1. 수행배경

무인 비행기, 일명 드론은 본래 군사목적으로 개발되어 왔으나, 현재에는 물품수송, 방송, 엔터테인먼트, 연구 및 개발 목적 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 또한 드론의 상용화가 빠르게 진행되고 있고, 오픈소스 기반의 드론 소프트웨어와 오픈 하드웨어가 보급됨에 따라 가격 이 저렴해졌고 그 결과 수많은 자율 비행 / 무선조종 드론들이 하늘을 날아다니고 있다.

 

그러나 현재 드론 관련 법규는 드론의 비행을 제한을 두는데 그쳐있고 드론의 안전의 문제에 대한 대책은 없는 실정이다. 드론 충돌 사고가 발생하면 수십만원부터 수억원에 해당하는 드론의 경제적 피해는 물론이고 핵심 기술의 손실이 발생할 수 있다.

 

이러한 드론 충돌 사고를 방지하기 위해 많은 드론 개발업체에서는 장애물 회피 등의 충돌 방지를 위한 우회비행 등을 연구하고 있지만 멈춰있는 장애물과는 달리 빠르게 움직이는 드론과 드론간의 충돌 문제를 해결하기 위한 연구는 초기단계이다.

 

현재 민간항공기와 군용항공기에 적용되는 TCAS 시스템은 항공기의 공중충돌을 방지하기 위하여 지상 항공 관제 시스템과는 독립적으로 항공기의 주위를 트랜스폰더를 통해 감시하여 알려주는 충돌 방지시스템이다. 

2. 수행기간

추진일정표	일련번호	주요내용	추진일정				기간 (주)
			5월 1~2주	5월 3~4주	6월 1~2주	6월 3~4주
	1	ArduPilot 텔레메트리 정보의 드론 상호간 송수신					4
	2	충돌 회피를 위한 알고리즘 작성					4
	3	지상국 소프트웨어 작성					4
	4	대시보드 구현 및 표출 테스트					4
	5	비행 테스트 및 충돌회피 테스트 동영상 촬영					2
	6	보고서 작성					1

3. 개발작품 설명

비행컴퓨터 : NAVIO2 / Pixhawk

 

상용 드론 업계 1위인 DJI사의 드론은 Flight Autonomy에 대한 외부 사용자의 접근을 동 사가 출시한 개발용 드론인 Matrice 100 외에는 원천적으로 차단하고 있다. 따라서 오픈소스 Flight Autonomy 시스템인 ArduPilot을 사용하여 개발하고자 하였다.

 

현재 사용 가능한 비행 컴퓨터중 Linux 플랫폼 위에서 동작하여 각종 기능의 추가가 용이한 NAVIO2를 사용한 드론 2대와 따로 Linux가 동작하는 컴퓨터를 추가하여 사용 가능한 Pixhawk를 사용한 드론 1대를 사용하여 개발을 진행하였다.

 

 

무인 항공기 데이터링크의 사실상 표준으로 사용되어지고 있는 MAVLink 텔레메트리 정보는 NAVIO2의 UART 포트를 사용하여 주고받을 수 있다. 하지만 이 UART 포트는 모기판인 Raspberry Pi와 직접 연결되어 있지 않으므로 TTL - USB 컨버터를 따로 외부에 부착하여 Linux 플랫폼에서 접근 가능하도록 하였다.

 

LoRa 무선 송/수신 구현 - RFM95

 

  빠른 구현을 위하여 Arduino 플랫폼으로 사용 가능한 ATmega32u4 칩셋과 준수한 성능을 보이는 RFM95 칩셋이 결합된 868MHz 대역의 LoRa 모듈을 사용하였다.

 

제공되는 RFM95 라이브러리를 사용하여 송/수신 되는 모든 패킷은 UART 통신을 사용하여 비행 컴퓨터와 통신하며, TTL - USB 변환기를 사용하였다.

 

 

드론 기체 구성

 

  오픈소스 드론으로 주로 사용되는 DJI사의 F450 프레임을 사용하여 기체를 구성하였다.

구입한 RFM95 모듈을 한쪽 암에 고정하였고, MAVLink 텔레메트리 데이터를 수신하기 위하여 USB 포트로 연결하였다. 내장된 TTL - USB 컨버터를 사용하여 가공된 텔레메트리 데이터를 898MHz 대역의 LoRa 망으로 송수신 한다.

 

 

LoRa 송수신 Node

 

 

구입한 RFM95 LoRa 모듈과 안테나의 경우 장애물이 많은 곳에서 최대 250m 까지 안정적으로 송수신이 가능함을 테스트하였다. 커버리지를 늘리기 위해 사진과 같은 개별 노드를 제작하여 두군데에 배치하였으며, 이 때 드론으로부터 수신된 패킷은 교내 Wi-Fi 망을 사용하여 관제 서버로 릴레이 된다.

 

Telemetry

 

 

MAVLink 프로토콜에서 제공하는 정보 중 기체의 현재 상태를 Python 코드로 넘겨받은 데이터이다.

위의 값들 중 필요한 데이터인 Air Speed, Ground Speed, Heading, Altitude 값을 사용하여 송수신에 사용할 데이터 포맷을 결정하였다

4. 활용방안

- 자율 주행 드론의 생존률 향상

 

드론 또한 항공기로써 언제나 상호간의 충돌 위험이 있다. 제안한 시스템을 활용하면 충돌을 미리 예측하고 회피기동을 통하여 드론의 생존률을 향상시킬 수 있다.

 

- 지상에 있는 사람 및 기물의 안전 향상

 

자율 주행 중인 드론이 충돌할 경우 지상으로 추락할 확률이 매우 높다.

이 경우 지상에 있는 사람이 다치거나 기물에 큰 피해를 줄 수 있다. 이는 심각한 재산피해를 유발하게 된다. 제안한 시스템을 적용하여 이러한 불상사의 확률을 줄일 수 있다.

 

- 드론 등록제 활성화

 

드론의 가격이 저렴해지고 각종 오픈소스 드론의 출현으로 사람들이 쉽게 접근할 수 있게 되었다. 이러한 드론들은 등록이 되어 있지 않아 도촬과 같은 각종 사회적인 문제들이 발생하고 있는데, 이 시스템을 제도화하여 드론 등록제가 활성화 된다면 좀 더 안전한 드론 비행 및 관제가 가능할 것이라 생각한다.

 

- Find-My-Drone 서비스

 

SK텔레콤이 구축해 놓은 LoRa 전국망에 개발된 시스템을 적용한다면 전국 어디에서나 서비스를 사용할 수 있고 드론은 항상 위치를 관제시스템에 보고하므로 만약 조종사의 실수나 조종기의 오작동으로 드론이 시야를 벗어나 추락하더라도 마지막으로 보고된 위치를 사용하여 잃어버린 드론을 찾을 수 있을것이라 생각한다.