Decentralized Formation Flight Control Design and Implementation

마하무드 알샤드 경상대학교 대학원 2015 국내박사

한 대의 값비싼 항공기가 할 수 없는 일들이 종종 발생한다. 하지만 여러 대의 값싼 항공기들의 협업을 통해 한 대의 값비싼 항공기가 할 수 없는 많은 일들이 가능해질 수 있다. 다만, 한 가지 좋지 않은 소식은 항공기들의 협업은 기존에 없던 수많은 제어 문제들을 야기한다는 사실이다. 이 논문은 다수의 항공기들을 제어함에 있어 발생하는 많은 문제들 중 군집비행제어기 설계에 대한 것이다. 군집비행제어기 설계에는 크게 두 가지 방법(중앙집중형과 분산형)이 있다. 비록 중앙집중형 방법이 몇 가지 장점이 있다하더라도, 이 방법은 항공기들 간 정보를 주고 받는 구조가 강건하지 않다. 이 구조는 네트워크 상의 모든 정보가 한 대의 중앙항공기로 집중되어 처리되기 때문에 이 중앙항공기가 오작동하는 순간 전체적인 군집비행제어가 실패하기 때문이다. 따라서, 본 논문은 중앙집중형이 아닌 분산형 군집제어기 설계기법을 중점적으로 연구한다. 첫째로 선형시스템으로 표현되는 다수의 항공기들의 군집비행제어기 설계기법을 다룬다. 여기서는 군집비행 시 발생하는 여러 실제적인 문제들(충돌회피, 시간지연 등)은 고려하지 않는다. 이 첫번째 군집비행제어를 위해 먼저 항공기들 사이의 통신구조(네트워크 토폴로지)를 항공기간 상대거리를 기반으로한 그래프이론의 라플라시안으로 정의하고, 이 라플라시안을 직접적으로 사용한 군집비행제어기를 설계한다. 이 군집비행제어기 설계변수 중의 일부는 선형행렬부등식을 풀어 구하게 되고, 이렇게 설계된 제어기는 군집비행의 안정성을 이론적 및 수치적으로 보장하며 원하는 군집형태로의 전환을 가능하게 한다. 이 첫번째 제어기는 여러가지 형태로 발전될 수 있는데, 먼저 피드백 선형화를 통해 비선형 항공기(쿼드콥터 등)들의 군집비행에 적용된다. 이 적용법은 기존의 적용법들에 비해 상대적으로 단순해 적은 제어입력과 계산량이 요구된다. 본 논문은 기존의 적용법과 실제 수치적인 비교를 통해 본 적용법의 실용성을 입증했다. 첫번째 제어기의 또 다른 발전된 형태는 (비선형)항공기 네트워크 상에 리더가 존재하는 경우의 군집비행제어이다. 여기서 리더는 타 항공기들의 영향을 받지 않고 자신이 스스로 만들어내는 항로를 따라 비행하는 항공기를 말하며, 이러한 상황에서의 군집비행제어라함은 타 항공기들이 일정한 군집형태를 이루며 이 리더 항공기를 따라가게 하는 것을 의미한다. 본 논문에서는 이러한 형태의 군집비행제어 역시 가능함을 보인다. 최초 제안된 군집비행제어기는 실제적으로 중요한 충돌회피를 고려한 군집비행도 가능하도록 발전된다. 이를 위해 에지-텐션(edge-tension) 함수가 정의되고, 이를 이용해 최초 제어기에 사용된 라프라시안과 유사한 행렬의 각 요소를 직접적으로 변화시키면서 군집비행제어를 수행한다. 기존의 잠재 함수(potential function)가 아닌 본 논문에서 제안한 에지-텐션 함수를 이용하여, 최초 제안된 군집비행제어기에 충돌회피를 위한 제어입력을 더하는 단순한 형태의 제어를 통해 잠재 함수를 충돌회피에 적용하면서 통상적으로 발생되는 문제들도 동시에 해결한다. 이 충돌회피를 고려한 군집비행제어기는 리더가 있는 항공기 네트워크에도 성공적으로 적용되었다. 다양한 군집비행 시나리오에 대한 제어기설계 예제들과 더불어, 설계된 제어기를 실제 쿼드콥터의 군집비행에 적용한 사례도 보임으로서, 본 논문에서 제안한 군집비행제어기들의 실용적 가치를 입증하였다. 마지막으로, 본 논문은 논문에서 수행한 연구들에 대한 몇 가지 의견과 향후 발전 방향을 제시하였다.

