드론-지상 하이브리드 로봇 시스템 개발 및 검증

2.1 운용개념 및 요구 성능

예전부터 군 경계 및 감시로봇 운용개념 연구가 되어 왔다. 하지만 지상에서는 고정용 감시‧경계 로봇 운용과 이동형 감시‧경계 로봇 운용 형태로 연구되어 왔으며^[6], 공중에서는 드론을 활용한 단독 운용 형태가 연구되어 왔다.

하이브리드 복합 운용개념은 [Fig. 2]와 같이 드론과 지상로봇 시스템이 융합된 형태의 로봇으로 개별적 임무와 복합 임무 수행을 독립적으로 수행할 수 있다. 드론을 통한 원거리 공중 정찰 임무 수행, 협소하거나 폐쇄적인 지형에서의 감시 정찰 임무 수행을 위해 지상 로봇을 활용하는 시스템이다.

[Fig. 2]

Hybrid Robot Concept

하이브리드 로봇은 위험지역 및 재난 발생지역에서 지상로봇의 저속 단거리 이동 거리에 대한 한계와 감시‧정찰 범위를 확대하는 시스템이다. 드론은 지상로봇이 작전 지형으로 이동을 돕는 한편, 비가시권에서도 원활한 정보 송수신이 가능하도록 지상로봇과 통제시스템 간의 중계기능을 수행할 수 있어 지상로봇의 감시‧정찰 거리를 늘려줄 수 있다.

지상로봇이 이동 중 극복하기 힘든 인공 장애물과 자연 장애물이 발생했을 때, 드론을 이용하여 지상로봇을 도킹하여 다른 목표지점까지 이송할 수 있다. 지상로봇이 임무수행 동안 비가시권에서 통신장애가 발생하는 경우, 통신 중계 장치가 탑재된 드론을 이륙시켜 임무반경 내의 적절한 위치에서 호버링 하면서 지상로봇과 통제시스템 간에 영상 데이터 송수신이 가능토록 한다. 지상로봇은 드론의 이동이 제한된 은폐시설, 붕괴된 건물 및 잔가지가 많은 숲속처럼 접근이 어려운 곳에서도 운용할 수 있도록 상호 협력 임무 수행을 한다.

하이브리드 로봇 시스템은 [Fig. 3]과 같이 운용자의 명령에 따라 이륙하여 임무 지역으로 최단 거리 및 시간으로 이동한다. 임무 지역에 도착하면 지상로봇의 기본 작전 임무 형태로 전환하기 위해 지상 1 m이내로 고도를 낮추어 해당 위치에서 지상로봇 도킹을 해제하여 감시‧정찰 임무 수행을 한다.

[Fig. 3]

Hybrid Robot System Configuration

도킹 해제된 지상로봇은 드론에서 분리된 지점에서 운용자의 제어를 통해 목표물로 이동하여 기본임무를 시작한다. 드론은 임무 계획에서 설정한 고도로 이륙하여 시나리오에 따라 비행경로 또는 자동 비행하면서 기본임무를 시작한다.

드론은 임무 지역에서 지상로봇과 자체 획득한 영상/음성/위치 정보를 지상 통제시스템으로 송신한다. 임무 시나리오에서 설정한 임무는 영상정보를 통해 식별한 정보를 기반으로 자동 혹은 수동 비행하면서 감시‧정찰 임무를 수행한다. 임무 종료 및 복귀 명령을 통해 지상로봇의 복귀 명령이 이루어지면, 지상로봇의 위치 정보를 파악해 드론은 해당 위치로 이동한 후 지상로봇에 근접하여 도킹을 시도한다.

도킹이 완료된 지상 로봇은 지상 통제시스템 인근의 착륙지점으로 이동 후 복귀하는 개념이다. 또한, 통신 두절과 비행불가능 상황을 대비한 자동복귀 기능을 포함하고 있으며, 외부 환경에 노출되기 때문에 내환경성에 대한 설계가 요구된다. [Fig. 4]는 정상임무와 비상임무상황에서의 하이브리드의 운용 모드에 대해 설명하고 있다.

