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KR102258730B1 - 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템 - Google Patents

무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템 Download PDF

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KR102258730B1
KR102258730B1 KR1020190113360A KR20190113360A KR102258730B1 KR 102258730 B1 KR102258730 B1 KR 102258730B1 KR 1020190113360 A KR1020190113360 A KR 1020190113360A KR 20190113360 A KR20190113360 A KR 20190113360A KR 102258730 B1 KR102258730 B1 KR 102258730B1
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South Korea
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unmanned aerial
aerial vehicle
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flight
control system
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유태방
이나영
윤석웅
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배재대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템은 하나의 마스터 그룹과 복수의 서브 그룹으로 구성되되, 상기 마스터 그룹과 복수의 서브 그룹은 조작 신호를 수신하여 비행하는 마스터 무인 비행체, 및 상기 마스터 무인 비행체로부터 상기 조작 신호를 수신하여 비행하되 상기 마스터 무인 비행체를 기준으로 미리 설정된 위치를 유지하면서 비행하는 복수의 서브 무인 비행체를 포함하는 복수의 무인 비행체 그룹; 및 상기 마스터 무인 비행체에 상기 조작 신호를 전송하여 상기 복수의 무인 비행체 그룹에 대한 군집 비행을 제어하되, 상기 마스터 무인 비행체 각각의 비행 정보(속도, 방향 및 거리를 포함) 및 주변 환경 정보(풍속, 풍향 및 고도를 포함)를 이용하여 상기 마스터 그룹을 기준으로 상기 서브 그룹의 포메이션(Formation)을 변경하도록 비행 제어를 수행함으로써 상기 군집 비행의 안정도를 향상시키는 지상 관제 시스템을 포함한다.

Description

무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템{SYSTEM FOR CONTROLLING CLUSTER FLIGHT OF UNMANNED AERIAL VEHICLE}
본 발명의 실시예들은 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 드론은 무선 통신 방식을 통해 원격 제어되고, 군사용으로 개발되어 단순한 사격 연습에 사용되었으나, 전자 통신 기술의 지속적 발전에 따라 군사용뿐만 아니라 그 이외의 다양한 분야로 확대 보급되고 있다.
예컨대 드론은 사람이 쉽게 접근할 수 없는 각종 재해나 사고 지역 또는 정글이나 오지 또는 화산 지역 등으로 투입되어, 현장의 상황 파악이나 인명 구조 또는 방송용 영상을 얻기 위하여 사용되기도 하고, 배송 회사에서 물품 수송의 상업적 목적으로 운용하거나, 감시 카메라를 대신하는 보안 및 관제 서비스에 적용되기도 한다.
최근에는 드론의 일반화에 따라 개인들도 취미 생활을 목적으로 드론을 구입하기도 한다.
이와 같은 드론의 일반적인 구성은, 양력을 출력하는 다수의 팬과, 상기 팬에 전력을 공급하는 배터리와 제어부로 이루어진다. 상기 팬은 배터리로부터 공급된 전력에 의해 회전력을 발생하는 모터와, 상기 모터의 구동축에 고정되는 프로펠러로 구성되는데, 필요에 따라 다수의 드론 비행이 요구되기도 한다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0142686호(발명의 명칭: 다수의 무인 비행체의 비행 스케줄 정보 생성 장치, 다수의 무인 비행체의 비행 제어 방법 및 무인 비행체, 공개일자: 2016.12.13)가 있다.
본 발명의 일 실시예는 군집 비행 시 무인 비행체의 비행 정보 및 주변 환경 정보를 이용하여 마스터 그룹을 기준으로 복수의 서브 그룹의 포메이션을 변경하도록 비행 제어를 수행함으로써 군집 비행의 안정도를 향상시킬 수 있는 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템은 하나의 마스터 그룹과 복수의 서브 그룹으로 구성되되, 상기 마스터 그룹과 복수의 서브 그룹은 조작 신호를 수신하여 비행하는 마스터 무인 비행체, 및 상기 마스터 무인 비행체로부터 상기 조작 신호를 수신하여 비행하되 상기 마스터 무인 비행체를 기준으로 미리 설정된 위치를 유지하면서 비행하는 복수의 서브 무인 비행체를 포함하는 복수의 무인 비행체 그룹; 및 상기 마스터 무인 비행체에 상기 조작 신호를 전송하여 상기 복수의 무인 비행체 그룹에 대한 군집 비행을 제어하되, 상기 마스터 무인 비행체 각각의 비행 정보(속도, 방향 및 거리를 포함) 및 주변 환경 정보(풍속, 풍향 및 고도를 포함)를 이용하여 상기 마스터 그룹을 기준으로 상기 서브 그룹의 포메이션(Formation)을 변경하도록 비행 제어를 수행함으로써 상기 군집 비행의 안정도를 향상시키는 지상 관제 시스템을 포함한다.
상기 지상 관제 시스템은 초기에는 상기 복수의 무인 비행체 그룹 중 미리 설정된 어느 하나의 무인 비행체 그룹을 상기 마스터 그룹으로, 나머지 무인 비행체 그룹을 상기 서브 그룹으로 선정하고, 그 이후에는 상기 복수의 무인 비행체 그룹 각각에 포함된 마스터 무인 비행체와 지속적으로 무선 통신을 수행하여 획득한 상기 비행 정보 및 상기 주변 환경 정보를 토대로 상기 선정된 마스터 그룹을 상기 서브 그룹 중 어느 하나로 교체할 수 있다.
상기 지상 관제 시스템은 상기 복수의 무인 비행체 그룹 내 각각의 무인 비행체들 간의 거리가 미리 설정된 허용 범위를 벗어나는 경우, 상기 비행 정보 및 상기 주변 환경 정보에 기초하여 상기 각각의 무인 비행체들의 내부 메모리에 저장되어 있는 충돌 회피 프로세스를 실행함으로써 상기 각각의 무인 비행체들에 현재 설정된 비행 경로의 방향과 다른 방향으로 전환하도록 비행 제어를 수행할 수 있다.
상기 지상 관제 시스템은 상기 비행 정보에 기초하여 상기 허용 범위를 벗어난 무인 비행체들 간의 상대 거리, 비행 방향 및 상대 접근 속도를 포함한 연산 정보를 도출하고, 상기 연산 정보를 상기 허용 범위를 벗어난 무인 비행체들에게 전송하여 상기 충돌 회피 프로세스에 적용할 수 있다.
