1295.49 드론 비상 착륙 우선순위 패턴

1. 패턴의 정의

드론 비상 착륙 우선순위 패턴은 무인 항공기(UAV)에서 발생 가능한 다양한 비상 상황에 대해 심각도에 따른 차별화된 착륙 전략을 ReactiveFallback으로 구현하는 설계 패턴이다. 드론은 지상 로봇과 달리 비행 중 즉시 정지할 수 없으며, 안전한 착륙을 위해 착륙 지점 선정, 하강 경로 계획, 착륙 실행의 단계를 거쳐야 한다. 비상 상황의 종류와 심각도에 따라 이 단계의 실행 방식이 달라진다.

2. 비상 착륙 유형의 분류

3. 기본 구조

ReactiveFallback
├── Sequence [즉시 착륙]
│   ├── IsImmediateLandingRequired
│   └── ExecuteImmediateLanding
├── Sequence [긴급 착륙]
│   ├── IsEmergencyLandingRequired
│   └── ExecuteEmergencyLanding
├── Sequence [예방적 귀환]
│   ├── IsPrecautionaryRTLRequired
│   └── ExecutePrecautionaryRTL
├── Sequence [임무 중단 귀환]
│   ├── IsMissionAbortRequired
│   └── ExecuteMissionAbortRTL
└── ContinueFlightMission

각 착륙 유형이 심각도 순으로 배치되며, 가장 심각한 상황의 착륙 방식이 최고 우선순위를 가진다.

4. 각 착륙 유형의 상세

4.1 즉시 착륙 (Immediate Landing)

모터 장애, 프로펠러 손상, 비행 제어기 부분 장애 등 비행 유지가 불가능하거나 극도로 위험한 상황에서의 착륙이다. 착륙 지점을 선정할 여유가 없으므로, 현재 위치에서 가능한 한 안전하게 수직 하강한다.

function IsImmediateLandingRequired.tick():
    motor_status ← blackboard.get("motor_health")
    flight_controller ← blackboard.get("fc_status")
    structural ← blackboard.get("structural_integrity")
    
    if motor_status == CRITICAL_FAILURE 
       or flight_controller == PARTIAL_FAILURE
       or structural == COMPROMISED:
        return SUCCESS
    return FAILURE

function ExecuteImmediateLanding.tick():
    // 현재 위치에서 최대 안전 하강률로 하강
    setDescentRate(max_safe_descent_rate)
    disableHorizontalMovement()
    
    if isOnGround():
        disarmMotors()
        return SUCCESS
    return RUNNING

4.2 긴급 착륙 (Emergency Landing)

배터리가 위급 수준에 도달하거나 다수의 센서가 동시에 장애 상태인 경우의 착륙이다. 짧은 시간 내에 착륙하여야 하므로, 현재 위치에서 가장 가까운 사전 등록된 안전 착륙 지점(safe landing zone)으로 이동하여 착륙한다.

function IsEmergencyLandingRequired.tick():
    battery ← blackboard.get("battery_level")
    sensor_failures ← blackboard.get("sensor_failure_count")
    
    if battery < CRITICAL_BATTERY_LEVEL or sensor_failures >= 2:
        return SUCCESS
    return FAILURE

function ExecuteEmergencyLanding.tick():
    if not landing_site_selected:
        landing_site ← findNearestSafeLandingZone()
        blackboard.set("emergency_landing_site", landing_site)
        landing_site_selected ← true
    
    site ← blackboard.get("emergency_landing_site")
    navigateToAndLand(site)
    
    if isOnGround():
        disarmMotors()
        return SUCCESS
    return RUNNING

4.3 예방적 귀환 (Precautionary RTL)

배터리 잔량이 귀환에 필요한 최소량에 근접하거나, GPS 정확도가 저하되는 등 현재는 비행이 가능하지만 상황이 악화될 가능성이 있는 경우의 귀환이다. 이륙 지점(launch site)으로 귀환하여 안전하게 착륙한다.

