[논문]무인항공기의 Leader-Follower 편대비행을 위한 수정된 비선형 유도법칙

김도명; 박상혁; 남수현; 석진영

doi:10.5302/j.icros.2009.15.1.008

무인항공기의 Leader-Follower 편대비행을 위한 수정된 비선형 유도법칙
A Modified Nonlinear Guidance Logic for a Leader-Follower Formation Flight of Two UAVs 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.15 no.1, 2009년, pp.8 - 14

김도명 (충남대학교 항공우주공학과) , 박상혁 , 남수현 (충남대학교 항공우주공학과) , 석진영 (충남대학교 항공우주공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A formation flight guidance logic that enables the leader-follower station keeping between two UAVs is presented in this paper. The logic is motivated by the investigation of the relation between the proportional navigation and the nonlinear trajectory tracking guidance law, The simplicity of the presented method provides computational efficiency and allows easy implementation. An excellent performance of the proposed logic is demonstrated via various numerical simulations for multiple UAVs environment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 두 대의 무인항공기 편대비행을 위한 수정된 비선형 유도법칙을 제안하였다. 제안된 유도법칙은 leaderfbllower 구조를 지니고 있으며 비행체의 동역학과 기하학에 기반한 비선형 유도법칙을 개선하여 편대비행에 적용함으로써 궤적 추종성능이 우수하다.
본 논문에서는 비선형 유도법칙을 두 대의 무인항공기의 편대비행을 위한 유도법칙으로 사용하기 위하여 두 가지를 제안하였다. 첫째는 궤적주종 방법 대신에 Leader-follower 방법으로 수정하였다.
비선형 유도법칙 (nonlinear guidance logic)은 궤적추종 유도법칙으로서 호밍 유도 법칙인 비례항법 유도법칙을 기반으로 개발되었으며, 구조적으로 비례항법에서 중요한 요소인 시선각 변화율 개념을 이용하고 있으나, 비례항법과는 다르게 가상 표적에 대한 접근속도를 고려하지 않는 차이가 있다. 본 절에서는 비선형유도 법칙을 간략하게 살펴보고 비례항법과의 상관관계를 고찰하였다. 또한 편대비행 제어구조로 잘 알려진 Leaderfollower 상태유지 기법을 적용하여 두 대의 무인항공기 편대비행을 위한 효과적인 유도 알고리듬을 제안하였다.

