드론과 UAM 적용
FSS 연구 및 검증사례 2 : Sensor Fail
드론과 UAM 적용
FSS 연구 및 검증사례 2 : Sensor Fail
드론과 UAM의 Sensor Fail
비행 중 센서 정보가 부정확하거나 손실되어 정상적인 비행 제어가
어려워지는 상황
자세, 고도, 위치 인식 오류로 인한 비행 불안정 및 경로 이탈
심각한 경우 비행 제어실패나 추락 위험 발생
1) Flight Controller용 센서 종류
자이로스코프(Gyroscope) : 기체의 회전속도(Roll·Pitch·Yaw) 측정
가속도(Accelerometer) : 선형가속도 및 기울기 측정
자력(Magnetometer) : 기체의 절대방향측정
IMU(Inertial Measurement Unit) : 자이로+가속도+자력 센서
기타 비행제어기 센서
2) Flight Controller용 센서 고장영향
고장 치명도 1단계: 비행 정밀도 저하
- 센서 값의 편차로 인한 자세/고도/위치 추정 오차 증가
- 비행 정밀도 저하 발생
고장 치명도 2단계: 비행 불안정 및 경로 이탈
- 센서 신호의 지속적인 오류나 손실 발생
- 자세 및 고도 유지 불안정해지고 경로 이탈 발생 위험
고장 치명도 3단계: 비행 제어 상실
- 핵심 센서 정보가 심각하게 왜곡되거나 상실
- 급격한 자세 불안정, 제어 불능 및 추락 위험
3) Flight Controller용 센서 고장원인
노이즈에 의한 일시적 센서고장
물리적/환경적 손상에 의한 영구적 센서 고장
과전류 또는 전원공급 차단 등
드론 Flight Controller 구성
4) Flight Controller용 센서 - FSS 적용 효과
효과 1: 신속한 센서 고장 진단/복구
- 센서 고장 진단 후 SW기반 복구신호로 전환
효과 2: 정확한 기체 상태 정보 유지
- 제어기에 신뢰성있는 상태정보 제공
효과 3: 안정적인 비행 제어 유지
- 자세, 고도, 위치 제어의 안정성을 유지
- 경로 이탈 및 추락 위험 감소
5) 선행연구
Fail-safe기반 HS(Horizontal Separation)듀얼모터 시스템 개발
(한국연구재단(NRF), 2021-2022)
AI 기반 센서 고장 진단 및 복구 기술 개발
Flight Controller용 센서의 고장 상태를 실시간으로 판단하고 정상 신호를 복구하기 위한 AI 기반 Sensor Fail 진단/복구 로직 개발
자이로 센서를 대상으로 일시적인 고장 신호, 신호선 단선에 의한 영구적 고장 신호, 물리적인 센서의 장착면 변화에 따른 센서 고착 고장 신호 등 다양한 Sensor Fail 상황을 인위적으로 주입
고장 발생 시 센서 이상을 진단하고 고장 신호를 격리한 후, 복구를 위한 추정된 정상신호로 전환하여 비행 제어에 필요한 센서 정보의 연속성을 유지하도록 구현
다양한 고장 주입 시험을 통해 Flight Controller용 센서 고장 진단 및 복구 성능을 검증
1) 액추에이터 추진력 제어시스템용 센서 종류
전류(Current) : 모터의 상전류 및 소비전류 측정
위치(Position) : 로터의 회전자 위치, 각도 측정, 속도추정
전압(Voltage) : 공급전압 상태 측정
기타 추진력 측정 센서
2) 액추에이터 추진력 제어시스템용 센서 고장영향
고장 치명도 1단계: 추진 성능 저하
- 전류/위치 센서 등의 측정 오차로 인해 모터 속도/토크 제어 정확도 저하
- 추진력 편차 발생
고장 치명도 2단계: 추진력 불균형 및 비행 불안정
- 모터가 요구 출력을 정상적으로 생성불가
- 모터 간 추진력 불균형과 자세 및고도 불안정 발생
고장 치명도 3단계: 추진 제어 상실 및 추락 위험
- 비행 자세 제어 상실 및 추락 위험
3) 액추에이터 추진력 제어시스템용 센서 고장원인
노이즈에 의한 일시적 센서고장
물리적/환경적 손상에 의한 영구적 센서 고장