function IsPrecautionaryRTLRequired.tick():
    battery ← blackboard.get("battery_level")
    energy_to_return ← blackboard.get("estimated_return_energy")
    safety_margin ← 1.2  // 20% 안전 마진
    
    gps_quality ← blackboard.get("gps_hdop")
    
    if battery < energy_to_return * safety_margin:
        return SUCCESS
    if gps_quality > MAX_ACCEPTABLE_HDOP:
        return SUCCESS
    return FAILURE

귀환에 필요한 에너지 E_{return}은 이륙 지점까지의 거리 d, 예상 비행 속도 v, 단위 시간당 에너지 소비율 P에 기반하여 E_{return} = P \cdot \frac{d}{v}로 추정한다. 안전 마진 계수 \alpha를 곱하여 E_{threshold} = \alpha \cdot E_{return}을 임계값으로 설정한다.

4.4 임무 중단 귀환 (Mission Abort RTL)

풍속 초과, 통신 품질 저하, 날씨 악화 등 임무 수행이 적절하지 않은 환경 조건에서의 귀환이다. 긴급성은 낮으나 임무를 계속 수행하는 것이 부적절한 경우이다.

function IsMissionAbortRequired.tick():
    wind_speed ← blackboard.get("wind_speed")
    comm_quality ← blackboard.get("communication_rssi")
    
    if wind_speed > MAX_OPERATIONAL_WIND:
        return SUCCESS
    if comm_quality < MIN_OPERATIONAL_RSSI:
        return SUCCESS
    return FAILURE

5. 우선순위 선점 시나리오

시나리오: 임무 수행 중 풍속 초과 → 귀환 중 배터리 위급

Tick t:   모든 조건 정상 → ContinueFlightMission (임무 수행)
Tick t+1: IsMissionAbortRequired = SUCCESS → ExecuteMissionAbortRTL (귀환 시작)
Tick t+2: 귀환 중... → ExecuteMissionAbortRTL (RUNNING)
Tick t+3: IsEmergencyLandingRequired = SUCCESS
          → ExecuteMissionAbortRTL.halt() (귀환 중단)
          → ExecuteEmergencyLanding (긴급 착륙 전환)

귀환 중에 배터리가 위급 수준에 도달하면, 이륙 지점까지의 귀환을 중단하고 최근접 안전 지점으로의 긴급 착륙으로 즉시 전환된다. 이것이 ReactiveFallback의 선점 메커니즘에 의한 동적 착륙 전략 전환이다.

6. XML 정의 예시

<ReactiveFallback>
    <Sequence>
        <IsImmediateLandingRequired />
        <ImmediateLanding descent_rate="2.0" />
    </Sequence>
    <Sequence>
        <IsEmergencyLandingRequired battery_critical="5.0" />
        <EmergencyLanding landing_zones="{safe_zones}" />
    </Sequence>
    <Sequence>
        <IsPrecautionaryRTLRequired safety_margin="1.2" />
        <ReturnToLaunch speed="{rtl_speed}" altitude="{rtl_altitude}" />
    </Sequence>
    <Sequence>
        <IsMissionAbortRequired max_wind="12.0" />
        <ReturnToLaunch speed="{cruise_speed}" altitude="{mission_altitude}" />
    </Sequence>
    <ExecuteFlightMission waypoints="{mission_waypoints}" />
</ReactiveFallback>

7. 설계 시 유의 사항

1. 에너지 예산 관리: 귀환 및 착륙에 필요한 에너지를 실시간으로 추정하고, 충분한 안전 마진을 확보하라. 풍속, 기온, 페이로드에 따라 에너지 소비율이 변동하므로, 보수적인 추정을 적용하라.

2. 안전 착륙 지점 데이터베이스: 비상 착륙용 안전 지점을 사전에 등록하고, 비행 중 현재 위치로부터의 도달 가능성을 지속적으로 갱신하라.

3. Halt 시 호버링 보장: 비행 관련 행동에 Halt가 호출되면, 모터 정지가 아닌 호버링으로 전환하여야 한다. 비행 중 모터 정지는 추락을 의미한다.

4. 착륙 유형 간 전환 안전성: 한 착륙 유형에서 더 심각한 착륙 유형으로 전환될 때, 이전 착륙 계획의 상태가 안전하게 정리되어야 한다.