[논문]UAM 버티포트 최종접근진로 감시를 위한 광학장비 활용 기술

전종진; 김대근; 고준환; 문우춘

doi:10.12673/jant.2023.27.6.804

UAM 버티포트 최종접근진로 감시를 위한 광학장비 활용 기술
Optical Equipment Utilization Technology for UAM Vertiport Final Approach Path Monitoring 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.27 no.6, 2023년, pp.804 - 814

전종진 ((주)루다시스) , 김대근 ((주)루다시스) , 고준환 ((주)루다시스) , 문우춘 ((사)항공우주산학융합원)

초록
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인구밀도가 높은 도심지 내에서 비행하게 되는 UAM의 비행경로 하부 및 주변으로는 각종 건축물이 산재하게 된다. 그리고 UAM이 이착륙하는데 사용하는 버티포트는 도심 내의 평지 또는 건축물 상부 등에 위치하게 된다. 이처럼 UAM은 인구밀도가 높은 도심에서 운항하고, 이착륙을 위한 버티포트는 인구밀집지역에 설치됨에 따라 매우 높은 수준의 안전도가 요구된다. 특히 UAM의 안전한 착륙을 위해 최종접근진로에서 버티포트로 접근하는 UAM의 접근상태를 감시하고 접근정보를 제공할 필요가 있다. 이에 UAM 버티포트 최종접근진로 감시를 위해 좁은 부지에 설치가 가능하면서 전자파의 부담이 적다는 장점이 있는 광학장비를 활용하는 기술에 대한 연구를 진행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Various buildings are scattered below and around the flight path of UAM (Urban Air Mobility), which flies within a densely populated urban area. And the vertiport used by UAM for takeoff and landing is located on a flat area within the city center or on top of a building. As such, UAM operates in densely populated urban areas, and vertiports for takeoff and landing are installed in densely populated areas, requiring a very high level of safety. In particular, for safe landing of UAM, it is necessary to monitor the approach status of UAM approaching the vertiport from the final approach course and provide approach information. Accordingly, to monitor the UAM vertiport final approach path, research was conducted on technology that utilizes optical equipment that can be installed in a narrow site and has the advantage of reducing the burden of electromagnetic waves.

주제어

표/그림 (26)

표 표 1. 버티포트 입지선정을 위한 고려요인 [1] Table 1. Factors for UAM Vertiport Location Selection [1]
표 표 2. UAM 테스트베드 입지 선정을 위한 고려요인 [2] Table 2. Factors for UAM Test-bed Location Selection [2]
그림 그림 1. TLOF, FATO, SA (좌측부터 한국, FAA, EASA) Fig. 1. TLOF, FATO, SA (from left, Korea, FAA, EASA)
그림 그림 2. 진입표면 (좌측부터 FAA, EASA) Fig. 2. Approach Surface (from left, FAA, EASA)
표 표 3. 버티포트의 물리적 특성 Table 3. Physical Characteristics of Vertiport
표 표 4. 진입표면의 크기 Table 4. Size of Approach Surface
그림 그림 3. 카메라의 설치 방법 (좌측부터 평행식, 폭주식) Fig. 3. Installation Method for Cameras (from left, Parallel Type, Convergence Type)
그림 그림 4. 분석 및 저장시스템 (예시) Fig. 4. Analysis and Storage System (example)
그림 그림 5. 데이터표출시스템 (예시) Fig. 5. Display System (exapmle)
표 표 6. 측정 및 설치 방법 Table 6. Measurement and Installation Method
그림 그림 6. 성능요구 Fig. 6. Performance Requirements
표 표 7. 기술적 성능요구 Table 7. Technical Performance Requirements
그림 그림 7. ED-240A에 따른 객체탐지 방법 [7] Fig. 7. Method for Target Detection (Ref. ED-240A) [7]
표 표 8. 라벨링 종류와 특징 Table 8. Types and features of Annotation
그림 그림 8. 2-Stage Detection(위)과 1-Stage Detection(아래) Fig. 8. 2-Stage(top) and 1-Stage(bottom) Detection
그림 그림 9. 탐지 및 수집된 기체 시현 Fig. 9. Detected and Collected Aircraft Display
그림 그림 10. MQTT 통신 과정 Fig. 10. MQTT Communication Process
그림 그림 11. Pan 및 Tilt의 추적 과정 Fig. 11. Pan and Tilt Tracking Process
그림 그림 12. Pan과 Tilt의 작동 과정 Fig. 12. Pan & Tilt Operation Process
그림 그림 13. 거리측정 방법 Fig. 13. Distance Measurement Method
그림 그림 14. Zoom 동작 과정 Fig. 14. Zoom Process
그림 그림 15. 적외선 거리측정기 동작 과정 Fig. 15. IRF Process
표 표 9. 카메라에 대한 요구 탐지범위 Table 9. Required Detection Coverage of Camera
표 표 10. 시스템 운영을 위한 요구 기상조건 Table 10. Required Weather Condition for System Operation
표 표 11. 기술 요구성능 Table 11. Technical Performance Requirements
표 표 12. 영상감시시스템 개발에 필요한 요소기술 Table 12. Required Element Technology for Optical Surveillance System Development

