Docking Interface for Aerial-Ground Robot Collaboration: Design and Implementation of an Autonomous

Docking Interface for Aerial-Ground Robot
Collaboration: Design and Implementation of an
Autonomous Coupling System

COMPONENTS

PROJECT DESCRIPTION

Project Overview

본 UGV/UAV “FIXIT” 로봇은 산업용 드론의 체공 한계를 해결하기 위해, 기체가 로버 상단 콘에 착륙하면 중력만으로 오정렬을 보정하고 접촉 전극으로 충전한 뒤 즉시 재이륙하도록 설계됐습니다. W5500이 제공하는 이더넷 스택은 결정론적 저지연 텔레메트리와 원격 펌웨어 업데이트 채널을 확보해 임무 RF 대역을 소모하지 않습니다.

Key Features

수동 45° 도킹 콘 – 착륙 오차 ±5 cm / ±10°까지 자동 센터링; 30° 설계 대비 지지물 96 % 감소, 인쇄 시간 35 % 단축

24 V 접촉식 충전 – 로버 DC-DC에 직접 연결, 무선 방식(~65 %) 대비 >90 % 효율

W5500 이더넷 텔레메트리 – RJ-45로 EMI 차단·고정 MAC; SPI 버스에서 MCU(마스터) ↔ W5500(슬레이브) 연결

모듈형 PX4/ROS2 스택 – Gazebo SITL로 안전한 알고리즘 반복 개발

Network Architecture

Drone ⇄ W5500 ⇄ RJ-45 ⇄ 스위치 ⇄ 운용 PC – 배터리 게이지, BMS 상태, 충전 전류를 JSON/TCP로 스트리밍하고, CLI 기반 업데이트(gbs/gcs)도 동일 링크를 사용합니다 .

Software Architecture

PX4와 ROS 2는 원천적으로 다른 미들웨어(uORB vs. DDS) 를 쓰지만, uXRCE-DDS 브리지 덕분에 동일 DDS 공간에 접속한다. 그럼에도 PX4는 저수준 실시간 제어, ROS 2는 고수준 자율·서비스라는 역할 분담은 그대로 유지된다는 것이 핵심

계층	구성 요소	주요 기능
시뮬·제어	PX4 SITL (또는 실제 FC)	Gazebo 모델을 비행 제어 / 센서 융합으로 구동
미들웨어	Micro-DDS Agent	uORB·PX4 ↔ ROS 2 간 2-Way 브리지
	ros_gz_bridge	Gazebo 토픽 ↔ ROS 2 토픽 매핑·변환
응용 노드	`aruco_tracker`, `precision_land`, `uwb_*`	비전 기반 목표 추정, 고도 센싱, 상태머신 착륙 제어
운용 툴	QGroundControl, rqt_image_view	MAVLink 지령·상태 모니터 / 이미지 피드 확인
통신 링크	① 무선 MAVLink (임무·텔레메트리)② W5500-Ethernet (유선 로그·펌웨어)	임무 중 RF, 유지보수 시 RJ-45 분리 운용

UGV-UAV 결합 도킹 인터페이스

1. 설계 개념

상보적 절-두각형(cone + landing gear) 구조로, 드론 다리와 로버 상단 콘이 서로 “맞물려” 중력만으로 오정렬을 교정하는 패시브(Self-centering) 방식이다. 초기 30 ° 설계는 교정력이 부족해 45 °로 변경되었다 .

45 °로 바꾸자 FDM 3D 프린터용 지지재가 51 % → 4 %(93 %↓)로 줄고, 총 인쇄 시간도 35 % 단축되었다 . 덕분에 경량·저가·신속 제작이 가능하다.

2. 허용 착륙 오차

Gazebo-기반 시뮬레이션에서 최대 ±5 cm의 수평 위치 오차와 ±10 °의 기체 기울기를 보정할 수 있음이 확인됐다 . 이는 카메라 기반 비전-랜딩 알고리즘이 확보해야 할 목표 정확도를 결정한다.

3. 전력·통신 인터페이스

항목	방식	이유
충전	24 V 접촉식 전극	- 무선 충전 효율(≈ 65 %) 대비 >90 % 고효율- 구조 단순, 이동형 FIXIT 로버에 적합
유선 I/O	W5500 Ethernet	실험·정비 시 고속 로그, BMS 상태, 펌웨어 업데이트용
무선 I/O	MAVLink(2.4/5 GHz Wi-Fi 등)	실제 임무 중 원격 제어·텔레메트리 담당

W5500 Ethernet 모듈의 설계 목적

보드에는 W5500, MAC-EEPROM(24AA02E48) 그리고 RJ-45 커넥터로 구성된 전용 Ethernet 섹션이 포함돼 있습니다. 두 인터페이스(트랜스포머로 절연된 Media Interface + uC와의 SPI)로 동작합니다.

블록다이어그램에서도 “Ethernet module → uC와의 통신용” 으로 명시돼 있어, 사용자가 로버/드론 시스템을 케이블로 직접 접속해 상태 확인·펌웨어 업데이트·배터리 관리 CLI 등을 실행할 수 있도록 설계됐습니다.

펌웨어 측면에서도 EthernetServer TcpServer(3001) 를 초기화해 로컬 TCP 서버를 띄워두고, CLI 명령·센서 데이터 등을 주고받도록 구현돼 있습니다.

➜ 즉, 도킹 스테이션에 로버가 물려 있거나 실험-벤치 상황에서 안정적·고속으로 데이터를 주고받기 위한 “Service/Debug용 유선 백본”에 가깝습니다.

실제 비행-임무 시 통신 계층

드론 쪽 비행 컨트롤러(PX4)는 Ground Control Station(QGC) 와 MAVLink 프로토콜로 명령·텔레메트리를 주고받도록 구성돼 있습니다. 논문에서는 물리 매체를 구체적으로 못 박지는 않았지만, MAVLink 링크는 관례적으로 2.4 / 5 GHz Wi-Fi, SiK Radio, 900 MHz 장거리 모뎀 등 무선으로 운용됩니다.

왜 두 가지 인터페이스를 모두 넣었을까?

구분	사용 시점	장점	비고
W5500 Ethernet	개발·실험, 로버가 드론을 충전 중일 때	• 지터 없는 고속 로그 수집• 펌웨어/EEPROM 업데이트• BMS·Gauge 실시간 모니터링	RJ-45 연결 필요
무선 MAVLink	드론 비행·탐사·산업 현장	• 케이블 없이 장거리 제어• GCS·ROS2 등과 실시간 데이터 교환	전용 Telemetry 모듈 또는 Wi-Fi AP 필요

Documents

Comments Write