상기 마스터 그룹은 상기 지상 관제 시스템으로부터 상기 조작 신호를 수신하여 비행하는 제1-1 마스터 무인 비행체, 및 상기 제1-1 마스터 무인 비행체로부터 상기 조작 신호를 수신하여 비행하되 상기 제1-1 마스터 무인 비행체를 기준으로 미리 설정된 위치를 유지하면서 비행하는 복수의 제2-1 서브 무인 비행체를 포함하고, 상기 서브 그룹은 상기 제1-1 마스터 무인 비행체로부터 상기 조작 신호를 수신하여 비행하는 제1-2 마스터 무인 비행체, 및 상기 제1-2 마스터 무인 비행체로부터 상기 조작 신호를 수신하여 비행하되 상기 제1-2 마스터 무인 비행체를 기준으로 미리 설정된 위치를 유지하면서 비행하는 복수의 제2-2 서브 무인 비행체를 포함할 수 있다.
상기 지상 관제 시스템은 상기 복수의 무인 비행체 그룹 전체의 움직임을 고려하여, 상기 마스터 그룹 및 상기 서브 그룹 내 무인 비행체의 개수, 비행 속도 및 비행 방향 중 적어도 하나를 변경하기 위한 그룹 재편 명령 신호를 생성하여 상기 제1-1 마스터 무인 비행체에 전송할 수 있다.
상기 제1-1 마스터 무인 비행체는 상기 지상 관제 시스템으로부터 상기 그룹 재편 명령 신호를 수신하여 상기 마스터 그룹 내 무인 비행체의 개수, 비행 속도 및 비행 방향 중 적어도 하나를 변경하고, 상기 그룹 재편 명령 신호를 상기 제1-2 마스터 무인 비행체에 전송하며, 상기 제1-2 마스터 무인 비행체는 상기 제1-1 마스터 무인 비행체로부터 상기 그룹 재편 명령 신호를 수신하여 상기 서브 그룹 내 무인 비행체의 개수, 비행 속도 및 비행 방향 중 적어도 하나를 변경할 수 있다.
상기 지상 관제 시스템은 상기 제1-1 및 제1-2 마스터 무인 비행체 각각의 오류 또는 포메이션 이탈을 진단하고, 상기 오류 또는 포메이션 이탈로 진단된 제1-1 또는 제1-2 마스터 무인 비행체의 임무 수행과 관련한 이력 정보를 데이터베이스로부터 획득하며, 상기 이력 정보를 동일 그룹 내 제2-1 및 제2-2 서브 무인 비행체 중 어느 하나에 전송하여, 상기 제1-1 또는 제1-2 마스터 무인 비행체의 임무를 상기 동일 그룹 내 제2-1 및 제2-2 서브 무인 비행체 중 어느 하나가 이어서 수행하도록 제어할 수 있다.
상기 지상 관제 시스템은 상기 동일 그룹 내 가장 인접한 서브 무인 비행체 또는 배터리 잔량이 가장 많은 서브 무인 비행체에 상기 이력 정보를 전송할 수 있다.
상기 지상 관제 시스템은 상기 제2-1 및 제2-2 서브 무인 비행체 각각의 오류 또는 포메이션 이탈을 진단하고, 상기 진단 결과 상기 오류 또는 포메이션 이탈이 확인된 경우, 상기 마스터 그룹 내 제2-1 서브 무인 비행체 또는 상기 서브 그룹 내 제2-2 서브 무인 비행체의 개수, 비행 속도 및 비행 방향 중 적어도 하나를 변경하기 위한 그룹 재편 명령 신호를 생성하여 상기 제1-1 또는 제1-2 마스터 무인 비행체에 전송할 수 있다.
상기 지상 관제 시스템은, 상기 복수의 무인 비행체 그룹에 포함된 무인 비행체가 해당 비행체 그룹 내에서 무질서 상태 또는 불안정 상태에서 질서 상태 또는 안정 상태가 되도록 비행 제어를 수행하거나 무인 비행체의 엔트로피가 증가하도록 비행 제어를 수행할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 군집 비행 시 무인 비행체의 비행 정보 및 주변 환경 정보를 이용하여 마스터 그룹을 기준으로 복수의 서브 그룹의 포메이션을 변경하도록 비행 제어를 수행함으로써 군집 비행의 안정도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 무인 비행체 간의 인접 정도 등을 고려하여 무인 비행체 편대의 대형을 적응적으로 재편하고 재편된 편대 대형에 따라 비행 방향을 전환하거나 비행 속도를 조절함으로써 무인 비행체 간 충돌을 안전하고 효율적으로 회피할 수 있으며, 이를 통해 비행 안정성 및 제어 효율성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템을 설명하기 위해 도시한 전체 구성도이다.
도 2는 도 1의 마스터 무인 비행체의 상세 구성을 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 3은 도 1의 서브 무인 비행체의 상세 구성을 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 4는 도 1의 지상 관제 센터의 상세 구성을 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서 그룹 재편 명령에 따라 마스터 그룹 및 서브 그룹에 대한 그룹 재편의 일례를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체의 군집 비행 제어 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 이하 실시되는 본 발명의 바람직한 실시예는 본 발명을 이루는 기술적 구성요소를 효율적으로 설명하기 위해 각각의 시스템 기능구성에 기 구비되어 있거나, 또는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 구비되는 시스템 기능 구성은 가능한 생략하고, 본 발명을 위해 추가적으로 구비되어야 하는 기능 구성을 위주로 설명한다. 만약 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 하기에 도시하지 않고 생략된 기능 구성 중에서 종래에 기 사용되고 있는 구성요소의 기능을 용이하게 이해할 수 있을 것이며, 또한 상기와 같이 생략된 구성 요소와 본 발명을 위해 추가된 구성 요소 사이의 관계도 명백하게 이해할 수 있을 것이다.
