초록 ▼

핵심기술
SW 프로세스를 따라 개발한 다기능 지원 비행제어 SW, RTOS, GCS로 구성된 통합 소형 무인 멀티콥터용 비행제어 핵심 SW

최종목표
다양한 기능을 내장한 개방형 비행제어컴퓨터 기반 고 신뢰도 소프트웨어 핵심 기술 개발
● SW 프로세스에 따라 개발된 멀티콥터용 비행제어 SW 시스템 개발
- 개방형 멀티콥터 비행제어시스템 HW 프로토타입 설계 및 개발
- 쿼드콥터 비행 기능시험을 통한 정량적인 비행제어시스템 검증 데이터 확보
- 멀티콥터 비행제어 시스템의 SW 프로세스 정립

핵심기술
SW 프로세스를 따라 개발한 다기능 지원 비행제어 SW, RTOS, GCS로 구성된 통합 소형 무인 멀티콥터용 비행제어 핵심 SW

최종목표
다양한 기능을 내장한 개방형 비행제어컴퓨터 기반 고 신뢰도 소프트웨어 핵심 기술 개발
● SW 프로세스에 따라 개발된 멀티콥터용 비행제어 SW 시스템 개발
- 개방형 멀티콥터 비행제어시스템 HW 프로토타입 설계 및 개발
- 쿼드콥터 비행 기능시험을 통한 정량적인 비행제어시스템 검증 데이터 확보
- 멀티콥터 비행제어 시스템의 SW 프로세스 정립 및 공인 인증

● 안전성이 확보된 정밀 비행제어 SW 개발
- 멀티콥터 안정성 증대 제어 알고리즘 개발
- 멀티콥터 각속도 / 자세제어 알고리즘 개발
- Quad, Hexa, Octo 콥터에 각각 적용 가능한 비행제어 알고리즘 개발

● 신규 기능 추가가 용이한 임무 SW 구조 및 주요 임무 SW 모듈개발
- 멀티콥터 GPS Way-Point / Loiter Mode 비행제어 알고리즘 개발
- 융합센서 기반 충돌회피 비행제어 알고리즘 개발
- Return-to-Launch 비행제어 알고리즘 개발

개발내용 및 결과
● 개방형 멀티콥터 비행제어시스템 HW 프로토타입 개발
- 비행제어 컴퓨터에 마이크로 컨트롤러 및 듀오베로 CoM (Computer on Module)을 장착하고, 비행제어에 필요한 여러 센서들이 부착될 수 있도록 시리얼 통신, PWM 등을 위한 인터페이스를 포함하여 개발

● 비행제어 컴퓨터를 위한 RTOS 확장 개발
- ARINC 653을 따르며 DO-178B 인증 가능한 RTOS Qplus-AIR가 듀오베로 보드에서 동작할 수 있게 BSP(Board Support Package) 개발

- Qplus-AIR의 비대칭 멀티프로세싱 기능을 듀오베로에서 활용할 수 있도록 듀오베로를 위한 BSP를 듀얼코어 지원 가능하게 확장 개발하고 커널을 포팅

- 듀오베로에 내장된 두 개 코어를 활용하여 Heartbeat 신호 공유 기반 하드웨어 이중화 고장 감내 기능을 개발

- ARM Cortex A9에 내장된 성능 모니터링 유닛 (Performance Monitoring Unit)을 활용하여 듀오베로 보드 전용 가용자원(CPU, 메모리 대역폭) 사용량 모니터링 기능을 커널 수준에서 개발

- 듀오베로 보드와 마이크로 컨트롤러가 통신 지연으로 인한 데이터 손실 없이 시리얼 통신을 할 수 있도록 인터럽트 및 하드웨어 FIFO 기반의 UART 디바이스 드라이버 개발

● 안전성이 확보된 정밀 비행제어 SW 개발
- 온도에 따른 오프셋을 실시간으로 보상하는 안정성 증대제어 알고리즘 개발

- PID 컨트롤러 및 Luenberger Observer 기반 노이즈 제거, Feedback Linearization 제어기법을 활용하여 자세제어 및 각속도 제어 알고리즘을 개발

- Quad, Hex, Octo-로터 각 형태에 따른 모터 믹싱 알고리즘을 개발하여 다기종 소형 무인 멀티콥터 제어를 지원하는 기능을 개발

- GPS Way-Point Flight 알고리즘을 Target way-point 위치와 현재 위치의 오차를 기반으로 속도명령을 생성하고 이를 추종하는 방식으로 개발

- 로이터 모드 알고리즘을, 조종기의 조작 여부는 RC 수신기에서 수신되는 신호를 분석하여 판단하며, 조종기 스틱이 중앙에 존재하는 경우는 자동으로 호버링을 수행하고, 중앙이 아닌 경우에는 이에 따라 적절한 속도명령을 속도추종 제어기에 보내 멀티콥터를 제어하도록 개발

