오픈소스 비행제어장치를 이용한 무인비행장치의 Failsafe 방식 연구

Abstract

무인비행장치는 4차 산업혁명 이후 무인비행장치 기술 발전에 따라 건설, 물류 배송, 재난 구조, 응급, 촬영, 농업, 레저, 기상 측정 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 다양한 분야에서 무인비행장치의 사용량이 늘어남에 따라 사고 발생률도 같이 높아지고 있다.

대중적인 무인비행장치는 유인기와 다르게 직접 사람이 개입하여 제어할 수 없는 만큼 위험 상황에 대처할 수 있도록 무인비행장치의 다양한 Failsafe 방법에 대한 연구를 진행할 필요성이 있다.

본 연구에서는 무인비행장치의 사고 발생률을 줄이기 위해서 무인비행장치 운용 도중 발생할 수 있는 무선 통신(조종 신호, 지상제어장치), GPS Fail 상황을 모사하고 오픈소스 비행제어장치에 구현되어 있는 Failsafe 기능을 검증한 뒤 제안하는 UFM(UAV Failsafe Module)를 적용하여 무인비행장치의 무선 통신(조종 신호, 지상제어장치), GPS Failsafe 고도화 방법 연구를 진행하였다.

Failsafe 기능에 UFM을 적용하기 전과 후 실험 결과 모사된 Fail에 대한 극복이 가능해졌으며, 첫 번째 RC Failsafe는 각 12회 실험을 진행하였고 Failsafe 복구율은 83%에서 91%로 8% 증가하였다. 두 번째 GCS Failsafe는 각 12회 실험을 진행하였고 Failsafe 복구율은 75%에서 91%로 16% 증가하였다. 세 번째 GPS Failsafe는 각 3회 실험을 진행하였고 Failsafe 복구율은 66%에서 100%로 34% 증가하였다 평균적으로 UAV Failsafe Module을 3가지 Failsafe 방식에 추가로 적용하였을 때 Failsafe 복구율은 74%에서 94%로 평균 20% Failsafe 복구율 증가 효과가 있었다.

본 연구에서 제안하는 UAV Failsafe Module 개념은 무인비행장치에 구현되어 있는 Failsafe 기능에 더하여 적용될 수 있는 고도화된 Failsafe 방법으로 메인 회로와 독립된 회로를 가지고 Failsafe 기능 시에만 동작하여 무인비행장치 사고를 예방할 수 있는 효과적인 방법이다.

무인비행장치, 무선 통신으로 제어되는 플랫폼에서 예상되는 Fail 상황이 있을 때 본 연구에서 제안하는 UAV Failsafe Module을 도입한다면 다양한 무인비행장치, 무선 통신 플랫폼 사고를 예방할 수 있을 것으로 기대된다.| After the Fourth Industrial Revolution, unmanned aerial vehicles (UAVs) have been widely used in various fields such as construction, logistics delivery, disaster rescue, emergency response, filming, agriculture, leisure, and weather measurement. As the usage of UAVs increases in these diverse fields, the accident rate is also rising.

Unlike manned aircraft, popular UAVs do not have direct human intervention for control, making it necessary to conduct research on various failsafe methods to handle risky situations effectively.

In this study, in order to reduce the accident rate of UAVs, we simulated wireless communication failures (control signals, ground control stations) and GPS failures that could occur during UAV operation. We verified the failsafe features implemented in an open-source flight control system and then applied the proposed UAV Failsafe Module (UFM) to investigate enhanced failsafe methods for wireless communication (control signals, ground control stations) and GPS.

The experimental results before and after applying the UFM to the failsafe features showed the ability to overcome simulated failures. For the first RC failsafe, we conducted 12 experiments, and the failsafe recovery rate increased by 8%, from 83% to 91%. For the second GCS failsafe, we conducted 12 experiments, and the failsafe recovery rate increased by 16%, from 75% to 91%. For the third GPS failsafe, we conducted 3 experiments, and the failsafe recovery rate increased by 34%, from 66% to 100%. On average, when the UAV Failsafe Module was additionally applied to the three failsafe methods, the failsafe recovery rate increased by an average of 20%, from 74% to 94%.

The concept of the proposed UAV Failsafe Module is an advanced failsafe method that can be applied in addition to the failsafe features already implemented in UAVs. It operates only during failsafe situations, with separate circuits from the main circuit, effectively preventing accidents of UAVs.

By introducing the UAV Failsafe Module proposed in this study when potential failure situations are expected in UAVs and wireless communication-controlled platforms, it is expected to prevent various accidents in UAVs and wireless communication platforms.