무인 비행기 ‘드론’을 위한 도시 디자인…도로·공중회랑·통신 인프라 설계

편집자주:: 차원용 아스팩미래기술경영연구소 대표이자 국가과학기술심의회 ICT융합 전문위원은 현재 글로벌 드론 특허 500개를 분석 중에 있다. 그 중 최고의 아이디어 특허로 매우 중요하다고 판단된 특허 ‘John A. Jarrell의 무인기를 위한 도시 디자인 및 도로•공중회랑•통신 인프라 설계’를 IT News를 통해 특별히 공개한다. 
 
John A. Jarrell(Tiburon, CA, US)는 2016년 1월에 ‘무인기를 위한 도시 디자인 및 도로•공중회랑•통신 인프라 설계(UNMANNED AERIAL VEHICLE COMMUNICATION, MONITORING, AND TRAFFIC MANAGEMENT, 20160012730, 14 Jan 2016)’라는 특허를 등록했는데, 이는 2015년 7월에 등록한 특허(9,087,451)를 개량한 것이다. 특히 본 특허는 무인기들이 우리 일상생활에 깊숙하게 들어오는 미래의 시나리오로서, 무인기들을 위한 공중의 공중회랑(Air corridors) 인프라, 무인기들과 통신하는 도로의 가로등 인프라 등을 제공하고 있다. 따라서 미래에는 도시를 새롭게 디자인해야 한다는 인사이트를 주고 있어 매우 중요한 특허이다. 

UNMANNED AERIAL VEHICLE COMMUNICATION, MONITORING, AND TRAFFIC MANAGEMENT(20160012730, 14 Jan 2016, <- 8 Jul 2015, with 29 Claims and 7 Drawing Sheets)

Unmanned aerial vehicle communication, monitoring, and traffic management(9,087,451, 21 Jul 2015)

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Fig.1(20160012730). Image: USPTO

Fig.1은 UAV 비행환경과 UAV와 통신하는 커뮤니케이션 시스템의 하나의 예를 개념적으로 묘사한 환경 100의 그림이다. 환경 100은 미래의 도시 환경으로, 타운이 될 수도 있고, 도시가 될 수도 있으며, 메트로폴리탄 지역이 될 수도 있다. 

101a~101f는 도로의 가로등에 탑재된 커뮤니케이션 스테이션들(communication stations)이다. 가로등뿐만 아니라 커뮤니케이션 스테이션들은 교통신호등(traffic lights), 전봇대(utility poles), 기지국(cell towers), 도로 사인(road signs), 디스플레이 모니터, 빌딩, 광고판/게시판(billboards), 다리(교량) 등에 붙일 수도 있다. 
이러한 가로등에 붙은 커뮤니케이션 스테이션들은 드론 비행이 허가된 일반도로의 양쪽 가장자리 도로 위의 상공(공중회랑)에 나는 UAVs들과 쌍방향으로 통신을 하게 되는데, UAVs들에게 도로의 상태, 도로 주변의 빌딩, 무인기가 날 수 있는 확정된 회랑경로들, 비행하면 안 되는 지역들, 임시로 착륙할 수 있는 지역, 도시 주민들에게 공급하는 각종 택배를 풀고 싸는 패키지 허브 지역(package hub area), 날아야 하는 무인기의 고도 정보, 가로등의 고도 정보, 빌딩의 고도 정보 등 다양한 정보들을 제공하여 공공의 안전과 도시의 안전과 무인기의 신뢰를 개선하자는 것이다. 

Fig.1의 화살표(←→)로 표시된 일반도로의 가장자리 도로가 드론이 나는 도로와 도로 위의 공중회랑 영역으로, 동서로 보면, 화살표들인 162, 158, 161이 드론이 나는 법적으로 허가된 도로이며 도로 위의 영공이다(legal right-of-way in airspace). 따라서 110a~110b는 드론을 위한 도로이다. 남북으로 보면 왼쪽의 교량(129)이 있는 도로의 128a~128b, 오른쪽 도로의 119a~119b가 드론이 나는 법적으로 허가된 도로이다. 따라서 미래에는 신도시를 건설할 때 드론이 날 수 있는 도로 인프라와 공중회랑 인프라를 디자인해야 할 것으로 보인다.

