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드론스테이션은 드론에게 안전한 착륙 장소를 제공하고 착륙한 드론이 다시 비행을 할 수 있게 전기에너지를 보충하는 역할을 한다. 무인 드론스테이션은 드론의 착륙 및 전기에너지 보충을 자동으로 할 수 있기 때문에 임무 수행 지역에 드론스테이션이 있으면 드론의 임무수행 반경이 넓어 질 수 있으며 다중 드론 및 드론스테이션을 운영하면 넓은 반경의 임무 지역에 장시간 임무 수행이 가능하다[5].

드론스테이션의 설치 환경과 목적에 따라 덮개가 필요한 경우가 있으며 덮개의 개폐를 자동으로 해야 할 경우에는 개폐 시스템이 드론스테이션에 내장되어 있어야 한다. 드론스테이션의 전기에너지 보충은 배터리 충전 방식과 배터리 교체방식이 있다. 배터리 충전 방식은 비접촉식과 접촉식으로 다시 구분된다. 비접촉 배터리 충전 방식은 유도기전력을 이용한 충전 방식이며 접촉식에 비해 드론의 정밀 착륙을 요구하지는 않지만 오랜 충전시간이 필요한 단점이 있다. 접촉식 배터리 충전 방식은 고속충전이 가능하지만 충전 단자에 정확히 접촉하기 위해 드론의 정밀착륙기능이 요구되며, 정밀착륙 오차를 보정하기 위한 드론 정렬 장치가 드론스테이션에 요구된다. 배터리 교체방식은 드론스테이션에 준비되어 있는 배터리를 드론에 자동으로 교체하고, 교체된 배터리는 충전해서 준비하는 방식으로서 드론의 임무 재개를 준비하는 시간이 극단적으로 짧은 장점이 있지만 드론스테이션과 배터리팩의 기계적 구조가 복잡해지는 단점이 있다. 배터리 교체방식 역시 교체될 배터리가 기계장치에 정확히 물려야하기 때문에 정밀착륙 후 착륙오차 보정을 위한 정렬장치가 요구된다. 그림 1은 본 논문의 선행연구에서 설계한 드론 정렬장치의 3D 설계 도식이다.

Fig. 1. 
Drone position and wires status after the drone position adjustment[5]

드론으로 수행하는 임무의 종류가 다양해짐에 따라 목표지점에 정확하게 착륙할 수 있는 정밀착륙 기술이 중요성이 부각되고 있다. 드론 정밀착륙은 위성항법시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System)을 이용하는 방법과 영상으로 착륙환경을 인식하는 방법으로 구분된다.

위성항법시스템을 이용하는 방법은 GPS(Global Positioning System)와 같은 항법센서를 기반으로 자신의 위치를 측위하고, 사전에 기억된 목표 지점의 좌표와 측위 된 자신의 좌표를 실시간으로 비교하며 목표지점에 착륙하는 방식이다. 현대의 회전익 드론은 GPS 정보를 이용하여 안정된 비행을 유지하기 때문에 위성항법시스템을 사용하는 방식은 별도로 추가 장비나 비용 없이 구현가능한 장점이 있다. 하지만 GPS의 오차범위는 착륙베드(Landing bed)의 드론정렬 장치를 벗어날 정도로 크기 때문에 GPS만 의존하는 정밀착륙은 신뢰성이 떨어진다. 이러한 문제를 보완하기 위해 GPS의 오차를 보정해 주는 RTK(Real Time Kinematic) 기반의 정밀착륙에 대한 연구가 진행되었다[7].

하지만 RTK가 드론 정밀착륙에 적용할 수 있을 만큼 높은 정밀도의 자가 측위 값을 가지기 위해서는 며칠 동안의 연산 시간이 반드시 필요하기 때문에 설치 시간이 오래 걸리고 한번 설치되면 위치이동이 쉽지 않은 단점이 있다.

