1294.69 드론의 이륙-비행-착륙 Sequence

1294.69 드론의 이륙-비행-착륙 Sequence

1. 드론 비행 임무의 순차적 구조

무인 항공기(UAV, Unmanned Aerial Vehicle)의 비행 임무는 이륙(takeoff), 비행(flight), 착륙(landing)의 3단계로 구성되는 엄격한 순차적 구조를 가진다. 이 세 단계는 물리적으로 선후 관계가 강제되며, 이전 단계가 완료되지 않으면 다음 단계를 시작할 수 없다. Sequence 노드는 이러한 순차적 의존 관계를 자연스럽게 표현한다(Colledanchise & Ogren, 2018).

2. 기본 이륙-비행-착륙 시퀀스

2.1 최소 구조

<SequenceWithMemory>
    <Action ID="ArmMotors"/>
    <Action ID="Takeoff" altitude="{cruise_altitude}"/>
    <Action ID="FlyMission"/>
    <Action ID="Land"/>
    <Action ID="DisarmMotors"/>
</SequenceWithMemory>

모터 시동(Arm) → 이륙 → 임무 비행 → 착륙 → 모터 정지(Disarm)의 5단계로 구성된다. SequenceWithMemory를 사용하여, 이륙이 완료된 후에는 재이륙을 시도하지 않고 비행 단계부터 이어서 진행한다.

2.2 Tick별 실행 흐름

Tick 1:  ArmMotors→R                  (모터 시동 중)
Tick 2:  ArmMotors→S, Takeoff→R       (이륙 시작)
Tick 3:  Takeoff→R                    (상승 중, 목표 고도 미도달)
Tick 4:  Takeoff→R                    (상승 중)
Tick 5:  Takeoff→S, FlyMission→R      (목표 고도 도달, 임무 시작)
...
Tick N:  FlyMission→S, Land→R         (임무 완료, 착륙 시작)
Tick N+1: Land→R                      (하강 중)
Tick N+2: Land→S, DisarmMotors→R      (접지 완료, 모터 정지 중)
Tick N+3: DisarmMotors→S              → SUCCESS (임무 완료)

3. 사전 점검을 포함한 비행 시퀀스

3.1 비행 전 점검(Pre-flight Check) 시퀀스

<SequenceWithMemory>
    <!-- 1단계: 비행 전 점검 -->
    <Sequence>
        <Condition ID="IsGPSFixValid"/>
        <Condition ID="IsIMUCalibrated"/>
        <Condition ID="IsBatteryAbove80Percent"/>
        <Condition ID="IsRCLinkActive"/>
        <Condition ID="IsGeofenceConfigured"/>
    </Sequence>
    <!-- 2단계: 이륙 -->
    <Action ID="ArmMotors"/>
    <Action ID="Takeoff" altitude="{cruise_altitude}"/>
    <!-- 3단계: 임무 비행 -->
    <SubTree ID="FlightMission"/>
    <!-- 4단계: 착륙 및 종료 -->
    <Action ID="ReturnToLaunch"/>
    <Action ID="Land"/>
    <Action ID="DisarmMotors"/>
</SequenceWithMemory>

비행 전 점검에서 GPS 수신, IMU 교정, 배터리 잔량, RC 링크, 지오펜스 설정을 확인한다. 모든 조건이 충족되어야 이륙이 진행된다. 조건 노드는 즉시 반환하므로 내부 Sequence에 기본 Sequence를 사용한다.

4. 안전 감시를 포함한 비행 시퀀스

4.1 ReactiveSequence를 이용한 비행 중 안전 감시

<ReactiveSequence>
    <!-- 지속 감시 조건 -->
    <Condition ID="IsGeofenceNotViolated"/>
    <Condition ID="IsBatteryAbove20Percent"/>
    <Condition ID="IsRCLinkActive"/>
    <Condition ID="IsIMUHealthy"/>
    <!-- 비행 임무 -->
    <SequenceWithMemory>
        <Action ID="ArmMotors"/>
        <Action ID="Takeoff" altitude="{cruise_altitude}"/>
        <SubTree ID="FlightMission"/>
        <Action ID="ReturnToLaunch"/>
        <Action ID="Land"/>
        <Action ID="DisarmMotors"/>
    </SequenceWithMemory>
</ReactiveSequence>

외부 ReactiveSequence가 매 Tick마다 지오펜스, 배터리, RC 링크, IMU 상태를 검사한다. 비행 중 어느 조건이든 위반되면 내부 SequenceWithMemory 전체가 Halt되어 비행이 즉시 중단된다.

