[논문]드론의 안전비행을 위한 국부 및 전역지도 인터페이스

유상형; 전종우; 조광수

doi:10.7746/jkros.2018.13.2.113

드론의 안전비행을 위한 국부 및 전역지도 인터페이스
Local and Global Navigation Maps for Safe UAV Flight 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.13 no.2, 2018년, pp.113 - 120

유상형 (Cognitive Engineering Lab, Graduate Program in Cognitive Science, Yonsei University) , 전종우 (Cognitive Engineering Square of UX Lab, Graduate Program in Cognitive Science, Yonsei University) , 조광수 (Cognitive Engineering Square of UX Lab at the Graduate School of Information and Graduate Program of Cognitive Science, Yonsei University)

Abstract ▼ AI-Helper

To fly a drone or unmanned aerial vechicle(UAV) safely, its pilot needs to maintain high situation awareness of its flight space. One of the important ways to improve the flight space awareness is to integrate both the global and the local navigation map a drone provides. However, the drone pilot often has to use the inconsistent reference frames or perspectives between the two maps. In specific, the global navigation map tends to display space information in the third-person perspective, whereas the local map tends to use the first-person perspective through the drone camera. This inconsistent perspective problem makes the pilot use mental rotation to align the different perspectives. In addition, integrating different dimensionalities (2D vs. 3D) of the two maps may aggravate the pilot's cognitive load of mental rotation. Therefore, this study aims to investigate the relation between perspective difference ($0^{\circ}$, $90^{\circ}$, $180^{\circ}$, $270^{\circ}$) and the map dimensionality matches (3D-3D vs. 3D-2D) to improve the way of integrating the two maps. The results show that the pilot's flight space awareness improves when the perspective differences are smaller and also when the dimensionalities between the two maps are matched.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 연구의 목표는 드론 조종사의 공간 상황 인식을 높이기 위해 국부지도와 전역지도의 참조틀 불일치 문제를 완화하는 인터페이스를 설계하는 것이다. 이를 위해 두 가지 지도의 공간 참조틀 간의 각도 차(0°, 90°, 180°, 270°)와 두 지도의 차원 일치성(일치: 3D-3D vs.

가설 설정

본 연구는 민간용 드론 조종사고를 방지하기 위하여 국부지도와 전역지도 간의 관점 불일치 문제를 완화할 수 있는 내비게이션 인터페이스를 알아보고자 하였다. [16], [23]의 연구에 따라 국부지도와 전역지도 간의 참조 각도의 차이가 클수록 드론의 비행 방향 선택에 소요된 시간이 늘어날 것이고,[17],[21]의 연구를 토대로 두 지도 간의 차원이 일치할 때 드론의 비행 방향 선택시간이 짧아질 것이라고 가설을 설정하였다. 실험의 결과 두 지도 간의 참조 각도 차이는 0°, 90°, 270°,180° 순으로 비행 방향 선택시간이 느려졌다.

제안 방법

따라서 본 연구의 목표는 드론 조종사의 공간 상황 인식을 높이기 위해 국부지도와 전역지도의 참조틀 불일치 문제를 완화하는 인터페이스를 설계하는 것이다. 이를 위해 두 가지 지도의 공간 참조틀 간의 각도 차(0°, 90°, 180°, 270°)와 두 지도의 차원 일치성(일치: 3D-3D vs. 불일치: 3D-2D)을 독립 변수로 하고, 각 조건에서 비행 방향을 선택하는 정확도와 비행 방향 선택의 난이도를 소요시간으로 측정하여 평가한다.

대상 데이터

실험참가자는 연세대학교학부 및 대학원생 26명이 자발적으로 참여하였다(남자 16명, 여자 10명). 참가자들의 전체 평균 연령은 23.
실험참가자는 연세대학교학부 및 대학원생 26명이 자발적으로 참여하였다(남자 16명, 여자 10명). 참가자들의 전체 평균 연령은 23.69세(SD = 2.85)이고, 남성 평균 연령은 24.75세(SD = 3), 여성 평균연령은 22세(SD = 1.56)였다.

데이터처리

국부지도와 전역지도 간 참조 각도 차이와 차원일치 여부에 따른 드론의 비행 방향 선택에 소요된 시간을 알아보기 위해 반복측정 변량 분석(Repeated Measure ANOVA)을 실시하였다. 분석결과 참조 각도의 차이(X² = 13.

