4.1 하드웨어 구성

기존 가시권을 위한 드론시스템은 그림2에서 지상관제시스템, RF 지상/에어 유닛, 비행 제어기, 광학/열화상 카메라, 짐벌로 구성된다. 기존 가시권 송전선로 점검드론 시스템 대비, 표1의 필수기능을 위해 하드웨어가 새롭게 추가되어야 한다.

우선 LTE 통신을 위해서는 지상관제시스템과 드론에 LTE 모뎀이 필요하다. 일반적으로 시중에 많이 사용되고 있는 DJI 계열의 제어기 및 Pixhawk 계열의 제어기의 경우 별도 LTE 통신을 위한 모듈을 제공하지 않는다. 따라서 LTE 통신을 위해 일반적으로 PC에 사용할 수 있는 LTE 모뎀을 선정하였다. 일반적으로 LTE에서 할당되는 IP는 내부 IP로 외부에서 접속할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 고정 IP, Virtual Private Network(VPN) 구성 등을 사용할 수 있다. VPN의 경우 속도가 느린 단점 때문에 지상관제시스템 측의 LTE 모뎀을 고정 IP로 할당하고, 여기에 드론이 접속할 수 있도록 서버를 구축하였다. 그리고 드론측에서도 LTE 모뎀을 장착할 수 있고, 또한 소프트웨어를 구축하기 위해 온보드 컴퓨터를 추가하였다.

LTE를 통한 수동비행은 지상관제시스템에 연결된 조종기의 신호를 드론측 온보드 컴퓨터에 전송 후, 온보드 컴퓨터에서 드론제어기를 제어할 수 있도록 통신을 구축하였으며, 지상관제시스템에 조종기를 추가하였다.

충돌방지기능을 위해서는 물체의 거리정보를 획득할 수 있도록 라이다를 장착하였으며, 온보드 컴퓨터에서 라이다 데이터를 획득하여 충돌방지 알고리즘을 동작하도록 구성하였다.

광학 및 열화상 영상을 RF/LTE로 모두 전송하기 위해 광학/열화상을 분배기를 통해 RF 에어유닛과 온보드 컴퓨터로 분배하였다. 온보드 컴퓨터에서는 받은 영상을 UDP 통신을 통해 지상관제시스템으로 전송할 수 있도록 구성하였다.

마지막으로 RF/LTE 통신이 되지 않더라도, 현재 드론의 위치를 파악할 수 있도록 GPS 발신기는 일반 항공기에서 많이 사용하는 ADS-B를 사용하였다.

4.2 소프트웨어 구성

소프트웨어는 그림 3과 같이 크게 비가시권 송전선로 드론점검 기능을 위한 알고리즘 파트와 알고리즘으로부터 산출된 정보로 실질적인 하드웨어를 제어하는 제어 파트로 구성된다. 알고리즘 파트는 특별비행 안전기준에 충족하기 위한 지상관제시스템과 드론과의 LTE 통신 기능, 충돌방지기능, 자동안전장치 등의 기능과, 비가시권 송전선로 드론점검을 위한 회피비행경로 생성 기능 등의 알고리즘으로 구성되며, 상세 설계는 4.3에서 설명한다.

하드웨어 제어 파트는 점검드론에 장착되는 드론제어기, 광학카메라, 열화상카메라, 짐벌, 라이다를 제어하는 모듈로 구성된다. 하드웨어의 경우 제조사가 다양하고, 각 제조사마다 제공하는 소프트웨어 개발 키트(Software Development Kit)가 다르기 때문에, 하드웨어 관련 소프트웨어가 알고리즘 파트에 포함되면, 하드웨어마다 소프트웨어를 변경해야 하는 문제가 발생한다. 따라서 각 하드웨어별로 공통 인터페이스 계층을 통해서 세부 하드웨어를 접근하도록 설계를 하였다. 예를 들어 짐벌의 경우에는 공통적으로 속도제어, 각도제어, 자세값 제공, 모드 변경 등의 기능이 있으며, 이러한 공통 인터페이스를 정의하고, 공통 인터페이스 하부에 세부 하드웨어 소프트웨어를 구현하였다. 이를 통해 새로운 하드웨어가 추가되더라도 알고리즘 파트는 변경없이, 새로운 하드웨어에 대한 세부 소프트웨어만 추가하면 동작하도록 설계하였다.

