[논문]LiDAR 센서를 이용한 드론 자동 충돌방지 시스템

정의필; 안우진; 김연민; 이정철

LiDAR 센서를 이용한 드론 자동 충돌방지 시스템
An Automatic Collision Avoidance System for Drone using a LiDAR sensor 원문보기

한국융합신호처리학회논문지 = Journal of the Institute of Convergence Signal Processing, v.19 no.2, 2018년, pp.54 - 60

정의필 (울산대학교 IT융합학부) , 안우진 (울산대학교 IT융합학부) , 김연민 (울산대학교 산업경영공학부) , 이정철 (울산대학교 IT융합학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 쿼드콥터 드론의 충돌방지를 위한 효율적인 자동제어 방법을 제안한다. 일반적인 드론조종 방법은 RC 조종기에서 노브의 움직임을 PWM 신호로 변환하여 전송하면 이를 드론의 무선 수신부에서 수신하여 비행제어(FC) 모듈에 전달하는 방식으로 이루어진다. 드론의 수신기와 FC 모듈 사이에 충돌 회피 모듈을 구현하여 쓰로틀, 피치 및 롤 제어 신호를 모니터링하고 변경하는 방식으로 드론 충돌을 방지한다. 충돌을 방지하기 위해 LiDAR 거리 센서와 서보 모터를 설치하여 주기적으로 비행 방향을 중심으로 -45도에서 +45도 이내의 장애물 거리를 측정한다. 충돌이 예상되면 수신된 PWM 신호를 변경하여 FC 모듈로 전송함으로써 충돌을 방지한다. 우리가 제안한 방법을 쿼드콥터 드론에 적용하여 실험을 통해 검증한 결과, 조종자 부주의 혹은 조종 미숙으로 인해 발생할 수 있는 충돌을 방지할 수 있어 안전성이 향상됨을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an efficient automatic control method for the collision avoidance of drones. In general, the drones are controlled by transmitting to the flight control (FC) module the received PWM signals transmitted from a RC controller which transduce movements of the knob into PWM signal. We implemented the collision avoidance module in-between receiver and FC module to monitor and change the throttle, pitch and roll control signals to avoid drone collision. In order to avoid the collision, a LiDAR distance sensor and a servo-motor are installed and periodically measure the obstacle distance within -45 degrees from 45 degrees in flight direction. If the collision is predicted, the received PWM signal is changed and transmitted to the FC module to prevent the collision. We applied our proposed method to a hexacopter and the experimental results show that the safety is improved because it can prevent the collision caused by the inadvertency or inexperienced maneuver.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 LiDAR센서를 이용한 드론의 충돌방지 시스템을 제안한다. Lightware사의 LiDAR센서인 LW20과 서보모터를 이용하여 장애물을 감지하고 설정된 충돌방지 모드와 장애물 감지 여부에 따라 RC조종기에서 출력되는 드론 제어신호를 변경하여 드론에 전달하여 드론이 충돌을 회피할 수 있도록 한다.
본 논문에서는 쿼드콥터 드론의 충돌방지를 위해 드론의 수신기와 비행제어 모듈 사이에 충돌 회피 모듈을 구현하여 쓰로틀, 피치 및 롤 제어 신호를 모니터링하고 변경하는 자동제어 방법을 제안하였다. 그리고 충돌을 방지하기 위해 LiDAR 거리 센서와 서보 모터를 설치하여 비행 방향을 중심으로 -45도에서 +45도 이내의 장애물 거리를 주기적으로 측정하였다.

