다기종 무인기용 표준 소프트웨어를 이용한 시리얼통신처리장치

다기종 무인기용 표준 소프트웨어를 이용한 시리얼통신처리장치{Device for Processing a Serial Communication using UAV Flight Software}

본 발명은 다기종 무인기용 표준 소프트웨어를 이용한 시리얼통신처리장치에 관한 것으로, 특히 비행제어컴퓨터에 항법센서(NSU), 데이터링크(ADTC), 임무제어센서(EO/IR)를 연결구성하여 다기종 무인기와 인터페이스 되는 시리얼통신을 수행하게 하므로써, 다기종 무인기의 시스템안정성을 극대화시키는 다기종 무인기용 표준 소프트웨어를 이용한 시리얼통신처리장치에 관한 것이다.

일반적으로 무인항공기는 무인항공기가 가지는 다양한 장점으로 인하여 군수용 무인기 시장이 급성장 추세에 있고, 민수용으로까지 시장이 확대되고 있다. 전 세계 39개국 이상에서 400종 이상의 무인기가 개발완료 되었거나 현재 개발 중에 있다. 그리고 상기와 같은 무인기 시스템은 특성상 IT기술이 주요기반을 이루고 있고, 특히 탑재시스템과 지상시스템 소프트웨어가 매우 중요한 비중을 차지한다. 이에 더하여, 현재 한국내에서는 무인항공기의 개발수요 급증으로 총 개발비의 60% 수준인 SW 개발비용이 중복 투자되고 있고, 이에 전략적인 무인기 핵심 SW 기술을 필요로 하고 있다. 따라서, 상기와 같은 수요에 의해 다양한 기종에 적용 가능한 무인기 공통 탑재 SW의 표준 플랫폼을 위한 다기종 무인기용 표준 소프트웨어의 개발이 현재 활발하게 진행되고 있고, 무인기용 표준 SW 솔루션 및 Test-bed를 개발하여 이를 상용화하여 전략기술국산화 및 경쟁력 확보를 통한 수출 확대를 목표로 하고 있다. 그리고 상기와 같은 다기종 무인기용 표준 소프트웨어는 여러 인터페이스의 데이터 통신을 처리하는데 MIL-STD-1553B, RS-422 등의 시리얼 통신처리 설계가 이루어져 있다.

그러면, 상기와 같은 종래 다기종 무인기용 시리얼통신장치는 도 1에 도시된 바와같이 항공기에 탑재된 모든 장비와 전기적으로 연결되어 상태를 모니터링하고 항공기에 탑재된 탑재장비를 제어하며, 지상으로부터 데이터링크 임무를 수신하여 그 설정된 임무를 조종하는 비행제어 컴퓨터(70)와;

상기 비행제어 컴퓨터(70)와 서브시스템(71a-n)사이에 전기적으로 연결되고 시리얼통신을 통해 이들 사이로 송수신되는 데이터 혹은 제어신호들을 시리얼통신방식으로 처리하는 FIFO버퍼(72)를 포함하여 구성된다.

한편, 상기와 같은 종래 다기종 무인기용 시리얼통신장치의 동작은 먼저 지상에 위치한 원격무선장치(73)로부터 전송된 항공기의 제어명령신호가 수신될 경우 이를 종래 시리얼통신장치(74)의 비행제어 컴퓨터(70)가 무신처리부(도시안됨)를 통해 수신처리하여 분석하고 그 분석된 결과에 따라 서브시스템(71a-n) 예컨대, 센서나 혹은 액츄에이터로 제어명령 혹은 검출데이터 요청신호를 전송하기위해 해당 데이터를 예컨대, MIL-STD-1553B 등의 시리얼통신방식으로 FIFO버퍼(72)로 전송한다. 그러면, 상기 FIFO버퍼(72)는 예컨대, MIL-STD-1553B 등의 시리얼통신방식으로 전송되어 오는 데이터신호를 해당 서브시스템(71a-n)으로 전송 혹은 데이터를 읽어가게 한다. 그리고 상기와 같은 과정후에 각 서브시스템(71a-n)에서 데이터 혹은 제어신호들이 상기 FIFO버퍼(72)로 전송되어 누적될 경우 비행제어 컴퓨터(70)는 다기종 무인기용 표준 소프트웨어를 구동하여 예컨대, MIL-STD-1553B 등의 시리얼통신방식으로 처리하여 데이터를 읽어가므로써, 시리얼통신을 실행한다.