소형 무인비행체를 활용한 군집비해에 관한 연구

김기홍 한세대학교 일반대학원 2020 국내석사

무인 드론의 군집비행을 위한 동적 리더 교체 기법

황정식 고려대학교 컴퓨터정보통신대학원 2016 국내석사

최근 몇 년간 드론의 기술이 급속도로 발전함에 따라 보급형 드론, 초소형 미니 드론 등 다양한 형태의 드론에 대한 수요가 전 세계적으로 폭발적으로 증가하고 있다. 이러한 상황에서 무인 드론의 성능 향상을 위해 여러대의 드론이 포메이션 그룹을 형성하여 비행하는 군집 비행 연구가 활발하게 진행되고 있다. 무인 드론의 군집 비행과 관련된 기존의 연구에서는 목적지까지의 비행 중 돌발 상황이 발생했을 때, 비행 전 결정된 리더 드론의 결정을 통해 돌발 상황을 해결하는 리더-팔로워 방식을 따른다. 이로 인해 군집 비행 중에 발생하는 돌발 상황에 능동적으로 대처하기가 어렵다. 본 연구에서는 기존의 리더-팔로워 포메이션(Leader-Follower Formation) 구조의 문제점을 개선하고자 드론 간의 메시지 통신을 통해 동적으로 리더를 선출하고, 목적지까지 중단 없는 비행 임무를 수행하기 위해 동적인 리더 교체 기법을 제안한다. 이를 위하여 실제 비행 환경과 유사한 군집 비행 시뮬레이션을 실시하여 본 연구에서 제안한 동적 리더 교체 기법을 실제 드론의 군집 비행에 적용하기 위한 기반을 마련 하였고, 기존의 리더-팔로워 기법에 비해 높은 비행 성공률을 가짐을 확인하였다. The demand for drones has grown exponentially around the world over the last few years from micro drone to commercial drones in the market. To improve the flight performance of unmanned drones, recently there have been many studies on the formation flight of unmanned drone of more than one. The previous formation flight research followed ‘leader-follower’ approach where leader drones decided how to solve unexpected events before the flight when unexpected situations occur through the destination. , This made it difficult for controllers to effectively handle unexpected events in uncertain flight environment. In this study, we propose a method that spontaneously replaces leaders using message communication between drones to improve problems in the previous leader-follower formation. To do this, the study simulated formation flight which is similar to the real flight environment, and established a basis for replacing the leader as proposed earlier to real formation flight. Finally, the study confirmed that the success rate is higher than the previous leader-follower formation flight.