제안 방법

본 논문에서는 LiDAR센서를 이용한 드론의 충돌방지 시스템을 제안한다. Lightware사의 LiDAR센서인 LW20과 서보모터를 이용하여 장애물을 감지하고 설정된 충돌방지 모드와 장애물 감지 여부에 따라 RC조종기에서 출력되는 드론 제어신호를 변경하여 드론에 전달하여 드론이 충돌을 회피할 수 있도록 한다.
RC 조종기 채널(Ch6)을 사용하여 3가지 충돌방지 모드 (Normal, Mode 1, Mode 2)를 설정한다. Normal모드는 일반 모드로서 ATmega128에서 전달받은 신호를 변경하지 않고 Pixhawk으로 전달한다.
본 논문에서는 쿼드콥터 드론의 충돌방지를 위해 드론의 수신기와 비행제어 모듈 사이에 충돌 회피 모듈을 구현하여 쓰로틀, 피치 및 롤 제어 신호를 모니터링하고 변경하는 자동제어 방법을 제안하였다. 그리고 충돌을 방지하기 위해 LiDAR 거리 센서와 서보 모터를 설치하여 비행 방향을 중심으로 -45도에서 +45도 이내의 장애물 거리를 주기적으로 측정하였다. 만일 충돌이 예상되면 수신된 PWM 신호를 변경하여 FC 모듈로 전송함으로써 충돌을 방지하였다.
장애물감지를 위해 LiDAR센서와 서보모터를 이용하며 Buzzer를 통해 장애물 감지 여부를 확인할 수 있도록 한다. 그림 3과 같이 장애물 감지 후 충돌방지를 위해 ATmega128을 이용하여 드론으로 전달되는 제어 신호 중 롤(Ch1), 피치(Ch2), 쓰로틀(Ch3), 요(Ch4), 비행모드(Ch5) 신호를 중간에서 변경하는 방법을 사용한다.
드론에 충돌회피 모듈을 부착하여 비행실험을 진행하였다. 드론의 Auto모드의 웨이포인트를 이용하여 드론이 장애물로부터 5m거리까지 비행 후 착륙하도록 표 4와 같이 비행계획을 설정한다.
그리고 충돌을 방지하기 위해 LiDAR 거리 센서와 서보 모터를 설치하여 비행 방향을 중심으로 -45도에서 +45도 이내의 장애물 거리를 주기적으로 측정하였다. 만일 충돌이 예상되면 수신된 PWM 신호를 변경하여 FC 모듈로 전송함으로써 충돌을 방지하였다.
본 논문에서 제안하는 충돌방지 시스템은 그림 6과 같이 드론 제어를 위해 RC 리시버에서 수신한 신호 중 드론 제어에 필요한 롤(Ch1), 피치(Ch2), 쓰로틀(Ch3), 요(Ch4), 비행모드(Ch5) 신호를 ATmega128가 검출하고 이를 필요시 변경하여 드론의 비행제어 모듈인 Pixhawk로 전달되도록 한다. ATmega128에서 검출한 제어 신호를 장애물 감지여부와 충돌회피 모드 설정에 따라 변경하여 Pixhawk에 전달한다.
본 논문에서 제안하는 충돌방지 시스템을 위한 장애물 감지에 LiDAR센서를 사용하였다. 사용한 LiDAR센서는 Lightware사의 LW20으로 센서의 측정 각도가 좁아 그림 4와 같이 하나의 센서로 전방의 장애물 감지를 위해 서보모터와 결합하여 서보모터를 이동시키며 거리측정을 하는 방식으로 사용하였다. 서보모터의 이동 각도는 –45°~ 45°로 설정하였다.
움직이는 물체에 대한 거리측정 실험은 그림 8과 같이 LW20 센서와 서보모터를 이용하여 –45°~ 45° 각도 내에서 이동하는 물체의 거리를 측정하였다.
본 논문에서 제안하는 헥사콥터 충돌방지 시스템의 구성도는 그림 2와 같다. 장애물감지를 위해 LiDAR센서와 서보모터를 이용하며 Buzzer를 통해 장애물 감지 여부를 확인할 수 있도록 한다. 그림 3과 같이 장애물 감지 후 충돌방지를 위해 ATmega128을 이용하여 드론으로 전달되는 제어 신호 중 롤(Ch1), 피치(Ch2), 쓰로틀(Ch3), 요(Ch4), 비행모드(Ch5) 신호를 중간에서 변경하는 방법을 사용한다.

대상 데이터

LW20 센서의 거리측정 정확도 확인을 위해 실내에서 2m~10m, 실외에서 2m~20m 거리에서 직선거리 측정 실험을 진행하였다. 실험 결과는 표 1, 표 2, 그림7과 같다.
본 논문에서 제안하는 충돌방지 시스템을 위한 장애물 감지에 LiDAR센서를 사용하였다. 사용한 LiDAR센서는 Lightware사의 LW20으로 센서의 측정 각도가 좁아 그림 4와 같이 하나의 센서로 전방의 장애물 감지를 위해 서보모터와 결합하여 서보모터를 이동시키며 거리측정을 하는 방식으로 사용하였다.
사용된 LiDAR센서는 Lightware사의 LW20으로 최대 100m까지 거리측정이 가능하며 UART 인터페이스와 I2C 인터페이스를 지원한다 [8]. 충돌회피 모듈은 DS-919MG 서보모터, LW20 센서와 ATmega128를 사용하여 제작하였고 그림 4와 같이 드론 상단에 부착하여 운용하였다.