그러나, 상기와 같은 종래 다기종 무인기용 시리얼통신장치는 데이터처리시 예컨대, 대입 연산자로 데이터를 1Byte씩 비교하여 데이터인 경우 복사하고 DLE, ETX이면 그에 맞는 Action을 하도록 설계되어 있기 때문에 데이터처리시간이 매우 길어 그에 따라 데이터의 전송지연이 빈번하게 발생되었으며, 또한, 고장감내(Fault-Tolerance)에 따른 다중화 기술이 제공되는 안정된 설계기술이 필요하나 이에 대한 적절한 수단이 구비되어 있지 않아 데이터에 대한 신뢰성을 확보할 수 없을 뿐만아니라 다기종 무인기의 시스템안정성도 상당히 저하시킨다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기위해 발명된 것으로, 다기종 무인기의 자세 및 속도오차를 시리얼통신을 통해 신속히 보정하여 무인기가 지속적으로 안전 운행할 수 있도록 하는 다기종 무인기용 표준 소프트웨어를 이용한 시리얼통신처리장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 항법센서 데이터 처리시 시리얼 데이터를 한번에 Memory copy 하여 처리하는 방식이기 때문에 데이터 처리시간을 상당히 저감시킬 수 있는 다기종 무인기용 표준 소프트웨어를 이용한 시리얼통신처리장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기위한 본 발명은 항공기에 탑재된 모든 장비와 전기적으로 연결되어 동작상태를 모니터링하고 항공기에 탑재된 조종면 구동기를 포함한 서브시스템을 제어하며, 지상의 원격제어장비로부터 데이터링크 임무를 수신하여 그 설정된 임무를 처리하는 비행제어 컴퓨터와;

상기 비행제어 컴퓨터와 전기적으로 연결되고 GPS/INS/ADM(Air Data Module) 통합 항법모드로 동작되어 INS의 자세오차와 속도오차를 보정하기위한 데이터신호를 생성하여 비행제어컴퓨터로 전송하는 항법장치부와;

상기 비행제어컴퓨터에 탑재되고 데이터링크 메시지 처리 및 탑재통신장비에 대한 인터페이스 기능을 수행하도록 지상명령 처리 / 비행데이터 지상 전송 / 무선통신 장비 상태 , 통신 품질 및 통신두절 모니터링 기능을 수행하는 데이터링크모듈과;

상기 데이터링크모듈, 항법장치부 및 서브시스템간에 데이터 혹은 제어신호들을 시리얼통신으로 인터페이스하는 인터페이스모듈을 포함하는 다기종 무인기용 표준 소프트웨어를 이용한 시리얼통신처리장치를 제공한다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 비행제어컴퓨터에 항법센서(NSU), 데이터링크(ADTC), 임무제어센서(EO/IR)를 연결구성하여 다기종 무인기와 인터페이스 되는 시리얼통신을 수행하게 하므로써, 다기종 무인기의 자세 및 속도오차를 시리얼통신을 통해 신속히 보정하여 무인기가 지속적으로 안전 운행할 수 있게 하므로 그에 따라 다기종 무인기의 시스템안정성을 극대화시키는 효과가 있다.

상기와 같은 본 발명은 항법센서 데이터 처리시 시리얼 데이터를 한번에 Memory copy 하여 처리하는 방식이기 때문에 데이터 처리시간을 상당히 저감시킬 수 있을 뿐만아니라 무인기용 표준 소프트웨어의 시리얼 데이터에 대한 전송지연을 최소화할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 종래 다기종 무인기용 시리얼통신장치의 일례를 설명하는 설명도.
도 2는 본 발명에 따른 다기종 무인기용 표준 소프트웨어를 이용한 시리얼통신처리장치의 일례를 설명하는 설명도.
도 3은 본 발명 장치의 운용체제에 의해 구현되는 다기종 무인기용 시리얼통신을 설명하는 설명도.

