한다.
한편, 이때 정보의 제공 뿐 아니라, 명령 또는 조작 등의 입력이 수행될 때 적용될 수 있는 인지 과학과 관련된 기술은 대한민국 공개특허 제2012-0058230호에 나타나 있으며, 이러한 기술은 아직까지 항공기의 조종사 헬멧에 적용된 바가 없어 이에 적용가능한 기술의 필요성이 대두되고 있다.
대한민국 공개특허 제2012-0058230호(2012.06.07. 공개)
본 발명의 목적은 종래의 항공기의 HMD에 인지과학기술을 적용하여 보다 신속한 입력, 조작 등이 수행될 수 있는 인지과학을 적용한 항공기 제어시스템을 제공하는 것에 있다.
상기 과제의 해결 수단으로서, 조종사의 뇌파를 측정하는 뇌파측정부, 항공기 운용시 뇌파측정부로부터 획득된 뇌파정보를 포함하는 데이터 베이스부, 뇌파정보와 측정된 뇌파를 매칭시키며, 측정된 뇌파와 매칭된 명령을 발생시키는 제어부를 포함하는 인지과학을 적용한 항공기 제어 시스템이 제공된다.
이때, 데이터 베이스부는, 항공기의 운용시 전장상황 제어입력 또는 조작 입력시 획득된 뇌파정보를 포함할 수 있다.
한편, 뇌파정보는, 항공기의 전투모드 및 비전투모드시 획득된 뇌파정보를 포함할 수 있다.
그리고, 뇌파측정부는 조종사의 머리의 복수의 지점에서 뇌파를 측정하며, 데이터 베이스부는 뇌파 파형 및 뇌파의 발생위치정보를 포함하며, 제어부는 매칭 시 뇌파의 파형 및 발생위치정보를 포함하여 매칭시킬 수 있다.
이때, 데이터 베이스부는 타겟 락온, 센서 트레킹 또는 무기 선택 입력시 발생하는 뇌파 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 뇌파측정부는 fNIR(functional near infra-red spectroscopy)를 이용하여 수행될 수 있다.
나아가, 뇌파측정부는 항공기의 조종사의 헬멧 내측에 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 인지과학을 적용한 항공기 제어시스템은 인지과학을 적용하여 조종사의 뇌파를 측정하고 기존의 데이터 베이스에서 정규화된 입력으로 전환 가능하므로 조종사의 전장상황 제어능력 및 조작 속도를 직접적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 조종사의 무기 운용시의 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 무기 운용시 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제1 실시예의 블록도이다.
도 4는 제1 실시예의 개념도이다.
도 5는 HMD의 사용상태도이다.
도 6은 데이터 베이스부에 저장된 데이터의 예이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 인지과학을 적용한 항공기 제어시스템에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.
도 1은 종래의 조종사의 무기 운용시의 순서도이다. 도시된 바와 같이 항공기에서는 다양한 상황에 대하여 조종사의 대응 순서가 정규화 되어 있다. 이 중 대응속도에 따라 큰 영향을 미치는 경우, 예를 들어 전투모드에서 적기와 대치상황시 무장의 운용은 가장 신속하게 이루어져야 하는 대응에 해당한다. 이를 구체적으로 살펴보면 무기의 운용시에는 적 인지(Enermy Recognition), 타겟 락온(Target Lock-on), 센서 트레킹(Sensor tracking), 무기선택(weapon selection), 및 발사(Weapon release) 단계를 거쳐 이루어지게 된다.
전투모드에서 무장운용시 오발 등의 문제를 피하기 위하여 각 단계별로 신뢰도를 확보한 상태에서 다음단계로 넘어가게 되며, 필수적으로 각 단계를 거쳐야 하므로 무장선택 및 발사까지의 시간이 다소 소요되게 된다.
이하에서는 본 발명에 따른 인지과학을 이용한 항공기 제어 시스템에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 무기 운용시 순서도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인지과학을 이용한 항공기 제어 시스템에 따른 순서는 조종사의 뇌파를 측정하여 타입을 분류하고, 정해진 명령이 수행되는 단계를 대체하여 신속한 대응이 가능하도록 구성된다. 적이 인식된 경우, 타겟 락온, 센서 트래킹, 무장 선택 의 과정이 인지과학을 이용하여 분석된 뇌의 활성에 따라 수행될 수 있다. 이때 최종적으로 발사는 오발 등을 방지하기 위하여 직접 조작을 통하여 수행되도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 항공기 운용중 각 상황에 따른 다수의 조작 중에서 신뢰도 및 안정성을 고도로 필요로 하는 경우 오작동을 방지할 수 있도록 기존과 동일하게 명령을 입력받을 수 있도록 구성하되, 중간단계를 신속하게 처리하기 위하여 인지과학을 적용시켜 수행될 수 있다.