144a는 첫 번째 가로등 어셈블리(lighting assembly)로, 드론이 나는 도로 영공(공중회랑)인 158 방향(→)의 왼쪽에 위해 있다. 145는 가로등의 조명(luminaire)이고, 146은 기둥(pole)이며, 101a는 가로등 기둥에 붙여진 커뮤니케이션 스테이션이다. 101a에는 144a와 관련된 정보들, 즉 데이터들이 사전에 프로그램되어 있다. 다시 말하면 빅 데이터들이다. 150은 드론이다

101a의 커뮤니케이션 스테이션은 150의 드론과 100의 환경에서 커뮤니케이션 하는데, UAV가 어디로 날아야 하는지를 알려준다. 방법은 (1) 커뮤니케이션 스테이션이 먼저 첫 번째 메시지를 알리는데, 예를 들면 101a의 신원정보와 144a의 신원정보를 UAV에 전송하는 것이다. (2) 그러면 UAV가 메시지를 받고, 두 번째 메시지를 101a에 보내는데, UAV의 신원정보를 보내는 것이다. (3) 그러면 101a는 세 번째 메시지를 UAV로 보내는데, UAV가 날아야 하는 고도(altitude) 정보를 알리는 것이다. 이러한 방식으로 150의 UAV가 158의 방향으로 날 때 가장 가까운 101a와 통신하고, 그 다음 101b와 통신하게 되는데, 휴대폰 등 사용자가 통화를 하면서 하나의 기지국에서 다른 기지국으로 이동할 때 통화가 끊기지 않고 계속되도록 해주는 기능(handoff)과 같이, 이때도 101a와 101b사이에서 통신이 끊기지 않는 기능이 제공되는 것이다.

101a의 커뮤니케이션 스테이션에는 하나 이상의 센서들이 탑재되어 있어, UAV가 어느 고도로 날아야 하는지를 결정하고 알려준다. 고도뿐만 아니라 고도의 범위(altitude range)와 법적으로 허가된 도로 위의 공중회랑(Air corridor)의 정보도 알려주어 장애물들을 피할 수 있게 해준다. 예를 들어, 138의 오피스 빌딩, 136의 소매점(retail store), 140과 143의 나무들, 드론이 나는 영공에 튀어 나온 144의 나뭇가지들, 142의 광고 게시판(billboard), 129의 교량(bridge), 전봇대, 전선, 교통신호등, 건설장비, 산과 언덕, 기타 등 UAV가 나는 방향의 각종 장애물들의 고도-위도-경도 정보를 주어 장애물과의 충돌을 피하게 하는 것이다.

156의 착륙 지역(Landing area)은 UAV가 비행계획에 없는, 비상이 발생했을 때 비상착륙 할 수 있는 장소이고, 157의 패키지 허브 지역(Package hub area)은 도시 주민들에게 보내는 각종 물품을 풀고 싸는 지역으로 UAV가 배송을 담당하는 지역이며, 159의 비행 금지구역(No-fly zone)은 도시의 공항, 백악관이나 펜타곤, 군사지역, 학교, 경기장, 병원, 역사적 보물이 있는 곳이다. 이러한 지역들은 영구적으로 금지하거나 낮의 시간에 따라 금지할 수가 있을 것이다.   

148은 제어 센터(Control center)로 UAV를 제어하는 곳인데, 정해진 소음을 넘기면 소음 딱지(noise ticket), 벌금, 이산화탄소 방출 딱지 등 위반하는 UAV의 운영자 혹은 소유자에게 101a의 커뮤니케이션 스테이션을 통해 통지하게 된다.

법적으로 허가된 도로 위의 공중회랑들(Air corridors)은 몇 개의 층으로 나뉘어져 있는데, 제일 위의 층은 400피트(122미터)의 고도로 나는 공중회랑이고, 가장 낮은 층은 100피트(30미터)의 고도로 나는 공중회랑이다. 이러한 정보들은 커뮤니케이션 스테이션에서 UAV로 보내진다. 