그림. 3. 소프트웨어 구성

Fig. 3. Software configuration

4.3 세부 기능 상세 설계

4.3.3 충돌 방지 기능

기존 송전선로점검을 위한 드론 비행경로를 살펴보면 최초 고도를 상승한 이후 전진 및 하방비행 위주로 실시한다. 따라서 전방 및 하방까지 광범위하게 장애물을 확인할 수 있도록 시야각이 90도 8채널 라이다를 채택하였다. 충돌 경고 범위 설정 방법은 다양하게 설정할 수 있으며, 본 시스템에서는 그림 4와 같이 단순하게 하방 y미터, 전방 x 미터까지 사각형 범위내에 장애물이 있을 시 충돌 경보를 하도록 하였다. 이러한 충돌 경보를 생성하기 위한 라이다 채널별 기준 값은 수식 (1)과 같다.

(1)

$d_{i}=\begin{cases} x/\cos\theta_{i}&,\:\theta_{i}\le\tan^{-1}(y/x)\\ y/\sin\theta_{i}&,\:\theta_{i}>\tan^{-1}(y/x) \end{cases}$

여기서 $d_{i}$는 채널 i의 충돌 경보 기준 값, $\theta_{i}$는 각 채널별 x축과 이루는 각도, x는 충돌 경고 범위 사각형의 전방거리, y는 충돌 경고 범위 사각형의 하방 거리이다.

만약 드론이 장애물을 탐지하면, 지상관제시스템을 통해 사용자에게 알리고, 복귀 또는 회피비행을 선택할 수 있다.

그림. 4. 라이다 탐지 범위 및 충돌 경고 범위

Fig. 4. Lidar detection range and collission warning range

알고리즘. 1. 회피경로 생성

Alg. 1. Detour path generation

그림. 5. 회피경로 생성 개념도

Fig. 5. Concept of detour path generation

4.3.3.1 회피비행경로 생성

기존 생성된 비행경로에서 최적의 회피비행경로를 생성하기 위해서는 비행경로 구간에서 모든 장애물 정보가 필요하다. 이를 위해서는 사전에 SLAM(Simultaneous Localization and Mapping) 알고리즘^(5-7)을 적용하여 지도를 형성한 후 경로 계획(Path planning) 알고리즘^(8-9)으로 최적의 경로를 계산하여야 한다. 하지만 송전선로는 광범위하게 분포하기 때문에 모든 송전선로에 대해 지도를 형성하는 것은 매우 많은 시간이 소모되며, 또한 주변 환경 변화에 따른 지속적인 지도를 갱신하는 것은 비효율적이다. 따라서 본 시스템에서는 실시간으로 파악된 장애물 정보를 기반으로 최적의 회피비행경로는 아니지만 안전한 회피비행경로를 생성하도록 하였다.

드론의 비행환경은 3차원으로, 모든 방향으로 회피를 할 수 있지만, 드론이 철탑 방향으로 이동할 경우 자기장의 영향에 의해 드론 비행에 문제가 발생할 수 있으며, 철탑 반대 방향으로 이동할 경우 선로와의 거리가 멀어져 점검에 문제가 발생할 수 있어 회피 방향은 고도 및 전방이동 평면으로 제한하였다.

회피비행경로를 생성하는 절차 알고리즘1과 같으며, 개념도는 그림5와 같다. 라이다를 통해 실시간으로 획득한 장애물 정보는 전방에서 하방까지 제한된 장애물 정보만 얻을 수 있으며, 또한 이미 장애물이 탐지된 상태이기 때문에, 충돌범위 내에 장애물이 존재하지 않는 높이까지 고도를 상승하며, 이를 통해 추가적으로 더 많은 장애물 정보를 획득할 수 있다. 이후 전진하면서 지속적으로 충돌 경보 범위내 장애물이 있는지 확인한다. 만약 장애물이 발견된다면, 위의 과정을 반복하며, 장애물이 일정 시간 동안 발견되지 않는다면 고도를 낮춘다. 이때 장애물이 발견된다면 다시 위의 과정을 반복하며, 발견되지 않는다면 원래 비행경로의 고도까지 이동한 후 기존 비행경로로 비행을 실시한다.