또한, 이하의 설명에 있어서, 신호 또는 정보의 "전송", "통신", "송신", "수신" 기타 이와 유사한 의미의 용어는 일 구성요소에서 다른 구성요소로 신호 또는 정보가 직접 전달되는 것뿐만이 아니라 다른 구성요소를 거쳐 전달되는 것도 포함한다. 특히 신호 또는 정보를 일 구성요소로 "전송" 또는 "송신"한다는 것은 그 신호 또는 정보의 최종 목적지를 지시하는 것이고 직접적인 목적지를 의미하는 것이 아니다. 이는 신호 또는 정보의 "수신"에 있어서도 동일하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템을 설명하기 위해 도시한 전체 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템(100)은 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120) 및 지상 관제 시스템(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120)은 하나의 마스터 그룹(110)과 복수의 서브 그룹(120)으로 구성될 수 있다. 상기 마스터 그룹(110)과 복수의 서브 그룹(120)은 복수의 무인 비행체(111, 112, 121, 122)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 복수의 무인 비행체(111, 112, 121, 122)는 무선 전파의 유도에 의하여 비행 및 조종이 가능한 비행기나 헬리콥터 모양의 무인 항공기로서, 통상적으로 드론(drone)으로 알려져 있지만, 본 발명에서 상기 무인 비행체(111, 112, 121, 122)는 상기 드론뿐만 아니라 상기 드론을 동력원으로 하는 풍등(風燈, Sky lanterns)을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
이와 같은 복수의 무인 비행체(111, 112, 121, 122)는 마스터 무인 비행체(111, 121)와 복수의 서브 무인 비행체(112, 122)로 구분될 수 있다.
상기 마스터 무인 비행체(111, 121)는 상기 지상 관제 시스템(130)으로부터 전송된 조작 신호를 직접 또는 간접적으로 수신하고, 상기 수신된 조작 신호에 상응하도록 비행할 수 있다. 그리고, 상기 복수의 서브 무인 비행체(112, 122)는 상기 마스터 무인 비행체(111, 121)로부터 상기 조작 신호를 수신하여 비행하되, 상기 마스터 무인 비행체(111, 121)를 기준으로 미리 설정된 위치를 유지하면서 비행할 수 있다.
구체적으로, 상기 마스터 그룹(110)은 제1-1 마스터 무인 비행체(111) 및 복수의 제2-1 서브 무인 비행체(112)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제1-1 마스터 무인 비행체(111)는 상기 지상 관제 시스템(130)으로부터 상기 조작 신호를 수신하여 비행할 수 있다. 상기 복수의 제2-1 서브 무인 비행체(112)는 상기 제1-1 마스터 무인 비행체(111)로부터 상기 조작 신호를 수신하여 비행하되 상기 제1-1 마스터 무인 비행체(111)를 기준으로 미리 설정된 위치를 유지하면서 비행할 수 있다.
상기 서브 그룹(120)은 제1-2 마스터 무인 비행체(121) 및 복수의 제2-2 서브 무인 비행체(122)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제1-2 마스터 무인 비행체(121)는 상기 제1-1 마스터 무인 비행체(111)로부터 상기 조작 신호를 수신하여 비행할 수 있다. 상기 복수의 제2-2 서브 무인 비행체(122)는 상기 제1-2 마스터 무인 비행체(121)로부터 상기 조작 신호를 수신하여 비행하되 상기 제1-2 마스터 무인 비행체(121)를 기준으로 미리 설정된 위치를 유지하면서 비행할 수 있다.
상기 지상 관제 시스템(130)은 초기에는 상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120) 중 미리 설정된 어느 하나의 무인 비행체 그룹을 상기 마스터 그룹(110)으로 선정하고, 나머지 무인 비행체 그룹을 상기 서브 그룹(120)으로 선정할 수 있다.
상기 지상 관제 시스템(130)은 초기 선정 과정의 이후에는 상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120) 각각에 포함된 마스터 무인 비행체(111, 121)와 지속적으로 무선 통신을 수행하여 상기 마스터 무인 비행체(111, 121) 각각의 비행 정보(속도, 방향 및 거리 등을 포함) 및 주변 환경 정보(풍속, 풍향 및 고도 등을 포함)를 획득하고, 상기 획득한 비행 정보 및 주변 환경 정보를 토대로 상기 선정된 마스터 그룹(110)을 상기 서브 그룹(120) 중 어느 하나로 교체할 수 있다. 물론, 초기 선정된 마스터 그룹(110)이 계속 유지될 수도 있다.
상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 선정된 마스터 그룹(110) 내 마스터 무인 비행체(111)에 조작 신호를 전송할 수 있으며, 이에 따라 상기 선정된 마스터 그룹(110) 내 마스터 무인 비행체(111)가 상기 지상 관제 시스템(130)으로부터 수신된 상기 조작 신호를 상기 복수의 서브 그룹(110) 내 마스터 무인 비행체(121)에 전달함으로써 상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120) 전체에 대한 군집 비행을 제어할 수 있다.
이때, 상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 마스터 무인 비행체(111, 121) 각각의 비행 정보 및 주변 환경 정보를 이용하여 상기 마스터 그룹(110)을 기준으로 상기 서브 그룹(120)의 포메이션(Formation)을 변경하도록 비행 제어를 수행함으로써 상기 군집 비행의 안정도를 향상시킬 수 있다.
다시 말해, 상기 지상 관제 시스템(130)은 각 무인 비행체 그룹(110, 120) 내 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)의 군집 비행을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 각 무인 비행체 그룹(110, 120)에 대해서도 상기 마스터 그룹(110)을 기준으로 상기 서브 그룹(120)의 포메이션을 비행 상황 및 주변 환경에 따라 변경하여 군집 비행의 편대를 안정적으로 제어할 수 있다.
상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120) 내 각각의 무인 비행체들(111, 112, 121, 122) 간의 거리가 미리 설정된 허용 범위를 벗어나는 경우, 상기 비행 정보 및 상기 주변 환경 정보에 기초하여 상기 각각의 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)의 내부 메모리에 저장되어 있는 충돌 회피 프로세스를 실행함으로써 상기 각각의 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)에 현재 설정된 비행 경로의 방향과 다른 방향으로 전환하도록 비행 제어를 수행할 수 있다.
즉, 상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 비행 정보에 기초하여 상기 허용 범위를 벗어난 무인 비행체들(111, 112, 121, 122) 간의 상대 거리, 비행 방향 및 상대 접근 속도를 포함한 연산 정보를 도출하고, 상기 연산 정보를 상기 허용 범위를 벗어난 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)에게 전송하여 상기 충돌 회피 프로세스에 적용함으로써 해당 무인 비행체들이 방향 전환 등의 비행 제어를 통해 다른 무인 비행체들과 충돌을 회피하도록 할 수 있다.
여기서, 상기 충돌 회피 프로세스는 임무 중인 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)이 일정 간격(허용 범위) 이내로 접근하는 경우 자율적으로 방향을 전환하거나 속도를 컨트롤하여 충돌을 회피하는 과정을 처리하기 위한 프로그램을 포함할 수 있다.