도 3는 본 발명에 따른 제1 실시예의 블록도, 도 4는 제1 실시예의 개념도이다.
본 발명에 따른 인지과학을 이용한 항공기 제어 시스템은 뇌파측정부(10), 데이터 베이스부(20), 제어부(30)를 포함하여 구성될 수 있다.
뇌파측정부(10)는 조종사의 뇌파를 측정할 수 있도록 구성된다. 도 3을 살펴보면 뇌파측정부(10)는 조종사의 헬멧(100)의 안측에 구비되어 조종사가 헬멧(100) 착용시 뇌파를 측정할 수 있도록 구성될 수 있다. 뇌파측정부(10)는 fNIRS(Functional Near Infra-Red Spectroscopy)가 수행될 수 있도록 구성될 수 있다. 뇌파측정부(10)는 헬멧(100)의 내부에 조종사의 머리에 밀착될 수 있는 fNIRS 용 에미터(11)(emitter)와 디텍터(12)(Detector)가 부착된다. 에미터(11)와 디텍터(12)는 한쌍으로 구비될 수 있으며, 조종사의 뇌 전반을 감지할 수 있도록 헬멧(100) 내부에 고르게 분포될 수 있다. 따라서 조종사의 각 명령수행시 뇌의 활성화되는 부분을 감지할 수 있으며, 활성화되는 경향, 즉 뇌파의 파형등의 변화를 측정할 수 있게 된다. 다만, fNIRS는 경량화되어있고 헬멧(100)에 착용하여 뇌파를 측정할 수 있는 일 예이며, 조종사의 머리에 착용하여 뇌파를 측정할 수 있는 다양한 구성으로 변형되어 적용될 수 있으며, 비침습형 타입을 예를 들어 설명하였으나, 적용되는 타입은 센서등이 뇌에 부착된 침습형으로 구성될 수 있다.
여기서 fNIRS란 기능성 근적외선 분광법을 말하며, 뇌활동이 신경 행동과 관련된 혈류 역학적 반응으로 측정될 수 있다. 근 적외선 파장에 대한 옥시 헤모글로빈(oxy-Hb) 과 데 옥시 헤모글로빈(deoxy-Hb)에 대한 흡수 스펙트럼은 근적외선의 시간적 광감쇠의 측정을 통하여 발색 농도의 정량화를 수행하는 비침습적 촬상 방법이다. 옥시 헤모글로빈과 데옥시 헤모글로빈의 흡수 스펙트럼의 차이는 여러 파장에서의 광 감쇠의 차이를 측정하여 도출될 수 있다. 양 물질의 상대적 농도는 전체 광자 경로 길이의 함수로써 계산될 수 있으며, 에미터(11)에서 발산된 광은 타원의 광경로를 따라서 분산되거나 산란된 후 디텍터(12)를 통하여 감지할 수 있게 된다.
데이터 베이스부(20)는 항공기의 운용에 따라 조종사의 명령에 따른 뇌파 데이터 베이스가 저장되도록 구성된다. 데이터 베이스부(20)는 항공기 운용에 따라 조종사가 명령의 입력시 조종사의 인식에 따른 뇌의 활성화 부위 및 활성화 타입 등 뇌파측정부(10)로부터 측정되는 데이터가 저장될 수 있다. 한편 저장되는 데이터 베이스의 룩업테이블은 차후 도 6을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
제어부(30)는 뇌파감지부와 연결되어 측정되는 뇌파가 수신되며, 데이터 베이스부(20)와 연결되어 뇌파를 분석하고 정규화된 명령을 수행할 수 있도록 구성된다. 제어부(30)는 미션 컴퓨터(40)로 구성되어 수행될 수 있으며, 뇌파감지부와 연결되어 뇌파를 수신받고 기타 항전체계 등과 통신가능하도록 MIL-STD-1553b와 같은 규격에 따라 구성될 수 있다.
