KR-20260061769-A - A Robust Flight Control Approach for Drone-Borne SAR Operation

Abstract

합성 개구 레이다(SAR)는 레이다를 활용하여 목표물의 고해상도 이미지를 획득하는 기술로, 날씨나 낮/밤의 영향을 받지 않기 때문에 군사 정찰, 재해 관리, 환경 모니터링, 도시 계획, 농업 등 다양한 분야에서 목표물 감지, 감시 및 지도 작성에 효과적으로 활용될 수 있다. 전통적으로 인공위성 및 고고도 무인기에 레이다를 부착한 SAR 시스템이 운용되어 왔으나, 최근에는 접근성이 높고 운용이 용이한 드론 시스템에 레이다를 장착하여 SAR 시스템을 보다 쉽게 활용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 드론 기반 SAR 시스템은 기존 위성 및 고고도 무인기에 비해 크기가 작고 대류권에서 운용되기 때문에 비행 중 필연적으로 요동이 발생한다. 이는 SAR 운용에 있어 치명적인 문제로, 이미징을 위해 요구되는 이상적인 등속 운동을 정밀하게 수행할 수 없음을 의미하며, 그 결과 고해상도 이미지 처리 성능이 크게 훼손된다. 기존의 연구들은 기체의 요동 정도를 파악하고, 이미지 처리 과정에서 이를 보상하는 방식을 채택해 왔다. 본 발명에서는 요동을 최소화할 수 있는 근본적인 해결책으로 적절한 제어기 설계 방법을 제안하며, 작성자가 알고 있는 한 SAR에 특화된 비행 제어 설계 방식은 이번이 최초로 제안된 것이다. 제안된 방식은 SAR에 필수적인 등속 운동을 야외에서도 정밀하게 수행할 수 있도록 하기 위해 두 가지 요소를 고려하여 설계되었으며, 이를 통합해 SAR에 최적화된 비행 제어 방법을 제시한다. 두 가지 고려요소는 다음과 같다: (1) 진행방향으로는 등속 운동을 유지하고, 그에 수직한 방향으로는 기체가 정해진 선형 경로 위에 정확히 위치할 수 있도록 영점 제어를 수행하는 다변수 제어 방식, (2) 야외 실험 시 발생할 수 있는 바람 등의 외란에 강인한 제어 기법.

Inventors

• 이창현
• 김동형
• 박진우
• 한수희

Assignees

• 포항공과대학교 산학협력단

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241028

Claims (1)

1. 드론 기반 합성 개구 레이다 (SAR) 운용을 위한 강인 비행 제어 기법은 바람 등 외란에도 드론의 이상적인 등속 운동을 구현할 수 있는 제어 기술을 활용한다. SAR 이미징을 위해 드론은 가상의 선을 따라 등속으로 비행하도록 요구된다. 이를 만족하기 위해, 진행 방향으로는 등속을 유지하기 위한 속도 제어를, 진행 방향과 수직한 방향으로는 요동을 최소화하기 위한 정밀 위치 제어를 수행하는 다변수 제어기(multivariable control)를 개발한다. 해당 제어기는 바람 등 외란에 의한 기체의 영향을 감쇠하기 위해 실시간으로 외란을 추정하고 이를 보상하는 알고리즘을 포함한다.