즉, 상기 충돌 회피 프로세스에 따르면, 상기 무인 비행체들(111, 112, 121, 122) 간의 무선 통신에 의한 서로 간의 위치 정보와 속도 정보를 공유하는 과정을 통해, 상기 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)이 허용 범위 이내로 접근했는지 여부를 판단하고, 접근한 것으로 판단되면 자율적으로 방향을 전환하거나 속도를 컨트롤할 수 있도록 비행 제어를 수행할 수 있다. 또한, 상기 충돌 회피 프로세스에 따르면, 충돌 시간을 추가적으로 고려하여 상기 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)이 충돌을 회피하도록 비행 제어를 수행할 수도 있다.
더 구체적으로 설명하면, 상기 충돌 회피 프로세스에 따르면, 인접한 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)의 위치와 이동 속도를 파악하기 위하여 각 무인 비행체(111, 112, 121, 122)에 구비된 GPS 센서로부터 확인되는 위치와, 속도 센서 또는 가속도 센서로부터 확인되는 이동 속도를 무선 통신을 통해 서로 공유하여 파악할 수 있다.
이때, 상기 충돌 회피 프로세스는 상기 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)에 속도 센서 또는 가속도 센서가 구비되어 있지 않더라도 GPS 센서로부터 확인되는 시간별 위치 정보를 이용하여 이동 속도를 연산할 수도 있다. 여기서, 상기 위치와 이동 속도에 관한 정보는 필요에 따라서는 상기 지상 관제 시스템(130)으로 전송될 수도 있다.
상기 충돌 회피 프로세스는 상기 무인 비행체들(111, 112, 121, 122) 간에 공유되는 위치 정보와 이동 속도 정보를 이용하여 자율적으로 충돌을 회피할 수 있도록 구성되어 있으나, 인접한 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)가 서로 마주보며 다가가는 방향으로 비행하는 경우에는 서로 교차 비행하는 경우에 비해 상대적으로 충돌 시간이 매우 짧아지게 되어 정상적인 회피가 어려울 수 있으므로, 충돌 시간의 연산을 통해 충돌 회피가 보다 안전하고 정확하게 이루어지도록 구성될 수 있다.
상기 충돌 시간의 연산 과정에 대해 아래의 수학식 1 내지 3을 참조하여 구체적으로 설명한다. 상기 충돌 회피 프로세스는 인접한 무인 비행체들(111, 112, 121, 122) 사이의 위치 및 이동 속도를 이용한 기하학적 관계로부터 충돌 시간을 연산할 수 있다.
즉, 두 무인 비행체가 인접한 경우 각각의 위치를 P1, P2라 하고, 각각의 이동 속도를 V1, V2라 할 때, 두 무인 비행체 사이의 상대 거리 Pr과 상대 속도 Vr 은 다음 수학식 1에 의해 얻을 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019094084841-pat00001
또한, 두 무인 비행체 사이의 상대 접근 속도 Vr은 다음 수학식 2에 의해 얻을 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019094084841-pat00002
따라서, 두 무인 비행체 사이의 충돌 시간 tc는 시간, 속도 및 거리 사이의 관계를 나타내는 다음 수학식 3에 의해 연산될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112019094084841-pat00003
또한, 상기 충돌 회피 프로세스는 충돌 위험이 있는 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)의 방향을 전환시키는 과정을 수행할 수 있다. 즉, 상기 수학식 1 내지 3에 의해 연산된 충돌 시간이 충돌 회피를 위해 필요한 기준 시간 이하가 될 경우, 상기 충돌 회피 프로세스는 인접한 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)의 방향을 전환시키도록 비행 제어를 수행할 수 있다.
이때, 상기 충돌 회피를 위해 필요한 기준 시간은 상기 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)의 기동성, 선회율 등을 기준으로 하여 설정될 수 있으며, 상기 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)의 정보 업데이트 빈도와 관련된 파라미터이므로 임무 환경, 상기 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)의 성능 등을 고려한 시뮬레이션을 통해 적절한 값으로 설정되는 것이 바람직하다.
상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120) 전체의 움직임을 고려하여, 상기 마스터 그룹(110) 및 상기 서브 그룹(120) 내 무인 비행체(111, 112, 121, 122)의 개수, 비행 속도 및 비행 방향 등을 변경하기 위한 그룹 재편 명령 신호를 생성하고, 상기 생성된 그룹 재편 명령 신호를 상기 제1-1 마스터 무인 비행체(111)에 전송할 수 있다.
그러면, 상기 제1-1 마스터 무인 비행체(111)는 상기 지상 관제 시스템(130)으로부터 상기 그룹 재편 명령 신호를 수신하여, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 마스터 그룹(110) 내 무인 비행체(111, 112)의 개수, 비행 속도 및 비행 방향 등을 변경할 수 있다. 그리고, 상기 제1-1 마스터 무인 비행체(111)는 상기 그룹 재편 명령 신호를 상기 제1-2 마스터 무인 비행체(121)에 전송할 수 있다.
이에 따라, 상기 제1-2 마스터 무인 비행체(121)는 상기 제1-1 마스터 무인 비행체(111)로부터 상기 그룹 재편 명령 신호를 수신하여, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 서브 그룹(120) 내 무인 비행체(121, 122)의 개수, 비행 속도 및 비행 방향 등을 변경할 수 있다.
이와 같이 동일 그룹(110, 120) 내 무인 비행체(111, 112, 121, 122)의 개수, 비행 속도 및 비행 방향을 변경할 뿐만 아니라, 도 5에 도시된 바와 같이 상황(풍속, 풍향 등과 같은 기후 조건 등)에 따라 기존 서브 그룹(120)을 새로운 마스터 그룹(110)으로, 기존 마스터 그룹(110)을 서브 그룹(120)으로 변경할 수도 있다. 이러한 경우, 상기 지상 관제 시스템(130)은 기존 서브 그룹(120)의 제1-2 마스터 무인 비행체(121)를 새로운 제1-1 마스터 무인 비행체(111)로 변경하고 기존 제1-1 마스터 무인 비행체(111)를 제1-2 마스터 무인 비행체(121)로 변경할 수 있다.
