전방위 고체상태 mmWave 레이더 기반 UAV 전선 충돌 회피 시스템

초록

본 논문은 소형 UAV에 6개의 소형 고체상태 mmWave 레이더를 배치해 구형(Omnidirectional) 감지를 구현하고, 전선 탐지·거리 추정·회피 알고리즘을 개발하였다. 실외 전선 실험에서 10 m까지 탐지, 10 m/s 이상의 비행 속도에서도 안전 회피가 가능함을 입증했으며, 직경 1.2 mm의 얇은 전선도 검출한다.

상세 분석

이 연구는 UAV 전선 충돌 위험을 레이더 전용으로 해결하려는 최초 수준의 시도 중 하나이다. 기존 연구들은 카메라·레이더 복합 센서 혹은 단일 레이더의 제한된 시야각을 사용했으나, 본 시스템은 6개의 Texas Instruments IWR6843 시리즈 모듈을 UAV 프레임 주변에 배치해 360°·180° 구형 커버리지를 제공한다. 전방(+)에는 장거리 60‑64 GHz IWR6843ISK를 사용해 120° 방위·30° 고도 시야를 확보하고, 나머지 5개는 IWR6843A‑OP‑EVM을 이용해 각각 120° 방위·120° 고도 시야를 갖는다. 센서 간 15°의 겹침을 두어 사각지대를 최소화했으며, 전체 무게와 전력 소모는 소형 UAV에 적합하도록 설계되었다.

센서 캘리브레이션 결과, 평균 거리 오차는 약 6 cm(σ≈2.8 cm)로 장애물 회피에 충분히 정확했다. 그러나 실제 FoV 측정에서는 기대값보다 좁은 방위각이 관측되었으며, 이는 코너 리플렉터 사용에 따른 반사 특성 차이일 가능성이 있다. 실제 전선 실험에서는 이러한 차이가 크게 감소함을 확인했다.

전선 탐지 특성 분석에서는 레이더 빔이 전선에 수직에 가까울 때(±30°) 레이더가 반환하는 가장 가까운 점이 전선의 실제 가장 가까운 점과 일치한다는 ‘P_a 현상’을 발견했다. 이 현상을 이용하면 복잡한 신호 처리 없이도 전선과의 최소 거리 정보를 직접 얻을 수 있어 회피 알고리즘을 크게 단순화한다.

회피 알고리즘은 3단계로 구성된다. ① 중속 비행 시 탐지된 전선에 대한 접선 벡터를 계산해 UAV가 전선을 우회하도록 유도하고, ② 고속 비행 시 e‑brake 구역(감속 구역) 안에 전선이 들어오면 속도를 중속 수준으로 감소시켜 접선 회피를 가능하게 한다. ③ 전선이 매우 가까워지면 즉시 후퇴 명령을 내려 충돌을 방지한다. 알고리즘은 UAV 현재 속도와 사용자가 지정한 목표 속도를 모두 고려해 접선 방향을 선택하고, 접선 벡터와 목표 속도를 합산해 최종 출력 속도를 제한한다.

실험에서는 실제 전력선(높이 10 m 이상, 직경 1.2 mm) 주변에서 10 m까지 탐지하고, 10 m/s 이상의 속도에서도 안정적인 회피가 이루어졌다. 또한, 전선이 여러 개 겹쳐 있는 복합 환경에서도 각 레이더가 독립적으로 탐지해 다중 회피 경로를 생성할 수 있었다. 시스템은 GPS RTK를 이용해 지상 진실 데이터를 확보했으며, RTK 없이도 정상 작동한다.

한계점으로는 레이더의 반사 강도가 매우 낮은 절연 코팅 전선이나 비금속 전선에 대한 감도가 떨어질 수 있다는 점, 그리고 비행 중 급격한 자세 변화가 발생하면 P_a 현상이 약해져 거리 추정 오차가 증가할 가능성이 있다. 또한, 현재는 10 Hz 데이터 레이트에 의존하고 있어 고속 비행 시 응답 지연이 발생할 여지가 있다. 향후 연구에서는 고속 데이터 레이트와 다중 반사체 분리 알고리즘을 도입해 복잡한 전선 네트워크에서도 정확도를 높이는 방안을 모색할 수 있다.