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KR102166326B1 - 드론의 3차원 경로 설정 시스템 - Google Patents

드론의 3차원 경로 설정 시스템 Download PDF

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KR102166326B1
KR102166326B1 KR1020180167197A KR20180167197A KR102166326B1 KR 102166326 B1 KR102166326 B1 KR 102166326B1 KR 1020180167197 A KR1020180167197 A KR 1020180167197A KR 20180167197 A KR20180167197 A KR 20180167197A KR 102166326 B1 KR102166326 B1 KR 102166326B1
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optical signal
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drone
transmission module
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이동훈
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충북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 장애물이 존재하는 공간 내에서도 드론의 자율비행을 위한 3차원 경로 설정이 가능하여, 드론을 활용한 공간분포 등의 계측 및 정보화 작업을 구현할 수 있는 드론의 3차원 경로 설정 시스템에 관한 것으로서, 3차원의 공간을 구획하는 경계면 상에 배치되며 상기 공간의 내측을 향해 광신호를 발신하는 발신모듈과, 상기 공간 내를 비행할 수 있도록 마련되며 상기 발신모듈로부터 발신되는 광신호를 감지하고 해당 광신호가 발신되는 발신모듈을 목표로 비행 이동하는 비행유닛을 포함하는 드론의 3차원 경로 설정 시스템가 개시된다.

Description

드론의 3차원 경로 설정 시스템 {THREE-DIMENSIONAL ROUTING SYSTEM OF DRONES}
본 발명은 드론의 3차원 경로 설정 시스템에 관한 것으로서, 장애물이 존재하는 공간 내에서도 드론의 자율비행을 위한 3차원 경로 설정이 가능하여, 드론을 활용한 공간분포 등의 계측 및 정보화 작업을 구현할 수 있는 드론의 3차원 경로 설정 시스템에 관한 것이다.
드론과 같은 무인 비행 장치의 경우 비행을 수행하게 되는 비행 환경에 따라 비행성에 많은 영향을 받는다.
특히, 실내나 험지에서 드론의 비행성은 제한된 공간과 각종 장애물로 인해 많은 제약을 받게 되기 때문에, 드론을 활용한 공간계측의 장점이 많음에도 불구하고 자율비행 시스템을 구축함에 있어 큰 어려움이 따르고 있다.
오늘날 드론의 자율비행을 위한 많은 방법이 연구되고 있지만, 대부분이 GPS 및 고가의 센서를 활용하여 드론의 능동 비행을 구현하는 것이며, 이 경우 드론 스스로가 경로 비행과 장애물을 인식하는 회피 비행을 할 수 있다는 장점이 존재하지만, 드론의 초기 생산비용이 무척 높을 뿐 아니라 능동 비행을 위한 각종 부품으로 인한 드론의 비대화라는 단점이 존재한다.
위와 같이 드론이 대형화 및 비대화되면 실내와 같은 협소한 공간 내에서 비행에 더욱 더 많은 제약이 따르게 되며, 공간계측에 필요한 계측장치의 탑재가 어려워진다는 문제점이 존재한다.
아울러, 실내 계측에 활용될 경우 실내의 특성상 GPS 수신의 오차범위로 인해 드론의 정밀 제어가 어렵고, 협소한 공간에서 장애물에 대한 즉각적 반응이 쉽지 않다는 문제점 또한 존재하고 있다.
따라서 실내 및 험지와 같은 공간적 제약이 존재하는 환경 내에서도 드론의 3차원 자율비행이 가능하게 할 뿐만 아니라, 드론이 자율비행을 위한 최소한의 센서만을 포함함으로써 저가의 경량화된 드론을 공간계측 시스템에 활용할 수 있는 새로운 드론의 자율비행 시스템이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 장애물이 존재하는 공간 내에서도 드론의 자율비행을 위한 3차원 경로 설정이 가능하여, 드론을 활용한 공간분포 등의 계측 및 정보화 작업을 구현할 수 있는 드론의 3차원 경로 설정 시스템을 제공함에 있다.
한편, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 전술한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 드론의 3차원 경로 설정 시스템은, 3차원의 공간을 구획하는 경계면 상에 배치되며, 상기 공간의 내측을 향해 광신호를 발신하는 발신모듈; 및 상기 공간 내를 비행할 수 있도록 마련되며, 상기 발신모듈로부터 발신되는 광신호를 감지하고 해당 광신호가 발신되는 발신모듈을 목표로 비행 이동하는 비행유닛을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 발신모듈은, 상기 공간을 구획하는 서로 다른 경계면 각각에 복수 개로 마련되어, 미리 설정된 서로 다른 x, y, z 좌표를 갖도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 발신모듈은, 직진성을 갖는 광신호를 발신하며, 복수 개의 상기 발신모듈로부터 발신되는 상기 광신호의 조합을 통해 x, y, z 좌표 이동이 포함된 비행 경로를 상기 공간 내에 설정할 수 있다.