한편, 상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 제1-1 및 제1-2 마스터 무인 비행체(111, 121) 각각의 오류 또는 포메이션 이탈을 진단할 수 있다. 상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 오류 또는 포메이션 이탈로 진단된 제1-1 또는 제1-2 마스터 무인 비행체(111, 121)의 임무 수행과 관련한 이력 정보를 데이터베이스(미도시)로부터 획득할 수 있다. 참고로, 상기 데이터베이스에는 상기 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)의 임무 수행과 관련한 이력 정보가 저장되어 있으며, 그 이력 정보는 지속적으로 업데이트될 수 있다.
상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 이력 정보를 동일 그룹(110, 120) 내 제2-1 및 제2-2 서브 무인 비행체(112, 122) 중 어느 하나에 전송하여, 상기 제1-1 또는 제1-2 마스터 무인 비행체(111, 121)의 임무를 상기 동일 그룹(110, 120) 내 제2-1 및 제2-2 서브 무인 비행체(112, 122) 중 어느 하나가 이어서 수행하도록 제어할 수 있다.
이때, 상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 동일 그룹(110, 120) 내 가장 인접한 서브 무인 비행체(112, 122) 또는 배터리 잔량이 가장 많은 서브 무인 비행체(112, 122)에 상기 이력 정보를 전송할 수 있다. 이는 해당 서브 무인 비행체(112, 122)로 하여금 상기 제1-1 또는 제1-2 마스터 무인 비행체(111, 121)의 임무를 보다 안정적으로 이어서 할 수 있도록 하기 위함이다.
상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 제2-1 및 제2-2 서브 무인 비행체(112, 122) 각각의 오류 또는 포메이션 이탈을 진단할 수도 있다. 상기 진단 결과 상기 오류 또는 포메이션 이탈이 확인된 경우, 상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 마스터 그룹(110) 내 제2-1 서브 무인 비행체(111) 또는 상기 서브 그룹(120) 내 제2-2 서브 무인 비행체(122)의 개수, 비행 속도 및 비행 방향 등을 변경하기 위한 그룹 재편 명령 신호를 생성할 수 있다. 상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 생성된 그룹 재편 명령 신호를 상기 제1-1 또는 제1-2 마스터 무인 비행체(111, 121)에 전송할 수 있다.
한편, 상기 지상 관제 시스템(130)은, 상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120)에 포함된 무인 비행체(111, 112, 121, 122)가 해당 비행체 그룹(110, 120) 내에서 무질서 상태 또는 불안정 상태에서 질서 상태 또는 안정 상태가 되도록 비행 제어를 수행하거나 무인 비행체(111, 112, 121, 122)의 엔트로피(Entropy)가 증가하도록 비행 제어를 수행할 수 있다. 다시 말하면, 상기 지상 관제 시스템(130)은 엔트로피 디자인(Entropy design) 개념을 적용하여 무인 비행체(111, 112, 121, 122)의 비행 제어를 수행할 수 있다. 여기서, 엔트로피는 무질서도를 의미하며, 엔트로피 디자인은 무질서도를 이용하거나 자연환경에서 발생하는 움직임을 고려한 설계 개념을 의미한다.
상기 지상 관제 시스템(130)은, 해당 비행체 그룹 내에서 불안정 상태 또는 무질서 상태에 있는 무인 비행체(111, 112, 121, 122)가 안정 상태 또는 질서 상태가 되도록 비행 제어를 수행함으로써, 해당 비행체 그룹 내에서 무인 비행체(111, 112, 121, 122)가 서로 충돌하거나 임무 비행에서 이탈하는 것을 방지할 수 있다. 예를 들면, 상기 지상 관제 시스템(130)은 해당 비행체 그룹에 포함된 무인 비행체(111, 112, 121, 122) 각각의 자세, 비행 상태 정보 등을 분석하여 각 무인 비행체(111, 112, 121, 122)가 안정한 상태에 있는지 불안정한 상태에 있는지 파악하고, 불안정하거나 무질서한 상태에서 비행하고 있다고 판단된 무인 비행체(111, 112, 121, 122)를 안정 또는 질서 상태에서 비행하도록 제어함으로써 비행체 그룹 전체적으로도 임무에 따라 초기에 설정되니 포메이션을 유지할 수 있다.
도 2는 도 1의 마스터 무인 비행체(111, 121)의 상세 구성을 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 마스터 무인 비행체(111, 121)는 제1 무선 통신부(210), 제1 운행 센서부(220), 제1 카메라(230), 제1 조명(240), 제1 마이크로폰(250), 제1 위치 감지부(260), 제1 비행 제어부(270), 제1 저장부(280), 제1 전원 공급부(290), 및 제1 구동부(295)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 마스터 무인 비행체(111, 121)는 비행에 필요한 데이터를 상기 제1 운항 센서부(220)로부터 획득하고, 외부의 영상을 상기 제1 카메라(230)에 의해 획득할 수 있다. 상기 마스터 무인 비행체(111, 121)는 상기 제1 운항 센서부(220)로부터 비행 데이터를 제공받고, 상기 제1 비행 제어부(270)를 통해 상기 제1 무선 통신부(210)에 의해 수신되는 조작 신호에 상응하는 제어 신호를 출력할 수 있다.
여기서, 상기 제1 비행 제어부(270)는 상기 제1 카메라(230)를 통해서 획득되는 영상을 상기 제1 무선 통신부(210)를 통해 송신하도록 제어하고, 아울러 상기 제1 무선 통신부(210)에 의해 수신되는 조작 신호와 상기 제1 위치 감지부(260)에 의해 획득되는 자신의 위치 데이터를 송신하도록 제어할 수 있다.
상기 마스터 무인 비행체(111, 121)는 상기 제1 비행 제어부(270)의 제어 신호에 의해 각각 제어되는 다수의 제1 구동부(295)를 통해 프로펠러의 회전을 제어하여 비행 및 방향 전환에 필요한 추진력을 발생시킬 수 있으며, 상기 제1 전원 공급부(290)를 통해 동작에 필요한 전원이 공급되도록 할 수 있다.
여기서, 상기 제1 운항 센서부(220)는 비행의 제어에 필요한 속도, 자세나 기울기, 주변 장애물 등을 검출하기 위한 단일 또는 다수의 센서를 포함할 수 있다. 상기 제1 무선 통신부(210)는 Wi-Fi나 블루투스 또는 각종 RF 신호를 비롯하여 무선 통신을 가능하도록 하는 다양한 통신 방식을 이용하여 구현될 수 있다.