Description

드론 기반 합성 개구 레이다 (SAR) 운용을 위한 강인 비행 제어 기법{A Robust Flight Control Approach for Drone-Borne SAR Operation} 본 발명은 SAR 운용에 특화된 드론 비행 제어 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 SAR는 레이다를 이용하여 목표지점의 고해상도 이미지를 생성하는 기술로서, 본 발명은 레이다를 드론에 장착하여 운용하는 SAR 시스템을 다루며 SAR 운용을 위해 드론의 정밀한 등속 운동이 요구되며, 특히 바람 등의 외란에 취약한 야외 환경에서도 이를 달성하여 고해상도 이미지를 안정적으로 획득하기 위한 강인 제어 방법에 관한 것이다. 드론 기반 SAR 시스템. 일반적으로 SAR 시스템의 고해상도 이미징 능력과 날씨, 낮/밤의 영향을 받지 않는 강인한 특성을 이용하여 목표물 감지, 감시, 그리고 지도 작성 등에 매우 유용하게 사용할 수 있다. 구체적으로 적용 가능한 분야로는 군사 정찰, 재해 관리, 환경 모니터링, 도시 계획, 그리고 농업 등이 있다. 일반적으로 드론 기반 SAR를 통해 정밀한 이미지를 얻기 위한 기술은 드론의 요동을 보상하기 위한 레이다 신호 처리 알고리즘 개발에 집중되어 있다. 즉, 드론이 바람 등 외란에 취약하고, 정밀한 제어가 상대적으로 어렵기 때문에 기체가 SAR에 필수적인 등속 운동을 완벽히 수행하는 것은 불가능하다고 가정하며, 발생한 등속 운동과의 편차를 신호 처리 과정에서 고려하여 문제를 해결하는 기술이 개발되어왔다. 도 1은 제어 방법에 따른 드론 기반 SAR 시스템 비행 경로 예시를 나타낸 도면이고, 도 2는 드론 기반 합성 개구 레이다 운용을 위한 강인 비행 제어 기법 블록 다이어그램이고, 도 3은 강인 비행 제어 기법 블록 다이어그램(도 2)에 표시된 기호 용어표이고, 도 4는 실험용 쿼드로터를 활용한 외란 제거 실험을 나타낸 도면이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예는 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장되게 표현된 부분이 있을 수 있으며, 도면 상에서 동일 부호로 표시된 요소는 동일 요소를 의미한다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예는 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장되게 표현된 부분이 있을 수 있으며, 도면 상에서 동일 부호로 표시된 요소는 동일 요소를 의미한다. 도 1은 제어 방법에 따른 드론 기반 SAR 시스템 비행 경로 예시를 나타낸 도면이고, 도 2는 드론 기반 합성 개구 레이다 운용을 위한 강인 비행 제어 기법 블록 다이어그램이다. 그리고 도 3은 강인 비행 제어 기법 블록 다이어그램 (도 2)에 표시된 기호 용어표이고, 도 4는 실험용 쿼드로터를 활용한 외란 제거 실험을 나타낸 도면이다. 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 드론 기반 합성 개구 레이다 (SAR) 운용을 위한 강인 비행 제어 기법은 위에서 언급한 바와 같이 군사 정찰, 재해 관리, 환경 모니터링, 도시 계획, 농업 등과 같이 목표물 감지, 감시, 지도 작성이 필요한 분야에 활용될 것으로 기대된다. 도 1은 본 발명의 핵심 개념을 설명하는 예시도를 나타낸다. 레이다를 장착한 드론은 계획된 선형 경로를 등속도로 추종하도록 요구되며, 이에 따른 레이다 region of interest (ROI)는 오렌지색 점선으로 표시된다. 하지만 제어 실패 혹은 외란의 영향으로 인해 드론은 계획된 경로를 완벽하게 추종하지 못하며, 파란색 실선처럼 요동이 포함된 경로를 지나게 된다. SAR 이미징에서 요동은 레이더 신호에 오차를 발생시켜 이미지 품질을 저하시킬 수 있다. 이를 해결하기 위해, 일반적으로 드론의 불규칙한 움직임을 감지하고 신호처리 관점에서 이를 보상하는 ‘요동 보상’ 방법이 사용된다. 본 문서에서는 신호처리적 요동 보상에 앞서, 근본적으로 요동 자체를 최소화 할 수 있는 SAR 이미징에 특화된 비행 제어 기법을 제안한다. 도 2는 제안하는 강인 비행 제어기의 블록 다이어그램을 나타내며, 사용된 기호의 명명법은 도 3에 도시되어 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 비행 제어기는 진행 방향과 그에 수직한 방향을 구분하여, 각각 속도 제어와 위치 제어를 수행하는 다변수 제어 방식을 적용한다. 이를 통해, 진행 방향으로는 등속 운동을, 그에 수직한 방향으로는 드론이 정해진 경로 위에 정확히 위치할 수 있도록하는 영점 제어(zero regulation)를 수행한다. 드론의 요동을 최소화하기 위한 또 하나의 중요한 요소는 바람 등의 외란에 의한 영향을 제거하는 것이다. 본 문서에서는 이를 위해 Incremental Nonlinaer Dynamic Inversion (INDI) 알고리즘을 활용하였다. INDI 제어 알고리즘은 센서 기반으로 기체에 가해지는 외란을 실시간으로 추정하고 이를 보상한다. 도 3은 제안된 제어 알고리즘의 외란 제거 성능을 확인하기 위한 자율 이륙 실험 결과를 나타낸다. 서큘레이터를 활용하여 인공적으로 이륙을 방해하는 바람을 쿼드로터에 인가했을 때, 제안된 알고리즘이 얼마나 효과적으로 바람의 영향을 제거하고 안정적으로 이륙할 수 있는지를 확인하였다. 그림에 나타난 바와 같이, 제안된 알고리즘이 비교군에 비해 더 안정적으로 이륙하는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 실제 SAR 드론 운용 시 바람 등에 의한 외란에도 안정적으로 주어진 등속운동을 수행할 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.