그리고, 상기 발신모듈은, 설정된 비행 경로에 따라 서로 다른 경계면에 배치된 복수 개의 상기 발신모듈을 순차적으로 온오프함으로써 상기 비행유닛의 비행 이동을 유도할 수 있다.
아울러, 상기 발신모듈은, 비행 중에 있는 상기 비행유닛의 비행 경로를 변경하고자 할 때, 상기 비행유닛이 현재 목표로 하고 있는 어느 하나의 발신모듈의 작동을 중지하고, 변경할 비행 경로 상에 배치된 다른 하나의 발신모듈이 광신호를 발신하게 할 수 있다.
한편, 상기 비행유닛은, 상기 발신모듈로부터 발신되는 광신호를 감지하는 감광센서를 포함하며, 상기 광신호가 감지되지 않을 때는 제자리 비행을 수행하고, 상기 광신호가 감지되었을 때는 상기 광신호를 발신하고 있는 상기 발신모듈을 향해 비행 이동하되, 현재 비행 위치에서 상기 감광센서에 감지되는 상기 광신호의 수신각도에 따라 경로 설정값이 다르게 제어될 수 있다.
또한, 상기 비행유닛은, 상기 감광센서를 통해 복수 개의 광신호가 다각도에서 감지될 경우, 상기 감광센서에 수직으로 감지되는 광신호를 발신하고 있는 발신모듈을 우선 목표로 비행 경로를 설정할 수 있다.
그리고, 상기 비행유닛은, 우선 목표로 설정된 어느 하나의 발신모듈을 향해 비행 이동하고 있는 동안에 상기 어느 하나의 발신모듈로부터 발신되는 광신호가 중단되고 다른 하나의 발신모듈로부터 발신되는 광신호가 감지될 경우, 상기 다른 하나의 발신모듈을 목표로 비행 경로를 수정할 수 있다.
나아가, 상기 공간 내에 상기 비행유닛의 자유경로비행을 방해하는 장애물이 존재할 경우, 상기 발신모듈은, 상기 공간을 구획하는 경계면을 포함하여 상기 장애물 상에도 배치되어, 상기 비행유닛이 상기 공간의 어느 한 지점에서 상기 장애물을 우회하여 상기 공간의 다른 지점으로 비행 이동할 수 있는 비행 경로를 구축할 수 있다.
전술한 구성을 가지는 본 발명에 따른 드론의 3차원 경로 설정 시스템은 장애물이 존재하는 공간 내에서도 드론의 자율비행을 위한 3차원 경로 설정이 가능하여, 드론을 활용한 공간분포 등의 계측 및 정보화 작업을 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 드론의 3차원 경로 설정 시스템의 구성을 나타낸 것이다.
도 2 내지 도 5는 발신모듈을 통한 비행유닛의 비행 경로 설정 과정을 나타낸 것이다.
도 6 내지 도 7은 감광센서에 의한 비행유닛의 목표 결정 과정을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 드론의 3차원 경로 설정 시스템이 장애물이 존재하는 실내 공간에 적용된 일례를 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서 동일한 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
또한 본 실시예를 설명함에 있어서 도면에 도시된 구성은 상세한 설명에 대한 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 이로 인해 권리범위가 제한되지 않음을 명시한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 드론의 3차원 경로 설정 시스템은 발신모듈(100) 및 비행유닛(200)을 포함하여 구성될 수 있다.
발신모듈(100)은 비행유닛(200)의 비행 경로를 유도하기 위한 구성으로, 3차원 공간을 구획하는 경계면 상에 배치되며 상기 공간의 내측을 향해 광신호를 발신하도록 마련될 수 있다.
여기서 3차원 공간이라 함은 건물의 내부와 같은 실내 공간일 수도 있고, 개방된 외부 공간을 가상의 경계면을 이용해 구획한 일정 영역일 수도 있다.
이하 본 실시예를 설명함에 있어서 발신모듈(100)이 배치되는 3차원 공간을 도 1과 같이 직육면체의 형상을 갖는 실내 공간으로 표현하는 것은 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 예시일 뿐 발신모듈(100)이 구성되는 3차원 공간의 형태를 한정하는 것이 아님을 명시한다.