또한, 상기 제1 위치 감지부(260)는 상기 마스터 무인 비행체(111, 121) 각각의 현재 위치에 대한 데이터 획득을 위하여, 인공위성에서 발생되는 전파를 수신하여 자신의 위치를 산출하는 GPS, 고도 측정을 위한 고도계 등을 포함할 수 있으며, 나아가서는 3차원 위치 센서 등을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 구동부(295)는 프로펠러가 축에 고정되는 모터를 포함할 수 있다. 상기 제1 전원 공급부(290)는 충전이 가능한 충전지로 구현될 수 있으며 또 달리 일반적인 건전지로 구현될 수도 있다.
상기 마스터 무인 비행체(111, 121)는 상기 제1 조명(240)을 통해 상기 제1 카메라(230)의 촬영 영역에 광을 조사할 수 있으며, 상기 제1 마이크로폰(250)을 통해 외부의 오디오를 수집하여 이를 영상과 함께 또는 별도의 데이터로 제공할 수 있다. 또한, 상기 마스터 무인 비행체(111, 121)는 획득되는 각종 데이터, 설정값, 동작에 필요한 데이터나 프로그램 등을 상기 제1 저장부(280)에 저장할 수 있다.
도 3은 도 1의 서브 무인 비행체(112, 122)의 상세 구성을 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 서브 무인 비행체(112, 122)는 제2 무선 통신부(310), 제2 운행 센서부(320), 제2 카메라(330), 제2 조명(340), 제2 마이크로폰(350), 제2 위치 감지부(360), 제2 비행 제어부(370), 제2 저장부(380), 제2 전원 공급부(390), 및 제2 구동부(395)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 서브 무인 비행체(112, 122)는 비행에 필요한 데이터를 상기 제2 운항 센서부(320)로부터 획득하고, 외부의 영상을 상기 제2 카메라(330)에 의해 획득할 수 있다. 상기 서브 무인 비행체(112, 122)는 상기 제2 운항 센서부(320)로부터 비행 데이터를 제공받고, 상기 제2 비행 제어부(370)를 통해 상기 제2 무선 통신부(310)에 의해 수신되는 조작 신호에 상응하는 제어 신호를 출력할 수 있다.
여기서, 상기 제2 비행 제어부(370)는 상기 제2 카메라(330)를 통해서 획득되는 영상을 상기 제2 무선 통신부(310)를 통해 송신하도록 제어하고, 아울러 상기 제2 무선 통신부(310)에 의해 수신되는 조작 신호와 상기 제2 위치 감지부(360)에 의해 획득되는 자신의 위치 데이터를 송신하도록 제어할 수 있다.
상기 서브 무인 비행체(112, 122)는 상기 제2 비행 제어부(370)의 제어 신호에 의해 각각 제어되는 다수의 제2 구동부(395)를 통해 프로펠러의 회전을 제어하여 비행 및 방향 전환에 필요한 추진력을 발생시킬 수 있으며, 상기 제2 전원 공급부(390)를 통해 동작에 필요한 전원이 공급되도록 할 수 있다.
여기서, 상기 제2 운항 센서부(320)는 비행의 제어에 필요한 속도, 자세나 기울기, 주변 장애물 등을 검출하기 위한 단일 또는 다수의 센서를 포함할 수 있다. 상기 제2 무선 통신부(310)는 Wi-Fi나 블루투스 또는 각종 RF 신호를 비롯하여 무선 통신을 가능하도록 하는 다양한 통신 방식을 이용하여 구현될 수 있다.
또한, 상기 제2 위치 감지부(360)는 상기 서브 무인 비행체(112, 122) 각각의 현재 위치에 대한 데이터 획득을 위하여, 인공위성에서 발생되는 전파를 수신하여 자신의 위치를 산출하는 GPS, 고도 측정을 위한 고도계 등을 포함할 수 있으며, 나아가서는 3차원 위치 센서 등을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 구동부(395)는 프로펠러가 축에 고정되는 모터를 포함할 수 있다. 상기 제2 전원 공급부(390)는 충전이 가능한 충전지로 구현될 수 있으며 또 달리 일반적인 건전지로 구현될 수도 있다.
상기 서브 무인 비행체(112, 122)는 상기 제2 조명(340)을 통해 상기 제2 카메라(330)의 촬영 영역에 광을 조사할 수 있으며, 상기 제2 마이크로폰(350)을 통해 외부의 오디오를 수집하여 이를 영상과 함께 또는 별도의 데이터로 제공할 수 있다. 또한, 상기 서브 무인 비행체(112, 122)는 획득되는 각종 데이터, 설정값, 동작에 필요한 데이터나 프로그램 등을 상기 제2 저장부(380)에 저장할 수 있다.
상기 서브 무인 비행체(112, 122)는 상기 제2 비행제어부(370)를 통해, 상기 지상 관제 센터(130)에 의해 상기 마스터 무인 비행체(111, 121)를 기준으로 한 상기 서브 무인 비행체(112, 122)의 비행 위치를 다수로 설정받아 데이터로서 상기 제2 저장부(380)에 저장되도록 제어할 수 있다.
상기 서브 무인 비행체(112, 122)는 비행시 상기 지상 관제 센터(130)가 다수의 비행 위치 중 어느 하나를 선택하면, 상기 선택된 비행 위치에 해당하도록 상기 제2 구동부(395)를 제어할 수 있다.
도 4는 도 1의 지상 관제 센터(130)의 상세 구성을 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 지상 관제 센터(130)는 무선 통신부(410), 그룹 선정부(420), 진단부(430), 데이터베이스(DB) 연동부(440), 지상 관제부(450), 및 제어부(460)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 무선 통신부(410)는 상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120) 각각에 포함된 마스터 무인 비행체(111, 121)와 무선 통신을 수행하여, 상기 마스터 무인 비행체(111, 121) 각각의 비행 정보 및 상기 마스터 무인 비행체(111, 121) 각각의 주변 환경 정보를 획득할 수 있다.
상기 그룹 선정부(420)는 초기에는 상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120) 중 미리 설정된 어느 하나의 무인 비행체 그룹을 상기 마스터 그룹(110)으로 선정하고, 나머지 무인 비행체 그룹을 상기 서브 그룹(120)으로 선정할 수 있다. 그리고, 그 이후에는 상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120) 각각에 포함된 마스터 무인 비행체(111, 121)와 지속적으로 무선 통신을 수행하여 획득한 상기 비행 정보 및 상기 주변 환경 정보를 토대로, 상기 선정된 마스터 그룹(110)을 상기 서브 그룹(120) 중 어느 하나로 교체할 수 있다.
