UWB통신 기반의 실시간 위치 추적 시스템을 이용한 고정밀 드론 경로 제어 설계 및 구현 = High precision drone path control using real time location system based on UWB communication

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 드론(Drone)에 카메라 및 각종 센서를 탑재하고 실시간 위치 추적 시스템(RTLS, Real Time Location System)과 연동하여 드론의 경로를 정밀하게 제어하는 시스템을 설계하고 구현한다.
실시간 위치 추적 시스템(RTLS)에 사용되는 기술은 UWB(Ultra-Wideband communication)통신이다. 초단펄스의 특성을 갖는 UWB통신 시스템을 이용하여 인프라를 구축하고, 거리를 측정하는 기법은IEEE 802.15.4a에서 제안하고 있는 Two-way Ranging을 이용한다. 측정된 거리를 바탕으로 삼각측량법(Trilateration)을 이용하여 추적 대상이 되는 태그(Tag)의 위치 정보. 즉, 3차원의 좌표(x, y, z)를 계산하는 RTLS를 구현할 것이다.
RTLS와 연동되는 드론은 네 개의 프로펠러를 회전하여 발생된 추력을 이용하여 운행하는 쿼드콥터(Quad-Copter)의 형태이다. 쿼드콥터는 자이로센서(Gyro-sensor)와 3축 가속도 센서(3-axis accelerometer)를 이용하여 자세 제어를 구현한다.
본 논문에서 제안하는 최종 시스템은 공유 메모리(Shared Memory)구조를 이용하여 실시간 위치 추적 시스템과 드론을 연동한다. RTLS에서 계산된 위치 정보(x, y, z)를 공유 메모리에 쓰게 되면, 이를 드론 제어 시스템에서 입력 받아 사용자가 입력한 최종목적지와 현재 위치의 오차를 계산하여 경로를 제어하는 시스템이다.

목차 (Table of Contents)

• 차 례 i
• 그 림 목 차 iv
• 표 목 차 vi
• 국문 요지 1
• 제1장 서 론 2
• 제2장 UWB 통신 시스템(Ultra-wideband Communication system) 3
• 2.1 UWB통신 3
• 2.2 UWB통신의 규제 및 요구 조건 6
• 2.3 실시간 위치 추적 시스템(Real Time Location System) 9
• 2.3.1 시스템의 구성 및 종류 9
• 2.4 거리 측정 방식 11
• 2.4.1 802.15.4a Two-way Ranging 11
• 2.4.2 TDOA (Time Difference of Arrival) 13
• 2.4.3 TOA (Time of Arrival) 14
• 2.4.3 RSSI (Received Signal Strength Indicator) 15
• 2.5 위치 계산 알고리즘 15
• 2.5.1 삼각 측량법 (Trilateration) 15
• 2.5.2 Cell-ID 방식 18
• 2.5.3 핑거프린팅(Finger printing) 19
• 제 3장 Drone 제어 이론 20
• 3.1 Drone 시스템 구성 20
• 3.2 드론 비행 원리 21
• 3.2.1 호버링(Hovering) 원리 21
• 3.2.2 Roll, Pitch, Yaw 제어 22
• 3.2.3 Drone 기술 동향 23
• 제4장 UWB통신 기반의 실시간 위치 추적 시스템을 이용한 고정밀 드론 경로 제어 시스템 24
• 4.1 개발 환경 24
• 4.2 Hardware 설계 25
• 4.2.1 UWB 통신 Module 설계 25
• 4.2.2 UWB모듈 제어용 프로세서 설계 28
• 4.2.3 주변 Hardware 장치 29
• 4.3 Software 설계 30
• 4.3.1 Software Layer 30
• 4.3.2 Ranging Method 31
• 4.3.3 Ranging Frame Format 32
• 4.3.4 Ranging Algorithm 33
• 4.3.5. Tag time profile 및 Superframe structure 34
• 4.4 실시간 위치 추적 시스템 Software 설계 36
• 4.5 드론 제어 Software 설계 37
• 4.5.1 드론 제어 AT command 38
• 4.6 Shared Memory Software Layer 39
• 4.7 Navigation 알고리즘 41
• 4.8 시스템 구현 43
• 4.8.1 시스템 Hardware 구성도 43
• 4.8.2 시스템 제어 Software 44
• 4.9 시스템 테스트 45
• 4.9.1 거리 측정 테스트 45
• 4.9.2 위치 측위 테스트 48
• 4.9.3 드론 경로 제어 테스트 49
• 제 5장 요약 및 결론 51
• 참고문헌 52
• Abstract 54
• 감사의 글 56