[Fig. 4]

Hybrid Robot Operation Mode

2.2 하이브리드 로봇 시스템 개발

드론 및 지상로봇은 임무 형태와 운용환경을 고려하여 [Table 1], [Table 2]와 같이 요구 성능 기준을 설정하였다. 드론은 이동 및 통신 중계를 위해 50 kph 이상의 속도로 20분 이상 비행이 가능해야 한다. 영상 전송 및 지상로봇을 제어하기위해 통신 중계 거리는 200 m 이상 확보되어야 한다. 드론에는 이륙중량과 운용시간, 비행속도, 통신거리, 도킹장치, 중계기능이 포함되고, 지상로봇이 드론에 탑재가 될 수 있도록 페이로드(payload)는 최대 4 kg 이상 요구된다. 지상로봇은 드론에 탑재될 수 있도록 자체 중량은 2 kg 이하 설정하였고, 200 m에서 운용성이 확보되어야 한다.

[Table 1]

Drone Performance

[Table 2]

UGV Performance

하이브리드 로봇 시스템은 드론 자체중량 5.86 kg으로 무게 중심을 고려하여 설계하였으며, 운행 시간 20분을 고려하여 최소 배터리 개수는 6개로 총 3.9 kg(개당 0.65 kg)으로 설계하였다. 드론은 낮은 무게 중심, 좌우 대칭, 효율적인 전장부품 배치를 통해 무게 중심을 최대한 낮게 설계하여 안정적인 이착륙 및 비행이 가능하도록 하였다. 드론에서 가장 큰 무게를 차지하는 배터리는 상판과 하판 사이에 균일하게 배치함으로서 기체의 무게 중심을 하부쪽 중심으로 설계하였다. 기체 총중량은 9.76 kg, 일렉테크 코리아 M5 KV400 모터와 16인치 플랩을 적용하여 22.2 V, 6Ah 6개로 20분 비행이 가능하다. 기체 하부에 지상로봇 도킹장치를 쉽게 탈‧부착이 가능하도록 클램프 및 홀더를 설계 제작하여 드론 하부에 안정적으로 지상로봇 도킹 장치를 고정이 가능하도록 하였다.

도킹장치는 박스형, 매니퓰레이터형, 락킹형이 설계‧제작되었지만, 자연풍에 의한 도킹의 불안정성과 내구성 문제, 지상로봇의 오인식 등을 고려하여 [Fig. 5]와 같이 락킹형으로 최종 개발하였다. 지상로봇의 도킹부는 Picatinny Rail을 이용하여 장착될 수 있는 구조로 드론에 장착된 동작모터에 의해 도킹부를 락킹하는 구조로 개발하였다. 도킹장치는 근접센서를 이용하여 작동하는 구조로 근접센서는 전원 12 V, 검출거리 8 mm를 작동하도록 제작하였으며, 동작모터 전원 12.1 V, 기어비는 10:1로 지상로봇을 도킹할 수 있다.

[Fig. 5]

Drone and Docking System

드론은 무선모뎀과 지향성 안테나를 이용하여 통신거리를 확보하였으며 항공 드론에 장착된 무선모뎀은 정밀 GPS 보정 신호(RTCM메시지), Mavlink 패킷 신호를 무선으로 수신하고, 카메라 영상은 유선으로 수신할 수 있도록 구성하였다. 수신된 패킷은 지향성 안테나를 통하여 지상 통제센터로 패킷을 전송되도록 하였다. 통신에 사용된 무선 모뎀은 Dual Radio IEEE 802.11a/b/g/n (2T2R 300 Mbps)와 IEEE 802.11ac (3T3R 1.3 Gbps)를 지원하는 EmbedAir1000 모델을 사용하였다.

지상로봇은 중량 1.99 kg, 크기 200 x 280 x 120 mm, 바디소재는 Nylon 12 (3d printing)을 적용하였고, 구동모터는 SunnySky V3506 KV400의 최대 출력 315 W 모터를 선정하였다. 구동을 위한 감속은 풀리비를 이용하였으며 감속비 : 10.2:1 배터리 : 리튬 3.5 Ah, 14.8 V (4cell)로 시스템을 구성하여 구동력을 확보하였다. 지상로봇의 작동모터는 중량을 고려하여 지상로봇 중심에서 좌우로 1개씩 배치함으로써 전장부품과 모터와의 간섭이 발생하지 않도록 구성하였다.