제안 방법

구현된 편대비행 제어 알고리듬을 자체 개발한 다수 무인기 편대비행 시뮬레이션 장비에 적용하여 제안된 알고리듬의 안정성과 효용성을 검증하였다.
시뮬레이션 수행 중에 가상 표적 위치는 follower의 현재 편대비행 위치에서 leader의 헤딩방향으로 150散匕2)떨어진 지점에 생성된다. 내부루프는 고전제어 법 칙으로 설계하였으며, 횡 방향으로 롤 유지 오토파일럿과 전방향으로 속도와 고도 유지 오토파일럿을 사용하였다. Leader는 고도 200m에서 20m/s의 속도로 비행하며 2차원 평면상에서 유도성능만을 고찰하기 위하여 고도변화는 주지 않았다.
다수의 무인항공기 시뮬레이션 환경인 MUSE를 이용하여 수정된 비선형 유도법칙의 성능을 검증하기 위하여 몇 가지 경우에 대하여 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 수행 중에 가상 표적 위치는 follower의 현재 편대비행 위치에서 leader의 헤딩방향으로 150散匕2)떨어진 지점에 생성된다.
이 편대비행 위치를 가상표적의 위치라고 가정하면 식 (5)에서 알 수 있듯이 의사비례항법인 비선형 유도법칙은 미리 정해진 비행궤적을 필요하지 않으므로 임의의 기동을 하는 leader를 고려하는 편대비행의 횡방향 유도법칙으로 쉽게 적용할 수 있음을 알 수 있다. 둘째는 편대비행을 효과적으로 구현할 수 있는 가상표적의 위치를 제안하였다. 비선형 유도법칙에서는 비행체와 가상 표적은 미리 정해진 비행궤적을 따라 비행체로부터 고정된 A만큼 떨어진 거리를 유지하면서 이동하므로, 가상 표적과 비행체 사이의 거리는 일정하게 유지된다.
GUI는 각 무인항공기의 비행상태를 나타내는 상 태창, 사용자가 자율비행명령을 조작할 수 있는 노브 컨트롤, 비행모드를 변경할 수 있는 비행모드 패널, 사전에 미리 임무를 계획할 수 있는 임무 계획 패널 등으로 구성되어 있다. 또한 별도의 2D 격자지도에 각 무인항공기의 위치를 나타낼 수 있도록 구성하였다.
본 절에서는 비선형유도 법칙을 간략하게 살펴보고 비례항법과의 상관관계를 고찰하였다. 또한 편대비행 제어구조로 잘 알려진 Leaderfollower 상태유지 기법을 적용하여 두 대의 무인항공기 편대비행을 위한 효과적인 유도 알고리듬을 제안하였다.
본 논문에서는 개발이 완료된 무인항공기의 내부 비행 제어법칙을 활용하고 실비행에서 구현의 복잡성을 배제하기 위하여 첫 번째 접근방법을 선택하였으며, 수정된 비선형 유도 알고리듬을 통하여 편대비행 제어법칙을 구현하였다. 구현된 편대비행 제어 알고리듬을 자체 개발한 다수 무인기 편대비행 시뮬레이션 장비에 적용하여 제안된 알고리듬의 안정성과 효용성을 검증하였다.
본 연구를 위하여 실험실 수준에서 효과적으로 사용할 수 있는 다수의 무인항공기 시뮬레이션 환경을 개발하였다[19]. MUSE (Multiple UAV Simulation Envi讪nment)는 Matlab script 언어와 시뮬링크(simulink)로 작성되었다.
따라서 hllower가 가상 표적에 도달하는 상황이 발생하게 되는데, 미사일의 경우 표적에도 달하는 것이 주요 목적이며 그 이후의 상황에 대해서는 고려하지 않으므로 문제되지 않으나, 편대비행 상황에서 의사 비례항법과 같은 호밍 유도법칙의 경우에는 이 때의 비행체의 위치가 횡방향 유도법칙에 대한 특이점이 되기 때문에 비행체가 매우 불안정한 상태가 된다. 이러한 상황을 피하기위하여 가상 표적의 위치는 현재 fbllower가 추종해야 할 편대비행 위치가 아닌 현재 ft>llower로부터 충분히 떨어진 위치에 생성하도록 하였다.
첫째는 궤적주종 방법 대신에 Leader-follower 방법으로 수정하였다. 궤적추종 방법에서 유도법칙은 비행체가 편대비행 형태에 따라 각 비행체간 일정한 오프셋을 가진 미리 결정된 비행궤적을 추종하게 한다.

데이터처리

또한 몇 개의 설계 변수를 조절하여 안정적인 편대비행을 가능케 하는 유도 법칙으로서 실제 편대비행에서의 유도법칙으로 구현하기에 용이하다. 개발된 다수의 무인항공기 시뮬레이션 환경을 이용하여 편대비행 유도법칙의 성능을 검증하였다. 향후에 본 논문에서 제안된 수정된 비선형 유도법칙을 적용하여 비행시험을 계획하고 있다.

성능/효과

결론적으로 비선형 유도법칙은 유도 상수가 2와 같고 기준점(가상의 표적)이 실제적으로 움직이며 기준점과 비행체 사이의 거리인 厶값은 고정되어 있으므로 비행체속도를 접근속도로 하는 의사비 례항법으로 해석될 수 있다.
비선형 유도법칙을 제안하였다. 제안된 유도법칙은 leaderfbllower 구조를 지니고 있으며 비행체의 동역학과 기하학에 기반한 비선형 유도법칙을 개선하여 편대비행에 적용함으로써 궤적 추종성능이 우수하다. 또한 몇 개의 설계 변수를 조절하여 안정적인 편대비행을 가능케 하는 유도 법칙으로서 실제 편대비행에서의 유도법칙으로 구현하기에 용이하다.

후속연구

향후에 본 논문에서 제안된 수정된 비선형 유도법칙을 적용하여 비행시험을 계획하고 있다. 또한 제안된 유도법칙은 2대 이상의 다수의 무인항공기 편대비행 유도법칙으로 확장하기 위하여 제어시스템의 구조를 개선하고 최적화 기법을 적용하면 효과적인 다수의 무인항공기 편대비행 제어법칙으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
개발된 다수의 무인항공기 시뮬레이션 환경을 이용하여 편대비행 유도법칙의 성능을 검증하였다. 향후에 본 논문에서 제안된 수정된 비선형 유도법칙을 적용하여 비행시험을 계획하고 있다. 또한 제안된 유도법칙은 2대 이상의 다수의 무인항공기 편대비행 유도법칙으로 확장하기 위하여 제어시스템의 구조를 개선하고 최적화 기법을 적용하면 효과적인 다수의 무인항공기 편대비행 제어법칙으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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