이하, 본 발명에 따른 다기종 무인기용 표준 소프트웨어를 이용한 시리얼통신처리장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 본 발명에 따른 다기종 무인기용 표준 소프트웨어를 이용한 시리얼통신처리장치의 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)." 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

실시예

도 2는 본 발명에 따른 다기종 무인기용 표준 소프트웨어를 이용한 시리얼통신처리장치의 일실시예를 개략적으로 설명하는 설명도이고, 도 3은 본 발명 장치의 운용체제에 의해 구현되는 다기종 무인기용 시리얼통신을 설명하는 설명도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 다기종 무인기용 표준 소프트웨어를 이용한 시리얼통신처리장치는,

항공기에 탑재된 모든 장비와 전기적으로 연결되어 동작상태를 모니터링하고 항공기에 탑재된 조종면 구동기(1)를 포함한 서브시스템(2)을 제어하며, 지상의 원격제어장비(3)로부터 데이터링크 임무를 수신하여 그 설정된 임무를 처리하는 비행제어 컴퓨터(4)와;

상기 비행제어 컴퓨터(4)와 전기적으로 연결되고 GPS/INS/ADM(Air Data Module) 통합 항법모드로 동작되어 INS의 자세오차와 속도오차를 보정하기위한 데이터신호를 생성하여 비행제어 컴퓨터(4)로 전송하는 항법장치부(5)와;

상기 비행제어컴퓨터(4)에 탑재되고 데이터링크 메시지 처리 및 탑재통신장비(6)에 대한 인터페이스 기능을 수행하도록 지상명령 처리 / 비행데이터 지상 전송 / 무선통신 장비 상태 , 통신 품질 및 통신두절 모니터링 기능을 수행하는 데이터링크모듈(7)과;

상기 데이터링크모듈(7), 항법장치부(5) 및 서브시스템(2)간에 데이터 혹은 제어신호들을 시리얼통신으로 인터페이스하는 인터페이스모듈(8)을 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 항법장치부(5)는 중소형 무인항공기의 주항법 모드인 GPS/INS/ADM(Air Data Module) 통합 항법모드를 사용한다. 이때, 상기 모드중 GPS와 INS는 상호 보완적 특성을 가지고 있기때문에 두 가지 장치를 결합한 항법장치가 가장 보편적으로 사용되고 있다. 또한 상기 GPS 수신 상태가 좋지 못할 경우 GPS/INS 결합시스템의 위치오차가 증가하기때문에 이러한 위치 오차를 줄이기 위해 속도계를 이용한 속도보정형 시스템의 구성은 필수적이다. 따라서, 상기 항법장치부(5)는 속도계를 이용한 속도보정형 시스템을 구성함으로써 INS의 자세오차와 속도오차를 보정하고 위치 오차를 일정한 범위 내로 줄이게된다. 특히 상기 항법장치부(5)는 비행제어컴퓨터(FLCC) 내에서 Air Data Module을 연결한 RS-422 시리얼통신용 통합타입 AP04 AHRS 모델로서의 기능인 1)PITOT TUBE(속도) 데이터 수신 및 처리, 2)GPS(위치) 데이터 수신 및 처리, 3)COMPASS(방향) 데이터 수신 및 처리, 4)GYROSCOPE(각속도) 데이터 수신 및 처리, 5)ACCELEROMETER 데이터 수신 및 처리, 6)ALTIMETER 데이터 수신 및 처리, 7)HEADING/ROLL/PITCH/YAW(자세) 계산 등을 수행한다.

한편, 상기 데이터링크모듈(7)은 비행제어 컴퓨터(4)와 탑재통신장비(6) 간에 RS-422 시리얼통신으로 인터페이스하도록 설정된다.