성능/효과

실험의 결과 두 지도 간의 참조 각도 차이는 0°, 90°, 270°,180° 순으로 비행 방향 선택시간이 느려졌다. 또한, 두 지도 간의 차원이 일치한(3D-3D) 조건이 불일치한(3D-2D) 조건보다 비행 방향 선택에 걸린소요시간이 짧았다.
[16], [23]의 연구에 따라 국부지도와 전역지도 간의 참조 각도의 차이가 클수록 드론의 비행 방향 선택에 소요된 시간이 늘어날 것이고,[17],[21]의 연구를 토대로 두 지도 간의 차원이 일치할 때 드론의 비행 방향 선택시간이 짧아질 것이라고 가설을 설정하였다. 실험의 결과 두 지도 간의 참조 각도 차이는 0°, 90°, 270°,180° 순으로 비행 방향 선택시간이 느려졌다. 또한, 두 지도 간의 차원이 일치한(3D-3D) 조건이 불일치한(3D-2D) 조건보다 비행 방향 선택에 걸린소요시간이 짧았다.
국부지도와 전역지도 간의 참조 각도는 270°보다 180° 일 때 평균 비행 방향 선택시간이 느리게 나타났다. 이러한 실험 결과는 180°참조 각도 차이에서는 1인칭 관점 참조틀(ERF)과 3인칭 관점 참조틀(WRF)을 하나의 참조틀로 만드는데 인지적인 어려움 따른다는 기존의 연구^[17]와 일맥상통한다.
반면, 두 지도의 참조 각도 차이가 0°, 90°, 270°일 때는 국부지도와 전역지도 간의 차원이 일치(3D-3D) 조건이 불일치(3D-2D) 조건보다 비행 방향 선택에 걸린시간이 짧았다. 이는 위와 같은 참조 각도 차이에서 두 지도 간의 차원 일치 상태가 드론 내비게이션에 효과적임을 시사한다.

후속연구

이는 180° 참조 각도 차이는 조종사가 드론의 비행 방향과 마주하는 상황이기 때문에 심적 회전이 다른 각도보다 더 어렵다는 것을 의미한다. 180° 참조 각도 차이는 차원 일치성에 따라 효과가 나타나지 않기 때문에 이 참조 각도 차이에서 조종사의 인지 부하를 최소화할 수 있는 추가적인 요인 연구가 필요하다.
또한, 이러한 제시 방법은 국부지도와 전역지도가 동시에 제시되는 실제 드론 컨트롤러 조종 환경과 다소 차이가 있다. 따라서, 드론 컨트롤러 조종 화면 내에서 두 가지 지도를 배치하였을 경우에도 위와 같은 실험 결과가 나타나는지 확인할 필요가 있다.
그러나 민간용 드론의 경우 취미용으로 사용되거나, 다이나믹한 상황에서 정밀한 조종이 필요할 경우 조종사들이 드론을 직접 조종하는 방식은 중요하다. 따라서, 민간용 드론은 자동항법 기술뿐 아니라, 조종의 안전을 위해 인지적 요인을 바탕으로 한 콘트롤러의 인터페이스 디자인에 대한 개발도 필요하다. 본 연구는 조종사가 드론을 육안으로 구분하기 어려운 상황에서 민간용 드론을 안전하게 조종하는 데 유용한 드론 콘트롤러 인터페이스 디자인 지침이 되리라 예상한다.
반면, 실제 조종 상황과 차이가 있기 때문에 한계를 지닌다. 추후에는 상승-하강과 회전에 대한 변수가 포함시켜 두 지도 간 참조 각도 차이와 차원성 일치를 측정하는 것이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비행 공간의 상황 인식은 무엇인가?	조종사는 비행하면서 비행공간을 이해하고, 드론의 위치, 방위를 이해하고, 올바른 비행 방향을 결정하여야 한다. 비행 공간의 상황 인식이란 지리적 인식(geographical awareness)과 항해적 인식(navigational awareness)과 유사한 개념으로, 조종사가 현재 기체의 위치 및 기체를 둘러싼 환경에 대한 심성 모형(mental model)을 형성하는 것이다[2-5]. 그런데[2]에 의하면, 조종사의 상황 인식 역량이 저하(poor situation awareness)되면 조종사의 지각(perception)능력이 떨어지기 때문에 비행 공간 및 기체 위치를 파악하는 능력도 함께 저하된다.
	몰입형 헤드업디스플레이를 통해 보며 조종할 수 있는 방식의 한계는 무엇인가?	최근에는 드론이 촬영하고 있는 영상을 몰입형 헤드업디스플레이를 통해 보며 조종할 수 있는 방식도 연구 개발되고 있다[11-13]. 그러나 조종사가 드론 카메라를 통해 바라보는 전방향 시야의 각도는 보통 90° 에서 140° 로 제한적이다. 일반적인 조종환경이나 공간 항해 상황에서 사람들이 갖는 시야각은 180°에서 270° 라는 점을 고려한다면 드론 조종사가 비행에 필요한 전체적인 공간을 이해하는 데 어려움이 발생할 수밖에 없다.
	외부 조종법의 특징은 무엇인가?	민간용 드론 조종사는 외부 조종법(external piloting)을 사용하기 때문에 드론의 비행 공간을 이해하는 데 어려움을 겪는다[6-9].외부 조종법은 육상의 드론 조종사가 육안으로 기체를 직접 보면서 조종하는 방식이기 때문에, 민간용 드론 조종사는 공간을 인식하기 위해 주로 자기중심적 참조틀(reference frame) 혹은 1인칭 관점을 사용하게 된다. 하지만 드론이 공간에서 안전하게 비행하기 위해서는 드론 중심의 참조틀이나 환경 중심적인 3인칭 관점을 사용해야 한다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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