[논문]Synchronization System for Time of Mission and Flight Computers over UAV Network

Lee, Won-Seok; Jang, Jun-Yong; Song, Hyoung-Kyu

doi:10.11003/jpnt.2021.10.4.387

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a system to synchronize the time of computers over an unmanned aerial vehicle (UAV) network. With the proposed system, the UAVs can perform missions that require precise relative time. Also, data collected by UAVs can be fused precisely with synchronized time. In the system, to s...

This paper proposes a system to synchronize the time of computers over an unmanned aerial vehicle (UAV) network. With the proposed system, the UAVs can perform missions that require precise relative time. Also, data collected by UAVs can be fused precisely with synchronized time. In the system, to synchronize the time of all computers over the UAV network, two-step synchronization is performed. In the first step, the mission computers of the UAVs are synchronized through the server of the system. After the first step, the mission computers measure time offset between the time of the mission computers and the flight computers. The offset values are delivered to the server. In the second step, virtual time is determined by the server from the collected time offset. The measured offset is compensated by moving the synchronized time of mission computers to the reasonable virtual time. Since only the time of mission computers are controlled, any flight computers that use micro air vehicle link (MAVLink) protocol can be synchronized in the proposed system.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Overall structure of the proposed system for multiple UAVs.
그림 Fig. 2. Process of the time synchronization protocol.
그림 Fig. 3. Interaction between mission and fight computers for estimation of time offset.
그림 Fig. 4. Software structure of the proposed system.
그림 Fig. 5. Mission and flight computers for the prototype.
그림 Fig. 6. Estimation and synchroniz ation of the time offset using the prototype.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 다수의 무인비행체를 관제하는 시스템에서 무인비행체에 탑재된 모든 컴퓨터들의 시간을 관제컴퓨터의 기준시간으로 동기화하기 위한 시스템을 제안한다. 시간 동기화를 위한 시스템은 복수의 서버-클라이언트 구조로 구성되며, 무인비행체의 임무컴퓨터가 서버의 기준시간과 임무컴퓨터 및 비행제어컴퓨터의 시간 사이의 오차를 측정하고 시스템이 설정한 문턱 값을 넘어가면 동기화를 수행한다.

가설 설정

본 논문에서 제안하는 시스템은 복수의 서버-클라이언트 구조로 동작하며, 무인비행체의 항법 기능을 제어하고 모니터링하기 위한 관제 시스템과 무인비행체에 탑재된 컴퓨터들의 시간을 동기화하기 위한 시간 동기화 시스템으로 구성된다. 시스템에 속하는 모든 무인비행체는 항법 계산을 위한 비행제어컴퓨터와 임무 수행을 위한 하드웨어 및 소프트웨어가 동작하는 임무컴퓨터가 탑재된다고 가정한다. 임무컴퓨터의 경우는 리눅스 기반의 소형 컴퓨팅 보드를 대상으로 하며, 비행제어컴퓨터의 경우 MAVLink로 통신이 가능한 모든 보드를 대상으로 한다.

제안 방법

이러한 제한으로 인해 무인비행체 네트워크에서 기존의 기술들을 이용하여 수 밀리 초 수준의 동기화 성능을 제공하는 것은 어려운 상황이다. 본 논문에서 제안하는 시간 동기화 시스템은 무인비행체 네트워크에서 무인비행체에 탑재되는 모든 임무컴퓨터 뿐만 아니라 비행제어컴퓨터 또한 수 밀리 초 수준의 시간오차 내로 시간을 동기화한다. 이를 위해 정밀한 시간오차 측정을 위한 프로토콜을 이용하며, 시스템의 확장성을 높이기 위해 무인비행체에 탑재된 비행제어컴퓨터가 MAVLink 프로토콜을 이용한다면 어떤 무인비행체라도 시스템에 편입하는 것이 가능하도록 설계했다.
본 논문에서 제안하는 시스템은 복수의 서버-클라이언트 구조로 동작하며, 무인비행체의 항법 기능을 제어하고 모니터링하기 위한 관제 시스템과 무인비행체에 탑재된 컴퓨터들의 시간을 동기화하기 위한 시간 동기화 시스템으로 구성된다. 시스템에 속하는 모든 무인비행체는 항법 계산을 위한 비행제어컴퓨터와 임무 수행을 위한 하드웨어 및 소프트웨어가 동작하는 임무컴퓨터가 탑재된다고 가정한다.
본 논문에서 제안하는 시간 동기화 시스템은 무인비행체 네트워크에서 무인비행체에 탑재되는 모든 임무컴퓨터 뿐만 아니라 비행제어컴퓨터 또한 수 밀리 초 수준의 시간오차 내로 시간을 동기화한다. 이를 위해 정밀한 시간오차 측정을 위한 프로토콜을 이용하며, 시스템의 확장성을 높이기 위해 무인비행체에 탑재된 비행제어컴퓨터가 MAVLink 프로토콜을 이용한다면 어떤 무인비행체라도 시스템에 편입하는 것이 가능하도록 설계했다. 또한 비행제어컴퓨터의 시간 등 내부 변수에 대한 직접적인 변경을 요구하지 않기 때문에 비행제어컴퓨터의 소프트웨어 변경 또한 요구하지 않는다.
시간 동기화 시스템에서 다수의 클라이언트는 무인비행체의 임무컴퓨터에 설치되며, 관제서버가 동작하는 컴퓨터에 서버가 위치한다. 제안하는 시간 동기화 프로토콜은 각 클라이언트가 설치된 컴퓨터의 시간을 서버가 결정한 기준시간으로 동기화를 진행한다. 클라이언트는 서버가 적절한 기준시간을 결정할 수 있도록 임무 컴퓨터 및 비행제어컴퓨터의 시간정보를 서버로 전송하기 위한 기능이 구현된다.
제안하는 시간 동기화 프로토콜은 클라이언트에서 모든 시간오차를 추정하고 보상하는 과정으로 진행된다. 프로토콜에서 서버의 역할은 오차 추정을 위한 기준시간을 계산하고 클라이언트의 시간 측정 요청에 응답을 하는 것이다.