상기 진단부(430)는 상기 제1-1 및 제1-2 마스터 무인 비행체(111, 121) 각각의 오류 또는 포메이션 이탈을 진단할 수 있다.
상기 DB 연동부(440)는 상기 오류 또는 포메이션 이탈로 진단된 제1-1 또는 제1-2 마스터 무인 비행체(111, 121)의 임무 수행과 관련한 이력 정보를 데이터베이스로부터 획득할 수 있다.
상기 지상 관제부(450)는 상기 마스터 그룹(110) 내 마스터 무인 비행체(111)에 조작 신호를 전송하여 상기 서브 그룹(110) 내 마스터 무인 비행체(121)에 상기 조작 신호를 전달함으로써, 상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120)에 대한 군집 비행을 제어할 수 있다.
이때, 상기 지상 관제부(450)는 상기 마스터 무인 비행체(111, 121) 각각의 비행 정보 및 주변 환경 정보를 이용하여 상기 마스터 그룹(110)을 기준으로 상기 서브 그룹(120)의 포메이션을 변경하도록 비행 제어를 수행함으로써 군집 비행의 안정도를 향상시킬 수 있다.
상기 지상 관제부(450)는 상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120) 내 각각의 무인 비행체들(111, 112, 121, 122) 간의 거리가 미리 설정된 허용 범위를 벗어나는 경우, 상기 비행 정보 및 상기 주변 환경 정보에 기초하여 상기 각각의 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)의 내부 메모리에 저장되어 있는 충돌 회피 프로세스를 실행함으로써 상기 각각의 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)에 현재 설정된 비행 경로의 방향과 다른 방향으로 전환하도록 비행 제어를 수행할 수 있다.
상기 지상 관제부(450)는 상기 이력 정보를 동일 그룹(110, 120) 내 제2-1 및 제2-2 서브 무인 비행체(112, 122) 중 어느 하나에 전송하여, 상기 제1-1 또는 제1-2 마스터 무인 비행체(111, 121)의 임무를 상기 동일 그룹(110, 120) 내 제2-1 및 제2-2 서브 무인 비행체(112, 122) 중 어느 하나가 이어서 수행하도록 제어할 수 있다.
상기 제어부(560)는 상기 지상 관제 센터(130), 즉 상기 무선 통신부(410), 상기 그룹 선정부(420), 상기 진단부(430), 상기 DB 연동부(440), 상기 지상 관제부(450) 등의 동작을 전반적으로 제어할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성 요소, 소프트웨어 구성 요소, 및/또는 하드웨어 구성 요소 및 소프트웨어 구성 요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성 요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행체의 군집 비행 제어 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
여기서 설명하는 무인 비행체의 군집 비행 제어 방법은 본 발명의 하나의 실시예에 불과하며, 그 이외에 필요에 따라 다양한 단계들이 부가될 수 있고, 하기의 단계들도 순서를 변경하여 실시될 수 있으므로, 본 발명이 하기에 설명하는 각 단계 및 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 단계(610)에서 상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120) 중 어느 하나의 무인 비행체 그룹을 마스터 그룹(110)으로 선정할 수 있다.
다음으로, 단계(620)에서 상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120) 중에서, 상기 마스터 그룹(110)을 제외한 나머지 무인 비행체 그룹을 서브 그룹(120)으로 선정할 수 있다.
다음으로, 단계(630)에서 상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 마스터 그룹(110) 내 마스터 무인 비행체(111)와 무선 통신을 수행하여, 상기 마스터 그룹(110) 내 마스터 무인 비행체(111)의 비행 정보 및 주변 환경 정보를 비롯하여, 상기 서브 그룹(120) 내 마스터 무인 비행체(111) 각각의 비행 정보 및 주변 환경 정보를 획득할 수 있다.
다음으로, 단계(640)에서 상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 선정된 마스터 그룹(110)에 상기 복수의 무인 비행체 그룹(110, 120) 및 그 안에 있는 각 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)의 군집 비행 제어를 위한 조작 신호를 전송할 수 있다.
다음으로, 단계(650)에서 상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 획득된 비행 정보 및 주변 환경 정보를 이용하여 상기 마스터 그룹(110)을 기준으로 상기 서브 그룹(120)의 포메이션을 변경하도록 비행 제어를 수행할 수 있다.
상기 비행 제어의 과정 중에 상기 무인 비행체들(111, 112, 121, 122) 간에 충돌 위험이 있는 경우(660의 "예" 방향), 단계(670)에서 상기 지상 관제 시스템(130)은 상기 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)의 내부 메모리에 저장되어 있는 충돌 회피 프로세스를 실행함으로써 상기 무인 비행체들(111, 112, 121, 122)에 현재 설정된 비행 경로의 방향과 다른 방향으로 전환하도록 비행 제어를 수행할 수 있다.
반면, 상기 비행 제어의 과정 중에 상기 무인 비행체들(111, 112, 121, 122) 간에 충돌 위험이 없는 경우(660의 "아니오" 방향), 본 실시예는 종료될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CDROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
110: 마스터 그룹
111: 제1-1 마스터 무인 비행체
112: 제2-1 서브 무인 비행체
120: 서브 그룹
121: 제1-2 마스터 무인 비행체
122: 제2-2 서브 무인 비행체
130: 지상 관제 시스템
410: 무선 통신부
420: 그룹 선정부
430: 진단부
44: DB 연동부
450: 지상 관제부
460: 제어부

Claims (11)

  1. 마스터 무인 비행체 및 복수의 서브 무인 비행체를 포함하는 하나의 마스터 그룹과 복수의 서브 그룹으로 구성되는 복수의 무인 비행체 그룹, 및 상기 복수의 무인 비행체 그룹에 대한 군집 비행을 제어하는 지상 관제 시스템을 포함하는 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템에 있어서,
    상기 지상 관제 시스템은 상기 복수의 무인 비행체 그룹 내 각각의 무인 비행체들 간의 거리가 미리 설정된 허용 범위를 벗어나는 경우, 각각의 상기 마스터 무인 비행체의 비행 정보 및 주변 환경 정보에 기초하여 상기 각각의 무인 비행체들의 내부 메모리에 저장되어 있는 충돌 회피 프로세스를 실행하되, 상기 비행 정보에 기초하여 상기 허용 범위를 벗어난 무인 비행체들 간의 상대 거리, 비행 방향 및 상대 접근 속도를 포함한 연산 정보를 도출하고, 상기 연산 정보를 상기 허용 범위를 벗어난 무인 비행체들에게 전송하여 상기 충돌 회피 프로세스에 적용하며,
    상기 충돌 회피 프로세스는 각 무인 비행체에 구비된 GPS 센서로부터 확인되는 위치와, 속도 센서 또는 가속도 센서로부터 확인되는 이동 속도를 무선 통신을 통해 공유하여 파악하되, 상기 각 무인 비행체에 상기 속도 센서 또는 상기 가속도 센서가 구비되어 있지 않은 경우에는 상기 GPS 센서로부터 확인되는 시간별 위치 정보를 이용하여 상기 이동 속도를 연산하며,
    상기 충돌 회피 프로세스는 상기 각 무인 비행체 간에 공유되는 위치 정보와 이동 속도 정보를 이용하여 자율적으로 충돌을 회피하도록 구성되어 있으나, 인접한 무인 비행체들이 서로 마주보며 다가가는 방향으로 비행하는 경우에는 서로 교차 비행하는 경우에 비해 상대적으로 충돌 시간이 더욱 짧아지게 되어 정상적인 회피가 어려운 점을 고려하여, 하기 수학식 1 내지 3에 의해 도출되는 충돌 시간을 추가적으로 이용함으로써 상기 무인 비행체들에 현재 설정된 비행 경로의 방향과 다른 방향으로 전환하도록 하여 무인 비행체들 간의 충돌을 회피하도록 비행 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템.