성능/효과

드론의 log 데이터를 확인한 결과 Normal 모드일 때는 RC 조종기의 신호가 그림 10과 같이 Pixhawk에 전달된 것을 확인할 수 있었다. 이를 분석한 결과는 표5와 같으며 설정한데로 동작함을 확인할 수 있었다.
1회 스캔은 서보모터가–45°에서 45°까지 또는 45°에서 –45°까지 한번 회전하며 거리측정을 한 것이다. 실험결과 물체가 이동하는 방향을 따라서 정확히 감지됨을 확인할 수 있었다.
실험결과 측정된 거리 데이터와 실제 거리값은 1~10cm의 오차를 보였으며 ±1.2%의 오차율을 보였다.
Mode 1일 때 드론의 log 데이터는 그림 11과 같다. 이를 분석한 결과는 표 6과 같으며 Auto모드로 비행 중장애물로부터 10m지점에서 장애물을 감지하고 호버링 후 착륙하였음을 확인할 수 있었다. Mode 2일 때 드론의 log 데이터는 그림 12과 같다.
제안된 방법을 이용하여 실험한 결과 드론이 10m 이내 장애물을 감지하고 설정된 모드에 따라 장애물을 자동으로 회피하여 충돌을 방지하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 조종자의 숙련도나 부주의로 인해 발생할 수 있는 드론 충돌사고를 예방하는데 활용할 수 있음을 확인하였다.
제안된 방법을 이용하여 실험한 결과 드론이 10m 이내 장애물을 감지하고 설정된 모드에 따라 장애물을 자동으로 회피하여 충돌을 방지하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 조종자의 숙련도나 부주의로 인해 발생할 수 있는 드론 충돌사고를 예방하는데 활용할 수 있음을 확인하였다.
Mode 2일 때 드론의 log 데이터는 그림 12과 같다. 표 7과 같이 10m 거리에서 장애물 감지하였으며 호버링 후 왼쪽으로 평균 4.5m 이동 후 착륙하였음을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	드론이 활용되는 영역은?	드론은 초기에 군사용으로 개발되었으나, 최근에는 물류, 기상, 농업, 정보통신, 미디어, 취미활동 등 다양한 영역에서 활용되고 있다. 활용영역이 늘어남에 따라 드론의 보급도 늘어나고 있다.
	일반적인 드론조종은 어떠한 방식인가?	본 논문에서는 쿼드콥터 드론의 충돌방지를 위한 효율적인 자동제어 방법을 제안한다. 일반적인 드론조종 방법은 RC 조종기에서 노브의 움직임을 PWM 신호로 변환하여 전송하면 이를 드론의 무선 수신부에서 수신하여 비행제어(FC) 모듈에 전달하는 방식으로 이루어진다. 드론의 수신기와 FC 모듈 사이에 충돌 회피 모듈을 구현하여 쓰로틀, 피치 및 롤 제어 신호를 모니터링하고 변경하는 방식으로 드론 충돌을 방지한다.
	쿼드콥터 드론의 충돌방지를 위해 제안된 방법은?	드론의 수신기와 FC 모듈 사이에 충돌 회피 모듈을 구현하여 쓰로틀, 피치 및 롤 제어 신호를 모니터링하고 변경하는 방식으로 드론 충돌을 방지한다. 충돌을 방지하기 위해 LiDAR 거리 센서와 서보 모터를 설치하여 주기적으로 비행 방향을 중심으로 -45도에서 +45도 이내의 장애물 거리를 측정한다. 충돌이 예상되면 수신된 PWM 신호를 변경하여 FC 모듈로 전송함으로써 충돌을 방지한다. 우리가 제안한 방법을 쿼드콥터 드론에 적용하여 실험을 통해 검증한 결과, 조종자 부주의 혹은 조종 미숙으로 인해 발생할 수 있는 충돌을 방지할 수 있어 안전성이 향상됨을 보였다.

참고문헌 (8)

Korea Consumer Agency, Available: http://www.kca.go.kr/brd/m_32/view.do?seq2281&multi_itm_seq0
J. S. Kim, J. M. Jeong, Y. H. Choi, J. B. Park, "Development of Collision Avoidance System of a Quadrotor using Sonar Sensors," in Proceedings of KIEEE Summer Conference, pp. 1347-1348, 2016.
http://ardupilot.org/copter/docs/
S. W. Lee, K. H. Choi, M. S. Hyun, J. H. Kim, "Drone collision avoidance system using sonar sensor and servo motor," in Proc. of Symposium of the Korean Institute of communications and Information Sciences, pp. 1327-1328, 2017.
J. H. Lee, H. T. Chae, J. K. Min, S. Y. Shin, "Autonomous drones exploration using ultrasonic sensors," in Proc. of Conference of Korea Institute of Information Scientists and Engineers, pp. 254-256, 2016.
J. S. Kim, J. M. Jeong, Y. H. Choi, J. B. Park, "Development of Collision Avoidance System of a Quadrotor using Sonar Sensors," in Proc. of Conference of KIEE, pp. 1347-1348, 2016.
S. B. Kim, and H. B. Kim, "Performance Evaluation, Optimal Design and Complex Obstacle Detection of an Overlapped Ultrasonic Sensor Ring," Journal of the Institute of Signal Processing and Systems, vol.12 no.4, pp. 341-347, 2011.
LW20 / SF20 LiDAR sensor Product manual, LightWare Optoelectronics, pp.1-25

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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