모터 제원은 SunnySky V3506 KV400 브러시리스모터를 적용하였으며 구동 성능 확보를 위해 모터에 이중으로 풀리를 벨트로 체결함으로써 감속비를 최대화하도록 적용하였다. 풀리는 T5 밸트를 이용하여 감속되도록 하였으며 감속비는 10.2:1로 제작하였다.

일반적으로 소형 지상로봇에서 원복기능은 [Fig. 6]과 같이 구동 성능을 이용한 원복 기능을 포함하고 있어야 한다. 원복기능은 중량을 최소화하기 위해서 매니퓰레이터 방식을 채택하였으며, 통신 모듈에 사용되는 안테나를 이용하여 원복기능을 구현 할 수 있다.

[Fig. 6]

UGV drive mechanism and manipulator

지상로봇의 충격 흡수를 위해 허니컴 구조의 Airless wheel 충격흡수용 타이어로 제작하였다^[7]. 타이어를 설계하고 검증을 위하여 시뮬레이션용 프로그램은 DAFUL Ver 6.2를 사용하였다.

시뮬레이션을 위해서 강체모델로 접촉조건은 고무타이어와 바닥 접촉조건 적용하였다. 타이어 변형시 접촉 대상부위 Self Contact 조건을 적용하였고, Frame-Rigid Body로 모든 부품 하나로 결합하여 [Fig. 7]과 같이 모델링을 진행하였다. 타이어 ISO 물성치 영률은 낙하모델 해석조건의 초기속도 4,500 mm/s로 바닥면 방향으로 낙하조건 4바퀴 2바퀴, 1바퀴 접촉조건으로 4타입의 타이어 모델에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 타이어 접촉 하중은 D타입의 접촉은 2바퀴 접촉조건으로 하중은 최대 340N이며 차체에 충격 4개 타입 중 가장 경량화된 타이어임을 확인하였다.

[Fig. 7]

Tire simulation using DAFUL

2.3 하이브리드 로봇 시스템 검증

하이브리드 로봇 시스템의 성능검증은 드론, 지상로봇으로 나누어 검증하였다. 드론은 최대이륙중량, 운용시간, 속도, 통신거리, 도킹 결합성, 착륙정확도 등을 검증하였다. 지상로봇은 운용속도, 중량, 운용시간, 운용범위, 낙하성능을 검증하였고, 내환경성은 운용온도, 방수방진 시험을 수행하였다.

드론의 이륙중량은 드론에 탑재물을 드론에 장착하여 드론을 지상으로부터 15 m 이상 상승 가능 여부를 확인하며 최대 상승 높이는 150 m로 제한하였다. 높이는 내장된 GPS를 통해 측정 및 기록한다. 동일한 기체를 이용하여 총 5회 진행한다. 반복 시험 중 배터리는 완전 충전 상태에서 실험을 진행하였다.

드론의 운용시간은 임무 장비를 장착하지 않은 드론을 지상으로부터 10 m 이상의 일정한 고도에서 비행시킨다. 최대 상승 높이는 150 m로 제한하며 높이는 내장된 GPS를 통해 측정 및 기록하였다. 호버링 가능한 최대 시간을 측정 및 기록하며 동일한 기체를 이용하여 반복 시험 중 배터리는 완전 충전 상태에서 실험을 진행하였다.

통신거리는 드론의 비행제어기와 카메라는 드론에 부착되어 있는 무선 모뎀에 연결하여 지상에 휴대용 통제시스템은 지상에 설치된 무선 모뎀에 연결하였다. 10 km 이격 된 지점에서 드론의 비행제어기 정보와 카메라 영상이 정상적으로 수신여부를 확인하며 LOS (Line of Sight)가 확보된 지역에서 시험을 진행하였다. 드론의 통신 모듈 단독 시험을 진행하고 통신 모듈은 비행제어기, 카메라, 모뎀, 장거리 안테나로 통신 전원을 OFF후 다시 ON하여 진행하였다.