AI 본문요약
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문제 정의

이를 통해 버티포트 테스트베드 운영환경에서 초기 UAM의 운영을 지원하기 위해 필요한 영상감시시스템의 최소 성능에 대한 기술규격을 제시하였다.
이에 이러한 광학영상장비의 장점을 활용하여 UAM의 안정적인 버티포트 접근을 감시하고 지원하기 위한 ‘영상감시기반의 버티포트 CNSi 지상시스템(이하 ‘영상감시시스템’이라 함)’의 개발을 위해 이에 필요한 요구조건과 성능 및 요소기술에 대한 연구를 진행하였다.

제안 방법

다만 아직까지 개발이 완료된 UAM 기체가 없어 UAM 기체의 영상데이터 수집이 불가하여 개발된 요소기술의 검증에 필요한 영상데이터를 멀티콥터형 드론의 영상데이터로 대체하여 진행하였다.
본 연구에서는 과적합 (overfitting)으로 인한 신경망 모델 성능 하락을 막기 위해 수집된 데이터셋의 학습과 검증 비율을 8:2로 나누어 진행하였다 [8].
영상감시시스템을 이용하여 UAM 기체를 탐지하기 위하여 본 연구에서는 ‘Unified Detection’과 ‘1×1 Convolution’ 및 ‘1-Stage Detection’ 기술을 활용하여 알고리즘을 구축하였다.
영상획득장비의 핵심은 카메라이므로 이번 연구에 사용한 카메라의 제원과 부수장비(하우징, Heating & Cooling 장치 등)의 제원을 고려하여 다음과 같이 기상기준을 검토하였다.
이를 위해 고정 카메라와 연결된 ODS(Object Detection Server) 및 외부 인프라를 통일된 환경으로 구축하며, 각 카메라와 ODS가 동기화된 환경에서 하나의 객체를 바라보고, 서로 다른 카메라 화면에서 동일 객체로 인지 및 추적한다.
이를 위해 국내ㆍ외 자료 및 운영 사례 등의 검토를 통해 영상감시 시스템 세부기술 선별을 위한 항목을 도출하였다. 영상감시 시스템 운영에 필요한 기술로는 아래의 그림 6과 같이 탐지 성능, 추적 성능, 광학 성능, 영상 성능, PTZ 성능 등을 예시로 들 수 있다.
이번 연구에서는 점증을 위해 할당된 20%의 데이터셋을 사용하여 신경망 구축에 적용된 가중치의 정확도를 확인한 후, 모델이 학습 중인 경우에는 평균정확도 (mAP)의 변동폭을 확인하여 일정해지는 시점까지 지정한 Mini Batch와 Epoch만큼 지도학습을 진행하고, 모델이 학습 중이 아닌 경우에는 현재 신경망의 평균정확도 (mAP)를 출력하는 방식으로 진행하였다.
이와 같이 영상광학장비를 활용하여 UAM의 버티포트 최종접근진로를 감시하고 안전한 착륙을 지원하기 위한 영상감시시스템의 개발에 필요한 요소기술을 연구하였다 이번 연구를 통해 검토된 영상감시시스템의 탐지범위, 운용 기상조건 및 기술적 요구성능은 버티포트 크기, 카메라 제원 및 관련 사례 등을 고려하여 표 9부터 표 11과 같이 도출되었다.
한편 영상감시시스템의 개발에 필요한 요소기술은 아래 표 12와 같이 UAM 기체 식별, UAM 기체 추적 및 이착륙 지원, 다중 영상데이터 처리 및 분석 등 3개의 기술분야에 대해 검토하였고, 세부 기술을 분류하였다.