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Fig.2는 이러한 공중회랑들을 묘사한 것이다. 110a와 110b가 도로의 양쪽 가장자리에 있는 드론 전용도로이고 110a의 전용도로 위에는 드론이 날수 있는 몇 개의 층으로 이루어진 공중회랑들이 있다. 152와 154는 수직을 보여주는 것이고, 110a의 전용도로의 가장자리인 108a~104a가 드론이 날 수 있는 영역이다. 첫 번째 공중회랑인 170은 100피트(30미터)~ 175피트(53.35미터)로 날수 있는 회랑이고, 그 다음 층은 175피트(53.35미터)~ 250피트(76.2미터), 그 다음 층은 250피트(76.2미터)~325피트(99미터), 맨 위층인 176은 325피트(99미터)~400피트(122미터) 회랑이다.

Fig.3A~3C는 가로등에 붙여진 커뮤니케이션 스테이션의 스타일이다. 202는 커뮤니케이션 스테이션, 203a~203c는 기둥, 216b~216c는 조명등이다. Fig.3A의 204는 UAV로 206의 무선 링크를 통해 커뮤니케이션 스테이션과 통신하게 된다. Fig.3B의 무인기(204)와 커뮤니케이션 스테이션(202)은 무선 링크인 208를 통해 GPS 인공위성과 통신하게 된다. Fig.3C는 무선 링크인 212와 클라우드 네트워크인 214를 통해 통신하는 경우이다.

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Fig.4(20160012730). Image: USPTO
Fig.4는 UAV(221)가 222의 커뮤니케이션 스테이션으로부터 무선충전을 받으라는 신호를 수신하는 것을 개념화한 그림이다. UAV(221)가 커뮤니케이션 스테이션(222)에 가까이 다가오거나 공중에 가까이 떠 있을(hovering) 때, 커뮤니케이션 스테이션의 무선충전장치인 223이 224의 충전 신호(charging signal)를 보내면, UAV의 226의 충전 모듈(charging module)이 받아, 228의 하나 이상의 배터리들을 무선으로 충전하는 것이다. 따라서 UAV는 충전하기 위해 베이스로 돌아갈 필요가 없고 계속 도시를 비행할 수 있다. 점선의 227은 222를 이곳에 설치할 수도 있다는 것을 보여주는 것이다. 

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Fig.8(20160012730). Image: USPTO

Fig.8은 어느 도시의 주민들이 사는 지역으로 창고(Warehouse, 428)를 통해 물품을 배달할 때 커뮤니케이션 스테이션을 이용하여 UAV의 경로를 결정하는 환경 400을 보여주는 그림이다. 북과 남쪽으로 UAV가 날 수 있는 법적으로 허가된 도로 위의 공중회랑들은 402~412이고, 동서로는 414~426이다. 창고 428은 402와 414가 만나는 교차로 근처에 있다. UAV는 창고를 출발하여 오른쪽 하단 코너인 주민 지역(residence area, 454~476))으로 물품을 배달해야 한다.

커뮤니케이션 스테이션은 430(A)에서 452(L)까지 12개로 그리드(Grid)로 구성되어 있다. 478과 482는 비행경로(flight route)이다. UAV는 478 경로로 428의 창고를 출발하여 주민지역으로 배달할 수 있다. 이때 UAV는 동쪽으로 날다가 404와 414와의 교차로에서, 남쪽 방향으로 방향을 틀어 404의 경로로 날다가 424와 만나는 곳에서 다시 동쪽으로 비행하는 것이다. 이처럼 12개의 커뮤니케이션 스테이션들이 통신하여 최적의 시간과 최적의 비용인 최적의 비행경로를 결정하여 UAV에 알려주는 것이다.  

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Fig.5(20160012730). Image: USPTO
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Fig.9(20160012730). Image: USPTO

Fig.5는 커뮤니케이션 스테이션을 구성하는 블록 다이아그램이고, Fig.9는 UAV를 구성하는 블록 그림이다.

 

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