지상로봇이 자동으로 도킹장치와 결합할 수 있도록 알고리즘을 구성하여 전면카메라에 입력된 영상을 이용하여 드론 다리를 검출하여 도킹장치로 자동으로 진입하는 알고리즘을 구성하였다. 변경된 매니퓰레이터형 도킹장치의 동작 구조는 [Fig. 8]과 같이 OPEN/CLOSE 형태의 자동도킹 구조로 목적지에 도착 시 라이더 센서를 활용하여 높이를 인식 후 OPEN 신호를 통해 잠금 해제하여 지상로봇을 임무수행 장소에 낙하시키게 된다. 지상로봇 낙하 후 이동 시에는 CLOSE 신호를 받아 고정하여 비행 하는 구조이다. 지상로봇 시제품의 Picatinny Rail에 연결부까지 장착하여 도킹성능을 테스트 [Fig. 9]와 같이 진행하여 500 mm 거리내에서 2.5초 이내로 도킹이 완료되는 것을 확인하였다.

[Fig. 8]

Docking process

[Fig. 9]

Docking test

도킹장치 결합성 시험은 지상 로봇을 도킹장치의 그리퍼로 고정하고 드론을 10 m 이상의 고도로 이륙시켜 높이는 내장된 GPS를 통해 측정 및 기록으로 동서남북 방향으로 각각 1회씩 드론을 최대속도로 비행시킨다. 도킹장치가 지상로봇을 고정하고 있는지 확인 후 도킹장치 성능시험은 평지 도킹 성능검증은 드론을 평지에 위치시켜 도킹장치의 그리퍼(엔드 이펙터)를 오픈하여 지상로봇이 도킹장치에 진입한다.

진입 이후 도킹장치의 그리퍼를 통해 지상 로봇 고정하여 지상 로봇을 탑재한 드론을 10 m 이상의 고도로 비행시킨다. 낙하시험은 지상으로부터 1 m 이상의 상공에서 드론을 3초 이상 호버링시켜 도킹장치를 자동으로 오픈한 후 낙하된 지상 로봇의 정상 낙하 및 정상 구동 여부를 확인하였다.

자동 착륙 안정성 및 정확도는 평지시험과 경사로 시험으로 나누어 임무 장비를 부착하지 않은 드론을 준비한다. 드론을 평지에 위치시키고, 그 위치를 표시하여 드론을 이륙 및 정상 이륙 여부를 확인한다. 이륙 후 10 m 고도에서 안정적으로 호버링 상태를 확인 후 드론 자동 복귀 기능를 통해 착륙 시킨 후 정상 착륙 여부를 확인한다. 드론의 이륙 위치와 착륙 위치의 거리를 측정하였다. 또한, 탑재중량을 4 kg을 탑재 후 운용이 가능한 것으로 확인되었으며 운용 시간은 [Fig. 10]과 같이 20분을 초과하였다.

[Fig. 10]

Drone flight time

중계기능은 지상로봇과 통제시스템의 WIFI-통신 연결 상태를 확인하며 통제 시스템을 지상 로봇과의 통신 두절 지점까지 이동시킨다. 드론을 호버링 시켜 지상 로봇을 조작 여부를 확인해 중계기능을 확인하였다. 비행속도는 임무장비를 부착하지 않고 이륙시켜 일정 고도에서 드론의 안정화된 상태를 유지시키며 비행시켜 GPS를 이용하여 속도를 측정하였다. 드론의 EMC는 KS W 9001 무인 항공기 시스템 무인동력 비행장치의 설계 6.2 전자파 적합성 시험을 따랐다.

드론 성능시험방법을 적용하여 탑재중량, 운용시간, 통신거리, 도킹시스템, 중계기능, 착륙 위치정확도, 속도에 대하여 시험을 진행한 종합적인 시험 결과는 [Table 3]과 같다.

[Table 3]

Drone test results

통신거리는 드론과의 12.26 km (10 km 이상)이격 된 지점에서 드론의 비행제어기 정보와 카메라 영상이 정상적으로 수신 되는지를 확인하였다. 드론을 실제 비행하지 않은 상태에서 드론의 통신 모듈 단독 시험을 진행하고 통신 모듈은 비행제어기, 카메라, 모뎀, 장거리 안테나로 통신 전원을 OFF후 다시 ON하여 진행한 결과 3회 이상 모두 달성하였다.

중계기능은 [Fig. 11]과 같이 지상로봇과 통제시스템의 WIFI 통신 연결 상태를 확인하며 통제시스템을 지상 로봇과의 통신 두절 지점까지 이동시켜 중계기능을 통해 영상정보가 정상적으로 송수신되는지를 확인한 결과 최대 63분 53초가 가능한 것으로 확인하였다.