제어부(30)는 인지과학을 적용하되, 정확도를 높일 수 있도록 조종사의 상태를 반영하여 명령을 생성할 수 있다. 조종사는 비행 중 시야방향, 머리방향 등의 자세가 각각 달라질 수 있고, 특정상황에서 특정한 제스쳐가 나타나는 경우 이러한 제스쳐는 정규화된 명령에 대응하여 매칭될 수 있으며, 해당 제스쳐가 감지된 경우 매칭되는 명령이 수행되도록 구성될 수 있다. 이때 뇌파측정부(10)에서 측정된 뇌파와 제스쳐가 조합되어 정규화된 명령이 수행될 수 있다.
제어부(30)는 조종사의 제스쳐 중 머리 위치, 머리 방향, 머리 각도, 눈동자 각도 등을 측정하여 뇌파측정부(10)에서 측정된 뇌파와의 조합한 뒤데이터 베이스부에 저장된 데이터와 매칭시킬 수 있다. 이때, 측정된 뇌파에서 노이즈를 제거하는 단계가 추가로 수행될 수 있다.
여기서 조종사의 머리 위치는 머리 위치 센싱(Head Position sensing)을 통하여 이루어지며, 기동중 높은 중력가속도 조건 하에서 빠르게 변화하는 조종사의 머리 높이, 각도, 기울기 등 위치정보를 정확하게 식별할 수 있다. 이때 Hybrid inertial optical tracking은 관성 측정 장비와 광학 센서를 이용하여 헬멧(100)의 위치와 방향정보를 제공할 수 있다. 이때, 헬멧(100)에 부착된 emitter를 통해 방출된 적외선을 조종석 내부의 detector에서 감지하여 조종사 머리 위치와 방향 정보를 측정할 수 있다.
조종사 머리 위치 센싱시 적외선 램프 및 적외선 센서를 이용하여 간단하게 측정될 수 있으며, 복수의 적외선 램프, 적외선 신호를 수신하도록 구성되는 복수의 수광센서를 이용하여 조종사의 머리 위치 및 머리 높이를 측정할 수 있다. 또한 헬멧에 구비된 마커와 복수의 센서로 구비되어 조종사의 머리위치를 측정할 수 있으며, 헬멧의 방향까지 측정될 수 있도록 복수의 마커가 구비될 수 있다.
또한, Electromagnetic tracking을 이용하여 헬멧(100) 내부에 장착된 코일과 조종석 내부에 형성된 자기장 영역의 상호작용을 통해 발생하는 교류 전압을 이용해 다양한 축방향으로 변화하는 조종사의 머리 각조 정보를 제공할 수 있다. 또한, Sonic tracking 은 헬멧(100)에 부착된 초음파 발생기와 감지기를 이용해 다양한 각도로 변화하는 위치정보가 제공될 수 있다.
또한 명령의 정확도 및 신뢰도를 높이기 위하여 조종사의 눈동자를 감지하여 머리위치 대비 조종사가 바라보는 지점을 감지하며, 이와 관련된 명령이 수행될 때 연관되는 눈동자의 위치에 따라 명령을 매칭시킬 수 있도록 헬멧에는 눈동자를 추적하기 위한 카메라가 포함될 수 있다. 또한 카메라로 획득된 영상에서 실시간으로 눈동자의 위치를 추적할 수 있도록 영상처리 장치가 구비될 수 있다. 영상처리장치는 눈동자를 포함하여 획득된 영상에서 눈동자의 위치를 추출할 수 있는 알고리즘을 포함할 수 있다.
한편 전술한 조종사의 머리 위치 및 눈동자 위치의 위치를 측정하는 기술은 일 예이며, 다양한 구성 및 다양한 알고리즘이 이용될 수 있다.
도 5는 HMD의 사용상태도이고, 도 6은 데이터 베이스부(20)에 저장된 데이터의 예이다.
도시된 바와 같이, HMD(Helmet mounted display)에는 뇌파감지부가 구비될 수 있으며, 뇌파감지부는 복수의 지점에서 뇌파를 감지할 수 있도록 에미터(11)와 디텍터(12)가 쌍으로 구비되어 복수의 지점에 위치할 수 있다.