대상 데이터

1은 무인비행체의 비행제어컴퓨터로 Pixhawk 보드가 사용되고 임무컴퓨터로 Raspberry Pi 보드가 사용되는 경우를 보인다. 두 보드는 비행제어와 임무를 위한 컴퓨터로 사용되는 대표적인 하드웨어 플랫폼이며, 본 논문에서 대상으로 하는 기준에 부합하는 컴퓨터들이다. Pixhawk와 Raspberry Pi 보드는 유선 serial 연결을 통해 데이터를 주고받을 수 있으며, 데이터 교환을 위한 프로토콜로 MAVLink를 이용한다.
시스템에 속하는 모든 무인비행체는 항법 계산을 위한 비행제어컴퓨터와 임무 수행을 위한 하드웨어 및 소프트웨어가 동작하는 임무컴퓨터가 탑재된다고 가정한다. 임무컴퓨터의 경우는 리눅스 기반의 소형 컴퓨팅 보드를 대상으로 하며, 비행제어컴퓨터의 경우 MAVLink로 통신이 가능한 모든 보드를 대상으로 한다. Fig.

성능/효과

밀리 초보다 작은 시간 값은 화면에서 생략된다. 결과를 통해 3대의 무인비행체의 시간오차가 5 밀리 초와 가까운 범위에서 수 밀리 초의 값으로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 시스템에서 설정한 시간오차의 문턱 값은 5 밀리 초지만 서버의 기준 시간이 식 (7)에 따라 변동하기 때문에 기존에 오차가 잘 맞았던 컴퓨터의 시간오차가 오히려 벌어지는 현상이 관측되기도 한다.
시간 동기화를 위한 시스템은 복수의 서버-클라이언트 구조로 구성되며, 무인비행체의 임무컴퓨터가 서버의 기준시간과 임무컴퓨터 및 비행제어컴퓨터의 시간 사이의 오차를 측정하고 시스템이 설정한 문턱 값을 넘어가면 동기화를 수행한다. 비행제어컴퓨터에 대한 확장성을 위해 비행제어컴퓨터를 직접 제어하지 않고 기준시간의 변경과 임무컴퓨터의 동기화만으로 시간 동기화를 수행한다. 시제품은 관제 시스템과의 연동 및 확장성을 위해 국제 표준 플랫폼을 이용하여 개발했으며, 성능 측정 결과 시제품의 시간 동기화 시스템이 목표로 설정한 시간오차와 가깝게 임무컴퓨터와 비행제어컴퓨터의 시간을 동기화하는 것을 확인할 수 있다.
비행제어컴퓨터에 대한 확장성을 위해 비행제어컴퓨터를 직접 제어하지 않고 기준시간의 변경과 임무컴퓨터의 동기화만으로 시간 동기화를 수행한다. 시제품은 관제 시스템과의 연동 및 확장성을 위해 국제 표준 플랫폼을 이용하여 개발했으며, 성능 측정 결과 시제품의 시간 동기화 시스템이 목표로 설정한 시간오차와 가깝게 임무컴퓨터와 비행제어컴퓨터의 시간을 동기화하는 것을 확인할 수 있다.

참고문헌 (11)

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Elson, J., Girod, L., & Estrin, D. 2002, Fine-grained network time synchronization using reference broadcasts, ACM SIGOPS Operating Systems Review, 36, 147-163. https://doi.org/10.1145/844128.844143

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Hasan, M. K., Saeed, R. A., Hashim, A. H. A., Islam, S., Alsaqour, R. A., et al. 2012, Femtocell network time synchronization protocols and schemes, Research Journal of Applied Sciences, Engineer ing and Technology, 4, 5136-5143
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Lee, W. S., Jang, J. Y., & Song, H. K. 2020, Time Management System for Applications of UAV Network, Journal of Positioning, Navigation, and Timing, 9, 405-409. https://doi.org/10.11003/JPNT.2020.9.4.405

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Li, P., Gong, H., Peng, J., & Zhu, X. 2019, Time Synchronization of White Rabbit Network Based on Kalman Filter, In 2019 3rd International Conference on Electronic Information Technology and Computer Engineering (EITCE), Xiamen, China, 18-20 Oct. 2019. https://doi.org/10.1109/EITCE47263.2019.9094978
Mills, D. L. 1991, Internet time synchronization: the network time protocol, IEEE Transactions on communications, 39, 1482-1493. https://doi.org/10.1109/26.103043

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Mills, D., Martin, J., Burbank, J., & Kasch, W. 2010, Network time protocol version 4: Protocol and algorithms specification. https://www.hjp.at/doc/rfc/rfc5905.html
Solis, R., Borkar, V. S., & Kumar, P. R. 2006, A new distributed time synchronization protocol for multihop wireless networks, In Proceedings of the 45th IEEE Conference on Decision and Control, San Diego, CA, USA, 13-15 Dec. 2006. https://doi.org/10.1109/CDC.2006.377675
van Greunen, J. & Rabaey, J. 2003, Lightweight time synchronization for sensor networks, In Proceedings of the 2nd ACM international conference on Wireless sensor networks and applications, San Diego, CA, USA,19 Sep. 2003, pp.11-19. https://doi.org/10.1145/941350.941353

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