[논문]레이저 고도계와 초음파 거리계를 이용한 무인항공기 지면고도측정 알고리즘 설계

최경식; 현정욱; 장재원; 안동만; 홍교영

doi:10.12673/jkoni.2013.17.6.749

초록
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본 논문은 레이저 고도계와 초음파 거리계를 이용한 무인항공기의 지면고도측정에 대한 알고리즘에 대하여 제시하였다. 무인항공기의 저고도 거리 측정시에 사용하는 레이저 고도계와 초음파 거리계를 이용하여 간단한 지상시험을 하였고, 각 센서들의 특징을 확인할 수 있었다. 특히, 레이저 고도계의 단점을 확인하여 초음파 거리계로 보완하는 알고리즘을 설계하였고, 실험을 진행하였다. 레이저 고도계와 초음파 거리계는 칼만필터를 이용하여 약결합 방식으로 융합하였으며, 실험결과 레이저 고도계의 단점을 초음파 거리계로 보완하여 안정적인 고도값이 측정될 수 있음을 확인하였다.

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This paper presents an algorithm concerning the ground altitude measurement using a laser altimeter and an ultrasonic rangefinder for UAV(Unmanned Aerial Vehicle). A simple ground test conducted using the laser altimeter and ultrasonic rangefinder that are used for conducting the low altitude measur...

This paper presents an algorithm concerning the ground altitude measurement using a laser altimeter and an ultrasonic rangefinder for UAV(Unmanned Aerial Vehicle). A simple ground test conducted using the laser altimeter and ultrasonic rangefinder that are used for conducting the low altitude measurement of UAV and identify the characteristics of each sensor. Especially, the disadvantages of the laser altimeter were checked through the ground test. After that who those are participated in this paper planned the algorithm which is complemented by the ultrasonic rangefinder and the experiment was conducted. The laser altimeter and the ultrasonic rangefinder were fused by a loosely coupled method by Kalman filter. The paper shows that stable value of altitude complemented by the ultrasonic rangefinder that covers the laser altimeter's drawbacks can be measured through the ground test.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

레이저 고도계는 레이저 고도계의 특성 때문에 단일장치로 사용하기에는 위험성이 따른다. 따라서, 초음파 거리계를 융합하여 보완할 수 있는 필터를 구현 하였다. 어두운 표면에 대하여 발산하는 성질이 있는 레이저 고도계와 비교적 안정적이면서 정확한 거리 값을 측정하는 초음파 거리계를 융합하여 정확한 고도값을 측정하는 알고리즘을 구성하였다.
본 논문은 현재 무인기에서 사용되고 있는 레이저 고도계의 단점을 지상시험을 통해 확인하고, 이를 초음파 거리계로 보완하는 알고리즘을 설계하였다. 레이저 고도계는 어두운 반사면에 대해서는 고도 측정치가 발산을 하게 되며, 반사율에 따라 난반사가 되어 정확한 고도값을 측정할 수 없다.

제안 방법

아래 그림 5는 지표면이 어두운 경우에 대한 거리 측정 실험이다. 그림 2와 같이 똑같은 실험 조건에서 초음파 거리계로 실험을 하였고, 실험 결과 그림 2와달리 어두운 색깔을 105초부터 184초까지 지나갔음에도 불구하고 비교적 정확한 고도값을 측정하였다. 또한 반사율에 상관없이 고도 측정이 가능하다.
두 장치의 융합은 선형칼만필터를 사용하였으며, 칼만필터 설계를 위하여 시스템 모델링을 하였다. 시스템 모델은 아래와 같다.
실험에 사용된 초음파 거리계의 경우는 Real-time Auto Calibration 기능이 있어 온도의 변화에 상관없이 정상적으로 작동하며[6], 실험 고도의 높이가 높지 않아 온도가 일정할 것으로 간주하여 실험을 진행 하였다.
실험장치는 무인항공기의 이착륙시에 GPS와 레이저 고도계의 고도를 비교하였을 때 레이저 고도계가 더 안정적이었기 때문에[4] 비교적 낮은 높이로 구성하였으며, 고도변화와 Roll의 변화를 줄 수 있도록 구성하였다.
따라서, 초음파 거리계를 융합하여 보완할 수 있는 필터를 구현 하였다. 어두운 표면에 대하여 발산하는 성질이 있는 레이저 고도계와 비교적 안정적이면서 정확한 거리 값을 측정하는 초음파 거리계를 융합하여 정확한 고도값을 측정하는 알고리즘을 구성하였다.
[4] 본 연구에서는 외부 측위방식인 레이저 고도계와 초음파 거리계를 약결합 방식으로 융합하여 안정적인 고도 측정값을 나타내었음을 확인하였다. 현재 무인항공기에 사용되는 레이저 고도계의 단점을 분석하고 이를 보완하기 위해 초음파 거리계를 사용하였으며, 실험결과 안정적인 고도값이 측정되었다.

대상 데이터

실험에 사용된 레이저 고도계는 영국 MDL사의 ILM-150-R 제품으로 제품의 사양은 표 1과 같다.
실험에 사용된 초음파 거리계는 미국 MaxBotix사의 XL-MaxSonar-WRLA1 제품으로 송신과 수신이 하나로 되어 있는 일체형 제품이다. 제품의 사양은 표2와 같다.

