자율비행 드론용 저지연 솔루션

배경

인간과 독립적으로 또는 반독립적으로 작동하는 자율비행 드론은 운영에 필요한 인력이 훨씬 더 적으므로 오늘날 인간이 조종하는 드론으로 실현하기 어려운 광범위한 고난도 작업을 수행할 수 있는 잠재력이 있습니다.
예를 들면, 다수의 자율비행 수색 구조 드론을 삼림지대 위로 띄워 실종 아동을 찾을 수 있습니다. 자율비행 드론으로 교도소 경계를 지속적으로 순찰하면서 탈주를 방지하거나, 원자력 발전소 주변에서 무단 침입 시도를 감지하는 것도 가능합니다. 또는 자율비행 드론을 범죄 현장에 투입하여 현장에서 도주하는 용의자를 수색하고 추적할 수 있습니다. 탑승자가 테러 공격을 계획 중인 것으로 의심되는 차량을 추적할 수도 있습니다. 광활한 아프리카 야생동물 보호 구역을 순찰하면서 밀렵자를 감시할 수도 있습니다. 이 모든 예는 단지 잠재적인 응용 분야의 일부일 따름입니다.
 

ALX Systems는 사법기관, 국경 관리, 밀렵 방지, 송전선 감시, 군사 및 기타 다양한 용도의 자율비행 드론을 취급하는 주요 공급업체입니다. 이 회사는 장애물 회피, 내비게이션, 이미지 처리 기능이 포함되어 자율비행 드론을 프로그래밍하는 데 필요한 시간과 전문 지식을 크게 줄여주는 컴퓨터 비전 툴박스를 제공합니다. ALX는 드론과 클라우드 서버 사이에 보안 연결을 제공함으로써 실시간으로 수집되는 데이터를 클라우드 내에서 강력한 성능으로 처리하도록 지원합니다. 또한 군용 등급의 암호화 기술로 최고 수준의 보안을 제공합니다. ALX의 드론은 독자적으로 또는 다수의 드론 그룹 내에서 운영되도록 설계됩니다.

해결 과제

ALX는 최근 공공 안전 및 군사 용도로 설계된 새로운 드론 플랫폼을 발표했습니다. 이 새로운 플랫폼은 사람이나 물체의 움직임에 거의 순간적으로 반응할 수 있는 획기적인 기능을 제공합니다. 이는 차량 추적과 같은 다양한 용도에서 중요한 기능입니다. 차량이 갑자기 방향을 바꾸는 경우, 이미지를 캡처하고 분석하는 데 필요한 지연으로 인해 드론이 차량의 방향 변경을 인식한 시점에 이미 차량을 훨씬 멀리 지나쳐 날아갈 수 있습니다. 수색 구조 작업에서도 같은 문제가 일어날 수 있습니다. 드론이 수색 중인 아동의 위치를 보여주는 이미지를 캡처한 경우, 이미지를 캡처하고 처리한 다음 다시 아동의 위치로 돌아갔을 때 아동이 이미 자리를 떠났을 수 있습니다.
“자율비행 드론이 이와 같은 임무를 성공적으로 수행하려면 고속 이미지 처리 기능과 더불어 카메라와 CPU 사이에 극히 낮은 지연 시간이 필수입니다”라고 ALX Systems의 CEO Geoffrey Mormal이 말합니다. 지연 시간이란 카메라에서 캡처한 이미지가 호스트 PC에서 처리할 수 있게 될 때까지의 지연을 의미합니다. “ALX의 새로운 드론 플랫폼에 필요한 저지연 시간과 고속 이미지 처리 기능은 얼마 전부터 데스크탑 컴퓨터에서 실현 가능했지만 드론에 탑재할 만큼 작고 가벼우며 견고한 시스템에서는 실현되지 못했습니다”라고 Geoffrey Mormal이 덧붙입니다.