아울러 발신모듈(100)이 구성되는 3차원 공간의 경우 사방이 실체화된 경계면으로 둘러싸인 폐쇄 공간일 수 있으나, 가령 천장이나 벽면이 개방된 실내 공간과 같이 어느 한 측 이상이 개방된 공간일 수도 있는 등 제한 없이 다양할 수 있다.
심지어 3차원 공간이 야외와 같이 개방된 외부 공간일 수 있으며, 이 경우 상기 3차원 공간을 구획하는 경계면을 기초로 발신모듈(100)이 설치될 수 있는 벽, 펜스, 기둥 등이 추가적으로 설치될 수 있다.
본론으로 돌아와, 발신모듈(100)은 위와 같은 3차원 공간을 구획하는 서로 다른 경계면 각각에 복수 개로 구성될 수 있으며, 복수 개의 발신모듈(100)들은 미리 설정된 서로 다른 x, y, z 좌표를 갖도록 배치될 수 있다.
예컨대, 도 1과 같이 실내 공간의 전, 후, 좌, 우측 벽면과 천장, 바닥을 가상의 좌표평면으로 설정하고, 각각의 좌표평면 상에 복수 개의 발신모듈(100)들이 미리 설정된 서로 다른 좌표값을 갖도록 배열될 수 있다.
이에 따라 발신모듈(100)에 의해 비행 경로가 유도되는 비행유닛(200)은 3차원의 공간 상에서 미리 설정된 발신모듈(100)의 좌표계에 따라 정확한 위치를 목표로 설정하여 안정적인 비행을 할 수 있게 된다.
비행유닛(200)은 3차원의 공간 내를 비행할 수 있도록 마련되며, 발신모듈(100)로부터 발신되는 광신호를 감지하고 해당 광신호가 발신되는 발신모듈(100)을 목표로 비행 이동할 수 있다.
이러한 비행유닛(200)은 도면으로 도시되지는 않았으나 공간계측을 수행하기 위한 각종 계측 장비가 탑재될 수 있으며, 발신모듈(100)에 의해 유도되는 비행 경로를 따라 비행 이동을 수행하며 해당 공간의 공간분포 계측 및 각종 정보를 수집하도록 마련될 수 있다.
한편, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 발신모듈(100)은 위와 같은 비행유닛(200)의 비행 경로를 설정 및 유도하기 위해 광신호의 조합을 통해 x, y, z 좌표 이동을 포함한 비행 경로를 비행유닛(200)에게 제공할 수 있다.
이를 위해 발신모듈(100)은 직진성을 갖는 광신호를 공간의 내측을 향해 발신하며, 복수 개의 발신모듈(100)로부터 발신되는 광신호의 조합을 통해 x, y, z 좌표 이동을 포함한 비행 경로를 3차원 공간 내에 설정하게 된다.
그리고 발신모듈(100)은 설정된 비행 경로에 따라 서로 다른 경계면에 배치된 복수 개의 발신모듈(100)을 순차적으로 온오프(on/off)함으로써 비행유닛(200)의 비행 이동을 유도할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2와 같이 비행유닛(200)을 x좌표의 경로 이동에 해당하는 직선의 경로로 유도할 경우, 비행유닛(200)의 전방에 위치한 경계면에 배치된 복수 개의 발신모듈(100a) 중 어느 하나를 작동하여 광신호를 발신하면, 비행유닛(200)은 해당 발신모듈(100a)로부터 발신된 광신호를 따라 전방으로 비행 이동할 수 있다.
이어서 도 3과 같이 해당 목표 지점에 도착한 비행유닛(200)의 비행 경로를 y좌표 경로 이동인 측방으로 전환시킬 경우, 비행유닛(200)의 현재 비행 방향의 측방에 위치한 경계면에 배치된 복수 개의 발신모듈(100b) 중 어느 하나를 작동하여 광신호를 발신함으로써 비행유닛(200)의 비행 경로를 측방의 발신모듈(100b)까지 유도할 수 있게 된다.
이처럼 비행 중에 있는 비행유닛(200)의 비행 경로를 변경하고자 할 때, 발신모듈(100)은 비행유닛(200)이 현재 목표로 하고 있는 어느 하나의 발신모듈(100)의 작동을 중지하고, 변경할 비행 경로 상에 배치된 다른 하나의 발신모듈(100)이 광신호를 발신하게 할 수 있다.