멀티콥터 군집비행 알고리듬에 대한 연구

김현규 한국항공대학교 대학원 2015 국내석사

최근 무인비행장치 시장에서 멀티콥터에 대한 관심이 집중되고 있다. 멀티콥터는 회전날개가 여러 개 달린 수직 이착륙이 가능한 회전익 항공기로 회전날개의 개수에 따라 쿼드(Quad), 헥사(Hexa), 옥토(Octo) 등으로 분류된다. 멀티콥터가 관심이 뜨거운 이유는 같은 회전익 항공기인 헬리콥터에 비해 구조가 단순하여 수리가 간편하고 유지보수 비용이 적게 든다는 장점이 있기 때문이다. 이러한 이유로 취미용 무인비행장치 시장의 대부분을 멀티콥터가 장악하고 있으며, 항공 촬영, 농약 살포 등 기존에 무인 헬기가 독점했던 시장을 멀티콥터가 대체해 나가고 있다. 취미용이나 항공 촬영 외에도 멀티콥터를 이용하려는 시도는 계속 되고 있다. 세계 최대 온라인 쇼핑 중개자인 아마존(Amazon)은 2013년 회전날개가 8개인 옥토콥터(Octocopter)를 이용하여 물품을 배송하겠다는 내용의 ‘아마존 프라임 에어(Amazon Prime Air)’를 발표하였다. 아마존은 2014년 말 5파운드(2.27kg) 무게의 짐을 싣고 16km 지점까지 물건을 나르는 테스트를 성공했다. 대표적인 물류 운송업체인 DHL과 UPS도 멀티콥터 활용을 검토하고 있다. DHL은 2013년 12월 독일에서 ‘파켓콥터(Packetkopter)’라는 이름의 멀티콥터로 강 건너에 물품을 배송하는 시연을 했다. DHL은 접근하기 어려운 지역에 긴급하게 화물을 수송할 때 멀티콥터를 활용하는 방안을 고민 중이며, UPS는 물류센터 간 운송에 멀티콥터를 이용하는 것을 생각하고 있다. 멀티콥터는 항공 촬영, 농약 살포, 물품 배달 등 활용 분야가 무궁무진한 무인비행장치이지만 한계점도 가지고 있다. 가장 큰 한계점은 멀티콥터에 싣는 짐의 무게가 무거울수록 멀티콥터의 크기도 커져야 한다는 점이다. 멀티콥터는 회전날개가 회전하면서 생기는 힘을 이용하여 이륙하기 때문에 이륙무게가 무거울수록 회전날개의 직경도 커져야 하기 때문이다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 여러 대의 멀티콥터를 이용하는 군집비행에 대한 연구가 활발하다. 특히 미국 펜실베니아 주립대학교는 모션 캡처(Motion Capture) 장비를 이용하여 세계 최초로 멀티콥터 군집비행에 성공하였으며, 스위스 취리히 연방 공과대학교는 멀티콥터끼리 공놀이를 하는 등 다양한 알고리듬을 개발했다. 하지만 모션 캡처 장비가 꼭 필요하다는 한계점이 존재한다. 본 논문에서는 이러한 한계점을 극복하기 위하여 GPS를 이용한 멀티콥터 군집비행 시스템을 개발하였다. 개발을 위해 상용 기체 프레임인 DJI社의 F550 기체를 사용하였으며, 기체의 자세 제어기, 고도 제어기 등 내부루프 제어기와 호버링, 경로추종 유도 등 외부루프 제어기를 개발하였으며, 여러 대의 멀티콥터 상태를 확인할 수 있는 GCS를 개발하였다.

포텐셜 함수와 슬라이딩 모드 기법을 이용한 무인기 군집비행 제어기 설계

한기훈 서울대학교 대학원 2008 국내석사

Three-dimensional optimum controller design for UAV formation flight using behavioral decentralized approach