이론/모형

구축한 신경망 모델의 객체 탐지 정확도는 객체탐지 알고리즘의 성능지표로 사용되는 ‘평균정확도 (mAP; mean Average Precision)’로 측정하였다[8].
이번 연구에서는 이러한 모든 규격을 포괄할 수 있도록 위의 규격 중 가장 큰 규격인 FAA의 규격을 적용하였다.
수집된 이미지 데이터 내에서 식별할 객체를 라벨링하여 지정하는 과정으로, 위의 표 8과 같은 다양한 기법이 사용된다. 이번 연구에서는 이러한 여러 유형의 라벨링 기법 중 아래와 같은 이유로 Lablebox의 Bounding Box Annotation을 활용하였다.
이에 이번 연구에서는 국토교통부의 ‘공항· 비행장시설 및 이착륙장 설치기준(2022)’에 명시된 육상헬기장의 진입표면의 크기를 우리나라의 기준으로 적용하였다.

후속연구

위와 같은 배경에서 광학영상장비는 UAM 버티포트의 최종 접근진로에 대한 감시장비로 사용이 가능하여 UAM 버티포트에서의 UAM 접근정보 제공 및 접근상태 감시 공백을 해결할 수 있는 대안이 될 것으로 판단된다.
이를 통해 영상감시시스템의 관련 기술개발이 완료된다면 버티포트에 접근하는 UAM 기체에 대한 실시간 상태감시와 조언 등이 가능하고, 보다 안전하고 효율적으로 UAM의 운항이 가능할 것으로 기대한다.
이에 향후 UAM에 대한 영상정보를 수집하여 개발된 기술의 검증에 적용하고 각 기술을 고도화하는 등의 후속 연구개발을 진행할 예정이다.
이처럼 대체 영상데이터를 이용하여 각 요소기술의 개발성과는 확인할 수 있었으나, 실제 UAM 기체를 탐지, 식별하고 분석하는 일련의 과정에 대한 검증은 제한적으로 수행된 점은 이번 연구의 한계라 할 것이다.

참고문헌 (8)

J. J. Jeon, "Overseas Vertiport Trends and Factors to？Consider in Vertiport Site Selection," in Proceeding of the？KASA 2023 Spring Conference, Jeju, pp. 626-627, Apr.？2023.？
D. H. Kwon, Y. S. Hwang, K. B. Cho, and W. C. Moon, "A study on Installation Standards for UAM Temporary？Substantiation Vertiports," in Proceeding of the KASA 2022？Spring Conference, Jeju, pp. 677-678, Apr. 2022.？
UAM Team Korea Vertiport Working Group, Guidance for？K-UAM Vertiport Design and Operation, MOLIT: Sejong,？pp. 6, 2021.？
Federal Aviation Administration (FAA), Vertiport Design,？FAA: Washington D.C., Engineering Brief (EB) 105, pp.？14-20, 2022.？
European Union Aviation Safety Agency (EASA), Prototype？Technical Specifications for the Design of VFR Vertiports？for Operation with Manned VTOL-Capable Aircraft？Certified in the Enhanced Category (PTS-VPT-DSN),？EASA: Cologne, Germany, pp. 26-28, pp. 31-32, pp. 51-52,？2022.？
MOLIT, Airport/airfield facilities and takeoff and landing？site installation standards, MOLIT: Sejong, Order 2022-350,？pp. 14-17, pp. 26-28, pp. 35, pp. 48-49, 2022.？
European Organization for Civil Aviation Equipment？(EUROCAE), Minimum Aviation System Performance？Standards (MASPS) for Remote Tower Optical Systems,？EUROCAE: Saint-Denis, France, ED-240A, pp. 18-26,？2018.？
J. J. Jeon, D. G. Kim, D. H. Yoon, J. W. Ko, and C. H. Kim,？"Analysis technology for deviation from the flight path？center line of delivery drones (unmanned aerial vehicles)？using optical imaging equipment," in Proceeding of the？KASA 2023 Fall Conference, Hongcheon, pp. 595-597,？Nov. 2023.

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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