즉, 앞서 언급한 바와 같이 전방 경계면에 위치한 발신모듈(100a)을 목표로 비행하고 있는 비행유닛(200)의 비행 경로를 전환할 경우, 전방 경계면에 위치한 발신모듈(100a)의 작동을 오프(off)하고 변경할 비행 경로인 측방 경계면에 배치된 발신모듈(100b)을 온(on)시킬 수 있다.
그리고 도 4에 도시된 바와 같이 비행유닛(200)의 z좌표 이동에 해당하는 경로 이동인 상승 또는 하강 비행에 있어서는, 공간의 천장이나 바닥을 형성하는 경계면에 배치된 발신모듈(100c)을 통해 비행유닛(200)의 비행 경로를 상승 또는 하강으로 설정할 수 있다.
마찬가지로 도 5에 도시된 바와 같이 x, y, z좌표에 해당하는 비행 경로를 따라 유도된 비행유닛(200)을 다시 x좌표 이동에 해당하는 경로로 직선 비행하게 할 때는, 후방 경계면에 위치한 발신모듈(100d)이 광신호를 발신하게 함으로써 비행유닛(200)이 이를 감지하고 해당 발신모듈(100d)을 목표로 비행 경로를 설정하게끔 할 수 있다.
위와 같은 일련의 과정들을 통해 비행유닛(200)은 공간의 경계면 상에 배치된 복수 개의 발신모듈(100)들을 목표로 경로 비행을 수행할 수 있게 되며, 비행유닛(200)의 비행 경로를 변경하고자 할 때 현재 비행 목표인 발신모듈(100)의 작동을 오프(off)함과 동시에 이후 이동 경로에 배치된 발신모듈(100)의 작동을 온(on)시킴으로써 비행유닛(200)의 자율 비행을 위한 3차원 경로를 구축할 수 있게 된다.
아울러 본 실시예에 따른 비행유닛(200)은 발신모듈(100)에 의해 설정된 비행 경로를 따라 경로 비행을 수행하기 위한 구성으로서 발신모듈(100)로부터 발신되는 광신호를 감지하는 감광센서(미도시)를 포함할 수 있다.
이러한 감광센서를 통해 비행유닛(200)은 발신모듈(100)로부터 발신되는 광신호가 감지되지 않을 때는 제자리 비행을 수행하도록 제어될 수 있으며, 광신호가 감지되었을 때는 상기 광신호를 발신하고 있는 발신모듈(100)을 향해 비행 이동하되, 현재 비행 위치에서 감광센서에 감지되는 광신호의 수신각도에 따라 경로 설정값이 다르게 제어될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 비행유닛(200)은 감광센서를 통해 복수 개의 광신호가 다각도에서 감지될 경우, 상기 감광센서에 수직으로 감지되는 광신호를 발신하고 있는 발신모듈(100)을 우선 목표로 비행 경로를 설정할 수 있다.
즉, 비행유닛(200)은 현재 위치의 x, y, z좌표에 속한 직선 경로에서 광신호를 발신하고 있는 발신모듈(100)을 우선적 경로 설정값으로 처리하여, 3차원 공간 내의 어느 한 지점에서 다른 지점으로 경로 비행 시 최단인 직선 거리로 우선 경로를 설정할 수 있게 된다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 비행유닛(200)은 우선 목표로 설정된 어느 하나의 발신모듈(100)을 향해 비행 이동하고 있는 동안에 상기 어느 하나의 발신모듈(100)의 작동이 오프(off)되어 광신호의 발신이 중단되고, 다른 하나의 발신모듈(100)로부터 발신되는 광신호가 감지될 경우 해당 발신모듈(100)을 목표로 비행 경로를 수정할 수 있다.
특히, 도 7과 같이 비행 경로의 본래 목표와 수정 목표인 발신모듈(100)들이 동일한 경계면에 배치되어 있을 경우, 위와 같은 제어 방법을 통해 천장이나 바닥에 해당되는 경계면에 설치된 발신모듈(100c, 도 4 참조) 없이도 비행유닛(200)의 z좌표(상승 또는 하강)에 해당하는 비행 경로를 유도할 수 있으며, 실내 공간뿐만 아니라 험지와 같이 바닥에 해당하는 경계면에 발신모듈(100)을 설치하기 용이치 않는 외부 공간에서도 상대적으로 설치가 용이한 측면에 해당하는 경계면에 발신모듈(100)을 배치하는 것을 통해 비행유닛(200)의 z좌표 비행 경로를 유도할 수 있게 된다.