김승균 서울대학교 대학원 2008 국내박사

Moving Baseline 기반 정밀 상대 항법 측위해 도출을 위한 메시지 설계 및 스케쥴링

윤효중 세종대학교 대학원 2020 국내석사

최근 다수의 드론을 이용한 군집 비행의 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 다수의 드론이 군집 비행을 하기 위해서는 드론들의 정밀한 위치를 필요로 한다. 따라서 군집 비행을 위해서는 RTK (Real Time Kinematic)와 같은 정밀 측위 방법을 통해 수 cm급의 정밀한 위치를 알아야 한다. 군집 비행에 지상의 기준국을 이용하는 경우, 지상의 기준국으로부터 드론의 거리가 멀어질수록 보정 정보의 수신률과 측위의 정확도가 떨어지기 때문에 드론 운용에 문제가 발생할 수 있다. 또한, 군집 비행의 특성상 빠르고 정확하게 위치가 결정되어야 하므로 10Hz 이상의 High rate의 위치 결과를 필요로 한다. High rate의 위치 결과를 위해서는 기준국으로부터 제공 받는 보정 정보도 High rate로 제공 받아야 하며, 군집 비행을 하고있는 다른 항체들에게 10Hz 이상의 속도로 보정 정보를 제공하려면 데이터양이 매우 크므로 통신 Bandwidth가 크게 설정되어야 하는 한계가 있다. 하지만 통신 Bandwidth를 크게 설정하게 되면 많은 양의 데이터를 처리가 이루어지고, 드론의 배터리 소모가 증가하여 드론의 비행시간에 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 논문에서는 드론의 군집 비행시 지상 기준국으로부터 드론 사이의 거리와 무관하게 높은 보정 정보 수신률과 정확도를 확보하기 위한 방안을 고려하였다. 기존의 Single Reference Station RTK 기법을 활용하여 군집 비행하는 드론중 하나를 Leader로 하여 Moving Base 역할을 하는 Moving Baseline RTK 기법을 제안하였다. Leader의 위치 변화를 고려하여 Leader의 속도 성분을 계산한 뒤, Follower에 제공하여 보상하는 방법을 통해 Moving Baseline RTK를 수행할 수 있도록 하였다. 또한 군집 비행시 정밀 상대 항법을 위한 데이터 Bandwidth를 감소시킬 수 있는 방안을 제시하였다. Leader 항체를 Moving Base로 설정하여 보정 정보를 전송하고, Bandwidth를 감소시키기 위해 스케쥴링 기법을 제안하였다. Recently, research on swarm flight has been actively conducted. Drones need accurate position calculations for swarm flight. For swarm flight, you need to know the exact position at the centimeter level. When the ground reference station is used for swarm flight, the position of the drone from the ground reference station reduces the reception velocity and positioning accuracy of the correction information. In addition, data bandwidth must be very large to provide RTCM calibration information to other antibodies at velocity above 10 Hz during swarm flight. However, setting a large bandwidth will process a large amount of data and increase the battery consumption of the drone. In this paper, we propose velocity compensation for moving baseline calculation by calculating the velocity component of the leader and providing it to the followers. In this paper, we propose a method to perform an effective moving baseline RTK using velocity compensation for baseline by using the existing RTK and leader velocity when performing group flight. And we proposed a method to reduce the data bandwidth for precision relative positioning during swarm flight

복수 무인기 시뮬레이션 소프트웨어 플랫폼 개발

김승진 경상대학교 대학원 2018 국내석사

In these days, a variety of application services based on UAV are being employed in a wide range of fields. Also, research for utilization of multiple UAVs has been attracting much attention in order to provide high-level application service which is difficult to perform with single UAV. In general, it is essential to investigate and verify various missions and tasks to develop multiple UAVs–based application services. However, we can not ignore a lot of time loss and economic cost due to breakdown and malfunction of the UAVs, which may occur when the flight tests are carried out in a real environment. To overcome this problem, it is necessary to develop a system that can effectively simulate multiple UAVs. As an efficient solution, a software platform that can simulate multiple UAVs with a single ground control station is proposed in this thesis. In the proposed platform, multiple UAVs are replaced with several mini PCs containing dynamic flight model and they are connected to a ground control station. Experimental results show that various flight simulations required to test missions and tasks are performed in the proposed platform.

입자 군집 알고리즘을 적용한 가로-방향축 비행제어법칙 최적화 연구

이태현 경상국립대학교 대학원 2021 국내석사

In this thesis, the control gain optimization of the Lateral-Directional Axis Controller is performed using the Particle Swarm Optimization(PSO) Algorithm, which is one of the Nature-Inspired Algorithms. Most of the aircraft being developed necessarily adopt an digital fly-by-wire flight control system. The design of the flight control laws for the FBW flight control system should impose stability and maneuverability so that excellent maneuverability can be ensured in the entire flight envelope. In this process, manual control gain design is inefficient and automated control gain design is essential. CONDUIT, a widely used commercial program for control gain automation, is greatly influenced by the initial control gain design. If the initial control gain is designed incorrectly, it may be trapped in the local solution or the LOES estimation may not be possible. Therefore, there is a need for a method that is less sensitive to the initial control gain and can find the global solution. For this purpose, control gain optimization is performed using the PSO Algorithm. To initiate the PSO algorithm, the lateral-directional handling quality requirements of dutch-roll mode, roll mode and stability margin are expressed as inequality constraints and then translated into a fitness function. This fitness function is then minimized using the PSO algorithm’s particles being defined as a collection of control gains.

Multiple prey- predator dynamics in rice ecosystems : 논생태계내 다중 피식자 - 포식자 동태

박홍현 서울대학교 대학원 2003 국내박사