데이터 베이스부(20)에서는 조종사의 조작 또는 명령 입력에 따라 발생하는 뇌파의 다양한 위치 및 시그널에 대하여 데이터 베이스화 하여 저장할 수 있다. 도 5에서는 뇌의 복수의 지점 중 A, B 및 C 지점에서 뇌파를 측정하는 예가 도시되어 있다. 이때 전투모드와 비전투모드를 구분하고 각 모드에서 사용되는 명령 및 조작에 대한 데이터 베이스를 형성할 수 있다. 비전투모드에서는 위험감지, 교신신호, 피아식별 등의 명령 또는 조작이 이루어질 수 있다. 이때, 실제 위험감지 상황에서 조종사의 뇌파를 측정해보면 A와 C 부분에 뇌파가 발생하게 되며, 이때의 시그널 또한 함께 저장된다. 또한 교신신호시 A 및 B 부분에서 뇌파가 측정되며, 피아식별 명령시에는 B 및 C부분에서 뇌파가 측정될 수 있다. 전투모드시는 공대공 무장문용시 C 부분에서 뇌파가 감지되며, 공대지 무장운용시에는 C 및 D 부분에서 뇌파가 측정된다. 다만, 이와같은 예는 일 예일 뿐, 다양한 위치에서 측정이 가능하며, 다양한 뇌파발생부분의 조합 등을 포함하여 구성될 수 있으며, 뇌 활성영역을 맵핑(mapping)하여 적용될 수 있다.
제어부(30)는 조종사의 조종시작전 사전조정작업이 진행되도록 구성될 수 있다. 즉 데이터 베이스부(20)에 저장된 정규입력은 다양한 조종사의 조종시 획득된 데이터로부터 형성될 수 있으며, 새로운 조종사에게 적용시 시그널 및 뇌파 발생 위치에 오차가 발생할 수 있게 된다. 이때 오차를 보정하기 위하여 비행 전 사전에 시뮬레이션을 수행하여 획득된 정보를 바탕으로 보정작업이 수행될 수 있다. 보정작업 또한 비전투모드 및 전투모드 별개의 명령이 적용될 수 있도록 제스쳐와 뇌파를 모두 고려하여 사전조정이 수해될 수 있다.
이상에서 설명한 인지과학을 이용한 항공기의 제어 시스템은 뇌파측정부(10) 및 데이터 베이스부(20)를 통하여 고전적인 조종 방식에서 필수적으로 거쳐야 하는 다수의 단계를 생략할 수 있게 되므로 조종사의 편의성 및 반응속도를 개선할 수 있다. 여러 위협요소를 동시에 고려해야 하는 전장환경에서, 위협인지-조작-대처로 이어지는 대응절차는 많은 시간을 소모하는데, 뇌파측정부(10)로부터 조종사의 두뇌 신경활동을 감지하여 즉각적으로 실행시킴으로써 신속한 대응을 가능하게 한다.
따라서 조종사의 편의성 및 반응속도의 개선으로 직접적인 전투능력 및 생존능력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
10: 뇌파측정부
20: 데이터 베이스부
30:제어부
40:미션 컴퓨터
100: 헬멧
11: 에미터
12:　디텍터

Claims (7)

  1. 조종사의 뇌파를 측정하는 뇌파측정부;
    항공기 운용시 상기 뇌파측정부로부터 획득된 뇌파정보를 포함하는 데이터 베이스부; 및
    상기 뇌파정보와 측정된 뇌파를 매칭시키며, 상기 측정된 뇌파와 매칭된 명령을 발생시키는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 조종사의 시야방향, 머리방향 중 적어도 하나와 상기 측정된 뇌파를 근거로 매칭된 명령을 발생시키는 것을 특징으로 하는 인지과학을 적용한 항공기 제어 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 데이터 베이스부는,
    상기 항공기의 운용시 전장상황 제어입력 또는 조작 입력시 획득된 뇌파정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 인지과학을 적용한 항공기 제어 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 뇌파정보는,
    상기 항공기의 전투모드 및 비전투모드시 획득된 뇌파정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 인지과학을 적용한 항공기 제어 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 뇌파측정부는 상기 조종사의 머리의 복수의 지점에서 뇌파를 측정하며,
    상기 데이터 베이스부는 뇌파 파형 및 상기 뇌파의 발생위치정보를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 매칭 시 상기 뇌파의 파형 및 상기 발생위치정보를 포함하여 매칭시키는 것을 특징으로 하는 인지과학을 적용한 항공기 제어 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 데이터 베이스부는 타겟 락온, 센서 트레킹 또는 무기 선택 입력시 발생하는 뇌파 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 인지과학을 적용한 항공기 제어 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 뇌파측정부는 fNIR(functional near infra-red spectroscopy)를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 인지과학을 적용한 항공기 제어 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 뇌파측정부는 상기 항공기의 조종사의 헬멧 내측에 구비되는 것을 특징으로 하는 인지과학을 이용한 항공기 제어 시스템.
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