성능/효과

최근에는 내부 측위방식인 GPS와 외부 측위방식인 레이저 고도계를 이용한 고도 측정 연구가 진행되었으며, 레이저고도계의 단점을 GPS와 융합하여 정밀한 고도값을 획득하는 연구가 진행되었다.[4] 본 연구에서는 외부 측위방식인 레이저 고도계와 초음파 거리계를 약결합 방식으로 융합하여 안정적인 고도 측정값을 나타내었음을 확인하였다. 현재 무인항공기에 사용되는 레이저 고도계의 단점을 분석하고 이를 보완하기 위해 초음파 거리계를 사용하였으며, 실험결과 안정적인 고도값이 측정되었다.
그림 3은 그림 2의 어두운 표면을 만났을 때의 표면을 확대한 그림이다. 실험 결과 105초부터 184초까지 지표면이 어두울 경우에 99999 m로 레이저 고도계가 발산을 한다.
레이저 고도계는 어두운 반사면에 대해서는 고도 측정치가 발산을 하게 되며, 반사율에 따라 난반사가 되어 정확한 고도값을 측정할 수 없다. 이를 초음파 거리계로 보완하여 레이저 고도계의 측정값이 발산할 경우 초음파 거리계의 측정값이 칼만필터의 입력값으로 전환되어 안정적인 고도값이 출력될 수 있음을 확인하였다. 본 논문은 지상실험장치로 알고리즘을 검증하였으며, 실제 무인항공기에도 장착하여 지금의 알고리즘이 안정적인 고도값이 출력되는지를 확인할 예정이다.

후속연구

이를 초음파 거리계로 보완하여 레이저 고도계의 측정값이 발산할 경우 초음파 거리계의 측정값이 칼만필터의 입력값으로 전환되어 안정적인 고도값이 출력될 수 있음을 확인하였다. 본 논문은 지상실험장치로 알고리즘을 검증하였으며, 실제 무인항공기에도 장착하여 지금의 알고리즘이 안정적인 고도값이 출력되는지를 확인할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파 거리계의 단점은?	하지만 작동시 반응 소리를 발생시키며, 음파의 특성상 온도 및 공기밀도, 진동에 영향을 받는 단점이 있다.
	레이저 고도계란 무엇인가?	레이저 고도계는 레이저의 직진성을 이용하여 지상에 발사한 뒤 반사되어 되돌아오는 레이저를 검출 하여 정확한 고도를 측정하는 장비이다.
	고도측정방식은 어떤 방식이 있는가?	고도측정은 크게 외부 측위방식과 내부 측위방식으로 나뉘는데 외부 측위방식의 경우, 무인항공기에 외부장치를 설치하여 전파 또는 빛을 방사하고 되돌아오는 시간을 측정해 거리를 계산하는 방식이며, 내부 측위방식은 GPS와 같이 외부장치의 설치없이 전파의 수신을 받아 고도를 계산하는 방식이다.[4]

참고문헌 (10)

Jae-Won Chang, Sang-Jong Lee and Sang-Soon Park, "Dynamic test of laser altimeter", A Conference of the KSAS, Korea, pp. 1517-1520, 2010.11.
Mohamad Farid bin Misnan, Norhashim Mohd Arshad and Noorfadzli Abd Razak, "Construction sonar sensor model of low altitude field Mapping sensors for application on a UAV", IEEE 8th International Colloquium on Signal Processing and its Applications, Malaysia, pp. 446-450, 2012.05.
Am Cho, Young-shin Kang, Bum-jin Park, Chang-sun Yoo and Sam-ok Koo, "Altitude integration of radar altimeter and GPS/INS for automatic takeoff and landing of a UAV", ICCAS 8th Internatioal Conference on Control, Automation and Systems, Korea, pp. 1429-1432, 2011.10.
Sangook Cho, Keeyoung Choi and Sung-su Kim, "Ground altitude computation algorithm using laser altimeter and GPS for UAV automatic take-off and landing", Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, vol. 41, no. 1, pp. 54-60, 2013.01.

원문보기 상세보기
MDL, "ILM-150" Leaflet
MaxBotix, "XL-MaxSonar-WRLA1(MB7076)", Datasheet
Jung-Wook Hyun, Jae-Won Chang, Hyung-Sik Choi and Hyeok Ryu, "Test of altitude measurement for auto landing of unmanned aerial vehicle", A conference of the KSAA, Korea, pp. 289, 2012.11.
Jung-Hoon Lee, "Altitude determination algorithm using ultra sonic ranger, GPS and barometric altimeter", Requirement for the Degree of Master, Inha Univ. 2008.02.
Young Cheol Lim, Eui Sun Kim, Tag Gon Kim, Chul Su Park and Young Min Kim, "Ultrasoinc rangeing system insensitive to atmospheric condition", The Korean Sensors Sociery, vol. 2, no. 1, pp. 49-56, 1993.02.
Seong-Pil Kim, "Understanding of Kalman filter", A-JIN, pp. 3-71. 2010.

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