    [수학식 1]
    Figure 112020142010150-pat00010

    [수학식 2]
    Figure 112020142010150-pat00011

    [수학식 3]
    Figure 112020142010150-pat00012

    여기서, P1, P2, V1, V2는 두 무인 비행체가 인접한 경우 각각의 위치와 이동 속도를 나타내고, Pr, Vr, tc는 상기 두 무인 비행체 사이의 상대 거리, 상대 속도 및 충돌 시간을 나타냄.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지상 관제 시스템은
    초기에는 상기 복수의 무인 비행체 그룹 중 미리 설정된 어느 하나의 무인 비행체 그룹을 상기 마스터 그룹으로, 나머지 무인 비행체 그룹을 상기 서브 그룹으로 선정하고, 그 이후에는 상기 복수의 무인 비행체 그룹 각각에 포함된 마스터 무인 비행체와 지속적으로 무선 통신을 수행하여 획득한 상기 비행 정보 및 상기 주변 환경 정보를 토대로 상기 선정된 마스터 그룹을 상기 서브 그룹 중 어느 하나로 교체하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 그룹은
    상기 지상 관제 시스템으로부터 조작 신호를 수신하여 비행하는 제1-1 마스터 무인 비행체, 및 상기 제1-1 마스터 무인 비행체로부터 상기 조작 신호를 수신하여 비행하되 상기 제1-1 마스터 무인 비행체를 기준으로 미리 설정된 위치를 유지하면서 비행하는 복수의 제2-1 서브 무인 비행체를 포함하고,
    상기 서브 그룹은
    상기 제1-1 마스터 무인 비행체로부터 상기 조작 신호를 수신하여 비행하는 제1-2 마스터 무인 비행체, 및 상기 제1-2 마스터 무인 비행체로부터 상기 조작 신호를 수신하여 비행하되 상기 제1-2 마스터 무인 비행체를 기준으로 미리 설정된 위치를 유지하면서 비행하는 복수의 제2-2 서브 무인 비행체를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 지상 관제 시스템은
    상기 복수의 무인 비행체 그룹 전체의 움직임을 고려하여, 상기 마스터 그룹 및 상기 서브 그룹 내 무인 비행체의 개수, 비행 속도 및 비행 방향 중 적어도 하나를 변경하기 위한 그룹 재편 명령 신호를 생성하여 상기 제1-1 마스터 무인 비행체에 전송하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1-1 마스터 무인 비행체는
    상기 지상 관제 시스템으로부터 상기 그룹 재편 명령 신호를 수신하여 상기 마스터 그룹 내 무인 비행체의 개수, 비행 속도 및 비행 방향 중 적어도 하나를 변경하고, 상기 그룹 재편 명령 신호를 상기 제1-2 마스터 무인 비행체에 전송하며,
    상기 제1-2 마스터 무인 비행체는
    상기 제1-1 마스터 무인 비행체로부터 상기 그룹 재편 명령 신호를 수신하여 상기 서브 그룹 내 무인 비행체의 개수, 비행 속도 및 비행 방향 중 적어도 하나를 변경하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 지상 관제 시스템은
    상기 제1-1 및 제1-2 마스터 무인 비행체 각각의 오류 또는 포메이션 이탈을 진단하고, 상기 오류 또는 포메이션 이탈로 진단된 제1-1 또는 제1-2 마스터 무인 비행체의 임무 수행과 관련한 이력 정보를 데이터베이스로부터 획득하며, 상기 이력 정보를 동일 그룹 내 제2-1 및 제2-2 서브 무인 비행체 중 어느 하나에 전송하여, 상기 제1-1 또는 제1-2 마스터 무인 비행체의 임무를 상기 동일 그룹 내 제2-1 및 제2-2 서브 무인 비행체 중 어느 하나가 이어서 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 지상 관제 시스템은
    상기 동일 그룹 내 가장 인접한 서브 무인 비행체 또는 배터리 잔량이 가장 많은 서브 무인 비행체에 상기 이력 정보를 전송하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 지상 관제 시스템은
    상기 제2-1 및 제2-2 서브 무인 비행체 각각의 오류 또는 포메이션 이탈을 진단하고, 상기 진단 결과 상기 오류 또는 포메이션 이탈이 확인된 경우, 상기 마스터 그룹 내 제2-1 서브 무인 비행체 또는 상기 서브 그룹 내 제2-2 서브 무인 비행체의 개수, 비행 속도 및 비행 방향 중 적어도 하나를 변경하기 위한 그룹 재편 명령 신호를 생성하여 상기 제1-1 또는 제1-2 마스터 무인 비행체에 전송하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템.
  11. 제1항, 제2항, 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지상 관제 시스템은,
    상기 복수의 무인 비행체 그룹에 포함된 무인 비행체가 해당 비행체 그룹 내에서 무질서 상태 또는 불안정 상태에서 질서 상태 또는 안정 상태가 되도록 비행 제어를 수행하거나 무인 비행체의 엔트로피가 증가하도록 비행 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 무인 비행체의 군집 비행 제어 시스템.
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