해결책

 “저희가 아는 한, 비행 가능한 솔루션에서 당사의 지연 시간과 대역폭 요구 조건을 충족하는 유일한 프레임 그래버가 Euresys CoaXPress 솔루션입니다”라고 Geoffrey Mormal이 설명합니다. “군사 및 공공 안전용 드론에서 크기, 무게, 진동 조건을 충족하면서 이러한 수준의 성능을 달성한 것은 이번이 최초입니다”라고 Euresys의 CEO Marc Damhaut가 말합니다. 새로운 드론 플랫폼에 사용된 Euresys 솔루션에는 Euresys Coaxlink Duo PCIe/104-MIL 2점 연결 내구성 강화형 CoaXPress 프레임 그래버와 ADL의 ADLQM87PC Intel i7 Core PC/104 폼팩터 임베디드 컴퓨터가 포함됩니다. Euresys 프레임 그래버는 CoaXPress 디지털 비디오 통신 표준을 사용하여 카메라에 연결됩니다. CoaXPress HD 비디오는 압축되지 않으므로 지연 시간 없이 전송이 가능합니다. 이 프레임 그래버는 DMA(Direct Memory Access)를 사용하여 CPU의 개입 없이 이미지를 PC의 메모리로 전송합니다.

CoaXPress 카메라는 연선 케이블에 비해 더 높은 주파수 스펙트럼을 제공하므로 고속 데이터 전송에 최적의 솔루션인 고강도 동축 케이블을 사용합니다. 한편, USB 3.0도 고속 비디오 전송을 지원하지만 이미지가 캡처된 후 처리가 가능해질 때까지 몇 밀리초의 다양한 지연이 생깁니다. USB-C를 통해 이미지를 수신하고 처리한 다음에는 드론이 이미 차를 놓치는 경우가 많습니다. 새로운 ALX 드론 플랫폼에서 Coaxlink Duo는 기존 고속 카메라와 열화상 이미저를 지원합니다. 또한 하나의 동축 케이블을 사용하여 최대 625 MB/s의 속도로 이미지를 전송할 수 있으며, 제어 데이터와 트리거를 동시에 전송하는 한편, 카메라에 최대 13W의 전력을 제공합니다.
프레임 그래버와 CPU 모두 96mm x 90mm PC/104 폼팩터로 제조됩니다. 이 둘은 서로 약 15.4mm의 간격을 두고 적층되며, PCIe/104 적층 커넥터로 연결되고 15.4mm 스탠드오프로 보강됩니다. 이 CoaxLink 프레임 그래버는 MIL-STD 810 규격을 포함한 가혹한 환경에서 신뢰성이 보장되는 내구성 강화형 커넥터를 사용합니다. 전체 Euresys 솔루션은 MIL 표준 810G 충격 및 진동 테스트를 통과했습니다.
ADL의 ADLQM87PC 임베디드 컴퓨터는 Intel® Core™ i7-4700EQ 쿼드 코어 프로세서와 통합형 HD4600 그래픽 엔진으로 구성되어 이미지 처리, 초분광(hyperspectral) 및 다중분광(multispectral) 이미징, SWIR(근적외선) 및 유사한 분야의 고성능 연산 작업에 적합합니다. 또한 Gb/s LAN 포트 2개와 USB 3.0 포트 2개로 GigE 및 USB 3.0 카메라에 대응하는 추가적인 비전 기능을 제공합니다. 데이터 저장과 관련하여 ADLQM87PC는 SATA 포트 4개를 제공하며, 그 중 두 개는 CoaXPress 프레임 속도에 대응하여 RAID 0 모드에서 1000 MB/s 이상의 쓰기 속도를 지원하는 SATA III(6Gb/s) 규격입니다. 디스플레이 출력은 필요에 따라 고해상도 그래픽 출력이 가능하도록 DVI, VGA, HDMI, Displayport를 제공합니다.

결과

“Euresys 솔루션은 ALX Systems에 감시 및 추적과 같은 까다로운 자율비행 드론 적용 분야에 필요한 낮은 지연 시간과 빠른 이미지 처리 속도를 제공합니다”라고 Geoffrey Mormal이 말합니다. “ALX는 ALX 드론 하드웨터 및 이미지 처리 소프트웨어와 Euresys 이미지 캡처 및 분석 솔루션이 자율비행 드론 적용 분야에서 탁월한 기능을 제공함을 입증하는 데모 시스템을 제작했습니다. ALX는 이미 유럽 모 국가의 군대로부터 이 플랫폼을 기반으로 하는 맞춤형 솔루션의 개발 주문을 수주했습니다.”