4.3.6 시각보조장치

비가시권 영역에서 드론이 정상적으로 비행하는지 시각적으로 확인하기 위해 특별비행 안전기준에서는 시각보조장치를 요구하고 있다. LTE 환경에서 영상을 전송하는 방법으로는 UDP(User Datagram Protocol), RTSP(Real Time Streaming Protocol), RTMP (Real Time Messaging Protocol) 등 다양한 프로토콜을 활용하여 전송할 수 있다. 본 시스템에서는 UDP를 활용하여 구현하였다. 만약 여러곳에서 영상을 안정적으로 보여주고자 한다면 별도의 영상 서버를 구축하고, 드론의 영상을 영상 서버로 전송하여, 다수의 사용자가 영상을 확인할 수 있을 것이다.

그림. 6. 기능통합 알고리즘 순서도

Fig. 6. Functional integration algorithm flowchart

4.4 기능 통합

앞서 설명한 세부 기능 중 통신 이중화, GPS 발신기, 시각보조장치는 독립적으로 동작하지만, 충돌 방지 및 회피, 자동안전장치는 송전선로 점검을 위한 자동비행과 연계되어 있기 때문에, 전체 운용개념과 함께 알고리즘에 대해 설명한다.

그림 6과 같이 우선 송전선로 점검을 위한 비행경로를 지상관제시스템으로부터 업로드를 하고 시작을 하면 드론이 비행경로를 따라 비행하기 시작한다. 이와 동시에 지속적으로 통신상태와 장애물 경고 상태를 점검을 실시한다. 만약 RF와 LTE 통신이 모두 끊어지게 된다면, 홈으로 복귀를 하고 비행이 종료되게 된다. 만약 장애물 경고가 발생한다면, 현재 진행중인 임무을 일시정지 시킨 후에 장애물 회피비행을 실시하고 회피 비행이 끝나면 다시 임무를 일시정시 시킨 이후부터 이어서 진행한다. 만약 지상관제시스템으로부터 수동조종 요청이 온다면 즉시 임무를 정지시키고 수동조종모드로 전환을 실시한다.

5.1 시험용 드론시스템

시험에 사용된 드론의 형상은 그림 7과 같으며, 장거리 비행을 위해 수소연료전지를 탑재하고 있으며, 앞서 설명한 하드웨어 구성에 따라 광학/열화상 카메라, 짐벌, 라이다, 온보드 등을 탑재하고 있다. 시험용 드론의 제원은 표 3와 같다.

그림. 7. 비가시권 송전선로 점검드론

Fig. 7. A beyond visual line of sight drone for inspection of transmission lines

5.2 단위 기능 시험

앞서 4장에서 설명한 기능에 대해 단위 기능 시험을 실시하였으며, 항목은 표 4과 같다.

통신 이중화는 RF 통신과 LTE 통신이 모두 연결된 상태에서 위도, 경도, 고도, 속도, 배터리 등 기본 드론 데이터정보가 RF 통신으로 RF 지상유닛에 수신되는지 확인하고, 동시에 LTE 통신을 통해서 지상관제시스템에 수신되는지 확인하였다. RF 통신은 기본 드론에서 제공되는 것으로 문제 없이 동작하였으며, LTE 통신은 그림 8과 같이 기본 드론 데이터가 모두 수신됨을 확인하였다. 그림 9는 현재 임무비행중인 드론의 지상관제시스템 화면을 나타낸것이며, 철탑 주위에 빨간색 및 노란색 펜스는 자기장 지오펜스이며, 파란점과 노란색선은 웨이포인트 및 비행경로, 빨간색선은 드론의 이동경로를 나타낸다. 그림 9와 같이 비가시권 환경에서 LTE 통신을 통해 임무 업로드, 임무 시작, 속도 조정 등이 가능함을 확인하였다.

LTE 통신을 통한 드론 조종은 비행중인 상태에서 LTE 조종기로 제어권을 가져왔을 때, 일반적인 조종기와 같이 throttle, rudder, aileron, elevator 모든 방향이 정상동작함을 확인하였으며, 또한 RF 조종기로는 조종이 안됨을 확인하였다. 반대로 RF 조종기에서 제어권을 가져왔을때는 LTE 조종기로 조종이 되지 않음을 확인하였다.