[Fig. 11]

Drone test

도킹장치 결합성 시험은 그리퍼를 통해 지상 로봇 고정하여 지상 로봇을 탑재한 드론을 10 m 이상의 고도로 비행을 총 10회중 8회 이상을 성공하였다. 드론의 통신거리는 드론의 비행제어기와 카메라는 드론에 부착된 무선 모뎀에 연결한다. 지상에 휴대용 통제시스템은 지상에 설치된 무선 모뎀에 연결한다. 최대 63분까지 통신거리가 확보되는 것을 확인하였다. 경사로 자동 착륙 안정성 및 정확도는 평지시험과 경사로 시험으로 나누어 임무 장비를 부착하지 않은 드론을 이용하여 측정한 결과 최소 0.117 m 정확도를 갖는 것으로 확인하였다.

드론의 최대속도는 드론을 일정 고도에서 안정화된 상태로 유지시켜 비행하고 GPS를 이용하여 속도를 측정 결과 3회 반복 측정 결과 103.9 kph 속도로 비행이 가능한 것을 확인하였다. 드론의 EMC 시험결과는 [Fig. 12]와 같이 정전기 방전 내성시험과 방사성 방해시험, 방사성 무선주파수 전자기장 내성시험 인가 레벨을 모두 만족하였다. 드론의 배터리 모니터링 결과는 Run Time, Pay load 상태, Way point, High speed 조건일 때를 비교하였으며 19 V 이하로 떨어지는 구간을 확인한 결과 Run Time 조건에서 20분 이상 드론 운용이 가능하고 Payload 상태에서는 14분 이상 운용되었다.

[Fig. 12]

Drone EMC test

지상로봇은 자체 중량과 운용 시간, 최고속도, 통신거리, 낙하시험에 대하여 검증을 진행하여 [Table 4]의 결과를 확인하였다. 지상로봇은 임무장비를 장착하지 않은 자체중량으로 배터리를 장착한 상태에서 중량을 측정한 결과 1.99 kg으로 확인하였다. 지상로봇의 운용시간은 출발 지점에 위치시켜 서라운드뷰 카메라 전체 중 전면 카메라만 동작된 상태에서 평균 주행 속도를 1 kph 이상으로 지상 로봇을 동작시킨 결과 1시간 이상 주행할 수 있음을 확인하였다.

[Table 4]

UGV test results

정격 속도(최대 주행 속도)는 KS B ISO 18646-1 로봇-서비스 로봇의 성능 기준에 따라 정격속도 측정한결과 최대속도는 6.8 kph로 확인하였다.

수직 낙하 높이는 지상로봇의 외관 및 기능을 검사하여 KMC-25RJ (Komelon) 낙하 장비를 활용하여 지상 로봇을 1 m 높이 위에 위치시키고 이를 측정 장비로 측정한 결과 낙하 후 지상 로봇의 외관 파손 여부/동작/기능은 정상 작동하였다.

통신거리는 LOS (Line of sight)가 확보된 공간에서 지상 로봇과 통제기의 거리를 이격시켜 지상 로봇의 기능 검사(전후, 좌우 주행)를 통해 통신거리를 3차례 확인하여 200 m 카메라영상, 차량 상태 및 동작을 확인하였다.

지상로봇의 전자파시험은 정전기 방전 내성시험과 방사성 방해시험, 방사성 무선주파수 전자기장 내성 시험 인가레벨을 모두 만족하였으며 고온(60℃)저온(-20℃)환경에서 모두 기능 및 작동이 이루어짐을 [Fig. 13]과 같이 확인할 수 있었다. 지상로봇 내부로의 이물질 유입여부를 확인하는 방수·방진시험결과 ISO 20653 : Road Vehicle 기준을 충족하는 것으로 확인되었다. 마지막으로 진동시험은 KS C IEC 60068 제2-6부–시험-시험 Fc의 시험방법은 10~55 Hz, 100 m/s²의 Sweep Sine파 진동을 X, Y, Z축 각각 45분씩 시험과 100~2,000 Hz, 100 m/s²의 Sweep Sine파 진동을 X, Y, Z축 각각 1시간 30분씩 시험 후에 모두 정상 작동함을 확인할 수 있었다.

[Fig. 13]

UGV environmental testing