영상으로 착륙환경을 인식하는 방법은 드론의 광학카메라를 이용하여 착륙베드를 인식하고 영상 픽셀 기반의 자가 측위를 통해 정밀 착륙을 진행하는 방식이다. 영상 기반의 정밀착륙은 드론 임무컴퓨터가 실시간 영상처리를 할 수 있을 정도로 처리속도가 빨라야 하며, 착륙과정에서 지상에 가까워질수록 영상이 변화하는 상황에 대비되어 있어야 한다[2][6][7]. 뿐만 아니라 드론은 야외 개활지에서 주로 이⋅착륙한다는 점을 감안하여 드론스테이션의 착륙베드는 햇볕에 의한 빛 반사가 카메라 영상을 왜곡하지 않도록 표면처리가 되어야 한다.

영상을 이용하여 드론착륙지점을 인식할 때 인식을 돕기 위해 특정 모양의 마커(Marker)를 사용한다. 드론의 영상처리 시스템은 딥러닝(Deep learning) 기술로 마커를 학습하고 비행 중 학습된 마커가 영상에 들어오면 목표지점으로 인지한다. 드론스테이션은 관련법령과 안전상의 이유로 주거환경에서 동떨어진 외딴 곳에 설치되는 경우가 많기 때문에 마커의 문양을 결정할 때는 자연계에서 흔하게 볼 수 없는 인위적인 모양으로 결정하게 된다. 나선형, 격자형 등 단순하지만 규칙적인 모양을 사용하는 경우 외에 QR코드와 같이 마커가 드론의 목표지점 인식 혹은 정밀 착륙에 도움이 되는 정보를 전달할 수 있는 의미를 마커에 부여하기도 한다. 드론스테이션은 배터리 보충 방식에 따라 드론의 착륙 방향이 중요한 경우가 있다. 특히 착륙베드에 오차 없이 정밀착륙 했다고는 하나 방향이 180도 틀어져 있으면 충전단자 접촉 혹은 배터리교체와 같이 기계장치가 정상 동작하기 어려운 경우가 발생한다. 본 논문의 선행연구에서는 그림 2와 같이 Diamond ArUco를 마커로 사용하여 드론에게 3차원 좌표 정보를 제공하여 위치보정을 보조하고 드론이 착륙해야 할 방위를 알리는 연구를 수행하였다[8].

Fig. 2. 
Recognition of the Diamond ArUco on the landing position[8]

본 논문에서 구현한 드론 순환임무 시스템은 자율주행이 가능한 두 대 이상의 무인 드론스테이션, 두 대 이상의 회전익 드론, 그리고 관제시스템으로 구성된다.

본 논문의 드론스테이션은 1,100mm 크기의 드론이 착륙하고 적재할 수 있게 착륙베드 크기가 1800×1800mm이고 높이가 1500mm이다. 드론스테이션은 장시간 무인으로 운영되는 상황을 고려하여 덮개가 자동으로 개폐될 수 있게 제작하였으며, 착륙 베드에는 정밀착륙 오차를 보정할 수 있는 드론 정렬장치가 그림 3과 같이 있다. 드론 정렬장치는 1500×1500mm 크기로 제작되었으며 드론의 두 랜딩기어가 정렬장치 이내에 위치한다면 그림 4와 같이 와이어(Wire)를 이용하여 드론의 랜딩기어를 밀어서 드론을 착륙패드의 중앙으로 정렬할 수 있다[5].

Fig. 3. 
Implementation of the aligning machine[5]

Fig. 4. 
Correcting of the error resulting from drone precision landing on the landing bed

배터리 보충방식은 드론이 착륙 후 위치 보정(정렬)이 완료되면 엘리베이트(Elevator)가 동작하면서 그림 5와 같이 드론을 스테이션 아래로 내려서 배터리를 교체하는 방식이다.