충돌방지기능은 실제 송전선로 점검경로에서 기능을 시험하는 것은 위험할 수 있기 때문에, 안전을 위해 사람이 없는 비교적 넓은 공터에서 이륙지점으로부터 약 25m 거리에 약 높이 20m의 나무가 존재하는 곳에 드론이 나무를 통과하도록 비행경로를 설정한 뒤 드론이 회피해서 가는지 시험을 수행하였다. 시험결과는 그림 10과 같으며 장애물을 만났을 때 5m 단위로 2번 고도를 상승한 후, 장애물이 탐지되지 않았을 때 앞으로 전진을 수행하였다. 약 6m 진행하였을 때 장애물이 없어 기존 비행경로로 고도를 낮추다가, 장애물이 탐지되어 약 10m 추가적으로 비행한 후, 기존 비행경로로 복귀하여 비행함을 확인하였다.

GPS 발신기능은 RF와 LTE 통신이 모두 끊어져 있는 상태에서도 GPS 전용 수신기 앱을 이용하여 현재 위치를 수신할 수 있음을 확인하였다.

마지막으로 영상수신은 RF 통신을 통해 기본 드론에서 제공되는 앱에 영상이 수신됨과 동시에 LTE를 통해 지상관제시스템에서 영상이 수신됨을 확인하였다.

그림. 8. 지상관제시스템 제어창

Fig. 8. Control panel of ground control system

그림. 9. 지상관제시스템 드론 비행화면 (a)전체 비행경로 화면, (b) 상세 비행경로.

Fig. 9. Drone flight display of ground control system (a)Whole flight path, (b) detailed flight path

그림. 10. 우회 비행 경로 그래프

Fig. 10. Graph for detour flight path

5.3 특별비행승인

항공안전법⁽²⁾, 동법 시행규칙⁽³⁾, 무인비행장치 특별비행을 위한 안전기준 및 승인절차에 관한 기준⁽⁴⁾, 행정권한의 위임 및 위탁에 관한 규정⁽¹⁰⁾에 따라 항공안전기술원으로부터 서류 심사 및 현장 실사를 받아 승인을 받아야 한다. 대상 서류는 항공안전법 시행규칙 제312조의2 1항에 제시되어 있다. 서류 심사가 통과하면, 항공안전기술원에서 현장 실사를 통해 특별비행 안전기준에 충족하는지 검사한다.

특별비행 승인을 받은 장소는 그림 11과 같이 154kV 대덕-덕진 T/L 5-10호이며, 여기서 5-8호까지는 가시권, 8-10호까지는 비가시권 영역이다. 항공안전기술원의 실사를 통해 통신 이중화, 자동/수동 비행, 충돌방지기능, 자동안전장치, GPS 발신기, 시각보조장치 및 기타 운용에 관한 사항에 대해 각 항목별로 기능이 제대로 동작하는지 점검을 받았으며, 최종적으로 5호에서 10호까지 전체 송전선로 점검비행을 시연하였고, 최종적으로 그림 12과 같이 특별비행승인 허가를 받았다.

그림. 11. 특별비행승인 대상선로

Fig. 11. Transmission Lines for Special flight approval

그림. 12. 무인비행장치 특별비행승인서

Fig. 12. Authorization of UAV Special Flight

5.4 현장 적용

특별비행승인을 득한 후, 해당 송전선로에 대해 개발한 비가시권 드론시스템을 활용하여 점검을 실시하였다. 점검 간 LTE 통신이 원활한 상태에서는 설계한 기능이 정상적으로 동작하였으나, 송전선로가 산악지형에 있는 특성상 LTE 통신이 간헐적으로 끊어져 드론 및 탑재 장비 제어, 데이터 획득이 불가한 경우가 발생하였다. 통신 두절은 드론 비행은 크게 상관이 없으나 점검 시 영상이 수신되지 않고, 탑재 장비가 제어되지 않아 점검에 어려움이 있었다. 통신이 두절된 상황에서 원활히 점검을 수행할 수 있도록 기존에 개발하였던 송전선로 자동촬영 알고리즘을⁽¹¹⁾ 적용하여, 통신이 두절되는 상황에서도 원활하게 점검이 가능하도록 하였다. 하지만 장시간 통신이 않을 경우 홈으로 복귀하는 상황이 발생하였다. 그리고 그림 7에서 보듯이 수소연료전지에 의해 무게중심이 상당히 위쪽에 형성되어 외풍에 드론이 불안정한 경우가 발생하였다. 이러한 일부 문제는 안정적인 운용을 위해 향후 개선할 예정이다.