더 나아가, 상기 인터페이스모듈(8)은 항법센서(NSU), 데이터링크(ADTC), 임무제어센서(EO/IR)로 구분되어 다기종 무인기와 인터페이스 되는 시리얼통신을 수행한다. 예컨대, 상기 인터페이스모듈(8)은 실시간데이터 처리를 고려한 기능구현시 해당 시스템 인터페이스에 맞는 RS-422통신칩의 FIFO 사이즈를 고려한 예컨대, NXP사의 SC28L201(128 Size)과 인터페이스한다.

여기서, 상기 항법장치부(5)는 자세각, 위치, 속도 및 다른 상태 값들을 시리얼통신을 통하여 출력하게 된다. 이때, 상기 항법장치부(5)에 의해 전송되는 데이터는 센서에서 측정한 비행체의 상태 값과 센서 자체진단을 통하여 전송하는 센서결함보고에 관한 데이터이고, 그 전송하는 데이터 이외에는 데이터들을 전송하는 횟수 또한 다르다. 그리고 상기 통합된 항법장치부(5)는 3가지(100Hz, 10Hz, 0.5Hz)로 데이터를 전송하되, 항공기의 상태 값 전송에는 100Hz, 10Hz가 사용되고, 센서의 결함보고에는 0.5Hz를 사용하게 된다. 여기서, 상기 항법장치부(5)는 데이터 셋업 다기종 무인기 시스템에 맞는 100Hz, 10Hz, SYSTEM 데이터만 처리되도록 실제 데이터측정에 의한 패킷 분석으로 데이터 셋업을 수행할 수 있다. 상기 항법장치부(5)의 셋업 절차로는 1) Unlock EEPROM 메시지 전송, 2)EEPROM Write 메시지 전송, 3) lock EEPROM 메시지 전송, 4) Reboot 와 같이 구할 수 있다.

다음에는 상기와 같은 구성으로 된 본 발명장치의 작용, 효과를 설명한다.

본 발명 장치(10)는 먼저, 다기종 무인기에 구비된 비행제어 컴퓨터(4)가 도 3에 도시된 바와같이 운영체제를 구동한 후 데이터링크모듈(7)을 통해 지상의 원격제어장비(3)로부터 데이터링크 임무를 수신하여 그 설정된 임무를 처리한다. 즉, 상기 비행제어 컴퓨터(4)는 데이터링크모듈(7)을 통해 지상의 원격제어장비(3)로부터 전송된 명령에 따라 항공기에 탑재된 장비(9)와 전기적으로 연결되어 동작상태를 모니터링하고 항공기에 탑재된 조종면 구동기를 포함한 서브시스템(2)을 제어하게된다. 이때, 상기 비행제어 컴퓨터(4)는 데이터링크모듈(7)과 인터페이스모듈(8)을 통해 항법장치부(5)와 데이터를 시리얼방식으로 송수신하게되는대, 이때 상기 항법장치부(5)는 비행제어 컴퓨터(4)의 제어명령신호에 따라 GPS/INS/ADM(Air Data Module) 통합 항법모드로 동작되어 INS의 자세오차와 속도오차를 보정하기위한 데이터신호를 생성하여 비행제어 컴퓨터(4)로 전송한다. 이 과정중에 상기 데이터링크모듈(7)은 비행제어 컴퓨터(4)내에서, 데이터링크 메시지 처리 및 탑재통신장비에 대한 인터페이스 기능을 수행하도록 지상명령 처리 / 비행데이터 지상 전송 / 무선통신 장비 상태 , 통신 품질 및 통신두절 모니터링 기능을 수행하고, 상기 인터페이스모듈(8)은 데이터링크모듈(7), 항법장치부(5) 및 서브시스템(2)간에 데이터 혹은 제어신호들을 시리얼통신으로 인터페이스한다.