Fig. 5. 
Battery replacement machine in the drone-station

그림 6은 배터리 교체장치가 실제로 구현되어 동작하는 사진으로서, 기존에 장착되어 있던 배터리는 탈거되어 급속충전기에 연결되고 새로운 배터리는 드론에 장착된다. 이때 배터리가 탈거되는 상황에서 드론의 FC(Flight Controller) 및 임무컴퓨터가 재시작(Reset)되는 것을 막기 위해 배터리 탈거 동작 전에 드론 배터리 결합부에 마련된 DC 48V 전원단자를 통해 상시전원이 먼저 연결된다. 덮개 개폐, 드론 정렬, 배터리 교체 등 드론스테이션의 모든 동작은 관제시스템의 통제에 의해 자동으로 진행된다. 드론스테이션은 관제시스템과의 통신을 위해 이더넷(Ethernet) 통신이 가능한 고성능 컴퓨터가 탑재되어 있다.

Fig. 6. 
Pictures of battery replacement machine in the drone-station

드론은 1,100mm 크기 기체에 장애물 회피 및 자율비행을 위한 라이다, 스테레오카메라, 광학카메라 등을 임무장비로 장착하고 있으며, 영상처리와 자율비행을 위한 임무컴퓨터가 탑재되어 있다. 임무수행 현장의 영상데이터를 관제시스템에 실시간으로 전송하기 위해 LTE 통신 모듈을 사용하며, LTE 통신을 통해 조종기의 신호가 닿지 않는 광범위한 임무 반경을 가지면서도 관제시스템의 통제를 받을 수 있다. 본 논문의 드론은 무인 드론스테이션의 자동 배터리 교체 기능을 위해 두 가지 특별한 기술을 가지고 있다. 첫 번째는 영상 기반 정밀착륙 기능이다. 드론이 드론스테이션 주변에 도착하면 영상으로 착륙베드의 마커를 인식한다.

마커를 인식한 드론은 영상의 픽셀좌표를 기반으로 정밀착륙을 할 수 있으며 드론스테이션의 착륙베드 중앙을 기준으로 300mm 이내 오차범위로 정밀착륙 할 수 있다[6]. 만약 드론이 착륙베드 중심에서 최대오차 300mm로 착륙 하더라도 드론의 두 스키드(Skid)는 드론정렬장치의 와이어가 동작하는 범위 이내에 위치하므로 착륙오차 보정에는 문제가 없다.

두 번째는 자동 교체형 배터리이다. 일반적인 회전익 드론의 배터리는 드론 기체의 중앙에 장착되며 사람이 직접 교체하게 되어 있다. 하지만 본 논문의 드론은 배터리 교체를 위하여 그림 7과 같이 회전익 드론의 스키드를 대신할 수 있게 제작되었다[5].

Fig. 7. 
Replaceable battery of the drone[5]

뿐만 아니라, 배터리의 탈착을 자동으로 할 수 있게 그림 6 및 8과 같이 슬라이드(Slide) 방식으로 배터리가 탈착되는 기계구조를 가지게 제작하였다. 슬라이드를 고정하는 걸쇠는 드론에 DC 48V 상시전원을 공급할 수 있게 그림 8과 같이 단자로 설계하여 배터리 교체를 위해 슬라이드 걸쇠가 누르고 있는 동안 DC 48V 상시전원이 드론에 공급되게 하였다. 그림 9는 제작된 드론 및 드론스테이션 사진이다.

Fig. 8. 
Mechanism of the replaceable battery

Fig. 9. 
Picture of the implemented drone and drone-station

본 논문의 관제시스템은 그림 10과 같은 동작흐름을 가진다. 구현된 순환임무 시스템은 드론, 드론스테이션, 관제시스템이 서로 긴밀하게 통신을 주고 받아야 하는데, 하나의 노드가 나머지 두 노드와 동시에 통신해야하는 경합상황을 피하기 위해 드론과 드론스테이션 간의 직접적인 통신은 허용하지 않고 모든 통신은 그림 10과 같이 관제센터를 통하게 구현하였다. 임무 수행 중인 드론의 배터리 잔량이 사전에 설정된 임계값에 도달하면 관제시스템에 배터리 교체 요청 메시지를 보낸다. 드론스테이션은 주기적으로 자신의 식별번호, 좌표정보, 보유 배터리 상태, 드론 적재 여부 등의 상태정보 메시지를 관제시스템에 보내고, 관제시스템은 배터리 교체 요청을 보낸 드론과 가장 가까운 비어있는 드론스테이션의 위치정보를 전송함과 동시에 대기 중인 드론에게 임무재개 메시지를 보내어 임무를 이어받게 한다. 드론스테이션 위치 정보를 수신한 드론은 드론스테이션으로 비행하고 목적지에 도착하면 도착 메시지를 관제센터에 보낸다.