4.2 안전 위반 시 비상 대응 통합

<Fallback>
    <!-- 정상 비행 -->
    <ReactiveSequence>
        <Condition ID="IsGeofenceNotViolated"/>
        <Condition ID="IsBatteryAbove20Percent"/>
        <Condition ID="IsRCLinkActive"/>
        <SequenceWithMemory>
            <Action ID="ArmMotors"/>
            <Action ID="Takeoff" altitude="{cruise_altitude}"/>
            <SubTree ID="FlightMission"/>
            <Action ID="ReturnToLaunch"/>
            <Action ID="Land"/>
            <Action ID="DisarmMotors"/>
        </SequenceWithMemory>
    </ReactiveSequence>
    <!-- 비상 대응 -->
    <Fallback>
        <Sequence>
            <Condition ID="IsBatteryLow"/>
            <Action ID="EmergencyReturnToLaunch"/>
        </Sequence>
        <Sequence>
            <Condition ID="IsRCLinkLost"/>
            <Action ID="LoiterAndWaitForRC"/>
        </Sequence>
        <Action ID="EmergencyLand"/>
    </Fallback>
</Fallback>

배터리 부족 시 긴급 복귀, RC 링크 상실 시 선회 대기, 그 외 비상 상황 시 긴급 착륙을 수행한다.

5. 경유지 기반 비행 임무 시퀀스

5.1 다중 경유지 비행

<SequenceWithMemory>
    <Action ID="ArmMotors"/>
    <Action ID="Takeoff" altitude="50"/>
    <!-- 경유지 순차 방문 -->
    <Action ID="FlyToWaypoint" wp="{waypoint_1}"/>
    <Action ID="FlyToWaypoint" wp="{waypoint_2}"/>
    <Action ID="FlyToWaypoint" wp="{waypoint_3}"/>
    <Action ID="FlyToWaypoint" wp="{waypoint_4}"/>
    <!-- 복귀 및 착륙 -->
    <Action ID="ReturnToLaunch"/>
    <Action ID="Land"/>
    <Action ID="DisarmMotors"/>
</SequenceWithMemory>

5.2 경유지별 임무 수행

<SequenceWithMemory>
    <Action ID="ArmMotors"/>
    <Action ID="Takeoff" altitude="30"/>
    <!-- 경유지 1: 항공 촬영 -->
    <Action ID="FlyToWaypoint" wp="{photo_point_1}"/>
    <Action ID="CaptureImage"/>
    <!-- 경유지 2: 항공 촬영 -->
    <Action ID="FlyToWaypoint" wp="{photo_point_2}"/>
    <Action ID="CaptureImage"/>
    <!-- 경유지 3: 정밀 조사 -->
    <Action ID="FlyToWaypoint" wp="{inspection_point}"/>
    <Action ID="DescendToInspectionAltitude"/>
    <Action ID="PerformDetailedInspection"/>
    <Action ID="AscendToCruiseAltitude"/>
    <!-- 복귀 -->
    <Action ID="ReturnToLaunch"/>
    <Action ID="Land"/>
    <Action ID="DisarmMotors"/>
</SequenceWithMemory>

각 경유지에서 서로 다른 임무(촬영, 정밀 조사 등)를 수행하며, 모든 임무는 이륙과 착륙 사이의 순차적 흐름 내에서 실행된다.