이처럼 본 실시예에 따른 드론의 3차원 경로 설정 시스템은 복수 개의 발신모듈(100)의 순차적 온오프(on/off)를 통한 경로 설정뿐만 아니라, 비행 중인 비행유닛(200)의 세부 경로 설정 및 위치 보정 또한 수행할 있다.
나아가, 도 8에 도시된 바와 같이 3차원 공간 내에 비행유닛(200)의 자유경로비행을 방해하는 장애물이 존재할 경우, 발신모듈(100)은 3차원 공간을 구획하는 경계면을 포함하여 상기 장애물 상에도 배치될 수 있다.
이에 따라 비행유닛(200)은 3차원 공간의 어느 한 지점에서 다른 지점으로 이동할 때, 장애물 상에 배치된 발신모듈(100)과 다른 경계면에 배치된 발신모듈(100)들의 순차적 온오프(on/off) 작동에 의해 장애물을 우회하여 목표 지점에 도달할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 일 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.
그러므로 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 발신모듈
200: 비행유닛

Claims (9)

  1. 3차원의 공간을 구획하는 경계면 상에 배치되며, 상기 공간의 내측을 향해 광신호를 발신하는 발신모듈; 및
    상기 공간 내를 비행할 수 있도록 마련되며, 상기 발신모듈로부터 발신되는 광신호를 감지하고 해당 광신호가 발신되는 발신모듈을 목표로 비행 이동하는 비행유닛을 포함하고,
    상기 비행유닛은,
    상기 발신모듈로부터 발신되는 광신호를 감지하는 감광센서를 포함하며,
    상기 광신호가 감지되지 않을 때는 제자리 비행을 수행하고, 상기 광신호가 감지되었을 때는 상기 광신호를 발신하고 있는 상기 발신모듈을 향해 비행 이동하되, 현재 비행 위치에서 상기 감광센서에 감지되는 상기 광신호의 수신각도에 따라 경로 설정값이 다르게 제어되는 드론의 3차원 경로 설정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발신모듈은,
    상기 공간을 구획하는 서로 다른 경계면 각각에 복수 개로 마련되어, 미리 설정된 서로 다른 x, y, z 좌표를 갖도록 배치되는 드론의 3차원 경로 설정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발신모듈은,
    직진성을 갖는 광신호를 발신하며,
    복수 개의 상기 발신모듈로부터 발신되는 상기 광신호의 조합을 통해 x, y, z 좌표 이동이 포함된 비행 경로를 상기 공간 내에 설정할 수 있는 드론의 3차원 경로 설정 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 발신모듈은,
    설정된 비행 경로에 따라 서로 다른 경계면에 배치된 복수 개의 상기 발신모듈을 순차적으로 온오프함으로써 상기 비행유닛의 비행 이동을 유도하는 드론의 3차원 경로 설정 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 발신모듈은,
    비행 중에 있는 상기 비행유닛의 비행 경로를 변경하고자 할 때, 상기 비행유닛이 현재 목표로 하고 있는 어느 하나의 발신모듈의 작동을 중지하고, 변경할 비행 경로 상에 배치된 다른 하나의 발신모듈이 광신호를 발신하게 하는 드론의 3차원 경로 설정 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 비행유닛은,
    상기 감광센서를 통해 복수 개의 광신호가 다각도에서 감지될 경우, 상기 감광센서에 수직으로 감지되는 광신호를 발신하고 있는 발신모듈을 우선 목표로 비행 경로를 설정하는 드론의 3차원 경로 설정 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비행유닛은,
    우선 목표로 설정된 어느 하나의 발신모듈을 향해 비행 이동하고 있는 동안에 상기 어느 하나의 발신모듈로부터 발신되는 광신호가 중단되고 다른 하나의 발신모듈로부터 발신되는 광신호가 감지될 경우, 상기 다른 하나의 발신모듈을 목표로 비행 경로를 수정하는 드론의 3차원 경로 설정 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 공간 내에 상기 비행유닛의 자유경로비행을 방해하는 장애물이 존재할 경우,
    상기 발신모듈은,
    상기 공간을 구획하는 경계면을 포함하여 상기 장애물 상에도 배치되어, 상기 비행유닛이 상기 공간의 어느 한 지점에서 상기 장애물을 우회하여 상기 공간의 다른 지점으로 비행 이동할 수 있는 비행 경로를 구축하는 드론의 3차원 경로 설정 시스템.
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