Fig. 10. 
Flowchart of the GCS

관제시스템은 드론스테이션에게 착륙준비 메시지를 보내고, 드론스테이션은 덮개 개방 후 착륙준비 완료 메시지로 관제시스템에 응답한다. 드론은 관제시스템에게 착륙 메시지를 받으면 정밀 착륙을 실시하고 착륙이 완료되면 착륙완료 메시지를 응답한다. 관제시스템에게 드론 착륙완료 메시지를 받으면 정밀착륙에 오류가 있는지 검사 후 드론정렬을 시작한다. 정렬이 완료되면 덮개를 닫음과 동시에 배터리 교체를 시작한다. 배터리 교체가 완료되면 드론스테이션은 관제센터에게 이륙준비가 완료된 드론이 적재되어 있다는 상태정보를 보낸다. 이후 관제센터로부터 임무재개 명령을 수신하면 드론스테이션은 덮개를 개방하고 드론은 이륙 후 임무를 재개한다.

본 논문에서 구현한 드론 순환임무 시스템의 기능을 검증하기 위하여 초경량비행장치의 비행이 허가된 공역에서 모의실험을 실시하였다. 인구가 밀집된 도심지 비행 및 비가시권 비행 실험은 하지 못했지만, 법령이 허락하는 범위에서 검증 방법을 강구하여 시스템의 기능을 검증하였다.

비행 공역에는 한 대의 드론스테이션과 한 대의 드론을 준비하였고, 드론 및 드론스테이션과 동일한 명령어 패킷을 송수신 할 수 있는 LTE 모듈이 탑재된 컴퓨터 두 대를 그림 11과 같이 각각 준비하여 드론과 드론스테이션의 더미(Dummy)로 대신하였다. 이는 실제 드론과 드론스테이션의 기계적 부분이 완벽하게 동작하는 것을 확인함과 동시에 다중 드론 및 드론스테이션의 임무가 연속적으로 계속 이어지게 운영되는지를 모의실험하기 위함이다.

Fig. 11. 
Dummy drone and dummy drone-station

관제시스템은 관제프로그램을 옥외용 컴퓨터에 이식하여 준비하였으며, 임무가 시작되면 사람의 개입 없이 자동으로 드론과 드론스테이션을 관제한다. 관제시스템은 덮개 개방 및 임무비행 시작 메시지를 전송하여 실험을 시작한다. 드론은 가상의 임무를 수행하기 위해 비행을 시작하고 배터리 교체 시점이 되면 배터리 교체 메시지를 관제시스템에 보낸다. 관제시스템은 비행 중인 드론을 배터리 교체를 위해 드론스테이션으로 안내함과 동시에 더미 드론에게 임무교대를 지시한다. 임무교대 과정에서 드론스테이션 더미와 드론 더미가 정의된 메시지 패킷을 정상적으로 송·수신하는지 여부와 메시지에 따른 현재 동작과 상태가 모니터에 표출되는 것을 확인한다. 더미 드론의 배터리수치가 임계값에 도달하면 관제시스템에 배터리 교체 메시지를 보내고 배터리교체 절차에 들어간다. 이와 동시에 배터리 교체를 마치고 대기 중인 실제 드론에게 임무교대 메시지를 보내고 임무를 재개시킨다. 이러한 과정을 지속적으로 수행하여 임무가 지속적으로 연속됨을 확인하는 것으로 실험을 종료한다.