- GeoFence 알고리즘을 목표 위치가 비행 허용 구역 안에 있을 경우 자유롭게 변경이 가능하나, 그 밖으로 벗어나게 되는 경우에는 목표위치를 더 이상 바꾸지 않고 경계선을 유지하도록 개발

- Return-to-Launch 모드 알고리즘을 추력배터리의 전압이 낮아 비행시간이 많이 남지 않았을 때, 그리고 조종기와의 통신이 끊겨 더 이상 사용자가 멀티콥터를 제어할 수 없는 경우를 고려해 개발

- 충돌회피 비행제어 알고리즘을 Dynamic Windows Approach, DWA 알고리즘을 활용하여 개발

- 자세 추정 알고리즘을 보상 필터를 활용하여 개발

- GPS 비가용시 비행을 위한 SLAM 알고리즘을 2.5D SLAM을 활용하여 개발하고 멀티콥터의 안정성 향상을 위한 통신채널 Triple Redundancy를 적용

● 기능 확장 및 개선이 용이한 GCS 소프트웨어 개발
- 운용자 UI 및 기능을 구현하여 비행체 통제를 가능하게 하고, MavLink 프로토콜을 적용하여 비행제어/비행안전 알고리즘의 검증 및 비행안전 알고리즘의 검증 및 비행 운용을 가능하게 했으며, 동영상 정보를 실시간으로 재생할 수 있는 기능을 개발

기술개발 배경
1. 국내 무인항공기 기술력은 세계 7위의 선진국이나, 소형 무인 멀티콥터 분야 기술개발은 시장 예측 실패로 인하여 선진국 및 중국 업체에 비하여 시장 점유율이 미미하고 기술 확보가 미흡함

2. 소형 무인 멀티콥터의 핵심 기술인 비행제어 시스템 기술이 확보되지 못하여, 중국 및 선진국의 비행제어 시스템을 수입하고 있으며 국내중소/중견 기업은 단순 기체 조립 수준임에 머무르고 있음

3. 급성장하고 있는 소형 무인 멀티콥터 시장의 주도권을 획득하고 국내 중소/중견 기업들의 기술 경쟁력 강화를 위해 외산 비행제어 SW 및 멀티콥터용 실시간 운영체제를 대체할 수 있는 기술 개발이 필요

4. 비행제어 시스템은 공항 또는 군사기밀/인구밀집 지역 등의 특정제한 영역을 침범하게 못하게 하는 지오펜스(GeoFence), GPS 기반 경로 자동비행 (GPS Waypoint), 비상 상황시 이륙지점으로 자동으로 돌아오는 Return-to-Launch, 융합 센서 기반 충돌회피 및 SLAM (Simultaneous Localization & Mapping) 등의 다양한 기능이 통합되어 플랫폼화 필요

5. 비행제어 시스템을 적용하여 다양한 기체, 다양한 서비스를 제공하기 위해서는 구조적으로 확장 가능한 SW 구조로 발전될 것으로 전망

6. 멀티콥터의 추락은 인명 사고 및 재산상의 손해가 클 수 있기 때문에 유인기 SW에 준하는 검증을 통하여 SW의 안전성을 확보할 필요가 있음

핵심개발 기술의 의의
- 급성장하고 있는 소형 멀티콥터 시장의 핵심 기술들에 대한 국산화가 전무한 상태에서 본 과제에서 개발한 비행제어컴퓨터용 RTOS기반 핵심비행제어SW를 국내 중소/중견 기업들이 활용함으로써 소형 멀티콥터의 안전성과 서비스화가 가능함

적용 분야
- 25Kg급 이하 산업용 소형 멀티콥터(드론)

(출처 : 최종보고서 초록 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 17
• 목차 ... 23
• 제1장 서론 ... 24
• 제1절 과제의 개요 ... 24
• 제2장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 25
• 제1절 최종 목표 및 수행 내용 평가 방법 ... 25
• 제2절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 28
• 제3절 수행 결과의 보안등급 ... 41
• 제4절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 41
• 제3장 연구개발 결과 ... 42
• 제1절 연구개발 최종 결과 ... 42
• 제2절 연구개발 추진 체계 ... 64
• 제3절 고용 창출 효과 ... 65
• 제4절 자체보안관리진단표 ... 66
• 제 4 장 사업화 계획 ... 67
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 67
• 제 2 절 사업화 계획 ... 68
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 70
• 부록 2 - 포상 ... 72
• 부록 3 - 개발 상세 내용 ... 74
• 끝페이지 ... 132