과전류 또는 전원공급 차단 등
드론 액추에이터 추진력 제어시스템
4) 액추에이터 추진력 제어시스템 - FSS 적용 효과
효과 1: 신속한 센서 고장 진단/복구
- 센서 고장 진단 후 SW기반 복구신호로 전환
효과 2: 정확한 기체 상태 정보 유지
- 모터제어에 필요한 신뢰성있는 상태정보 제공
효과 3: 추진력 안정성 및 비행 지속성 확보
- 복구된 센서 정보를 기반으로 모터 출력과 추진력 제어를 유지
- 추진력 불균형과 자세 불안정 감소 및 안정적인 비행 지속 지원
5) 선행연구
Fail-safe기반 HS(Horizontal Separation)듀얼모터 시스템 개발
(한국연구재단(NRF), 2021-2022)
FSM 상전류 센서 고장 진단 및 복구 기술 개발
프로펠러 기반 FSM 추진시스템에서 모터의 토크 및 추진력 제어에 핵심적인 상전류(Phase Current) 센서의 고장을 실시간으로
진단하고 복구하는 FSS 기술을 개발
FSM 구동 중 상전류 센서에 일시적/영구적 고장을 주입하고, 고장 발생 시 센서 이상신호를 실시간으로 진단 및 격리한 후 SW 기반 정상추정 신호로 복구하도록 구현
센서 고장이 모터 제어와 추진력에 미치는 영향을 최소화하고 전류 정보의 연속성과 안정적인 FSM 구동을 유지했으며, 다양한 고장 주입 시험을 통해 FSS의 고장 진단 및 복구 성능을 검증
1) 착륙/근접 감지 시스템용 센서 종류
LiDAR : 레이저를 이용해 지면·장애물까지의 거리 정밀 측정
초음파(Ultrasonic): 근거리에서 지면 및 물체와의 거리 측정
레이더(Radar) : 접근 물체 감지 및 착륙 고도 판단
기타 거리감지 센서류
2) 착륙/근접 감지 시스템용 센서 고장영향
고장 치명도 1단계: 거리 측정 정확도 저하
- 센서의 일시적 고장으로 인해 지면 및 주변 장애물과의 거리 측정 오차가
증가하여 착륙 정밀도가 저하
치명도 2단계: 착륙 불안정 및 장애물 접근 위험
- 잘못된 고도 및 근접 상태를 판단하여 급격한 하강, 불안정한 착륙 발생
치명도 3단계: 충돌 및 비행 안전 상실
- 잘못된 경로 비행 중 장애물과 충돌 및 추락 위험
3) 장애물 회피 및 경로 제어 시스템 제어기 고장원인
노이즈에 의한 일시적 센서고장
물리적/환경적 손상에 의한 영구적 센서 고장
과전류 또는 전원공급 차단 등
장애물 회피 및 경로제어 시스템
4) 착륙/근접 감지 시스템 – FSS 적용 효과
효과 1: 신속한 센서 고장 진단/복구
- 센서 고장 진단 후 SW기반 복구신호로 전환
효과 2: 거리 정보 신뢰성확보
- 고장 센서를 격리하고 신뢰성 있는 거리 정상 정보를 유지
효과 3: 안전한 착륙 및 충돌 방지
- 지면 및 장애물과의 안전거리를 유지하여 착륙 불안정 감소
- 충돌 위험을 줄이고 안전한 착륙을 지원
5) 선행연구
촬영용·환경감시용 / 경주용·레저용 / 자동차용 / 건물경비용 드론
(창업진흥원(KISM), 2017-2018)
다중 센서 기반 거리감지 및 센서 Fail-Safe기술 개발
드론의 안전한 착륙과 근접 장애물 감지를 위해 레이저 및 초음파 거리센서를 적용한 다중 센서 기반 감지 시스템을 개발
기체 전방 및 측면에 서로 다른 특성의 거리센서를 배치하여 지면 및 주변 장애물과의 거리 정보를 실시간으로 측정하고, 센서들에 발생한 고장 상태를 진단하고 복구하도록 로직을 구현
고장센서를 신속하게 진단 및 격리하고 SW 기반 복구 신호로 전환하여 거리 정보의 연속성과 신뢰성을 확보하도록 구성
이를 통해 센서 이상 상황에서도 안전거리를 유지하고 착륙 불안정 및 장애물 충돌 위험을 줄일 수 있는 센서 Fail-Safe 기술을 검증
고장에도 멈추지 않는 미래를 만듭니다
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