6. 서브트리를 활용한 모듈화

6.1 비행 단계별 서브트리 분해

<SequenceWithMemory>
    <SubTree ID="PreFlightCheck"/>
    <SubTree ID="TakeoffProcedure"/>
    <SubTree ID="FlightMission"/>
    <SubTree ID="LandingProcedure"/>
    <SubTree ID="PostFlightShutdown"/>
</SequenceWithMemory>

각 서브트리의 내부 구조:

<!-- TakeoffProcedure 서브트리 -->
<BehaviorTree ID="TakeoffProcedure">
    <Sequence>
        <Action ID="SetFlightMode" mode="GUIDED"/>
        <Action ID="ArmMotors"/>
        <Action ID="Takeoff" altitude="{cruise_altitude}"/>
        <Action ID="WaitForAltitudeReached"/>
        <Action ID="SetFlightMode" mode="AUTO"/>
    </Sequence>
</BehaviorTree>

<!-- LandingProcedure 서브트리 -->
<BehaviorTree ID="LandingProcedure">
    <Sequence>
        <Action ID="SetFlightMode" mode="GUIDED"/>
        <Action ID="NavigateToLandingZone"/>
        <Action ID="DescendToApproachAltitude"/>
        <Action ID="PrecisionLand"/>
        <Action ID="WaitForTouchdown"/>
    </Sequence>
</BehaviorTree>

7. 이륙 및 착륙 단계의 상세 시퀀스

7.1 이륙 시퀀스의 세부 단계

<Sequence>
    <Action ID="SetHomePosition"/>
    <Action ID="EnablePropellerGuard"/>
    <Action ID="SetFlightMode" mode="GUIDED"/>
    <Action ID="ArmMotors"/>
    <Action ID="ThrottleUp" target_altitude="{cruise_altitude}"/>
    <Condition ID="IsAltitudeReached" tolerance="0.5"/>
    <Action ID="StabilizeHover" duration="3000"/>
</Sequence>

홈 위치 설정 → 프로펠러 가드 활성화 → 비행 모드 설정 → 모터 시동 → 상승 → 고도 확인 → 호버링 안정화의 단계를 거친다.

7.2 착륙 시퀀스의 세부 단계

<Sequence>
    <Action ID="NavigateToLandingZone"/>
    <Action ID="DescendTo" altitude="10"/>
    <Action ID="ActivatePrecisionLanding"/>
    <Action ID="DescendTo" altitude="0.5"/>
    <Action ID="CutThrottle"/>
    <Action ID="DisarmMotors"/>
    <Action ID="LogFlightData"/>
</Sequence>

착륙 구역으로 이동 → 접근 고도까지 하강 → 정밀 착륙 활성화 → 최종 하강 → 스로틀 차단 → 모터 정지 → 비행 데이터 기록의 단계로 착륙을 수행한다.

8. 설계 시 고려 사항

  1. Sequence 변형 선택: 이륙-비행-착륙의 전체 흐름에는 SequenceWithMemory를 사용하고, 비행 중 안전 감시에는 ReactiveSequence를 외부 래퍼로 사용한다. 이 조합이 진행 상황 유지와 안전 감시를 동시에 제공한다.

  2. halt() 구현의 중요성: 비행 중 Halt가 발생하면 드론이 안전한 상태(호버링 또는 착륙)로 전이해야 한다. Halt 시 모터가 즉시 정지되면 추락할 수 있으므로, onHalted() 메서드에서 안전한 비행 모드 전환을 구현해야 한다.

  3. 타임아웃 적용: 이륙, 착륙, 경유지 비행 등 각 단계에 타임아웃을 적용하여 무한 대기를 방지한다. 특히 GPS 수신 대기, 고도 도달 대기에 타임아웃이 필수적이다.

  4. 블랙보드 활용: 순항 고도, 경유지 좌표, 홈 위치 등의 비행 파라미터는 블랙보드를 통해 관리하여, 런타임에 동적으로 변경할 수 있도록 한다(Faconti, 2022).

참고 문헌

  • Colledanchise, M., & Ogren, P. (2018). Behavior Trees in Robotics and AI: An Introduction. CRC Press.
  • Faconti, D. (2022). BehaviorTree.CPP documentation and API reference. https://www.behaviortree.dev/