여기서, 상기 항법장치부(5)의 시리얼통신과정을 좀 더 구제적으로 살펴보면, 항법장치부(5)의 데이터를 1Byte씩 처리할 경우 대입 연산자로 처리할 데이터를 1Byte씩 비교한 후, 실제 데이터인 경우에는 복사하고, DLE, ETX일 경우에는 그에 맞는 Action을 수행하는데, 이때 상기 1Byte 씩 복사하는 시간이 비행제어 수행시간에 있어서 무시할 만큼 짧지 않기때문에 본 발명의 항법장치부(5)는 데이터 처리시간을 줄이기 위해 데이터를 한번에 Memory copy한 후 데이터를 처리한다. 여기서, 상기 항법장치부(5), 데이터링크모듈(7) 및 인터페이스모듈(8)의 시리얼통신에 대한 데이터처리 스케줄링을 분석해보면, 예컨대, 데이터링크 파티션(CnC)의 시리얼통신의 Baud Rate가 38400bps 이기 때문에 최대 77byte를 수신하게 되지만 NSU와 시리얼 통신을 하는 비행제어 파티션(FC)의 경우 Baud Rate가 115200bps이기 때문에 최대 230byte까지 수신할 수 있다.

그리고 상기 시리얼통신에서 FIFO Buffer에 56byte가 차게 될 경우 비행제어 컴퓨터(4)의 운영체제는 Kernel Ring Buffer로 데이터를 복사하여 인터럽트를 처리한다. 이때 상기 데이터는 FC 파티션 수행시간에 데이터 읽기를 요청하면, 상기 운영체제에서 데이터를 FC로 복사하여 Kernel Ring Buffer에 있는 데이터를 비운다. 그런데, 상기 운영체제에서 FIFO로부터 56byte를 복사하는 인터럽트가 비행제어 파티션 수행시간에 발생하였다고 해서 바로 인터럽트를 처리하게 될 경우 비행제어 파티션 수행시간에 영향을 주게 되므로 상기 운영체제는 인터럽트를 바로 처리하지 않고 각 파티션이 Idle 상태에 돌입하게될경우에만 인터럽트를 처리하게 된다.

더 나아가, 상기 비행제어 컴퓨터(4)의 운영체제는 시리얼통신 FIFO 분석과 같이 SPARE 파티션이 Idle 상태로 돌입하여 FIFO 버퍼를 비우고 난이후 FC 파티션 수행시간이 길어지게될 경우 FIFO Overflow 인터럽트가 발생하여 FC 파티션 수행시간에 영향을 줄 수 있기때문에 FC 파티션이 시작하게 되면 FC 수행시간을 보장하기 위해 FIFO 인터럽트를 Disable 시킨다. 따라서, 상기 비행제어 컴퓨터(4)의 운영체제가 FIFO 인터럽트를 Disable 시킴에 따라 128byte에서 55byte를 제외한 73byte를 수신하기 전까지 FC 파티션 수행을 끝내고 Idle 상태로 돌입하지 못할 경우 FIFO Overflow로 인한 데이터 손실이 발생할 수 있다. 즉, 상기 73byte가 FIFO로 수신되는 시간인 6.3ms이내에 FC는 수행을 종료해야 한다. 그러므로, 이러한 리스크를 해결하기 위해 상기 비행제어 컴퓨터(4)의 운영체제는 RTOS(REAL TIME OS)시리얼통신에서, FC파티션이 시작하여 Kernel Ring Buffer데이터를 읽을 때 FIFO 데이터도 함께 읽으므로써, FIFO가 비워져 FC 파티션에 할당된 시간을 모두 사용하더라도 FIFO Overflow가 발생하지 않는다. 이에 더하여, 상기 비행제어 컴퓨터(4)의 운영체제는 예컨대, CnC 파티션 시간(2ms)의 여유시간이 0.4ms로 시리얼 통신 인터럽트 처리 시 파티션 Deadline Missing 발생할 수 있으므로 시리얼 통신 데이터처리 시 각 파티션 내의 Idle 시간에 처리를 하도록 OS 기능 요구사항을 추가한다.

1 : 조종면 구동기 2 : 서브시스템
3 : 원격제어장비 4 : 비행제어 컴퓨터
5 : 항법장치부 6 : 탑재통신장비
7 : 데이터링크모듈 8 : 인터페이스모듈
9 : 탑재장비 10: 시리얼통신처리장치